DE2732201C2

DE2732201C2 - Regler für die Lagestabilisierung eines Satelliten

Info

Publication number: DE2732201C2
Application number: DE2732201A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. 8000 München Bittner; Ernst Dipl.-Math. 8012 Ottobrunn Brüderle; Eveline Dipl.-Math. 8011 Oberpframmern Gottzein
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1977-07-16
Filing date: 1977-07-16
Publication date: 1983-01-13
Also published as: IT1097004B; JPS5420599A; GB2001186A; NL7806496A; US4174819A; FR2397672A1; GB2001186B; IT7825588A0; CA1113586A; JPS6256040B2; DE2732201A1; FR2397672B1

Description

1. \<p\ - ω\φ\>ε, φ>0

Aktiv; ;rung der negativen Schubdüse 214,

2. I?! -ω\φ\>ε, (ä<0 Aktivierung der positive Schubdüse 215

ω, ε = konstante Parameterwerte.

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4. Regler nach Anspruch I. 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied (217) eine Auslöseschwelle in Abhängigkeit der Werte φ bzw. φ aufweist und daß an seinem Ausgang ein Signal für die Ansteuerung der positiven (215) bzw. negativen Schubdüse (214) bei Überschreiten der Schwelle abnehmbar ist.

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Die Erfindung betrifft einen Regler für die Lagestabilisierung eines Satelliten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Regler der genannten Art werden in Satelliten benötigt, um die sich aus einer Reihe von Einzelkriterien ergebende Winkelabweichung von einer Referenzrichtung, weiche den Gebrauchswert des Satelliten auf seiner Bahn stark mindern oder auch völlig beseitigen kann, auf ein zulässiges Maß zu reduzieren. ,60

In der US-Patentschrift 39 84 071 ist ein Lagestabilisierungsapparat für einen nutierenden Satelliten beschrieben, bei dem von einem Sensor ein Fehlersignal erzeugt und einem Filter zugeführt wird. Hinler dem Filter ist eine Summationsstelle angeordnet, von wo aus das Signal zu zwei Schmitt-Triggern weitergeführt wird. Der eine Schmitt-Trigger wird aktiviert, wenn das Signal vom Sensor einen positiven Fehler bestimmter Größe anzeigt, dementsprechend der zweite Schmitt-Trigger bei Vorliegen eines negativen Fehlers. Ein Ausgang des Schmitt-Triggers führt zu einem Multivibrator, welcher einen Puls abgibt, sobald er getriggert wird. Der andere Ausgang des Schmitt-Triggers führt zu einem ODER-Glied, welches ebenfalls mit dem Ausgang des Multivibrators verbunden ist. Der Ausgang des ODER Gliedes führt zu einem weiteren ODER-Glied, von dessen Ausgang eine Schubdüse zur Erzeugung eines Gegtnmomentes gegen den positiven Winkelfehler aktiviert wird. Das Wesen der Erfindung wird darin gesehen, daß hinter dem erstgenannten ODER-Glied ein Zähler angeordnet ist, welcher mit jedem vom ODER-Glied abgegebenen Puls auf Null gesetzt wird und eine Zählung beginnt, deren Ergebnis mit der gewöhnlichen Dauer einer Nutationsperiode verglei-1 hen wird. Wenn seit dem letzten Nullsetzen des Zählers ein bestimmter Anteil einer Nutationsperiode verstrichen ist, vorzugsweise 5/8 einer solchen Periode, ohne daß ein neuer Impuls vom ersten ODER-Glied geliefert worden ist. so aktiviert dieser Zähler über das bereits erwähnte zweite ODER-Glied die Schubdüse für eine weitere Zündung.

Auf diese Art und Weise soll verhindert werden, daß der Satellit zwischen den Grenzen eines vorherbestimmten Bandes infoige der Lageregelung mit dem Ergebnis hin- und herpendelt, daß sich ein hoher Kraftstoffverbrauch einstellt und dam'· die Lebensdauer des Satelliten i>. seiner Bahn bzw. die Nutzlastzuladung usw. herabgemindert wird.

Nachteilig be> dieser Einrichtung wirkt sich aber aus. daß jede Parameterschwankung, z. B. der Trägheitsmomente oder der Drehzahl des Drallrades, die zu einer Änderung der Nutationsperiode führen muß, von dem vorgeschlagenen System nicht erfaßt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es. eine Einrichtung für eine aktive Regelung anzugeben, welche unabhängig von Parameterschwankungen, die Lagestabilisierung bewirkt.

Diese Aufgabe ist nach der Erfindung gelöst durch einen zweiten Regelkreis, welchem \ im ersten Lageregelkreis Werte für den Lagewinkel und die Lagewinkelgeschwindigkeit zuführbar sind und welcher einen Vergleicher aufweist, von welchem bei übereinstimmenden Vorzeichen von φ.φ ein Ausgangssignal abnehmbar und zwei UND-Gliedern zuführbar ist. welchen je ein weiteres Signal von einem der positiven Richtung des Lagefehlers bzw. der negativen Richtung zugeordneten Schmitt-Trigger aufschaltbar ist und deren Ausgänge mit auch vom ersten Regelkreis aufschaltbaren ODER-Gliedern verbunden sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung rieben sich aus den IJnteransprüchen

Vorteilhaft ist insbesondere, daß durch die aktive Regelung die Dämpfung des Satelliten auf besonders kraftstoffsparende Weise bewerkstelligt wird, ohne daß dafür ein nennenswerter apparativer Aufwand zu betreiben ist. Das Einschwingverhalten des Reglers ist dem anderer bekannter Einrichtungen überleger Außerdem ergibt sich, daß d'e erfindungsgemäUe Einrichtung auch zur Lageregelung nicht drallstabilisierter Satelliten geeignet ist. mithin universell für die Raumfahrt verwendet werden kann.

Ein Ausführiingsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. I einen Regler mit Beobachter. .Schmitt-Trigger, jedoch ohne Nutationsdämpfung,

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Fig.2 einen Regler mit Beobachter und Geschwindigkeitsbeschränkung zur aktiven Nutationddämpfung,

Fig.3 ein Beispiel für das Eingreifen des in Fig. 2 dargestellten Reglers.

Wie F i g. 1 zeigt, besteht der Reeler aus einem Sensor 100, Summätionsstellen 1, 10, \3, II, 12, den Beobachterkonstanten 2, 3, Integrationsgliedern 5, 6, einem Verstärker 4, einer Retlerkonstanten 7. Schmitt-Triggern 8,9 un^ Schubdüsen 14,15.

Die Beobachtergleichungen für diesen Regler lauten:

φ -■ m ■ u + L\ {φ_ί ■- φ) φ = φ + L₂ (φ,- φ)

Reglersignal: u_R= - φ - τφ

L\,L< Beobachterkonstanten

ι: Reglerkonstante.

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Geschwindigkeit q und Lage q werden im Ausführungsbeispiel geschätzt. Diese Schätzwerte werden korrigiert mit Hilfe der Messung q, und der Düsenaus gänge u. Selbstverständlich kann der Geschwindigkeitswert auch anders als durch Schätzung, beispielsweise durch direkte Messung oder andere geeignete Maßnahmen gewonnen werden.

Mit Hilfe der Schmitt-Trigger 8, 9 werden in bekannter Weise entweder die negative Schubdüse 14 oder die positive Schubdüse 15 je nach Richtung des vom Sensor 100 erzeugten Signals geschaltet. Wie aus dem Blockdiagramm ersichtlich ist, wird das Düsenausgangssigna! u über den Verstärker 4. in welchem der feste Q^uo'ient

Schub

I_x

gebildet wird, wobei /, das Trägheitsmoment des Satelliten um die x-Achse darstellt, zur Korrektur der Messungq,dt.π Summationsglied lOzugeführt.

Ein Regler, der nach dem in F i g. 1 dargestellten Regelungsprinzip arbeitet, wurde den Sate"iten zwischen den durch seine speziellen Parameter festgelegten Bandgrenzen hm und her pendeln lassen. Die für die Raumfahrt so entscheidende Dämpfung innerhalb des festgelegten Bandes kann mithin durci. einen normalen Regelkreis der angegebenen Art nicht bewerkstelligt werden.

In F ι g. 2 ist dargestellt, wie ausgehend von dem in Fig.! dargelegten Grundkjnzept ein für die Lageregelung von Satelliten besonders gut geetngeter Regler ausgeführt w „-rdcn kann Zur besseren Orientierung sind hierbei gleiche Bauteile mit denselben Zahlen wie in Fig I bezeichnet Zur Erläuterung des mit A bezeichneten konventionellen Kreises kann daher auf die Ausführungen für F ι g 1 verwiesen werden. Der Regler (Teil /^greift nun el·· lurch Sch.it/uni.· b/w. anderweitig gewonnenen (jroiVn (Messung u<.w ) if ν^.ύ <j an den Knoten 250. 231 ab. I.agesch.it/wcrt </ und Geschwindigkeit», hat/wert q werden einem Vergleicher 217 /ugeführt. welcher ein Ausgangssignal abgibt, wenn (f und (J das gleiche Vorzeichen aufvveir.cn. Der Schatzwert für (J gelangt über einen Vorzeichcnumkchrcr 216 zu zwei Schmitt-Triggern 218, 219, welche analog zu den Schmitt-Triggern 8, 9 ein dem Vorzeichen der Geschwindigkeit entsprechendes Signal an ihren Ausgängen abgeben. Der Ausgang des Gliedes 217 wird den UND-Güedern 220,221 zugeführt. Im Ausführungsbeispiel liegt am UND-Glied 220 das Ausgangssignal des der negativen Schubdüse (214) zugeordneten Schmitt-Triggers 218, und dementsprechend am UND-Glied 221 das Ausgangssignal des der positiven Schubdüse 215 zugeordneten Schmitt-Triggers 219.

Die Ausgänge der beiden UND-Glieder 220, 221 werden den ODER-Gliedern 223,222 zugeführt, welche an ihrem Ausgang die Schubdüsen 214 bzw. 215 ansteuern.

Wie aus der Figur ersichtlich, wird parallel zu dem ersten Regelkreis A das Geschwindigkeitssignal ψ beschränkt. Die Beschränkung dieser Geschwindigkeit bedeutet gleichzeitig die Beschränkung der Nutation, da der Abbau der Geschwindigkeit innerhalb des vorbestimmten Bandes einer aktiven Da .pfungsregelung gleichzusetzen ist.

In Fig. 3 ist ein Beispiel für das Eingreifen des Lagereglers dargestellt. Auf der Abszisse des Diagramms ist der Lagewinkel ψ sowohl in positiver als auch negativer Richtung aufgetragen, während die Ordinate den Gierwinkel ψ des Satelliten angibt. Mil -ψβ und -t-qr/jsind die Grenzen des für den speziellen Satelliten vorgegebenen Bandes bestimmt Die Kurve von I nach 2 gibt die Richtung der Lageänderung an. Befindet sich die Satellitenlage in Punkt 1 am linken Rand des Bandes, so greift der Lageregelkreis B auch dann noch nicht ein, wenn die Geschwindigkeit den zulässigen Wen bereits übersteigt. Ks ist sinnvoll, in Punkt 2. wo q und φ das gleiche Vorzeichen aufweisen, die Geschwindigkeit abzubauen, da nur hier die baldige Ankunft an der Bandgrenze verhindert wird.

Ist die φ-Ablage gering im Vergleich zur Bandgrenze, so kann eine Beachtung allein des Vorzeichens von γ zu unnötigen Schubaktivierungen führen, so daß es sich als günstig erweist, auch auf den Betrag von φ bzw. φ abzu' teilen. Vorzugsweise soll am Glied 217 ein Signal abnehmbar sein, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:

1. \φ\ - ω\φ\> ε. φ>0

Aktivierung der negativen Schubdüse 214,

2. Ii?! - ω\φ\> f. φ <Q

Aktivierung der positiven Schubdüse 215,

wobei ω und ε konstante Parameterwerte sind.

In diesem Fall übernimmt das Glied 217 die Funktion der Glieder 216,218,219, 220,221

Die Schaltung im Kreis B kann auch so ausgelegt werden, daß das Glied 217 die Funktion der Schmitt-Trigger durch eine dem Fachmann geläufige Schwellenschaltung mitübernimmt. In diesem Fall bedarf es der Glied . 216, 218, 219, 220. 221 ebenfalls nicht. Das fl'ied 217 weist dann zwei Ausgänge auf. deren einer der ncgiiliven Schubdüse und der andere Ausgang der positiven Schubdüse zugcorduc; ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Regler für die Lagestabilisierung eines Satelliten mit Schubdüsen, welche durch Steuersignale vom Regler aktivierbar sind, mit einem ersten Lageregelkreis, durch den der Satellit in eine Lage innerhalb vorbestimmbarer Bandgrenzen rückführbar ist, gekennzeichnet durch einen zweiten Regelkreis (B)₁ welchem vom ersten Lageregelkreis (A) Werte für den Lagewinke! (φ) und die Lagewinkelgeschwindigkeit (φ) zuführbar sind und welcher einen Vergleicher (217) aufweist, von welchem bei übereinstimmenden Vorzeichen von φ, ψ ein Ausgangssignal abnehmbar und zwei UND-Gliedern (220, 221) zuführbar ist, welchen je ein weiteres Signal von einem der positiven Richtung des Lagefehlers bzw. der negativen Richtung zugeordneten Schmitt-Trigger (218, 219) aufschaltbar ist und deren Ausgänge mit auch vom ersten Regelkreis (A) aufschaltbaren ODER-Gliedern verbunden sind.

2. Regier nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß am Vergleicher (217) ein Ausg^ngssignal abnehmbar ist, wenn die Werte (φ, φ) vorherbestimmbaren Betrag und Vorzeichen erreicht haben.

3. Regler nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß am Vergleicher (217) ein Ausgangssignal abnehmbar ist, wenn die Werte von φ und φ folgendes Kriterium erfüllen: