Способ управления ориентацией космического аппарата

 

Изобретение относится к управлению угловым положением космических аппаратов (КА). Целью изобретения является повышение точности и сокращение энергозатрат. Цель достигается тем, что КА вращают относительно ориентируемой оси, снимают вращающий момент при достижении скоростью вращения заданного значения, при этом скорость вращения определяют непосредственным изменением или косвенно через кинетические моменты электромаховичных двигателей (ЭМД), расположенных в плоскости, перпендикулярной ориентируемой оси, определяют соответствие текущего энергопотребления установленному значению и при превышении текущим энергопотреблением установленного значения производят разгрузку ЭМД, причем судят о текущем энергопотреблении по информации о гироскопическом моменте или по информации о скважности включения ЭМД.

Изобретение относится к области управления угловым положением космических аппаратов (КА).

Известен способ ориентации КА, включающий получение информации о текущем угловом положении КА и формирование на основе полученной информации и заданного углового положения КА управления [1].

Наиболее близким к изобретению является способ управления ориентацией космического аппарата, включающий определение углового положения КА, задание КА требуемого углового положения и отработку рассогласований между требуемым и текущим угловым положением КА приложением управляющего момента к корпусу КА [2].

Недостатком известного способа является невысокая точность, обусловленная уходами свободного гироскопа, используемого для определения текущего углового положения, и, как следствие, повышенные энергозатраты.

Целью предложения является повышение точности и сокращение энергозатрат.

Цель достигается тем, что в способе управления ориентацией космического аппарата, включающем определение углового положения КА, задание КА требуемого углового положения и отработку рассогласований между требуемым и текущим угловым положениями КА приложением управляющего момента к корпусу КА, осуществляют вращение корпуса КА вокруг ориентируемой оси, приложение управляющего момента осуществляют при помощи электромаховичных двигателей (ЭМД), измеряют кинетический момент ЭМД, установленного по ориентируемой оси и при K > I, где I - момент инерции КА по ориентируемой оси; ω₃ - заданная скорость вращения КА вокруг ориентируемой оси, приложение управляющего момента по ориентируемой оси прекращают, измеряют скорость вращения вокруг ориентируемой оси или определяют последовательные моменты времени t₁₁, t₁₂, t₂₁ и t₂₂, в которые скорости вращения ЭМД, расположенных в плоскости, перпендикулярной ориентируемой оси, соответственно становятся равными нулю, и определяют скорость вращения КА относительно ориентируемой оси в соответствии с выражением = = = измеряют проекции кинетического момента на оси ЭМД, лежащие в плоскости, перпендикулярной ориентируемой оси К₁ и К₂, определяют проекцию кинетического момента К_п на плоскость, перпендикулярную ориентируемой оси, в соответствии с выражением K = определяют гироскопический момент в соответствии с выражением M_г= K или измеряют энергопотребление двигателей ЭМД измерением скважности их включения и при превышении М_г или измеренным энергопотреблением установленного значения, соответствующего допустимому энергопотреблению, прикладывают к корпусу КА момент разгрузки от накопленного в плоскости, перпендикулярной ориентируемой оси кинетического момента.

Спoсоб осуществляется следующим образом.

Задается требуемое угловое положение КА в пространстве, при помощи свободного гироскопа определяется текущее угловое положение КА. При помощи электромаховичных двигателей к корпусу КА прикладывается управляющий момент, назначением которого является приведение ориентируемой оси к требуемому положению. Одновременно задействуются ЭМД, создающие вращающий момент для реализации режима вращения корпуса КА относительно ориентируемой оси. Непрерывно измеряется проекция К, накопленного КА, кинетического момента на ориентируемую ось. Определение К осуществляется по измерениям угловой скорости маховика. При K > I где I - момент инерции КА по ориентируемой оси; ω₃ - заданная скорость вращения вокруг ориентируемой оси, создаваемая для обнуления постоянных погрешностей свободного гироскопа, управление вокруг ориентируемой оси прекращают, так как при выключенном ЭМД угловая скорость относительно ориентируемой оси будет больше заданного значения, что позволит уменьшить энергопотребление (так как из трех ЭМД будут работать только два по поперечным осям относительно ориентируемой оси).

При управлении ориентацией КА по поперечным осям с помощью ЭМД можно измерить скорость вращения КА вокруг ориентируемой оси без использования датчика угловой скорости: при создании управляющего момента с помощью ЭМД в поперечной плоскости из-за воздействия возмущающих моментов накапливается кинетический момент, K = где К₁ и К₂ - проекции накопленного кинетического момента на поперечные оси, причем К₁ = i₁ Ω₁, K₂ = i₂ Ω₂, где i₁, i₂ - моменты инерции соответственно первого и второго маховиков; Ω₁ и Ω₂ - соответственно их скорости вращения.

При вращении КА вокруг ориентируемой оси i₁ Ω₁ и i₂ Ω₂ будут периодически изменяться. Определив последовательные моменты времени, в которые Ω₁ и Ω₂ обнуляются (t₁₁ и t₁₂ для Ω₁ и t₂₁ и t₂₂ для Ω₂), можно определить скорость вращения КА вокруг ориентируемой оси по формулам = = = , так как временным интервалом (t₁₁, t₁₂) и (t₂₁, t₂₂) соответствует поворот КА на пол-оборота, а (t₁₁, t₂₁) - четверть оборота (при следовании t₂₁ за t₁₁ или наоборот).

При одноосной ориентации с помощью электромаховичных двигателей и вращении КА вокруг ориентируемой оси уравнения движения КА имеют вид: A = M₁ - + K₂ ω; B = M₂ - - K₁ ω; (2) I = M₃ - , где A, B - моменты инерции по поперечным осям;
p, q - скорость вращения по поперечным осям (в среднем можно считать их значения равными нулю);
М₁, М₂, М₃ - внешние возмущающие моменты по двум поперечным и ориентируемой осям соответственно;
К₁, К₂, К₃ - проекции накопленного КА кинетического момента на две поперечные и ориентируемую ось.

В уравнении (2) ,, - либо моменты трения маховиков, либо разность между электромагнитным моментом включенного двигателя и моментом трения; К₂ ω и К₁ ω - гироскопические моменты.

Момент, создаваемый ЭМД, должен компенсировать суммарное действие моментов трения, возмущающих и гироскопических моментов. Наличие гироскопических моментов приводит к повышению энергопотребления по поперечным осям.

При отключенном канале управления по ориентируемой оси (при >> ) скорость вращения КА может возрастать и дальше, что приводит к увеличению гироскопического момента и, следовательно, энергопотребления.

Поэтому следует определять проекцию кинетического момента К_п на плоскость, содержащую поперечные оси:
K = (3) и вычислять величину гироскопического момента М_г в соответствии со следующей зависимостью:
M = K (4) и при М_г большем, чем установленное с точки зрения энергопотребления значение, производить разгрузку КА от накопленного кинетического момента КА, что приведет к уменьшению гироскопического момента и, как следствие, к уменьшению энергопотребления.

Другой вариант снижения энергопотребления возможен за счет прямого измерения энергопотребления с последующим проведением разгрузки при превышении текущим значением энергопотребления его установленного уровня. Критерием, по которому определяется энергопотребление, в этом случае служит средняя скважность S включения ЭМД за половину периода τ изменения его кинетического момента
S = где Σt_вк - суммарное время нахождения электромаховичного двигателя во включенном состоянии за интервал τ;
τ - временной интервал между двумя последовательными моментами времени, в которые кинетический момент равен 0. Величина S пропорциональна энергопотреблению, при S = 1 ЭМД включен непрерывно и энергопотребление макси- мально.

При S > S_y, где S_y - допустимое энергопотребление, следует производить разгрузку ЭМД.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИЕЙ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА (КА), включающий определение углового положения КА, задание КА требуемого углового положения и отработку рассогласований между требуемым и текущим угловым положением КА приложением управляющего момента к корпусу КА, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и сокращения энергозатрат, осуществляют вращение корпуса КА вокруг ориентируемой оси, приложение управляющего момента осуществляют при помощи электромаховичных двигателей (ЭМД), измеряют кинетический момент ЭМД (К), установленного по ориентируемой оси, и при
где I - момент инерции КА по ориентируемой оси;
ω_з - заданная скорость вращения КА вокруг ориентируемой оси,
приложение управляющего момента по ориентируемой оси прекращают, измеряют скорость вращения вокруг ориентируемой оси ω или определяют последовательные моменты времени t₁₁, t₁₂, t₂₁ и t₂₂, в которые скорости вращения ЭМД, расположенных в плоскости, перпендикулярной к ориентируемой оси, соответственно становятся равными нулю и определяют скорость вращения КА относительно ориентируемой оси в соответствии с выражением

измеряют проекции кинетического момента на оси ЭМД, лежащие в плоскости, перпендикулярной к ориентируемой оси, K₁ и K₂, определяют проекцию кинетического момента K_п на плоскость, перпендикулярную к ориентируемой оси, в соответствии с выражением

определяют гироскопический момент в соответствии с выражением

или измеряют энергопотребление двигателей ЭМД измерением скважности их включения и при превышении M_г или измеренного энергопотребления установленного значения, соответствующего допустимому энергопотреблению, прикладывают к корпусу КА момент разгрузки от накопленного в плоскости, перпендикулярной к ориентируемой оси, кинетического момента.