DE69707327T2

DE69707327T2 - Einachsige Korrektur für Bahnneigung

Info

Publication number: DE69707327T2
Application number: DE69707327T
Authority: DE
Inventors: Richard A. Fowell
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: AT&T MVPD Group LLC
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2017-02-20
Also published as: EP0792800B1; JPH09328100A; DE69707327D1; US5738309A; EP0792800A1; JP3782193B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausrichten einer Nutzlast auf einem Raumfahrzeug in einer Umlaufbahn mit einem Ausgleichs-Drall-Speichermittel zur Aufrechterhaltung eines gewünschten Ausrichtungsprofils (Richtprofil), das nicht einem Erdmittelpunkt entspricht, wobei eine Umlaufbahnneigung vorhanden ist.
Es ist allgemein wünschenswert, bestimmte Satellitentypen, wie beispielsweise Kommunikationssatelliten, in einer Umlaufbahn um die Erde zu halten, so daß deren Position über einem spezifischen Punkt auf der Erde fest bleibt. Dieser Typ von Umlaufbahn wird als eine geostationäre Umlaufbahn bezeichnet. Eine geostationäre Umlaufbahn ermöglicht es, daß ein Kommunikationsstrahl von dem Satelliten genau ein gewünschtes Gebiet auf der Oberfläche der Erde abdeckt. Jegliche Abweichungen von der geostationären Umlaufbahn werden die Abdeckung des Strahls verändern.
Um in einer geostationären Umlaufbahn zu verbleiben, wird die Sollumlaufbahn des Satelliten im wesentlichen innerhalb der Äquatorebene der Erde gehalten. Ferner wird der Satellit selbst rechtwinklig zu dieser Ebene ausgerichtet. Aufgrund dieser Anforderungen ist die geostationäre Erdumlaufbahn mit einer Vielzahl von Satelliten bevölkert. Als Ergebnis ist es notwendig, jeden dieser Satelliten genau in einer entsprechenden Position in der Äquatorebene zu halten.
Ein in eine geostationäre Umlaufbahn gebrachter Satellit wird Abweichungen aus der Umlaufbahn aufgrund gewisser Effekte erfahren, wie beispielsweise Gravitationskräften durch Sonne und Mond, und Veränderungen der Gravitationskraft der Erde aufgrund deren Abplattungen. Diese Kräfte tragen dazu bei, den Satelliten sowohl in eine Nord/Süd-Richtung, d. h. über oder unter die Äquatorebene, als auch in eine Ost/West-Richtung, d. h. auf der Umlaufbahn nach links oder rechts zu bewegen. Abweichungen in der Nord/Süd-Richtung tragen dazu bei, den Satelliten aus der Äquatorebene heraus und in eine geneigte Umlaufbahn zu bewegen. Einem Beobachter an einem Subsatellitenort erscheint es, daß sich der Satellit in einer Acht einmal pro Sterntag aufgrund der geneigten Umlaufbahn bewegt. Es ist üblich, die Fluglage des Satelliten in einem x, y, z-Koordinatensystem zu beschreiben, wobei z die Richtung von dem Satelliten zu dem Erdmittelpunkt, y die Richtung entgegengesetzt zu der Umlaufbahnwinkelgeschwindigkeit ist, und x die Rechte-Hand-Regel vervollständigt (in etwa entlang des Satellitengeschwindigkeitsvektors). Die "x"-Achse wird als "Roll"-Achse, die "y"-Achse als "Nick"- Achse und die "z"-Achse als "Gier"-Achse bezeichnet.
Es gibt eine Vielzahl von existierenden Schemata zur Korrektur einer geneigten Umlaufbahn. In "a twin wheel momentum bears/reaction jet spacecraft control system", AIAA guidance, control and flight mechanics conference, 1971, Dahl, wird ein Paar von identischen Stabilisierungsschwungrädern bzw. Drallrädern symmetrisch weg von der Nickachse in einer Ebene gekippt, die die Nickachse enthält. Dahl lehrt, daß das Roll-Lenken für Bodenstation-Richtfehlerkorrekturen, die durch die Umlaufbahnneigung verursacht sind, zyklisch mit einer Umlaufbahnfrequenz ist.
In "attitude control requirements for future communications satellites", 7. IFAC Symposium on Automatic Control in Space, 1976, Renner, ist ein Drehimpulsvektor des Satelliten bezüglich der Antennenausrichtungslinie (oder umgekehrt) um zumindest eine Achse, vorzugsweise die Rollachse, steuerbar. Dies wird entweder durch einen Einachsen-Antennenausrichtungsmechanismus, ein einzelnes kadanisch aufgehängtes Drallrad oder eine Kombination von festen Rädern ausgeführt. Steuersignale werden erzeugt, um den Drehimpuls des Rads zu steuern.
In "attitude stabilization of geostationary satellite with a single degree of freedom angular momentum wheel system", op. cit., Broquet, wird gelehrt, daß, wenn die Umlaufbahnneigung auf der Äquatorebene nicht Null ist, ein System mit einem einzelnen Freiheitsgrad einen idealen Satelliten bedienen kann, um auf den Erdmittelpunkt zu zeigen unabhängig von der Richtung des Freiheitsgrads in der x-z-Satellitenebene. Falls beispielsweise der Freiheitsgrad längs der Rollachse ist, wird der Drehimpuls nahe der Nord/Süd-Trägheitsrichtung gehalten. Falls der Freiheitsgrad längs der Gierachse ist, wird in gleicher Weise der Drehimpuls nahe der Trägheitsrichtung senkrecht zu der Umlaufbahnebene gehalten.
In dem US-Patent Nr. 4,084,772 von Muhlfelder wird der Drehimpulsvektor entlang einer Äquatornormalen plaziert und der Drehimpuls ist bezüglich der Antennenausrichtung um die Rollachse steuerbar, indem zwei feste Räder eingesetzt werden: ein großes Rad längs der Nickachse und ein kleines Rad längs der Gierachse. Das US-Patent Nr. 4,294,420 von Broquet lehrt, den Drehimpuls bezüglich der Antennenausrichtung um die Rollachse zu steuern, indem zwei feste Räder in der Neigungs-Gierebene verwendet werden, wobei beide allgemein in einem Winkel sowohl zur Nick- als auch zur Gierachse aufweisen. Das US-Patent Nr. 4,776,540 von Westerlund lehrt, den Drehimpulsvektor an einem berechneten Punkt etwas hinter die Umlaufbahnnormale zu plazieren, um den Rollfehler zu beseitigen. Allerdings ist in diesem Lösungsansatz der Gierfehler immer noch vorhanden.
US-Patent Nr. 4,911,385 von Agrawal lehrt die gleiche Plazierung des Drehimpulsvektors wie Westerlund, allerdings wird der Gierfehler korrigiert, indem eine kardanische Aufhängung verwendet wird. Agrawal lehrt ebenfalls, den Drehimpulsvektor in einer Umlaufbahnnormalen/Äquatorebenennormalen zu plazieren und zu korrigieren, indem Roll- und Aufhängungsmittel (Kardanrahmenmittel) eingesetzt werden.
US-Patent Nr. 5,100,084 von Rahn lehrt, daß nicht lineare Effekte der Neigung korrigiert werden können, indem Versatz- bzw. Offset-Ausrichtungsbefehle verwendet werden, und durch den Einsatz eines Modells an Bord des Satelliten, um automatisch das tägliche Profil der Entwicklung der Umlaufbahnneigung automatisch einzustellen. US-Patent Nr. 5,184,790 von Fowell lehrt eine Zweiachsen-Fluglagenkorrektur für eine Umlaufbahnneigung, wobei der Drehimpulsvektor in der Mitte zwischen der Umlaufbahnnormalen und der Westerlund-Fluglage gesetzt wird, um die radiale Roll/Gierkorrektur zu minimieren.
WO 87/00653 von Smay offenbart ein System, das an Bord eines geostationären Satelliten ist, um die Spinachsenpräzession zu erfassen und Triebwerksteuersignale zu entwickeln, um die Spinachse in die gewünschte Fluglage zurückzubringen.
US-Patent Nr. 3,866,025 von Cavanagh offenbart ein System, bei dem Umlaufbahneinstellungstriebwerke eines "Pitch Momentum Bias" Raumfahrzeugs verwendet werden, um sowohl die Umlaufbahnneigungseinstellung als auch die Roll- und/oder Gier- Fluglagensteuerung auszuführen.
Die zuvor beschriebenen Schemata sind nachteilig, da sie sowohl lineare Fehler nicht vollständig kompensieren, keine Korrektur der Ausrichtung auf Punkte, die nicht der Erdmittelpunkt sind, durchführen als auch zwei Achsendrehimpulssteuerungen benötigen, oder daß die Einachsensteuerung entweder um die Roll- oder die Gierachse sein soll.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Korrektur der Richtfehler vorzusehen, die durch eine geneigte Umlaufbahn hervorgerufen werden, indem die Nickachse der Nutzlast mit Bezug auf das Ausgleichs-Moment des Raumfahrzeugs um eine einzelne körperfeste Achse dreht, die in einer Roll/Gierebene gekippt ist; d. h. eine Achse, die in der Roll-Gier- oder der x-z-Ebene liegt, aber im wesentlichen nicht parallel zu der Roll- und Gier-(x und z)-Achse ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und ein System zur Korrektur einer geneigten Umlaufbahn vorzusehen, das linearisierte Fehler vollständig kompensiert.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und ein System zur Korrektur einer geneigten Umlaufbahn vorzusehen, das keine Roll-Kardanaufhängung, Gier- Kardanaufhängung oder eine Zweiachsen-Kardanaufhängung benötigt.
Bei der Ausführung der zuvor genannten Aufgaben liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ausrichtung einer Nutzlast eines Raumfahrzeugs in einer Umlaufbahn, um ein gewünschtes Richtprofil bei einer vorhandenen Umlaufbahnneigung beizubehalten. Das Verfahren umfaßt einen Schritt der Bestimmung eines Kegels, auf dem im Inertialraum eine Nickachse der Nutzlast wandert, um das gewünschte Richtprofil in einer Umlaufbahn aufrechtzuerhalten. Das Verfahren umfaßt ferner einen Schritt des Ausrichtens eines Ausgleichs-Drallvektors des Raumfahrzeugs in eine Lage, die längs des Kegels liegt. Die Lage ist so ausgerichtet, daß der Ausgleichs-Drallvektor nicht in einer Ebene liegt, die von dem Umlaufbahn-Normalenvektor und einem Äquator- Normalenvektor aufgespannt wird. Ein Schritt des Drehens der Nutzlast weg von dem Ausgleichs-Drallvektor um eine einzelne körperfeste Achse senkrecht zu der Nickachse und noch nicht parallel sowohl zur Roll- als auch zur Gierachse wird ausgeführt, um die Nickachse entlang des Kegels auszurichten, um das gewünschte Richtprofil aufrechtzuerhalten.
Beim Ausführen der zuvor genannten Aufgaben stellt die vorliegende Erfindung ferner ein System bereit, das die Schritte des zuvor beschriebenen Verfahrens ausführt.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind vorteilhaft bei der Korrektur der Richtfehler, die durch eine geneigte Umlaufbahn verursacht sind, indem ein Aktuator mit einem einzigen Drehfreiheitsgrad verwendet wird, der rechtwinklig zu der Raumfahrzeug-Nickachse ausgerichtet ist. Falls der erdfixierte Punkt in der Ebene liegt, die den Subsatellitenlängsbogen enthält, ist die vorliegende Erfindung vorteilhaft bei der Bereitstellung einer Korrektur, die in erster Ordnung exakt ist (d. h. korrekt in einem linearen Sinne).
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind ferner vorteilhaft, da sie keine reine Rollsteuerung, reine Giersteuerung oder eine Roll/Giersteuerung mit zwei Freiheitsgraden erfordern. Diese speziellen Fälle, die von dem Stand der Technik zur Neigungsrichtfehlerkorrektur vorgeschlagen werden, schließen Drehimpuls-Radsysteme mit einem einzelnen Freiheitsgrad (wie sie in dem Aufsatz von Broquet gelehrt werden) aus, wo der Freiheitsgrad weder um die Roll- noch um die Gierachse vorhanden ist. Der Dahl-Aufsatz lehrt, wie solche Systeme aufgebaut sind, die ein Paar von identischen Rädern verwenden, die nicht in der Nick-Gier- oder Nick-Rollebene liegen. Indem andere Systeme mit einem einzelnen Freiheitsgrad ersetzt werden, wie dies in dem Broquet-Aufsatz gelehrt wird, oder indem eine kardanische Aufhängung für eine Nutzlast verwendet wird, dessen Achse weder längs der Roll- noch der Gierachse liegt, sind viele Fluglagensteuerkonfigurationen möglich, die die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einsetzen können, um die Fehler der geneigten Umlaufbahn zu korrigieren.
Diese und andere Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die nachfolgende Beschreibung, die beigefügten Ansprüche und die begleitenden Zeichnungen besser verstanden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Flußdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Korrektur einer Umlaufbahnneigung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Darstellung einer geneigten Umlaufbahn eines Raumfahrzeugs;
Fig. 3 ist eine Darstellung eines Kegels, der im Inertialraum von einer Nickachse der Nutzlast gezeichnet wird, um ein gewünschtes Richtprofil während einer geneigten Umlaufbahn aufrechtzuerhalten;
Fig. 4 zeigt das Plazieren des Ausgleichs-Drallvektors bezüglich des Kegels für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und für Lösungen aus dem Stand der Technik;
Fig. 5 stellt acht Schnappschüsse eines Raumfahrzeugs während einer geneigten Umlaufbahn dar, die ein Verfahren zur Korrektur der geneigten Umlaufbahn entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet; und
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm eines Systems zur Korrektur einer geneigten Umlaufbahn.

Bester Modus zur Ausführung der Erfindung

Wendet man sich nun Fig. 1 zu, ist dort ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Ausrichtung einer Nutzlast auf einem Raumfahrzeug in einer Umlaufbahn gezeigt, um ein gewünschtes Richtprofil aufrechtzuerhalten, wenn eine Umlaufbahnneigung vorhanden ist. Wie durch einen Block 10 angezeigt, weist das Verfahren einen Schritt zur Erfassung eines Kegels auf, der im Inertialraum durch eine Nickachse der Nutzlast gezeichnet wird, um das gewünschte Richtprofil während einer Umlaufbahn aufrechtzuerhalten. Dieser Kegel kann berechnet werden, wenn Kenntnis über die Raumfahrzeugumlaufbahn, die Raumfahrzeugnutzlast und die Sensorgevmetrie und das gewünschte Richtziel vorhanden ist. Die Umlaufbahninformation wird typischerweise aus Bodenentfernungsdaten erhalten, die zur Unterstützung der Fluglagen-Erhaltungs- Operationen erfaßt werden, wie dies in dem Westerlund-Patent diskutiert ist. Fig. 3 liefert eine Darstellung dieses Kegels 12 für eine geneigte Umlaufbahn eines Raumfahrzeugs 14, das in Fig. 2 gezeigt ist, wenn die gewünschte Raumfahrzeugausrichtung auf den Erdmittelpunkt zeigt, wie dies durch einen Infrarot- Erdsensor angezeigt würde. Dies ist der Fall, der in dem Broquet-Aufsatz diskutiert wird. Dieser Fall aus dem Stand der Technik wird zuerst diskutiert, da er einfacher zu beschreiben ist und viele Merkmale mit dem nützlicheren Fall der Ausrichtung eines Punktes, der auf der Oberfläche der Erde fixiert ist, gemeinsam hat.
Wenn das Raumfahrzeug 14 in einer normalen Umlaufbahnposition ist, wie beispielsweise einem Nord-Antiknoten 16 oder einem Süd-Antiknoten 18, ist die Nickachse längs des Kegels 12 ausgerichtet und längs einer Lage bzw. Fluglage 20 orientiert. Wenn das Raumfahrzeug 14 in einer Äquator-Normalenposition ist, wie beispielsweise einem absteigenden Knoten 22 oder einem aufsteigenden Knoten 24, ist die Nickachse längs des Kegels 12 in einer Lage 26 ausgerichtet. Folglich läuft die Nickachse der Nutzlast um den Kegel 12 mit der zweifachen Umlaufbahnfrequenz. Demgemäß wandert die Nickachse um den Kegel 12 mit zwei Umdrehungen pro Tag bei einem Raumfahrzeug, das die Erde 28 mit einer Umlaufbahnfrequenz von einem Umlauf pro Tag umläuft. Es ist ferner festzustellen, daß bei einem Neigungswinkel θ der geneigten Umlaufbahn die Lage der Nickachse um den Mittelpunkt des Kegels 12 in einem Winkel von θ/2 läuft.
Das US-Patent 5,184,790 von Fowell, das hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird, liefert die nicht lineare und die linearisierte Gleichung für das richtige Nutzlast-Richtprofil, um auf einen erdfixierten Referenzpunkt zu zeigen. Anhand der linearisierten Gleichungen, die im Fowell-Patent angegeben sind, wird gezeigt, daß wenn die Neigung des Drallimpulses gesetzt wird auf
wobei θ der Neigungswinkel zwischen der geostationären Umlaufbahn und der geneigten Umlaufbahn ist, ρ der Umlaufbahnradius ist, z + ρ die Entfernung zwischen dem Raumfahrzeug und einem festen Bezugspunkt, der auf eine Linie ausgehend von dem Raumfahrzeug zu dem Erdmittelpunkt ist, und L das Quadrat der Entfernung von dem Raumfahrzeug zu dem festen Referenzpunkt ist, und der Zielpunkt in der Ebene der Subsatelliten-Sollänge liegt, dann die Roll-Gierkorrekturen gleiche Amplitude in dem Körperbezugssystem haben. Ferner weisen die Roll-Gierkorrekturen ein (Sinus, Cosinus)-Verhältnis in dem Körperbezugssystem auf. Das bedeutet, daß die richtige Nutzlastnicklage sich um die gegebene Inertialrichtung in einem kreisförmigen Kegel mit einem Winkelradius p(z + ρ)θ/2L rechts herum bewegt. Da die Kegelgeschwindigkeit der Nickachse in der gleichen Richtung wie die Umlaufbahngeschwindigkeit in dem Körperbezugssystem ist, beträgt die Kegelgeschwindigkeit der Nickachse das Zweifache der Umlaufbahngeschwindigkeit in dem Inertialbezugssystem.
Nimmt man wieder Bezug auf die Fig. 1, wird ein Schritt der Ausrichtung eines Ausgleichs-Drallvektors des Raumfahrzeugs in einer Lage ausgeführt, die längs des Kegels 12 liegt, was durch Block 30 angezeigt ist. Allgemein kann die Lage jegliche Ausrichtung entlang des Kegels 12 aufweisen. Vorteilhafterweise besitzt die Lage einen Winkel + Null mit Bezug auf eine Ebene, die durch den Umlaufbahn-Normalenvektor 20 und den Äquator- Normalenvektor 26 aufgespannt wird, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Als Ergebnis arbeiten die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit einer Einachsen-Kardanaufhängung, die in der Roll-Gierebene gekippt ist. Folglich kann die vorliegende Erfindung in einem Raumfahrzeug eingesetzt werden, das keine reine Rollaufhängung oder Roll- und Gieraufhängung besitzt.
Fig. 4 liefert eine Darstellung des Orts des Ausgleichs- Drallvektors mit Bezug auf den Kegel für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und für Lösungswege aus dem Stand der Technik. Wenn der erdfixierte Punkt in der Ebene der Subsatelliten-Sollänge ist, und die Ausrichtung mit Bezug auf diesen Punkt aufrechterhalten wird identisch zu jenem, der in einer geostationären Umlaufbahn aufrechterhalten wird, beschreibt der Weg der Nickachse der Nutzlast in einem Inertialraum (in erster Ordnung) einen rechts umlaufenden kreisförmigen Kegel, der durch den Äquator-Normalenvektor E und die Lage W, die in der Westerlund-Referenz gelehrt wird, aufgespannt wird. Die Lage W liegt in der gleichen Ebene wie der Äquator-Normalenvektor E und der Umlaufbahn-Normalenvektor N. Der Versatz zwischen der Westerlund-Lage W und dem Umlaufbahn-Normalenvektor N ist abhängig von der spezifischen Position des Zielpunkts.
Die durch G angedeutete Lage wird in dem Fowell-Patent zur Ausrichtung auf den Erdmittelpunkt gelehrt. Die durch F gekennzeichnete Lage ist die Fowell-Lage zum Ausrichten auf den Subsatelliten-Sollpunkt. Es ist festzustellen, daß die Lage F auf halbem Weg zwischen der Lage W und dem Äquator-Normalenvektor E liegt.
Wenn der Zielpunkt der Subsatelliten-Sollpunkt ist, beträgt der Winkel zwischen W und E etwa das 1,178fache des Winkels zwischen N und E. Wenn der Zielpunkt der Erdmittelpunkt ist, fallen W und N aufeinander.
Die Richtung des Ausgleichs-Drallvektors, wie sie durch verschiedene Lösungsansätze aus dem Stand der Technik gelehrt wird, kann wie folgt zusammengefaßt werden. Der Renner-Artikel lehrt durch Schlußfolgerung das Plazieren des Ausgleichs- Drallvektors entweder in die Lage E oder die Lage N. Der Broquet-Artikel lehrt explizit das Plazieren des Ausgleichs- Drallvektors in entweder die Lage E oder die Lage N und lehrt durch Schlußfolgerung das Plazieren längs eines in Fig. 4 gestrichelten Kreises, der von E und N aufgespannt wird. Das Muhlfelder-Patent lehrt, daß die Richtung des Ausgleichs- Drallvektors längs des Äquator-Normalenvektors E sein soll. Das Westerlund-Patent lehrt das Plazieren des Ausgleichs- Drallvektors längs der Lage W. Das Agrawal-Patent lehrt das Plazieren des Drallvektors längs der in Fig. 4 durchgehend gezeigten vertikalen Linie in einer Lage anders als E. Die Lage N wird für eine Zweiachsen-Korrektur empfohlen, und die Lage W wird nur für eine Gierkorrektur empfohlen. Das Rahn-Patent lehrt, daß der Drallvektorort längs der Lage E sein soll. Das Fowell-Patent lehrt, daß die Lage des Drallvektors längs der in Fig. 4 durchgehend gezeichneten vertikalen Linie sein soll. Die Position entlang der durchgehenden vertikalen Linie ist zielabhängig; der Vektor wird längs der Lage G für ein Erdmittelpunktziel gesetzt, während der Vektor längs der Lage F für einen Subsatelliten-Sollzielpunkt gesetzt wird.
Im Vergleich zu diesen früheren Lösungsansätzen, plazieren die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Richtung des Ausgleichs-Drallvektors entlang des in Fig. 4 dargestellten Kreises mit durchgehender Linie. Dieser durchgehende Kreis zeigt einen rechts umlaufenden kreisförmigen Kegel an, der durch den Äquator-Normalenvektor E und die Westerlund-Lage W aufgespannt wird.
Nimmt man wieder Bezug auf die Fig. 1, wird ein Schritt des Drehens der Nutzlast um eine einzelne körperfixierte Achse rechtwinklig zu der Nickachse ausgeführt, wie dies durch Block 40 angezeigt ist. Dieser Schritt wird ausgeführt, um die Nickachse entlang des Kegels auszurichten, um das gewünschte Richtprofil während der gesamten Umlaufbahn aufrechtzuerhalten. Dieser Schritt profitiert von der Tatsache, daß durch Plazieren des Satellitendrehimpulses in irgendeine Lage entlang des Kegels der im Inertialraum gezeichnet wird, die körperfixierte Korrektur zwischen diesem Drehimpulsvektor und der korrekten Nutzlastnickachse eine Drehung um eine einzelne körperfeste Achse rechtwinklig zu der Nickachse für alle Richtfehler ist, die linear zu dem Neigungswinkel sind.
Die Richtung dieser Achse in dem Körper ist eine Funktion davon, welche Richtung in dem Kegel ausgewählt wird. Falls nur eine Korrekturachse in dem Körper des Raumfahrzeuges verfügbar ist, aber jegliche Drehimpulsrichtung verfügbar ist, kann dann eine Drehimpulsrichtung zur Verwendung bei einer bestimmten Aufhängungsachse gefunden werden. Falls andererseits verschiedene Aufhängungsachsen in dem Körper verfügbar sind, kann dann die Drehimpulsvektorrichtung gewählt werden, um am besten an das Drallverwaltungssystem angepaßt zu sein und/oder um den am besten akzeptierbaren Richtfehler zu geben, der aus einem nicht idealen Drallmanagementsystem resultiert. Verschiedene Aufhängungsachsen sind verfügbar, beispielsweise wenn die Nutzlast eine kardanische Aufhängung mit zwei Freiheitsgraden besitzt oder das Drallspeichermittel zwei Freiheitsgrade eines entgegengesetzten Drallspeichers aufweist.
Ein allgemeines Schema zum Auffinden der Drehimpulsrichtung, die die Achse vorgibt, ist wie folgt. Zunächst wird die Nutzlast in einem Punkt in der Umlaufbahn in richtiger Lage für diesen Punkt plaziert. Dann wird die Nutzlast um die Aufhängungsachse gedreht, bis die Nutzlastachse wieder durch den Kegel läuft. Diese zweite Richtung ist die richtige Inertiallage für den Drehimpulsvektor. Falls die Nutzlastnickachse tangential zu dem Kegel sich bewegt, ist die richtige Lage des Drehimpulsvektors die momentane Nutzlastnickachsenlage.
Fig. 5 zeigt eine Darstellung von acht Schnappschüssen eines Raumfahrzeugs in einer geneigten Umlaufbahn, die in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung korrigiert wird. Diese Schnappschüsse, die vom Norden des Satelliten betrachtet werden, wurden in acht gleichmäßig beabstandeten Punkten in der Umlaufbahn des Satelliten genommen. Die Westerlund-Lage, die die richtige Nickachsenlage für Antiknoten zeigt, ist durch W gekennzeichnet. Die normale Äquatorlage, die die richtige Nutzlastnickachse im aufsteigenden und absteigenden Knoten ist, ist durch E gekennzeichnet. Die Roll- und Gierachse des Raumfahrzeugs, die mit x bzw. z gekennzeichnet sind, sind an jedem Punkt dargestellt.
Die Aufhängungsachse ist als kurzer Pfeil an jedem Punkt dargestellt. In diesem Beispiel ist die Aufhängungsachse in einem Winkel von 45º zwischen der Rollachse x und der Gierachse z dargestellt. Der schwarze Punkt an jedem Punkt in der Umlaufbahn zeigt die richtige Nutzlastnickachsenlage für diesen Punkt. Es ist ersichtlich, daß der Versatz von dem Drehimpulsvektor, der an dem Schnittpunkt der y- und z-Achse liegt, und der Nickachsenlage in jedem Fall rechtwinklig zu der Aufhängungsachse ist. Es ist ebenfalls ersichtlich, daß die Inertialausrichtung des Drehimpulsvektors während der Umlaufbahn festgehalten wird.
Fig. 6 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems zur Korrektur einer geneigten Umlaufbahn in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Umlaufbahn und Lagesensoren 48 bestimmen die Umlaufbahn und die Lage des Raumfahrzeugs für die Eingabe in einen Prozessor 50. In einer typischen kommerziellen Praxis wird die Umlaufbahninformation von Bodenentfernungssensoren erhalten und per Telemetrie zu dem Raumfahrzeug übertragen, während die Raumfahrzeuglageinformation von Sensoren an Bord erhalten werden, wie beispielsweise Erd- oder Sonnensensoren, und durch Schätzungen an Bord, die dynamische Lagemodelle verwenden. Viele Mittel zur Umlaufbahn- und Lageerfassung sowohl am Boden als auch im Raumfahrzeug sind im Stand der Technik bekannt.
Der Prozessor 50 wird verwendet, um den Kegel festzulegen, der von der Nickachse der Nutzlast im Inertialraum gezeichnet wird, um das gewünschte Richtprofil während einer geneigten Umlaufbahn aufrechtzuerhalten. Ein externer Drehmomenterzeuger 52 (wie Triebwerke oder magnetische Drehmomenterzeuger) spricht auf den Prozessor 50 und die Drallmanagementlogik an, um die Ausrichtung des Ausgleichs-Drallvektors des Raumfahrzeugs in einer Lage zu halten, die längs des Kegels liegt, aber außerhalb einer Ebene, die durch den Umlaufbahn-Normalenvektor und den Äquator-Normalenvektor aufgespannt wird. Die Lage kann bezüglich einer Ebene einen Winkel ≠ 0 aufweisen, wobei die Ebene von dem Umlaufbahn-Normalenvektor und einem Äquator-Normalenvektor aufgespannt wird. Eine Drallspeichervorrichtung 53 speichert den Drall, der von dem externen Drehmomenterzeuger 52 erzeugt wird.
Ein Aktuator 54 mit einem einzelnen Freiheitsgrad ist längs einer körperfesten Achse rechtwinklig zu einer Nickachse ausgerichtet. Der Aktuator 54 mit einzelnem Freiheitsgrad spricht auf den Prozessor 50 an, um eine Nutzlast 56 bezüglich der Drallspeichervorrichtung 53 zu drehen, um eine Ausrichtung längs des Kegels herbeizuführen. Als Ergebnis wird das gewünschte Richtprofil über eine gesamte geneigte Umlaufbahn aufrechterhalten.
Der Ausgleichs-Drallvektor, der von der Drallquelle 52 erzeugt wird, kann ausgerichtet werden, indem eine Einachsenaufhängung in einer Roll-Gierebene des Raumfahrzeugs gekippt wird. Beispielsweise kann der Ausgleichs-Drallvektor ausgerichtet werden, indem ein geneigtes V-Drallrad verwendet wird.
Für ein erdsensorgeschütztes System kann der Aufhängungswinkel, wenn der gewünschte Ausgleichs-Drall einmal eingestellt ist, durch den Erdsensor-Rollfehler gesteuert werden, indem ein zeitvariantes Erdsensor-Ausgleichsschema (Bias-Schema) eingesetzt wird. Bei diesem Implementationstyp ist es bevorzugt, daß die Aufhängungsachse zumindest 30º zu der Gierachse einnimmt, da bei einer Drehung alleine um die Gierachse die Aufhängungsdrehung keine Kopplung zu einem Rollfehler besitzt. Bei Funkfeuer-Sensorsystemen werden die gleichen Präferenzen dagegen eingesetzt, daß es zu nahe an der Gierachse ist.
Da das Erfassen in diesen Systemen genauer ist, kann jedoch die Aufhängungsachse weniger als 30º zu der Gierachse einnehmen. Falls der Funkfeuerort der gewünschte Richtort ist, wird ein zeitvarianter Sensor-Offset nicht benötigt.
Um dieses System zu implementieren wird angenommen, daß eine Anzahl von Schritten mit Mitteln realisiert werden, die im Stand der Technik bekannt sind oder für einen Durchschnittsfachmann naheliegen. Insbesondere sind Mittel zur Erfassung der Umlaufbahn eines Satelliten und dem Vorhersagen der Entwicklung in dem Westerlund-Patent diskutiert, sowie Mittel zur Ausrichtung des Raumfahrzeug-Ausgleichsdralls in eine gewünschte Inertiallage. Der Aufbau und die mechanische Umsetzung von Lagesteuersystemen, die Aktuatoren mit einem Freiheitsgrad verwenden, sind in dem Dahl-Aufsatz, dem Broquet-Aufsatz, dem Broquet-Patent und dem Rahn-Patent sowie in den hier zitierten Aufsätzen gelehrt. Es ist festzustellen, daß bei der Planung der Steuerschleifen und des Drallmanagement-Systems nichtlineare Bewegungsgleichungen um die Nichtumlaufbahn Normalen Ausgleichsdrallage neu linearisiert werden sollten und die gekippte Aufhängung berücksichtigt werden sollte. Techniken, um das auszuführen, sind im Stand der Technik gut bekannt: das Rahn-Patent ist (ein spezieller Fall) der erste Schritt, und der Dahl-Aufsatz ist ein Beispiel des letztgenannten Schritts. Gleichermaßen sind im Fowell '790-Patent die Ausrichtungskinematik beschrieben, und die examplarisch angegebenen Gleichungen können für andere Effekte, wie Umlaufbahnexzentrizität, Abweichung der Umlaufbahnperiode von der Synchronperiode, Umlaufbahnentwicklung und Ausrichtungsprofile, die nicht in dem Erdbezugssystem fest sind, erweitert werden.
Es ist festzustellen, daß die zuvor beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unterschiedliche Erweiterungen erfahren können. Nicht-lineare Effekte können zur Erfassung einer passenden Korrekturachse und des Orts des Ausgleichs- Drallvektors berücksichtigt werden. An-Bord-Modelle der Umlaufbahnentwicklung können verwendet werden, um die Offset-Profile aufzufrischen und die anvisierte Ausgleichs-Drallrichtung, die von dem Drallmanagement an Bord verwendet wird, zu ändern, um eine Erhöhung der Autonomie zu erreichen. Eine Fehlerabschätzung an Bord in der momentanen Inertialdrallimpulslage kann in den Sensoroffset-Profilen gewichtet werden. Sensoroffset- Profile könnten für andere Fehler korrigiert werden, wie beispielsweise Umlaufbahnexzentrizität, thermische Störungen, Erdabplattung, Erdradiusveränderungen und externe Drehmomenteffekte. Andere Sensoren, wie Sonnensensoren, Sternsensoren und Magnetometer könnten eingesetzt werden. Ebenfalls kann der Kegel bestimmt werden, um eher ein bestes HF-Leistungsprofil über eine Umlaufbahn zu erzeugen, als das Nachführen eines festen Punkts. Des weiteren kann die Aufhängung zwischen der Drallquelle und dem Körper zwischen dem Körper und der Nutzlast, oder einer Kombination davon lokalisiert sein. Des weiteren können kardanische Aufhängungen mit mehreren Freiheitsgraden verwendet werden, um eine Bewegung mit einem Freiheitsgrad vorzusehen. Ein Vorteil davon ist, daß die kinematische Vieldeutigkeit beseitigt werden kann und Korrekturen ohne Offset- Profile möglich sind.

Claims

1. Verfahren zur Ausrichtung einer Nutzlast (56) auf einem Raumfahrzeug (14) in einer Umlaufbahn, das ein Ausgleichs- Drallspeichermittel (52) aufweist, um ein gewünschtes nicht auf den Erdmittelpunkt gerichtetes Richtprofil aufrecht zu erhalten, wenn eine Umlaufbahnneigung vorhanden ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

Bestimmen eines Kegels (12), der im Inertialraum von einer Nickachse der Nutzlast (56) gezeichnet wird, um das gewünschte Richtprofil über eine gesamte Umlaufbahn aufrecht zu erhalten;

Ausrichten eines Augleichs-Drallvektors des Raumfahrzeugs (14) in eine Lage, die in dem Kegel (12) und außerhalb einer Ebene liegt, die von einem Umlaufbahn-Normalenvektor und einem äquatorialen Normalenvektor aufgespannt wird;

und

Verändern eines Winkels zwischen der Nutzlast-Nickachse und dem Ausgleichs-Drallvektor um eine einzelne körperfeste Achse, die in einer Roll-Gier-Ebene gekippt ist, mit einem Winkelveränderungsmittel, um die Nutzlast-Nickachse in dem gewünschten Richtprofil zu halten;

wobei die Lage des Ausgleichs-Drallvektors und der einzelnen körperfesten Achse gewählt werden, um beim Aufrechterhalten des gewünschten Richtprofils konsistent zu sein.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichs-Drallspeichermittel (53) ein Stabilisierungsschwungrad (Drallrad) aufweist, und wobei das Winkelveränderungsmittel (54) eine kardanische Aufhängung mit einer einzigen Achse aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Winkelveränderungsmittel (54) eine kardanische Aufhängung mit einem einzigen Freiheitsgrad zwischen der Nutzlast (56) und einem Abschnitt des Raumfahrzeugs (14) aufweist, der das Ausgleichs-Drallspeichermittel (53) enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Winkelveränderungsmittel (54) ein erstes Rad und ein zweites Rad aufweist, deren Achsen unterschiedlich und rechtwinklig zu der einzelnen körperfesten Achse sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzlast (56) auf einen festen Punkt auf der Oberfläche der Erde gehalten wird.

6. System zur Ausrichtung einer Nutzlast (56) eines Raumfahrzeugs (14) auf einer Umlaufbahn mit einem Ausgleichs- Drallspeichermittel (53), um ein gewünschtes nicht auf den Erdmittelpunkt gerichtetes Richtprofil bei vorhandener Umlaufbahnneigung aufrecht zu erhalten, wobei das System aufweist:

einen Satz von Umlaufbahn- und Lagesensoren (48), um eine Umlaufbahn und eine Lage des Raumfahrzeugs (14) zu bestimmen;

einen Prozessor (50), der einen Kegel (12) bestimmt, der im Inertialraum von einer Nickachse der Nutzlast (56) gezeichnet wird, um das gewünschte Richtprofil auf der gesamten Umlaufbahn aufrecht zu erhalten;

einen externen Drehmomenterzeuger (52), der auf den Prozessor (50) anspricht, um eine Ausrichtung eines Ausgleichs-Drallvektors des Raumfahrzeugs (14) in einer Lage zu halten, die längs des Kegels (12) und außerhalb einer Ebene liegt, die von einem Umlaufbahn-Normalenvektor und einem äquatorialen Normalenvektor aufgespannt wird; und

ein Winkelveränderungsmittel (54), das auf den Prozessor (50) anspricht, um einen Winkel zwischen der Nickachse und dem Ausgleichs-Drallvektor um eine einzelne körperfeste Achse zu variieren, die in einer Roll-Gier-Ebene gekippt ist, um die Nickachse in dem gewünschten Richtprofil zu halten;

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichs-Drallspeichermittel (53) ein Drallrad aufweist, und wobei das Winkelveränderungsmittel (54) eine kardanische Aufhängung mit einer Achse aufweist.

8. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Winkelveränderungsmittel (54) eine kardanische Aufhängung mit einem einzigen Freiheitsgrad zwischen der Nutzlast (56) und einem Abschnitt des Raumfahrzeugs (14) aufweist, der das Ausgleichs-Drallspeichermittel (53) enthält.

9. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Winkelveränderungsmittel (54) ein erstes Rad und ein zweites Rad aufweist, wobei deren Achsen unterschiedlich und rechtwinklig zu der einzelnen körperfesten Achse sind.

10. System nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzlast (56) auf einen festen Punkt auf der Oberfläche der Erde gehalten wird.