EA037754B1 - Spacecraft movement control method - Google Patents
Spacecraft movement control method Download PDFInfo
- Publication number
- EA037754B1 EA037754B1 EA201800015A EA201800015A EA037754B1 EA 037754 B1 EA037754 B1 EA 037754B1 EA 201800015 A EA201800015 A EA 201800015A EA 201800015 A EA201800015 A EA 201800015A EA 037754 B1 EA037754 B1 EA 037754B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- spacecraft
- engines
- thrust
- axes
- low
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
- B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
- B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
- B64G1/26—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using jets
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при управлении движением космических аппаратов (КА).The invention relates to the field of space technology and can be used to control the movement of spacecraft (SC).
В настоящее время известны различные средства и методы управления движением КА, применяемые для коррекции орбиты КА, стабилизации и ориентации КА. Системы управления могут существенно различаться по конструкции, энергопотреблению, типу исполнительных органов в зависимости от решаемых задач управления, массы КА и орбиты его движения, а также от продолжительности корректирующих маневров. Система управления КА может одновременно осуществлять как управление движением центра масс КА, так и управление движением КА относительно его центра масс КА.At present, various means and methods of spacecraft motion control are known, which are used for spacecraft orbit correction, spacecraft stabilization and orientation. Control systems can differ significantly in design, power consumption, type of executive bodies, depending on the control tasks to be solved, the spacecraft mass and orbit of its motion, as well as the duration of corrective maneuvers. The spacecraft control system can simultaneously control the motion of the spacecraft center of mass and control the spacecraft motion relative to its spacecraft center of mass.
Наиболее близким аналогом является Способ управления движением космического аппарата и система управления (патент на изобретение RU 2309876 С1). Способ управления движением КА, заключающийся в управлении движением центра масс КА и в управлении угловой ориентацией КА в пространстве, включающий управляющее воздействие на КА посредством включения по крайней мере одного реактивного двигателя малой тяги двигательной установки КА, создающего вектор тяги относительно трёх главных ортогональных осей инерции КА. Управляющие воздействия создают с помощью реактивных двигателей малой тяги, располагаемых в общей установочной плоскости КА, ортогональной одной из его плоскостей инерции, с угловым смещением между ближайшими реактивными двигателями малой тяги.The closest analogue is the Method of spacecraft motion control and control system (patent for invention RU 2309876 C1). A method for controlling the spacecraft motion, which consists in controlling the motion of the spacecraft's center of mass and in controlling the spacecraft's angular orientation in space, including a control action on the spacecraft by turning on at least one low-thrust jet engine of the spacecraft propulsion system, which creates a thrust vector relative to the three main orthogonal axes of inertia of the spacecraft ... Control actions are created using low-thrust jet engines located in a common spacecraft mounting plane, orthogonal to one of its planes of inertia, with an angular displacement between the nearest low-thrust jet engines.
Ряд существенных недостатков, характерных для прототипа, заключается в следующем:A number of significant disadvantages characteristic of the prototype are as follows:
1) эффективность использования тяги приведённых в примерах реализации изобретения достигается за счет использования двух реактивных двигателей малой тяги, что приводит к увеличению необходимой мощности энергетической установки КА, т.к. коррекция орбиты занимает 1,5-3 ч в сутки, в остальное время мощность энергоустановки не будет использоваться, что ведёт к неоптимальности проектируемого КА;1) the efficiency of using the thrust given in the examples of the implementation of the invention is achieved through the use of two low-thrust jet engines, which leads to an increase in the required power of the spacecraft power plant, since orbit correction takes 1.5-3 hours per day, the rest of the time the power of the power plant will not be used, which leads to non-optimal design of the spacecraft;
2) реактивные двигатели малой тяги размещены равномерно на корпусе КА. Во время создания управляющего воздействия струи реактивных двигателей малой тяги будут создавать возмущающие моменты при воздействии на элементы КА (солнечные батареи, антенны и т.д.), которые необходимо компенсировать при управлении угловым положением КА и соответственно требуют дополнительных затрат ресурсов КА (топлива);2) low-thrust jet engines are placed evenly on the spacecraft body. During the creation of the control action, the jets of low-thrust jet engines will create disturbing moments when acting on the SC elements (solar batteries, antennas, etc.), which must be compensated for when controlling the angular position of the SC and, accordingly, require additional expenditure of SC resources (fuel);
3) повышенная масса КА за счет увеличенного количества двигателей (по условию - не менее пяти).3) increased spacecraft mass due to the increased number of engines (by condition - at least five).
Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение являются реализация коррекции и удержания КА на орбите при минимальном расходе топлива;The tasks to be solved by the claimed invention are the implementation of correction and retention of the spacecraft in orbit with minimum fuel consumption;
уменьшение возмущающих моментов, создаваемых двигателями малой тяги при создании управляющего воздействия;reduction of disturbing moments created by low-thrust engines when creating a control action;
уменьшение массы КА.decrease in the mass of the spacecraft.
Для решения поставленных задач предлагается способ управления движением КА, заключающийся в управлении движением центра масс КА, включающий управляющее воздействие на КА посредством включения одного (из общего количества) реактивного двигателя малой тяги двигательной установки КА, создающего вектор тяги относительно трёх главных ортогональных осей инерции КА. При этом управляющее воздействие создается с учетом компенсации влияния внешних возмущающих сил с помощью последовательного включения двигателей малой тяги, расположенных под углом относительно плоскости осей тангажа и крена, а также плоскости осей тангажа и рысканья КА, в заданный момент времени, который зависит от расположения КА на орбите. При этом выбор участка орбиты для включения, а также выбор включения определенного двигателя малой тяги и продолжительность его работы зависят от текущего положения вектора наклонения КА, причем направление векторов тяги выбирается исходя из минимального расхода топлива и минимального влияния на элементы КА. Также при этом отсутствуют возмущающие моменты и силы от включения каждого двигателя малой тяги. В частных случаях реализации изобретения реактивные двигатели малой тяги могут быть плазменными, ионными, электродуговыми.To solve the set tasks, a method is proposed for controlling the spacecraft motion, which consists in controlling the motion of the spacecraft's center of mass, which includes a control action on the spacecraft by turning on one (out of the total number) low-thrust jet engine of the spacecraft propulsion system, which creates a thrust vector relative to the three main orthogonal axes of inertia of the spacecraft. In this case, the control action is created taking into account the compensation of the influence of external disturbing forces by means of sequential switching on of low-thrust engines located at an angle relative to the plane of the pitch and roll axes, as well as the plane of the pitch and yaw axes of the spacecraft, at a given time, which depends on the location of the spacecraft on orbit. In this case, the choice of the orbital section for switching on, as well as the choice of switching on a certain low-thrust engine and the duration of its operation depend on the current position of the spacecraft inclination vector, and the direction of the thrust vectors is chosen based on the minimum fuel consumption and the minimum effect on the spacecraft elements. Also, there are no disturbing moments and forces from the inclusion of each low-thrust engine. In particular cases of implementation of the invention, low-thrust jet engines can be plasma, ionic, electric-arc.
Предлагаемый способ управления движением КА по сравнению с наиболее близким аналогом позволяет достичь следующих технических результатов:The proposed method of spacecraft motion control in comparison with the closest analogue allows achieving the following technical results:
уменьшить потребление топлива при проведении коррекции с возможностью увеличения срока эксплуатации КА с прежним запасом или при том же сроке эксплуатации реализовать возможность увеличения массы полезной нагрузки, используя меньший запас топлива;to reduce fuel consumption during correction with the possibility of increasing the spacecraft service life with the same reserve or, at the same service life, to realize the possibility of increasing the payload mass using a smaller fuel supply;
оптимизировать коррекцию и удержание КА на орбите посредством исключения необходимости компенсации нерасчётных возмущающих воздействий при работе двигателей малой тяги;to optimize the correction and retention of the spacecraft in orbit by eliminating the need to compensate for off-design disturbing effects during the operation of low-thrust engines;
уменьшить количество двигателей малой тяги до четырёх (в прототипе должно быть не менее пяти), тем самым уменьшить массу и стоимость КА.to reduce the number of low-thrust engines to four (the prototype must have at least five), thereby reducing the mass and cost of the spacecraft.
Применение данного способа управления движением КА также позволяет:Application of this method of spacecraft motion control also allows:
проводить во время операций по управлению движением центра масс КА операции по гашению кинетического момента (разгрузки) инерциальных средств управления, например гироскопических силовых стабилизаторов (маховиков);to carry out, during operations to control the motion of the spacecraft's center of mass, operations to damp the angular momentum (unloading) of inertial controls, for example, gyroscopic power stabilizers (flywheels);
производить программные повороты КА при ориентации.make programmed rotations of the spacecraft during orientation.
- 1 037754- 1 037754
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:The essence of the invention is illustrated by drawings, which show:
на фиг. 1 - изображен схематичный вид КА;in fig. 1 - a schematic view of the spacecraft is shown;
на фиг. 2 - схематично показан корпус КА с установленными двигателями (вид сверху);in fig. 2 - schematically shows the spacecraft body with installed engines (top view);
на фиг. 3 - схематично показан корпус КА с установленными двигателями (вид сбоку);in fig. 3 - schematically shows the spacecraft body with installed engines (side view);
на фиг. 4 - схематично показан частный случай реализации изобретения при различных углах установки двигателей.in fig. 4 schematically shows a particular case of implementation of the invention at different angles of installation of engines.
Способ управления движением КА 1, заключающийся в управлении движением центра масс КА 1, включающий управляющее воздействие на КА 1 посредством включения одного (из общего количества) реактивного двигателя 2 малой тяги двигательной установки КА 1, создающего вектор тяги относительно трёх главных ортогональных осей инерции КА 1. Причем управляющее воздействие создается с учетом компенсации влияния внешних возмущающих сил с помощью последовательного включения двигателей 2 малой тяги, расположенных под углом а 3 относительно плоскости осей тангажа и крена, а также под углом β 4 относительно плоскости осей тангажа и рысканья КА 1 в заданный момент времени, который зависит от расположения КА 1 на орбите. При этом выбор участка орбиты для включения, а также выбор включения определенного двигателя 2 малой тяги и продолжительность его работы зависят от текущего положения вектора наклонения КА 1, причем направление векторов тяги выбирается исходя из минимального расхода топлива и минимального влияния на элементы КА 1. Исходя из практики углы а 3, β 4 находятся в диапазоне от 0 до 45°. Также при этом отсутствуют возмущающие моменты и силы от включения каждого двигателя малой тяги. В частных случаях реализации изобретения реактивные двигатели малой тяги могут быть плазменными, ионными, электродуговыми.A method for controlling the motion of spacecraft 1, which consists in controlling the motion of the center of mass of spacecraft 1, including a control action on spacecraft 1 by turning on one (out of the total number) of a low-thrust jet engine 2 of the propulsion system of spacecraft 1, which creates a thrust vector relative to the three main orthogonal axes of inertia of spacecraft 1 . Moreover, the control action is created taking into account the compensation of the influence of external disturbing forces by means of sequential switching on of low-thrust engines 2 located at an angle a 3 relative to the plane of the pitch and roll axes, as well as at an angle β 4 relative to the plane of the pitch and yaw axes of spacecraft 1 at a given moment time, which depends on the location of spacecraft 1 in orbit. In this case, the choice of the orbital section for switching on, as well as the choice of switching on a certain low-thrust engine 2 and the duration of its operation depend on the current position of the inclination vector of spacecraft 1, and the direction of the thrust vectors is chosen based on the minimum fuel consumption and the minimum effect on the spacecraft 1 elements. In practice, the angles a 3, β 4 are in the range from 0 to 45 °. Also, there are no disturbing moments and forces from the inclusion of each low-thrust engine. In particular cases of implementation of the invention, low-thrust jet engines can be plasma, ion, electric arc.
Получение технических результатов гарантируется при применении нижеприведённой стратегии удержания КА на геостационарной орбите по широте и долготе.Obtaining technical results is guaranteed when applying the below strategy of keeping the spacecraft in geostationary orbit in latitude and longitude.
Стратегия проведения коррекций удержания КА по широте и долготе должна минимизировать расход топлива. Анализ показывает, что основные затраты топлива на интервале длительного функционирования КА (15 и более лет) связаны с его удержанием по широте.The strategy of carrying out corrections of the spacecraft holding in latitude and longitude should minimize fuel consumption. The analysis shows that the main fuel consumption in the interval of long-term operation of the spacecraft (15 and more years) is associated with its retention in latitude.
Для экономии импульса скорости все короткопериодические составляющие возмущения вектора наклонения выделяются в некорректируемую группу. Коррекции удержания по широте обеспечивают компенсацию вековой составляющей изменения вектора наклонения, обусловленной лунно-солнечными возмущениями.To save the velocity impulse, all short-period components of the disturbance of the inclination vector are separated into an uncorrected group. Latitude hold corrections provide compensation for the secular component of the inclination vector change caused by lunisolar disturbances.
Направления векторов тяг двигателей выбираются исходя из минимального расхода топлива за срок активного существования и минимального влияния двигателей на элементы КА.The directions of the thrust vectors of the engines are selected based on the minimum fuel consumption over the active life and the minimum influence of the engines on the spacecraft elements.
Для коррекции широты выбираются такие участки орбиты и продолжительность работы двигателей малой тяги, чтобы оптимально изменить вектор наклонения. На каждом витке полета теоретически имеется два таких участка орбиты (разнесенные по аргументу широты на 180°). При этом продолжительность работы двигателей на обоих участках одинакова, а направления корректирующих ускорений в направлении Север - Юг противоположны. Выбор участка орбиты, продолжительность работы двигателей зависят от текущего положения вектора наклонения КА и параметров стратегии удержания.To correct the latitude, such orbital sections and the duration of operation of low-thrust engines are selected in order to optimally change the inclination vector. On each orbit of the flight, there are theoretically two such orbital sections (spaced 180 ° apart in the latitude argument). In this case, the duration of the operation of the engines in both sections is the same, and the directions of the corrective accelerations in the North - South direction are opposite. The choice of the orbit section, the duration of the engines operation depend on the current position of the spacecraft inclination vector and the parameters of the holdover strategy.
Удержание КА по долготе сводится к коррекциям периода обращения КА и эксцентриситета орбиты, которые должны компенсировать влияние возмущающих сил, прежде всего нецентральности гравитационного поля Земли и светового давления.Keeping the spacecraft in longitude is reduced to corrections of the spacecraft orbital period and eccentricity of the orbit, which should compensate for the influence of disturbing forces, first of all, the noncentrality of the Earth's gravitational field and light pressure.
Схема размещения двигателей такова, что при коррекции вектора наклонения также происходит изменение вектора эксцентриситета и сидерического периода. Необходимое изменение периода обращения обеспечивается за счет либо выбора двигателя (имеющего требуемый знак трансверсального ускорения) либо последовательного включения двух двигателей, имеющих противоположные трансверсальные ускорения.The arrangement of the motors is such that when the inclination vector is corrected, the eccentricity vector and the sidereal period also change. The necessary change in the period of revolution is provided by either choosing a motor (having the required sign of transverse acceleration) or sequential switching on of two motors having opposite transverse accelerations.
Что касается управления вектором эксцентриситета, то можно использовать следующий алгоритм:As for the control of the eccentricity vector, the following algorithm can be used:
а) на витке планируются коррекции наклонения одним включением, при котором обеспечивается изменение периода обращения в нужном направлении. Из двух возможных вариантов (двигатель северного или двигатель южного направления) выбирается тот участок орбиты, где, по крайней мере, не ухудшается значение эксцентриситета;a) on the orbit, inclination corrections are planned with one turn-on, which ensures a change in the period of revolution in the desired direction. Of the two possible options (engine of the north or engine of the south direction), that part of the orbit is selected where, at least, the eccentricity value does not deteriorate;
б) если один двигатель не обеспечивает требуемое изменение периода обращения, то рассчитывается маневр для пары двигателей одного направления по север (юг). При этом из двух возможных пар включений (двигатели северного или южного направления) выбирается более оптимальная для эксцентриситета;b) if one engine does not provide the required change in the period of revolution, then the maneuver is calculated for a pair of engines of the same direction to the north (south). In this case, from two possible pairs of inclusions (motors of the north or south direction), the more optimal for eccentricity is selected;
в) если коррекций наклонений недостаточно и эксцентриситет больше заданного порогового значения, то на витке планируется коррекция эксцентриситета двумя включениями, разнесенными на 12 ч. Для этого двигатели включаются на участках орбиты, оптимальных для изменения эксцентриситета (в окрестности перигея и апогея, например). При этом одновременно изменяются период обращения и эксцентриситет орбиты.c) if the inclination corrections are not enough and the eccentricity is greater than the specified threshold value, then on the orbit it is planned to correct the eccentricity by two inclusions spaced 12 hours apart. In this case, the period of revolution and the eccentricity of the orbit simultaneously change.
Claims (2)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016149727A RU2711819C2 (en) | 2016-12-16 | 2016-12-16 | Spacecraft movement control method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EA201800015A1 EA201800015A1 (en) | 2018-11-30 |
EA037754B1 true EA037754B1 (en) | 2021-05-18 |
Family
ID=62619411
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
EA201800015A EA037754B1 (en) | 2016-12-16 | 2017-12-06 | Spacecraft movement control method |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
EA (1) | EA037754B1 (en) |
RU (1) | RU2711819C2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109976360B (en) * | 2019-03-11 | 2021-10-01 | 北京控制工程研究所 | Thruster configuration method based on configuration matrix |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5130931A (en) * | 1990-07-13 | 1992-07-14 | General Electric Company | Spacecraft attitude and velocity control system |
RU2112713C1 (en) * | 1996-05-16 | 1998-06-10 | Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева | Method of control of spacecraft by means of reaction actuators at maintenance of preset attitude control |
RU2124461C1 (en) * | 1997-11-12 | 1999-01-10 | Акционерное общество открытого типа "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева | Method of control of space vehicle equipped with jet engines at body base line directed at angle relative to axes and thrust lines shifted relative to center of mass of vehicle; system used for realization of this method and jet engine module |
RU2197412C2 (en) * | 2001-04-23 | 2003-01-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П.Королева" | Method of control of spacecraft by means of powered gyroscopes and jet engines located at angle relative to axes of body base |
RU2309876C1 (en) * | 2006-05-23 | 2007-11-10 | Федеральное государственное научное учреждение "Государственный научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики" (ФГНУ "НИИ ПМЭ") | Method of control of spacecraft motion and control system for realization of this method |
-
2016
- 2016-12-16 RU RU2016149727A patent/RU2711819C2/en active
-
2017
- 2017-12-06 EA EA201800015A patent/EA037754B1/en unknown
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5130931A (en) * | 1990-07-13 | 1992-07-14 | General Electric Company | Spacecraft attitude and velocity control system |
RU2112713C1 (en) * | 1996-05-16 | 1998-06-10 | Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева | Method of control of spacecraft by means of reaction actuators at maintenance of preset attitude control |
RU2124461C1 (en) * | 1997-11-12 | 1999-01-10 | Акционерное общество открытого типа "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева | Method of control of space vehicle equipped with jet engines at body base line directed at angle relative to axes and thrust lines shifted relative to center of mass of vehicle; system used for realization of this method and jet engine module |
RU2197412C2 (en) * | 2001-04-23 | 2003-01-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П.Королева" | Method of control of spacecraft by means of powered gyroscopes and jet engines located at angle relative to axes of body base |
RU2309876C1 (en) * | 2006-05-23 | 2007-11-10 | Федеральное государственное научное учреждение "Государственный научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики" (ФГНУ "НИИ ПМЭ") | Method of control of spacecraft motion and control system for realization of this method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EA201800015A1 (en) | 2018-11-30 |
RU2016149727A (en) | 2018-06-19 |
RU2016149727A3 (en) | 2018-06-19 |
RU2711819C2 (en) | 2020-01-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6032904A (en) | Multiple usage thruster mounting configuration | |
US9573703B2 (en) | Propulsion system for controlling the orbit and controlling the attitude of a satellite | |
JP2000168697A (en) | Practical method and device to stationarily hold satellite | |
US5984236A (en) | Momentum unloading using gimbaled thrusters | |
US9527607B2 (en) | Propulsion system for satellite orbit control and attitude control | |
US9045241B2 (en) | Method for reducing the angular momentum and controlling the attitude of a spacecraft | |
EP3202670B1 (en) | Spin stabilization of a spacecraft for an orbit maneuver | |
EP3112272B1 (en) | Efficient stationkeeping design for mixed fuel systems | |
US6053455A (en) | Spacecraft attitude control system using low thrust thrusters | |
EP3112273B1 (en) | Efficient stationkeeping design for mixed fuel systems in response to a failure of an electric thruster | |
US5957411A (en) | Method using double thruster firings to deadbeat flexible solar array structural oscillations | |
US8998146B2 (en) | Spacecraft momentum unload and station-keeping techniques | |
US10850870B1 (en) | Optimized propulsion device for controlling the orbit and attitude of a satellite | |
US20210284361A1 (en) | Systems and methods for attitude control for a satellite | |
EA037754B1 (en) | Spacecraft movement control method | |
WO2016125145A1 (en) | Method and system for station keeping of geo satellites | |
US10934026B2 (en) | Propulsion system with differential throttling of electric thrusters | |
Oh et al. | Feasibility of All-Electric Three Axis Momentum Management for Deep Space Small Body Rendezvous | |
WO1998032657A1 (en) | Spacecraft attitude control system using low thrust thrusters |