專利名稱：卸載宇宙飛船的慣性輪的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種卸載(unloading)宇宙飛船的慣性輪(inertiawheels)的方法和 系統(tǒng)。其特別應(yīng)用于衛(wèi)星或星際探測(cè)器的領(lǐng)域，其中無(wú)論衛(wèi)星或星際探測(cè)器的軌跡或軌道 如何，其都必須保持非常精確的定向(稱為姿態(tài))以根據(jù)其任務(wù)來(lái)保證其天線、太陽(yáng)能電池 板以及船上放置的科學(xué)儀器的正確方向。
背景技術(shù)：
以衛(wèi)星或探測(cè)器為例的宇宙飛船在預(yù)定軌跡上的姿態(tài)(attitude)，即角定向，通 常由內(nèi)部致動(dòng)器例如慣性輪控制，慣性輪可以向宇宙飛船施加內(nèi)扭矩從而引起繞其一個(gè)軸 X、 Y或Z的旋轉(zhuǎn)，軸X、 Y、 Z形成與宇宙飛船相連的參考三體坐標(biāo)系。在由環(huán)境產(chǎn)生的破壞 扭矩的作用下，例如太陽(yáng)壓力、空氣動(dòng)力摩擦力、電磁扭矩以及由重力梯度引起的扭矩的作 用下，宇宙飛船易于偏離。因此必須主動(dòng)控制宇宙飛船的角定向并保證該定向在其三個(gè)軸 上的穩(wěn)定性。姿態(tài)由反饋環(huán)持續(xù)控制，其中反饋環(huán)包括測(cè)量宇宙飛船的定向的傳感器和船 載計(jì)算機(jī)，船載計(jì)算機(jī)處理這些測(cè)量結(jié)果并建立由一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器執(zhí)行的命令以抵消漂 移并保持在選定方向中的定向。但是，每當(dāng)輪子提供內(nèi)扭矩時(shí)，其速度增大到被稱為飽和速 度的最大速度。當(dāng)達(dá)到最大速度時(shí)，慣性輪不再能補(bǔ)償漂移，然后船載計(jì)算機(jī)開始輪卸載操 作。 通常，通過(guò)使用額外的外部致動(dòng)器來(lái)卸載輪，外部致動(dòng)器向宇宙飛船施加選定的 外扭矩以降低輪的速度，直到輪恢復(fù)到其初始速度。 為了卸載慣性輪，實(shí)際中已知使用磁電機(jī)扭矩桿(magneto torquerbars)，其通過(guò) 與地球磁場(chǎng)的作用產(chǎn)生磁矩來(lái)降低輪子的速度。這些外部致動(dòng)器對(duì)于位于繞以地球?yàn)槔?具有磁性圈的行星的低地軌道(LEO)的飛船運(yùn)行良好(其中對(duì)于地球來(lái)說(shuō)，高度通常達(dá)到 2000km)，因?yàn)榈厍虼艌?chǎng)的強(qiáng)度高度接近行星，但是一般來(lái)說(shuō)，在更高的高度上，外部致動(dòng)器 的運(yùn)行狀況變差。此外，在地球的環(huán)赤道軌道上，軌道平面是地球赤道面，且磁場(chǎng)的軸基本 上垂直于軌道平面。由于在磁場(chǎng)的軸上不能產(chǎn)生磁矩，因此這些致動(dòng)器不能補(bǔ)償衛(wèi)星的某 些漂移。 在較高的高度或在對(duì)地靜止軌道GEO(Geosynchronous EarthOrbit)上，實(shí)際中已 知使用推進(jìn)器來(lái)執(zhí)行慣性輪的卸載。推進(jìn)器可以通過(guò)發(fā)射氣體射流產(chǎn)生外扭矩。但是，推 進(jìn)器的缺點(diǎn)在于其既使宇宙飛船旋轉(zhuǎn)，又使宇宙飛船移動(dòng)，從而破壞了宇宙飛船的軌道，引 起許多振動(dòng)并導(dǎo)致指向損耗(pointing losses)。此外，由于推進(jìn)器通常設(shè)置在宇宙飛船的 一側(cè)，為了在卸載慣性輪的操作過(guò)程中正確定向推進(jìn)器，宇宙飛船必須旋轉(zhuǎn)。最后，使用推 進(jìn)器來(lái)卸載輪子引起額外的燃料消耗，而慣性輪是通過(guò)宇宙飛船所安裝的太陽(yáng)能電池板獲 取的太陽(yáng)能來(lái)供電。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過(guò)提出一種新的用于卸載宇宙飛船的慣性輪的方法來(lái)解決上述問(wèn)題，其中卸載自動(dòng)執(zhí)行，不需要額外的外部致動(dòng)器，從而可以節(jié)約燃料儲(chǔ)備，因此可以 簡(jiǎn)化并降低宇宙飛船的重量和成本。 相應(yīng)地，本發(fā)明的主題是一種卸載宇宙飛船的慣性輪的方法，所述宇宙飛船包括 三個(gè)參考軸X、 Y、 Z，軸Z對(duì)應(yīng)于指向方向(pointingdirection)，且宇宙飛船能夠在輪中累 積達(dá)到對(duì)應(yīng)于最大角速度的最大負(fù)載值的船載角動(dòng)量，其特征在于，所述方法包括，為沿三 個(gè)軸X、Y、Z卸載宇宙飛船，通過(guò)使宇宙飛船繞軸Z自動(dòng)翻轉(zhuǎn)來(lái)倒轉(zhuǎn)(invert)輪的角動(dòng)量累 積值的方向，其中所述指向方向保持固定。
有利地，所述方法包括 選擇用于觸發(fā)卸載輪的閾值Hs以及參考船載角動(dòng)量矢量ft。，
周期性測(cè)量每個(gè)慣性輪的角速度， 對(duì)于每個(gè)速度測(cè)量值，計(jì)算船載角動(dòng)量矢量fi'并從中推導(dǎo)累積角動(dòng)量Hi，累積角 動(dòng)量&的模等于船載角動(dòng)量矢量fi,與參考船載角動(dòng)量矢量fi。之差的模，
比較累積角動(dòng)量&與閾值Hs， 當(dāng)累積角動(dòng)量Hi大于閾值Hs時(shí)，確定(10)翻轉(zhuǎn)操縱的觸發(fā)可以卸載輪，然后，觸 發(fā)自動(dòng)操縱(30)以使宇宙飛船繞軸Z旋轉(zhuǎn)式翻轉(zhuǎn)(rotational fli卯ing)預(yù)定角度，指向 方向保持固定。 可選地，如果在兩次連續(xù)測(cè)量之間&增大，確定翻轉(zhuǎn)操縱的觸發(fā)，從而允許輪被卸載。 有利地，閾值Hs在最大負(fù)載值以下。
優(yōu)選地，旋轉(zhuǎn)式翻轉(zhuǎn)角等于180。。 優(yōu)選地，當(dāng)宇宙飛船位于其軌跡上的預(yù)定位置時(shí)，允許旋轉(zhuǎn)式翻轉(zhuǎn)操縱的觸發(fā)。例 如，預(yù)定位置可以對(duì)應(yīng)于通過(guò)地球的低人口密度的地理區(qū)域上方的宇宙飛船，或者對(duì)應(yīng)于 進(jìn)入處于夜晚的區(qū)域的宇宙飛船。 有利地，通過(guò)至少一個(gè)慣性輪來(lái)執(zhí)行飛船的旋轉(zhuǎn)式翻轉(zhuǎn)操縱。 本發(fā)明還涉及一種卸載宇宙飛船的慣性輪的系統(tǒng)，宇宙飛船包括至少一個(gè)慣性 輪，宇宙飛船能夠在輪中累積達(dá)到最大負(fù)載值的船載角動(dòng)量，其特征在于，所述系統(tǒng)包括用 于觸發(fā)宇宙飛船繞對(duì)應(yīng)于指向方向的軸Z旋轉(zhuǎn)式翻轉(zhuǎn)預(yù)定角度的自動(dòng)操縱的裝置，所述指
向方向保持固定，所述角度被選擇為倒轉(zhuǎn)輪的角動(dòng)量累積的方向。 有利地，該系統(tǒng)還包括安裝在慣性輪上的至少一個(gè)速度傳感器，用于計(jì)算對(duì)應(yīng)于 測(cè)得的速度的由慣性輪累積的角動(dòng)量Hi的裝置，用于比較輪的角動(dòng)量與用于觸發(fā)輪的卸載 的預(yù)先選定的閾值的裝置，用于在輪的角動(dòng)量值大于閾值時(shí)確定觸發(fā)宇宙飛船的翻轉(zhuǎn)操縱 的裝置。 最后，本發(fā)明還涉及一種宇宙飛船，其包括至少一個(gè)慣性輪和對(duì)應(yīng)于指向方向的 軸Z，還包括用于卸載慣性輪的系統(tǒng)。


參考附圖，在僅以示例性和非限制性實(shí)例的方式給出的描述的其余部分，本發(fā)明 的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將清楚地顯現(xiàn)，其中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的宇宙飛船的例子的透視圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的位于繞行星的環(huán)赤道軌道中的宇宙飛船的例子的示意性透 視圖； 圖3是宇宙飛船中的慣性輪的示例性結(jié)構(gòu)圖； 圖4a和圖4b顯示了以時(shí)間為函數(shù)，沿軸X、Y、Z的破壞扭矩的趨勢(shì)的實(shí)例，以及在 軌道周期過(guò)程中，破壞扭矩對(duì)由慣性輪累積的角動(dòng)量的影響； 圖5a和圖5b是顯示根據(jù)本發(fā)明的卸載宇宙飛船的慣性輪的方法的主要步驟的兩 個(gè)方框圖； 圖6a和圖6b顯示了根據(jù)本發(fā)明，在宇宙飛船旋轉(zhuǎn)性翻轉(zhuǎn)(rotationalf li卯ing) 之前和之后，以時(shí)間為函數(shù)，沿軸X、 Y、 Z的破壞扭矩的趨勢(shì)的實(shí)例； 圖7a和圖7b顯示了根據(jù)本發(fā)明，在宇宙飛船旋轉(zhuǎn)式翻轉(zhuǎn)(rotationalf li卯ing) 之前和之后，由輪累積的角動(dòng)量的趨勢(shì)的實(shí)例； 圖8a和圖8b是根據(jù)本發(fā)明的在宇宙空間中卸載宇宙飛船的慣性輪的方法的應(yīng)用 的第二實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
圖1表示宇宙飛船的例子，例如遠(yuǎn)程通信衛(wèi)星，其包括安裝有太陽(yáng)能電池板2的平 臺(tái)1和包括發(fā)送和接收天線3的有效載荷。宇宙飛船包括形成與宇宙飛船相連的參考坐標(biāo) 系的三個(gè)軸X、Y、Z。在圖1中，軸X可以對(duì)應(yīng)于在預(yù)定軌跡上的飛行方向，該預(yù)定軌跡例如 是如圖2所示的繞地軌道，軸Y朝北/南定向，偏航軸Z垂直于由軸X和Y形成的平面，且 對(duì)應(yīng)于指向方向(pointing direction)。太陽(yáng)能電池板2定向在軸Y的方向中，天線3沿 著偏航軸Z定向，例如朝地球或朝星體定向。宇宙飛船包括至少三個(gè)慣性輪4，慣性輪也被 稱作反作用輪，例如如圖3所示。慣性輪通常包含在衛(wèi)星主體內(nèi)，例如在平臺(tái)1中。為了產(chǎn) 生沿著三個(gè)軸X、Y、Z的反作用扭矩，并能夠穩(wěn)定宇宙飛船的角定向，三個(gè)輪是必須的。所添 加的第四個(gè)輪是冗余的，其在一個(gè)輪故障的情況下或者為了防止輪子達(dá)到零速度從而有時(shí) 可能破壞朝衛(wèi)星的指向的情況下使用。在執(zhí)行操縱以校正宇宙飛船的姿態(tài)漂移(drift)的 過(guò)程中，輪4提供內(nèi)扭矩，該內(nèi)扭矩可以提高其旋轉(zhuǎn)速度并因此提高其累積的角動(dòng)量。
此外，通過(guò)輪實(shí)現(xiàn)的衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)操縱暫時(shí)導(dǎo)致在操縱開始和結(jié)束之間輪的速度提 高。為了轉(zhuǎn)動(dòng)衛(wèi)星，輪被加載了角動(dòng)量，根據(jù)角動(dòng)量守恒定律，其被傳遞到衛(wèi)星的主體。
圖4a和圖4b分別顯示了以時(shí)間為函數(shù)，沿軸X、Y、Z的破壞扭矩的趨勢(shì)的實(shí)例，以 及在軌道周期過(guò)程中，破壞扭矩對(duì)由慣性輪4累積的角動(dòng)量的影響。在此例中，宇宙飛船是 位于地球的環(huán)赤道軌道中的中等高度(在2000km至36000km之間)上的衛(wèi)星。在這樣的 高度上，作用于宇宙飛船的姿態(tài)上主要破壞扭矩是由太陽(yáng)壓力引起的扭矩和由重力梯度引 起的扭矩。例如，在8000km的高度，由大氣摩擦引起的扭矩可以忽略不計(jì)。
此外，殘留的磁矩對(duì)慣性輪累積的角動(dòng)量沒(méi)有影B向，因?yàn)槠湟话憧梢噪S著時(shí)間進(jìn)
行自補(bǔ)償。附圖顯示，由于太陽(yáng)壓力，破壞沿著整個(gè)軌道根據(jù)衛(wèi)星相對(duì)于太陽(yáng)的定向變化， 并且在一次繞軌飛行之后，沿軸X、 Y、 Z的船載角動(dòng)量的分量增大。此外，當(dāng)?shù)厍蛳鄬?duì)于衛(wèi) 星遮蔽太陽(yáng)時(shí)，這出現(xiàn)在所示曲線的14000秒和16000秒之間，由于沒(méi)有太陽(yáng)壓力，主要來(lái) 自于重力梯度的破壞性扭矩基本上是恒定的。船載角動(dòng)量的趨勢(shì)的方向變化是由衛(wèi)星繞軸Y(北/南)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的衛(wèi)星的軸之間的角動(dòng)量交換而引起的。該旋轉(zhuǎn)與在地球方向中的 衛(wèi)星的指向有關(guān)。 圖5a和圖5b顯示根據(jù)本發(fā)明的卸載宇宙飛船的慣性輪4的方法的主要步驟的兩 個(gè)方框圖。為了使本發(fā)明更易于理解，以一宇宙飛船為例來(lái)描述該方法，其中該宇宙飛船位 于接近行星(例如地球)的軌道中并具有指向?qū)?yīng)于偏航軸Z的指向方向的天線。
第一步驟10包括確定操縱的觸發(fā)，以根據(jù)每個(gè)慣性輪的角速度的測(cè)量值11來(lái)卸 載慣性輪，周期性取得測(cè)量值。在該步驟過(guò)程中，偏航軸Z保持固定。在第一疊代i = 1的 過(guò)程中，在預(yù)先步驟8中，選擇用于觸發(fā)輪的卸載的閥值Hs和參考船載角動(dòng)量矢量fi。 。fi。
是三維矢量且形成船載角動(dòng)量的理想值。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，矢量fi。可以是零或非零。 當(dāng)宇宙飛船是位于繞行星軌道中的衛(wèi)星時(shí)，可以在例如每個(gè)軌道上取得速度測(cè)量值。 在這種情況下，在每個(gè)軌道上，設(shè)置在每個(gè)慣性輪上的速度傳感器測(cè)量輪的角速 度Q。測(cè)得的角速度Q被傳輸?shù)酱d計(jì)算機(jī)上，其根據(jù)速度測(cè)量值Q，在每個(gè)疊代i計(jì) 算船載角動(dòng)量矢量fi。并從中推導(dǎo)累積角動(dòng)量Hi，累積角動(dòng)量&的模等于船載角動(dòng)量矢量 ^與參考矢量:fi。之差的模。優(yōu)選地，對(duì)于沿衛(wèi)星三個(gè)軸的卸載，通過(guò)計(jì)算船載角動(dòng)量矢量 fii與參考矢量fi。之差的二階的范數(shù)(the norm oforder two)，或者對(duì)于沿單個(gè)軸的單位 矢量5的部分卸載，通過(guò)計(jì)算船載角動(dòng)量矢量fi,與參考矢量fi。之差與單位矢量的標(biāo)量積 (》,-A。)i ，來(lái)獲得累積角動(dòng)量&。例如，對(duì)于具有零參考矢量fi。的軸Y的卸載，累積角動(dòng) 量&等于船載角動(dòng)量矢量fi,沿軸Y的分量Hy， it) 參考角動(dòng)量矢量fi。是一個(gè)參數(shù)，其是三維矢量。通過(guò)輪的角動(dòng)量的矢量和來(lái)計(jì)算
三維的船載角動(dòng)量矢量fi,。通過(guò)輪的角速度乘以輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)獲得每個(gè)輪的角動(dòng)量。每 個(gè)輪的慣量I是輪的固有特性。如果所有輪都是相同的，則其具有相同的慣量。速度矢量 是n維矢量，n是輪的個(gè)數(shù)。 然后，通過(guò)船載計(jì)算機(jī)根據(jù)以下過(guò)程來(lái)確定觸發(fā)操縱以卸載輪。比較至少一個(gè)軸 上的累積角動(dòng)量的值Hi與用于觸發(fā)卸載的閾值Hs。然后執(zhí)行測(cè)試13以確定值Hi是否大 于閾值Hs?？蛇x地，還可以執(zhí)行第二測(cè)試14以確定累積角動(dòng)量Hi是否增大，即& > H卜lt) 如果測(cè)試13以及如果適當(dāng)?shù)臏y(cè)試14為正，則確定觸發(fā)允許輪卸載的翻轉(zhuǎn)操縱。如果測(cè)試 13以及如果適當(dāng)?shù)臏y(cè)試14為負(fù)，該方法被增大到具有新的慣性輪角速度測(cè)量值的下一個(gè) 疊代。閾值Hs是根據(jù)所允許的船載角動(dòng)量的變化范圍預(yù)先確定的值。閾值的選擇取決于 慣性輪的角動(dòng)量的最大負(fù)載量、宇宙飛船中的輪的定向、期望的衛(wèi)星上的平均船載角動(dòng)量、 例如分配給操縱以及飛船姿態(tài)控制的角動(dòng)量盈余(angular momentummargins)，且閾值的 選擇由不過(guò)度頻繁地觸發(fā)卸載與足夠早地觸發(fā)卸載從而輪不能達(dá)到飽和值之間的折衷結(jié) 果來(lái)確定。 第二步驟20是可選的。其包括當(dāng)飛船在其軌道中的位置達(dá)到允許的操縱范圍時(shí)， 允許觸發(fā)操縱以卸載輪。根據(jù)本發(fā)明，卸載輪的操縱包括使宇宙飛船繞保持固定的偏航軸 Z偏航翻轉(zhuǎn)預(yù)定角度。 該繞軸Z的旋轉(zhuǎn)，或繞接近Z的軸的旋轉(zhuǎn)，可以在空間的三個(gè)方向中卸載輪。特別地，繞軸Z的旋轉(zhuǎn)可以完全解決卸載軸Y的初始問(wèn)題，其中軸Y對(duì)應(yīng)于方向北/南，且平行 于地磁場(chǎng)方向。但是，可能有可能隨時(shí)間增大的殘余角動(dòng)量。有利地，為了消除該殘余角動(dòng) 量，根據(jù)本發(fā)明的卸載輪的系統(tǒng)可以通過(guò)額外的卸載系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如磁卸載系統(tǒng)。當(dāng)宇宙 飛船位于環(huán)行星軌道中時(shí)，旋轉(zhuǎn)式翻轉(zhuǎn)角優(yōu)選等于，或大約等于180° ，其對(duì)應(yīng)于宇宙飛船 的倒轉(zhuǎn)，從而旋轉(zhuǎn)式翻轉(zhuǎn)前后由雜散場(chǎng)(stray field)施加在宇宙飛船上的扭矩方向相反， 且其影響被逐漸平衡，如圖6a和6b所示。因此，該旋轉(zhuǎn)式翻轉(zhuǎn)可以降低慣性輪的角速度， 直到慣性輪的角速度恢復(fù)到其初始值并且在宇宙飛船的旋轉(zhuǎn)式翻轉(zhuǎn)之前由輪在宇宙飛船 上累積的角動(dòng)量在旋轉(zhuǎn)式翻轉(zhuǎn)之后被逐漸補(bǔ)償，如圖7a和7b所示。圖7a和7b分別顯示 了在軌道周期過(guò)程中，輪在衛(wèi)星的三個(gè)軸上累積的角動(dòng)量，該累計(jì)值來(lái)自于分別由圖6a和 6b表示的在宇宙飛船繞衛(wèi)星的軸Z翻轉(zhuǎn)180。之前和之后的破壞性扭矩。在對(duì)應(yīng)于一個(gè)軌 道周期的16000秒，圖7a的船載角動(dòng)量的分量與圖7b的船載角動(dòng)量的分量的方向相反，模 相等。 但是，在宇宙飛船的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，有天線方向偏離從而不利地影響數(shù)據(jù)傳輸比特 率(bit rate)的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)宇宙飛船是位于地球軌道中的衛(wèi)星時(shí)，例如遠(yuǎn)程通信衛(wèi)星，數(shù)據(jù) 傳輸比特率的降低可能具有嚴(yán)重的后果。為了限制這種結(jié)果，有利地，當(dāng)軌道中的宇宙飛船 位于人煙稀少的地理區(qū)域上或者處于通信比特率需求降低的夜晚時(shí)，允許宇宙飛船的旋轉(zhuǎn) 偏轉(zhuǎn)。宇宙飛船的偏航軸Z保持固定，宇宙飛船繼續(xù)在其軌道上運(yùn)行直到其通過(guò)允許的操 縱范圍。當(dāng)宇宙飛船到達(dá)允許范圍時(shí)，計(jì)算機(jī)命令宇宙飛船旋轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)。
第三步驟30涉及執(zhí)行旋轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)操縱。當(dāng)宇宙飛船繞偏航軸Z或接近偏航軸的軸 旋轉(zhuǎn)預(yù)定角度(優(yōu)選地等于180?；蚪咏?80° )時(shí)，宇宙飛船的偏航軸Z保持固定并指向 地球，直到操縱結(jié)束。旋轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)操縱有利地由慣性輪執(zhí)行，且不需要額外的致動(dòng)器。在旋轉(zhuǎn) 偏轉(zhuǎn)操縱過(guò)程中，由于輪速的變化，輪中的船載角動(dòng)量改變，但是在慣性坐標(biāo)系中，由衛(wèi)星 和輪構(gòu)成的整體的總角動(dòng)量保持恒定，只有輪之間存在角動(dòng)量的交換。在翻轉(zhuǎn)操縱前后，在 慣性坐標(biāo)系中表示的輪的船載角動(dòng)量基本相等。 當(dāng)旋轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)操縱結(jié)束時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的方法包括回到步驟10以重復(fù)新的循環(huán)，即 監(jiān)視宇宙飛船的慣性輪的角速度以及如果需要進(jìn)行卸載操縱。每個(gè)卸載操縱過(guò)程中的衛(wèi)星 的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)允許以太陽(yáng)壓力和重力梯度為例的破壞性外扭矩在第一方向以及與第一方向 相反的第二方向中改變慣性輪的平均速度，從而允許慣性輪的速度保持在飽和閾值以下。
圖8a和8b顯示了用于卸載位于空間中任何位置上的宇宙飛船的輪的方法的應(yīng)用 的第二實(shí)例，例如處于慣性指向模式(inertia pointingmode)中的衛(wèi)星。衛(wèi)星可以例如指 向位于拉格朗日點(diǎn)L2的空間區(qū)域的星體。衛(wèi)星具有重心G以及對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)壓力的推力中 心的點(diǎn)P，且包括平臺(tái)l和太陽(yáng)能電池板2。太陽(yáng)能電池板的縱軸是例如軸Y，指向軸是軸 Z，軸X垂直于平面YZ。由于受到太陽(yáng)壓力的衛(wèi)星只有一個(gè)太陽(yáng)能電池板并且太陽(yáng)推力中心 相對(duì)于重心偏移，因此其不平衡且在輪中對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)扭矩軸的軸A上累積了大的角動(dòng)量。 為了卸載輪，根據(jù)本發(fā)明的方法包括使衛(wèi)星繞指向軸Z翻轉(zhuǎn)并使輪中的角動(dòng)量累計(jì)值的方 向倒轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)角優(yōu)選地等于180。。翻轉(zhuǎn)后，在軸A'上累積角動(dòng)量，由于太陽(yáng)推力中心相 對(duì)于衛(wèi)星重心的偏移，軸A'通常略微不同于軸A。當(dāng)軸A與軸A'相同時(shí)，在三個(gè)軸X、 Y、Z上完全卸載。如果如圖8b所示，在兩個(gè)軸A和A'之間存在差異，三個(gè)軸X、Y、Z上的 卸載不完全，殘余角動(dòng)量保留在由軸A和A'形成的平面中，在此例中，主要在Y軸上。在這種情況下，雖然與平分A和A'的平均軸上的累積值相比殘余角動(dòng)量較小，但是優(yōu)選地 增加額外的卸載系統(tǒng)，例如推進(jìn)器類型的卸載系統(tǒng)。 雖然已經(jīng)參考特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但顯然本發(fā)明不以任何方式被限制為所 述的特定實(shí)施例，其包括包含在本發(fā)明的上下文中的所述方法的等效技術(shù)方案及其組合。
權(quán)利要求
一種卸載宇宙飛船的慣性輪的方法，所述宇宙飛船包括三個(gè)參考軸X、Y、Z，軸Z對(duì)應(yīng)于指向方向且宇宙飛船能夠在輪中累積達(dá)到對(duì)應(yīng)于最大角速度的最大負(fù)載值的船載角動(dòng)量，其特征在于，所述方法包括，為沿三個(gè)軸X、Y、Z卸載宇宙飛船，通過(guò)繞軸Z自動(dòng)翻轉(zhuǎn)宇宙飛船來(lái)倒轉(zhuǎn)輪的角動(dòng)量累積的方向，其中所述指向方向保持固定。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括選擇用于觸發(fā)輪的卸載的閾值Hs以及參考船載角動(dòng)量矢量H。，周期性測(cè)量每個(gè)慣性輪的角速度，對(duì)于每個(gè)速度測(cè)量值，計(jì)算船載角動(dòng)量矢量fi,并從中推導(dǎo)累積角動(dòng)量Hi，所述累積角動(dòng)量Hi的模等于船載角動(dòng)量矢量g與參考船載角動(dòng)量矢量S。之差的模，比較累積角動(dòng)量&與閾值Hs，當(dāng)累積角動(dòng)量Hi大于閾值Hs時(shí)，確定(10)翻轉(zhuǎn)操縱的觸發(fā)從而可以卸載輪，然后觸發(fā)自動(dòng)操縱(30)以使宇宙飛船繞軸Z旋轉(zhuǎn)式翻轉(zhuǎn)預(yù)定角度，其中所述指向方向保持固定。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，如果在兩次連續(xù)測(cè)量之間&增大，則確定(10)翻轉(zhuǎn)操縱的觸發(fā)。
4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述閾值Hs在慣性輪的所述最大負(fù)載值以下。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括宇宙飛船繞軸Z翻轉(zhuǎn)等于180°的角度。
6. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，當(dāng)宇宙飛船位于軌跡上的預(yù)定位置時(shí)，在準(zhǔn)許卸載(20)翻轉(zhuǎn)操縱得到允許的步驟之前，允許旋轉(zhuǎn)式翻轉(zhuǎn)操縱(30)的觸發(fā)。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述預(yù)定位置對(duì)應(yīng)于宇宙飛船通過(guò)低人口密度的地理區(qū)域上方，或者對(duì)應(yīng)于當(dāng)宇宙飛船進(jìn)入處于夜晚的區(qū)域中。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，通過(guò)至少一個(gè)慣性輪來(lái)執(zhí)行宇宙飛船的旋轉(zhuǎn)式翻轉(zhuǎn)操縱(30)。
9. 一種卸載宇宙飛船的慣性輪的系統(tǒng)，所述宇宙飛船包括至少一個(gè)慣性輪，所述宇宙飛船能夠在輪中累積達(dá)到最大負(fù)載值的船載角動(dòng)量，其特征在于，所述系統(tǒng)包括用于觸發(fā)宇宙飛船繞對(duì)應(yīng)于指向方向的軸Z旋轉(zhuǎn)式翻轉(zhuǎn)預(yù)定角度的自動(dòng)操縱的裝置，所述指向方向保持固定，所述角度被選擇為倒轉(zhuǎn)輪的角動(dòng)量累積值的方向。
10. 如權(quán)利要求9所述的卸載系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括安裝在慣性輪上的至少一個(gè)速度傳感器，用于計(jì)算對(duì)應(yīng)于測(cè)得的速度的由慣性輪累積的角動(dòng)量Hi的裝置，用于比較由輪累積的角動(dòng)量與用于觸發(fā)輪的卸載的預(yù)先選定的閾值Hs的裝置，用于在由輪累積的角動(dòng)量值大于所述閾值時(shí)確定觸發(fā)宇宙飛船的翻轉(zhuǎn)操縱的裝置。
11. 一種宇宙飛船，包括至少一個(gè)慣性輪和對(duì)應(yīng)于指向方向的軸Z，其特征在于，其包括如權(quán)利要求9所述的卸載慣性輪的系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種卸載宇宙飛船的慣性輪的方法和系統(tǒng)，所述宇宙飛船包括三個(gè)參考軸X、Y、Z，軸Z對(duì)應(yīng)于指向方向，所述方法包括通過(guò)繞軸Z自動(dòng)旋轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)宇宙飛船來(lái)倒轉(zhuǎn)輪的角動(dòng)量累積值的方向，其中所述指向方向保持固定。本發(fā)明應(yīng)用于衛(wèi)星或星際探測(cè)器領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B64G1/24GK101723095SQ20091020703
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月31日
發(fā)明者F·蓋約特 申請(qǐng)人:泰勒斯公司