专利名称:空间飞行器上仪器的定向补偿系统的制作方法
本发明属于减小空间飞行器上仪器定向误差的领域，该误差是由于一台或多台仪器的运动而导致空间飞行器的运动所引起的。
第4，437，047号美国专利公开了一种闭环控制系统，它向一转矩电机提供转矩指令信号，该电机控制一个双自旋卫星的仪器平台的指向位置。如图1所示，卫星20包括自旋部分21和一仪器平台22，此平台有一个预定的视线(Line-of-sight)26。自旋部分21包括一红外地面传感器25，当此传感器鸟瞰地面时，它提供一输出脉冲，图3和图4所示的控制系统使用了由地面传感器25产生的脉冲及代表视线26的脉冲来将转矩指令信号57、58提供给自旋部分21。
第4，143，312号美国专利公开了一种控制系统，用来稳定装在一基座上的旋转天线以补偿基座的横摇和纵摇。图1示出了天线1，它由两轴变向系统(包括框架5)固定在一条船的甲板4所带的平台3上。框架5可绕水平横摇轴8旋转。被稳定的平台3可绕水平纵摇轴9旋转。图3给出了此控制系统的一部分，它包括同步发送器10R，10P来检测天线1绕横摇轴8和纵摇轴9的相对运动。横摇发送器10R的输出被加到一控制变压器11R上，此变压器还从船的垂直参考单元(未示出)取出一横摇数据的输入17。根据这一数据和相应的纵摇数据，天线1的定位被稳定以补偿船的横摇和纵摇。
其次的参考文献是美国专利第4，272，455号;4，325，586号;4，375，878号;和4，418，306号。
本发明是一闭环系统，用来减少一台或多台空间飞行器仪器中的定向误差，此误差是由于一台或多台仪器的运动而导致飞行器运动所引起的。一台仪器可以对其自身运动引起的误差进行补偿(自补偿)。每一台仪器都有用来指令该仪器中运动的装置(3)，和定向控制系统(5)，用来响应指令装置(3)发出的指令信号(4)来在该仪器中传递运动。一个空间飞行器运动补偿逻辑(25)与每一指令装置(3)和定向控制装置(5)相耦合。
空间飞行器运动补偿逻辑(25)是一个电子电路，它包含一个空间飞行器运动的动态模型的代数负数。此电子线路(25)能以模拟或数字形式实现。
本发明能够大大地减少飞行器仪器间的动态相互作用，同时还有一重要的附带的效果，就是减化了地面操作。因此，这里所描述的运动补偿系统提高每一仪器的完全独立的运行，这就带来既节省费用又节省人力，同时，增强了整个系统的效能。
在参照附图所作的不列说明中充分地展示了本发明的这些和其它更详细的和特殊的目的和特点。在附图中图1是可利用本发明的一颗卫星的立体图;
图2是本发明的N个仪器的实施方案的概括的功能框图;
图3是图2的一种特殊情况，它属于图1所示的动量偏置卫星;
图4示出了当没使用本发明时，对构成图3结构的作为时间函数的定向误差10的曲线;
图5是当使用本发明时，对构成图3结构的作为时间函数的定向误差8的曲线。
本发明可用于任何形式的空间飞行器，及飞行器上任何有限数量的仪器，如照相机，天线，太阳能电池板，这些都需要精确地定向。将用图1所示的空间飞行器对本发明作特殊说明。此空间飞行器是NASA的GOESI/J/K气象卫星。图1所示的部件包括太阳能电池阵列11，X射线传感器12，地磁仪13，S波段发射天线14，SAR(搜索和救援)天线15，超高频天线16，遥测和指令天线18，地面传感器19，S波段接收天线20，太阳反射器24，成像器1和探测器2。成像器1包括冷却器17，孔经23，和镜面33。探测器2包括冷却器21，孔经22和镜面32。
镜面33和32各安装在一个两轴变向系统上，它相对于正交的X轴和Y轴以每秒多个连续位置的扫描速度有选择地定位镜面33和32。X轴可称为滚转，北/南，或仰角轴。Y轴可称为俯仰，东/西，或方位轴。
成象器1提供地球表面的辐射度的成象，成象器1有5个通道，其中4个是红外通道，1个是可见光通道;它的两轴变向扫描镜面33在地球上沿东/西通路扫过一个8公里的纵向幅区，从而同时提供各通道看到的景象的共同记录数据。扫描区域的位置和大小由指令控制。在每一扫描帧的末尾，镜面33转向成象器1中的红外黑体以便校准。成象器1也可通过石油星体来校准，以提供精确的地面位置和光轴的相关数据。
探测器2测量地球大气层中的湿度含量和温度。探测器2包括一个19通道(18个红外通道和1个可见光通道)离散滤波轮盘辐射计;它的两轴变向扫描镜面32以间隔10公里的增量进行东/西通路40公里的纵向辐区的步进式扫描。被动式辐射冷却器21控制滤波轮盘组件的温度。这使得可以在低温下工作增加灵敏度。辐射度校准是通过镜面32周期地转向空间和一内部黑体目标来实现。
以后在本说明书中，我们将参照图3-5说明成象器1和探测器2的定向补偿。但首先，图2给出了本发明的概括的描述，在图中，需要定向补偿的N台仪器中的每一台都包括指令逻辑3，它一般是一个电子部件，通过转向指令4命令相应的仪器定向。每台仪器还进一步包括一定向控制系统5，用来使该仪器实现定向运动。空间飞行器运动补偿逻辑25一般是连续工作的，并从每台仪器接收转向指令4作为输入，通过加法器9向各定向控制系统5输出一补偿信号6。借助打开过载开关30来断开通过空间飞行器遥测天线从地面收到的指令，就可以任意切断补偿信号6。
空间飞行器运动补偿逻辑25包括该飞行器运动的动态模型的代数负值。因而，响应转向指令4，补偿信号6命令这些仪器去做那些与希望空间飞行器所做的相反的事。此补偿信号6通过仪器的定向控制系统5输入到仪器中。由于这是一个闭环系统(在图2中被标为单元31)，作为仪器的转向的结果，闭环的空间飞行器的这些动态本身导致飞行器自身运动，但仪器的定向也因而得到补偿。
现在回到图1的例子，对成象器1的一个主要的干拢源是，在该成象器工作期间，探测器镜面32的转向运动。除了成象器镜面33对探测器2的运动效应之外，对这些转向运动进行了分析并且发现了由它们所产生的显著的误差。飞行器上的定向补偿系统利用估算的飞行器动态特性和控制装置补偿了这些运动，因此，它们的效应是很微小的。
例如，考虑成象器1和探测器2，以及空间飞行器平台对探测器镜面32的转向的响应，如图3所示，此转向是根据探测器转向逻辑组件3(2)产生并送给探测器镜面伺服动态组件5(2)的指令4开始的。指令4使镜面32相对于任意参考角围绕X轴和Y轴转动一些所期望的角度。当高带宽镜面控制环5(2)精确地追踪指令4时，同空间飞行器交换的镜面32的动量可导致多到50微弧度的瞬态飞行器扰动10和伴生的成象器1的定向误差。拢动10被更全面地示于图4。
为了补偿成像器33的定向，补偿逻辑25同时对探测器转向指令进行实时处理，预估由此产生的平台运动，将补偿信号6通过加法器9送至成象器镜面伺服动态组件5(1)。由于补偿信号6与代表扰动10的信号等值且反极性，成象器镜面33运动来消除空间飞行器平台的扰动10，只剩下一剩余的定向误差。扰动10更全面地示于图5。
图4给出了空间飞行器平台对探测器镜面32的180°黑体校准转向的未补偿的响应10，镜面32绕Y轴以10°/秒的速度转动。如果此误差10不被补偿，由此产生的对成象器1的扰动将达48.3微弧度的最大值。
图4表明未补偿的响应10足够慢，以致利用数字计算机实现补偿逻辑25可很容易地在未补偿的阻尼间隔期间(约72秒)完成甚至很多次复杂的一系列步骤。
如果补偿逻辑25包含空间飞行器动态的一个完整模型，则将产生完全的定向补偿和零成象器1定向误差8，图5给出了对20%的“模型误差”(定义的“红外”)成象器的扰动8的动态响应。这是对实际误差的保守估计，因为，实际上，空间飞行器有惯性，它是误差的主要来源，一般认为不超过5%。
图3只给出了探测器2对成象器1的影响的补偿。实际上，逻辑25也不断地对成象器1施加给探测器2的影响进行补偿，以及进行成象器1和探测器2对它们自身的影响的补偿。在GOES I/J/K卫星上正在对正常的镜面33，32的步进式扫描和转向(例如，回扫，黑体和深空间校准转向)进行连续的运动补偿。虽然在所有时刻都使用定向补偿系统，当仪器的相互影响就角位置和角速度来说是最大时，它在转向模式期间最为有用。例如，在探测器较准期间，镜面32在一相对短的时间里可以转向超过180°。
表1给出了对于10%和50%的模型误差，仪器1、2的定向误差的结果，以及图5所示的20%的模型误差时仪器1、2的定向误差。就此表的目的来说，不论被实验者是成象器1还是探测器2都无关紧要，因为假设它们有相同的物理特性。
表Ⅰ 峰值定向误差(度) (微弧度)没有补偿的仪器定向误差 0.0027 48.3有10%模型误差的仪器 0.00018 3.1定向误差有20%模型误差的仪器 0.00032 5.6定向误差有50%模型误差的仪器 0.00068 11.9定向误差从表1中可以看出与用于空间飞行器动态单元31的转矩/惯性比率相比，补偿逻辑25对“模型误差”不是很敏感，“模型误差”是这样一个误差，对于预置于补偿逻辑25中的模型，它被有意加到X轴和Y轴中的每一个的转矩/惯性比率上。
对图3所示各功能块的线性传递函数模型进行了改进，分析和计算机模拟，来提供表1中的数据。对两种仪器改进了4个独特的传递函数
1.镜面转向逻辑3，它产生转向指令函数，如图3中所示的斜升部分4。传递函数是VR/S2其中S是拉普拉斯算子(微分算子)，VR是转向速率的大小(绕任何轴)。
2.镜面伺服控制动态5，它是镜面控制系统的闭环传递函数的模型。传递函数是W2/(S2+2.0ZWS+W2)，其中Z是镜面伺服控制动态5的阻尼率;W是镜面伺服控制动态5的非阻尼自然频率。
3.闭环空间飞行器动态单元31，它是模拟实际平台动态的俯仰和滚转/偏航空间飞行器动态的详细的闭环模型。在GOES I/J/K卫星中，两个可供使用的动量盘提供绕俯抑轴的稳定性以及滚转和偏航轴间的回转耦合。传递函数在下面给出。
4.运动补偿逻辑25，空间飞行器动态单元31的代数负值。对于表1的误差分析，有意使补偿逻辑25以一规定的形式偏离用于空间飞行器动态31的模型。
用于空间飞行器运动补偿逻辑25的模型由下列两式给出。补偿信号6包括X轴和Y轴分量，分别为Cx(S)和Cr(S)。此同一补偿信号6被送至定向控制系统5(1)，5(2)中的每一个系统中去。这些方程是相对于由仪器伺服机构5(1)，5(2)的X轴和Y轴的运动产生的扰动转矩，卫星的线性传递函数的代数负值。
应当注意，传递函数是惯性和角度的线性函数，其精度仅依赖于卫星和仪器伺服机构5(1)、5(2)的刚体质量特性的允差范围。推进剂晃动在由这些机构产生的非常低的卫星加速度下对卫星运动没有影响。同样，在非常小的运动时结构上的柔性影响不产生不可忽略的卫星运动的差别。由于镜面33，32与卫星相比质量极小，且它们的伺服机构5(1)和5(2)很快，并以很小的误差追踪输入转向指令4(1)，4(2)，在这些补偿方程中不必考虑伺服机构5(1)，5(2)的动态。
下面就是这些方程。空间飞行器运动补偿逻辑25作为下列传递函数的时域实现被机械地实现了
其中S是拉普拉斯算子(微分算子)。
Cx(S)是送至每一伺服机构5(1)，5(2)的补偿信号6的X轴分量的补偿角。
Ix是绕其滚转轴的卫星惯性动量。
IIx是绕X轴的成象器镜面33的惯性动量。
ISx是绕X轴的探测器镜面32的惯性动量。
AIx(S)是相对于一任意参考角，成象器镜面33绕X轴的角位置。
Asx(S)是相对于一任意参考角，探测器镜面32绕X轴的角位置。
H是卫星总的角动量。
G、J、K和L是常数，它们实现卫星的滚转和偏航恣态控制环路的闭环响应。
Cy(S)是对于送至每一伺服机构5(1)，5(2)中的补偿信号6的Y轴分量的补偿角。
Iy是绕俯仰轴的卫星的惯性动量。
IIY是绕Y轴的成象器镜面33的惯性动量。
ISY是绕Y轴的探测器镜面的惯性动量。
AIY(S)是相对于一任意参考角，成象器镜面33绕其Y轴的角位置。
Asy(S)是相对于任意参考角，探测器镜面32绕其Y轴的角位置。
P、Q，和R是常数，它们实现卫星俯仰恣态控制环的闭环的响应。
在一般情况下，当希望对两个以上仪器进行补偿时，Cx(S)和Cy(S)方程的分子补充有表示附加仪器产生的扰动转矩的项。
补偿逻辑25可用模拟或数字形式实现。在本申请所示例子中，补偿逻辑25作为卫星上的AOCE(方位和轨道控制电子设备)数字微处理器的一部分加以实现，本例中是一台Perkin Elmer/Interdata5/16微计算机的小型化的改型。
以上描述仅用来说明最佳实施方案的工作情况，并不打算限制本发明的范围。本发明的范围只受下列权利要求
的制约。根据上面的讨论，本领域的技术人员可以作许多改变，但它们仍都属于本发明的原则和范围之内。
权利要求
1.用于减小由于仪器运动而导致空间飞行器运动所产生的空间飞行器上仪器的定向误差的系统，该系统包括至少一台装在空间飞行器上并指向该飞行器以外位置上的仪器；与每台仪器相耦合，用来转换仪器的定向方向的动力装置；与各动力装置相耦合，用来在仪器中指令运动的指令装置；用来补偿仪器运动而导致的空间飞行器运动误差的补偿装置，该补偿装置的一个输出耦合到每一动力装置，一个输入耦合到每一指令装置。
2.权利要求
1的系统，其中，补偿装置包括一电子电路，它将此飞行器运动的动态表示为一负数模型。
3.权利要求
1的系统一步包括有选择地截止来自补偿装置的信号以响应从地球传来的信号的装置。
4.权利要求
1的系统，其中，补偿装置给每一动力装置传送一个信号，该信号代表飞行器运动的负值，而该飞行器的运动则被认为是由指令装置控制的仪器中的运动所引起的。
5.权利要求
1的系统，其中空间飞行器上的仪器包括一成象器，其镜面可由第一动力装置调节指向地球;一探测器，其镜面可由第二动力装置调节指向地球。
6.权利要求
5的系统，其中成象器和探测器装在一卫星的外表上;第一和第二动力装置各包括一个两正交轴的变向系统，来有选择地使成象器和探测器的镜面分别指向地球上的位置。
专利摘要
一闭环系统减小一台或多台空间飞行器的定向误差。每台仪器都有用来指令该仪器中运动的装置3和响应来自装置3的指令4来，在该仪器中传递运动的定向控制系统5。空间飞行器运动补偿逻辑25补偿由于仪器运动导致飞行器运动而引起的仪器定向误差。为每一仪器提供一定向控制系统5和指令装置3并使之与飞行器运动补偿逻辑相连，就可补偿任何有限数量的仪器。运动补偿逻辑25是该飞行器运动的动态模型的代数负值的电子形式。本申请提供了一个模型的例子和计算机模拟的结果。
文档编号G05D1/08GK86100685SQ86100685
公开日1987年4月1日 申请日期1986年1月22日
发明者卡尔·T·普里斯希亚, 多纳德·W·加布里 申请人:福特航空通讯公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan