способ управления положением солнечной батареи космического аппарата при частичных отказах датчика угла

Формула изобретения

Способ управления положением солнечной батареи космического аппарата при частичных отказах датчика угла, заключающийся в том, что определяют установившуюся угловую скорость солнечной батареи, разбивают круг датчика угла в 360° на равные дискретные сектора, определяют угловое положение проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности солнечной батареи относительно связанных с космическим аппаратом осей координат, вычисляют расчетный угол солнечной батареи как произведение указанной угловой скорости на время ее вращения, определяют угол разгона как величину изменения углового положения нормали от момента выдачи команды на вращение до момента достижения установившейся угловой скорости. определяют угол торможения как величину изменения углового положения упомянутой нормали от момента выдачи команды на прекращение вращения до полного прекращения вращения, принимают угол разгона равным углу торможения, задают порог срабатывания, при достижении которого формируется рассогласование между заданным и расчетным углами, задают порог отпускания, при достижении которого прекращается рассогласование между заданным и расчетным углами солнечной батареи, менее порога срабатывания, осуществляют вращение солнечной батареи в направлении уменьшения рассогласования по кратчайшему пути между заданным и расчетным углами, отличающийся тем, что принимают установившуюся угловую скорость солнечной батареи в качестве расчетной, превышающей на порядок и более угловую скорость вращения космического аппарата вокруг Земли, задают максимальное отклонение расчетной угловой скорости от фактической на порядок и менее угловой скорости вращения солнечной батареи, принимают порог отпускания равным углу торможения, за начальное угловое положение нормали к рабочей поверхности солнечной батареи принимают угол, при котором положение указанной нормали совпадает с угловым положением биссектрисы начального дискретного сектора датчика угла, причем биссектрисе нулевого сектора датчика угла соответствует нулевое угловое положение вышеуказанной проекции единичного вектора, каждому дискретному сектору датчика угла присваивают произвольный код, не связанный с угловым положением солнечной батареи, задают дискретный сектор датчика угла более удвоенной суммы углов разгона и торможения, при этом максимальная суммарная угловая величина _мах последовательно расположенных дискретных секторов с одинаковыми значениями не должна превышать величины



где _СБ - расчетное значение установившейся угловой скорости солнечной батареи;

_СБ - максимальное отклонение расчетной угловой скорости от фактической;

- величина дискретного сектора датчика угла,

задают шаг изменения заданного угла кратным величине дискретного сектора датчика угла при условии



где _отп - порог отпускания;

_ш - шаг изменения заданного угла;

I _MIN - задаваемый минимально допустимый ток;

I _max - максимально возможный ток,

задают порог срабатывания не более половины шага изменения заданного угла, устанавливают солнечную батарею в положение, при котором нормаль к ее рабочей поверхности совпадает с угловым положением биссектрисы одного из дискретных секторов датчика угла, при этом расчетному углу задают значение, соответствующее положению этой нормали, вычисляют заданный угол как угловую величину целого числа шагов в угловом положении единичного вектора направления на Солнце относительно связанных с космическим аппаратом осей координат, в момент достижения порога отпускания прекращают вычисление расчетного угла и увеличивают его на величину угла торможения при вращении солнечной батареи в направлении увеличения расчетного угла или уменьшают на эту же величину при вращении в противоположном направлении, при этом в случае изменения значения датчика угла в момент пересечения границы дискретных секторов расчетному углу присваивают угловое значение целого числа дискретных секторов датчика угла, содержащихся в расчетном угле, увеличенное на половину сектора, задают пороговое значение времени контроля большим отношения максимальной суммарной угловой величины последовательно расположенных дискретных секторов, которым соответствуют одинаковые фиксированные значения датчика угла, к разности между расчетной угловой скоростью и максимальным отклонением расчетной угловой скорости от фактической, и меньшим отношения дискретного сектора датчика угла к удвоенной величине максимально возможного отклонения расчетной угловой скорости солнечной батареи от фактической, во время вращения солнечной батареи осуществляют отсчет времени коррекции расчетного угла, обнуляют время коррекции перед началом управления при смене направления вращения, а также в момент изменения значений датчика угла, формируют сигнал отказа, если время коррекции расчетного угла достигает или превышает пороговое значение времени контроля.

Описание изобретения к патенту

Способ управления положением солнечной батареи (СБ) относится к космической технике, а именно к системам электроснабжения космических аппаратов (КА), и может быть применен при управлении положением СБ спутников, орбитальных станций и других КА.

Современные КА могут функционировать на орбите Земли несколько лет, при этом в течение всего этого времени требуется обеспечивать их бортовые системы электроэнергией. Как правило, электроснабжение бортовых систем КА осуществляется при помощи солнечных батарей. Величина тока, вырабатываемого СБ, зависит от ориентации плоскости ее рабочей поверхности относительно Солнца.

В процессе полета КА для обеспечения тока, достаточного для функционирования его бортовых систем, требуется периодически ориентировать СБ относительно направления на Солнце. Для эффективного управления положением СБ используют бортовые автоматические системы управления (БАСУ), которые управляют устройствами поворота СБ, выполненными на базе электромеханических приводов (ЭМП) с закрепленными на их выходном валу датчиками. В состав БАСУ входят бортовые вычислительные машины, в которых реализуются алгоритмы управления системы управления движением (СУД) и алгоритмы управления положением СБ. Алгоритмы СУД осуществляют прием, обработку информации от датчиков, определяющих направление на Солнце относительно корпуса КА, и формируют заданный угол поворота СБ. Алгоритмы управления положением СБ по информации от датчиков, установленных на выходном валу ЭМП СБ, определяют текущее угловое положение СБ относительно корпуса КА, осуществляют сравнение с заданным углом поворота и формируют команды на вращение и прекращение вращения СБ для уменьшения рассогласования между ними. Как правило, для измерения текущего углового положения СБ, используют датчик угла, выполненный в виде круга 360°, разбитого на равные дискретные угловые сектора, каждому из которых соответствует определенный код.

Наиболее близким техническим решением является способ управления положением СБ, заключающийся в том, что определяют установившуюся угловую скорость СБ, разбивают датчик угла с кругом 360° на равные дискретные сектора, определяют угловое положение проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ относительно связанных с КА осей координат, вычисляют расчетный угол СБ как произведение угловой скорости на время ее вращения, определяют угол разгона как величину изменения углового положения нормали от момента выдачи команды на вращение до момента достижения установившейся угловой скорости, определяют угол торможения как величину изменения углового положения упомянутой нормали от момента выдачи команды на прекращение вращения до полного прекращения вращения, принимают угол разгона равным углу торможения, задают порог срабатывания, при достижении которого формируется рассогласование между заданным и расчетным углами, задают порог отпускания, при достижении которого прекращается рассогласование между заданным и расчетным углами СБ, менее порога срабатывания, осуществляют вращение СБ в направлении уменьшения рассогласования по кратчайшему пути между заданным и расчетным углами [1].

Недостатком известного способа управления является необходимость постоянного измерения фактического углового положения СБ для корректировки ее расчетного углового положения в моменты изменения показаний датчика угла на величину одного дискретного сектора. При частичных отказах датчика угла, либо при нарушениях в линиях связи полученная в результате измерения информация углового положения СБ, передаваемая от датчика угла в БАСУ, может не соответствовать фактическому угловому положению СБ, то есть формироваться с ошибкой.

В случае корректировки расчетного угла по указанному ошибочному значению происходит неправильная ориентация СБ относительно Солнца и, как следствие, снижение формируемого ею тока. Ошибочная информация об угловом положении СБ может возникать по следующим причинам:

- при отказах части измерительных или выходных элементов датчика угла СБ;

- при обрывах или коротких замыканиях части линий связи между датчиком угла и БАСУ;

- при отказах части приемных элементов в БАСУ.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и живучести системы управления СБ путем сохранения правильной ориентации рабочей поверхности СБ относительно Солнца в случае отказов, обусловленных ошибочными значениями измеренных угловых положений СБ.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе управления положением СБ КА, заключающемся в том, что определяют установившуюся угловую скорость СБ, разбивают датчик угла с кругом 360° на равные дискретные сектора, определяют угловое положение проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ относительно связанных с КА осей координат, вычисляют расчетный угол СБ как произведение угловой скорости на время ее вращения, определяют угол разгона как величину изменения углового положения нормали от момента выдачи команды на вращение до момента достижения установившейся угловой скорости, определяют угол торможения как величину изменения углового положения упомянутой нормали от момента выдачи команды на прекращение вращения до полного прекращения вращения, принимают угол разгона равным углу торможения, задают порог срабатывания, при достижении которого формируется рассогласование между заданным и расчетным углами, задают порог отпускания, при достижении которого прекращается рассогласование между заданным и расчетным углами СБ, менее порога срабатывания, осуществляют вращение СБ в направлении уменьшения рассогласования по кратчайшему пути между заданным и расчетным углами, дополнительно принимают установившуюся угловую скорость СБ в качестве расчетной, превышающей на порядок и более угловую скорость вращения КА вокруг Земли, задают максимальное отклонение расчетной угловой скорости от фактической на порядок и менее угловой скорости вращения СБ, принимают порог отпускания равным углу торможения, за начальное угловое положение нормали к рабочей поверхности СБ принимают угол, при котором положение указанной нормали совпадает с угловым положением биссектрисы начального дискретного сектора датчика угла, причем биссектрисе нулевого сектора датчика угла соответствует нулевое угловое положение вышеуказанной проекции единичного вектора, каждому дискретному сектору датчика угла присваивают произвольный код, не связанный с угловым положением СБ, задают дискретный сектор датчика угла более удвоенной суммы углов разгона и торможения, при этом максимальная суммарная угловая величина последовательно расположенных дискретных секторов с одинаковыми значениями _MAX не должна превышать величины

,

где _СБ - расчетная угловая скорость вращения СБ,

_СБ - максимальное отклонение расчетной угловой скорости от фактической,

- величина дискретного сектора датчика угла,

задают шаг изменения заданного угла, кратный величине дискретного сектора датчика угла, при этом

,

где _отп - порог отпускания,

_ш - шаг изменения заданного угла,

I_MIN - задаваемый минимально допустимый ток,

I_MAX - максимально возможный ток,

задают порог срабатывания не более половины шага изменения заданного угла, устанавливают СБ в положение, при котором нормаль к ее рабочей поверхности совпадает с угловым положением биссектрисы одного из дискретных секторов датчика угла, при этом расчетному углу задают значение, соответствующее положению этой нормали, вычисляют заданный угол, как угловую величину целого числа шагов в угловом положении единичного вектора направления на Солнце относительно связанных с КА осей координат, в момент достижения порога отпускания прекращают вычисление расчетного угла и увеличивают его на величину угла торможения при вращении СБ в направлении увеличения расчетного угла или уменьшают на эту же величину при вращении в противоположном направлении, при этом в случае изменения значения датчика угла в момент пересечения границы дискретных секторов расчетному углу присваивают угловое значение целого числа дискретных секторов датчика угла, содержащихся в расчетном угле, увеличенное на половину сектора, задают пороговое значение времени контроля более отношения максимальной суммарной угловой величины последовательно расположенных дискретных секторов, которым соответствуют одинаковые фиксированные значения датчика угла, к разности между расчетной угловой скоростью и максимальным отклонением расчетной угловой скорости от фактической, и менее отношения дискретного сектора датчика угла к удвоенной величине максимально возможного отклонения расчетной угловой скорости СБ от фактической, во время вращения СБ осуществляют отсчет времени коррекции расчетного угла, обнуляют время коррекции перед началом управления, при смене направления вращения, а также в момент изменения значений датчика угла, формируют сигнал отказа, если время коррекции расчетного угла достигает или превышает пороговое значение времени контроля.

На фиг.1 представлено положение КА на орбите Земли, на фиг.2 - круг вращения СБ, разбитый на дискретные сектора, на фиг.3 - графики изменения во времени формируемого СБ тока, а также заданного, расчетного, фактического углов СБ и углового положения проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ относительно связанных с КА осей координат.

Способ управления положением солнечной батареи космического аппарата при частичных отказах датчика угла реализуется в три этапа:

- этап подготовки к управлению СБ;

- этап начальной установки СБ;

- этап управления СБ.

На этапе подготовки к управлению СБ определяют максимально возможный ток I_MAX, который может формировать СБ при полете КА по заданной орбите и заданной ориентации КА, а также величину минимального тока I_MIN, достаточного для электроснабжения бортовых систем, который должна вырабатывать СБ. Известно, что с достаточной степенью точности ток, формируемый СБ, можно определить как величину отклонения текущего углового положения СБ, соответствующего угловому положению нормали к рабочей поверхности СБ, от заданного углового положения СБ, соответствующего угловому положению проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения этой нормали. Таким образом, ток I_СБ, формируемый СБ, с достаточной степенью точности определяется уравнением:

где I_MAX - максимально возможный ток, формируемый СБ при полете КА по заданной орбите и заданной ориентации КА;

_Ф - фактическое угловое положение СБ относительно связанных с КА осей координат;

_ЗАД - заданный угол СБ относительно связанных с КА осей координат.

Величина минимально допустимого тока СБ ограничивается, как правило, требованиями к обеспечению бортовых систем КА электроэнергией. В связи с этим величина максимально допустимого углового отклонения _MAX нормали к рабочей поверхности СБ от заданного направления, учитывая уравнение (1), определяется неравенством:

где I_MIN - задаваемый минимально допустимый ток.

Управление положением СБ осуществляют по алгоритмам, заложенным в БАСУ, которые определяют величину угла рассогласования между заданным и расчетным угловым положением СБ. При наличии указанного рассогласования алгоритмы формируют команды на вращение СБ по или против часовой стрелки, а при отсутствии рассогласования - на прекращение ее вращения. Заданный угол определяется алгоритмами СУД. Команды управления, формируемые БАСУ, поступают в устройство поворота СБ. Информация об угловом положении СБ поступает от датчика угла СБ в БАСУ в виде кодов.

В наземных условиях, по паспортным данным на ЭМП СБ, входящего в состав устройства поворота СБ, а также по результатам эксперимента на стендах реального оборудования, определяют установившуюся угловую скорость вращения выходного вала ЭМП, которую принимают в качестве расчетной угловой скорости СБ. Кроме того, по паспортным данным на ЭМП определяют величину максимального отклонения фактической угловой скорости СБ от расчетной, а также углы разгона и торможения.

В составе системы управления положением СБ используют ЭМП с расчетной угловой скоростью вращения СБ, на порядок и более превышающей угловую скорость вращения КА вокруг Земли:

где _СБ - расчетная угловая скорость вращения СБ;

_О - орбитальная угловая скорость вращения КА вокруг Земли.

Кроме того, выбирают ЭМП с величиной максимального отклонения фактической угловой скорости СБ на порядок и менее от расчетной угловой скорости, то есть:

где _СБ - максимальное отклонение фактической угловой скорости СБ от расчетной.

Принимают, что увеличение фактической угловой скорости СБ от нулевого до расчетного, то есть до установившегося значения, после выдачи команды на вращение СБ осуществляется линейно и равномерно, при этом угол разгона СБ можно определить, как площадь треугольника:

где _РАЗГ - угол разгона СБ;

t _HP - момент начала разгона СБ;

t_OP - момент окончания разгона СБ.

Аналогично принимают, что уменьшение угловой скорости от расчетного, то есть установившегося, до нулевого значения после выдачи команды на прекращение вращения СБ осуществляется также линейно и равномерно, при этом угол торможения СБ можно определить, как площадь треугольника:

где _ТОРМ - угол торможения СБ;

t _HT - момент начала торможения СБ;

t _OT - момент окончания торможения СБ.

Кроме того, на этапе подготовки к управлению СБ задают порог срабатывания _СР, при достижении которого формируется рассогласование между заданным _ЗАД и расчетным _СБ углами СБ, а также порог отпускания _ОТП менее порога срабатывания _СР, при достижении которого прекращается рассогласование между заданным и расчетным углами СБ. Принимают углы разгона _РАЗГ, торможения _ТОРМ и порог отпускания _ОТП равными величинами. Для определения углового положения нормали к рабочей поверхности СБ относительно связанных с КА осей координат используют датчик угла, установленный на валу ЭМП СБ, измеряющий угловое положение СБ с точностью до углового сектора. Датчик угла представляет собой круг 360°, разбитый на равные дискретные угловые сектора, величина одного дискретного сектора датчика угла составляет величину:

где - величина дискретного сектора датчика угла;

n - количество дискретных секторов датчика угла.

При этом величина дискретного сектора датчика угла должна быть в диапазоне:

где _РАЗГ - угол разгона СБ;

_ТОРМ - угол торможения СБ.

Как правило, величина дискретного сектора датчика угла для различных типов датчиков может изменяться в диапазоне 6° 90°.

Датчик угла устанавливают и закрепляют на выходном валу ЭМП таким образом, чтобы биссектриса его начального дискретного сектора совпадала с начальным угловым положением нормали к рабочей поверхности СБ относительно связанных с КА осей координат. При этом биссектрисе нулевого сектора датчика угла должно соответствовать нулевое угловое значение положения проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ. Каждому дискретному сектору датчика угла ставят в соответствие произвольный код, который формируется датчиком угла.

Максимальная суммарная угловая величина последовательно расположенных дискретных секторов датчика угла с одинаковыми значениями формируемых ими кодов от номера i до номера j не должна превышать величины:

где _MAX - максимальная суммарная угловая величина последовательно расположенных дискретных секторов датчика угла, которым соответствуют одинаковые значения;

i, j - номера секторов.

Задают шаг изменения заданного угла в диапазоне:

где _Ш - шаг изменения заданного угла;

_ОТП - порог отпускания;

I _MIN - задаваемый минимально допустимый ток;

I_MAX - максимально возможный ток.

При этом шаг изменения заданного угла должен быть кратным дискретному сектору датчика угла, то есть:

где k - коэффициент кратности, целое число, более 0.

Задают порог срабатывания _СР в диапазоне:

Устанавливают пороговое значение времени контроля в диапазоне:

где t_ПОР - пороговое значение времени контроля.

На этапе начальной установки ориентируют СБ таким образом, чтобы нормаль к ее рабочей поверхности совпадала с угловым положением биссектрисы начального дискретного сектора датчика угла. После ориентации расчетному углу СБ задают угловое значение, соответствующее начальному положению нормали:

где _СБ - расчетный угол СБ;

_НСБ - начальное положение нормали к рабочей поверхности СБ.

На этапе управления СБ, например, при помощи астродатчиков по алгоритмам СУД определяют угловое положение проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ относительно связанных с КА осей координат, затем вычисляют заданный угол, как произведение шага изменения заданного угла и округленного в сторону увеличения до целой величины отношения углового положения указанного единичного вектора к величине шага изменения заданного угла, то есть:

где _ЗАД - заданный угол СБ относительно связанных с КА осей координат;

_НС - угловое положение проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ относительно связанных с КА осей координат.

В процессе управления БАСУ формирует соответствующую команду на вращение в направлении уменьшения рассогласования по кратчайшему пути между заданным и расчетным углами СБ в случае рассогласования между ними более порога срабатывания, то есть при:

где _ЗАД - заданный угол;

_СР - порог срабатывания.

Во время вращения осуществляется вычисление расчетного угла СБ _СБ, как произведения ее расчетной угловой скорости вращения _СБ на время вращения, то есть:

где t - время вращения СБ.

Кроме того, во время вращения контролируют момент достижения рассогласования между расчетным и заданным углами СБ порога отпускания, в момент достижения которого формируют команду на прекращение вращения СБ. После этого осуществляется плавное уменьшение угловой скорости вращения СБ от расчетного до нулевого значения. СБ разворачивается при этом на угол торможения, равный углу отпускания, то есть:

где _ТОРМ - угол торможения.

В момент достижения указанными углами порога отпускания прекращают вычисление расчетного угла СБ и увеличивают его на величину угла торможения при вращении СБ в направлении увеличения расчетного угла, то есть:

при этом если ( _СБО+ _ТОРМ) 360°, то _СБ=( _СБО+ _ТОРМ-360°),

где _СБО - значение расчетного углового положения СБ на момент достижения порога отпускания.

При вращении СБ в противоположном направлении уменьшают расчетный угол на величину угла торможения, то есть:

при этом если ( _СБО+ _ТОРМ)<0°, то _СБО=( _СБО- _ТОРМ+360°).

Если в момент пересечения границы между дискретными секторами датчика угла его значения изменяются, расчетному углу СБ _СБ присваивают угловое значение угла коррекции, вычисляемого, как сумма половины дискретного сектора датчика угла и произведения дискретного сектора датчика угла на округленное до целой величины в сторону увеличения отношение текущего углового положения СБ _СБТ к дискретному сектору датчика угла , то есть:

Во время вращения СБ осуществляют отсчет времени коррекции расчетного угла. Обнуляют время коррекции перед началом управления, при смене направления вращения, а также в момент изменения значений датчика угла. Формируют сигнал отказа, если время коррекции расчетного угла достигает или превышает пороговое значение времени контроля t_ПОР (13), то есть при:

где t_К - текущее значение времени коррекции.

На фиг.1 представлено положение космического аппарата на орбите Земли, где:

1 - Земля;

2 - круговая орбита КА;

3 - корпус КА (условное изображение);

4 - панель СБ;

5 - излучение от Солнца;

6 - теневой участок орбиты;

7 - датчик угла с дискретными секторами;

N_ПНС - проекция единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ относительно связанных с КА осей координат;

N_СБ - нормаль к рабочей поверхности СБ;

X, Y, Z - связанные с КА оси координат:

X - ось КА по каналу рыскания (на фиг.1 развернута на 180° относительно направления на Солнце и направлена к центру Земли),

Y - ось КА по каналу крена,

Z - ось КА по каналу тангажа;

X_СБ, Y _СБ, Z_СБ - связанные с СБ оси координат:

X_СБ - ось СБ по каналу рыскания (на фиг.1 развернута на 180° относительно направления на Солнце и направлена к центру Земли),

Y_СБ - ось СБ по каналу крена,

Z_СБ - ось СБ по каналу тангажа;

_О - орбитальная угловая скорость вращения КА вокруг Земли;

_КА - угловая скорость вращения КА вокруг оси Z,

_СБ - расчетная угловая скорость вращения СБ.

КА вращается вокруг Земли 1 по стационарной орбите 2 с орбитальной угловой скоростью вращения _O. Ось Y направлена по касательной к орбите 2, при этом КА вращается относительно оси Z с угловой скоростью _КА, равной орбитальной _O. При помощи средств управления движением КА осуществляется ориентация оси Х по направлению к центру Земли 1. Направление излучения Солнца 5, относительно связанных с КА осей координат (X, Y, Z), постоянно изменяется, при этом с помощью алгоритмов СУД используя, например, информацию от астродатчиков, либо солнечных датчиков, определяют угловое положение проекции единичного вектора на Солнце N_ПНС на плоскость вращения нормали N_СБ к рабочей поверхности СБ. Положениям нормали к рабочей поверхности СБ N_СБ относительно оси Х соответствует фактическое угловое значение, которое определяется с точностью до дискретного сектора датчика угла 7. При достижении угла рассогласования между расчетным и заданным углами более порога срабатывания СБ 4 начинает вращаться относительно корпуса 3 КА вокруг оси Z _СБ связанных с ней осей координат, параллельной оси Z КА до достижения порога отпускания. Во время полета по орбите 2 КА периодически попадает в теневой участок орбиты 6, в котором ток, вырабатываемый СБ, имеет нулевое значение.

На фиг.2 представлен круг вращения СБ, разбитый на дискретные сектора, где:

8 - круг вращения нормали N _СБ к рабочей поверхности СБ;

9 - середина начального дискретного сектора датчика угла, соответствующая начальному угловому значению заданного угла;

10, 11, 12, 13, 14 - дискретные сектора датчика угла;

15 - центр круга 8;

₁, ₂, ₃, ₄, ₅ - угловые положения биссектрис соответствующих дискретных секторов 10, 11, 12, 13, 14 датчика угла;

₁₂, ₂₃, ₃₄, ₄₅ - угловые положения границ дискретных секторов датчика угла;

(i), (i+1), (i+2) - номера шагов изменения заданного угла;

_ЗАД(i), _ЗАД(i+1), _ЗАД(i+2) - заданные угловые положения СБ на соответствующих шагах изменения заданного угла;

_Ф(i), _Ф(i+1), _Ф(i+2) - фактические угловые положения СБ на соответствующих шагах изменения заданного угла;

_i, _i+1, _i+2 - углы рассогласования между заданным _ЗАД и фактическим _Ф угловым положением СБ на (i), (i+1), (i+2) шагах изменения заданного угла;

- величина дискретного сектора датчика угла;

_СБ - расчетная угловая скорость вращения СБ;

_Ш - шаг изменения заданного угла.

Круг вращения СБ 8 разбит на n равных дискретных секторов величиной . Каждому из них соответствует произвольное значение кода, формируемое датчиком угла. Во время полета КА по орбите СБ периодически вращается с угловой скоростью _СБ, направленной по часовой стрелке относительно центра 15 круга вращения 8, при этом датчик угла формирует коды, соответствующие дискретным секторам датчика угла в зависимости от угловых положений СБ, причем каждому дискретному сектору датчика угла присваивают произвольный код, не связанный с угловым положением СБ.

Положение проекции единичного вектора направления на Солнце (N_ПНС, фиг.1) относительно связанных с КА осей координат изменяется непрерывно, при этом соответствующие заданные углы _ЗАД(i), _ЗАД(i+1), _ЗАД(i+2) изменяются дискретно, на величину шага изменения заданного угла _Ш, кратного величине углового сектора датчика угла . Вращение СБ начинается в моменты достижения рассогласования между заданным и расчетным углами СБ величины не менее шага изменения заданного угла _Ш.

В рассматриваемом случае шаг изменения заданного угла _Ш равен удвоенной величине углового сектора, то есть _Ш=2· . На шагах (i), (i+1), (i+2) заданные углы принимают значения _ЗАД(i), _ЗАД(i+1), _ЗАД(i+2), совпадающие с угловыми значениями ₁, ₃, ₅, биссектрис соответствующих секторов 10, 12 и 14 датчика угла.

Начальный заданный угол _ЗАД(i) на i-том шаге изменения заданного угла совпадает с биссектрисой начального дискретного сектора 10 датчика угла, имеющего угловое значение ₁, и с начальным фактическим угловым положением СБ _Ф(i), то есть _ЗАД(i)= ₁= _Ф(i), при этом угловое рассогласование между заданным углом и фактическим угловым положением СБ отсутствует, то есть _i=0.

В приведенном примере коды, формируемые датчиком угла, соответствующие секторам 11, 12, 13, совпадают между собой и отличаются от значений кодов, соответствующих секторам 10 и 14. Таким образом, во время вращения СБ коды, формируемые датчиком угла, изменяются на границах секторов 10 и 11, а также 13 и 14, соответствующих угловым положениям ₁₂ и ₄₅, а на границах секторов, соответствующих угловым положениям ₂₃, ₃₄, указанные коды остаются неизменными.

В момент изменения заданного угла на величину шага изменения заданного угла, то есть при _ЗАД(i+1)=( _ЗАД(i)+ _Ш), рассогласование между заданным и расчетным углами достигает порога срабатывания и СБ 8 из положения _Ф(i) начинает вращаться с угловой скоростью _СБ до достижения фактического положения _Ф(i+1) с рассогласованием по отношению к заданному углу _(i+1)=| _Ф(i+1)- _ЗАД(i+1)|.

В момент изменения заданного угла на величину нового шага изменения заданного угла, то есть при _ЗАД(i+2)=( _ЗАД(i+1)+ _Ш), рассогласование между заданным и расчетным углами вновь достигает порога срабатывания и СБ 8 из положения _Ф(i+1) начинает вращаться с угловой скоростью _СБ до достижения положения _Ф(i+2) с рассогласованием по отношению к заданному углу _(i+2)=| _Ф(i+2)- _ЗАД(i+2)|.

Во время вращения СБ вычисляют расчетный угол, как произведение расчетной угловой скорости на время вращения, а также, при любых изменениях кодов датчика угла: в приведенном примере на границах секторов 10 и 11, а также секторов 13 и 14, соответствующих угловым положениям ₁₂ и ₄₅, осуществляется коррекция расчетного угла, которому присваивают угловое значение целого числа дискретных секторов датчика угла, содержащихся в расчетном угле, увеличенное на половину сектора (см. формулу 21).

На фиг.3 представлены графики изменения во времени углового положения проекции единичного вектора направления на Солнце, заданного, расчетного и фактического углового положения СБ, а также формируемого ею тока, где:

_ПНС - угловое положение проекции единичного вектора направления на Солнце относительно связанных с КА осей координат;

_ЗАД - заданный угол СБ относительно связанных с КА осей координат;

_СБ - расчетный угол СБ;

_Ф - фактическое угловое положение СБ относительно связанных с КА осей координат;

I_СБ - ток, формируемый СБ;

I_MIN - задаваемый минимально допустимый ток, формируемый СБ;

I _MAX - максимально возможный ток, формируемый СБ;

₁, ₂, ₃, ₄, ₅ - угловые положения биссектрис соответствующих дискретных секторов 10, 11, 12, 13, 14 датчика угла;

₁₂, ₂₃, ₃₄, ₄₅ - угловые положения границ дискретных секторов датчика угла;

(i), (i+1), (i+2) - номера шагов изменения заданного угла;

_ЗАД(i), _ЗАД(i+1), _ЗАД(i+2) - заданные угловые положения СБ на соответствующих шагах изменения заданного угла;

_(i), _(i+1), _(i+2) - фактические угловые положения СБ на соответствующих шагах изменения заданного угла;

_i, _i+1, _i+2 - углы рассогласования между расчетным и фактическим угловым положением СБ на соответствующих шагах изменения заданного угла;

- угловая величина дискретного сектора датчика угла;

_Ш - шаг изменения заданного угла;

₁, ₂ - углы, на которые корректируются расчетные угловые положения СБ;

t₁-t₈ - моменты изменения состояний СБ:

t₁ , t₆ - моменты начала вращения СБ при рассогласовании;

t₄, t₈ - моменты окончания вращения СБ при прекращении рассогласования;

t₂, t₇ - моменты коррекции расчетного угла;

t₃, t₅, t₇ - моменты формирования максимального значения тока СБ.

На графике представлено линейное изменение углового положения проекции единичного вектора направления на Солнце относительно связанных с КА осей координат _ПНС, при этом заданный угол _ЗАД изменяется дискретно на угловые величины, равные шагу изменения заданного угла _Ш, который соответствует удвоенной величине дискретного сектора датчика угла, то есть _Ш=2· . Таким образом, заданный угол _ЗАД принимает значения, соответствующие положениям биссектрис секторов круга вращения СБ ₁, ₃, ₅. В диапазоне времени t₀<t t₁ рассогласование между фактическим и заданным углами СБ отсутствует, то есть _(i)=| _ЗАД(i)- _Ф(i)|=0.

В момент времени t ₁, после достижения рассогласования между заданным _ЗАД и расчетным _СБ углами СБ на величину шага изменения заданного угла _Ш, СБ начинает вращение от углового значения _Ф(i). Расчетная угловая скорость СБ может отличаться от фактической на величину не более максимального отклонения фактической угловой скорости СБ от расчетной (см. формулу 4), из-за чего к моменту t₂ пересечения границы секторов ₁₂, рассогласование между расчетным и фактическим углами СБ достигает величины ₁. В момент t₂ пересечения границы секторов ₁₂ происходит изменение значения датчика угла, при этом расчетному углу СБ присваивают угловое значение, вычисленное в соответствии с формулой (21).

Далее, в момент времени t₃ происходит совпадение фактического положения нормали к рабочей поверхности СБ с направлением на Солнце, то есть _Ф= _ПНС, при этом ток, формируемый СБ I_СБ , достигает максимально возможного значения, то есть I_СБ =I_MAX. Вращение СБ продолжается, при этом в момент пересечения границы дискретных секторов, при угловом значении ₂₃ коррекция расчетного угла _СБ не производится, так как код, формируемый датчиком угла, не меняется.

В момент времени t₄ СБ прекращает вращение и достигает положения _Ф(i+1), при этом расчетный угол _СБ совпадает с заданным _ЗАД, а рассогласование фактического углового положения СБ относительно заданного угла достигает величины _(i+1)=| _ЗАД(i+1)- _Ф(i+1)|.

Далее КА продолжает изменять свое положение относительно направления на Солнце, при этом СБ не вращается, так как порог срабатывания не достигнут. В момент t₅ ток СБ вновь достигает максимального значения I_СБ=I_MAX.

В момент времени t₆, после достижения нового рассогласования между заданным и расчетным углами СБ, на величину шага изменения заданного угла _Ш, СБ начинает вращение от углового значения _Ф(i+1). Поскольку расчетная угловая скорость СБ отличается от фактической, то к моменту t₇ пересечения границы секторов ₄₅ рассогласование между расчетным и фактическим углами СБ достигает величины ₂. При пересечении границы секторов ₄₅ расчетный угол не корректируется, так как коды, формируемые датчиком угла, не меняются.

В момент t₄₅ пересечения границы секторов ₄₅ происходит изменение кода, формируемого датчиком угла, при этом расчетному углу СБ присваивают угловое значение угла коррекции, вычисляемого в соответствии с формулой (21).

В момент времени t₈ СБ прекращает вращение и достигает положения _Ф(i+2), при этом рассогласование фактического углового положения СБ относительно заданного угла составляет _(i+2)=| _ЗАД(i+2)- _Ф(i+2)|, а расчетное и заданное угловые положения СБ совпадают.

Предлагаемый способ управления положением СБ позволяет:

- увеличить живучесть системы за счет обеспечения управления положением СБ при наличии отказов в датчике, определяющем угловое положение СБ;

- повысить надежность системы управления СБ, так как в процессе управления СБ для коррекции расчетного угла можно использовать более простые датчики, определяющие только границы секторов, без определения положения выходного вала ЭМП СБ.

Источники информации:

1. Патент РФ RU 2356788 C1, B64C 1/00, 28.12.2007 г.