Lageregelung 2 - LBR - WS 0708.pdf - Institut für Raumfahrtsysteme ...
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Universität<br />
Stuttgart<br />
Vorlesungsübersicht<br />
<strong>Lageregelung</strong> (Regelung der Drehbewegung)<br />
• Die allgemeine Bewegung des starren Körpers<br />
• <strong>Lageregelung</strong>ssystem (Störmomente, Lagemessung, Stellglieder)<br />
• Stabilität der Drehbewegung<br />
• Passive Stabilisierungsmethoden<br />
• Drallstabilisierung<br />
• Drei-Achsen-<strong>Lageregelung</strong><br />
Bahnregelung (Regelung der Translationsbewegung)<br />
• Translationsbewegung, Transferbahnen und Bahnelemente<br />
• Störungsrechnung und Umwelteinflüsse<br />
• Methoden der Positions- und Bahnbestimmung<br />
• Positionsregelung geostationärer Satelliten<br />
• Antriebssysteme<br />
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Genauigkeitsanforderungen<br />
einiger<br />
Missionen<br />
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Genauigkeitsanforderungen an die Lageorientierung Europäischer Satelliten (ESA)<br />
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Ausrichtungsgenauigkeit – Trends (ESA)<br />
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GEO<br />
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Störmomente (Übersicht)<br />
Äußere Störeinflüsse bedingt durch Umwelteinflüsse<br />
• Gravitation (Erde, Himmelskörper)<br />
• Restatmosphäre (höhenabhängig,
Wechselwirkung von Triebwerksgasen mit Strukturteilen<br />
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Beispiel eigeninduzierter<br />
Störmomente<br />
(DFVLR Nachrichten, Heft 55, 1988)<br />
Typischer Störmomentenwert<br />
<strong>für</strong> Satelliten:<br />
M St = 10 -5 ... 10 -4 Nm<br />
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Das Gravitationsmoment (1)<br />
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R ²<br />
R ²<br />
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Das Gravitationsmoment (2)<br />
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Das Gravitationsmoment (3)<br />
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Wiederholung - Transformationsmatrix T or<br />
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Das Gravitationsmoment (4)<br />
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Weitere Definitionen von Störmomenten<br />
Aerodynamisches Moment (höhenabhängig)<br />
Solares Strahlungsdruckmoment<br />
Elektromagnetisches Störmoment<br />
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Erdmagnetfeld (1)<br />
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Erdmagnetfeld (2)<br />
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Stuttgart<br />
Lagemessung (Übersicht)<br />
Die Bestimmung der Winkellage erfolgt stets bordautonom mittels<br />
Sensoren (nur in Sonderfällen mit Bodenunterstützung)<br />
Sensorwahl beeinflußt<br />
• Genauigkeit der <strong>Lageregelung</strong><br />
• Stellsystemfestlegung (z.B. Schubniveau)<br />
• Stabilitätsverhalten des Gesamtsystems<br />
• Treibstoffverbrauch (und damit die Lebensdauer)<br />
Sensorarten<br />
• Inertialgeräte<br />
• optische Meßglieder<br />
• sonstige Sensoren (Magnetometer, Peilantennen, Ionensensoren, ...)<br />
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Bsp.: CHAMP<br />
Mission: Start 15. Juli 2000, 5 Jahre, 450 x 300 km , i = 87.3°, m = 522 kg, geowiss.<br />
Grundlagenforschung, verwendet inertiale Sensoren, optische Sensoren, GPS, ...<br />
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Inertialgeräte<br />
Nutzen das Beharrungsbestreben von Prüfmassen und Rotoren aus. (Beachte:<br />
Eigendynamik; nicht-lineares Verhalten, Meßfehler)<br />
Meßglieder:<br />
• Beschleunigungsmesser<br />
• Wendekreisel ( Messung einer Winkelgeschwindigkeit)<br />
• Lagekreisel ( Referenzrichtung)<br />
• Lagereferenz-Plattform ( Winkellage)<br />
• Trägheits-Plattform ( Winkellage, Beschleunigungsvektor)<br />
Vorteil: Kreiselsensoren ermöglichen hohe Flexibilität<br />
Nachteil: vergleichsweise komplex; begrenzte Lebensdauer; Kreiseldrift<br />
(Erfordert ggf. optische Stützung zur Kalibrierung bzw. Kompensation)<br />
Einsatz: Kurzzeitmissionen (Trägeraufstieg, Transferorbit, Mittkurs-Korrekturen,<br />
Planeten-Landung) sowie bei hohen Flexibilitätsanforderungen an<br />
Ausrichtung (Beobachtungssatelliten, Astronomie-Satelliten)<br />
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Modell eines einachsigen<br />
Beschleunigungsmessers<br />
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Beschleunigungsmesser (1)<br />
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Fehler eines<br />
Beschleunigungsmessers<br />
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Beschleunigungsmesser (2)<br />
Eingangsgröße: Beschleunigung b<br />
Ausgangsgröße: Auslenkung x a<br />
Dämpfungskraft<br />
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Federkraft<br />
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Beschleunigungsmesser (3)<br />
Dämpfungsgrad ζ<br />
Fälle: ζ > 1 überkritische Dämpfung, aperiodischer Verlauf<br />
ζ = 1 kritische Dämpfung, aperiodischer Grenzfall<br />
ζ < 1 unterkritische Dämpfung, gedämpfte Schwingunen<br />
ζ = 0 ungedämpfte Schwingungen<br />
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FK-Drehung ω verursacht Moment um OA und<br />
damit Auslenkung β proportional zu ω.<br />
Wendekreisel (2 Freiheitsgrade)<br />
Messung einer<br />
Winkelgeschwindigkeit<br />
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Kreiselgeräte (1)<br />
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Lagekreisel (3 Freiheitsgrade)<br />
Messung zweier<br />
Winkelgeschwindigkeiten<br />
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Inertialplattform<br />
Kreiselgeräte (2)<br />
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Inertialplattform<br />
(mit Wendekreiseln<br />
stabilisierte Plattform)<br />
Messung dreier<br />
Winkelgeschwindigkeiten<br />
und dreier Lagewinkel<br />
Beschleunigungsmesser<br />
erlauben zudem Messung<br />
von Beschleunigungen<br />
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Stuttgart<br />
Kreiselgeräte (3)<br />
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Stützung der Inertialplattform<br />
durch optischen Sensor zur<br />
Erhöhung der Meßgenauigkeit<br />
Erlaubt Bestimmung von<br />
Orientierung und Position (!)<br />
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Kreiselgeräte (4)<br />
Faseroptischer Kreisel - Hauptelemente<br />
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Mikrosensoren<br />
Rockwell Collins: 3 Quartz-Gyros und<br />
3 Quartz-Beschleunigungsmesser<br />
AlliedSignal INS: Vibrations Gyros und<br />
Beschleunigungsmesser in Chipgröße<br />
(Anwendung derzeit primär in der Luftfahrt)<br />
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Optische Meßglieder (1)<br />
Die eindeutige Bestimmung der räumlichen Winkellage erfordert<br />
mindestens zwei Richtungsmessungen.<br />
Meßglieder<br />
• Sonnensensoren ( Sonnenrichtung; Grob- und Feinsensoren)<br />
• Erdsensoren ( Erdrichtung)<br />
- Albedostrahlung: reflektiertes Sonnenlicht; sehr irregulär<br />
(in Schattenphasen nicht geeignet)<br />
- Infrarotstrahlung: Wärmestrahlung der 250-300 K „heißen“ Erde<br />
vor kaltem Raumhintergrund 4 K (auch in Schattenphase)<br />
Meßprinzipien: dynamisch bzw. statisch<br />
• Sternsensoren ( Richtung zu einem Stern)<br />
z.B. Canopus, Stern in Nähe des Süd-Ekliptik-Pols daher gute Roll-Referenzrichtung,<br />
da Winkel SONNE-FK-Canopus stets nahe 90°)<br />
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Optische Meßglieder (2)<br />
Einsatzdomäne: Langzeitmissionen<br />
• Unterschiedliche Sensoren<br />
in unterschiedlichen Missionsphasen<br />
(variable Bahnhöhen<br />
und Sichtbereiche)<br />
• Redundanz aus Zuverlässigkeitsgründen<br />
Beispiel INTELSAT V<br />
• 2 Erdsensoren <strong>für</strong> die Transferphase<br />
• 4 Sonnensensoren <strong>für</strong> den Transferorbit<br />
• 2 IR-Erdsensoren <strong>für</strong> den geostationären Orbit (GEO)<br />
• 4 Sonnen-Feinsensoren <strong>für</strong> die GEO-Betriebsphase<br />
Strietzel, Skarns: „Lagesensorik – Einsatzbereiche, Lösungen, Entwicklungstendenzen“<br />
(DGLR-JT98-164); Schröter: „Entwicklung von Sonnensensoren“ (DGLR-JT98-165)<br />
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Stuttgart<br />
Meßprinzipien analoger Sonnensensoren (1)<br />
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Stuttgart<br />
Meßprinzipien analoger Sonnensensoren (2)<br />
~ 0.5° ~ 0.02°<br />
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Kennlinie eines analogen Sonnensensors (schematisch)<br />
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Spaltsensor (Prinzipskizze)<br />
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Schneidende Meßebenen zweier Spaltsensoren (V-Sensor)<br />
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INTELSAT VI<br />
Erdsensor-Anordnung<br />
(Hughes)<br />
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Erdsensor<br />
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Detektorreihen<br />
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Meßprinzipien statischer Erdsensoren<br />
Zweiachsige Sensorkonzepte<br />
Ausrichtungsfehler proportional<br />
den Unsymmetrien in den<br />
Sensorsignalen 1 und 2<br />
(analog hierzu senkr. Ebene)<br />
IR-Sensor<br />
Richtungsfehler bestimmt durch<br />
Differenzbildung der<br />
Detektorausgänge in zwei<br />
zueinander senkrechten Ebenen<br />
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Auslegung abhängig von Bahnhöhe<br />
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Meßprinzipien dynamischer Erdsensoren<br />
• Zweiachsige Horizont-Sensorkonzepte <strong>für</strong> nicht rotierende Satelliten<br />
mit einem oder zwei Detektorelementen<br />
• Hauptbestandteile: Scanmechanismus, Optik (Linsen, Filter),<br />
Detektorelemente, Elektronikeinheit<br />
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CCD-Matrixdetector (Meßprinzip)<br />
• Bestimmung von Lagewinkel<br />
und Winkelgeschwindigkeit<br />
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Überblick optischer Sensoren zur Lagemessung<br />
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Lagebestimmung mittels GPS<br />
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Erstmalige Erprobung 1994<br />
auf CRISTA-SPAS (DASA)<br />
während STS-66 Mission<br />
erreichte Genauigkeit: 0.1°<br />
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Vorlesungstermine<br />
25.10.2007 9:45 – 11:15 und 11:30 – 13:00<br />
08.11.2007 9:45 – 11:15 und 11:30 – 13:00<br />
22.11.2007 9:45 – 11:15 und 11:30 – 13:00<br />
06.12.2007 9:45 – 11:15 und 11:30 – 13:00<br />
20.12.2007 9:45 – 11:15 und 11:30 – 13:00<br />
10.01.2008 9:45 – 11:15 und 11:30 – 13:00<br />
24.01.2008 9:45 – 11:15 und 11:30 – 13:00<br />
07.02.2008 9:45 – 11:15 und 11:30 – 13:00<br />
Änderungen werden rechtzeitig angekündigt (in Vorlesung und im Web)<br />
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