СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD OF CONTROLLING SPACE VEHICLE SOLAR BATTERY POSITION

Способ управления положением солнечной батареи относится к космической технике, а именно к системам электроснабжения космических аппаратов, и может быть применен при управлении положением солнечных батарей спутников, космических станций и других космических аппаратов (КА).
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ управления положением солнечной батареи, заключающийся в том, что измеряют текущее угловое положение солнечной батареи как направление нормали к рабочей поверхности солнечной батареи, с точностью до дискретного сектора датчика угла, определяют заданное направление как проекцию единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности солнечной батареи, при наличии рассогласования между заданным направлением и текущим угловым положением солнечной батареи формируют команды на вращение солнечной батареи по или против часовой стрелки относительно оси выходного вала устройства поворота солнечной батареи в направлении его уменьшения, а в случае отсутствия рассогласования формируют команды на прекращение вращения солнечной батареи [1, стр.19-20].
В процессе функционирования систем управления СБ возможно появление отказов, связанных с нарушениями в цепях управления и датчиков обратной связи, измеряющих текущее угловое положение СБ, что приводит, к неправильной ориентации СБ. С целью выявления таких нарушений требуется обеспечивать контроль изменения положения СБ во время вращения.
Недостатком известного способа является отсутствие контроля за исполнением команд управления вращением СБ, так как в процессе реализации известного способа возможно появление отказов, связанных с нарушениями в цепях управления или датчика угла, а также связанных с воздействием внешних факторов, вызывающих, например, замедление скорости вращения СБ за счет механического торможения.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей способа управления положением солнечной батареи путем введения контроля изменения углового положения солнечной батареи во время вращения.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе управления положением солнечной батареи космического аппарата, заключающемся в том, что измеряют текущее угловое положение солнечной батареи как направление нормали к рабочей поверхности солнечной батареи с точностью до дискретного сектора датчика угла, одновременно определяют заданное направление как проекцию единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности солнечной батареи, при наличии рассогласования между заданным направлением и текущим угловым положением солнечной батареи формируют команды на вращение солнечной батареи по или против часовой стрелки относительно оси выходного вала устройства поворота солнечной батареи в направлении его уменьшения, а в случае отсутствия рассогласования формируют команды на прекращение вращения солнечной батареи, дополнительно задают постоянную угловую скорость вращения выходного вала устройства поворота солнечной батареи, превышающую на порядок и более угловую скорость вращения космического аппарата вокруг Земли, определяют время и угол разгона солнечной батареи с момента выдачи команды на вращение до установившегося фиксированного значения угловой скорости солнечной батареи, определяют время и угол торможения солнечной батареи после момента выдачи команды на прекращение вращения до полной остановки солнечной батареи, задают пороговое значение угла отпускания менее угла 45 градусов и более или равным углу 0 градусов, задают пороговое значение угла срабатывания не менее суммы углов разгона и отпускания и не более угла 45 градусов, формируют сигнал рассогласования, если угол между заданным и текущим углами солнечной батареи превышает порог срабатывания, прекращают формирование сигнала рассогласования, если во время вращения солнечной батареи величина угла рассогласования достигает величины менее порога отпускания или равна углу 0 градусов или если знак угла рассогласования на момент начала вращения не совпадает со знаком рассогласования на момент окончания вращения и при этом угол рассогласования не превышает порога срабатывания, задают пороговое значение времени контроля как отношение одного дискретного сектора датчика угла к усредненной скорости вращения солнечной батареи при разгоне и торможении, отсчитывают текущее время контроля после выдачи команды на вращение солнечной батареи, прекращают отсчет текущего времени контроля после выдачи команды на прекращение вращения, по окончании времени торможения сбрасывают текущее время контроля в момент смены направления вращения, а также в момент пересечения границы между дискретными секторами датчика угла, формируют команду на прекращение вращения и сигнал отказа по управлению устройства поворота солнечной батареи при превышении текущим временем контроля порогового значения времени контроля.
Для обеспечения в полете систем КА электроэнергией используется солнечная батарея (СБ), управление положением которой осуществляется таким образом, чтобы нормаль к рабочей поверхности солнечной батареи имела минимальный угол по отношению к направлению на Солнце.
Управление положением СБ обеспечивается автоматической системой управления, в состав которой входит устройство поворота СБ, выполненное на базе электромеханического привода с закрепленным на выходном валу датчиком угла, блок управления и бортовая вычислительная машина.
Данный способ позволяет обнаруживать отказы и сбои в цепях управления положением солнечных батарей, а также датчиков угла, измеряющих положение солнечных батарей с точностью до дискретного углового сектора.
На фиг.1 представлено угловое положение нормали к рабочей поверхности СБ и проекция вектора заданного направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ относительно связанной с КА системы координат, на фиг.2 представлена циклограмма разгона и торможения выходного вала устройства поворота СБ при формировании команд на вращение и прекращение вращения СБ, на фиг.3 представлена циклограмма управления положением солнечной батареи.
Система управления положением СБ представляет собой бортовую вычислительную машину, формирующую управляющие команды в устройство поворота СБ и осуществляющую прием сигналов положения СБ. Устройство поворота СБ включает блок сопряжения и электромеханический привод с установленным на его валу датчиком угла СБ. Определение направления на Солнце и формирование заданного угла обеспечивается алгоритмами системы управления движением. Датчик угла, установленный на выходном валу устройства поворота СБ, представляет собой круг, разбитый на равные дискретные угловые сектора, при этом величина одного дискретного сектора составляет величину:
где σ - угловая величина одного дискретного сектора датчика угла;
n - количество дискретных секторов датчика угла в круге 360°.
При изменении углового положения СБ относительно корпуса КА датчик угла формирует код, соответствующий номеру дискретного углового сектора, каждому из которых однозначно соответствует интервал фактических угловых положений электромеханического привода СБ. Таким образом, учитывая (1), измеренное текущее угловое значение датчика угла изменяется дискретно и может быть представлено в виде:
ИЗМj
где α - текущее измеренное угловое положение СБ, формируемое датчиком угла при угловом положении в j-том секторе;
j - текущий номер дискретного сектора датчика угла, при этом j=0…n-1, где n - количество дискретных угловых секторов.
Предложенный способ управления положением солнечной батареи космического аппарата реализуется следующим образом.
ИЗМ
КА
СБ
Во время вращения СБ измеряют ее текущее угловое положение α относительно связанной с космическим аппаратом системы координат как направление нормали к рабочей поверхности СБ с точностью до дискретного сектора датчика угла. Определяют заданное направление как проекцию единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ относительно связанной с космическим аппаратом системы координат. Формируют в устройство поворота команды на вращение по или против часовой стрелки относительно оси выходного вала устройства поворота СБ при наличии сигнала рассогласования между заданным направлением и текущим угловым положением СБ. Формируют в устройство поворота команды на прекращение вращения СБ при отсутствии сигнала рассогласования между заданным направлением и текущим угловым положением. Определяют угловую скорость вращения космического аппарата вокруг Земли ω. Используют устройство поворота СБ с постоянной угловой скоростью вращения ω, на порядок и более превышающую угловую скорость вращения космического аппарата вокруг Земли:
,
СБ
где ω - фиксированная угловая скорость СБ;
КА
ω - фиксированная угловая скорость КА по орбите вокруг Земли.
p
р
СБ
Определяют время t разгона и угол α разгона СБ от момента выдачи команды на вращение в устройство поворота, соответственно как величины времени за которое и угла на который изменяется текущий угол СБ при увеличении угловой скорости СБ от нуля до установившегося фиксированного значения ω.
T
T
СБ
Определяют время t торможения и угол α торможения СБ от момента выдачи команды на прекращение вращения в устройство поворота, соответственно как величины времени за которое и угла на который изменяется текущий угол солнечной батареи при уменьшении угловой скорости от установившегося фиксированного значения ω до нуля.
Применяют для контроля вращения СБ датчик угла, закрепленный на оси выходного вала устройства поворота СБ, с равными дискретными угловыми секторами σ величиной более 0° и не более угла 90°, то есть:
0°<σ≤90°,
где σ - угловая величина одного дискретного сектора датчика угла.
Задают пороговое значение угла отпускания менее 45° и более или равного 0°:
ОТП
45°>α≥0°.
СР
При использовании датчика угла с максимально возможными дискретными угловыми секторами σ величиной 90° СБ может устанавливаться точно в фиксированные положения на границы дискретных угловых секторов датчика угла, кратные 90°, при этом сигнал рассогласования формируется при рассогласовании между заданным направлением и текущим угловым положением СБ более 45°, с учетом этого задают пороговое значение угла срабатывания α:
P
ОТП
СР
(α+α)≤α≤45°,
P
где α - угол разгона СБ;
ОПТ
α - порог отпускания СБ.
PAC
РАС
СР
Формируют сигнал рассогласования U, если угол между заданным и текущим углами СБ α превышает порог срабатывания α:
РАС
СР
α>α.
PAC
Прекращают формирование сигнала рассогласования U при выполнении одного из двух условий:
РАС
ОТП
первое, если во время вращения СБ величина угла рассогласования α достигает величины менее порога отпускания α или равна 0° и знак угла рассогласования на момент начала вращения совпадает со знаком угла рассогласования на момент окончания вращения, то есть:
РАС
где α - угол рассогласования между заданным и текущим углом СБ;
ОТП
α - порог отпускания;
РАСН
α - величина угла рассогласования между заданным и текущим углом СБ на момент начала вращения;
РАСО
α - величина угла рассогласования между заданным и текущим углом СБ на момент окончания вращения;
второе, если угол рассогласования на момент окончания вращения не превышает порога срабатывания и знак угла рассогласования на момент начала вращения не совпадает со знаком угла рассогласования на момент окончания вращения, то есть:
СР
где α - угол срабатывания.
УСБ
Определяют усредненную скорость вращения СБ ω при разгоне и торможении, как отношение суммы углов разгона и торможения к удвоенной сумме времен разгона и торможения, то есть:
,
УСБ
где ω - усредненная угловая скорость вращения СБ при разгоне и торможении;
P
α - угол разгона;
T
α - угол торможения;
P
t - время разгона;
T
t - время торможения.
K
УСБ
Определяют пороговое значение времени контроля t как отношение одного дискретного сектора датчика угла к усредненной скорости вращения СБ при разгоне и торможении ω, то есть:
,
K
где t - время контроля;
УСБ
ω - усредненная угловая скорость вращения СБ при разгоне и торможении.
K
ВР
ПВР
T
K
Отсчитывают время контроля t после выдачи команды на вращение СБ U, прекращают отсчет времени контроля после выдачи команды на прекращение вращения СБ U по окончании времени торможения t, сбрасывают время контроля СБ перед началом управления, в момент смены направления вращения, а также в момент пересечения границы между дискретными угловыми секторами, то есть t=0.
ПВР
ОТК
K
K
ПОР
Формируют команду на прекращение вращения СБ U и сигнал отказа по управлению устройства поворота солнечной батареи U при превышении текущим временем контроля t порогового значения времени контроля, то есть при t>t.
На фиг.1 представлено угловое положение нормали к рабочей поверхности СБ и проекция вектора заданного направления на Солнце относительно связанной с КА системы координат, где:
X, Y - оси рыскания и крена связанной системы координат КА;
СБ
ω - направление фиксированной угловой скорости вращения СБ относительно связанной с КА системы координат;
1 - круг вращения СБ;
2 - проекция рабочей поверхности СБ на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ;
3 - направление излучения Солнца;
4 - направление проекции вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ;
5 - вектор направления нормали к рабочей поверхности СБ;
6 - угловой сектор датчика угла;
7 - биссектриса углового сектора датчика угла.
На фиг.2 представлена циклограмма разгона и торможения выходного вала устройства поворота СБ при формировании команд на вращение и прекращение вращения СБ, где:
ВР
ПВР
ДВ
а), б), в) - графики временной зависимости команд управления соответственно на вращение СБ - U, на прекращение вращения СБ - U, сигнала движения СБ - U;
г) - график временной зависимости угловой скорости СБ - ω, где:
СБ
ω - фиксированная угловая скорость СБ;
T
t - время разгона;
T
t - время торможения.
СБ
СБ
СБ
В точке 8 формируется команда на вращение СБ, при этом в течение времени разгона от 8 до 9 точки осуществляется линейное увеличение угловой скорости СБ от 0 до фиксированного значения ω. От точки 9 до точки 10 угловая скорость СБ имеет фиксированное значение ω. В точке 10 формируется команда на прекращение вращения СБ и с точки 10 до точки 11 осуществляется линейное уменьшение угловой скорости СБ от фиксированного значения ω до 0. Изменения углового положения СБ за время разгона и торможения, например, при линейном изменении скорости, составляют соответственно:
;
,
P
где α - угол разгона;
T
α - угол торможения;
СБ
ω - фиксированная угловая скорость СБ;
P
t - время разгона;
T
t - время торможения.
ДВ
От точки 8 до точки 11 формируется сигнал движения U.
На фиг.3 представлены циклограммы управления положением солнечной батареи:
ДВ
д) - формирования сигнала движения СБ U;
ЗАД
ИЗМ
ФАКТ
е) - изменения заданного угла α (например, при маневрах КА на орбите), измеренного угла α и фактического углового положения СБ α в процессе управления положением СБ;
K
ж) - изменения времени контроля t в процессе управления положением СБ;
з) - изменения тока I, формируемого СБ;
ОТК
и) - формирования сигнала отказа U.
ЗАД
ФАКТ
СР
ДВ
ЗАД
ФАКТ
ОТП
ДВ
ЗАД
ФАКТ
ИЗМ
В точках 12, 13, 14, 15, 16 циклограммы д) при рассогласовании фактического и заданного угла более порога срабатывания, показанного на циклограмме е), то есть при |α-α|>α формируются команды на вращение СБ, при этом на циклограмме д) формируется сигнал наличия движения U, а в точках 17, 18, 19, 20, 21 при рассогласовании фактического и заданного угла менее порога отпускания, то есть при |α-α|<α - команды на прекращение вращения СБ, при этом U=0. На циклограмме е) показано изменение заданного α и фактического углового положения СБ α, а также изменение значения угла α.
K
K
ИЗМ
При наличии вращения на интервалах 12-17, 13-18, 14-19, 15-20, 16-21 значение времени контроля t изменяется, а в точках 22, 23 время контроля сбрасывается t=0, так как угол α изменяется на угловую величину одного дискретного сектора датчика угла σ.
MIN1
MAX
На циклограмме ж) представлено изменение тока I, формируемого СБ в процессе управления, при этом ток изменяется от минимального значения I в моменты начала вращения СБ и достигает максимального значения I в моменты прекращения вращения СБ.
K
На циклограмме з) представлено изменение времени контроля t в процессе управления СБ.
MIN2
K
ПОР
ОТК
В точке 21 ток, формируемый СБ, представленный на циклограмме ж) достигает минимально допустимого значения I, время контроля при этом достигает и превышает пороговое значение, то есть t>t, при этом на циклограмме и) формируется сигнал отказа U.
Предложенный способ позволяет своевременно обнаруживать отказы исполнения команд управления вращением СБ. В случае рассмотренного отказа система управления СБ может переключить управление СБ на резервный канал управления, если такой имеется. В случае отсутствия резервного канала управления СБ можно определить положение СБ относительно корпуса КА по величине тока, вырабатываемого СБ, путем изменения положения всего КА относительно Солнца. После этого разворот панели СБ в рабочее положение относительно заданного угла производить путем изменения положения всего КА, например, при помощи двигателей орбитального маневрирования.
Источники информации
1. Патент РФ 2242408, кл. B64G 1/44, 24.03.2003 г.