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

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 солнечных батарей спутников, космических станций и других КА.
Современные КА могут функционировать на орбите Земли в течение нескольких лет, и в течение всего этого времени требуется обеспечивать его бортовые системы электроэнергией. Электроснабжение КА осуществляется при помощи солнечных батарей. Величина тока, вырабатываемого солнечной батареей (СБ), зависит от ориентации плоскости рабочей поверхности СБ относительно Солнца. Для эффективной работы СБ используют автоматические системы управления, в состав которых входят устройства поворота СБ, выполненные на базе электромеханических приводов с закрепленными на выходном валу датчиками, а также бортовые вычислительные машины, в которых реализуются алгоритмы управления положением СБ. Автоматические системы управления на основе информации от датчика определяют угловое положение СБ относительно корпуса КА, осуществляют его сравнение с заданным направлением поворота, поступающим из системы управления движением (СУД), формируют команды на вращение и прекращение вращения СБ.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ управления положением СБ, включающий определение заданного углового положения солнечной батареи относительно связанных с космическим аппаратом осей координат, как положения проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения солнечной батареи, и измерение углового положения нормали к рабочей поверхности солнечной батареи в плоскости вращения солнечной батареи с точностью до дискретного углового сектора датчика угла относительно связанных с космическим аппаратом осей координат [1].
Недостатками известного способа управления положением СБ является невысокая точность установки рабочей поверхности СБ относительно заданного направления, зависящая от величины дискретного сектора датчика угла, а также возможность неправильной ориентации СБ в случае появления отказов, связанных с нарушениями в цепях датчика угла СБ.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей способа управления СБ за счет повышения точности установки углового положения СБ относительно заданного угла, а также обеспечение возможности управления положением СБ при отказах или сбоях датчика угла.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе управления положением солнечной батареи космического аппарата, включающем определение заданного углового положения солнечной батареи относительно связанных с космическим аппаратом осей координат, как положения проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения солнечной батареи, и измерение углового положения нормали к рабочей поверхности солнечной батареи в плоскости вращения солнечной батареи с точностью до дискретного углового сектора датчика угла относительно связанных с космическим аппаратом осей координат, дополнительно определяют угловую скорость солнечной батареи, вычисляют расчетный угол относительно измеренного углового значения последней по времени пересеченной границы между двумя соседними дискретными секторами датчика угла, как произведение угловой скорости солнечной батареи на время вращения, вращают солнечную батарею в направлении уменьшения рассогласования между заданным и расчетным углом, определяют угол разгона солнечной батареи, как угловую величину отклонения нормали к рабочей поверхности солнечной батареи относительно связанных с космическим аппаратом осей координат, от момента начала вращения при рассогласовании до достижения фиксированной угловой скорости, определяют угол торможения, как угловую величину отклонения нормали к рабочей поверхности солнечной батареи относительно связанных с космическим аппаратом осей координат от момента прекращения рассогласования между заданным и расчетным углом до момента окончания вращения, корректируют расчетный угол по измеренному угловому положению нормали к рабочей поверхности солнечной батареи в моменты изменения значений датчика угла на величину одного дискретного сектора, задают порог срабатывания, при превышении которого формируется рассогласование между заданным и расчетным углом, как
ср
где α - порог срабатывания,
разб
α - угол разбега солнечной батареи,
торм
α - угол торможения солнечной батареи,
min
I - задаваемый минимально-допустимый ток, вырабатываемый солнечной батареей для питания бортовой аппаратуры космического аппарата,
max
I - максимально-возможный ток, вырабатываемый при совпадении нормали к рабочей поверхности солнечной батареи и проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения солнечной батареи, задают порог отпускания, менее которого прекращается рассогласование между заданным и расчетным углом солнечной батареи, как
отп
торм
ср
α≈α, если α≥σ,
отп
ср
α≈0, если α<σ,
где σ - величина дискретного углового сектора датчика угла,
отп
α - порог отпускания,
дополнительно прекращают вращение солнечной батареи, если рассогласование между заданным и расчетным углом начинает увеличиваться, но не превышает порога срабатывания.
На фиг.1 представлена циклограмма изменения угловой скорости СБ при разгоне, достижении фиксированной угловой скорости и при торможении СБ, на фиг.2 представлены циклограммы управления положением СБ предлагаемым способом.
Предложенный способ управления положением солнечной батареи космического аппарата реализуется следующим образом.
Управление положением СБ осуществляют по алгоритмам, заложенным в бортовые вычислительные машины автоматической системы управления КА, которые определяют величину угла рассогласования между заданным и расчетным угловым положением СБ и формируют команды на вращение по или против часовой стрелки, либо на прекращение вращения СБ. Заданный угол определяется алгоритмами системы управления движением (СУД).
Команды, сформированные алгоритмами, из бортовой вычислительной машины через устройство сопряжения поступают в устройство поворота СБ.
Задают порог срабатывания, при превышении которого формируется рассогласование между заданным и расчетным углом, как
ср
где α - порог срабатывания,
разб
α - угол разбега солнечной батареи,
торм
α - угол торможения солнечной батареи,
min
I - задаваемый минимально-допустимый ток, вырабатываемый солнечной батареей для питания бортовой аппаратуры космического аппарата,
max
I - максимально-возможный ток, вырабатываемый при совпадении нормали к рабочей поверхности солнечной батареи и проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения солнечной батареи.
Задают порог отпускания менее порога срабатывания, при котором прекращается рассогласование между заданным и расчетным углом солнечной батареи, как
где σ - величина дискретного углового сектора датчика угла,
отп
α - порог отпускания.
Перед началом управления СБ, в наземных условиях, по паспортным данным электромеханического привода СБ, входящего в состав устройства поворота СБ, а также по результатам эксперимента на стендах реального оборудования, определяют угловую скорость вращения СБ, а также углы разбега и торможения.
При превышении рассогласования между заданным и расчетным углом порога срабатывания, после формирования команды на начало вращения СБ в течение времени разгона вала электромеханического привода СБ происходит плавное увеличение угловой скорости СБ от нулевого до фиксированного значения.
В момент достижения рассогласования менее порога отпускания формируется команда на прекращение вращения СБ, при этом осуществляется плавное уменьшение угловой скорости вращения СБ от фиксированного до нулевого значения, при этом наблюдается поворот вала электромеханического привода на угол торможения.
На фиг.1 представлена циклограмма изменения угловой скорости вращения ω СБ от времени t при разгоне, достижении фиксированной угловой скорости и при торможении СБ, где
ф
ω - фиксированная угловая скорость вращения СБ;
1
t - момент начала вращения СБ;
2
t - момент достижения СБ фиксированной угловой скорости;
3
t - момент начала торможения СБ;
4
t- момент прекращения вращения СБ.
1
2
2
3
ф
3
4
В момент времени t, при рассогласовании между заданным и расчетным угловым положением СБ более порога срабатывания, формируется команда на вращение СБ и начинается разгон СБ, при этом угловая скорость вращения СБ увеличивается от нулевого до фиксированного значения в момент t. От момента t до момента tнаблюдается вращение СБ с фиксированной угловой скоростью ω. В момент времени t, при рассогласовании между заданным и расчетным угловым положением СБ менее порога отпускания, формируется команда на прекращение вращения СБ и начинается торможение СБ, которое заканчивается в момент t при значении угловой скорости, равном нулю, то есть при ω=0.
1
2
Принимают, что увеличение угловой скорости от момента t до момента t осуществляется линейно и равномерно, при этом угол разгона СБ от нулевой до фиксированной скорости можно определить как площадь треугольника
разг
где α - угол разгона солнечной батареи;
ф
ω - фиксированная угловая скорость вращения СБ.
3
4
Аналогично принимают, что уменьшение угловой скорости от момента t до момента t осуществляется также линейно и равномерно, при этом угол торможения СБ можно определить как площадь треугольника
торм
где α - угол торможения солнечной батареи.
Датчик угла, установленный на валу электромеханического привода СБ, представляет собой круг, разбитый на равные дискретные угловые сектора, при этом величина одного дискретного углового сектора составляет величину
где σ - величина одного дискретного углового сектора датчика угла;
n - количество дискретных угловых секторов датчика угла.
Величина дискретного углового сектора датчика угла σ для различных типов датчиков может изменяться в пределах:
2°≤σ≤90°.
При изменении углового положения нормали к рабочей поверхности СБ относительно корпуса КА датчик угла формирует значение, соответствующее j-тому номеру дискретного углового сектора, причем j=0…(n-1). Каждому j-тому дискретному угловому сектору датчика угла однозначно соответствует фиксированный диапазон углов. Таким образом, в процессе управления СБ фактическое угловое положение нормали к рабочей поверхности СБ относительно корпуса КА при j>0 находится в интервале углов от минимальной величины j-того дискретного углового сектора датчика угла, определяемой выражением
до максимальной величины, определяемой выражением
причем при j=0
minj
где α - минимальное значение фактического угла для j-того дискретного углового сектора датчика угла,
maxj
α - максимальное значение фактического угла для j-того дискретного углового сектора датчика угла.
В моменты пересечения границы соседних угловых секторов датчика угла измеренное угловое положение СБ совпадает с фактическим.
Таким образом, фактическое угловое положение нормали к рабочей поверхности СБ всегда находится в диапазонах углов
minj
фj
maxj
α≤α≤α, при n>j>0,
фj
maxj
фj
minj
α≤α и α≤(360°-α), при j=0,
при этом точки изменения дискретных угловых секторов датчика угла являются общими для соседних секторов, то есть
фj
minj
max(j-1)
α=α=α,
фj
maxj
min(j+1)
α=α=α,
фj
где α - фактическое угловое положение СБ, соответствующее положению нормали к рабочей поверхности СБ, расположенной в j-том дискретном угловом секторе датчика угла.
В известном способе управления положением СБ, с целью снабжения бортовой аппаратуры КА электроэнергией, осуществляют определение заданного угла относительно связанных с КА осей координат, как положения проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения СБ, одновременно производят измерение в плоскости вращения СБ относительно связанных с КА осей координат углового положения нормали к рабочей поверхности СБ с точностью до дискретного углового сектора датчика угла.
Предлагаемый способ отличается от известного тем, что дополнительно, с целью повышения точности управления, а также повышения живучести системы управления СБ, перед запуском КА по паспортным данным устройства поворота СБ или по результатам эксперимента на стендах реального оборудования определяют угловую скорость вращения СБ, угол разгона от момента начала рассогласования, совпадающего с моментом выдачи команды на вращение СБ, а также угол торможения от момента прекращения рассогласования, совпадающего с моментом выдачи команды на прекращение вращения СБ. Одновременно задают пороги срабатывания и отпускания.
При появлении рассогласования между заданным и расчетным углом более порога срабатывания в процессе управления осуществляют вращение солнечной батареи в направлении его уменьшения до достижения порога отпускания.
После формирования команды на вращение СБ запоминают заданное направление вращения, при этом
знв
- U=0, в случае выдачи команды на вращение в сторону увеличения расчетного угла,
знв
- U=1, в случае выдачи команды на вращение в сторону уменьшения расчетного угла,
знв
где U - сигнал заданного направления вращения СБ.
В начале управления, поскольку исходное положение нормали к рабочей поверхности СБ известно, запомненному углу, углу коррекции и расчетному углу присваивают значение измеренного угла, то есть при i=1
зап
k(i)
расч
изм
α(i)=α=α=α,
где i - порядковый номер присвоения, при этом i=1…m;
изм
α - измеренное значение угла;
зап(i)
α - i-тое запомненное значение угла;
k(i)
α - i-тое значение угла коррекции;
расч
α - расчетный угол.
В процессе управления определяют разность между запомненным и измеренным значением датчика угла, то есть
где Δ - разность между запомненным и измеренным значением датчика угла.
знв
В случае выдачи команды на вращение СБ в направлении увеличения расчетного угла, то есть при U=0:
- если Δ=0, расчетный угол вычисляют по формуле
k(i)
ф
p
при этом, если (α+ω·t)>360°,
p
k(i)
ф
p
то α=(α+ω·t)-360°,
p
где t - время вращения от момента последней коррекции
расчетного угла;
- если Δ=σ или (360°-Δ)=σ и при наличии вращения СБ выполняется одно из условий (9) или (10), то есть при
и
зап(i)
изм
α-α>0° и
то:
k(i+1)
minj(j)
α=α,
зап(i+1)
где α - запомненное (i+1) значение измеренного угла.
В случае выдачи команды на вращение СБ в направлении уменьшения расчетного угла, то есть при
знв
U=1:
- если Δ=0, расчетный угол вычисляют по формуле
k(i)
ф
p
при этом, если (α-ω·t)<0°,
расч
k(i)
ф
p
то α=(α-ω·t)+360°;
- если Δ=σ или (360°-Δ)=σ и в процессе вращения СБ выполняется одно из условий (14) или (15), то есть при
зап(i)
изм
α-α>0° и
зап(i)
изм
α-α<0° и
то выполняют (12), (13):
k(i+1)
maxj
α=α,
при этом:
Известно, что с достаточной степенью точности ток, формируемый СБ, можно определить отношением [1, стр.17-18]:
max
з
ф
I=I·cos(α-α),
где I - ток, формируемый СБ;
ф
α - фактическое угловое положение СБ;
з
α - заданный угол.
Таким образом, рассогласование между заданным и фактическим углом определяется формулой
Учитывая выражение (17), в соответствии с выражением (1) задают порог срабатывания, который определяет величину максимального отклонения положения нормали к рабочей поверхности СБ относительно корпуса КА от заданного угла. При превышении порога срабатывания формируется сигнал рассогласования между заданным и расчетным углом в соответствии с формулой (1). Обычно порог срабатывания задается в диапазоне значений:
ср
6°≤α≤24°,
что соответствует току, формируемому СБ, в диапазоне значений:
max
max
0,91 I≤ I ≤ 0,99 I.
Учитывая условия (2), задают порог отпускания, менее которого прекращается формирование рассогласования между заданным и определенным угловым положением СБ.
В процессе управления определяют величину и направление рассогласования между заданным и текущим углом, при этом команду на вращение СБ формируют при достижении порога срабатывания в направлении уменьшения рассогласования между заданным и определенным угловым положением СБ с таким расчетом, чтобы вращение СБ осуществлялось по кратчайшему пути.
Формируют команду на вращение в сторону увеличения расчетного угла при одновременном выполнении условий (18), (19), (20) или условий (21), (22), (23):
Формируют команду на вращение в сторону уменьшения расчетного угла при одновременном выполнении условий (21), (19), (20) или условий (18), (22), (23).
Формируют команду на прекращение вращения СБ в случае достижения величины рассогласования между заданным и текущим расчетным угловым положением нормали к рабочей поверхности СБ менее порога отпускания, то есть при выполнении условия (24) или (25):
В случае, если во время вращения СБ величина рассогласования между заданным и расчетным углом начинает увеличиваться, например, по причине резкого изменения заданного угла при разворотах КА, но не превышает угловой величины порога срабатывания, то есть при
дополнительно формируют команду на прекращение вращения СБ в следующих случаях:
знв
- при U=0 и при выполнении условий (21) и (20), или при
выполнении условия (18) и (23),
знв
- при U=1 и при выполнении условий (18) и (20), или при выполнении условия (21) и (23).
3
p
изм
отп
ср
На фиг.2 представлена циклограмма управления положением СБ предлагаемым способом, где 1 - изменение заданного угла α положения СБ, 2 - изменение расчетного угла α положения СБ, 3 - изменение измеренного углового значения α датчика угла, 4 - порог отпускания α, 5 - порог срабатывания α, 6 - величина дискретного углового сектора датчика угла σ, α - угол, t - время.
В точках 7, 11, 15, при рассогласовании между заданным и расчетным углом более порога срабатывания, то есть при выполнении условия (17), СБ начинает вращение, при этом расчетный угол рассчитывается по формуле (8).
расч
изм
изм
В точках 8, 9, 12, 17, во время вращения СБ в сторону увеличения расчетного угла, происходит смена значений дискретных угловых секторов датчика угла на величину одного дискретного углового сектора, то есть выполняется условие (10). При этом осуществляется присвоение расчетному углу значения измеренного угла, то есть α=α. В точках 10 и 14 выполняется условие (22). Это означает, что рассогласование между заданным и расчетным углом достигло порога отпускания, при этом формируют команду на прекращение вращения и СБ прекращает вращение. От точки 13 до точки 16 в связи со сбоем или отказом датчика угла наблюдается резкое изменение значения измеренного угла α, при этом корректировок расчетного угла по измеренному значению датчика угла не производится.
В реальных условиях эксплуатации КА угловая скорость СБ может измениться по сравнению с расчетной из-за воздействия различных факторов, которые могут возникнуть при выведении КА на орбиту либо в процессе его эксплуатации. Например, на угловую скорость СБ могут повлиять деформация элементов конструкции КА, зацепы, мешающие равномерному движению СБ, износ подвижных частей устройства поворота СБ, воздействие излучений, температуры, вакуума, невесомости и других факторов. Предлагаемый способ позволяет осуществлять управление СБ при существенных отклонениях фактической угловой скорости от расчетной.
Таким образом, предлагаемый способ управления положением СБ позволяет:
- повысить точность управления положением солнечной батареи, соответственно, увеличить максимальный ток;
- осуществлять управление при неравномерной либо отличающейся от расчетной угловой скорости СБ;
- использовать датчики угла с большой угловой величиной дискретного сектора, например 90°, что упрощает конструкцию датчиков и, следовательно, повышает надежность системы управления СБ в целом;
- с аналогичным эффектом можно использовать привод с
низкой точностью отработки угла;
- повысить живучесть системы, так как при сбоях и отказах датчика угла сохраняется управление за счет использования информации расчетного угла.
Реализация данного способа позволяет повысить срок эксплуатации устройства поворота СБ, а следовательно, КА в целом.
Источники информации
1. Патент РФ 2242408, кл. В64С 1/44, 24.03.2003 г.