JP2001163299A - 宇宙船の姿勢制御を改善するとともにソーラアレイの回転外乱をキャンセルする宇宙船および付属物のステップ状動作方法 - Google Patents

宇宙船の姿勢制御を改善するとともにソーラアレイの回転外乱をキャンセルする宇宙船および付属物のステップ状動作方法

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JP2001163299A JP2000304923A JP2000304923A JP2001163299A JP 2001163299 A JP2001163299 A JP 2001163299A JP 2000304923 A JP2000304923 A JP 2000304923A JP 2000304923 A JP2000304923 A JP 2000304923A JP 2001163299 A JP2001163299 A JP 2001163299A
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カジミ ファティマ
Keith Reckdahl
レックドール キース
Riu Tan
リゥ タン
Yat Fai Leung
フェイ レン ヤ
Hyam John
ハイアム ジョン
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 宇宙船の姿勢制御を改善する。 【解決手段】 １つ以上の付属物のステップ状の移動
は、宇宙船１０本体に与えられる外乱を相殺するように
調節される。付属物ステップのタイミングは、周期的な
外乱が互いを実質的にキャンセルされるように位相調節
されたり、または外乱の大きさを減らすように位相調節
され、ソーラアレイ回転外乱もキャンセルする。また、
外乱トルクが誤差を生ずる前に、予測可能な外乱トルク
をキャンセルし、宇宙船１０の姿勢制御性能を改善す
る。又１つ以上の付属物を移動させているコントローラ
１５により本体に作用する外乱トルクを予測し、外乱ト
ルクをキャンセルするためにコントローラ１５にとって
必要なフィードフォワードトルクを算出し、本体に印加
される全体の制御トルクの計算にフィードフォワードト
ルクを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、宇宙船の姿勢制御
(spacecraft attitude pointing)方法に関し、特に、付
属物のステッピングやソーラアレイの回転外乱のキャン
セルによって生じる宇宙船の姿勢制御外乱を減らすため
に、複数の付属物をステップ状に移動させる宇宙船の姿
勢制御方法に関する。
【０００２】
【背景技術】３軸安定宇宙船として公知のクラスの宇宙
船は、宇宙船の電力を生成するためにソーラアレイを使
用する。ソーラアレイは、最大量の放射を吸収するため
に太陽に対して垂直な位置に維持される必要がある。ソ
ーラアレイは、太陽に対して垂直に保たれているので、
多くの場合、宇宙船が地球を中心とする軌道にて太陽に
対して定速で回転する間、ステッピングモータや適宜の
歯車列などのサーボ制御ステッピング機構が使用され
て、ソーラアレイを太陽に追従させている。直流モータ
等の他のタイプの姿勢制御機構は、制御が比較的困難な
ことがわかっており、また重量がある。しかし、理論的
に、サーボ制御直流モータは、振動を生成しない。ステ
ッパモータの使用が望ましい。何となれば、ステッパー
モータは制御が比較的簡単であり、信頼性があり、軽量
で、連続使用に適しているからである。
【０００３】ステッピングモータの使用に伴う主要な問
題のうちの１つは、可撓性を有するアレイを励振して、
振動が宇宙船内に誘起されることである。誘起された振
動は、高解像度光画像処理システム用のプラットフォー
ム等の、プラットフォームの絶対的な安定性が望まれた
りまたは必要とされる宇宙船では特に重大である。振動
によって、宇宙船の任意の慣性・検知可能動作が悪化す
ることがありえる。したがって、ステッパモータによっ
て生じた誘起振動の問題を解決することが求められてい
る。
【０００４】本発明の譲受人に譲渡された「アレイ励振
を最小にするソーラアレイステッピング」と題された米
国特許第４，８４３，２９４号は、宇宙船の姿勢制御を
改善する１の方向を開示する。米国特許第４，８４３，
２９４号に開示された方法は、各付属物の振動をキャン
セルするものである。このように、ソーラアレイ翼のス
テッピングは、個々の振動を最小にするように実行され
る。本発明は、米国特許第４，８４３，２９４号の教示
を改善したものである。
【０００５】より詳しくは、また、米国特許第４，８４
３，２９４号の教示によれば、ソーラアレイにて給電さ
れる宇宙船等の、ステッパモータを含む機構の機械的振
動は、１対のステップでのステップ移動の実行によって
減らされ最小になる。ステップ間の期間は、機構のねじ
れ振動の半周期と等しい。１対のステップの各々は、宇
宙船のソーラアレイ等の、移動すべき素子の一部の所望
の連続移動を維持するのに必要とされた間隔で繰り返さ
れる。ねじれ振動の周期の遅い変化と同様に不確実性を
考慮するために、１対のステップ間の間隔を変化させる
コマンドユニットが設けられている。
【０００６】さらに、ソーラアレイは、太陽を追跡し、
一方、衛星ペイロードは、地球を追跡する。これは、ソ
ーラアレイが宇宙船の本体に対して回転することを意味
する。回転の各ステップによって外乱が生じる。ソーラ
アレイが物理的に大きくなるにつれて、ソーラアレイの
回転によって生じる外乱も大きくなる。本発明の譲受人
によって開発された以前のシステムは、外乱を減らすフ
ィードバックに完全に依存していた。本発明は、現象の
仮定的な認識を行い（ソーラアレイステップ）、かかる
知識を使用して外乱を減らすものである。
【０００７】したがって、本発明の目的は、付属物のス
テッピングやソーラアレイの回転外乱の取消によって生
じる宇宙船の姿勢制御の外欄を減らすために複数の付属
品がステップ状に移動する宇宙船姿勢制御方法を提供す
るものである。
【０００８】
【発明の概要】上記及び他の目的を達成するために、本
発明は、複数の付属物（南北ソーラアレイ翼）をステッ
プ状に移動させる方法を提供する。本発明の方法は、ス
テップ状に移動する付属物によって生じる宇宙船の姿勢
制御の外乱を減らし、故に、宇宙船の姿勢制御を改善す
る。米国特許第４，８４３，２９４号に開示される方法
とは対照的に、本発明は、複数の付属物を使用して、宇
宙船本体振動への衝撃を相殺する。すなわち、特許第
４，８４３，２９４号において開示されたシステムは、
同一の付属物のステップ間の時間を制御するが、本発明
は、異なる付属物のステップ間の時間を制御する。本発
明は、同一の機構が２つの連続したステップを必要とし
ないときに効果的である。本発明は、複数の付属物がス
テップ状に移動する場合の宇宙船の姿勢制御を改善し、
地上からのコマンドを使用して軌道にある間に容易に最
適化される簡単な方法を提供する。
【０００９】南北ソーラアレイ翼は、太陽追跡に必要な
速度でステップ状に移動される。北および南ウイングス
テップの間の期間は、ソーラアレイ翼によって宇宙船本
体に作用する可撓性を呈する付属物の外乱を相殺するよ
うに選択される。相殺間隔は、太陽追跡のために必要な
ステップ速度未満である。このように、宇宙船の姿勢制
御は、各翼の太陽追跡速度の変化を必要とせずに改善さ
れる。また、第１および第２の付属物ステップの間のタ
イミングは、宇宙船が軌道にある間、ソーラアレイ翼の
可撓性特性の不確実性が容易に最適化されるように、地
上から命令される。
【００１０】このように、本発明は、宇宙船本体への複
合作用が最小になるように、ソーラアレイ翼の動作の位
相を調節する。１つの翼の動作のステップ状の移動は、
宇宙船本体の振動が最小になるように、第２の翼のステ
ップ状の移動に関して調節される。南北ソーラアレイ翼
の位相が調節される動作は、宇宙船本体の動作を最小と
するように組み合わせられる。このように、両方のソー
ラアレイ翼は振動するが、宇宙船本体は振動しない。こ
れによって、宇宙船の姿勢制御（アンテナ照準）の精度
が改善される。
【００１１】本発明は、宇宙船本体に作用するソーラア
レイの回転外乱をキャンセルする第２の方法も提供す
る。第２の方法は、宇宙船本体への外乱の大きさを減ら
す。この結果、ピッチの誤差が小さくなる。第２の方法
は、可撓性を呈する付属物のステップ状の動作により宇
宙船に作用する外乱トルクを予測し、外乱トルクが位置
決め誤差(pointing error)を生成する前に、宇宙船のア
クチュエータに外乱トルクを補償させる。このトルクは
比較的小さいので、現在の制御システムによって、外乱
トルクは、位置決め誤差を生成して、次にフィードバッ
ク制御で位置決め誤差をキャンセルする。しかし、本発
明は、外乱トルクが位置決め誤差を生ずる前に、予測可
能な外乱トルクをキャンセルして、宇宙船の姿勢制御性
能を改善する。
【００１２】本発明において、単語「フィードバック」
は、センサデータの処理によって制御信号を計算するこ
とを意味する。逆に、単語「フィードフォワード」は、
センサデータを使用せずに、制御信号を計算することを
意味する。例えば、本体が予測可能な外乱トルクにさら
される場合、外乱トルクが位置決め誤差になる前に、フ
ィードフォワード制御が適用されて、外乱トルクと大き
さが等しく且つ向きが反対の姿勢制御トルクを生成し
て、外乱トルクをキャンセルする。フィードフォワード
制御は、単独では使用されず、フィードバック制御をよ
り効果的にするために、フィードバック制御とともに使
用される。
【００１３】本発明は、連続的に太陽を追跡する大きな
ソーラアレイを有する地球静止軌道にある宇宙船ととも
に使用される。本発明は、ステップ状の励振によって導
かれる振動を最小にすることが望まれる装置とともに使
用される。
【００１４】
【好ましい実施例の記載】本発明のさまざまな特徴およ
び効果は、添付図面とともに以下の詳細な説明を参照す
ると容易に理解される。但し、類似の参照符号は、同様
な構造素子を指す。図面を参照する。図１は、本発明の
方法が使用される宇宙船１０を示す。宇宙船１０は、回
転自在な南北ソーラアレイ翼１２、１３が接続されてい
る本体１１からなる。ステッピングモータや適宜の歯車
列等のサーボ制御ステッピング機構１４が、南北ソーラ
アレイ翼１２、１３に接続されている。コントローラ
（ＣＯＮＴＲ）１５が、サーボ制御ステッピング機構１
４に接続されている。サーボ制御ステッピング機構１４
は、南北ソーラアレイ翼１２、１３を回転させるために
協動してこのソーラアレイ翼１２、１３を太陽に向け
る。南北ソーラアレイ翼１２、１３は、本発明によって
提供された方法でコントローラ１４を使用してステップ
状に回転させられる。
【００１５】一般に、南北ソーラアレイ翼１２、１３
は、太陽追跡に必要な速度で移動する。本発明の譲受人
により開発された前の設計は、宇宙船本体１１に対する
外乱を等間隔に設置するために、南北ウイングステップ
を等間隔に設置した。しかし、これは、宇宙船１０に対
する外乱を最小にしない。本発明は、南北ソーラアレイ
翼１２、１３によって宇宙船本体１１に与えられる可撓
性を呈する付属物の外乱を相殺する南北ウイングステッ
プ間の期間を提供するものである。尚、本発明にて使用
される言葉、「相殺する(deadbeat)」は、２つの周期的
信号の位相差を確実に１８０度にすることによって、２
つの信号を互いにキャンセルすることを意味する。２つ
の周期的信号の位相差を確実に１８０度にすることは、
符号を互いに逆にしてその和をゼロにすることである。
実際には、かかる完全な相殺は、不可能である。何とな
れば、位相および振幅がわずかに変化するからである。
相殺の実用的な定義は、２つの信号が実質的に互いをキ
ャンセルしあい、２つの信号の和の絶対値を減少させる
ことである。「相殺間隔」は、２つの信号間の遅延を指
す。この相殺間隔が信号周期の半分になるとき、２つの
次号の符号は互いに反対となり、２つの信号の和は実質
的にゼロになって、２つの信号は互いに相殺される。
【００１６】本発明によって、相殺(deadbeat)間隔や期
間は、太陽追跡に必要なステップ速度未満になる。この
ようにして、宇宙船の姿勢制御は、個々の翼１２、１３
の太陽追跡速度への変化を必要とせずに改善される。更
に、第１および第２の付属物のステップの間のタイミン
グは、地上から命令され、宇宙船１０が軌道にある間、
付属物（ソーラアレイ翼１２、１３）の可撓性の特性の
不確実性が容易に最適化される。
【００１７】図２を参照する。図２は、本発明の原理に
従ってソーラアレイ翼１２、１３を制御して太陽を追跡
する第１の方法２０の詳細を示す。方法２０は、本体１
１を有する宇宙船１０で使用される。本体１１に、サー
ボ制御ステッピング機構１４によって南北ソーラアレイ
翼１２、１３が接続され、コントローラ１５が、サーボ
制御ステッピング機構１４に接続されている。サーボ制
御ステッピング機構１４が使用されて、ソーラアレイ翼
１２、１３を回転させて、このアレイ翼を太陽に向けさ
せる。
【００１８】方法２０は、太陽追跡に必要な速度で南北
ソーラアレイ翼１２、１３を回転させ(ステップ２１)、
南北ウイングステップ間の期間や間隔は、南北ソーラア
レイ翼１２、１３によって宇宙船本体１１に与えられる
外乱を相殺するように選択される。このように、方法２
０を使用すると、付属物のステップが、周期的な外乱を
互いに実質的にキャンセルさせるように位相が調節され
るようにタイミングが採られ、または、周期的な外乱は
外乱そのものの大きさを減少させるために位相が調節さ
れるようにタイミングが採られる。
【００１９】図３を参照する。図３は、宇宙船本体１１
に作用するソーラアレイステッピング外乱をキャンセル
する、本発明の原理による第２の実施例の方法３０を示
す。制御則は、地球センサから現在のピッチ姿勢(θes)
を読み込み、(θbias)を減算する。バイアスは、センサ
の不正確さを補正したり、または、非天底照準(non-nad
ir pointing)を行うために使用される。この差は、誤差
信号と呼ばれ、ピッチ補償フィルタに供給される。ピッ
チ補償フィルタの出力がフィードバックトルク（ｕY）
である。全体の制御トルク（ｕYC）は、フィードバック
トルクｕＹをフィードフォワードトルク（ｆｆ）に加算
することによって算出される。但し、ｆｆは、ソーラア
レイステッピングによる予測される負の外乱トルクであ
る。次に、全体の制御トルク（ｕYC）は、反応ホイール
または他のアクチュエータに送られる。但し、ｕYCは、
ピッチの位置を制御するために宙船に印加されるべき全
体の制御トルクを示す。ｆｆ信号は、瞬間的に作用する
もので良く、宇宙船１０の周知の可撓性を呈する本体の
特性に基づいて適用される多項式やフーリエ解析を有す
る信号でもよい。
【００２０】本発明が、フィードフォワード項ｆｆを加
算してソーラアレイステッピングによる外乱トルクを補
償することによって、コントローラ性能を改善する間、
現在の制御システムが、制御のために単にフィードバッ
クトルクｕYを使用することに留意することが重要であ
る。最初は、ソーラアレイステッピング外乱用にフィー
ドフォワード項を含む必要があることは、この項が比較
的小さいために考えられなかった。しかし、かかるフィ
ードフォワード項を含むことは、フィードバック制御よ
りもより効果的に外乱をキャンセルする。さらに、この
項によって、制御システムはソーラアレイ周波数でのノ
イズ拒否を減らすことができ、他の周波数で改善された
ノイズ除去を可能とする。
【００２１】図３のコントローラ１４は、ピッチ補償フ
ィルタを使用する。
【００２２】
【数１】
【００２３】但し、ＫY、τY、ａ、ｂは、コントローラ
に所望のフィードバック反応を生じさせるために、制御
設計プロセスにおいて選択されたフィルタ定数である。
本発明は、フィードフォワード項の追加であることが重
要である。すなわち、本発明は、任意のフィードバック
コントローラで使用される。したがって、フィードバッ
ク補償フィルタは、異なる構造を有してもよいし、また
は、ロールトルクやヨートルク等の更なるセンサ入力部
や更なる出力部を有してもよい。さらに、制御則は、太
陽トルクや時間で変化する所望の姿勢を補償するため
に、更なるフィードフォワードトルク等の他の項を含ん
でもよい。
【００２４】図３の実施例は、ソーラアレイステッピン
グによるピッチ姿勢制御を含む。本発明は、また、他の
可撓性を呈する付属物をステップ状に移動させるために
使用されたり、また、他の宇宙船の軸を含むことができ
る。このように、ソーラアレイの回転外乱のキャンセル
や付属物のステッピングによって生じる宇宙船の姿勢制
御の外乱を減らすように複数の付属物をステップ状に移
動させる宇宙船の姿勢制御方法が、開示された。尚、上
記の実施例は、本発明の原理の適用例を示す多数の実施
例のいくつかの単なる例示である。当業者によって、多
数且つ他の構成が本発明の範囲内において容易に導出さ
れることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法が使用される宇宙船を示す。
【図２】太陽の追跡のために設けられたソーラアレイ翼
を制御する本発明の原理に従った方法の第１実施例を示
す。
【図３】ソーラアレイ回転外乱をキャンセルする本発明
の原理に従った方法の第２の実施例を示す。
【符号の説明】
１１ 本体 １２，１３ 南北ソーラアレイ翼 １４ サーボ制御ステッピング機構 １５ コントローラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キース レックドール アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94306 パロアルト エドリーアベニュー 256 (72)発明者 タン リゥ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94587 ユニオンシティ メダリオンドラ イブ 2364 (72)発明者 ヤ フェイ レン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94065 レッドウッドシティ トライデン トドライブ 461 (72)発明者 ジョン ハイアム アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94040 マウンテンビュー ロイドウェイ 1565

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 南北ソーラアレイ翼が接続されるととも
    に、前記ソーラアレイ翼に接続されてソーラアレイ翼を
    回転させて太陽に向けるために使用されるコントローラ
    を含む本体を有する宇宙船において使用される方法であ
    って、 コントローラにて実行される制御アルゴリズムを使用し
    て南北ソーラアレイ翼をステップ状に回転させて、南北
    ソーラアレイ翼を太陽追跡に必要な速度でステップさせ
    る行程を有し、南北ウイングステップ間の期間は、南北
    ソーラアレイ翼によって宇宙船本体に与えられる外乱を
    相殺するように選択されていることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 相殺間隔は、太陽追跡に必要なステップ
    速度未満であることを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 第１および第２のステップの間のタイミ
    ングは、宇宙船が軌道にある間、ソーラアレイ翼の可撓
    性の特性における不確実性が容易に最適化されるよう
    に、地上から制御可能であることを特徴とする請求項１
    記載の方法。
  4. 【請求項４】 第１および第２のステップの間のタイミ
    ングは、宇宙船が軌道にある間、ソーラアレイ翼の可撓
    性の特性における不確実性が容易に最適化されるよう
    に、地上から制御可能であることを特徴とする請求項２
    記載の方法。
  5. 【請求項５】 複数の可撓性を呈する付属物が接続され
    る本体と、前記付属物に接続されたコントローラとを有
    し、前記付属物が段階的に進むとき、前記付属物の各々
    が前記本体に周期的な外乱を与える宇宙船において、 付属物のステップを調節して前記宇宙船本体に与えられ
    る外乱を相殺する行程を含むことを特徴とする方法。
  6. 【請求項６】 周期的な外乱を互いに実質的にキャンセ
    ルするために位相が調整されるように付属物のステップ
    を調節する行程を含むことを特徴とする請求項５記載の
    方法。
  7. 【請求項７】 周期的な外乱の大きさを減少させるため
    に位相が調節されるように、付属物のステップを調節す
    る行程を含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
  8. 【請求項８】 可撓性の付属物が接続された本体と、可
    撓性の付属物を移動させる制御装置と、本体の姿勢を制
    御するために使用されるコントローラとを有する宇宙船
    において、 可撓性の付属物を移動させる制御装置により本体に作用
    する外乱トルクを予測する行程と、 外乱トルクをキャンセルするためにコントローラに必要
    なフィードフォワードトルクを算出する行程と、 本体に印加される全制御トルクの計算にフィードフォワ
    ードトルクを含む行程と、からなることを特徴とする方
    法。
  9. 【請求項９】 可撓性の付属物はソーラアレイ翼である
    ことを特徴とする請求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】 全制御トルクの計算は、 センサ出力から所望のセンサ出力を減算することによっ
    てセンサ誤差を算出する行程と、 姿勢補償フィルタへの入力としてセンサ誤差を使用し、
    前記姿勢補償フィルタの出力はフィードバック制御トル
    クとなる行程と、 フィードバック制御トルクにフィードフォワードトルク
    を加算することによって全制御トルクを算出する行程
    と、からなることを特徴とする請求項９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 フィードフォワードトルクは、衝撃で
    あることを特徴とする請求項９記載の方法。
  12. 【請求項１２】 フィードフォワードトルクは、宇宙船
    の周知の可撓性を呈する本体の特性に基づいて適用され
    る多項式によってモデル化されていることを特徴とする
    請求項９記載の方法。
  13. 【請求項１３】 フィードフォワードトルクは、宇宙船
    の周知の可撓性を呈する本体の特性に基づいて適用され
    るフーリエ解析によってモデル化されていることを特徴
    とする請求項９記載の方法。
  14. 【請求項１４】 本体と、 本体に接続された可撓性を呈する付属物であって、付属
    物が段階的に移動するときに本体に周期的な外乱を伝え
    る付属物と、 可撓性を呈する付属物に接続されて、付属物のステップ
    を調節して、宇宙船本体に作用する外乱を相殺するコン
    トローラと、からなることを特徴とする宇宙船。
  15. 【請求項１５】 コントローラは、周期的な外乱を互い
    に実質的にキャンセルするために位相が調節されるよう
    に可撓性を呈する付属物のステップを調節することを特
    徴とする請求項１４記載の宇宙船。
  16. 【請求項１６】 コントローラは、周期的な外乱の大き
    さを減少させるために位相を調節するように可撓性を呈
    する付属物のステップを調節することを特徴とする請求
    項１４記載の宇宙船。
  17. 【請求項１７】 コントローラは、 可撓性を呈する付属物を移動させているコントローラの
    ために本体に動作する外乱トルクを予測し、 外乱トルクをキャンセルするためにコントローラに必要
    なフィードフォワードトルクを算出し、 本体に印加される全制御トルクの計算にフィードフォワ
    ードトルクを含むことを特徴とする請求項１４記載の宇
    宙船。
  18. 【請求項１８】 コントローラは、 センサ出力から所望のセンサ出力を減算することによっ
    てセンサ誤差を算出し、 姿勢補償フィルタへの入力としてセンサ誤差を使用し、
    前記姿勢補償フィルタの出力はフィードバック制御トル
    クであり、 フィードバック制御トルクにフィードフォワードトルク
    を加算することによって全制御トルクを算出することに
    よって、 全制御トルクを算出することを特徴とする請求項１４記
    載の宇宙船。
JP2000304923A 1999-11-26 2000-10-04 宇宙船の姿勢制御を改善するとともにソーラアレイの回転外乱をキャンセルする宇宙船および付属物のステップ状動作方法 Pending JP2001163299A (ja)

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