JP2001206299A - 赤道面法線方向体安定型衛星及び傾斜軌道運用における制御方法 - Google Patents

赤道面法線方向体安定型衛星及び傾斜軌道運用における制御方法

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JP2001206299A
JP2001206299A JP2000378963A JP2000378963A JP2001206299A JP 2001206299 A JP2001206299 A JP 2001206299A JP 2000378963 A JP2000378963 A JP 2000378963A JP 2000378963 A JP2000378963 A JP 2000378963A JP 2001206299 A JP2001206299 A JP 2001206299A
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Andrew E Turner
イー. ターナー アンドリュー
David F Ford
エフ. フォード デイビッド
Jeffrey D Stoen
ディー. ストーン ジェフリー
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Loral Space Systems Inc
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】本発明は、制御方法と、傾斜軌道において稼働
する改良された赤道面法線方向体安定型衛星とを提供す
る。 【解決手段】制御方法は、搭載機器(通信アンテナ及び
観測機器)の方向制御と、該衛星10に配置されたソー
ラアレイ12の方向制御とを行う。該方法は、衛星の本
体11及びソーラアレイ12を単一軸、即ち衛星のピッ
チ軸14廻りおいて各々回転するように衛星を制御し
て、地球指向化搭載機器及び太陽指向化ソーラアンテナ
16を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の背景】本発明は、衛星及び衛星制御方法に関
し、特に、傾斜軌道において稼働する赤道面法線方向体
安定型衛星と、該衛星を制御する方法とに関する。本発
明の譲受人は、通信衛星即ち地球を周回する宇宙航行体
の製造及び配備を行っている。今迄に一定の衛星が地球
静止軌道即ち非傾斜軌道に打ち上げられ位置制御が行わ
れた。かかる地球静止軌道即ち非傾斜軌道において衛星
は、その搭載機器(通信アンテナ、観測機器)が地球を
向き、そのソーラアンテナが太陽に向くように制御され
る。衛星が地球静止赤道軌道即ち非傾斜軌道に位置制御
される場合、ピッチ軸である単一軸廻りに衛星の本体を
回転させることにより太陽方向を維持するように衛星が
制御される。このピッチ軸は軌道平面に対して法線方向
である。
【0002】しかし、傾斜軌道に位置制御された従来の
衛星に対する制御は、2つの軸即ちピッチ軸及びヨー軸
廻りに回転即ち旋回させて地球及び太陽方向の指向性を
維持する。これはヨー方向制御(steering)と呼ばれ
る。本発明の目的は、傾斜軌道において稼働する赤道面
法線方向体安定型衛星を提供することである。本発明の
他の目的は、衛星の本体及びソーラアレイが単一軸廻り
のみで回転制御され、地球指向化搭載機器及び太陽指向
化ソーラアレイを提供する、傾斜軌道において稼働する
赤道面法線方向体安定型衛星を提供することである。本
発明の他の目的は、大角の衛星回転の全てがピッチ軸廻
りに発生するようにして、最小の衛星回転で搭載機器の
指向化をなす改良された方法を提供することである。
【0003】
【発明の概要】本発明は、上記及び他の目的を達成する
ために、傾斜軌道において稼働する赤道面法線方向体安
定型衛星と、搭載機器(通信アンテナ及び観測機器)の
方向制御及び該衛星に配置されたソーラアレイの方向制
御に用いられる制御方法とを提供する。衛星の本体及び
ソーラアレイの各々が単一軸廻りに各々回転するように
衛星は制御され、地球指向化搭載機器及び太陽指向化ソ
ーラアレイが提供される。
【0004】特に、衛星の本体は、規格上北南方向に方
向付けされる衛星のピッチ軸廻りのみで回転制御され
る。ソーラアレイもまた衛星のピッチ軸廻りのみにおい
て回転制御される。本発明を用いることで、衛星の通信
搭載機器アンテナは、衛星の運動に起因する最小の回転
の変化を受ける足跡を地球表面上に有する。これは、ヨ
ー方向制御の1日間における0度から180度に至る角
度のヨー軸回転を行う従来のヨー方向制御衛星を改良す
るものである。
【0005】本発明を用いることにより、衛星通信搭載
機器アンテナの足跡は、高トラヒックを有する地理的小
領域の目標にスポットビームを合わせることを可能とし
つつ、軌道及び姿勢運動に起因する最小の回転の変化を
受ける。太陽に対する衛星の本体の姿勢運動もまた最小
化され、姿勢制御のために使用される太陽センサのレイ
アウトを単純化し、且つ、該ソーラアレイの回転を最小
化する。
【0006】本発明の多様な特徴及び利点は、添付の図
面と共に引き続く詳細な説明を参照することにより容易
に理解され得る。該図面において、同じ参照番号は同じ
構造要素を指定している。
【0007】
【実施例の詳細な説明】図1を参照すると、図1は、地
球18を廻る傾斜軌道19において稼働する本発明の原
理に従った例示的な赤道面法線方向体安定型衛星10の
ブロック図を示している。衛星10はピッチ軸14廻り
に回転する本体11を有し、通常、本体11はこれを通
る北南方向に沿って方向付けされる。衛星10は、地球
18を周回する時に地球18の赤道面18aに平行な面
内に常にあるヨー軸13を有する。衛星10のロール軸
15(図2)は、ヨー軸13及びピッチ軸14(図2)
の両方に対して法線方向をとり、軌道19を巡る衛星運
動の一般(general)方向を指向する。
【0008】本体11には、北及び南方向に沿って本体
11から伸長する2つのソーラアレイ12が取り付けら
れる。又、本体11にはアンテナ16のような搭載機器
16が取り付けられる。アンテナ16は、衛星10が北
半球にある時、ヨー軸13から下方に地球に向けて指向
する指向方向17を有する。アンテナ16は、衛星10
が南半球にある時、地球18から離れた方向を指向す
る。衛星10は、北半球にある時よりも南半球にある時
の方が地球18により近づく。衛星10は、北半球上に
ある時により高い高度にあることから、地球18の表面
のより広い領域をカバーできる。従って、衛星10は、
北半球にある時にサービスを提供し、南半球にある時に
は何らサービスを提供しないように運用される。
【0009】図1は、また、衛星10が北半球にあり地
球18からより離れた時に、+Y軸(ピッチ軸)14を
有する衛星10の側面が地球18に向けられた様子を示
している。地球18は、望ましくない加熱を引き起こす
赤外線放射を、特に衛星10がより地球18に近い時に
衛星10に照射する。この赤外線放射がその最大強度に
近づく時、+Y軸(ピッチ軸)が外に延びる衛星表面は
決して地球18の方向には向けられない。それ故、この
正面については中庸な熱保護のみが要求される。+Y軸
(ピッチ軸)とは反対方向の衛星10の反対表面は、地
球18の最大赤外線放射に遭遇する時に地球の方向に向
けられる。衛星10のこの単一面についてのみ最大熱保
護が適用される。
【0010】図2は、図1において示されている衛星1
0の詳細を示している。図2は、2つのソーラアレイ1
2が衛星10の軌道周回の間に、ピッチ軸14(北南方
向)廻りに回転される様子を示している。ソーラアレイ
12は、太陽の一般方向を指向するように回転される。
特に、各ソーラアレイ12aの法線は、地球の赤道面1
8aの平面内にある太陽ベクトルの成分に対して平行に
なるように維持される。図2は、また、太陽ベクトルが
赤道面18aの平面に対して小さいが十分な角度を形成
し得ることを示している。この角度は、冬至及び夏至に
おいてその最大振幅、23.4度に達する。ソーラアレ
イ12の非指向化は、赤道面からのこの小動を補償する
目的で実行され、これによりソーラアレイの発生電力に
おいてその容量の10%以下の小さな低減が存在する。
非傾斜軌道に即ち赤道軌道に既に稼働する衛星はこの方
式にて運用され、夏至又は冬至におけるソーラアレイの
電力出力における同様の低減を被る。
【0011】図3は、本発明の原理に従った衛星制御ア
ルゴリズム20即ち方法20のフローチャートを示して
いる。制御方法20は、搭載機器16及び1つ以上のソ
ーラアレイ12を含む赤道面法線方向体安定型衛星10
を制御するのに用いられる。制御方法20は、次のステ
ップからなる。赤道面法線方向体安定型衛星10が地球
18の如き物体の廻りの傾斜楕円軌道19に打ち上げら
れる(ステップ21)。搭載機器16の指向化がピッチ
軸14廻りに衛星10を回転させることにより達成され
る(ステップ22)。ソーラアレイ12の指向化が、ま
た、ピッチ軸14廻りに衛星10を回転させることによ
り達成される(ステップ23)。
【0012】このように、制御方法20は、衛星10に
配置された搭載機器16(通信アンテナ及び観測機器)
及びソーラアレイ12の方向制御を行う。衛星の本体1
1及びソーラアレイ12の各々が単一の軸、所謂ピッチ
軸14廻りについてのみ回転させる方式にて衛星10は
制御され、地球指向化搭載機器16及び太陽指向化ソー
ラアレイ12が提供される。
【0013】本体11は、衛星10を通る北南方向に規
格上方向付けされる衛星10のピッチ軸14廻りにのみ
で回転制御される。ソーラアレイ12は、また、衛星1
0のピッチ軸14廻りのみで回転制御される。制御方法
20を用いる場合、衛星通信搭載機器16即ちアンテナ
16は、衛星10の運動に起因する最小回転の変化を受
ける足跡を地球18の表面上に有する。これは、ヨー方
向制御マヌーバ(maneuver)の間に90度又はそれ以上
のオーダにて回転させる従来のヨー方向制御型衛星を改
良するものである。
【0014】搭載機器16即ちアンテナ16がスポット
ビームを地理的小領域に精確に向けることを可能としつ
つ、軌道及び姿勢運動に起因する最小回転の変化を受け
る。太陽に対する衛星本体11の姿勢運動もまた最小化
される。これは、姿勢制御に用いられる太陽センサのレ
イアウトを単純化し、ソーラアレイ12の回転を最小化
する。
【0015】図4、図5及び図6は、衛星10が例示的
なモルニア(Molniya)楕円軌道を周回しつつ、且つ、
地球18の一般方向にヨー軸13を維持しつつ、衛星1
0のピッチ運動に環境条件を提供する。図の各々は、異
なる視点が用いられているが、時刻上の同じ点において
同一条件を示している。図4は、ピッチ軸14廻りの衛
星の本体11の移動速度、即ち非回転座標である慣性座
標の視点からのピッチ速度を示している。図4は、ピッ
チ運動が単調、即ち常に同一方向であることを示してい
る。最速のピッチ運動は、軌道19(図1)の近地点付
近にて発生し、ここで、軌道上の運動がその最大速度、
分当たり約2.0度の大きさを有する。最小のピッチ速
度は、遠地点(図1)付近にて発生する。ここで、軌道
運動がその最小速度にあり、分当たり約0.2度の大き
さを有する。ピッチ運動の平均速度、即ち平均ピッチ速
度は、分当たり約0.5度の大きさを有する。
【0016】図5は、回転座標から見た衛星11の運動
を示している。この回転座標は、約分当たり約0.5度
の大きさを有する衛星11の平均ピッチ速度に等しい速
度にて回転する。ピッチバイアスは、ピッチ軸14廻り
の実際の衛星配向と、衛星が平均速度にてピッチ軸廻り
に回転するとした場合に発生する配向との角度に等し
い。該ピッチバイアスは、図6に図示される。
【0017】軌道19の近地点領域において、衛星10
は、平均速度を越える大きさの速度にて回転する。これ
は、ピッチバイアスの大きさが軌道19の近地点領域に
亘って増加する原因となる。遠地点領域においては、ピ
ッチ速度の大きさは、平均速度以下であり、これは近地
点領域において発生したピッチバイアスを取り除き、大
きさの等しい反対方向のピッチバイアスを発生する。近
地点及び遠地点におけるピッチバイアスの差し引き勘定
は近似零であり、図5及び図6はこのことを実証してい
る。
【0018】衛星10の実際の運用において、ピッチバ
イアスは、図3に示される制御方法20により積極的に
制御される。衛星10が適正な軌道19に打ち上げられ
れば(ステップ21)、そのピッチ運動は、平均速度に
て始動される。方向制御(ステップ22)がピッチ速度
の大きさを調整し、地球18の一般方向にヨー軸13を
方向制御するように適正なピッチバイアスを維持する。
【0019】図7は、制御方法20を実現する、衛星1
0を制御するのに用いられる例示的な制御システム30
を示している。制御システム30はセンサ33を使用し
て衛星の姿勢を測定する。この姿勢挙動は、例えば太陽
輻射圧トルク、磁気トルク及び重力勾配トルクを含む外
乱トルク31と、アクチュエータ35からの制御トルク
との合成トルク38による影響を受ける。所望の衛星の
配向と衛星10が平均速度、即ち零ピッチ角にて回転さ
れた場合に発生する配向との間のピッチバイアス角は、
姿勢プロファイル(profile)発生器37により供給さ
れる。ロール及びヨー角は規格上は零であるが、該プロ
ファイル発生器37は、必要があれば、どのロール、ピ
ッチ又はヨー角に対しても零以外の働きを供給するよう
に構成され得る。
【0020】例えば、1つ以上の地球センサ、スターセ
ンサ又は太陽センサの如きセンサ33により供給される
測定姿勢が姿勢プロファイル発生器37により供給され
る所望姿勢から合成器32において差し引かれる。これ
は、制御ロジック34により用いられる姿勢誤差を提供
し、姿勢誤差を修正する要求制御トルクを生成する。制
御ロジック34は、ヨー軸13(+Z軸)が赤道面18
a内の衛星−地球ベクトルの成分に平行となるように衛
星10のピッチ軸14廻りの配向を維持する。制御ロジ
ック34の出力は、衛星10の本体11を方向付ける1
つ以上のアクチュエータ35に印加される。アクチュエ
ータ35は、例えば、モーメンタムホイール、反動ホイ
ール、スラスタ、或いは磁気トルク発生器を含んでも良
い。従って、衛星10の搭載機器16の指向化22は、
モーメンタムホイール、反動ホイール、スラスタ、或い
は磁気トルク発生器を作動せしめ、衛星10の本体11
を回転させる。アクチュエータ35の出力は衛星の力学
特性36を通して帰還し、制御システム30により実現
される制御ループを閉じる。
【0021】引き続く説明は、本発明の重要性がより理
解されように提供される。静止軌道衛星において、異な
るタイプ、形状及び指向方向のアンテナを含む多数のア
ンテナが地球方向に通常向けられる。例えば、単一衛星
のアンテナ群は、全大陸をカバーする広域「半球」ビー
ム、個々の都市エリアを目標とする狭域「スポット」ビ
ーム、及び中間サイズの「ゾーン」ビームを提供し得
る。これらのビームのどれも細心の形状化がなされ、カ
スタマの地域に強力な信号を操作して他の領域への溢出
を最小化する。
【0022】傾斜軌道上にある非地球静止衛星10の場
合、アンテナの足跡は、地球18の表面を横断するばか
りでなく、大角に亘る回転の変化を受ける傾向がある。
通常の静止軌道衛星のアンテナ群はこの条件には適合し
ない。というのは,個々のアンテナビームがそれらの地
球18上の目的ターゲット領域から離れるからである。
1つの解決方法は、より少ないアンテナを用い、これら
を全360度回転可能な回転ジョイント上に設置するこ
とである。他の方法は、フェーズドアレイにより得られ
る電子的な指向性操作を用いることである。
【0023】本発明を用いて実現される赤道面法線方向
制御を用いる利点は、静止衛星上の様々のアンテナ群
が、モルニア或いは関連する軌道上の衛星に僅かの改修
又は無改修にて統合され得ることである。これは、製造
コストを低減し、設計及びレイアウトを単純化し、信頼
性を改善する。衛星10に対する地球18表面上の固定
点への方向は、衛星10が軌道19の活動領域を横断す
る間に北南方向に約2度だけの変化をする。従来の方式
におけるカバレージ足跡を維持する目的で、衛星の本体
11はこの間、約2度だけロール軸15(+X軸)廻り
に回転され得る。代替的な従来の方法は、衛星のアンテ
ナ16をロール軸15廻りに同角度だけ回転させること
である。
【0024】本発明を用いる時、衛星10は真南を指向
するピッチ軸14にて垂直方向を維持する、或いは、2
度程度のオーダの小角度だけ垂直から外れる。もし、衛
星10が垂直から外れた場合には、有意な回転は衛星ロ
ール軸15廻りのみの回転である。この小さい大きさの
回転は、2%以下のソーラアレイ電力出力の微量な低下
をもたらすだけである。この小さい大きさの回転は、図
3に示される制御方法20、即ち図7に示される例示的
な制御システム30の重大な改修をなしに達成され得
る。非傾斜軌道即ち赤道軌道にて現状稼働する衛星10
は、搭載機器が稼働する間にも、ロール軸廻りに2度又
はそれ以上の大きさの回転を成し得る。代替的には、衛
星10は垂直を維持しても良く、アンテナ16はロール
軸15廻りに約2度だけ回転されて指向を最適化し得
る。
【0025】赤道面法線方向制御は、様々のアンテナ群
が衛星10の設計に統合されることを可能として、地球
18の表面上の衛星アンテナの足跡の配向を保つ。衛星
を方向制御する従来の方法は、各エレメントが衛星ヨー
軸廻りに独立には旋回不可能な様々のアンテナを含む衛
星の場合には、カバレージ足跡の回転を発生させる。以
上のように、衛星の姿勢を制御するのに用いられる改良
された制御方法が開示された。上記の実施例は、本発明
の原理の応用を表すかかる多くの実施例のうちの例示で
しかないことは理解されるべきである。明らかに、幾つ
かの他の改変が本発明の範囲から離れることなく当業者
により容易に成し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理に従った傾斜軌道において稼働す
る例示的な赤道面法線方向体安定型衛星のブロック図で
ある。
【図2】図1において示されている衛星の詳細図であ
る。
【図3】本発明の原理に従った衛星制御アルゴリズム、
即ち方法を示しているフローチャートである。
【図4】例示的な衛星の1日間に亘る慣性空間上のピッ
チ配向を示しているグラフである。
【図5】例示的な衛星の1日間に亘るピッチバイアスを
示しているグラフである。
【図6】例示的な衛星のその軌道上の多様な点における
ピッチ配向を示している図である。
【図7】該衛星を制御するのに用いられる例示的な制御
システムを示している図である。
【符号の簡単な説明】
10 衛星 11 衛星の本体 12 ソーラアレイ 13 ヨー軸 14 ピッチ軸 15 ロール軸 16 ダウンロードアンテナ 17 地球方向軸 18 地球 18a 赤道面 19 軌道 20 制御フローチャート 30 制御システム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デイビッド エフ. フォード アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95076 ワトソンビル サンダンスレーン 233 (72)発明者 ジェフリー ディー. ストーン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94306 パロアルト プリンストンストリ ート 2102

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】衛星の姿勢を制御するのに用いられる制御
    方法であって、 赤道面法線方向体安定型衛星を、前記衛星のピッチ軸を
    北南方向に実質的に維持しつつ傾斜軌道に打ち上げるス
    テップと、 前記衛星に配置された搭載機器を、前記衛星の本体をそ
    のピッチ軸廻りに回転させることにより方向制御するス
    テップと、 前記衛星に配置された1つ以上のソーラアレイを、前記
    衛星の本体をそのピッチ軸廻りに回転させることにより
    方向制御するステップと、 を含むことを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の方法であって、前記搭載
    機器を方向制御するステップが、前記衛星に配置された
    モーメンタムホイールを作動せしめるステップを含むこ
    とを特徴とする方法。
  3. 【請求項3】請求項1に記載の方法であって、前記搭載
    機器を方向制御するステップが、前記衛星に配置された
    反動ホイールを作動せしめるステップを含むことを特徴
    とする方法。
  4. 【請求項4】請求項1に記載の方法であって、前記搭載
    機器を方向制御するステップが、前記衛星に配置された
    スラスタを作動せしめるステップを含むことを特徴とす
    る方法。
  5. 【請求項5】請求項1に記載の方法であって、前記搭載
    機器を方向制御するステップが、前記衛星に配置された
    磁気トルク発生器を作動せしめるステップを含むことを
    特徴とする方法。
  6. 【請求項6】請求項1に記載の方法であって、前記衛星
    を打ち上げるステップが、前記衛星のピッチ軸を北南方
    向から2度オーダの比較的小角度内に維持しつつ、前記
    衛星を傾斜軌道に打ち上げるステップを含むことを特徴
    とする方法。
  7. 【請求項7】赤道面法線方向体安定型衛星であって、 衛星の本体と、 前記本体に配置された搭載機器と、 前記本体に配置された1つ以上のソーラアレイと、 傾斜軌道を有する前記衛星の姿勢を制御する制御システ
    ムであり、前記衛星の本体をそのピッチ軸廻りに回転さ
    せることにより前記搭載機器を方向制御し、且つ、前記
    衛星の本体をそのピッチ軸廻りに回転させることにより
    前記ソーラアレイを方向制御する制御システムと、 を含むことを特徴とする衛星。
  8. 【請求項8】請求項7に記載の衛星であって、前記制御
    システムが前記搭載機器を方向制御する1つ以上のモー
    メンタムホイールを含むことを特徴とする衛星。
  9. 【請求項9】請求項7に記載の衛星であって、前記制御
    システムが前記搭載機器を方向制御する1つ以上の反動
    ホイールを含むことを特徴とする衛星。
  10. 【請求項10】請求項7に記載の衛星であって、前記制
    御システムが前記搭載機器を方向制御する1つ以上のス
    ラスタを含むことを特徴とする衛星。
  11. 【請求項11】請求項7に記載の衛星であって、前記制
    御システムが前記搭載機器を方向制御する1つ以上の磁
    気トルク発生器を含むことを特徴とする衛星。
JP2000378963A 2000-01-10 2000-12-13 赤道面法線方向体安定型衛星及び傾斜軌道運用における制御方法 Pending JP2001206299A (ja)

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US09/480066 2000-01-10
US09/480,066 US6318676B1 (en) 2000-01-10 2000-01-10 Equatorial-normal body-stabilized spacecraft and control method for inclined orbit operation

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