JP2003521424A - 宇宙船の姿勢を制御するシステムおよび方法 - Google Patents
宇宙船の姿勢を制御するシステムおよび方法Info
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Abstract
Description
回転(スピン)している衛星の姿勢を制御するシステムに関する。
範囲とする種々の要求のきびしい適用において使用されている。このような適用
では、正確な操縦、ステーションキーピングおよび姿勢調節能力を備えた衛星が
しばしば必要とされる。
する場合において重要である。たとえば、通信衛星に指向された地上ベースの受
信機またはトランシーバがその衛星と通信するには、その衛星が現在の位置およ
びオリエンテーションを維持したままであることがしばしば必要とされる。同様
に、特定の宇宙領域に焦点を結ぶ宇宙望遠鏡衛星は正確に方向付けられることが
多い。
を中心として回転する。この回転は、衛星の発射中に生じたモーメント、太陽放
射圧力および、または重力勾配から結果的に発生する可能性がある。
衛星のオリエンテーションに対する粗制御を行うが、一般に多くの衛星適用によ
って要求される姿勢の微調節を行う能力を欠いている。スラスタはまた過度に燃
料を消費し、そのために宇宙船の重量および費用が増加し、宇宙船の有効寿命期
間を制限する。
のを含む大部分の宇宙船上で使用されている。スラスタが回転している宇宙船上
で使用された場合、それらは大きいトルクを供給して宇宙船運動量ベクトルを所
望の位置に移動させなければならない。(これは、自転車のホイール効果として
知られている)。必要なトルクは結果的に燃料消費量を増加させる。
減少させるために、ジンバルで支持された運動量ホイールを使用するシステムが
しばしば使用される。このシステムは、その内容がここにおいて参考文献とされ
ているH.Rosen氏による米国特許第 5,441,222号明細書(ATTITUDE CONTR
OL OF A SPINNING SPACECRAFT )に開示されている。そのシステムには、2軸ジ
ンバルで支持された運動量ホイールが含まれている。このホイールが回転されて
存在している宇宙船運動量を消去し、その結果宇宙船の運動量がゼロになる。そ
の後、ゼロ運動量の宇宙船は、ホイール構造体を押して所望の方向に反動力を生
じさせるアクチュエータによって生成された慣性モーメントによって方向付けら
れる。
点を有している。一般に、宇宙船の設計制約のために運動量ホイールの寸法およ
び質量が制限される。その結果、運動量ホイールはその宇宙船の全運動量を消去
するために高速で回転しなければならない。運動量ホイールはしばしば5000
回転/分より速い速度で回転しなければならない。この結果、除去し難い望まし
くない高周波宇宙船振動が生じる可能性が高い。望ましくない高周波外乱を減少
させるために、しばしば高価で複雑な運動量ホイール分離システムおよび、また
は制御ループが必要とされる。
れている。さらに、高周波宇宙船振動を導入せず、あるいは過度の燃料を消費し
ないシステムが必要とされている。
示されている実施形態において、本発明のシステムは、姿勢制御素子が取付けら
れたペイロードを有する衛星により使用されるように構成されている。バスは、
これがペイロードに関して1自由度の継手を中心として回転するように、この継
手によってペイロードに接続されている。したがって、バスに関してペイロード
を回転させるためのアクチュエータおよび制御回路が内蔵されている。
呼ばれる)によりペイロードに接続されている。バスは第1の軸を中心とするペ
イロードの運動量を消去するように駆動される。これによってゼロ純運動量の宇
宙船が提供される。宇宙船の内部発生力または運動量を与えることにより宇宙船
を方向付けて、その宇宙船を第1の軸に垂直な2つの軸で制御する付加的な制御
装置が内蔵されている。
を備えている。宇宙船のバスは記憶セクションとして機能し、姿勢制御素子を収
容することができる。バスはペイロードの慣性モーメントと同程度の慣性モーメ
ントを持つ質量を有するであろうことが予測される。第1の制御回路はBapt
a継手を介してペイロードに関するバスのオリエンテーションを制御する。第1
の制御回路は、Bapta継手アクチュエータを駆動し、それによってペイロー
ドを回転させるアクチュエータ制御信号を計算するスピン制御装置である。第1
の制御回路はさらに、3つの各軸を中心とした、バスに関するペイロードの角速
度を決定するために速度検出器を備えている。この特定の実施形態では、速度検
出器は、スピン制御装置と通信しているジャイロスコープセンサパッケージおよ
びタコメータを含んでいる。ジャイロスコープセンサパッケージは、宇宙船の運
動量を表す速度信号をコンピュータに供給する。そのコンピュータは、ジャイロ
スコープおよびタコメータセンサパッケージからの速度信号の受信に応答して、
スピン制御信号を発生するソフトウェアを実行する。
つの付加的な制御回路が使用される。必要とされる制御回路は特定用途向け型で
あり、所定の用途のニーズを満たすように当業者により決定されてもよい。
るジンバルの回転軸に垂直な回転軸を有する第1の反動ホイールを制御する。こ
のジンバルは、Bapta機構の回転軸にほぼ平行な回転軸を有している。制御
回路は、ジンバルおよび反動ホイール上に取付けられたセンサからの角度的位置
および速度の測定値、ならびにジャイロスコープセンサパッケージからの角速度
信号を使用して、ジンバルおよび反動ホイール上に取付けられたトルクモータに
コンピュータを介してトルク信号を発生する。
の反動ホイールを備えている。第1および第2の反動ホイールは宇宙船バスにし
っかりと取付けられており、それぞれ第1および第2の互いに垂直な軸を中心と
して自由に回転することができる。第1および第2の反動ホイールはそれぞれ第
1および第2の操縦制御信号に応答して、第1および第2のアクチュエータによ
り選択的に回転される。その制御信号は制御装置によって発生される。この制御
装置は、技術的によく知られているようにホイール上に取付けられたジャイロス
コープセンサパッケージ、スタートラッカおよびタコメータと通信している。
て宇宙船に取付けられた反動質量を含んでいる。第1の力アクチュエータは第1
の力を反動質量に与えて宇宙船の方位制御を容易にする。第2の力アクチュエー
タは第2の力を反動質量に与えて宇宙船の方位調整を容易にする。第1および第
2の力アクチュエータはそれぞれ、操縦制御信号の受信に応答して第1および第
2の力を選択的に生成する音声コイルアクチュエータである。これらのアクチュ
エータは、宇宙船が回転軸に直交する2つの軸で操縦されることができるように
配置される。近接センサは、宇宙船に関する反動質量の角度を測定する。その後
、ジャイロスコープセンサパッケージ、スタートラッカおよび近接センサと通信
しているコンピュータ上で実行するソフトウェアによって宇宙船操縦トルクコマ
ンドが発生される。
随のBapta機構を使用することによって容易になる。バスの質量特性のため
に、一般に、バスの比較的遅い回転だけが宇宙船運動量を消去するために必要で
ある。遅い回転の結果、宇宙船振動が最小になる。結果的に生じる振動は、一般
に、技術的によく知られている制御装置によって容易に除去される低周波振動で
ある。これによって、高価な運動量ホイール分離システムが必要でなくなり、そ
の結果さらに経済的な宇宙船が可能になる。さらに、Bapta機構のバスは記
憶区画として使用可能であり、したがって宇宙船の空間および重量が効率的に使
用される。
いるが、本発明はそれに限定されないことを理解すべきである。当業者は、本発
明の技術的範囲内における付加的な修正、適応および実施形態、ならびに本発明
が非常に有益な付加的な分野を認識するであろう。 図1は、本発明の第1の実施形態に対応した衛星10の概略図である。衛星10は
姿勢制御セクション12に結合されたペイロード14を備えている。姿勢制御セクシ
ョン12はバス16を備えており、このバス16は一方の端部がBapta継手18によ
ってペイロード14に結合されてい。Bapta継手18、バス16およびペイロード
14はz軸24と同軸に配置されている。第1の反動ホイール20および第2の反動ホ
イール22はバス16の反対側の端部においてそれぞれx軸26およびy軸28と同軸方
向に取付けられている。
心として回転することを可能にする。同様に、第1の反動ホイール20はx軸26を
中心とした回転だけが可能であり、第2の反動ホイール22はy軸28を中心とした
回転だけが可能である。姿勢制御セクション12がz軸24を中心として回転したと
き、x軸26およびy軸28は共にz軸を中心として回転する。
x軸26およびy軸28に関して角度付けされた軸のような異なった軸を中心として
回転するホイールにより置換されてもよいことを認識するであろう。しかしなが
ら、ホイールは、それらがz軸24、すなわち、衛星10の回転軸に直交する2つの
異なった方向に2つの異なったトルク成分を提供することができるように位置さ
れなければならない。
に結合されたアクチュエータを備えており、これらアクチュエータは、以下さら
に詳細に説明するように宇宙船コンピュータからのコマンドによって選択的に制
御される。姿勢制御セクション12はBapta継手18を中心として選択的に回転
され、存在する宇宙船運動量を消去する。宇宙船10の全運動量がゼロに減少され
た後、反動ホイール20および22が回転されてx軸26および、またはy軸28に沿っ
たトルクを生成し、衛星10を所望のオリエンテーションに移動させる。
関してBapta継手18を中心としてを逆回転するように命令される(以下さら
に詳細に説明するように)。
図である。姿勢制御システム30は、ペイロード14内に位置された宇宙船コンピュ
ータ32を備えている。宇宙船コンピュータ32はジャイロスコープセンサパッケー
ジ34およびスタートラッカ36に結合されており、それら両者はバス16とは反対側
のペイロード14の外側に取付けられている。宇宙船コンピュータ32はまたBap
ta位置センサ38、Baptaアクチュエータ40、第1のホイールタコメータ42
、第1のホイールアクチュエータ44、第2のホイールタコメータ46および第2の
ホイールアクチュエータ48に結合されている。
ジャイロスコープセンサパッケージ34、スタートラッカ36、Bapta位置セン
サ38ならびにホイールタコメータ42および46からの入力に応答してBaptaア
クチュエータ40ならびにホイールアクチュエータ20および22を制御する姿勢制御
プログラム(ソフトウェアで実施されることが好ましい)によって制御計算を行
う。
ド14の角回転速度を感知し、宇宙船コンピュータ32への主フィードバックを行う
。宇宙船コンピュータ32上で実行している姿勢制御プログラムは、Baptaア
クチュエータ40によりバス16を含む姿勢制御セクション12を回転させ、ジャイロ
センサパッケージ34により検出された存在している宇宙船運動量を消去するよう
に設計されている。姿勢制御プログラムはまた、衛星10の姿勢を調節するための
モーメントを生成するために反動ホイール20および22を選択的に回転させる命令
を含んでいる。スタートラッカ36は宇宙船コンピュータ32にフィードバックを行
って、衛星10の現在のオリエンテーションを示す。
報により特定された所望の宇宙船オリエンテーションをスタートラッカ36および
ジャイロスコープセンサパッケージ34により提供された姿勢情報と比較し、宇宙
船コンピュータ32によりホイールアクチュエータ42および48に入力される操縦制
御信号を発生する。ペイロード14上に取付けられ、宇宙船コンピュータ32に接続
された受信機50は、所望のオリエンテーションに向くように宇宙船に命令するテ
レメトリ制御信号を受信するために設けられている。
および受信機50のような姿勢制御システム30のコンポーネントが図2に示されて
いる位置とは別の位置に配置されてもよいことを認識するであろう。たとえば、
宇宙船コンピュータ32および受信機50はバス16上に配置されてもよい。
入力により指示された所望のオリエンテーションに向いた後、衛星がその所望の
オリエンテーションに向いたまま保持されるように、ホイール20および、または
22の回転速度が落とされる。第1のホイールタコメータ44および第2のホイール
タコメータ46はそれぞれ第1の反動ホイール20および第2の反動ホイール22の回
転速度に関する情報を宇宙船コンピュータ32に供給する。姿勢制御プログラムは
そのホイール回転速度情報を使用して、ホイールの存在している回転速度を決定
する。姿勢制御プログラムは存在している回転速度情報を使用して、第1のホイ
ールアクチュエータ42および、または第2のホイールアクチュエータ48を制御し
て予め定められた量だけ回転速度を調節するためのアクチュエータ制御信号の発
生を容易にする。同様に、Bapta位置または速度センサ38は、ペイロード14
に関するバス16の回転速度についての情報を宇宙船コンピュータ32上で実行する
姿勢制御プログラムに提供する。姿勢制御プログラムはこの加速情報を使用して
Baptaアクチュエータ40を制御し、予め定められた量だけ回転速度を調節す
る。
ることによって、宇宙船コンピュータ32上で実行する姿勢制御プログラムによる
運動量の消去が容易になる。
成される。さらに、当業者は、本発明の技術的範囲を逸脱することなく反動ホイ
ールタコメータ44および46ならびにBapta位置センサ38が別のセンサ素子に
より置換されてもよいことを認識するであろう。この場合、宇宙船コンピュータ
32上で実行する制御プログラムは適切に変更される。
14の慣性モーメントと同程度の大きさになるであろうと予測される。その結果、
これらの適用では、存在している宇宙船運動量を消去するために姿勢制御セクシ
ョン12が比較的遅く逆回転することが要求される。姿勢制御セクション12が逆回
転した結果生じた宇宙船振動は、技術的によく知られている手順によって容易に
除去される。これによって高価な運動量ホイール分離システムが必要なくなる。
いない)を搭載されている。したがって、姿勢制御セクション12は、バス16内に
記憶スペースが設けられ、衛星10の姿勢制御を容易にするように機能する。バス
16を記憶区画として使用することによって、重量節約が達成される。
ホイールが必要である。運動量ホイールの高密度要求は典型的に補助記憶区画と
してのホイールの使用から除外される。
する低速逆回転機構として考えられてもよい。運動量を消去するために高速運動
量ホイールではなく低速機構を使用することによって、高価な運動量ホイール分
離システムが不要になる。当業者は、宇宙船の方位を制御するために、回転軸24
に直交するトルクの2つの軸を提供する任意の内部機構が制御アクチュエータと
して十分であることを認識するであろう。
して任意の位置に方向付けられることができる。ビークルの安体化を行うために
スラスタまたは外部モーメントは必要ない。さらに、ビークルの安体化を容易に
するために、本発明の技術的範囲を逸脱することなくダイナミックな平衡機構が
構成されてもよい。
ール22は同じ質量および慣性モーメントを有している。ホイール20および22はそ
れぞれx軸26およびy軸28を中心として回転するが、他のいずれの軸を中心とし
た回転または変換を行うことはてきない。ホイール20および22は、DCトルクモ
ータ(以下さらに詳細に説明する)として構成された標準的なアクチュエータを
使用することによりそれらの各軸26および28を中心として回転する。反動ホイー
ル20および22は、それらが公称的に固定した速度で回転しないため、運動量ホイ
ールではない。ホイール20および22はゼロの公称速度を有している。
図1の衛星10に関するものである。当業者は、以下の制御式が本発明の姿勢制御
システムの構成方法だけを表すものではないことを認識するであろう。
1の反動ホイール20と、および第2の反動ホイール22に対して、慣性テンソルが
0の慣性乗積項を有していると仮定されている。一般に、以下の力学式が有効な
ままであるように、事実上慣性乗積項は十分に小さいままである。また、本体14
、16、20および22間のアタッチメントは完全な摩擦のないアタッチメントである
と仮定されている。たとえば、ペイロード14およびバス16は、ペイロード14およ
びバス16がz軸24を中心として回転するが、その他の軸を中心とした回転は行わ
ないことを可能にする完全ピンであるBapta継手18により連結されている。
から始まってペイロード14に向かってオイラーの運動方程式を適用することによ
って、当業者は特定の衛星軌道に関する運動方程式を導出し、それらを線形化す
ることができる。
ンテーションの完全な可制御性を可能にする方程式の線形系が得られる。運動量
の保存は、衛星10の全ての位置状態が完全に制御可能であることを許さない(バ
スおよびホイールは同時に制御できない)。しかしながら、この実施形態では、
ペイロード14のオリエンテーションを制御することだけしか必要はない。
転し、一方横軸の回転速度はゼロである。例示的な線形化軌道は以下のマトリッ
クス式によって与えられる:
びz軸24を中心とするペイロード14の角速度である。同様に、ωBx,ωByおよび
ωBzはそれぞれ慣性空間に関するx軸26、y軸28およびz軸24を中心とするバス
16の角速度である。さらに、ωW1x はx軸26を中心とする第1のホイール20の角
速度であり、ωW2y はy軸28を中心とする第2のホイール22の角速度であり、ω Bs は、この実施形態ではz軸24であるバス16の回転軸を中心とするその角速度で
ある。ωPsは、この実施形態ではこれもまたz軸24であるペイロード14の回転軸
を中心とするその角速度であり、ρはペイロード14とバス16との間の角度であり
、ρ´はρの導関数である。
が、式(1)では、バス16はペイロード14と全く同じ速度で逆方向に回転してい
ると仮定されている。バス16は衛星10の全慣性をゼロにするように回転する。
メントである。IBx,IByおよびIBzはそれぞれx軸26、y軸28およびz軸24を
中心とするバス16の慣性モーメントである。IT は横断軸すなわち第1の反動ホ
イール20に対してはy軸28およびz軸24であり、第2の反動ホイール22に対して
はx軸26およびz軸24である横断軸を中心とする各反動ホイールの慣性モーメン
トである。各反動ホイール20および22は各回転軸、すなわちそれぞれx軸26およ
びy軸28を中心とするIS の慣性モーメントを有する。TBaptcom は、姿勢制御
セクション12のBapta継手18を中心とする回転を制御するために宇宙船コン
ピュータ32によってBaptaアクチュエータ40に与えられるBaptaトルク
コマンドである。TW1com は、第1の反動ホイール20の回転を制御するために第
1のホイールアクチュエータ44に与えられるトルクコマンドである。TW2com は
、第2の反動ホイール22の回転を制御するために第2のホイールアクチュエータ
48に与えられるトルクコマンドである。
おりである。
制御可能な式を表すことを容易に証明することができる。可制御性が証明された
後、式(4)において特定された法則にしたがって衛星10のオリエンテーション
を制御するための局部的に安定した制御装置を構成するために、通常の利得のス
ケジュール化された制御装置、LPV制御装置および、または非線形制御装置が
使用されることができる。
制御性を証明することができる。そのランクがこの問題に対して5である場合、
この動作点においてシステムは完全に制御可能である。
たがって、式(6)は次のように簡単化される:
10のシステム30によって完全に制御可能であり、システム30を制御するために、
古典的なもの、極配置、Hインフィニティ等の任意の一般的な制御方法が使用で
きる。当業者は適切なゲインスケジューリングを実施して、制御装置をバスに対
するペイロードの角度の関数として容易に変更することができる。
が完全な円筒形に似ている)異常な場合には、5より低い可制御性マトリックス
が発生し、ここで、
エンテーションの一方が制御可能であるが、両方は制御可能ではないことを示し
ている。これらの可制御性仮定を使用すると、式(2)は次のようになる:
容易に決定される利得係数である。
(ホイール速度)を制限する。これは望ましい特性である。
機能ブロックを示す図である。プログラムは、位置検出ルーチン52、位置比較ル
ーチン54、エラー補償ルーチン56、およびアクチュエータ制御ルーチン58を含ん
でいる。
めてジャイロスコープセンサパッケージ34およびスタートラッカ36をサンプリン
グし、受信機50ようなテレメタリから位置コマンドを受信する。現在の宇宙船位
置情報は、受信機50からの任意の命令された位置情報と共に比較ルーチン54に供
給される。 比較ルーチン54は、受信機50から受信された信号によって示されるか、あるい
はエラー補償ルーチン56の先行する出力から受信された信号によって示されるよ
うな命令された位置を、位置検出器ルーチンにより示される宇宙船10の現在の位
置と比較する。比較ルーチン54は、命令された位置と現在の位置の違いを表すエ
ラー信号を供給する。
に宇宙船10の位置を調節する。アクチュエータ制御ルーチン58は、適用可能なト
ルクコマンドをBaptaアクチュエータ40および適切なホイールアクチュエー
タ44および、または48に与える。 個々のルーチン52、54、56および58は、当業者によって構成されてもよい。
第2の衛星60の概略図である。この第1の別の実施形態62には、ジンバルで支持
された反動ホイール64が含まれており、このホイール64は、円筒型宇宙船バス16
の後面70に結合されたピボット66上に取付けられている。ピボット66は衛星60の
z軸24だけを中心として回転することができる。ジンバルで支持された反動ホイ
ール64は、このホイール64の回転軸が衛星の回転軸であるz軸24に垂直であるよ
うにピボット66上に取付けられている。
行する姿勢制御プログラムは、ジャイロスコープセンサパッケージ34およびスタ
ートラッカ36から受信された信号によって衛星60の運動を検出する。現在の衛星
オリエンテーションは、スタートラッカ36およびジャイロスコープセンサパッケ
ージ34により決定される。姿勢制御プログラムは現在の衛星運動情報を使用して
、制御信号をBaptaアクチュエータ40に発生し、このBaptaアクチュエ
ータ40がバス16にz軸24を中心として回転させて、存在している衛星運動量を消
去するように命令する。ジャイロスコープセンサパッケージ34からのフィードバ
ックにより示されるように、z軸24を中心とする運動量がゼロになった後、ピボ
ット66はピボットアクチュエータ(示されていない)により付勢されて、ジンバ
ルで支持された反動ホイール64を予め定められたオリエンテーションに方向付け
る。ジンバルで支持された反動ホイール64が所望の方位に向いた後、この反動ホ
イール64はホイールアクチュエータ(示されていない)に対する制御信号によっ
て回転されて所望の方向のトルクを生成し、宇宙船コンピュータ32上のメモリに
記憶されている衛星オリエンテーション情報にしたがって衛星を適切に方向付け
る。衛星オリエンテーション情報は、新しいオリエンテーション情報を受信機50
に送ることにより更新または変更されてもよい。
なわちz軸24を中心として自由に回転することができる。このジンバルで支持さ
れた反動ホイール64は、Bapta軸と同じ軸、すなわちz軸24を中心として回
転可能なジンバルユニット68内に収容されている。
される制御システムはバス16に対してトルクコマンドTを方向:
ユニット68との間の高い帯域幅ループ(示されていない)がジンバルユニット68
を所望の方向に駆動する。とくに、このユニット68は以下の式によって表される
角度θで駆動される:
され、所望のトルクを所望の方向でバス16に与える。ジンバルで支持された反動
ホイール64を正しく配置するように構成された制御ループ(示されていない)の
帯域幅(たとえば、10Hz以上)は、トルクコマンドTの供給によりバスの姿
勢を制御するように構成された制御ループの帯域幅(一般に、0.01乃至0.
1Hz)よりもはるかに高い。その結果、制御ループ間に妨害が最小にされる。
上述した制御ループの詳細な構成は適用に依存する。当業者はこのような詳細な
構成を容易に決定することができる。
第3の衛星80の概略図である。この第2の別の実施形態82には、環状の反動質量
84が含まれ、この反動質量84は、そのほぼ中心に結合された可撓性サスペンショ
ン86を介して宇宙船のバス16に取付けられている。反動質量84とバス16の後面70
との間には音声コイルアクチュエータ88が配置されている。
エータ88は選択的に付勢されて反動ホイール84を押す。音声コイルアクチュエー
タ88は、それらが反動ホイール84を押したときに予め定められた所望の衛星方向
にしたがって衛星80を適切に方向付ける方向に反動力を生成する。
付けられた高い慣性反動質量84に対して力を加える。可撓性サスペンション86は
xおよびy角度方向において非常に柔軟(<2Hz)であるが、z角方向には非
常に硬い(>100Hz)。それはまたx、yおよびzトランスレ−ション方向
において非常に硬い。
量84に対してxおよびy方向に与えられる。ニュートンの第三法則により、反動
質量にモーメントを与えることは宇宙船バス16にモーメントを与えることでもあ
る。音声アクチュエータには一般に10ポンドの力があるため、音声コイルを2
フィートの間隔で配置することによって、実質的なトルク能力である20フィー
ト/ポンドの最大モーメントが得られる。さらに大きい力の能力を有する音声コ
イルを使用するか、あるいは音声コイルに対して大きい間隔距離を選択すること
により、このトルク能力をさらに増大させることができる。
性サスペンションは、反動質量84の運動をほぼ±5°の移動に制限する。反動質
量84は比較的大きい慣性モーメントを有しているが、比較的軽量である。これは
反動質量84の外縁上にその質量を集中させることにより達成される。これは、宇
宙船重量の望ましくない追加を最小限にしながら、反動質量84が高トルク操縦中
にその移動限界に達する確率を減らすことを助ける。
ション86の代わりに使用可能であることを認識するであろう。たとえば、可撓性
サスペンション86はベアリングにより置換されることができる。さらに、外部ジ
ンバルは反動質量84に結合され、反動質量84がさらに移動するのに適合する。
る。これらのシステムおよび方法は本発明の技術的範囲内に含まれるものである
。
明されてきた。当業者は、本発明の技術的範囲内の付加的な修正、適用および実
施形態を認識するであろう。
用、修正および実施形態の任意および全てのものをカバーするものである。
図。
図。
図。
Claims (35)
- 【請求項1】 ペイロードおよび姿勢制御セクションを有する宇宙船用の姿
勢制御システムにおいて、 姿勢制御セクションに配置された質量と、 前記質量をその質量が第1の軸を中心としてペイロードに関して単一の自由度
を持つようにペイロードに結合単一自由度の継手と、 前記質量を回転させる第1の手段と、 前記第1の手段を制御する第2の手段とを具備していることを特徴とする姿勢
制御システム。 - 【請求項2】 さらに、第2の軸を中心とする前記宇宙船の回転を制御する
第3の手段を含んでいる請求項1記載の姿勢制御システム。 - 【請求項3】 前記第3の手段は第1の反動ホイールを含んでいる請求項2
記載の姿勢制御システム。 - 【請求項4】 前記第1の反動ホイールはジンバル上に取付けられ、前記ジ
ンバルは前記第1の軸に関してほぼ同心の回転軸を有し、前記第1の反動ホイー
ルは、その回転軸が前記第2の軸と整列されるように取付けられている請求項3
記載の姿勢制御システム。 - 【請求項5】 前記第1の反動ホイールは前記第1の軸にほぼ垂直な回転軸
を有している請求項3記載の姿勢制御システム。 - 【請求項6】 さらに、前記第1の反動ホイールの回転軸に対してある角度
をなす回転軸を有する第2の反動ホイールを含んでいる請求項3記載の姿勢制御
システム。 - 【請求項7】 前記角度は90度である請求項6記載の姿勢制御システム。
- 【請求項8】 前記第1および第2の反動ホイールは前記質量に強固に取付
けられ、それらの各軸を中心として自由に回転することができるように構成され
ている請求項6記載の姿勢制御システム。 - 【請求項9】 前記第1および第2の反動ホイールはそれぞれ第1および第
2の操縦制御信号の受信に応答して第1および第2のアクチュエータを介して選
択的に回転される請求項6記載の姿勢制御システム。 - 【請求項10】 さらに、コンピュータ上で実行する宇宙船操縦ソフトウェ
アを備え、前記コンピュータはジャイロセンサパッケージおよび、または位置追
跡装置と通信し、前記操縦ソフトウェアは前記第1および第2の操縦制御信号を
発生する請求項9記載の姿勢制御システム。 - 【請求項11】 前記宇宙船は、Bapta継手を介してペイロードに結合
されたバス構造を備え、前記第1および第2の反動ホイールはそれぞれ1自由度
の継手を介して前記バス上に取付けられている請求項10記載の姿勢制御システ
ム。 - 【請求項12】 前記操縦ソフトウェアは方程式: 【数1】 にしたがって前記第1および第2の操縦制御信号を発生し、ここで、ωPx,ωPy およびωPzはそれぞれ慣性空間に関するx軸、y軸およびz軸を中心とする前記
ペイロードの角速度であり、ωBx,ωByおよびωBzはそれぞれ慣性空間に関する
前記x軸、y軸およびz軸を中心とする前記バスの角速度であり、ωW1x は前記
x軸を中心とする前記第1のホイールの角速度であり、ωW2y は前記y軸を中心
とする前記第2のホイールの角速度であり、ωBsは前記バスの回転軸を中心とす
るその角速度であり、ωPsは前記ペイロードの回転軸を中心とするペイロードの
角速度であり、ω´は角加速度を示し、IPx,IPyおよびIPzはそれぞれ前記x
軸、前記y軸および前記z軸を中心とする前記ペイロードの慣性モーメントであ
り、IBx,IByおよびIBzはそれぞれ前記x軸、前記y軸および前記z軸を中心
とする前記バスの慣性モーメントであり、IT は横軸、すなわち、前記第1の反
動ホイールに対して前記y軸および前記z軸であり、前記第2の反動ホイールに
対しては前記x軸および前記z軸である横軸を中心とする前記各反動ホイールの
慣性モーメントであり、前記各反動ホイールは各回転軸、すなわちそれぞれ前記
x軸および前記y軸を中心とするIS の慣性モーメントを有し、TW1com および
TW2com はそれぞれ前記第1および第2の操縦制御信号を表すコマンドであり、
TBaptcom は宇宙船運動量を消去するために前記質量を選択的に回転させるため
の、前記第1の手段に含まれるアクチュエータに対するコマンドである請求項1
1記載の姿勢制御システム。 - 【請求項13】 前記第1の手段は、存在している宇宙船運動量を消去する
のに十分な速度で前記質量を回転させる手段を含んでいる請求項1記載の姿勢制
御システム。 - 【請求項14】 前記回転させる手段は、コンピュータを介して前記アクチ
ュエータにより受信されたアクチュエータ制御信号に応答して前記質量を回転さ
せるアクチュエータを含んでいる請求項13記載の姿勢制御システム。 - 【請求項15】 さらに、前記宇宙船のモーメント運動量を決定する手段を
含んでいる請求項14記載の姿勢制御システム。 - 【請求項16】 前記宇宙船のモーメントを決定する前記手段は、前記コン
ピュータと通信しているジャイロセンサパッケージを含み、前記ジャイロセンサ
パッケージは速度信号を前記コンピュータに供給し、前記速度信号は前記存在し
ている宇宙船運動量を表している請求項15記載の姿勢制御システム。 - 【請求項17】 前記コンピュータは、前記ジャイロセンサパッケージから
の前記速度信号の受信に応答して前記アクチュエータ制御信号を発生するソフト
ウェアを実行する請求項16記載の姿勢制御システム。 - 【請求項18】 前記第3の手段は反動ホイールを含んでいる請求項2記載
の姿勢制御システム。 - 【請求項19】 前記反動質量は、可撓性サスペンションを介して前記宇宙
船に取付けられている請求項18記載の姿勢制御システム。 - 【請求項20】 さらに、宇宙船の方位設定を容易にするために第1の力を
前記反動質量に与える第1の力アクチュエータを含んでいる請求項18記載の姿
勢制御システム。 - 【請求項21】 さらに、宇宙船の方位設定を容易にするために第2の力を
前記反動質量に与える第2の力アクチュエータを含んでいる請求項20記載の姿
勢制御システム。 - 【請求項22】 前記第1および第2の力アクチュエータの少なくとも一方
は音声コイルアクチュエータである請求項21記載の姿勢制御システム。 - 【請求項23】 前記第1および第2の力アクチュエータは、操縦制御信号
の受信に応答してそれぞれ第1および第2の力を選択的に生成する請求項21記
載の姿勢制御システム。 - 【請求項24】 さらに、コンピュータ上で実行する宇宙船操縦ソフトウェ
アを含み、前記コンピュータはジャイロセンサパッケージと通信し、前記操縦制
御信号を発生する請求項23記載の姿勢制御システム。 - 【請求項25】 前記質量は記憶セクションを含んでいる請求項1記載の姿
勢制御システム。 - 【請求項26】 前記質量は、前記宇宙船の慣性モーメントと同程度の慣性
モーメントを有している請求項25記載の姿勢制御システム。 - 【請求項27】 前記宇宙船は人工衛星である請求項26記載の姿勢制御シ
ステム。 - 【請求項28】 前記人工衛星はバスセクションおよびペイロードセクショ
ンを含んでいる請求項27記載の姿勢制御システム。 - 【請求項29】 前記質量は前記バスセクションを含んでいる請求項28記
載の姿勢制御システム。 - 【請求項30】 宇宙船の慣性モーメントと同程度の慣性モーメントを有す
る質量と、 前記宇宙船の全モーメントがほぼゼロになるように前記質量を選択的に回転さ
せる第1の手段と、 宇宙船の内力を与えることにより前記宇宙船を方向付ける第2の手段とを具備
している宇宙船の方位を調節するシステム。 - 【請求項31】 宇宙船の慣性モーメントと同程度の慣性モーメントを有す
る質量と、 前記宇宙船の全運動量がほぼゼロになるように前記質量を選択的に回転させる
第1の制御ループと、 宇宙船の内力を与えることにより前記宇宙船を方向付ける第2の制御ループと
を具備している宇宙船の方位を調節するシステム。 - 【請求項32】 ペイロードと、 衛星制御ソフトウェアを実行するコンピュータと、 制御信号を受信し、前記制御信号を前記コンピュータに供給するアンテナとを
具備し、前記コンピュータが第1および第2の出力制御信号を供給し、 さらに、前記第1の出力制御信号により制御される逆回転するBapta機構
によって前記宇宙船の運動量を消去する第1の手段と、 前記第2の出力制御信号に応答して宇宙船の内力を与えることにより前記宇宙
船を方向付ける第2の手段とを具備している経済的で軽量な衛星。 - 【請求項33】 前記第1の手段は、前記コンピュータ上で実行される制御
ソフトウェアによる前記第1の出力制御信号の構成を容易にするために第1のフ
ィードバック入力を前記コンピュータに供給する手段を含んでいる請求項32記
載の衛星。 - 【請求項34】 前記第2の手段は、前記コンピュータ上で実行される制御
ソフトウェアによる前記第2の出力制御信号の構成を容易にするために第2のフ
ィードバック入力を前記コンピュータに供給する手段を含んでいる請求項32記
載の衛星。 - 【請求項35】 宇宙船の全運動量を消去するのに十分な速度において宇宙
船の質量の慣性モーメントと同程度の慣性モーメントを有する質量を選択的に回
転させ、 宇宙船の内力を与えることにより前記宇宙船の方位を設定するステップを含ん
でいる宇宙船の方位の調節方法。
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