JP2006008132A - Posture controller for artificial satellite - Google Patents

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克彦 山田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a posture controller for an artificial satellite which posture controller changes the posture of the satellite at high speed, utilizing a large output torque from a thruster, and at the same time stabilizes the satellite quickly after the posture change, utilizing continuous output torques from a wheel. <P>SOLUTION: The posture controller comprises a posture control feedforward calculation section which calculates a feedforward control torque on the basis of an output from a posture angle target generating section and converts the feedforward control torque into a thruster drive signal to put it out, the thruster which is used as an actuator for controlling the posture of the satellite by an external force and controls the posture of the satellite on the basis of the thruster drive signal, a posture control feedback calculation section which receives feedback of a posture angle of the satellite, calculates a feedback posture control torque on the basis of a posture angle feedback output and a posture angle target, and converts the feedback posture control torque into a wheel drive signal to put it out, and the wheel which is used as an actuator for controlling the posture of the satellite by an internal force and controls the posture of the satellite on the basis of the wheel drive signal. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、人工衛星の姿勢変更を高速に行う人工衛星の姿勢制御装置に関するものである。   The present invention relates to an attitude control device for an artificial satellite that changes the attitude of the artificial satellite at high speed.

図7は、例えば特開平06−72396号公報に示されたもので、スラスタを用いて人工衛星の姿勢制御を行いつつ構造振動の励起を抑える人工衛星の姿勢制御装置の動作原理を示した説明図である。   FIG. 7, which is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-72396, shows the operating principle of an attitude control device for an artificial satellite that suppresses excitation of structural vibration while controlling the attitude of the artificial satellite using a thruster. FIG.

構造振動モードをもつ人工衛星に対してスラスタによりパルス入力を与える場合、スラスタのパルス噴射により主に低周波数の振動モードが励起される。この低周波数の振動の励起を抑えるためには、振動の1/2周期後に同じだけのパルス入力を与えてやればよい。このことにより、いわゆるデッドビート制御となって、パルス入力後の低周波数の振動は抑えられる。   When applying a pulse input by a thruster to an artificial satellite having a structural vibration mode, a vibration mode of a low frequency is mainly excited by a pulse injection of the thruster. In order to suppress the excitation of this low frequency vibration, the same pulse input may be given after ½ period of the vibration. As a result, so-called dead beat control is performed, and low-frequency vibration after pulse input is suppressed.

さらに、人工衛星がより高周波数の振動モードをもつ場合を考えると、最初のパルスと低周波数の振動の1/2周期後のパルスを高周波数の振動モードの周期にあわせて分割することが考えられる。たとえば図7に示すように、各パルスを3分割して3分割したパルスの間隔を高周波数の振動モードの1/3周期に設定すれば、高周波数の振動モードに対してもデッドビート制御を達成することができる。   Furthermore, considering the case where the satellite has a higher frequency vibration mode, it is possible to divide the first pulse and the pulse after 1/2 period of the low frequency vibration in accordance with the period of the high frequency vibration mode. It is done. For example, as shown in FIG. 7, if each pulse is divided into three and the pulse interval is set to 1/3 period of the high-frequency vibration mode, deadbeat control is performed even for the high-frequency vibration mode. Can be achieved.

また、図8は「航空宇宙工学便覧」(日本航空宇宙学会編、丸善、p.1020(1992))に示された説明文をもとに、従来のホイールとスラスタを併用する人工衛星の姿勢制御装置の動作原理を説明するための構成図である。
図8において、1は人工衛星本体、2は人工衛星本体1の姿勢制御のための演算を行う姿勢制御演算部、3は人工衛星本体1の姿勢制御をローターの反作用トルクすなわち内力で行うアクチュエータのホイール、12は人工衛星本体1の姿勢制御をガスの噴射すなわち外力で行うアクチュエータのスラスタ、13はホイール角運動量の値からスラスタ駆動信号を発生するスラスタ駆動演算部、14は人工衛星の姿勢角及び姿勢角速度を推定するための演算を行う姿勢推定演算部である。
Fig. 8 shows the attitude of an artificial satellite using both a conventional wheel and thruster based on the explanatory text shown in "Aerospace Engineering Handbook" (edited by the Japan Aerospace Society, Maruzen, p. 1020 (1992)). It is a block diagram for demonstrating the operation principle of a control apparatus.
In FIG. 8, 1 is an artificial satellite body, 2 is an attitude control calculation unit that performs calculations for attitude control of the artificial satellite body 1, and 3 is an actuator that performs attitude control of the artificial satellite body 1 with the reaction torque of the rotor, that is, internal force. Wheel, 12 is an actuator thruster that controls the attitude of the satellite body 1 by gas injection, that is, external force, 13 is a thruster drive arithmetic unit that generates a thruster drive signal from the wheel angular momentum value, and 14 is the attitude angle of the satellite. It is a posture estimation calculation unit that performs a calculation for estimating a posture angular velocity.

次に、上記構成に係る動作について説明する。
人工衛星本体1の姿勢制御では、通常、姿勢推定演算部14から出力される姿勢角や姿勢角速度をフィードバックして、姿勢制御演算部2においてその姿勢角が目標値(図の場合には0)になるように必要なPD(比例微分)制御などの制御演算を行い、ホイール駆動信号を発生してホイール3を駆動する。人工衛星に対して外乱が作用すると、その外乱の作用を打ち消して人工衛星本体1の姿勢を保つためにホイール3は駆動されることになるが、外乱の性質によってはホイール3のもつ角運動量が許容値以上に高まる可能性がある。そこで、ホイール3のもつ角運動量をスラスタ駆動演算部13に入力し、ホイール3のもつ角運動量がある値を超えないようにスラスタ12を駆動して、ホイール3のもつ角運動量を放出するような制御動作が同時に行われる。
Next, the operation according to the above configuration will be described.
In the attitude control of the artificial satellite body 1, normally, the attitude angle and attitude angular velocity output from the attitude estimation calculation unit 14 are fed back, and the attitude control calculation unit 2 sets the attitude angle to a target value (0 in the figure). The control calculation such as PD (proportional differentiation) control necessary to be performed is performed to generate a wheel drive signal to drive the wheel 3. When a disturbance acts on the artificial satellite, the wheel 3 is driven to cancel the action of the disturbance and maintain the posture of the artificial satellite body 1, but the angular momentum of the wheel 3 depends on the nature of the disturbance. There is a possibility that it will increase beyond the allowable value. Therefore, the angular momentum of the wheel 3 is input to the thruster drive calculation unit 13, and the thruster 12 is driven so that the angular momentum of the wheel 3 does not exceed a certain value, thereby releasing the angular momentum of the wheel 3. Control operations are performed simultaneously.

また、図9は「宇宙工学入門」(茂原正道著、培風館、pp.149−150(1994))に示された説明文をもとに、姿勢センサの出力と姿勢角速度センサの出力とから人工衛星の姿勢角と姿勢角速度を推定する従来の人工衛星の姿勢推定演算部14の動作原理を説明するための構成図である。
図9において、15は姿勢センサ、16は低速モードの角速度センサ、17は高速モードの角速度センサ、18は低速モードの角速度センサ16のバイアス推定部、19は高速モードの角速度センサ17のバイアス推定部、20は定常姿勢時姿勢推定部、21は姿勢変更時姿勢推定部である。
Further, FIG. 9 is an artificial image from the output of the attitude sensor and the output of the attitude angular velocity sensor based on the explanatory text shown in “Introduction to Space Engineering” (written by Masamichi Mobara, Bafukan, pp. 149-150 (1994)). It is a block diagram for demonstrating the operation | movement principle of the attitude estimation calculating part 14 of the conventional artificial satellite which estimates the attitude angle and attitude | position angular velocity of a satellite.
In FIG. 9, 15 is an attitude sensor, 16 is an angular velocity sensor in a low speed mode, 17 is an angular velocity sensor in a high speed mode, 18 is a bias estimation unit of the angular velocity sensor 16 in a low speed mode, and 19 is a bias estimation unit of the angular velocity sensor 17 in a high speed mode. , 20 is a posture estimation unit at the normal posture, and 21 is a posture estimation unit at the time of posture change.

次に、上記構成に係る動作について説明する。
通常の運用形態では、人工衛星1は定常姿勢を保つように制御される。このような定常姿勢時において想定される人工衛星の姿勢角速度は小さく、用いられる低速モードの角速度センサ16は、計測範囲を狭めて検出精度を高めることが通例である。角速度センサ16の出力を積分すると角速度変化が得られる。これに姿勢角の初期値を加えて姿勢角が得られる。
Next, the operation according to the above configuration will be described.
In a normal operation mode, the artificial satellite 1 is controlled so as to maintain a steady posture. The attitude angular velocity of the artificial satellite assumed in such a normal attitude is small, and the angular velocity sensor 16 in the low-speed mode that is used usually has a narrow measurement range to improve detection accuracy. When the output of the angular velocity sensor 16 is integrated, a change in angular velocity is obtained. The initial value of the posture angle is added to this to obtain the posture angle.

この姿勢角の初期値には、姿勢センサ15の出力が用いられる。しかし、長時間にわたって角速度センサ16の出力を積分すると、角速度センサ16の出力に含まれるバイアス的な誤差成分の影響が顕著に現れる。そこで、姿勢角の推定値と姿勢センサ15の出力を比較して、バイアス推定部18でバイアス的な誤差成分を推定する。角速度センサ16の出力からバイアス的な誤差成分の推定値を引いて姿勢角速度の推定値αを得、さらに姿勢角速度の推定値αを積分して姿勢角の推定値θを得る。以上が、定常姿勢時姿勢推定部20の動作である。   The output of the posture sensor 15 is used as the initial value of the posture angle. However, when the output of the angular velocity sensor 16 is integrated over a long period of time, the influence of a bias-like error component included in the output of the angular velocity sensor 16 appears significantly. Therefore, the estimated value of the posture angle is compared with the output of the posture sensor 15, and the bias estimation unit 18 estimates a bias-like error component. The estimated value α of the bias angle is subtracted from the output of the angular velocity sensor 16 to obtain the estimated value α of the posture angular velocity, and the estimated value α of the posture angular velocity is integrated to obtain the estimated value θ of the posture angle. The above is the operation of the posture estimation unit 20 in the steady posture.

一方、軌道制御のために慣性空間におけるスラスタの軸方向を変更する、あるいは観測のために慣性空間におけるミッションセンサの指向軸を変更する、など人工衛星1の姿勢を変更する運用形態がある。このような姿勢変更時において想定される人工衛星の姿勢角速度は大きく、用いられる高速モードの角速度センサ17は、検出精度を落として計測範囲を広げることが通例である。定常姿勢時姿勢推定部20と同様に、角速度センサ17の出力を積分すると角速度変化が得られる。これに姿勢角の初期値を加えて姿勢角が得られる。   On the other hand, there is an operation mode in which the attitude of the artificial satellite 1 is changed, such as changing the axial direction of the thruster in the inertial space for orbit control or changing the directional axis of the mission sensor in the inertial space for observation. The attitude angular velocity of the artificial satellite assumed at the time of such an attitude change is large, and the angular velocity sensor 17 of the high-speed mode to be used usually decreases the detection accuracy and widens the measurement range. Similar to the posture estimation unit 20 in the steady posture, the angular velocity change is obtained by integrating the output of the angular velocity sensor 17. The initial value of the posture angle is added to this to obtain the posture angle.

この姿勢角の初期値には、運用形態を切り替える前の定常姿勢時姿勢推定部20の姿勢角の推定値の最終値が用いられる。姿勢変更時には、姿勢センサ15の視野から検出対象が外れてしまったり、姿勢センサ15の使用可能な帯域を越えてしまったりして、姿勢センサ15の出力を使用できないことが考えられる。そこで、角速度センサ17の出力に含まれるバイアス的な誤差成分を補正するためにバイアス推定部19では、地上試験や軌道上のこれまでの運用で取得されたデータをオフラインで処理して求めたキャリブレーションデータを利用する。これにより、姿勢変更中においても姿勢角および姿勢角速度を推定可能である。以上が姿勢変更時姿勢推定部21の動作である。   As the initial value of the posture angle, the final value of the posture angle estimated value of the posture estimation unit 20 in the normal posture before switching the operation mode is used. When the posture is changed, it is conceivable that the output of the posture sensor 15 cannot be used because the detection target is out of the field of view of the posture sensor 15 or the usable bandwidth of the posture sensor 15 is exceeded. Therefore, in order to correct a bias-like error component included in the output of the angular velocity sensor 17, the bias estimation unit 19 performs calibration obtained by processing the data acquired in the above-described operation on the ground test or orbit offline. Use the action data. Thereby, the posture angle and the posture angular velocity can be estimated even during the posture change. The above is the operation of the posture estimation unit 21 at the time of posture change.

姿勢推定演算部14は、運用形態に応じて定常姿勢時姿勢推定部20または姿勢変更時姿勢推定部21のいずれかを選択し、姿勢角の推定値θと姿勢角速度の推定値αを姿勢制御フィードバック演算部7に出力する。   The posture estimation calculation unit 14 selects either the posture estimation unit 20 during steady posture or the posture estimation unit 21 during posture change according to the operation mode, and performs posture control on the posture angle estimation value θ and the posture angular velocity estimation value α. Output to the feedback calculation unit 7.

特開平06−72396号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-72396 「航空宇宙工学便覧」(日本航空宇宙学会編、丸善、p.1020(1992))"Aerospace Engineering Handbook" (Japan Aerospace Society, edited by Maruzen, p. 1020 (1992)) 「宇宙工学入門」(茂原正道著、培風館、pp.149−150(1994))“Introduction to Space Engineering” (Masahara Mobara, Bafukan, pp. 149-150 (1994))

従来の人工衛星の姿勢制御装置は、以上のようにパルス的に姿勢制御トルクを与える場合を前提として考えられているので、姿勢角加速度の発生もパルス的になり、大姿勢角変更時のようにある程度の長い時間姿勢角加速度を発生する必要のある場合には対応できないという問題点があった。また、従来の姿勢制御の方法は、構造振動の励起を抑えることを主として考えているので、構造振動の存在により剛体的な姿勢角に誤差の生じうることについては、対策が講じられていないという問題点があった。   Since conventional attitude control devices for artificial satellites are considered on the premise that attitude control torque is applied in a pulsed manner as described above, the generation of attitude angular acceleration is also pulsed, as in the case of a large attitude angle change. However, there is a problem that it is not possible to cope with the case where the posture angular acceleration needs to be generated for a long time. In addition, since the conventional attitude control method mainly considers suppressing the excitation of structural vibration, no measures are taken for the possibility that an error occurs in the rigid attitude angle due to the presence of structural vibration. There was a problem.

また、スラスタ12とホイール3を併用して姿勢制御を行う場合には、スラスタ12はホイール3の角運動量を放出するためだけに用いられるので、スラスタ12によって発生しうる大きな姿勢制御トルクを利用しきれておらず、スラスタ12を用いても、ホイール3だけを用いる場合と同程度の速度でしか姿勢変更を行えないという問題点があった。   Further, when attitude control is performed using both the thruster 12 and the wheel 3, the thruster 12 is used only for releasing the angular momentum of the wheel 3, so that a large attitude control torque that can be generated by the thruster 12 is used. There is a problem that even if the thruster 12 is used, the posture can be changed only at the same speed as when only the wheel 3 is used.

さらに、従来の人工衛星の姿勢制御装置は、定常姿勢時姿勢推定部20、21の姿勢角の初期値として姿勢センサ15の出力を用いることを前提としているため、姿勢変更時から定常姿勢時に運用形態が切り替わった直後に姿勢角の推定値が不連続に変化する。この変化の大きさによっては姿勢制御系の指令値が大きく変化し、場合によっては構造振動モードを励起するなど、定常姿勢を開始してから姿勢が整定するまでには、ある程度の時間をかけざるをえない。一方、姿勢変更後も姿勢変更時と同じセンサ構成で姿勢および姿勢角速度を推定する場合には、高速モードの角速度センサ17の出力を用いるため十分な精度を得ることができない。このように、姿勢変更後に速やかにかつ高い精度で姿勢を整定させることができないという問題点があった。   Furthermore, since the conventional satellite attitude control device is based on the assumption that the output of the attitude sensor 15 is used as the initial value of the attitude angle of the attitude estimation units 20 and 21 in the steady attitude, it is operated from the attitude change to the steady attitude. Immediately after the form is switched, the estimated value of the posture angle changes discontinuously. Depending on the magnitude of this change, the command value of the attitude control system changes greatly. In some cases, it takes some time to stabilize the attitude after starting the steady attitude, such as exciting the structural vibration mode. I won't. On the other hand, when the posture and the posture angular velocity are estimated with the same sensor configuration as the posture change after the posture change, the output of the angular velocity sensor 17 in the high speed mode is used, so that sufficient accuracy cannot be obtained. As described above, there is a problem in that the posture cannot be set quickly and with high accuracy after the posture change.

この発明は、上述した従来例に係る問題点を解決するためになされたもので、姿勢角加速度の生じる時間を長くとることが必要な場合にも、人工衛星のもつ構造振動の励起を抑え、かつ構造振動の存在により人工衛星の剛体的な姿勢角に無視できない誤差の生じるような場合にも対処しうる、人工衛星の姿勢制御装置を得ることを目的としている。   The present invention was made to solve the problems associated with the above-described conventional example, and suppresses excitation of structural vibration of an artificial satellite even when it is necessary to take a longer time for occurrence of attitude angular acceleration, Another object of the present invention is to obtain an attitude control device for an artificial satellite that can cope with a case where a non-negligible error occurs in the rigid attitude angle of the artificial satellite due to the presence of structural vibration.

また、スラスタとホイールを併用して姿勢変更を行う場合には、スラスタの大きな出力トルクを活用して高速の姿勢変更を行い、同時にホイールの連続的な出力トルクを活用して姿勢変更後すみやかに人工衛星を整定させることのできる、人工衛星の姿勢制御装置を得ることを目的としている。   In addition, when changing the posture using both the thruster and the wheel, use the large output torque of the thruster to change the posture at high speed, and at the same time, use the continuous output torque of the wheel to quickly change the posture. The object is to obtain an attitude control device for an artificial satellite capable of setting the artificial satellite.

さらに、姿勢変更を行った後に精度の高い低速モードの角速度センサの出力を用いる運用形態に切り替えても、姿勢角の推定値が不連続になることなく速やかに姿勢を整定させることのできるとともに、人工衛星本体とは独立に指向制御機構を持つアンテナや観測センサ等のミッション機器を高精度に指向制御できる人工衛星の姿勢制御装置を得ることを目的としている。   Furthermore, even after switching to an operation mode that uses the output of the angular velocity sensor in the low-speed mode with high accuracy after performing the posture change, the posture angle can be quickly settled without the estimated value of the posture angle becoming discontinuous, The purpose is to obtain an attitude control device for an artificial satellite capable of controlling the direction of a mission device such as an antenna or an observation sensor having a directivity control mechanism with high accuracy independently of the main body of the artificial satellite.

この発明に係る人工衛星の姿勢制御装置は、人工衛星の姿勢変更を高速に行う人工衛星の姿勢制御装置において、人工衛星本体を姿勢制御する姿勢制御手段として、人工衛星の姿勢変更にともなう慣性力を補償すべく上記姿勢角目標値発生部からの出力に基づいてフィードフォワード制御トルクを求めスラスタ駆動信号に変換して出力する姿勢制御フィードフォワード演算部と、上記人工衛星の姿勢制御を外力で行うアクチュエータとして用いられ、上記姿勢制御フィードフォワード演算部からのスラスタ駆動信号に基づいて人工衛星の姿勢制御を行うスラスタと、上記人工衛星の姿勢角をフィードバックして上記姿勢角目標値発生部からの姿勢角の目標値との誤差を低減すべく姿勢角のフィードバック出力と姿勢角の目標値とに基づいてフィードバック姿勢制御トルクを求めホイール駆動信号に変換して出力する姿勢制御フィードバック演算部と、上記人工衛星の姿勢制御を内力で行うアクチュエータとして用いられ、上記姿勢制御フィードバック演算部からのホイール駆動信号に基づいて人工衛星の姿勢制御を行うホイールとを備えることを特徴とするものである。   The attitude control device for an artificial satellite according to the present invention is an attitude control device for changing the attitude of an artificial satellite at high speed, and the inertial force accompanying the attitude change of the artificial satellite as an attitude control means for controlling the attitude of the artificial satellite body. The attitude control feedforward arithmetic unit that obtains feedforward control torque based on the output from the attitude angle target value generation unit to compensate for it, converts it into a thruster drive signal and outputs it, and performs attitude control of the artificial satellite with external force A thruster used as an actuator to control the attitude of the artificial satellite based on the thruster drive signal from the attitude control feedforward calculation unit, and the attitude angle from the attitude angle target value generation unit by feeding back the attitude angle of the artificial satellite Based on the posture angle feedback output and the posture angle target value to reduce the error from the angle target value. It is used as an attitude control feedback calculation unit that obtains a back attitude control torque and converts it into a wheel drive signal and outputs it, and an actuator that performs the attitude control of the artificial satellite with an internal force, based on the wheel drive signal from the attitude control feedback calculation unit And a wheel for controlling the attitude of the artificial satellite.

この発明によれば、人工衛星の姿勢変更にともなう慣性力を補償する姿勢制御フィードフォワード演算部と、人工衛星の姿勢角をフィードバックして姿勢角の目標値との誤差を低減する姿勢制御フィードバック演算部とを備え、姿勢制御フィードフォワード演算部のアクチュエータにスラスタを用い、姿勢制御フィードバック演算部のアクチュエータにホイールを用いるようにしたので、高速の姿勢変更に必要となる駆動トルクはおもに高トルク出力が可能なスラスタによって発生することになり、かつスラスタではフィードバック制御を行わないので姿勢制御フィードバックに用いるホイールと干渉することもなく、ホイールだけを用いるよりも高速の姿勢変更が可能になり、姿勢変更後速やかに人工衛星を整定することができるという効果がある。   According to the present invention, the attitude control feedforward calculation unit that compensates the inertial force accompanying the attitude change of the artificial satellite, and the attitude control feedback calculation that reduces the error of the attitude angle target value by feeding back the attitude angle of the artificial satellite A thruster is used for the actuator of the attitude control feedforward calculation unit and a wheel is used for the actuator of the attitude control feedback calculation unit, so the driving torque required for high-speed attitude change is mainly high torque output. The thruster does not interfere with the wheel used for attitude control feedback because the thruster does not perform feedback control, and it is possible to change the attitude faster than using only the wheel. The effect of being able to quickly set the satellite There is.

実施の形態1.
この発明の実施の形態1に係る人工衛星の姿勢制御装置を図1および図2を参照しながら説明する。
図1は、この発明の実施の形態1に係る人工衛星の姿勢制御装置の構成を示すブロック図であり、また、図2はこの発明の実施の形態1に係る人工衛星の姿勢制御装置の姿勢角目標値発生部の動作を説明する図である。なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
Embodiment 1 FIG.
An attitude control device for an artificial satellite according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an attitude control device for an artificial satellite according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 shows an attitude of the attitude control device for an artificial satellite according to Embodiment 1 of the present invention. It is a figure explaining operation | movement of an angle target value generation part. In addition, in each figure, the same code | symbol shows the same or equivalent part.

図1において、1は人工衛星本体、3は人工衛星本体1の姿勢制御をローターの反作用トルクすなわち内力で行うアクチュエータであるホイール、7は姿勢角変更の目標値と実際の姿勢角とから人工衛星の姿勢制御にとって必要となる演算を行う姿勢制御フィードバック演算部、8は姿勢角変更の目標値から姿勢変更に必要となるホイール駆動トルクをあらかじめ求める姿勢制御フィードフォワード演算部を示し、これらホイール3、姿勢制御フィードバック演算部7、姿勢制御フィードフォワード演算部8及び姿勢推定演算部14の構成により、姿勢角、姿勢角速度、姿勢角加速度の目標値に基づいて人工衛星本体1の姿勢制御を行う姿勢制御手段を構成している。   In FIG. 1, 1 is an artificial satellite body, 3 is a wheel which is an actuator for controlling the attitude of the artificial satellite body 1 by a reaction torque of the rotor, that is, an internal force, and 7 is an artificial satellite based on a target value for changing the attitude angle and an actual attitude angle. An attitude control feedback calculation unit 8 that performs calculations necessary for attitude control of the vehicle, and 8 indicates an attitude control feedforward calculation unit that obtains in advance a wheel drive torque necessary for attitude change from a target value of attitude angle change. Attitude control that performs attitude control of the satellite body 1 based on target values of attitude angle, attitude angular velocity, and attitude angular acceleration by the configuration of the attitude control feedback calculator 7, attitude control feedforward calculator 8, and attitude estimation calculator 14. Means.

また、9は姿勢角変更終了時に構造振動の励起も抑えるような、最終段階での姿勢角変更の角加速度目標値を求めるデッドビートパターン発生部、10は姿勢角変更における姿勢角、姿勢角速度、姿勢角加速度の目標値を求める姿勢角目標値発生部である。   Further, 9 is a dead beat pattern generation unit for obtaining an angular acceleration target value of the posture angle change at the final stage so as to suppress excitation of structural vibration at the end of the posture angle change, and 10 is a posture angle, posture angular velocity in the posture angle change, It is a posture angle target value generation unit for obtaining a target value of posture angular acceleration.

次に、実施の形態1の動作について説明する。
人工衛星本体1が姿勢角変更を行う場合、通常は姿勢角速度に対する台形速度パターンが用いられる。これは、ある一定角加速度で姿勢角速度を増速し、次に加速度を零として一定角速度で姿勢角を変更し、最後に一定角加速度で減速して角速度が零となったところで、姿勢角変更を終えるというものである。このときの角速度の時間的な変化パターンが台形状になることから台形速度パターンと呼ばれる。ところが、このパターンで姿勢角変更の目標値を生成する場合、人工衛星本体1に無視できない構造振動が存在すると姿勢角変更を終えた時点で構造振動が励起されることにもなる。以下にこれを説明する。
Next, the operation of the first embodiment will be described.
When the artificial satellite body 1 changes the attitude angle, a trapezoidal velocity pattern with respect to the attitude angular velocity is usually used. This is to increase the posture angular velocity at a certain angular acceleration, then change the posture angle at a constant angular velocity with zero acceleration, and finally change the posture angle when the angular velocity becomes zero by decelerating at a constant angular acceleration. Is to finish. Since the temporal change pattern of the angular velocity at this time becomes a trapezoid, it is called a trapezoidal velocity pattern. However, when the target value for changing the attitude angle is generated in this pattern, if there is a structural vibration that cannot be ignored in the satellite body 1, the structural vibration is also excited when the attitude angle change is completed. This will be described below.

人工衛星本体1の主要な構造振動モードが1つだけの場合について考えると、その運動方程式は次式(1)のように単純化できる。
2x/dt2+2ζωdx/dt+ω2x=f (1)
ここで、xは主要な振動モードの振動振幅、d2x/dt2 はxの2階時間微分、dx/dtはxの1階時間微分、ωは固有振動数、ω2 は固有振動数ωの二乗、ζは減衰係数、fは一定角加速度で人工衛星本体1が姿勢変更するに際して主要な振動モードに働く慣性力である。
Considering the case where there is only one main structural vibration mode of the artificial satellite body 1, the equation of motion can be simplified as the following equation (1).
d 2 x / dt 2 + 2ζωdx / dt + ω 2 x = f (1)
Where x is the vibration amplitude of the main vibration mode, d 2 x / dt 2 is the second-order time derivative of x, dx / dt is the first-order time derivative of x, ω is the natural frequency, and ω 2 is the natural frequency. The square of ω, ζ is a damping coefficient, and f is an inertial force acting on a main vibration mode when the satellite body 1 changes its attitude at a constant angular acceleration.

今、姿勢角加速度がある一定値から別の一定値に変化する場合を考える。それにともなって慣性力fもf1からf2に変化するものとする。
構造振動の減衰係数ζが姿勢制御系の働きによってある程度大きな場合を想定すると、姿勢角加速度が変化する直前の状態では、構造振動の振動振幅xはほぼ一定値になっていると考えてよい。その値をx0とするとx0の値は上式から次のように求められる。
0=f1/ω2 (2)
Consider a case where the posture angular acceleration changes from one constant value to another constant value. Accordingly, the inertial force f is also changed from f 1 to f 2 .
Assuming that the structural vibration attenuation coefficient ζ is large to some extent due to the action of the posture control system, it may be considered that the vibration amplitude x of the structural vibration is substantially constant immediately before the posture angular acceleration changes. The value of x 0 when the value and x 0 is determined from the above equation as follows.
x 0 = f 1 / ω 2 (2)

さて、構造振動の振動振幅xが上記の値で一定値をとっている状態から慣性力fがf1からf2に変化すると、変化する時点を時刻t=0としてそれ以降のxの値x(t)は式(1)から次のように求められる。
x(t)=f2/ω2−[exp(−ζωt){ω(1−ζ2)cos(Ωt) +ζΩsin(Ωt)}/ω3/(1−ζ2)]×(f2−f1
(3)
ただし、Ω=sqrt(1−ζ2)ωであり、expは自然対数の底eのべき乗、sqrtは平方根の意味である。
Now, when the inertial force f changes from f 1 to f 2 from the state where the vibration amplitude x of the structural vibration is the above value and takes a constant value, the time of change is set as time t = 0 and the value x of the subsequent x (T) is obtained from equation (1) as follows.
x (t) = f 2 / ω 2 − [exp (−ζωt) {ω (1-ζ 2 ) cos (Ωt) + ζΩsin (Ωt)} / ω 3 / (1-ζ 2 )] × (f 2 − f 1 )
(3)
However, Ω = sqrt (1-ζ 2 ) ω, exp is a power of the base e of the natural logarithm, and sqrt is a square root.

たとえば姿勢角加速度がある一定値から零に変化する場合を考えると、変化後は姿勢角加速度にともなう慣性力も零となるから、式(3)において、f2は零となるが、この場合にも式(3)から明らかなように、x(t)は零とはならない。すなわち、姿勢変更の最終状態において、姿勢角加速度をある一定値から零にするような台形速度パターンの場合、姿勢角変更を終了した時点で、構造振動は零にならずに振動が持続していることになる。この振動が持続すると、人工衛星本体1の姿勢角も振動的になるため、高い姿勢精度を達成することは困難になる。 For example, considering the case where the posture angular acceleration changes from a certain value to zero, the inertial force accompanying the posture angular acceleration becomes zero after the change, and therefore f 2 is zero in equation (3). As is clear from Equation (3), x (t) is not zero. That is, in the final state of posture change, in the case of a trapezoidal velocity pattern in which the posture angular acceleration is reduced from a certain value to zero, when the posture angle change is finished, the structural vibration does not become zero and the vibration continues. Will be. If this vibration continues, the attitude angle of the artificial satellite body 1 becomes oscillating, which makes it difficult to achieve high attitude accuracy.

そのため、デッドビートパターン発生部9において、最終段階における姿勢角加速度の目標値を以下のように発生する。
まず、式(3)の時間微分をとってt=π/Ωとすると、時間微分dx/dtの値が零になることがわかる。すなわち、振動の半周期後において、構造振動の振動振幅の時間微分は零になる。したがって、この同じ時刻において、xの値も零になるように半周期の間の慣性力f2を設定し、それ以後の慣性力を零となるようにすれば、慣性力が零となった時点で構造振動の振動振幅xとその時間微分dx/dtがともに零となっているので、それ以降は、構造振動の生じないデッドビートの状態が達成されることになる。この条件を満たす慣性力f2の値は式(3)から次のように求めることができる。
2=exp(−ζωπ/Ω)/{1+exp(−ζωπ/Ω)}×f1
(4)
Therefore, the dead beat pattern generation unit 9 generates the target value of the posture angular acceleration at the final stage as follows.
First, when the time derivative of equation (3) is taken to be t = π / Ω, it can be seen that the value of the time derivative dx / dt becomes zero. That is, after a half cycle of vibration, the time derivative of the vibration amplitude of the structural vibration becomes zero. Therefore, at this same time, if the inertial force f 2 during the half cycle is set so that the value of x is also zero, and the inertial force thereafter is zero, the inertial force becomes zero. Since the vibration amplitude x of the structural vibration and its time differential dx / dt are both zero at the time, a deadbeat state in which no structural vibration occurs is achieved thereafter. The value of the inertial force f 2 that satisfies this condition can be obtained from the equation (3) as follows.
f 2 = exp (−ζωπ / Ω) / {1 + exp (−ζωπ / Ω)} × f 1
(4)

構造振動に作用する慣性力は姿勢角加速度の値に比例するから、姿勢角加速度の値が、姿勢変更の最終段階において、振動の半周期に相当するπ/Ωの期間、式(4)のf2とf1の比を満たすように減少すればよいことになる。
デッドビートパターン発生部9の働きは、姿勢角加速度の減少する割合と、減少した姿勢角加速度の持続する期間を求めることである。
Since the inertial force acting on the structural vibration is proportional to the value of posture angular acceleration, the value of posture angular acceleration is a period of π / Ω corresponding to a half cycle of vibration in the final stage of posture change. it is sufficient to decrease so as to satisfy the ratio of f 2 and f 1.
The function of the dead beat pattern generation unit 9 is to obtain a rate of decrease in posture angular acceleration and a duration during which the decreased posture angular acceleration lasts.

デッドビートパターン発生部9で上記の値が得られれば、姿勢角目標値発生部10では、姿勢変更したい角度と時間、およびデッドビートパターン発生部9の最終的な角加速度のパターンとから、姿勢変更のための角加速度の時間的な変化(目標値)を定める。この角加速度は、通常の台形速度パターンの角加速度を若干変更したものとして得られる。また、角加速度の目標値が得られれば、それを時間積分することによって角速度の目標値および角度の目標値が得られることになる。   If the above value is obtained by the dead beat pattern generation unit 9, the posture angle target value generation unit 10 determines the posture from the angle and time to change the posture and the final angular acceleration pattern of the dead beat pattern generation unit 9. A change in time (target value) of angular acceleration for change is determined. This angular acceleration is obtained by slightly changing the angular acceleration of a normal trapezoidal velocity pattern. If the target value of angular acceleration is obtained, the target value of angular velocity and the target value of angle can be obtained by time integration.

このときの様子を図2に示す。
図2において、上段の図が姿勢角加速度の目標値であり、Aに示す箇所がデッドビートパターン発生部9によって得られた角加速度の変化分である。
上述したように、姿勢変更終了の直前において、構造振動の半周期分の期間だけ角加速度を式(4)にしたがって減少させるようにする。
この姿勢角加速度の目標値を1階時間積分すると、中段の図のように姿勢角速度の目標値が得られる。また、さらに1階時間積分すると、下段の図のように姿勢角度の目標値が得られる。このように、姿勢角、姿勢角速度、姿勢角加速度の目標値を生成するのが姿勢角目標値発生部10の働きである。
The state at this time is shown in FIG.
In FIG. 2, the upper diagram is the target value of the posture angular acceleration, and the portion indicated by A is the change in angular acceleration obtained by the deadbeat pattern generation unit 9.
As described above, immediately before the end of the posture change, the angular acceleration is decreased according to the equation (4) for a period corresponding to a half cycle of the structural vibration.
When the target value of the posture angular acceleration is integrated for the first floor, the target value of the posture angular velocity is obtained as shown in the middle diagram. Further, when the first-order time integration is performed, a target value of the posture angle is obtained as shown in the lower diagram. Thus, the posture angle target value generating unit 10 generates target values for the posture angle, posture angular velocity, and posture angular acceleration.

姿勢角目標値発生部10から出力された人工衛星本体1の姿勢角と姿勢角速度の目標値は、実際の姿勢角および姿勢角速度との差をとることによって姿勢制御フィードバック演算部7に入力される。姿勢制御フィードバック演算部7では、この差が零になるようにホイール3の駆動トルクを発生する。同時に、姿勢角目標値発生部10から出力された姿勢角、姿勢角速度、姿勢角加速度の目標値は、姿勢制御フィードフォワード演算部8に入力され、あらかじめ姿勢変更に必要なホイール3の駆動トルクを求めて、これを姿勢制御フィードバック演算部7の出力と足しあわせて最終的なホイール3の駆動トルクとする。   The attitude angle and attitude angular velocity target values of the satellite body 1 output from the attitude angle target value generator 10 are input to the attitude control feedback calculator 7 by taking the difference between the actual attitude angle and attitude angular velocity. . The attitude control feedback calculation unit 7 generates the driving torque of the wheel 3 so that this difference becomes zero. At the same time, the posture angle, posture angular velocity, and posture angular acceleration target values output from the posture angle target value generation unit 10 are input to the posture control feedforward calculation unit 8, and the driving torque of the wheel 3 necessary for posture change is obtained in advance. This is obtained and added to the output of the attitude control feedback calculation unit 7 to obtain the final driving torque of the wheel 3.

なお、この実施の形態1では、人工衛星本体1の姿勢制御にホイール3を用いる場合を示したが、スラスタで姿勢制御をする場合であっても同様の効果を奏する。また、デッドビートパターン発生部9において、角加速度の減少する期間が振動周期の半分である場合を示したが、必ずしも振動周期の半分に限定されるわけではなく、角加速度を零にするときに振動振幅とその時間微分が零になるように設定すれば、同様の効果がある。   In the first embodiment, the case where the wheel 3 is used for the attitude control of the artificial satellite body 1 is shown. However, the same effect can be obtained even when the attitude control is performed by the thruster. Further, in the dead beat pattern generation unit 9, the case where the period during which the angular acceleration decreases is half of the vibration period has been shown. However, the period is not necessarily limited to half of the vibration period. If the vibration amplitude and its time derivative are set to be zero, the same effect can be obtained.

従って、上記実施の形態1によれば、主要な構造振動の振動数と減衰係数とから、姿勢変更終了直前で姿勢角加速度の値を段階的に減少させるように姿勢角目標値を設定するようにしたので、姿勢角変更のために、人工衛星に連続的に一定の姿勢角加速度を与えた後、姿勢角変更を終了する時点において、たとえば振動の半周期の期間だけ姿勢角加速度の値を減少させ、ついで姿勢角加速度の値を零として姿勢角変更を停止させることにより、姿勢角変更にともなう姿勢角加速度で励起された人工衛星の主要な構造振動は、姿勢角変更の終了する時点で抑制することができ、姿勢角加速度の生じる時間を長くとることが必要な場合にも、人工衛星のもつ構造振動の励起を抑え、かつ構造振動の存在により人工衛星の剛体的な姿勢角に無視できない誤差の生じるような場合にも対処しうる。   Therefore, according to the first embodiment, the posture angle target value is set so that the posture angular acceleration value is decreased stepwise immediately before the posture change is finished, based on the frequency and damping coefficient of the main structural vibration. Therefore, at the time when the attitude angle change is finished after giving a constant attitude angular acceleration to the satellite continuously to change the attitude angle, for example, the value of the attitude angular acceleration is set for a period of a half cycle of vibration. The main structural vibration of the satellite excited by the attitude angular acceleration accompanying the attitude angle change is reduced when the attitude angle change is completed. Even when it is necessary to suppress the occurrence of attitude angular acceleration for a long time, the excitation of structural vibration of the satellite is suppressed, and the presence of structural vibration ignores the rigid attitude angle of the satellite. Can There may also deal with the case, such as occurs with error.

実施の形態2.
この発明の実施の形態2に係る人工衛星の姿勢制御装置について図3を参照しながら説明する。
図3は、この発明の実施の形態2に係る人工衛星の姿勢制御装置の構成を示すブロック図である。
図3において、図1に示す実施の形態1と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。新たな符号として、11は人工衛星本体1の構造振動を含むダイナミクスとほぼ逆の特性を有する逆特性フィルタ部である。
Embodiment 2. FIG.
An artificial satellite attitude control apparatus according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the attitude control device for an artificial satellite according to Embodiment 2 of the present invention.
In FIG. 3, the same parts as those of the first embodiment shown in FIG. As a new code, reference numeral 11 denotes an inverse characteristic filter unit having characteristics almost opposite to those of dynamics including structural vibration of the satellite body 1.

次に、実施の形態2に係る動作について説明する。
人工衛星において、高速の姿勢変更を行う場合には、姿勢変更を終了した時点において、人工衛星本体1の剛体的な姿勢角にバイアス的な誤差と振動的な誤差の両方が残らないようにすることが必要である。このうち、振動的な誤差に関しては前述した図1に示すデッドビートパターン発生部9の働きによって取り除くことが可能である。しかし、姿勢角のバイアス的な誤差に関しては、これだけでは取り除くことができず、さらに工夫を必要とする。以下にその理由を述べる。
Next, an operation according to Embodiment 2 will be described.
When changing the attitude of an artificial satellite at a high speed, at the time when the attitude change is completed, both a bias error and a vibration error do not remain in the rigid attitude angle of the satellite body 1. It is necessary. Among them, the vibrational error can be removed by the function of the dead beat pattern generation unit 9 shown in FIG. However, it is not possible to remove the bias angle error of the posture angle alone, and further ingenuity is required. The reason is described below.

今、人工衛星本体1の主要な構造振動モードがひとつだけであるとして、その振動振幅、固有振動数、減衰係数を、それぞれx、ω、ζとし、人工衛星本体1の剛体的な姿勢角をθ、人工衛星本体1の慣性モーメントをJとすれば、人工衛星全体の運動方程式は次のように考えることができる。
Jd2θ/dt2+Md2x/dt2=n
Md2θ/dt2+d2x/dt2+2ζωdx/dt+ω2x=0 (5)
この式において、nは人工衛星本体1の駆動トルク、Mは剛体的な姿勢角θと振動振幅xとの力学的な干渉項、d2θ/dt2はθの2階時間微分である。
Now, assuming that there is only one main structural vibration mode of the satellite body 1, its vibration amplitude, natural frequency, and damping coefficient are x, ω, and ζ, respectively, and the rigid attitude angle of the satellite body 1 is If θ and the moment of inertia of the satellite body 1 are J, the equation of motion of the entire satellite can be considered as follows.
Jd 2 θ / dt 2 + Md 2 x / dt 2 = n
Md 2 θ / dt 2 + d 2 x / dt 2 + 2ζωdx / dt + ω 2 x = 0 (5)
In this equation, n is the driving torque of the satellite body 1, M is a dynamic interference term between the rigid attitude angle θ and the vibration amplitude x, and d 2 θ / dt 2 is the second-order time derivative of θ.

ここで、姿勢角θの仮の目標値をθ2とすれば、人工衛星本体1の駆動トルクnはたとえば次のように表すことができる。
n=Jd2θ2/dt2
+kd(dθ2/dt−dθ/dt)+kp(θ2−θ) (6)
上式において、d2θ2/dt2はθ2の2階時間微分、dθ2/dtはθ2の1階時間微分、dθ/dtはθの1階時間微分、kdは姿勢制御の微分制御ゲイン、kpは姿勢制御の比例制御ゲインである。
Here, if the provisional target value of the attitude angle θ is θ 2 , the driving torque n of the artificial satellite body 1 can be expressed as follows, for example.
n = Jd 2 θ 2 / dt 2
+ Kd (dθ 2 / dt−dθ / dt) + kp (θ 2 −θ) (6)
In the above equation, d 2 θ 2 / dt 2 is the second-order time derivative of θ 2 , dθ 2 / dt is the first-order time derivative of θ 2 , dθ / dt is the first-order time derivative of θ, and kd is the derivative of attitude control. The control gain, kp, is a proportional control gain for attitude control.

上式において、右辺第1項は姿勢制御フィードフォワード演算部8の働き、右辺第2項と右辺第3項は姿勢制御フィードバック演算部7の働きに相当する。ここで、駆動トルクnは人工衛星本体1の実際の姿勢角θがその仮の目標値θ2と等しくなるように選ばれたものであるが、振動項xの存在により誤差を生じる。駆動トルクnをもとの運動方程式に代入すると次式となる。
Jd2θ/dt2+kddθ/dt+kpθ+Md2x/dt2
=Jd2θ2/dt2+kddθ2/dt+kpθ2
Md2θ/dt2+d2x/dt2+2ζωdx/dt+ω2x=0 (7)
In the above equation, the first term on the right side corresponds to the action of the attitude control feedforward calculation unit 8, and the second term on the right side and the third term on the right side correspond to the action of the attitude control feedback calculation unit 7. Here, the driving torque n is selected so that the actual attitude angle θ of the artificial satellite body 1 is equal to the provisional target value θ 2 , but an error occurs due to the presence of the vibration term x. When the driving torque n is substituted into the original equation of motion, the following equation is obtained.
Jd 2 θ / dt 2 + kddθ / dt + kpθ + Md 2 x / dt 2
= Jd 2 θ 2 / dt 2 + kddθ 2 / dt + kpθ 2
Md 2 θ / dt 2 + d 2 x / dt 2 + 2ζωdx / dt + ω 2 x = 0 (7)

上式(7)から明らかなように、振動振幅xの影響(Md2x/dt2の項の影響)により姿勢角θはその仮の目標値θ2と等しくはならない。
このバイアス的な誤差を取り除くために、式(7)の逆のシステムを考える。式(7)でθの代わりに姿勢角目標値発生部10の出力θ1を代入して、θ2を左辺に移項すると次のシステムが得られる。
Jd2θ2/dt2+kddθ2/dt+kpθ2−Md2x/dt2
=Jd2θ1/dt2+kddθ1/dt+kpθ1
2x/dt2+2ζωdx/dt+ω2
=−Md2θ1/dt2 (8)
As apparent from the above equation (7), the posture angle θ does not become equal to the temporary target value θ 2 due to the influence of the vibration amplitude x (the influence of the term Md 2 x / dt 2 ).
To remove this bias error, consider the inverse system of equation (7). Substituting the output θ 1 of the attitude angle target value generation unit 10 in place of θ in Equation (7) and moving θ 2 to the left side, the following system is obtained.
Jd 2 θ2 / dt 2 + kddθ 2 / dt + kpθ 2 −Md 2 x / dt 2
= Jd 2 θ 1 / dt 2 + kddθ 1 / dt + kpθ 1
d 2 x / dt 2 + 2ζωdx / dt + ω 2 x
= −Md 2 θ 1 / dt 2 (8)

これは、式(7)においてθとθ1を入れ替えているので、θ1とθ2の関係は式(7)のθ2とθの関係のちょうど逆の関係になっている。したがって、姿勢角目標値発生部10の出力θ1をいったん式(8)によって仮の目標値θ2に変換した後、式(6)のように姿勢制御を行うことにすれば、式(7)と式(8)からθ1とθ2の関係とθ2とθの関係とがちょうどキャンセルされて、実際の姿勢角θは姿勢角目標値発生部10の出力θ1と等しくなる。すなわち、人工衛星本体1に含まれる構造振動の影響を、あらかじめこの人工衛星本体1と逆の特性をもつフィルタを挿入することによって取り除くことができる。この式(8)で表されるθ1を入力してθ2を出力するフィルタを、ここでは逆特性フィルタ部11と呼んでいる。 This is because θ and θ 1 are interchanged in equation (7), and therefore the relationship between θ 1 and θ 2 is just the opposite of the relationship between θ 2 and θ in equation (7). Therefore, if the output θ 1 of the posture angle target value generation unit 10 is once converted into the temporary target value θ 2 by the equation (8) and then the posture control is performed as in the equation (6), the equation (7) ) And Expression (8), the relationship between θ 1 and θ 2 and the relationship between θ 2 and θ are just canceled, and the actual posture angle θ becomes equal to the output θ 1 of the posture angle target value generation unit 10. That is, the influence of the structural vibration included in the artificial satellite body 1 can be removed by inserting a filter having characteristics opposite to those of the artificial satellite body 1 in advance. The filter that inputs θ 1 represented by the equation (8) and outputs θ 2 is called an inverse characteristic filter unit 11 here.

ただし、式(8)において、振動の減衰係数ζが小さい場合にはフィルタが振動的になってしまうので、それを避けるために、逆特性フィルタ部11では人為的に大きな減衰を与えるようにする。そのため、完全にプラントの逆特性が実現されるわけではないが、その場合にも応答を改善する効果がある。   However, in Equation (8), when the vibration attenuation coefficient ζ is small, the filter becomes vibrational. In order to avoid this, the inverse characteristic filter unit 11 artificially gives a large attenuation. . For this reason, the reverse characteristics of the plant are not completely realized, but in that case, there is an effect of improving the response.

なお、この例では、人工衛星本体1の姿勢制御にホイールを用いる場合を示したが、スラスタで姿勢制御をする場合であっても同様の効果を奏する。
また、姿勢角目標値発生部10の前段に、図1に示すデッドビートパターン発生部9を挿入すると、人工衛星本体1の剛体的な姿勢角におけるバイアス的な誤差と振動的な誤差の両方を残らないようにする効果がある。
In this example, the case where the wheel is used for the attitude control of the artificial satellite body 1 is shown, but the same effect can be obtained even when the attitude control is performed by the thruster.
Further, when the deadbeat pattern generation unit 9 shown in FIG. 1 is inserted in front of the attitude angle target value generation unit 10, both a bias error and a vibration error in the rigid attitude angle of the artificial satellite body 1 are obtained. There is an effect to prevent it from remaining.

従って、上記実施の形態2によれば、人工衛星の剛体的な姿勢角に対して与えられた姿勢角変更の目標値を、人工衛星の構造振動を含むダイナミクスとほぼ逆の特性を有する逆特性フィルタ11に通して、人工衛星の最終的な姿勢角変更の目標値とすることにより、人工衛星の構造振動の影響がほぼキャンセルされ、構造振動の影響で人工衛星の剛体的な姿勢角にバイアス的な誤差の発生するのを防ぐことができる。   Therefore, according to the second embodiment, the target value for changing the attitude angle given to the rigid attitude angle of the artificial satellite is set to the inverse characteristic having almost the opposite characteristic to the dynamics including the structural vibration of the artificial satellite. By passing the filter 11 to the target value for the final attitude angle change of the artificial satellite, the influence of the structural vibration of the artificial satellite is almost canceled, and the bias to the rigid attitude angle of the artificial satellite is caused by the influence of the structural vibration. Generation of a typical error can be prevented.

また、姿勢角目標値発生部10の前段に、図1に示すデッドビートパターン発生部9を挿入することにより、人工衛星本体1の剛体的な姿勢角におけるバイアス的な誤差と振動的な誤差の両方を残らないようにする効果がある。   Further, by inserting the dead beat pattern generation unit 9 shown in FIG. 1 before the attitude angle target value generation unit 10, bias errors and vibration errors in the rigid attitude angle of the artificial satellite body 1 can be obtained. It has the effect of not leaving both.

実施の形態3.
この発明の実施の形態3に係る人工衛星の姿勢制御装置について図4を参照しながら説明する。
図4は、この発明の実施の形態3に係る人工衛星の姿勢制御装置の構成を示すブロック図である。
図4において、図1及び図2に示す実施の形態1及び2と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。新たな符号として、12は人工衛星本体1の姿勢制御をガスの噴射すなわち外力で行うアクチュエータであるスラスタである。
Embodiment 3 FIG.
An artificial satellite attitude control apparatus according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the attitude control device for an artificial satellite according to Embodiment 3 of the present invention.
4, the same parts as those in the first and second embodiments shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. As a new code, reference numeral 12 denotes a thruster that is an actuator that performs the attitude control of the satellite body 1 by gas injection, that is, by external force.

次に、実施の形態3の動作について説明する。
人工衛星本体1の高速の姿勢変更を行う場合には、人工衛星本体1の姿勢角をθ、姿勢角目標値発生部10の姿勢角出力をθ2として、式(6)と同様に次式によって人工衛星本体1の姿勢制御トルクnを与える。
n=Jd2θ2/dt2+ジャイロ項+kd(dθ2/dt−dθ/dt)
+kp(θ2−θ) (9)
Next, the operation of the third embodiment will be described.
When changing the attitude of the artificial satellite body 1 at high speed, assuming that the attitude angle of the artificial satellite body 1 is θ and the attitude angle output of the attitude angle target value generation unit 10 is θ 2 , To give the attitude control torque n of the satellite body 1.
n = Jd 2 θ 2 / dt 2 + gyro term + kd (dθ 2 / dt−dθ / dt)
+ Kp (θ 2 −θ) (9)

この式(9)において、右辺第1項のJd2θ2/dt2の項は、姿勢角目標値発生部10の姿勢角加速度出力d2θ2/dt2に人工衛星本体1の慣性モーメントJをかけたものであり、人工衛星本体1の姿勢角θのフィードバックなしに求めることができる。また、右辺第2項のジャイロ項は、人工衛星本体1が高速に姿勢変更することで人工衛星全体1の角運動量(人工衛星本体1の角運動量とホイール3の角運動量の和)との間に生じるジャイロ効果による慣性力項であり、スラスタ12をアクチュエータとして用いる場合には人工衛星全体の角運動量が変化するのでこの項を無視できない場合がある。このジャイロ項についても、人工衛星本体1の姿勢角θのフィードバックなしに、姿勢角目標値発生部10の姿勢角出力を用いて求めることができる。 In this equation (9), the first term on the right side, Jd 2 θ 2 / dt 2 , is the attitude angular acceleration output d 2 θ 2 / dt 2 of the attitude angle target value generation unit 10 to the moment of inertia of the artificial satellite body 1. J can be obtained without feedback of the attitude angle θ of the artificial satellite body 1. Further, the gyro term of the second term on the right side is between the angular momentum of the entire satellite 1 (the sum of the angular momentum of the satellite body 1 and the angular momentum of the wheel 3) when the satellite body 1 changes its attitude at high speed. In the case where the thruster 12 is used as an actuator, the angular momentum of the entire satellite changes, and this term cannot be ignored. This gyro term can also be obtained by using the attitude angle output of the attitude angle target value generation unit 10 without feedback of the attitude angle θ of the artificial satellite body 1.

これらの式(9)における右辺第1項と右辺第2項の演算を行うのが姿勢制御フィードフォワード演算部8の働きであり、得られたフィードフォワード姿勢制御トルクは、姿勢変更中には人工衛星本体1の姿勢制御トルクの主要な部分を占め、人工衛星本体1の高速の姿勢変更を可能にする。得られたフィードフォワード姿勢制御トルクは、姿勢制御フィードフォワード演算部8においてさらにスラスタ駆動信号に変換され、スラスタ12を駆動する。   The calculation of the first term on the right side and the second term on the right side in these equations (9) is the function of the attitude control feedforward calculation unit 8, and the obtained feedforward attitude control torque is artificial during the attitude change. It occupies the main part of the attitude control torque of the satellite body 1 and enables the attitude change of the artificial satellite body 1 at high speed. The obtained feedforward attitude control torque is further converted into a thruster drive signal by the attitude control feedforward calculation unit 8 to drive the thruster 12.

一方、式(9)における右辺第3項と右辺第4項は、人工衛星本体1の姿勢角θと姿勢角速度dθ/dtをフィードバックして得られる項であり、姿勢角目標値発生部10の出力θ2と人工衛星本体1の姿勢角θとの誤差を減少させる働きをする。姿勢制御フィードバック演算部7では、このフィードバック姿勢制御トルクを求めてホイール駆動信号に変換し、ホイール3を駆動する。 On the other hand, the third term on the right side and the fourth term on the right side in Equation (9) are terms obtained by feeding back the attitude angle θ and the attitude angular velocity dθ / dt of the artificial satellite body 1. It works to reduce the error between the output θ 2 and the attitude angle θ of the artificial satellite body 1. The attitude control feedback calculation unit 7 obtains this feedback attitude control torque, converts it into a wheel drive signal, and drives the wheel 3.

このように、姿勢制御フィードフォワード演算部8による姿勢制御トルクはスラスタ12によって実現し、姿勢制御フィードバック演算部7による姿勢制御トルクはホイール3によって実現するように構成すると、フィードバックはホイール3の方でしか行っていないので、スラスタ12とホイール3の互いの姿勢制御系が干渉することはなく、また、姿勢変更中に必要となる大きな姿勢制御トルクは、その大部分が姿勢制御フィードフォワード演算部8の出力として得られるので、スラスタ12の高トルク出力を有効に活用して高速の姿勢変更を実現することができる。さらに、姿勢変更後は、姿勢制御フィードフォワード演算部8の出力は零となるので、スラスタ12の噴射が行われることはなく、ホイール3の連続的な出力トルクにより速やかに姿勢を整定させることが可能になる。   As described above, when the attitude control torque by the attitude control feedforward calculation unit 8 is realized by the thruster 12 and the attitude control torque by the attitude control feedback calculation unit 7 is realized by the wheel 3, the feedback is transmitted to the wheel 3. Therefore, the thrust control system of the thruster 12 and the wheel 3 does not interfere with each other, and a large part of the large posture control torque required during the posture change is the posture control feedforward calculation unit 8. Therefore, it is possible to realize a high-speed posture change by effectively utilizing the high torque output of the thruster 12. Further, after the posture change, the output of the posture control feedforward calculation unit 8 becomes zero, so that the thruster 12 is not injected, and the posture can be quickly settled by the continuous output torque of the wheel 3. It becomes possible.

なお、この例ではフィードフォワード姿勢制御トルクのうちのジャイロ項をスラスタ12によって補償する場合を示したが、ジャイロ項は通常ホイール3によっても制御できるので、その場合にはジャイロ項をホイール3による姿勢制御トルクに含ませても同様の効果が得られる。また、姿勢角目標値発生部10の前段に図1に示すデッドビートパターン発生部9を挿入することや、姿勢角目標値発生部10の後段に図3に示す逆特性フィルタ部11を挿入することは、いずれも有効であり、人工衛星本体1の姿勢角に対する構造振動の影響を取り除くうえで効果がある。   In this example, the case where the gyro term of the feedforward attitude control torque is compensated by the thruster 12 is shown. However, since the gyro term can also be controlled by the normal wheel 3, the gyro term is adjusted by the wheel 3 in that case. Even if it is included in the control torque, the same effect can be obtained. Further, the dead beat pattern generation unit 9 shown in FIG. 1 is inserted before the posture angle target value generation unit 10, and the inverse characteristic filter unit 11 shown in FIG. 3 is inserted after the posture angle target value generation unit 10. These are all effective and effective in removing the influence of structural vibration on the attitude angle of the satellite body 1.

従って、上記実施の形態3によれば、姿勢制御フィードフォワード演算部8のアクチュエータにスラスタ12を用い、姿勢制御フィードバック演算部7のアクチュエータにホイール3を用いるように構成することで、人工衛星の高速の姿勢変更に必要となる大きな制御トルクは、おもに人工衛星のもつ慣性力を補償するために用いられるので、これを姿勢制御フィードフォワード演算部8で求めて、必要なトルクをスラスタ12によって発生するようにすることができ、姿勢制御フィードバックに用いるホイール3と干渉することもなく、ホイール3だけを用いるよりも高速の姿勢変更が可能になる。   Therefore, according to the third embodiment, the thruster 12 is used as the actuator of the attitude control feedforward calculation unit 8 and the wheel 3 is used as the actuator of the attitude control feedback calculation unit 7, so that the high speed of the artificial satellite is increased. The large control torque required to change the attitude of the satellite is mainly used to compensate the inertial force of the artificial satellite. Therefore, this is obtained by the attitude control feedforward calculation unit 8 and the necessary torque is generated by the thruster 12. Thus, it is possible to change the posture at a higher speed than using only the wheel 3 without interfering with the wheel 3 used for posture control feedback.

実施の形態4.
この発明の実施の形態4に係る人工衛星の姿勢制御装置について図5を参照しながら説明する。
図5は、この発明の実施の形態4に係る人工衛星の姿勢制御装置の姿勢推定演算部の構成を示すブロック図である。
図5において、図9に示す従来例と同一部分は同一符号を付して示しその説明は省略する。新たな符号として、14Aは本実施の形態4に係る姿勢推定演算部、22は姿勢整定時姿勢推定部を示し、本実施の形態4に係る姿勢推定演算部14Aには、姿勢整定時姿勢推定部22を内蔵し、姿勢変更をした後に速やかに姿勢を整定させる姿勢整定時に、姿勢整定時の姿勢角と姿勢角速度の推定値を、姿勢制御フィードバック演算部7に出力するようになされている。
Embodiment 4 FIG.
An artificial satellite attitude control apparatus according to Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the attitude estimation calculation unit of the attitude control device for an artificial satellite according to Embodiment 4 of the present invention.
In FIG. 5, the same parts as those in the conventional example shown in FIG. As new codes, 14A represents a posture estimation calculation unit according to the fourth embodiment, 22 represents a posture estimation time estimation unit, and the posture estimation calculation unit 14A according to the fourth embodiment includes a posture estimation time posture estimation. A built-in unit 22 is configured to output the estimated values of the posture angle and posture angular velocity at the time of posture setting to the posture control feedback calculation unit 7 at the time of posture setting in which the posture is quickly set after changing the posture.

次に、実施の形態4の動作について説明する。
姿勢変更をした後に速やかに姿勢を整定させる姿勢整定時に、姿勢推定演算部14は、姿勢整定時姿勢推定部22からの姿勢角と姿勢角速度の推定値を、姿勢制御フィードバック演算部7に出力する。姿勢変更が終了しているので想定される人工衛星の姿勢角速度は小さく、低速モードの角速度センサ16を用いることができる。角速度センサ16の出力に含まれるバイアス的な誤差をバイアス推定部18の出力を用いて補正して、姿勢角速度の推定値αを得る。これに姿勢角の初期値を加えて姿勢角の推定値θを得る。この姿勢角の初期値には、運用形態を切り替える前の姿勢変更時姿勢推定部21の姿勢角の最終値を用いる。バイアス推定部18では、定常姿勢時姿勢推定部20の姿勢角の推定値と姿勢センサ15の出力を比較して、角速度センサ16の出力に含まれるバイアス的な誤差を推定する。
Next, the operation of the fourth embodiment will be described.
At the time of posture setting for quickly setting the posture after the posture change, the posture estimation calculation unit 14 outputs the estimated values of the posture angle and posture angular velocity from the posture estimation unit 22 during posture setting to the posture control feedback calculation unit 7. . Since the attitude change is finished, the assumed attitude angular velocity of the artificial satellite is small, and the angular velocity sensor 16 in the low speed mode can be used. A bias-like error included in the output of the angular velocity sensor 16 is corrected using the output of the bias estimation unit 18 to obtain the estimated value α of the posture angular velocity. By adding an initial value of the posture angle to this, an estimated value θ of the posture angle is obtained. As the initial value of the posture angle, the final value of the posture angle of the posture estimation unit 21 at the time of posture change before switching the operation mode is used. In the bias estimation unit 18, the estimated value of the posture angle of the posture estimation unit 20 in the steady posture and the output of the posture sensor 15 are compared, and a bias-like error included in the output of the angular velocity sensor 16 is estimated.

なお、低速モードの角速度センサ16と高速モードの角速度センサ17とは、同一の角速度センサでセンサゲインの切り替えにより分解能と計測範囲を切り替える場合でも、高分解能で狭計測範囲の角速度センサと低分解能で広計測範囲の角速度センサを組み合わせる場合でも同様の効果があることは言うまでもない。   Note that the angular velocity sensor 16 in the low speed mode and the angular velocity sensor 17 in the high speed mode are the same angular velocity sensor and the angular velocity sensor in the narrow measurement range and the low resolution even when the resolution and the measurement range are switched by switching the sensor gain. It goes without saying that the same effect can be obtained even when an angular velocity sensor with a wide measurement range is combined.

さらに、角速度センサ16の出力に含まれるバイアス的な誤差を補正するためにバイアス推定部18で、地上試験や軌道上のこれまでの運用で取得されたデータをオフラインで処理して求めたキャリブレーションデータを利用する場合でも同様の効果がある。   Further, in order to correct a bias-like error included in the output of the angular velocity sensor 16, the bias estimation unit 18 performs calibration obtained by processing the data acquired in the ground test or the previous operation on the orbit offline. The same effect can be obtained when using data.

なお、この実施の形態4では、姿勢推定演算部14Aについてのみ述べたが、図4に示す実施の形態3に適用できるのは勿論であり、また、姿勢角目標値発生部10の前段に図1に示すデッドビートパターン発生部9を挿入することや、姿勢角目標値発生部10の後段に図3に示す逆特性フィルタ部11を挿入することは、いずれも有効であり、人工衛星本体1の姿勢角に対する構造振動の影響を取り除くうえで効果がある。   Although only the posture estimation calculation unit 14A has been described in the fourth embodiment, it can be applied to the third embodiment shown in FIG. Inserting the dead beat pattern generating unit 9 shown in FIG. 1 and inserting the inverse characteristic filter unit 11 shown in FIG. 3 after the attitude angle target value generating unit 10 are both effective. It is effective in removing the influence of structural vibration on the attitude angle of

従って、上記実施の形態4によれば、定常姿勢時の姿勢角と姿勢角速度を推定する定常姿勢時姿勢推定部20および姿勢変更時の姿勢角と姿勢角速度を推定する姿勢変更時姿勢推定部21のほかに、姿勢整定時の姿勢角と姿勢角速度を推定する姿勢整定時姿勢推定部22を備え、姿勢整定時姿勢推定部22において姿勢角の初期化に上記姿勢変更時姿勢推定部21の姿勢角の最終値を用い、かつ低速モードの角速度センサ16の出力を積分して姿勢を推定するように構成することにより、姿勢変更時から姿勢整定時への運用切り替えにおいて姿勢角の推定値を連続に保ちつつ、かつ姿勢角変化を高精度に推定することが可能になる。   Therefore, according to the fourth embodiment, the posture estimation unit 20 in the normal posture that estimates the posture angle and posture angular velocity in the normal posture, and the posture estimation unit 21 in posture change that estimates the posture angle and posture angular velocity in the posture change. In addition to the above, a posture estimating unit 22 for estimating the posture angle and posture angular velocity at the time of posture setting is provided, and the posture of the posture changing unit 21 at the time of posture change is initialized by the posture estimating unit 22 at the time of posture setting. By using the final value of the angle and integrating the output of the angular velocity sensor 16 in the low-speed mode to estimate the posture, the posture angle estimated value is continuously obtained during operation switching from posture change to posture settling. It is possible to estimate the change in posture angle with high accuracy.

実施の形態5.
この発明の実施の形態5に係る人工衛星の姿勢制御装置について図6を参照しながら説明する。
図6は、この発明の実施の形態5に係る人工衛星の姿勢制御装置の姿勢推定演算部の構成を示すブロック図である。
図6において、図6に示す実施の形態5と同一部分は同一符号を付して示しその説明は省略する。新たな符号として、23は指向制御機構を保有するアンテナや観測センサ等の指向制御を行う指向制御機器である。
Embodiment 5. FIG.
An artificial satellite attitude control apparatus according to Embodiment 5 of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the attitude estimation calculation unit of the attitude control device for an artificial satellite according to Embodiment 5 of the present invention.
In FIG. 6, the same parts as those of the fifth embodiment shown in FIG. As a new code, reference numeral 23 denotes a directional control device that performs directional control of an antenna, an observation sensor, or the like that has a directional control mechanism.

次に、実施の形態5の動作について説明する。
アンテナや観測センサ等の指向方向を電気的に制御可能あるいは小型のミラー等軽量の能動部材の駆動で制御可能でかつ制御の結果として実用的に人工衛星本体1に反作用トルクを及ぼさない場合には、人工衛星本体1の姿勢角の推定値が不連続であっても、指向制御で人工衛星の構造振動を励起する恐れが無い。そこで、姿勢変更時から姿勢整定時に切り替えたときに定常姿勢時姿勢推定部20の演算を姿勢整定時姿勢推定部22の演算と並行して実行し、その高精度な姿勢決定値を指向制御機器23に出力する。指向制御機器23は、この高精度な姿勢決定値に基づいて指向制御を行うことができる。
Next, the operation of the fifth embodiment will be described.
When the directivity direction of the antenna or observation sensor can be controlled electrically or by driving a light active member such as a small mirror and practically no reaction torque is exerted on the satellite body 1 as a result of the control Even if the estimated value of the attitude angle of the artificial satellite body 1 is discontinuous, there is no fear of exciting the structural vibration of the artificial satellite by the directivity control. Therefore, when switching from the posture change to the posture settling, the calculation of the posture estimation unit 20 in the steady posture is executed in parallel with the calculation of the posture estimation unit 22 in the posture settling, and the highly accurate posture determination value is transmitted to the pointing control device. To 23. The directional control device 23 can perform directional control based on this highly accurate posture determination value.

なお、この実施の形態5では、姿勢推定演算部14Aと指向制御機器23についてのみ述べたが、図4に示す実施の形態3に適用できるのは勿論であり、また、姿勢角目標値発生部10の前段に図1に示すデッドビートパターン発生部9を挿入することや、姿勢角目標値発生部10の後段に図3に示す逆特性フィルタ部11を挿入することは、いずれも有効であり、人工衛星本体1の姿勢角に対する構造振動の影響を取り除くうえで効果がある。   In the fifth embodiment, only the posture estimation calculation unit 14A and the directivity control device 23 have been described. However, the posture angle target value generation unit can be applied to the third embodiment shown in FIG. It is effective to insert the dead beat pattern generation unit 9 shown in FIG. 1 before the stage 10 and the inverse characteristic filter unit 11 shown in FIG. 3 after the attitude angle target value generation part 10. This is effective in removing the influence of structural vibration on the attitude angle of the satellite body 1.

従って、上記実施の形態5によれば、姿勢整定時姿勢推定部22の出力に基づく姿勢制御フィードバックによる姿勢整定時に、定常姿勢時姿勢推定部20の出力に基づいてアンテナや観測センサ等の指向制御を行う指向制御機器を備えたので、姿勢変更終了後速やかに、人工衛星本体1の姿勢変化を高精度に制御し、かつアンテナや観測センサなどのミッション機器の指向方向を高精度に制御することが可能になる効果がある。   Therefore, according to the fifth embodiment, at the time of posture setting by posture control feedback based on the output of the posture estimation unit 22 at the time of posture setting, the directivity control of the antenna, the observation sensor, etc. based on the output of the posture estimation unit 20 at the normal posture. As soon as the attitude change is completed, the attitude change of the satellite body 1 is controlled with high accuracy and the direction of the mission equipment such as the antenna and the observation sensor is controlled with high accuracy. There is an effect that becomes possible.

以上のように、この発明に係る人工衛星の姿勢制御装置によれば、デッドビートパターン発生部を設けて、姿勢角変更のために人工衛星に連続的に一定の姿勢角加速度を与えた後、姿勢角変更を終了する時点において、たとえば振動の半周期の期間だけ姿勢角加速度の値を減少させ、ついで姿勢角加速度の値を零として姿勢角変更を停止させるようにしたので、姿勢角変更にともなう姿勢角加速度で励起された人工衛星の主要な構造振動を姿勢角変更の終了する時点で抑制することができ、姿勢角加速度の生じる時間を長くとることが必要な場合にも、人工衛星のもつ構造振動の励起を抑え、かつ構造振動の存在により人工衛星の剛体的な姿勢角に無視できない誤差の生じるような場合にも対処し得るという効果がある。   As described above, according to the attitude control device for an artificial satellite according to the present invention, after providing a deadbeat pattern generation unit and continuously giving a constant attitude angular acceleration to the artificial satellite for changing the attitude angle, At the end of the posture angle change, for example, the posture angle acceleration value is decreased only for a half period of vibration, and then the posture angle acceleration value is set to zero to stop the posture angle change. The main structural vibration of the satellite excited by the accompanying attitude angular acceleration can be suppressed at the end of the attitude angle change, and even if it is necessary to take a longer time for the attitude angular acceleration to occur, There is an effect that it is possible to cope with a case where an error that cannot be ignored is generated in the rigid attitude angle of the artificial satellite due to the existence of the structural vibration, while suppressing the excitation of the structural vibration.

また、人工衛星の剛体的な姿勢角に対して与えられた姿勢角変更の目標値を、人工衛星の構造振動を含むダイナミクスとほぼ逆の特性を有する逆特性フィルタ部に通して、人工衛星の最終的な姿勢角変更の目標値としたので、人工衛星の構造振動の影響がほぼキャンセルされ、構造振動の影響で人工衛星の剛体的な姿勢角にバイアス的な誤差の発生するのを防ぐことができるという効果がある。   In addition, the target value of the attitude angle change given to the rigid attitude angle of the satellite is passed through an inverse characteristic filter unit having almost the opposite characteristics to the dynamics including the structural vibration of the satellite, and Because the target value for the final attitude angle change is set, the influence of the structural vibration of the satellite is almost cancelled, and the occurrence of a bias error in the rigid attitude angle of the artificial satellite due to the influence of the structural vibration is prevented. There is an effect that can be.

また、人工衛星の姿勢変更にともなう慣性力を補償する姿勢制御フィードフォワード演算部と、人工衛星の姿勢角をフィードバックして姿勢角の目標値との誤差を低減する姿勢制御フィードバック演算部とを備え、姿勢制御フィードフォワード演算部のアクチュエータにスラスタを用い、姿勢制御フィードバック演算部のアクチュエータにホイールを用いるようにしたので、高速の姿勢変更に必要となる駆動トルクはおもに高トルク出力が可能なスラスタによって発生することになり、かつスラスタではフィードバック制御を行わないので姿勢制御フィードバックに用いるホイールと干渉することもなく、ホイールだけを用いるよりも高速の姿勢変更が可能になり、姿勢変更後速やかに人工衛星を整定することができるという効果がある。   In addition, it includes an attitude control feedforward calculation unit that compensates for the inertial force accompanying the attitude change of the satellite, and an attitude control feedback calculation unit that feeds back the attitude angle of the satellite and reduces the error from the target value of the attitude angle. Since a thruster is used for the actuator of the attitude control feedforward calculation unit and a wheel is used for the actuator of the attitude control feedback calculation unit, the driving torque required for high-speed attitude change is mainly by a thruster capable of high torque output. Since the thruster does not perform feedback control, it does not interfere with the wheel used for attitude control feedback, and the attitude can be changed at a higher speed than when only the wheel is used. The effect is that it can be set.

また、定常姿勢時の姿勢角と姿勢角速度を推定する定常姿勢時姿勢推定部および姿勢変更時の姿勢角と姿勢角速度を推定する姿勢変更時姿勢推定部のほかに、姿勢整定時の姿勢角と姿勢角速度を推定する姿勢整定時姿勢推定部を備え、姿勢整定時姿勢推定部において姿勢角の初期化に上記姿勢変更時姿勢推定部の姿勢角の最終値を用い、かつ低速モードの角速度センサの出力を積分して姿勢を推定するように構成したので、姿勢変更時から姿勢整定時への運用切り替えにおいて姿勢角の推定値を連続に保ちつつ、かつ姿勢角変化を高精度に推定することが可能になるという効果がある。   In addition to the posture estimator for steady posture and the posture estimator for posture change for estimating posture angle and velocity at posture change, the posture angle for posture settling A posture estimation unit for posture setting that estimates posture angular velocity, and the posture estimation unit for posture setting uses the final value of the posture angle of the posture change unit for posture change to initialize the posture angle, and the angular velocity sensor of the low-speed mode Since the posture is estimated by integrating the output, it is possible to estimate the posture angle change with high accuracy while maintaining the posture angle estimated value continuously during operation switching from posture change to posture settling. There is an effect that it becomes possible.

さらに、姿勢整定時姿勢推定部の出力に基づく姿勢制御フィードバックによる姿勢整定時に、定常姿勢時姿勢推定部の出力に基づいてアンテナや観測センサ等の指向制御機構を保有する機器の指向制御を行うように構成したので、姿勢変更終了後速やかに、衛星本体の姿勢変化を高精度に制御し、かつアンテナや観測センサなどのミッション機器の指向方向を高精度に制御することが可能になるという効果がある。   In addition, during posture setting by posture control feedback based on the output of the posture estimation unit at the time of posture setting, directivity control of devices having a pointing control mechanism such as an antenna or an observation sensor is performed based on the output of the posture estimation unit at the time of steady posture As a result, it is possible to control the attitude change of the satellite body with high accuracy and to control the pointing direction of mission equipment such as antennas and observation sensors with high accuracy immediately after the attitude change is completed. is there.

この発明の実施の形態1に係る人工衛星の姿勢制御装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the attitude | position control apparatus of the artificial satellite which concerns on Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1に係る人工衛星の姿勢制御装置の姿勢角目標値発生部の動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows operation | movement of the attitude | position angle target value generation part of the attitude | position control apparatus of the artificial satellite which concerns on Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態2に係る人工衛星の姿勢制御装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the attitude | position control apparatus of the artificial satellite which concerns on Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態3に係る人工衛星の姿勢制御装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the attitude | position control apparatus of the artificial satellite which concerns on Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態4に係る人工衛星の姿勢制御装置の姿勢推定演算部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the attitude | position estimation calculating part of the attitude | position control apparatus of the artificial satellite which concerns on Embodiment 4 of this invention. この発明の実施の形態5に係る人工衛星の姿勢制御装置の姿勢推定演算部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the attitude | position estimation calculating part of the attitude | position control apparatus of the artificial satellite which concerns on Embodiment 5 of this invention. 従来のスラスタを用いる人工衛星の姿勢制御装置の動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows operation | movement of the attitude control apparatus of the artificial satellite using the conventional thruster. 従来のホイールとスラスタを併用する人工衛星の姿勢制御装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the attitude control apparatus of the artificial satellite which uses the conventional wheel and thruster together. 従来の姿勢角センサと角速度センサを併用する人工衛星の姿勢推定演算部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the attitude | position estimation calculating part of the artificial satellite which uses a conventional attitude angle sensor and an angular velocity sensor together.

符号の説明Explanation of symbols

1 人工衛星本体、3 ホイール、7 姿勢制御フィードバック演算部、8 姿勢制御フィードフォワード演算部、9 デッドビートパターン発生部、10 姿勢角目標値発生部、11 逆特性フィルタ部、12 スラスタ、14A 姿勢推定演算部、15 姿勢センサ、16 角速度センサ(低速モード)、17 角速度センサ(高速モード)、18 バイアス推定部(低速モード)、19 バイアス推定部(高速モード)、20 定常姿勢時姿勢推定部、21 姿勢変更時姿勢推定部、22 姿勢整定時姿勢推定部、23 指向制御機器。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Satellite body, 3 wheel, 7 attitude control feedback calculation part, 8 attitude control feedforward calculation part, 9 deadbeat pattern generation part, 10 attitude angle target value generation part, 11 reverse characteristic filter part, 12 thruster, 14A attitude estimation Calculation unit, 15 posture sensor, 16 angular velocity sensor (low speed mode), 17 angular velocity sensor (high speed mode), 18 bias estimation unit (low speed mode), 19 bias estimation unit (high speed mode), 20 posture estimation unit during steady posture, 21 Posture change posture estimation unit, 22 posture settling posture estimation unit, 23 pointing control device.

Claims (1)

人工衛星の姿勢変更を高速に行う人工衛星の姿勢制御装置において、
人工衛星本体を姿勢制御する姿勢制御手段として、
人工衛星の姿勢変更にともなう慣性力を補償すべく上記姿勢角目標値発生部からの出力に基づいてフィードフォワード制御トルクを求めスラスタ駆動信号に変換して出力する姿勢制御フィードフォワード演算部と、
上記人工衛星の姿勢制御を外力で行うアクチュエータとして用いられ、上記姿勢制御フィードフォワード演算部からのスラスタ駆動信号に基づいて人工衛星の姿勢制御を行うスラスタと、
上記人工衛星の姿勢角をフィードバックして上記姿勢角目標値発生部からの姿勢角の目標値との誤差を低減すべく姿勢角のフィードバック出力と姿勢角の目標値とに基づいてフィードバック姿勢制御トルクを求めホイール駆動信号に変換して出力する姿勢制御フィードバック演算部と、
上記人工衛星の姿勢制御を内力で行うアクチュエータとして用いられ、上記姿勢制御フィードバック演算部からのホイール駆動信号に基づいて人工衛星の姿勢制御を行うホイールと
を備えることを特徴とする人工衛星の姿勢制御装置。
In the satellite attitude control device that changes the attitude of the satellite at high speed,
As attitude control means for attitude control of the satellite body,
An attitude control feedforward arithmetic unit that obtains a feedforward control torque based on an output from the attitude angle target value generation unit to compensate for an inertial force accompanying an attitude change of the artificial satellite, converts it into a thruster drive signal, and outputs it;
A thruster that is used as an actuator for performing attitude control of the artificial satellite with external force, and that performs attitude control of the artificial satellite based on a thruster drive signal from the attitude control feedforward calculation unit;
Feedback attitude control torque based on attitude angle feedback output and attitude angle target value to reduce attitude error from attitude angle target value from attitude angle target value generator by feedback of attitude angle of artificial satellite An attitude control feedback calculation unit that calculates and outputs a wheel drive signal,
A posture control of the artificial satellite comprising: a wheel that is used as an actuator for performing the posture control of the artificial satellite with an internal force, and that performs a posture control of the artificial satellite based on a wheel drive signal from the posture control feedback calculation unit. apparatus.
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