JP2008510658A - 量子化制御モーメント・ジャイロスコープ・アレイ - Google Patents

Abstract

スペースクラフトを操縦する運動量アクチュエータ（１０６）が開示される。運動量アクチュエータ（１０６）は、ロータ（１１０）と、ロータ（１１０）が上に取り付けられるジンバル（１１３）と、ジンバル（１１３）に結合され、一連のステップにおいて前記ジンバル（１１３）の周りで前記ロータ（１１０）を回転させるように動作可能なステッパモータ（１１２）とを含む。本発明の一実施形態ではロー他（１１０９のスピンレートは付加的トルクを与えるための変動可能である。

Description

本発明は、スペースクラフト・ビークル制御の分野に関し、より詳細には、量子化制御モーメント・ジャイロスコープ・アレイに関する。

衛星およびスペースクラフトは、通常、姿勢調整を必要とする。たとえば、衛星の姿勢調整は、衛星ポイントに関して望遠鏡が取り付けられている場所の方向を変化するために必要であり得る。一実施形態では、衛星またはスペースクラフトの姿勢調整は、衛星内に取り付けられた運動量アクチュエータの使用によって行われることができる。

運動量アクチュエータの１つのタイプは、反動輪である。反動輪は可変速ロータを含む。ロータのスピンレートを変化することは、その角運動量を変化する。反動輪の角運動量の変化は、衛星本体の角運動量の逆の変化を生成する。通常、スペースクラフトの三次元角運動量を変化する機能を提供するためには、少なくとも３つの反動輪が必要である。

運動量アクチュエータの他のタイプは、制御モーメント・ジャイロスコープ（ＣＭＧ）である。ＣＭＧは、ジンバルアセンブリに取り付けられた回転固定または可変速ロータを含む。ジンバルアセンブリを傾けること、ホイール速度を変化すること、またはその両方は、スペースクラフト固定フレーム内のＣＭＧの角運動量を変化する。スペースクラフトの三次元角運動量を変化するためには、反動輪と同様に、少なくとも３つのＣＭＧが使用されなければならない。

現在の運動量アクチュエータは、スペースクラフトの姿勢を調整する効率のよい方法を提供するが、特に数百キログラムより小さい衛星に使用することに関しては、欠点を有する。たとえば、典型的なＣＭＧは、ジンバルアセンブリおよびロータを動かすのに高精密モータを必要とする。さらに、様々な高分解能センサがＣＭＧのジンバル角を測定するために使用される。精密さおよび分解能は、より小さいパッケージでは、達成するのがより難しく、より費用がかかる。さらに、より小さい衛星は、より高い帯域幅の制御を必要とする可能性があり、これは、ＣＭＧおよびその構成要素の帯域幅に対する追加の負担を表す。必要なものは、小型の衛星に使用するのに適当な高トルク運動量アクチュエータであり、この場合、大きいＣＭＧ設計をスケールする設計に対する示唆が使用できないばかりでなく、コストもそのより大きい同等物のコストよりかなり低くなければならない。

本発明の一実施形態では、スペースクラフトを操縦するための運動量アクチュエータが開示される。運動量アクチュエータは、ロータと、ロータが上に取り付けられるジンバルと、ジンバルに結合され一連のステップでジンバルの周りでロータを回転させるように動作可能なステッパモータと、を含む。本発明の一実施形態では、ロータのスピンレートは、トルクを提供するために変化されることができる。

本発明の他の態様では、可変速ロータおよび可動ジンバルを有するＣＭＧを操縦する方法が提供される。この方法では、ジンバルは別個のステップで動く。第１のステップでは、スペースクラフトの所望の姿勢変化を行うのに必要な運動量の変化が決定される。次に、運動量の変化がジンバルに運動されることを要求しない場合は、ロータのスピンレートだけが調整される。必要とされる運動量がロータのスピンレートを調整して提供されることができる量より多い場合は、第３のステップで、ジンバルは、必要とされる運動量の変化の少なくとも一部分を提供する必要がある場合は、新しいアライメントに進められる。

本発明の他の態様では、ＣＭＧの全ての可能なアライメントによって達成可能な運動量空間内の全ての点を参照するテーブルが生成される。さらに、本発明の一実施形態では、テーブルは、結果として特異状態になる可能性があるＣＭＧのいかなるアライメントも含まない。

本発明は以下で、同様の数字は同様の要素を示す添付の図面の図に関連して説明される。
以下の詳細な説明は、事実上単に例示的であり、本発明または本発明の適用および用途を限定することを意図するものではない。さらに、前述の技術分野、背景、簡単な要約、または以下の詳細な説明に提示されたいかなる表現、または暗示された理論によっても束縛される意図ではない。

図１は、本発明の教示による例示的運動量制御システム１００を示す。運動量制御システム１００は、ＣＭＧアレイ１０３に結合された姿勢制御システム１０２を含む。ＣＭＧアレイ１０３は、ＣＭＧコントローラ１０４を介して姿勢制御システム１０２に結合された１つまたは複数の制御運動量ジャイロ１０６を含む。

姿勢制御システム１０２はスペースクラフトの位置決めを制御する。姿勢制御システム１０２は、所望のスペースクラフト操縦に関するデータを受信し、所望の操縦を完成するのに適当なトルクおよび／または運動量指令を決定する。指令は、必要なトルクを提供するのに必要なＣＭＧ１０６の運動を決定するＣＭＧコントローラ１０４に提示される。

各ＣＭＧは、ジンバル１１３に結合されたロータ１１０を含む。本発明では、各ＣＭＧ１０６のジンバルは、トルクを提供するためにジンバル軸の周りでロータを動かすことができる。さらに、本発明の一実施形態では、ＣＭＧ１０６のロータ１１０のスピンレートは、追加のトルクを提供するために変化されることができる。そのジンバル軸に関するＣＭＧ１０６の運動は、ジンバル軸と直角のトルクを生成する。ロータ１１０のスピンレートを変化することは、ロータ１１０のスピン軸方向のトルクを生成する。

本発明の一実施形態では、ＣＭＧ１０６はそれぞれ、一連の別個のステップでそのジンバル軸の周りで運動し、それらのステップの角間隔は、従来のＣＭＧのものの大きさとほぼ同じかまたはそれより大きく、これは滑らかな連続的な運動に近づくことを意味する。このため、本発明の教示によるＣＭＧの運動は、量子化されると考えられることができる。ジンバル１１３の運動の全範囲を分割するために選択されるステップの数は、少なくとも部分的に、特定のスペースクラフトに必要な応答性によって決まる。本発明の一実施形態では、ロータは、固定速度のままであり、実際に、可能なスペースクラフトの運動量状態を量子化するが、他の実施形態では、ロータは、ある最小速度変化性を提供する。可変速ロータ実施形態では、ＣＭＧのロータ間の速度変化は、ジンバル運動だけが可能である運動量間で運動量能力を完全に発揮するために使用される。

したがって、ジンバル角のステップ数は、姿勢安定時間のためのスペースクラフトの必要条件を与えられたロータ・トルク・モータの応答性に依存する。ジンバルステップ角の選択はまた、スペースクラフトジャーク必要条件に依存し、より小さいステップは、フレキシブルで流動的な構成要素により少ない振動を誘導し、これが望ましい場合もあり得る。より大きいステップは、振動を励起する可能性があるが、より迅速な実行、およびオンボード処理能力がより低くてよい操縦アルゴリズムの利益がある。コストは別の要因であり得る。１回転につき２００以下のステップを提供するステッパモータは比較的安価である。より精細なステッピング、ギアボックス、またはデジタル制御マイクロステッピングを組み込むことは、望ましくない複雑さおよびコストを追加する可能性がある。

本発明の一実施形態では、各ＣＭＧ１０６は、ジンバル１１３に結合されたステッパモータ１１２によって、そのジンバル軸の周りで動かされる。ステッパモータ１１２は、連続的な運動ではなく別個のステップで（回転などの）運動を提供するいかなるモータでもよい。ジンバル軸に関するＣＭＧ１０６の現在の位置は、一実施形態では、ステッパモータ１１２によって作られたステップの数を追跡することによって決定されることができる。したがって、典型的なＣＭＧに使用されるような、エンコーダおよびジンバルタコメータなど、ジンバル軸の運動を決定するために使用されるセンサは、必要とされない。センサの排除は、より簡単で、より安価で、よりコンパクトで、より軽い重さの設計を可能にする。ステッパモータ１１２は、ステッパモータ１１２上のスペースクラフトレート誘導トルクが移動止めトルクを超えないように、ステップが１つも失われないように、設計されることができる。ステップを失うことがリスクである場合、光検出器のような１回転当たり１またはｎの同期機構が、場合によりステップカウントを訂正するために組み込まれることができる。

ＣＭＧ１０６のロータ１１０は、一実施形態では、可変速モータ１１４に結合されることができる。ロータ１１０の速度を変えることは、ＣＭＧ１０６が反動輪のように使用されることを可能にする。可変速ロータを有するＣＭＧは当技術分野で知られているが、本発明の教示による、可変速ロータを有するＣＭＧの実装形態は新規である。詳細には、ロータ１１０の運動は、運動量変化の追加の量を提供して、そのジンバル軸の周りの別のＣＭＧ１０６の粗い運動を実際に滑らかにすることができる。

一実施形態では、可変速モータ１１４は、ロータ１１０のスピンレートの非常に小さいパーセンテージの変化を可能にし、それによって非常に精細な運動量調整を可能にする、ブラシレスＤＣモータである。本発明のこの実施形態では、協調して動作する複数のＣＭＧロータ１１０は、ジンバル運動によって生成された量子化されたまたは粗い三次元角運動量を調整するために使用される。ロータ速度の変化はジンバルが生成するものと直角を成す運動量の変化を生成するので、単一のＣＭＧロータ１１０は、それ自体のジンバル軸のステップ間で運動量を満たすことができない。３つのＣＭＧ１０６はスペースクラフトリエンテーションの３段階の自由度を制御する必要があるのと同じ理由で、この量子化されたＣＭＧアレイ１０３内の運動量量子間を満たすために３つの調整可能なロータ１１０が必要である。さらに、（３段階より少ない自由度しか制御可能でない特異性として知られている）ＣＭＧ出力トルク軸が平行になるリスクは、ＣＭＧロータ１１０が平行になるのに類似している。ＣＭＧロータ１１０が平行になると、ＣＭＧロータ１１０は、もはや三次元的に量子間で十分に満たすことができない。その代わり、ＣＭＧロータ１１０は、平面内またはラインに沿って十分に満たすことができる。必要な場合は、ロータ運動量の特異性回避アルゴリズムが実現されることができる。

本発明において、ＣＭＧの別個の量子化運動のためだけでなく、ＣＭＧアレイ内の少なくとも３つのＣＭＧと共にステッパモータ１１２を使用することは、１組の所与の運動量値に対応する１組のジンバルオリエンテーション値を提供する。たとえば、ＣＭＧジンバル１１３につきｍステップを有するｎのＣＭＧ１０６のアレイでは、運動量エンベロープは、ジンバル角に依存する角運動量の量子によって運動量空間内で分離されたｍ^ｎの別個のポイントの集まりである。したがって、ルックアップテーブル、ポインタを使用するリンクされたリスト、ハッシング法、または運動量空間内の全てのポイントを参照する同様の方式が構成されることができる。そのようなルックアップテーブルの１つの利点は、特異状態の可能性、すなわち、ＣＭＧアレイ１０３内のＣＭＧ１０６のアライメントが、要求されたトルクの１つまたは複数の構成要素が提供されることができないようにＣＭＧ１０６の運動量ベクトルがラインアップしたようである可能性がある場合は、それらの構成は違法としてルックアップテーブルから削除されることができることである。特異性回避のこの離散化された表示は、新規であり、連続的な動きの場合に比べて計算的に平凡であり、量子化アレイを用いて実現されることができる。

所望のスペースクラフト操縦に応じて、スペースクラフトは、高速で、低精密操縦の速い回転、および／または、低速で、高精密操縦の遅い回転を経験する必要がある可能性もある。

図２は、本発明の教示による速い回転を実行する方法を示す流れ図である。第１のステップ、ステップ２０２では、所望の操縦を生成するのに十分なトルク指令が決定される。本発明の一実施形態では、決定されたトルク指令は、所望の指令運動量を決定するために組み込まれる。

次に、ステップ２０４では、現在の運動量ポイントを取り囲むＣＭＧアレイ１０３内のＣＭＧ１０６に基づく１組の全運動量ポイント内の各運動量ポイントは、所望の運動量状態と比較される。これは、ＣＭＧ１０６が新しい運動量ポイントに動かされる必要があるか否か決定する。一実施形態では、運動量ポイントは、本方法の開始前すなわちステップ２０４で生成されることができるルックアップテーブル、ポインタを使用するリンクされたリスト、ハッシング法などとして提供されることができる。

ステップ２０６では、指令された運動量により近い運動量ポイントがある場合、ＣＭＧアレイ１０３内の各ＣＭＧ１０６は、その点に到達するのに適当なジンバル角ステップに進められることができる。ジンバル角の運動は量子化されるので、ステップ２０４で決定されたような新しい運動量ポイントは、正確な指令された運動量を達成しない可能性がある（ほとんど達成しない）。正確な運動量を達成するために、ＣＭＧ１０６のロータ１１０は調整されることができる。ＣＭＧ１０６の運動およびロータスピンレートの調整は、２つの方法のうちの１つで行われることができる。第１実施形態（ステップ２０８）では、フィードフォワードシステムが使用されることができる。フィードフォワード実施形態では、ＣＭＧ１０６が進められるとき、各ＣＭＧ１０６のロータ１１０のスピンレートは、角運動量の必要な変化を生成するために変化されることができる。第２の実施形態（ステップ２１０）では、フィードバックシステムが使用されることができる。フィードバックシステム実施形態では、ＣＭＧ１０６がそれらの新しいアライメントに進められた後で、運動量は各ＣＭＧ１０６のロータ１１０のスピンレートを調整することによって調整される。どちらの場合にも、ロータ速度の周りの低帯域幅ループは、それらを公称値に近くしておくために実現されることができ、長期傾向を許すよりむしろ、量子間を満たすことのみ速度変動を許容している。

現在の運動量ポイントがステップ２０４で決定されたような所望の新しい運動量値に最も近い場合は、ＣＭＧ１０６のジンバル１１３は運動される必要はない。その代わり、ロータ１１０のスピンレートは、所望の運動量空間を達成するように調整されることができる（ステップ２１２）。

前述の方法は、スペースクラフトの速い回転を提供する。ときどき、たとえば、スペースクラフトを目的に向けるために、低速で高精密な動きが必要である。たとえば、衛星に取り付けられた望遠鏡は、特定の天文現象を観察するために特定の場所に向けられる必要があることがある。本発明の一実施形態では、第１のステップ３０２で、姿勢を変化するのに必要な角運動量の変化が決定される。ついで、ステップ３０４では、小さい指令トルクまたは運動量が必要な場合は、ＣＭＧ１０６のロータ１１０のスピンレートは、必要な運動量を提供するように調整されることができる。

次のステップ３０６では、ＣＭＧのロータ１１０のスピンレートを調整するだけに利用可能な運動量より多い運動量が必要な場合は、必要な運動量を提供する必要がある運動量ポイントが図２の方法と同様に決定される。一実施形態では、運動量ポイントは、本方法の開始前すなわちステップ３０６で生成されることができるようなルックアップテーブル、ポインタを使用するリンクされたリスト、ハッシング法などとして提供されることができる。

次に、ステップ３０８では、各ＣＭＧ１０６は、運動量ポイントを達成するために所望の構成に進められる。ＣＭＧ１０６がそれらのステッピングの運動を完成した後は、補足される必要があるいかなるデータでも補足される（ステップ３１０）。このデータ補足イベントは、ＣＭＧ１０６の動作には関係がないが、本方法をより大きい文脈に入れるために説明される。スペースクラフトのペイロードに応じて、ステッピング中にデータが取られてもよい。その場合、ＣＭＧ１０６のロータ１１０は、必要とされるいかなる追加の運動量でも提供するように調整される（ステップ３１２）。所望の運動量ポイントが到達された場合、運動はステップ３１６で停止する。所望の運動量ポイントが到達されない場合は、プロセスはステップ３０８で継続する。この実施形態では、ステッピングが望ましくない外乱を導入する場合、データ収集はＣＭＧジンバル１１３のステッピング中に回避される。

本発明の他の実施形態では、各ＣＭＧ１０６のステッピングは、１秒毎のステップによって表示されるジンバルレートで行われると考えられることができる。この方式では、離散化位置決めではなくこの効果的なジンバルレートが、従来のＣＭＧ指令スキームで使用される。さらに、各ＣＭＧ１０６のロータ１１０は、追加のトルクを提供するために変化されることができる。図４は、ＣＭＧ１０６のステッピングの同時レートのような制御およびＣＭＧロータ１１０の制御を示す流れ図である。第１のステップ、ステップ４０２で、所望の姿勢調整を生成するのに必要な指令トルクが決定される。次に、ステップ４０４で、各ＣＭＧ１０６を動かすことによって生成されるジンバルレート、所与の期間におけるいくつかのステップ、および必要なトルクを生成するのに必要な各ＣＭＧ１０６のロータ１１０のスピンレートを調整することによって提供されるトルクの組合せが決定される。一実施形態では、ＣＭＧ１０６のステッピング、またはＣＭＧロータ１１０のスピンレートの調整のいずれかを強調するために、重み付け係数が使用されることができる。通常、必要なトルクが大きいほど、ジンバルレートの重み付けは大きい。

適当なジンバルレートおよびＣＭＧロータ１１０のスピンレートの変化が決定された後、ステップ４０６で、ジンバルの必要なステップおよびロータのスピンレートの必要な変化を実行するために、両レートがＣＭＧアレイ１０３内のＣＭＧ１０６に提供される。

少なくとも１つの例示的実施形態が前述の詳細な説明で示されているが、多くの変形形態が存在することを理解されたい。また、１つまたは複数の例示的実施形態は例だけであって、決して本発明の範囲、適用性、または構成を限定することを意図するものではないことも理解されたい。そうではなく、前述の詳細な説明は、１つまたは複数の例示的実施形態を実施する好都合なロードマップを当業者に提供するであろう。添付の特許請求の範囲およびその法的同等物に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、諸要素の機能および構成の様々な変化が行われることができることを理解されたい。

本発明の教示による運動量アクチュエータのブロック図である。 本発明の使用方法の一実施形態を示す流れ図である。 本発明の使用方法の他の実施形態を示す流れ図である。 本発明の使用方法の他の実施形態を示す流れ図である。

Claims (10)

1. ロータ（１１０）と、
   前記ロータ（１１０）が上に取り付けられるジンバル（１１３）と、
   前記ジンバル（１１３）に結合され、一連のステップにおいて前記ジンバル（１１３）の周りで前記ロータ（１１０）を回転させるように動作可能なステッパモータ（１１２）と、
   を含む、スペースクラフトを操縦する運動量アクチュエータ（１０６）。
2. 前記ロータ（１１０）は、前記ロータ（１１０）のスピン軸の方向にトルクを生成するように動作可能な可変速ロータである、請求項１に記載の運動量アクチュエータ。
3. 前記ジンバル（１１３）の位置は前記ステッパモータ（１１２）によって作られたステップの数を数えることによって決定される、請求項１に記載の運動量アクチュエータ。
4. 前記運動量アクチュエータ（１０６）は小型の衛星に設置される、請求項１に記載の運動量アクチュエータ。
5. 複数の運動量アクチュエータ（１０６）は、３段階の自由度を提供するアレイ（１０３）状に構成される、請求項１に記載の運動量アクチュエータ。
6. 可変速ロータ（１１０）および別個のステップで動く可動ジンバル（１１３）を有する制御モーメント・ジャイロスコープ（１０６）を操縦する方法であって、
   スペースクラフトの所望の姿勢変化を行うのに必要な運動量の変化を決定するステップと、
   前記ジンバル（１１３）が前記運動量の変化の少なくとも一部分を提供するために進められる必要があるか否か決定するステップと、
   前記運動量の変化が、前記ジンバル（１１３）を運動されることを要求しない場合は、前記ロータ（１１０）のスピンレートだけを変化するステップと、
   前記必要な運動量の変化の少なくとも一部分を提供する必要がある場合は、前記ジンバル（１１３）のアライメントを変化するステップと、を含む方法。
7. 前記制御モーメント・ジャイロスコープ（１０６）の全ての可能なアライメントによって達成可能な運動量空間内の全ての運動量ポイントを参照するテーブルを生成するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. 運動量の変化を決定する前記ステップは、前記制御モーメント・ジャイロスコープ（１０６）が回転させられる必要があるか否か決定するために現在の運動量ポイントを取り囲む前記制御モーメント・ジャイロスコープ（１０６）のアライメントによって達成可能な全運動量ポイントの前記空間内の各前記運動量ポイントを比較するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記制御モーメント・ジャイロスコープ（１０６）の前記アライメントを変化する前記ステップは、必要ないかなる追加の運動量をも提供するために前記制御モーメント・ジャイロスコープ（１０６）の前記アライメントを変化した後で、前記制御モーメント・ジャイロスコープ（１０６）の前記ロータの前記スピンレートを変化するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
10. 前記制御モーメント・ジャイロスコープ（１０６）の前記ジンバル（１１３）が運動されているとき、前記ロータ（１１０）の前記スピンレートを変化するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。

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