JP2009190506A - Posture control device for artificial satellite and posture control method of artificial satellite - Google Patents

Posture control device for artificial satellite and posture control method of artificial satellite Download PDF

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Kazutaka Kumeno
和孝 粂野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem that a CMG (control moment gyro) which is an actuator for the posture control of an artificial satellite can output large torque but increases a torque resolution and a torque output error. <P>SOLUTION: This posture control device is provided with a CMG driving computing part 5 capable of outputting torque on an open loop and an RW driving control part to distribute torque to an RW (reaction wheel) 10 into the CMG in accordance with a gimbal angle of the CMG 4 and changes an open loop control mode by the CMG and a closed loop control mode by the RW over to each other at a maneuver time and at a non-maneuver time of the artificial satellite. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、コントロールモーメントジャイロを用いて、人工衛星の姿勢を制御する姿勢制御装置、および人工衛星の姿勢制御方法に関するものである。   The present invention relates to an attitude control device for controlling the attitude of an artificial satellite using a control moment gyro, and an attitude control method for an artificial satellite.

コントロールモーメントジャイロ(以下、CMG)は、人工衛星の姿勢制御に用いられるアクチュエータである。従来、人工衛星の姿勢制御には、リアクションホイール(以下、RW)やスラスタ等のアクチュエータが用いられていたが、CMGはこれらのアクチュエータと比較して大きなトルクを発生させることが可能であり、人工衛星の機動性が向上する。   A control moment gyro (hereinafter referred to as CMG) is an actuator used for attitude control of an artificial satellite. Conventionally, actuators such as reaction wheels (hereinafter referred to as RW) and thrusters have been used for attitude control of artificial satellites, but CMG can generate a larger torque than these actuators. The mobility of the satellite is improved.

CMGは高速回転するリアクションホイール(以下、RW)をジンバル軸まわりに回転させて、そのジャイロ効果により出力トルクを得ることができる。従って、CMGから人工衛星に働くトルクはRWの角運動量ベクトルとジンバル角速度ベクトルの外積により求められるが、このときRWの角運動量を一定とし、ジンバル角速度を上げることによって、大トルクを発生させる制御方法が一般的である。   The CMG can obtain an output torque by rotating a reaction wheel (hereinafter referred to as RW) that rotates at high speed around the gimbal axis. Therefore, the torque acting on the satellite from the CMG can be obtained by the outer product of the RW angular momentum vector and the gimbal angular velocity vector. At this time, the control method for generating a large torque by keeping the angular momentum of the RW constant and increasing the gimbal angular velocity. Is common.

また、複数のCMGを用いた制御システムでは、特異点と呼ばれるすべての出力トルクの方向が一つの平面内に含まれ、三軸の姿勢制御トルクが出力できない状態が存在する。このため、例えば2台のCMGと4台のRWを組み合わせて設け、CMGとRWをそれぞれ独立に制御して、特異点の影響を受けない制御システムを構築するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。   Also, in a control system using a plurality of CMGs, all output torque directions called singular points are included in one plane, and there is a state in which three-axis attitude control torque cannot be output. For this reason, for example, two CMGs and four RWs are provided in combination, and CMGs and RWs are independently controlled to construct a control system that is not affected by singularities (for example, Patent Document 1).

特開2004−90796号公報JP 2004-90796 A

CMGは、ジンバル角速度の制御性能によりトルク分解能が決まってしまい、大トルクを出力できる反面、従来人工衛星の姿勢制御に用いられていたRWのトルク出力性能と比較すると、トルク分解能やトルク出力誤差が大きくなり、制御精度が低下してしまうという欠点がある。   CMG has a torque resolution determined by the control performance of the gimbal angular velocity, and can output a large torque. On the other hand, compared with the torque output performance of RW used for attitude control of conventional satellites, CMG has a torque resolution and torque output error. There is a drawback that the control accuracy is reduced due to an increase in size.

特許文献1の姿勢制御装置は、CMGとRWの両方を別々に搭載することで、この問題の解決を図るものであるが、このような複数のアクチュエータ群を搭載するには人工衛星内部のスペースは限られており、現実的では無い。   The attitude control device of Patent Document 1 aims to solve this problem by separately mounting both CMG and RW. To mount such a group of actuators, the space inside the artificial satellite Is limited and not realistic.

また、CMG内部に搭載されているRWは、本来高精度の姿勢制御に向いたトルク出力ができるにもかかわらず、CMGでの利用方法は角運動量の蓄積に限られてしまい、その能力を十分に生かせていない。   In addition, although the RW installed in the CMG can output torque that is originally suitable for highly accurate attitude control, the method of use in the CMG is limited to the accumulation of angular momentum, and its capability is sufficient. It is not alive.

さらに、CMGのみを用いた制御システムでは、ある方向にトルクが出力できなくなる特異点問題が発生し、この特異点を回避する制御システムの構築は複雑で困難を極める。   Furthermore, in a control system using only CMG, a singularity problem occurs where torque cannot be output in a certain direction, and construction of a control system that avoids this singularity is extremely complicated and difficult.

この発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、CMGとRWの双方の利点を活かし、CMGを用いた人工衛星の高い機動性を維持しつつ、精度の高い姿勢制御を得ることを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and can obtain the attitude control with high accuracy while utilizing the advantages of both CMG and RW while maintaining the high maneuverability of the satellite using CMG. With the goal.

この発明による人工衛星用姿勢制御装置は、リアクションホイール回転軸周りに回転する複数のリアクションホイールと、上記各リアクションホイールをジンバル回転軸周りにそれぞれ回転させる複数のジンバル軸とを有したコントロールモーメントジャイロと、人工衛星のマヌーバ時に、上記ジンバル軸の目標ジンバル角度および目標ジンバル角速度指令値とジンバル角度測定値およびジンバル角速度測定値に基づいてジンバル角度誤差およびジンバル角速度誤差を演算し、上記各ジンバル回転軸へのジンバル角度指令値およびジンバル角速度指令値を出力するとともに、上記各リアクションホイールへの角運動量指令値が一定になるように制御するコントロールモーメントジャイロ駆動演算部と、人工衛星の非マヌーバ時に、上記ジンバル軸のジンバル角度を一定に制御するとともに、人工衛星の目標姿勢角および姿勢角推定値と目標角速度および角速度推定値に基づいて姿勢誤差を演算し、演算した姿勢誤差および上記ジンバル軸のジンバル角度測定値に基づいて上記各リアクションホイールへのトルク指令値を演算するリアクションホイール駆動演算部と、を備えたものである。   An attitude control device for a satellite according to the present invention includes a control moment gyro having a plurality of reaction wheels rotating around a reaction wheel rotation axis, and a plurality of gimbal shafts rotating the reaction wheels around a gimbal rotation axis. During maneuver of the satellite, the gimbal angle error and gimbal angular velocity error are calculated based on the target gimbal angle and target gimbal angular velocity command value, gimbal angle measured value and gimbal angular velocity measured value of the gimbal axis. The control moment gyro drive calculation unit that outputs the gimbal angle command value and the gimbal angular velocity command value for each reaction wheel and controls the angular momentum command value to each reaction wheel to be constant, and the gimbal when the satellite is not maneuvered. The gimbal angle of the axis is controlled to be constant, the attitude error is calculated based on the target attitude angle and attitude angle estimated value of the satellite, the target angular velocity and the estimated angular velocity value, and the calculated attitude error and the gimbal angle measurement of the gimbal axis are performed. A reaction wheel drive calculation unit that calculates a torque command value for each of the reaction wheels based on the value.

この発明によれば、CMG内部にRWを搭載し、人工衛星の非マヌーバ時にRWによる三軸の姿勢制御行い、マヌーバ時にはジンバル軸によりRWを回転させてCMGを制御することにより、特異点の影響を受けずに高い機動性で姿勢変化ができるとともに、人工衛星の制御精度低下を防ぐことができる。   According to this invention, the RW is mounted inside the CMG, and the attitude of the three axes is controlled by the RW when the artificial satellite is not maneuvered, and the MG is controlled by rotating the RW by the gimbal axis at the time of the maneuver. It is possible to change the attitude with high mobility without being affected, and to prevent the control accuracy of the satellite from being lowered.

実施の形態1.
以下、図を用いて、この発明に係わる実施の形態1について説明する。図1は実施の形態1における人工衛星用の姿勢制御装置の構成を示すブロック図である。
Embodiment 1 FIG.
Embodiment 1 according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the attitude control device for an artificial satellite according to the first embodiment.

図において、姿勢制御装置は、姿勢マヌーバ計画部1と、レギュレータ演算部2と、RW駆動演算部3と、CMG4と、CMG駆動演算部5と、姿勢決定部7を備えて構成される。姿勢制御装置は人工衛星6に搭載され、人工衛星6の姿勢を制御する。姿勢マヌーバ計画部1は、人工衛星のマヌーバに応じて、人工衛星6が目標姿勢を得るためのCMGのジンバル軸における目標ジンバル角度指令値と目標ジンバル角速度指令値から成る目標ジンバル角度・角速度指令値を計算する。人工衛星のマヌーバ計画は、人工衛星を運用管制する地上局(図示せず)のオペレータが人工衛星の運用計画に基づいて決定し、地上局と人工衛星との通信を介して姿勢マヌーバ計画部1に入力される。レギュレータ演算部2は、姿勢マヌーバ計画部1から出力される目標ジンバル角度・角速度指令値と、姿勢決定部7より得られた姿勢角・角速度推定値とから姿勢誤差を算出し、人工衛星6の所望の姿勢制御トルクを計算する。レギュレータ演算部2は人工衛星のマヌーバ時と非マヌーバ時とで演算処理形態が切り替わり、異なる演算結果を出力する。RW駆動演算部3はレギュレータ演算部2より得られた姿勢制御トルクを各RWに分配し、各RWに対応したトルク指令値を求める。   In the figure, the attitude control device includes an attitude maneuver planning unit 1, a regulator calculation unit 2, an RW drive calculation unit 3, a CMG 4, a CMG drive calculation unit 5, and an attitude determination unit 7. The attitude control device is mounted on the artificial satellite 6 and controls the attitude of the artificial satellite 6. The attitude maneuver planning unit 1 is a target gimbal angle / angular velocity command value composed of a target gimbal angle command value and a target gimbal angular velocity command value on the CMG gimbal axis for the artificial satellite 6 to obtain a target attitude according to the maneuver of the satellite. Calculate The maneuver plan of the artificial satellite is determined based on the operation plan of the artificial satellite by the operator of the ground station (not shown) that controls the artificial satellite, and the attitude maneuver planning unit 1 through the communication between the ground station and the artificial satellite. Is input. The regulator calculation unit 2 calculates a posture error from the target gimbal angle / angular velocity command value output from the posture maneuver planning unit 1 and the posture angle / angular velocity estimated value obtained from the posture determination unit 7. Calculate the desired attitude control torque. The regulator calculation unit 2 switches the calculation processing mode between maneuver and non-maneuver of the artificial satellite, and outputs different calculation results. The RW drive calculation unit 3 distributes the attitude control torque obtained from the regulator calculation unit 2 to each RW, and obtains a torque command value corresponding to each RW.

図2はCMG4の概略構成を示す図である。CMG4は、RW10と、RW10をジンバル回転軸周りに回転させるジンバル軸11と、ジンバル軸11を人工衛星6の衛星構体に固定するフレーム12から構成される。ジンバル軸11はフレーム12の内側を回転するフレームを有しており、図中では、RW10をジンバル軸11に接続するフレームを、図示の都合上、点線で示している。CMG4は、RW10をジンバル軸11周りに駆動することができるアクチュエータであり、CMG4を駆動することにより人工衛星に姿勢変動トルクを出力する。CMG4は角度および角速度検出器(図示せず)を有し、ジンバル軸11のフレーム12に対する角度を示すジンバル角度の測定値、およびジンバル軸11のフレーム12に対する角速度を示すジンバル角速度の測定値から成るジンバル角度・角速度測定値を出力する。また、CMG4は、RW10をジンバル回転軸周りに回転させるモータ(図示せず)と、RW10をジンバル軸11周りに回転させるモータ(図示せず)と、モータの回転を制御する制御回路(図示せず)が設けられるが、ここではその図示および詳細説明を略する。   FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the CMG 4. The CMG 4 includes an RW 10, a gimbal shaft 11 that rotates the RW 10 around the gimbal rotation axis, and a frame 12 that fixes the gimbal axis 11 to the satellite structure of the artificial satellite 6. The gimbal shaft 11 has a frame that rotates inside the frame 12. In the drawing, the frame that connects the RW 10 to the gimbal shaft 11 is indicated by a dotted line for convenience of illustration. The CMG 4 is an actuator that can drive the RW 10 around the gimbal axis 11, and outputs attitude variation torque to the artificial satellite by driving the CMG 4. The CMG 4 has an angle and angular velocity detector (not shown), and includes a gimbal angle measurement value indicating the angle of the gimbal shaft 11 with respect to the frame 12 and a gimbal angular velocity measurement value indicating the angular velocity of the gimbal shaft 11 with respect to the frame 12. Outputs gimbal angle and angular velocity measurement values. The CMG 4 includes a motor (not shown) that rotates the RW 10 around the gimbal rotation axis, a motor (not shown) that rotates the RW 10 around the gimbal axis 11, and a control circuit (not shown) that controls the rotation of the motor. However, the illustration and detailed description thereof are omitted here.

CMG駆動演算部5は、ジンバル軸における目標ジンバル角度指令値および目標ジンバル角速度指令値から成る目標ジンバル角度・角速度指令値と、CMG4より得られたジンバル軸におけるジンバル角度測定値およびジンバル角速度測定値から成るジンバル角度・角速度測定値に基づき、ジンバル軸におけるジンバル角度指令値およびジンバル角速度指令値から成るジンバル角度・角速度指令値を計算する。姿勢決定部7は、人工衛星6に搭載された姿勢角度検出ジャイロや角速度検出ジャイロなどのセンサデータに基づき、人工衛星の姿勢角・角速度の推定値を計算する。   The CMG drive calculation unit 5 calculates a target gimbal angle / angular velocity command value including a target gimbal angle command value and a target gimbal angular velocity command value for the gimbal axis, and a gimbal angle measurement value and a gimbal angular velocity measurement value for the gimbal axis obtained from the CMG 4. Based on the measured gimbal angle / angular velocity measurement value, a gimbal angle / angular velocity command value including a gimbal angle command value and a gimbal angular velocity command value for the gimbal axis is calculated. The attitude determination unit 7 calculates estimated values of the attitude angle and angular velocity of the artificial satellite based on sensor data such as an attitude angle detection gyro and an angular velocity detection gyro mounted on the artificial satellite 6.

次に、実施の形態1の姿勢制御装置について、マヌーバ時と非マヌーバ時の動作形態を説明する。
まず、図1により、人工衛星6の非マヌーバ時の形態(RW駆動モード)について説明する。マヌーバ時以外ではCMGは駆動させず、ジンバル角は一定に固定されており、クローズドループ制御によりRWによる三軸駆動制御を行う。このとき、レギュレータ演算部2にて、人工衛星6の目標姿勢角度および角速度と姿勢角・角速度推定値から得られた姿勢誤差を補償するための、人工衛星6の三軸の姿勢制御トルクが計算される。レギュレータ演算部2で計算された三軸の姿勢制御トルクは、RW駆動演算部3にて各RW毎のトルク指令値へ分配される。
Next, with respect to the attitude control device of the first embodiment, operation modes during maneuver and non-maneuver will be described.
First, the non-maneuver mode (RW drive mode) of the artificial satellite 6 will be described with reference to FIG. The CMG is not driven except when maneuvering, the gimbal angle is fixed, and three-axis drive control by RW is performed by closed loop control. At this time, the regulator calculation unit 2 calculates the three-axis attitude control torque of the artificial satellite 6 to compensate for the attitude error obtained from the target attitude angle and angular velocity of the artificial satellite 6 and the estimated attitude angle and angular velocity. Is done. The triaxial attitude control torque calculated by the regulator calculation unit 2 is distributed to the torque command value for each RW by the RW drive calculation unit 3.

図3はCMG4及びCMG内部に搭載されたRWの配置例を示す図であり、図4は図3のCMG配置における、人工衛星6の三軸固定座標系(X,Y,Z)に対する各RW回転軸の配置例を示す図である。
図3では、CMG4を4台用いて、CMG内部に搭載された4台のRWのピラミッド型配置例を示している。この場合、人工衛星6のZ軸に対してRWの回転軸が開いた形となり、各々の回転軸が平行にならないようにジンバル角の初期位置を設定する。これにより、各CMG内部に搭載されたRWを組み合わせて使用することにより、人工衛星6の三軸すべての方向に姿勢制御可能なトルクを出力することができる。
なお、人工衛星6のマヌーバ中はジンバル角が変化するため、RWの回転軸も変化するが、マヌーバ後はほぼジンバル角は初期位置に戻る。このため、マヌーバ時以外は、常にRWによる三軸姿勢制御が可能である。
FIG. 3 is a diagram showing an arrangement example of CMGs 4 and RWs installed in the CMG, and FIG. 4 shows each RW with respect to the triaxial fixed coordinate system (X, Y, Z) of the artificial satellite 6 in the CMG arrangement of FIG. It is a figure which shows the example of arrangement | positioning of a rotating shaft.
FIG. 3 shows an example of the pyramid type arrangement of four RWs mounted inside the CMG using four CMGs. In this case, the rotational axis of the RW is open with respect to the Z axis of the artificial satellite 6, and the initial position of the gimbal angle is set so that the respective rotational axes are not parallel. As a result, by using a combination of RWs mounted in each CMG, it is possible to output torque that can be attitude controlled in all three axes of the artificial satellite 6.
Since the gimbal angle changes during maneuver of the artificial satellite 6, the rotation axis of the RW also changes, but after the maneuver, the gimbal angle almost returns to the initial position. For this reason, three-axis attitude control by RW is always possible except during maneuver.

ここで、人工衛星6の三軸の姿勢制御トルク(τx、τy、τzとする)と各RWのトルク(τwi、i:RWの個数)の関係は、一般的に以下の式で表される。   Here, the relationship between the three-axis attitude control torque (τx, τy, τz) of the artificial satellite 6 and the torque (τwi, i: number of RWs) of each RW is generally expressed by the following equation. .

Figure 2009190506
Figure 2009190506

但し、AはRWの配置によって幾何学的に一意に決まる3×iのトルク分配行列である。ジンバル軸11のジンバル角をφj(j:CMGの個数)とすると、RWの配置は各CMGのφjに応じて変化するため、行列Aの各要素は、次にようにφjの関数となる。   A is a 3 × i torque distribution matrix uniquely determined geometrically by the arrangement of RWs. If the gimbal angle of the gimbal axis 11 is φj (j: number of CMGs), the arrangement of RW changes according to φj of each CMG, so each element of the matrix A is a function of φj as follows.

Figure 2009190506
Figure 2009190506

図1のジンバル角測定値8がφjに相当し、この値がRW駆動演算部3にフィードバックされることにより、マヌーバ後毎に変化する行列Aを求めることが可能となる。この求めた行列Aを用いて、人工衛星6の姿勢制御トルクから各RWへの分配トルクを求めることができる。   The gimbal angle measurement value 8 in FIG. 1 corresponds to φj, and this value is fed back to the RW drive calculation unit 3, so that a matrix A that changes after maneuver can be obtained. Using the obtained matrix A, the distribution torque to each RW can be obtained from the attitude control torque of the artificial satellite 6.

かくして、非マヌーバ時の形態では、RWのみを用いて人工衛星6の三軸の姿勢制御を実施することができ、RWのトルク出力精度での姿勢制御を行うことが可能である。 Thus, in the non-maneuver mode, the three-axis attitude control of the artificial satellite 6 can be performed using only the RW, and the attitude control with the torque output accuracy of the RW can be performed.

次に、人工衛星6のマヌーバ時の形態(CMG駆動モード)について説明する。
人工衛星6のマヌーバ時は、RWの角運動量指令値は一定として、RWは一定回転で制御を行い、CMG4のジンバル角を図1の姿勢マヌーバ計画1により得られた目標ジンバル角度・角速度に従って制御する。この時、図1に示すように、姿勢誤差を補償するクローズドループを切ることにより、CMG4のオープンループ制御を行う。
Next, the maneuver mode (CMG drive mode) of the artificial satellite 6 will be described.
When maneuver of the artificial satellite 6 is performed, the RW angular momentum command value is constant, the RW is controlled at a constant rotation, and the gimbal angle of the CMG 4 is controlled according to the target gimbal angle and angular velocity obtained by the attitude maneuver plan 1 of FIG. To do. At this time, as shown in FIG. 1, the open loop control of the CMG 4 is performed by cutting the closed loop that compensates for the posture error.

CMG4はオープンループ制御であるため、目標ジンバル角度・角速度を計画する際、特異点を考慮せずに軌道計画を行うことが可能であり、特異点通過時に必要な複雑な制御システムの構築は必要でなくなる。   Since CMG4 is open-loop control, it is possible to perform trajectory planning without considering singular points when planning target gimbal angles and angular velocities, and it is necessary to construct a complex control system required when passing singular points Not.

また、CMG4はオープンループ制御でマヌーバを実施するため、マヌーバ直後に姿勢誤差が発生するが、前述の通り、マヌーバ後は姿勢誤差を補償するクローズドループを有するRWによる三軸姿勢制御に切り替えれば、姿勢誤差を取り除くことが可能である。   In addition, since CMG4 performs maneuver with open loop control, an attitude error occurs immediately after maneuver, but as described above, after switching to three-axis attitude control by RW having a closed loop that compensates for attitude error, as described above, It is possible to remove the posture error.

以上説明したとおり、この実施の形態による人工衛星用姿勢制御装置は、リアクションホイール回転軸周りに回転する複数のリアクションホイールと、上記各リアクションホイールをジンバル回転軸周りにそれぞれ回転させる複数のジンバル軸とを有したコントロールモーメントジャイロと、人工衛星のマヌーバ時に、上記ジンバル軸の目標ジンバル角度および目標ジンバル角速度指令値とジンバル角度測定値およびジンバル角速度測定値に基づいてジンバル角度誤差およびジンバル角速度誤差を演算し、上記各ジンバル回転軸へのジンバル角度指令値およびジンバル角速度指令値を出力するとともに、上記各リアクションホイールへの角運動量指令値が一定になるように制御するコントロールモーメントジャイロ駆動演算部と、人工衛星の非マヌーバ時に、上記ジンバル軸のジンバル角度を一定に制御するとともに、人工衛星の目標姿勢角および姿勢角推定値と目標角速度および角速度推定値に基づいて姿勢誤差を演算し、演算した姿勢誤差および上記ジンバル軸のジンバル角度測定値に基づいて上記各リアクションホイールへのトルク指令値を演算するリアクションホイール駆動演算部と、を備えたものである。   As described above, the attitude control device for a satellite according to this embodiment includes a plurality of reaction wheels that rotate around the reaction wheel rotation axis, and a plurality of gimbal shafts that rotate the reaction wheels around the gimbal rotation axis, respectively. The gimbal angle error and gimbal angular velocity error are calculated based on the target gimbal angle, target gimbal angular velocity command value, gimbal angle measured value, and gimbal angular velocity measured value of the gimbal axis when maneuvering the control moment gyro with A control moment gyro drive arithmetic unit that outputs a gimbal angle command value and a gimbal angular velocity command value to each gimbal rotation axis, and controls the angular momentum command value to each reaction wheel to be constant, and an artificial satellite of During maneuver, the gimbal angle of the gimbal axis is controlled to be constant, and the attitude error is calculated based on the target attitude angle and attitude angle estimated value of the artificial satellite and the target angular velocity and angular velocity estimated value, and the calculated attitude error and the gimbal are calculated. A reaction wheel drive calculation unit that calculates a torque command value for each reaction wheel based on a measured value of the shaft gimbal angle.

この構成により、CMG4だけでなくCMG内部に搭載されているRWの能力もフルに発揮することができ、人工衛星の高い機動性を維持しつつ、高精度な姿勢制御を比較的簡単なロジックで実現することができる。   With this configuration, not only CMG4 but also the RW installed in CMG can be fully utilized, and high-precision attitude control can be achieved with relatively simple logic while maintaining the high maneuverability of the satellite. Can be realized.

また、CMG内部にRWを搭載し、人工衛星の非マヌーバ時にRWによる三軸の姿勢制御するRW駆動モードと、マヌーバ時にはジンバル軸によりRWを回転させてCMG4を制御するCMG駆動モードとの、2つのモードを切り替えて、人工衛星の姿勢制御を行うことにより、特異点の影響を受けず、かつ人工衛星の制御精度低下を防ぐことができる。   In addition, the RW is installed in the CMG, and the RW drive mode in which the attitude of the three axes is controlled by the RW when the artificial satellite is not maneuvered, and the CMG drive mode in which the MG is rotated by the gimbal axis to control the CMG4 in the maneuver. By switching the two modes and controlling the attitude of the artificial satellite, it is possible to prevent the influence of the singular point and to prevent the control accuracy of the artificial satellite from being lowered.

さらに、マヌーバ時にはCMG4をオープンループ制御するモード(CMG駆動モード)を実行することにより、特異点のを考慮せずに制御計画を立てることができる。また、マヌーバ後に姿勢誤差を補償するクローズドループを有したRWによる三軸姿勢制御のモード(RW駆動モード)に切り替わるため、オープンループ制御によりマヌーバ時に発生する姿勢誤差を取り除くことが可能である。   Further, by executing a mode (CMG drive mode) in which CMG 4 is open-loop controlled at the time of maneuver, a control plan can be made without considering singular points. Further, since the mode is switched to the RW three-axis attitude control mode (RW drive mode) having a closed loop that compensates for the attitude error after the maneuver, it is possible to remove the attitude error generated during the maneuver by the open loop control.

また、CMGとRWの双方の利点を活かしながら、CMG内部のRWを用いることにより、CMGとRWを組み合わせた搭載数を、最小限(冗長性を考慮しなければ、最低限CMG4台)に減らすことが可能である。   Also, by using the RW inside the CMG while taking advantage of both the CMG and RW, the number of CMGs and RWs combined is reduced to the minimum (at least 4 CMGs if redundancy is not considered). It is possible.

この発明の実施の形態1における人工衛星の姿勢制御装置のブロック図である。It is a block diagram of the attitude | position control apparatus of the artificial satellite in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1におけるCMGの概略図である。It is the schematic of CMG in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1におけるCMG及びCMG内部搭載RWの配置図の例である。It is an example of the layout of CMG and CMG internal mounting RW in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1におけるCMG配置に対応した、衛星の三軸固定座標系(X,Y,Z)に対するRW回転軸を示している。The RW rotation axis with respect to the triaxial fixed coordinate system (X, Y, Z) of the satellite corresponding to the CMG arrangement in the first embodiment of the present invention is shown.

符号の説明Explanation of symbols

1 姿勢マヌーバ計画部、2 レギュレータ演算部、3 RW駆動演算部、4 CMG、5 CMG駆動演算部、6 人工衛星、7 姿勢決定部、10 RW、11 ジンバル軸、12 フレーム。 1 attitude maneuver planning unit, 2 regulator calculation unit, 3 RW drive calculation unit, 4 CMG, 5 CMG drive calculation unit, 6 artificial satellite, 7 attitude determination unit, 10 RW, 11 gimbal axis, 12 frames.

Claims (2)

リアクションホイール回転軸周りに回転する複数のリアクションホイールと、上記各リアクションホイールをジンバル回転軸周りにそれぞれ回転させる複数のジンバル軸とを有したコントロールモーメントジャイロと、
人工衛星のマヌーバ時に、上記ジンバル軸の目標ジンバル角度および目標ジンバル角速度指令値とジンバル角度測定値およびジンバル角速度測定値に基づいてジンバル角度誤差およびジンバル角速度誤差を演算し、上記各ジンバル回転軸へのジンバル角度指令値およびジンバル角速度指令値を出力するとともに、上記各リアクションホイールへの角運動量指令値が一定になるように制御するコントロールモーメントジャイロ駆動演算部と、
人工衛星の非マヌーバ時に、上記ジンバル軸のジンバル角度を一定に制御するとともに、人工衛星の目標姿勢角および姿勢角推定値と目標角速度および角速度推定値に基づいて姿勢誤差を演算し、演算した姿勢誤差および上記ジンバル軸のジンバル角度測定値に基づいて上記各リアクションホイールへのトルク指令値を演算するリアクションホイール駆動演算部と、
を備えた人工衛星用姿勢制御装置。
A control moment gyro having a plurality of reaction wheels that rotate around a reaction wheel rotation axis, and a plurality of gimbal axes that rotate the reaction wheels around a gimbal rotation axis, respectively.
At the time of maneuver of the artificial satellite, the gimbal angle error and the gimbal angular velocity error are calculated based on the target gimbal angle and the target gimbal angular velocity command value, the gimbal angle measured value and the gimbal angular velocity measured value of the gimbal axis. A control moment gyro drive calculation unit that outputs a gimbal angle command value and a gimbal angular velocity command value and controls the angular momentum command value to each reaction wheel to be constant,
The gimbal angle of the gimbal axis is controlled to be constant when the satellite is not maneuvered, and the attitude error is calculated based on the target attitude angle and attitude angle estimated value of the satellite and the target angular velocity and angular velocity estimated value. A reaction wheel drive calculation unit that calculates a torque command value to each reaction wheel based on the error and the gimbal angle measurement value of the gimbal shaft;
An attitude control device for artificial satellites.
内部に設けられたリアクションホイールを、ジンバル回転軸周りに回転させる複数のコントロールモーメントジャイロを用いて、
人工衛星のマヌーバ時に、ジンバル軸の目標ジンバル角度および目標ジンバル角速度指令値とジンバル角度測定値およびジンバル角速度測定値に基づいてジンバル角度誤差およびジンバル角速度誤差を演算し、上記各ジンバル回転軸へのジンバル角度指令値およびジンバル角速度指令値を出力するとともに、上記各リアクションホイールへの角運動量指令値が一定になるように制御するコントロールモーメントジャイロ駆動モードと、
人工衛星の非マヌーバ時に、ジンバル軸のジンバル角度を一定に制御するとともに、人工衛星の目標姿勢角および姿勢角推定値と目標角速度および角速度推定値に基づいて姿勢誤差を演算し、演算した姿勢誤差および上記ジンバル軸のジンバル角度測定値に基づいて上記各リアクションホイールへのトルク指令値を演算するリアクションホイール駆動モードとの、2つのモードを切り替えて、人工衛星の姿勢制御を行うことを特徴とした人工衛星の姿勢制御方法。
Using multiple control moment gyros that rotate the reaction wheel provided inside around the gimbal rotation axis,
During maneuver of the satellite, the gimbal angle error and the gimbal angular velocity error are calculated based on the target gimbal angle of the gimbal axis, the target gimbal angular velocity command value, the gimbal angle measured value, and the gimbal angular velocity measured value. A control moment gyro drive mode for outputting an angle command value and a gimbal angular velocity command value and controlling the angular momentum command value to each reaction wheel to be constant;
The gimbal angle of the gimbal axis is controlled to be constant when the satellite is not maneuvered, and the attitude error is calculated based on the target attitude angle and attitude angle estimated value and target angular velocity and angular velocity estimated value of the satellite. Further, the attitude control of the artificial satellite is performed by switching between two modes, a reaction wheel driving mode for calculating a torque command value to each reaction wheel based on the measured gimbal angle value of the gimbal axis. Artificial satellite attitude control method.
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