JP2009204419A - 故障検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 人工衛星に搭載する慣性基準装置のジャイロの故障有無を判断する際、一つのジャイロに故障が起きた場合、どのジャイロが故障しているのかについて、単純なジャイロ出力信号の比較のみでは検出することができず、故障していない正常なジャイロを取捨選択することが困難であった。
【解決手段】 斜交配置された複数のジャイロの出力信号から、３軸周りの各角速度を異なる演算処理で算出し、異なる演算処理で算出されたそれぞれの角速度の比較結果に基づく多数決処理によって、衛星形状や重心位置などのシステムパラメータを用いるような複雑な処理をすることなく、ジャイロ出力信号から故障したジャイロを特定することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、人工衛星に搭載され、慣性基準装置を構成するジャイロの故障を検出する故障検知装置に関するものである。

現在、人工衛星（以下、衛星）に搭載されている慣性基準装置は、慣性基準に対する角速度（姿勢レート）を検出するための角速度検出器として、ＴＤＧ（チューンドドライジャイロ：tuned dry gyro）と呼ばれる、直交二軸を同時に検出できるジャイロを内部に搭載している。ＴＤＧは、回転コマ式ジャイロの一種で、ローターが一定の回転速度になると自由度が増す設計となっている２軸自由度のジャイロである（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２５７８７８号公報

従来の慣性基準装置は、ＴＤＧが直交三軸にそれぞれ配置され、合計３台のＴＤＧにて構成されている。このような慣性基準装置は、一軸を２つのＴＤＧから検出可能な配置としており、内部冗長構成を取っている。このため、１つのジャイロ（ＴＤＧ）が故障した場合でも、他の２つのジャイロ（ＴＤＧ）で３軸の姿勢レートを検出することが可能である。

しかしながら、慣性基準装置を構成するジャイロの故障を判断し、故障していない正しいジャイロを取捨選択するような故障検知処理は、非常に困難なものとなる。ＴＤＧを用いた慣性基準装置では、一軸当たりで二つのジャイロからの出力信号を得ることが可能であることは前述したとおりである。この際、一つのジャイロに故障が起きた場合、二つのジャイロの出力信号を単純に比較するだけでは、どのジャイロが故障しているかについての解を求めることはできない。

このように、二つのジャイロの出力信号のみでは故障分離を行うことができないため、１）衛星の姿勢を制御するアクチュエータの出力から推定される衛星の挙動を予測し、予測した衛星の姿勢レートに対応してジャイロ出力信号の推定値を求め、その推定値と実測したジャイロの出力信号とを比較する、２）過去のジャイロ出力信号データとの比較を取り、その差分値に基づいてジャイロの出力エラーを検出する、など複雑な故障検知処理を行う必要があるという問題があった。

また、このような故障検知処理を実行するためには、搭載ソフトウェアの処理が複雑となり、搭載計算機のＣＰＵへ計算負荷をかけてしまうという問題があった。
また、衛星毎に衛星形状や衛星用途が異なり、例えば慣性モーメントや重心位置や姿勢制御用アクチュエータの出力特性や機器配置が異なるので、衛星の挙動を予測するための煩雑なパラメータのチューニング作業については、衛星毎に行う必要があり、衛星の設計や試験調整作業が煩雑化するという問題があった。

なお、モーションセンサの故障検出方法として、複数のモーションセンサおよび１つの慣性基準装置からの検出信号を相互に比較して検出信号相互間の差の異常を検出することで、正常なモーションセンサを判定する従来技術が知られている（例えば、特開平５−２７８６９０号公報参照）。しかし、この従来技術では、慣性基準装置内部の故障したジャイロを特定することができないという問題がある。

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、慣性基準装置内部のジャイロの故障を検出し、比較的簡単な処理で故障したジャイロを特定することを目的とする。

この発明による故障検知装置は、慣性基準装置おける、相互に斜交配置され各１軸周りの角速度を検出する複数のジャイロからの出力信号に基づいて、誤動作するジャイロを特定する故障検知装置であって、上記複数のジャイロの出力信号から３軸周りの各角速度を異なる演算処理で算出し、異なる演算処理で算出されたそれぞれの角速度の比較結果に基づいて、誤動作するジャイロを特定することを特徴としたものである。

この発明によれば、衛星の挙動を利用した複雑な推定処理を行わずに、慣性基準装置内部のジャイロの故障を判断し、故障したジャイロを特定することができる。

実施の形態１．
以下、図を用いてこの発明に係る実施の形態１について説明する。
図１は、実施の形態１による故障検知装置を搭載した衛星の構成を示す図である。
図において、衛星１００は、慣性基準装置１０と、慣性基準装置１０の出力信号に基づいて衛星１００の姿勢レート（角速度）を演算する制御装置６と、制御装置６により駆動されて衛星１００の姿勢を変化させるアクチュエータ７とを備える。慣性基準装置１０は衛星１００に固定され、４つのジャイロ１〜４を搭載し、慣性基準装置１０を基準としてジャイロ１〜４で検出された各出力信号（ジャイロで検出されるレート）を出力する。

演算処理部５は、制御装置６に対し慣性基準装置１０で計測したジャイロ１〜４の出力信号を出力する。制御装置６は、慣性基準装置１０の演算処理部５から出力されたジャイロ１〜４の出力信号から慣性基準座標系における角速度を計測する。制御装置６は、計測した慣性基準装置１０における角速度に基づいて、衛星１００の姿勢および角速度を検出するとともに、衛星１００の姿勢を制御目標値に一致させるように、アクチュエータ７に駆動信号を出力することで姿勢制御を行う。また、制御装置６は、演算処理部５から出力されるジャイロ１〜４の出力信号に基づいて、ジャイロ１〜４の故障有無を検出し、故障したジャイロを特定する故障検知装置として動作する。このように、制御装置６は故障したジャイロを特定することで故障したジャイロを分離し、故障せずに正常動作するジャイロのみを用いて、慣性基準装置１０における角速度を計測することができる。また、制御装置６にて、故障処理を行うことで、慣性基準装置１０と制御装置６とを結ぶケーブルやコネクタ端の異常も含め判断することが可能となる。アクチュエータ７は、スラスタやモーメンタムホール、リアクションホイールなどで構成され、アクチュエータ７からの駆動信号に基づいて衛星１００の姿勢を変更する。
なお、図１では、制御装置６に故障検知装置としての機能を持たせたが、故障検知装置を演算処理部５の内部に設けても良いことは謂うまでもない。また、ジャイロ１〜４は、５つ以上設けることで冗長系を構成しても良い。

ジャイロ１〜４は、１軸方向の角速度のみを検出するレートジャイロである。ジャイロ１〜４としては、半球形共振ジャイロ（ＨＲＧ；hemispherical resonator gyroscopes）と呼ばれる可動部分を持たないジャイロを用いると良い。このジャイロは、シリコン製の半球形共振器で定常波を発生させ、共振器の回転に応じた力を検出することで、回転速度を求めることができる。ＨＲＧは、ホイールを機械的に回転させるＴＤＧに比べ、可動部分がないので、機械的に部品が壊れるということが少なく、信頼性が非常に高い。また、機械的な可動部がないので、起動後、安定して使えるまでの時間が短くなるという利点がある。各ジャイロ１〜４は、相互に正四角錘の斜辺を成すように斜交配置され、４スキュー型のジャイロシステムを構成する。

図２はジャイロ１〜４の幾何学的な配置構成を示す図であり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその上面図である。図中、ジャイロの保持部材や詳細構造の図示を省略している。
４つのジャイロ１〜４は、図１に示すとおり幾何学的に配置されている。制御装置６は、通常時、式（１）に示す演算処理を行うことで、各ジャイロで計測した角速度（Ｇａ、Ｇｂ、Ｇｃ、Ｇｄ）（ジャイロ検出レート）から、慣性基準装置１０における直交三軸の角速度（Ωｘ、Ωｙ、Ωｚ）（直交三軸レート）を算出する。制御装置６は、このように算出した直交三軸レートの値を内部メモリに記憶保持する。

ここで、慣性基準装置１０は冗長構成を取っている。このため、４つの内何れか１つのジャイロの故障発生が検出された場合、制御装置６は、ジャイロ１〜４の幾何学配置から得られる次式（２）〜（５）の演算式を用いて、各ジャイロの検出レート（Ｇａ、Ｇｂ、Ｇｃ、Ｇｄ）から慣性基準装置１０の直交三軸レート（Ωｘ、Ωｙ、Ωｚ）を算出する。
なお、１つのジャイロの故障発生が検出された以降、式（１）を用いた処理は行わない。

（Ａ）ジャイロＡが故障した場合の直交三軸レートの演算式

（Ｂ）ジャイロＢが故障した場合の直交三軸レートの演算式

（Ｃ）ジャイロＣが故障した場合の直交三軸レートの演算式

（Ｄ）ジャイロＤが故障した場合の直交三軸レートの演算式

次に、ジャイロの故障検知の観点で、各ジャイロの健全性を確認するための演算処理について説明する。
衛星１００が一定の姿勢レートを保ち、姿勢レートがほとんど変化しない定常モードの状態にある時、制御装置６はジャイロ故障検知モードを起動し、ジャイロの故障検知処理を開始する。
制御装置６は、ジャイロの故障検知処理を開始すると、上記式（２）〜（５）をそれぞれ用いて、各ジャイロの故障時に対応したそれぞれの直交三軸レートを演算する。
ただし、式（２）で求めた直交三軸レートをＡ：[ΩＡｘ、ΩＡｙ、ΩＡｚ]、式（３）で求めた直交三軸レートをＢ：[ΩＢｘ、ΩＢｙ、ΩＢｚ]、式（４）で求めた直交三軸レートをＣ：[ΩＣｘ、ΩＣｙ、ΩＣｚ]、式（５）で求めた直交三軸レートをＤ：[ΩＤｘ、ΩＤｙ、ΩＤｚ]とする。

ここで、制御装置６は、新たなデータサンプリング時に求めた各直交三軸レートＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄと、前回のデータサンプリング時に求めた直交三軸レートとを用いて、相互比較処理を行い、ジャイロの故障発生を検出する（ステップ１）。
また、ジャイロの故障発生を検出した後、ステップ１の相互比較処理結果に基づいて、多数決判断処理により誤動作している故障ジャイロを特定する（ステップ２）。
制御装置６は、故障ジャイロを特定した後、故障ジャイロを用いることなく直交三軸レートを算出する、故障ジャイロの分離処理を行う（ステップ３）。

以下、この相互比較処理および多数決判断処理について、ジャイロ１が故障し、他のジャイロが正常である（故障していない）場合を例に説明する。
なお、制御装置６は、前回のデータサンプリング時に求められ、慣性基準装置１０から出力された直交三軸レートの値を、内部メモリに記憶保持しているものとする。

[相互比較処理]
ジャイロ１が故障し他のジャイロが正常である場合、ジャイロ１の検出レートＧａは偽値となり、ジャイロ２〜４の検出レートＧｂ〜Ｇｄは真値（但し、許容範囲内の誤差は含む）となる。
このことを利用して、制御装置６は、新たなデータサンプリング時に式（２）〜（５）の演算で得られる各直交三軸レートＡ〜Ｄの各軸レートと、前回サンプリング時のレートΩ（前回値；慣性基準装置１０の前回の出力値）との比較を行う。

ここで、Ｇａが偽値、Ｇｂ、Ｇｃ、およびＧｄが真値と仮定して、この真偽を式（２）〜（５）に対して当て嵌めれば、各レートΩｘの真偽は次のようになる。
レートΩｘ（前回値）：真値
式（２）で求めたレートΩＡｘ：真値
式（３）で求めたレートΩＢｘ：偽値
式（４）で求めたレートΩＣｘ：偽値
式（５）で求めたレートΩＤｘ：真値

また、各レートΩｙの真偽は次のようになる。
レートΩｙ（前回値）：真値
式（２）で求めたレートΩＡｙ：真値
式（３）で求めたレートΩＢｙ：真値
式（４）で求めたレートΩＣｙ：偽値
式（５）で求めたレートΩＤｙ：偽値

また、各レートΩｚの真偽は次のようになる。
レートΩｚ（前回値）：真値
式（２）で求めたレートΩＡｚ：真値
式（３）で求めたレートΩＢｚ：偽値
式（４）で求めたレートΩＣｚ：真値
式（５）で求めたレートΩＤｚ：偽値

このとき、まず、式（２）〜（５）の演算により、各レートΩｘ（前回値）、ΩＡｘ、ΩＢｘ、ΩＣｘ、ΩＤｘを求め、各レートの値が異なる場合、何れかのジャイロが故障していると判断される。
例えば、レートΩｘ（前回値）と、レートΩＡｘ、ΩＢｘ、ΩＣｘ、およびΩＤｘとの差分を取り、その差分値の中で一定の閾値を超えているものが１つもしくは３以下の複数個あればジャイロの故障有りと判断し、少なくとも１つのジャイロが故障していることが判明する。
一方、４つ全ての差分値が一定の閾値以内であるときには、ジャイロの故障無しと判断する。
また、４つ全ての差分値が一定の閾値を超えているときには、２つ以上のジャイロが故障しており、５つ以上のジャイロを用いた冗長構成が組まれていない限り、慣性基準装置１０の使用を不可とする。

[多数決判断処理]
次いで、ジャイロの故障有りと判断された場合、制御装置６は、各レートΩｘ（前回値）と、レートΩＡｘ、ΩＢｘ、ΩＣｘ、ΩＤｘとの差分を取り、その結果、差分値が一定の閾値以内となるものか、もしくは差分値の小さいものから順に３つを選択する、多数決判断を行う。この判断の結果、上記の例によれば、レートΩｘ（前回値）、レートΩＡｘ、ΩＤｘが優勢となり、ΩＢｘ、ΩＣｘが劣勢となる。
ここで、優勢となったレートΩＡｘ、ΩＤｘを真値と仮定すると、真値の算出に寄与しているジャイロ２の出力Ｇｂと、ジャイロ３の出力Ｇｃは真値であることが判明し、ジャイロ２、３が故障であるという仮定が間違っていることになる。
反面、真値の算出に寄与していないジャイロ１および４は、故障している可能性があると推定判断される（推定判断Ｘ）。

また、同様にして、制御装置６は、各レートΩｙ（前回値）と、レートΩＡｙ、ΩＢｙ、ΩＣｙ、ΩＤｙとの差分の結果に基づき、その差分値が一定の閾値以内となるものか、もしくは差分値の小さいものから順に３つを選択する、多数決判断を行う。この場合、上記の例では、レートΩｙ（前回値）、レートΩＡｙ、ΩＢｙが優勢となり、ΩＣｙ、ΩＤｙが劣勢となる。
ここで、優勢となったレートΩＡｙ、ΩＢｙを真値と仮定すると、真値の算出に寄与しているジャイロ３の出力Ｇｃと、ジャイロ４の出力Ｇｄは真値であることが判明し、ジャイロ３、４が故障であるという仮定が間違っていることになる。
反面、真値の算出に寄与していないジャイロ１および２は、故障している可能性があると推定判断される（推定判断Ｙ）。

さらに、同様にして、制御装置６は、各レートΩｚ（前回値）と、レートΩＡｚ、ΩＢｚ、ΩＣｚ、ΩＤｚとの差分の結果に基づき、その差分値が一定の閾値以内となるものか、もしくは差分値の小さいものから順に３つを選択する多数決判断を行う。この場合、上記の例では、レートΩｚ（前回値）、レートΩＡｚ、ΩＣｚが優勢となり、ΩＢｚ、ΩＤｚが劣勢となる。
ここで、優勢となったレートΩＡｙ、ΩＣｙを真値と仮定すると、真値の算出に寄与しているジャイロ２の出力Ｇｂと、ジャイロ４の出力Ｇｄは真値であることが判明し、ジャイロ２、４が故障であるという仮定が間違っていることになる。
反面、真値の算出に寄与していないジャイロ１および３は、故障している可能性があると推定判断される（推定判断Ｚ）。

このように、制御装置６にて、レートΩｘ、レートΩｙ、レートΩｚを用いた３種類の推定判断Ｘ、Ｙ、Ｚの多数決判断を行うことにより、ジャイロ１が何れの判断Ｘ、Ｙ、Ｚでも故障している可能性があると推定され（すなち、全部で３回故障していると推定され）、故障している可能性が高いと判断される。一方、他のジャイロ２、３、４は故障している可能性があると推定されたのはそれぞれ１回づつであり、故障している可能性が低いと判断される。
かくして、最も故障している可能性の高いジャイロ１が、故障しているジャイロであると特定される。
なお、他のジャイロが故障した場合も、同様の処理方法で、故障ジャイロを特定することができることは言うまでもない。

[故障ジャイロ分離処理]
次に、制御装置６の故障ジャイロ分離処理について説明する。
制御装置６にて故障ジャイロが特定された後は、式（１）のみならず、故障したジャイロの出力信号を直交三軸レートの演算に用いることなく、対応する式（２）〜（５）に基づいて、他の正常なジャイロのみで直交三軸レートを算出する。
例えば、故障ジャイロがジャイロ１のみである場合、故障したジャイロ１に対応する式（２）を用いて、ジャイロ２〜４で得られたレートＧｂ〜Ｇｄのみから、直交三軸レートΩｘ、Ωｙ、Ωｚを算出する。故障ジャイロがジャイロ２〜４の何れか１つのみである場合についても、同様にして対応する式（３）〜（５）を用いて直交三軸レートを算出する。
制御装置６は、このように算出した直交三軸レートの値を、内部メモリに記憶保持する。また、制御装置６が算出した直交三軸レートは、衛星１００の姿勢制御に用いられる。
このように、１つのジャイロのみが故障した場合であれば、他のジャイロを用いて直交三軸レートを算出することができるので、４つのジャイロを用いて冗長構成の慣性基準装置を組むことができる。

以上説明したように、この実施の形態１による制御装置６に設けられた故障検知装置は、慣性基準装置１０における、相互に斜交配置され各１軸周りの角速度を検出する少なくとも４つの複数のジャイロ（ジャイロ１〜４）からの出力信号に基づいて、誤動作するジャイロを特定する。制御装置６は、複数のジャイロの出力信号から３軸周りの各角速度を異なる演算処理で算出し、異なる演算処理で算出されたそれぞれの角速度の比較結果に基づいて、誤動作するジャイロを特定する。
さらに、制御装置６は、１つのジャイロの出力信号を選択的に除外したジャイロの幾何学配置に基づく４通りの演算処理によって、４つのジャイロの出力信号から３軸周りの各角速度をそれぞれ算出し、それぞれの演算処理で算出された角速度を相互比較することにより誤動作しているジャイロを推定し、誤動作しているジャイロであると推定された回数の高いものを、誤動作しているジャイロとして特定する多数決処理を行う。
この際、慣性基準装置１０に設けられるジャイロ１〜４は、４スキュー型に配置された少なくとも４つのジャイロから構成されるのが良い。

このように、この実施の形態１による故障検知装置は、多数決判断を行うことで、故障ジャイロがある場合、明らかに異なる直交三軸レートを算出するものがジャイロ１〜４の中に一つ存在することを検出するとともに、その故障ジャイロを特定して、異常を早期発見し、かつ異常な故障ジャイロを分離することができる。
従来の慣性基準装置では、過去データとの差分やアクチュエータ出力との比較により、ジャイロの故障を検出していたため、衛星ごとのチューニングや煩雑な処理が必要であったが、実施の形態１による故障検知装置は、多数決方式を行うことでシンプルな演算処理で、確実に異常ジャイロを検知し、故障分離することが可能となる。

したがって、衛星の挙動を利用した複雑な推定処理を行わずに、慣性基準装置内部のジャイロの故障を判断し、各ジャイロの出力信号を用いた多数決処理によって故障したジャイロを特定することができるという効果が得られる。

また、この実施の形態１による故障検知装置を衛星に適用することで、衛星形状や衛星の用途に依らず、同じ演算処理を用いることで、慣性基準装置におけるジャイロの故障検知および故障分離を比較的簡易に行うことが可能となる。

この発明に係る実施の形態１による故障検知装置を搭載した衛星の構成を示す図である。 実施の形態１によるジャイロの配置構成を示す図である。

符号の説明

１〜４ ジャイロ、５ 演算処理部、６ 制御装置（故障検知装置）、７ アクチュエータ、１０ 慣性基準装置、１００ 衛星。

Claims (3)

1. 慣性基準装置における、相互に斜交配置され各１軸周りの角速度を検出する複数のジャイロからの出力信号に基づいて、誤動作するジャイロを特定する故障検知装置であって、
   上記複数のジャイロの出力信号から３軸周りの各角速度を異なる演算処理で算出し、異なる演算処理で算出されたそれぞれの角速度の比較結果に基づいて、誤動作するジャイロを特定することを特徴とした故障検知装置。
2. 上記ジャイロは、４スキュー型に配置された４つのジャイロから構成されることを特徴とした請求項１記載の故障検知装置。
3. １つのジャイロの出力信号を選択的に除外したジャイロの幾何学配置に基づく４通りの演算処理によって、４つのジャイロの出力信号から３軸周りの各角速度をそれぞれ算出し、それぞれの演算処理で算出された角速度を相互比較することにより誤動作しているジャイロを推定し、推定回数の高いものを誤動作しているジャイロとして特定する多数決処理を行うことを特徴とした請求項１記載の故障検知装置。

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