JP2020050272A - Gimbal profile generation device, gimbal profile generation program, and gimbal profile generation method - Google Patents

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Abstract

To provide a gimbal profile generation device which provide gimbal profile generation ensuring convergence without using high-load calculation method for numerically obtaining a convergence direction such as the Newton method.SOLUTION: In a gimbal profile generation device 100, a posture rate calculator 91 calculates a posture rate based on the amount of posture change of a spacecraft. An inverse kinematics calculation unit 95 calculates the first angular momentum of the spacecraft using the calculated posture rate, and second angular momentum of the spacecraft based on a gimbal rotation angle obtained from a gimbal steady state indicating a state in which the three-axis total angular momentum of all CMGs in the coast section is zero and an angular momentum envelope of CMGs. The inverse kinematics calculation unit 95 calculates an initial value of an intermediate gimbal rotation angle based on a gimbal rotation angle change obtained by multiplying a difference between the first angular momentum and the second angular momentum by a matrix that converts an angular momentum time derivative into a gimbal rotation angular velocity.SELECTED DRAWING: Figure 10

Description

この発明は、コントロールモーメントジャイロ(以降「CMG」と称する)の目標ジンバル回転角のプロファイルであるジンバルプロファイルを生成する、装置、プログラム及び方法に関する。   The present invention relates to an apparatus, a program, and a method for generating a gimbal profile that is a profile of a target gimbal rotation angle of a control moment gyro (hereinafter, referred to as “CMG”).

人工衛星等の宇宙機の3軸姿勢制御を行うためのアクチュエータとして、CMGがある。CMGは、1台当たり1つ以上のジンバル軸と、ジンバル軸と直交するスピン軸回りに回転するホイールとを有している。CMGは、スピン軸回りに回転しているホイールをジンバル軸回りに回転させることで、角運動量を変化させるアクチュエータである。以下、ジンバル軸回りの回転角をジンバル回転角、または、ジンバル角と称する。宇宙機の姿勢変更を行うためには、ジンバル角を変化させることが必要であるが、ジンバル角の変化量を、「CMGジンバル目標プロファイル」として、あらかじめ計画することで宇宙機の姿勢変更を行う方法がある(例えば、特許文献1)。   CMG is an actuator for controlling the three-axis attitude of a spacecraft such as an artificial satellite. Each CMG has one or more gimbal axes and a wheel that rotates around a spin axis orthogonal to the gimbal axis. The CMG is an actuator that changes angular momentum by rotating a wheel rotating around a spin axis around a gimbal axis. Hereinafter, the rotation angle about the gimbal axis is referred to as a gimbal rotation angle or a gimbal angle. In order to change the attitude of the spacecraft, it is necessary to change the gimbal angle. However, the attitude of the spacecraft is changed by planning the amount of change in the gimbal angle as a “CMG gimbal target profile” in advance. There is a method (for example, Patent Document 1).

CMGジンバル目標プロファイルをあらかじめ計画する特許文献1のような方法では、CMGジンバル目標プロファイルは、人工衛星の目標姿勢変更量に基づき、姿勢変更に必要となるジンバル角等をフィードフォワード的に算出する。この算出過程では、ジンバル角から宇宙機の姿勢角速度を算出し、算出した姿勢角速度を数値演算により時間積分して姿勢角を算出する。さらに、算出した姿勢角が所望の姿勢変更量と一致するまで、ジンバル角の補正と前記姿勢角算出とが繰り返される。前記算出機能を宇宙機の搭載計算機に具備するためには、特に時間積分、及び姿勢角算出の繰り返し演算負荷を搭載計算機にて計算可能な程度まで下げる必要がある。また、算出機能は、ジンバル角の補正と数値演算により時間積分して姿勢角を算出することを繰り返すため、数値演算の安定性(収束性)を保証することが必要である。   In a method such as Patent Document 1 in which a CMG gimbal target profile is planned in advance, the CMG gimbal target profile calculates a gimbal angle and the like required for attitude change on a feedforward basis based on a target attitude change amount of the satellite. In this calculation process, the attitude angular velocity of the spacecraft is calculated from the gimbal angle, and the calculated attitude angular velocity is time-integrated by numerical calculation to calculate the attitude angle. Further, the gimbal angle correction and the posture angle calculation are repeated until the calculated posture angle matches the desired posture change amount. In order to provide the above-mentioned calculation function in the on-board computer of the spacecraft, it is necessary to reduce the repetitive calculation load of the time integration and the calculation of the attitude angle, in particular, to the extent that the on-board computer can calculate. Further, since the calculation function repeatedly repeats time correction by gimbal angle correction and numerical calculation to calculate the attitude angle, it is necessary to guarantee the stability (convergence) of the numerical calculation.

特許第5484262号Patent No. 5484262

従来のジンバル目標プロファイル生成器においては、ニュートン法等の数値的に収束方向(ジンバル角補正方向)を求める演算手法を用いて、時間積分して得られた姿勢角と所望の姿勢変更量を一致させている。このため、処理負荷量が大きいこと、数値的な収束演算の収束性を保証すること、について課題があった。   In a conventional gimbal target profile generator, a posture angle obtained by time integration and a desired posture change amount are matched by using a calculation method for numerically obtaining a convergence direction (gimbal angle correction direction) such as Newton's method. Let me. Therefore, there is a problem in that the processing load is large and the convergence of the numerical convergence operation is guaranteed.

この発明のジンバルプロファイル生成装置は、
複数のコントロールモーメントジャイロを備える宇宙機の姿勢制御に使用され、第1の遷移区間と、第2の遷移区間と、前記第1の遷移区間と前記第2の遷移区間との間に位置するコースト区間とに分けられるジンバル回転角を持つジンバルプロファイルを生成するジンバルプロファイル生成装置において、
前記宇宙機に要求される姿勢変更量に基づいて前記宇宙機の姿勢レートを計算する姿勢レート計算部と、
前記姿勢レート計算部の計算した前記姿勢レートを用いて前記宇宙機の第1角運動量を計算し、前記コースト区間におけるすべての前記コントロールモーメントジャイロの3軸合計角運動量がゼロの状態を示すジンバル定常状態とコントロールモーメントジャイロの角運動量包絡面とから得られるジンバル回転角に基づいて前記宇宙機の第2角運動量を計算し、前記第1角運動量と前記第2角運動量との差分に角運動量時間微分をジンバル回転角速度に変換する行列を乗じて得られたジンバル回転角変化量をもとに前記中間ジンバル回転角の初期値を計算する逆運動学計算部と、
前記中間ジンバル回転角の初期値の時間積分に基づいて前記宇宙機の姿勢角を計算し、前記姿勢角と前記宇宙機に要求される姿勢角とから、前記宇宙機の姿勢誤差を計算する姿勢誤差計算部と
を備える。
The gimbal profile generation device of the present invention includes:
A coast, which is used for attitude control of a spacecraft having a plurality of control moment gyros and is located between a first transition section, a second transition section, and the first transition section and the second transition section. A gimbal profile generation device that generates a gimbal profile having a gimbal rotation angle divided into sections and
An attitude rate calculation unit that calculates an attitude rate of the spacecraft based on an attitude change amount required for the spacecraft,
A gimbal steady state in which the first angular momentum of the spacecraft is calculated using the attitude rate calculated by the attitude rate calculation unit, and the three-axis total angular momentum of all the control moment gyros in the coast section is zero. A second angular momentum of the spacecraft is calculated based on a gimbal rotation angle obtained from the state and a control moment gyro angular momentum envelope, and an angular momentum time is calculated as a difference between the first angular momentum and the second angular momentum. An inverse kinematics calculation unit that calculates an initial value of the intermediate gimbal rotation angle based on a gimbal rotation angle change amount obtained by multiplying a matrix that converts the derivative into a gimbal rotation angular velocity;
An attitude for calculating an attitude angle of the spacecraft based on a time integration of an initial value of the intermediate gimbal rotation angle, and calculating an attitude error of the spacecraft from the attitude angle and an attitude angle required for the spacecraft. An error calculator.

本発明のジンバルプロファイル生成装置は逆運動学計算部を備えたので、中間ジンバル角が与えられていない場合でも、演算処理負荷を増大させることなくジンバルプロファイルを生成できる。   Since the gimbal profile generation device of the present invention includes the inverse kinematics calculation unit, the gimbal profile can be generated without increasing the processing load even when the intermediate gimbal angle is not given.

実施の形態1の図で、宇宙機の姿勢変更を実現するCMGジンバル目標プロファイルを示す図。FIG. 5 is a diagram of the first embodiment and shows a CMG gimbal target profile for realizing the attitude change of the spacecraft. 実施の形態1の図で、姿勢レートプロファイルを示す図。FIG. 5 is a diagram of the first embodiment and shows a posture rate profile. 実施の形態1の図で、CMGジンバル目標プロファイル、姿勢レートプロファイル、CMG全体の運動量及び姿勢角を示す図。FIG. 4 is a diagram of the first embodiment, showing a CMG gimbal target profile, a posture rate profile, a momentum of the entire CMG, and a posture angle. 実施の形態1の図で、ジンバルプロファイル生成装置100によるCMGジンバル目標プロファイルの生成方式に対する比較例を示す図。FIG. 5 is a diagram of the first embodiment and shows a comparative example of a method of generating a CMG gimbal target profile by the gimbal profile generation device 100. 実施の形態1の図で、CMG200の斜視図。FIG. 4 is a diagram of the first embodiment and is a perspective view of the CMG 200; 実施の形態1の図で、ジンバルプロファイル生成装置100のハードウェア構成を示す図。FIG. 3 is a diagram of the first embodiment and shows a hardware configuration of the gimbal profile generation device 100. 実施の形態1の図で、ジンバルプロファイル生成装置100の生成するCMGジンバル目標プロファイルを示す図。FIG. 4 is a diagram of the first embodiment and shows a CMG gimbal target profile generated by the gimbal profile generation device 100. 実施の形態1の図で、ジンバルプロファイル生成装置100のCMGジンバル目標プロファイルの生成の動作を示すフローチャート。5 is a flowchart of the first embodiment, showing an operation of generating a CMG gimbal target profile by the gimbal profile generation device 100. 実施の形態1の図で、台形形状の速度プロファイルを示す図。FIG. 4 is a diagram of the first embodiment and shows a speed profile of a trapezoidal shape. 実施の形態1の図で、ジンバルプロファイル生成装置100の機能構成を示す図。FIG. 3 is a diagram of the first embodiment and shows a functional configuration of the gimbal profile generation device 100. 実施の形態1の図で、ステップS20の内容を示すフローチャート。9 is a flowchart of the first embodiment, showing the content of step S20. 実施の形態1の図で、ステップS30とステップS40の内容を示すフローチャート。9 is a flowchart of the first embodiment, showing the contents of steps S30 and S40. 実施の形態1の図で、変形例を示す図。FIG. 9 is a diagram of the first embodiment and shows a modification.

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には、同一符号を付している。実施の形態の説明において、同一又は相当する部分については、説明を適宜省略又は簡略化する。
以下の実施の形態には、ベクトル,行列及びテンソルが登場する。
ベクトルは太字で示す。またベクトルは便宜的に<V>のように表記する場合がある。<V>はベクトルVを意味する。
行列とテンソルは太字で示す。また行列とテンソルは便宜的に[W]のように表記する場合がある。[W]は行列WまたはテンソルWを意味する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding portions are denoted by the same reference numerals. In the description of the embodiments, the description of the same or corresponding portions will be omitted or simplified as appropriate.
In the following embodiments, vectors, matrices, and tensors appear.
Vectors are shown in bold. In some cases, vectors are expressed as <V> for convenience. <V> means the vector V.
Matrices and tensors are shown in bold. Further, the matrix and the tensor may be expressed as [W] for convenience. [W] means a matrix W or a tensor W.

実施の形態1.
以下、図1から図13を参照して実施の形態1のジンバルプロファイル生成装置100を説明する。
図1は、宇宙機の姿勢変更を実現するためのCMGジンバル目標プロファイルの一例を示す。図1のCMGジンバル目標プロファイルは、任意のジンバル角始端θからθcoasまでジンバル角を変化させる遷移区間Aと、中間ジンバル角θcoastを維持するコースト区間と、中間ジンバル角θcoastから任意のジンバル角終端までジンバル角を変化させる遷移区間Bとから構成される。θcoastは、以下、中間ジンバル角と称する。
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, the gimbal profile generation device 100 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 shows an example of a CMG gimbal target profile for realizing the attitude change of the spacecraft. CMG gimbal target profile of FIG. 1, a transition section A to change the gimbal angles from any of the gimbal angle start theta 0 to Shitacoas, the coast section to maintain the intermediate gimbal angle Shitacoast, any of the gimbal angle end from the intermediate gimbal angle Shitacoast And a transition section B in which the gimbal angle is changed. θcoast is hereinafter referred to as an intermediate gimbal angle.

図2は、姿勢レートプロファイルを示す。図1に示したCMGジンバル目標プロファイルを用いた場合、中間ジンバル角θcoastでの全CMGの3軸合計角運動量がゼロの状態(この状態を「ジンバル角定常状態」と記す)に近い範囲であれば、図2に示す姿勢レートプロファイルに近い姿勢レートが得られる。このとき図2に示す姿勢レートプロファイルを時間積分して得られる姿勢角が、宇宙機のおおよその姿勢変更量となる。   FIG. 2 shows a posture rate profile. When the CMG gimbal target profile shown in FIG. 1 is used, the total angular momentum of the three axes of all CMGs at the intermediate gimbal angle θcoast is close to a state close to zero (this state is referred to as “steady state of gimbal angle”). For example, an attitude rate close to the attitude rate profile shown in FIG. 2 can be obtained. At this time, the attitude angle obtained by time-integrating the attitude rate profile shown in FIG. 2 is an approximate attitude change amount of the spacecraft.

所望の姿勢変更を実現する上で、姿勢変更始端φと姿勢変更終端φの姿勢条件は与えられるものとする。
図3は、図1のCMGジンバル目標プロファイル及び図2の姿勢レートプロファイルの場合に、さらに、CMG全体の運動量と姿勢角のグラフと加えた図である。姿勢条件が与えられている場合は、姿勢条件より、姿勢変更始端と姿勢変更終端のジンバル角(以下、始端ジンバル角θ及び終端ジンバル角θと称する)は任意の手法を用いて算出することができる。
In order to achieve the desired attitude change, it is assumed that the posture condition of attitude change start phi 0 and attitude change termination phi f is given.
FIG. 3 is a diagram obtained by adding a graph of the momentum and the posture angle of the entire CMG to the case of the CMG gimbal target profile of FIG. 1 and the posture rate profile of FIG. If the orientation condition is given, from the posture condition, the gimbal angle of attitude change beginning and attitude change termination (hereinafter referred to as starting gimbal angle theta 0 and terminating the gimbal angle theta f) is calculated by using any technique be able to.

始端ジンバル角θと終端ジンバル角θが与えられた時、図1に示すCMGジンバル目標プロファイルを用いて宇宙機で所望の姿勢変更を実現する上で変化させることができる条件は、中間ジンバル角θcoastのみである。
図4は、ジンバルプロファイル生成装置100によるCMGジンバル目標プロファイルの生成方式に対する比較例である。ステップS01の処理は、任意の手法で中間ジンバル角初期値を計算し、中間ジンバル角ノミナル値の初期値とする。ステップS02の処理は、中間ジンバル角ノミナル値及び中間ジンバル角をノミナル値から微小変化させた値を用いて、中間ジンバル角ノミナル値に対する終端姿勢及び目標姿勢プロファイル、中間ジンバル角を変化させた際の終端姿勢の変化量及び中間ジンバル角の収束方向(終端姿勢が所望の姿勢変更を実現する方向)を求め、中間ジンバル角を収束する方向に更新する。これは、ニュートン法等の数値的な手法である。図4の比較例では、例えば中間ジンバル角θcoastを微小変化させて数値的に収束方向(ジンバル角補正方向)を求める演算手法(ニュートン法等)を用いて、中間ジンバル角θcoastを求めている。図4の比較例では、時間積分により姿勢角を求めることに加え、数値的に収束方向を求める演算による演算負荷が加わる。このため、図4の比較例では処理負荷が高く、数値的な収束演算の収束性の保証が難しいという課題がある。
Given the starting gimbal angle θ 0 and the ending gimbal angle θ f , the conditions that can be changed to achieve the desired attitude change in the spacecraft using the CMG gimbal target profile shown in FIG. Only the angle θcoast.
FIG. 4 is a comparative example of a method of generating a CMG gimbal target profile by the gimbal profile generation device 100. In the process of step S01, an intermediate gimbal angle initial value is calculated by an arbitrary method, and is set as an initial value of the intermediate gimbal angle nominal value. The process of step S02 is performed by changing the intermediate gimbal angle with respect to the intermediate gimbal angle nominal value using the intermediate gimbal angle nominal value and the value obtained by slightly changing the intermediate gimbal angle from the nominal value. The change amount of the end posture and the convergence direction of the intermediate gimbal angle (the direction in which the end posture achieves the desired posture change) are obtained and updated to the direction in which the intermediate gimbal angle converges. This is a numerical method such as the Newton method. In the comparative example of FIG. 4, for example, the intermediate gimbal angle θcoast is obtained by using an arithmetic technique (Newton method or the like) for numerically obtaining the convergence direction (gimbal angle correction direction) by slightly changing the intermediate gimbal angle θcoast. In the comparative example of FIG. 4, in addition to obtaining the attitude angle by time integration, an arithmetic load for calculating the convergence direction numerically is added. Therefore, the comparative example in FIG. 4 has a problem that the processing load is high and it is difficult to guarantee the convergence of the numerical convergence operation.

実施の形態1で説明するジンバルプロファイル生成装置100は、後述の図7に示すCMGジンバル目標プロファイルを生成することで、図4で述べた課題を解決する。   The gimbal profile generation device 100 described in the first embodiment solves the problem described in FIG. 4 by generating a CMG gimbal target profile shown in FIG. 7 described later.

図5は、CMG200の斜視図である。CMG200を間単に説明する。CMG200は、ジンバルプロファイル生成装置100によって生成されるCMGジンバル目標プロファイルで制御される。CMG200は、人工衛星のような宇宙機の姿勢制御に用いられる。CMG200は、スピン軸211回りに高速で回転するホイール210と、ホイール210を支持し、スピン軸211に対して直交するジンバル軸221回りに回転するジンバル220とから構成される。ジンバル軸221回りの回転角度がジンバル回転角222である。   FIG. 5 is a perspective view of the CMG 200. The CMG 200 will be described simply. The CMG 200 is controlled by a CMG gimbal target profile generated by the gimbal profile generation device 100. The CMG 200 is used for attitude control of a spacecraft such as an artificial satellite. The CMG 200 includes a wheel 210 that rotates at high speed around a spin axis 211 and a gimbal 220 that supports the wheel 210 and rotates around a gimbal axis 221 perpendicular to the spin axis 211. The rotation angle around the gimbal axis 221 is the gimbal rotation angle 222.

CMG200において、ホイール210は高速回転することでスピン軸211回りに角運動量を生成する。ジンバル220をジンバル軸221回りに回転させ、ホイール210の角運動量の向きを回転させることにより、宇宙機に反作用トルクが働く。宇宙機はこの反作用トルクを姿勢制御に用いる。   In the CMG 200, the wheel 210 generates angular momentum about the spin axis 211 by rotating at high speed. By rotating the gimbal 220 around the gimbal axis 221 and rotating the direction of the angular momentum of the wheel 210, a reaction torque acts on the spacecraft. The spacecraft uses this reaction torque for attitude control.

***構成の説明***
図6は、ジンバルプロファイル生成装置100のハードウェア構成を示す。図6を用いてジンバルプロファイル生成装置100の構成を説明する。ジンバルプロファイル生成装置100はコンピュータである。ジンバルプロファイル生成装置100は、プロセッサ10を備えるとともに、メモリ20、補助記憶装置30、入力インタフェース40及び出力インタフェース50といった他のハードウェアを備える。プロセッサ10は、信号線60を介して他のハードウェアと接続され、これら他のハードウェアを制御する。
*** Configuration description ***
FIG. 6 shows a hardware configuration of the gimbal profile generation device 100. The configuration of the gimbal profile generation device 100 will be described with reference to FIG. The gimbal profile generation device 100 is a computer. The gimbal profile generation device 100 includes the processor 10 and other hardware such as the memory 20, the auxiliary storage device 30, the input interface 40, and the output interface 50. The processor 10 is connected to other hardware via a signal line 60, and controls the other hardware.

ジンバルプロファイル生成装置100は、機能要素として、姿勢レート計算部91、第1量子化部92、第2量子化部93、包絡面計算部94、逆運動学計算部95、ジンバル回転角更新部96、姿勢誤差計算部97及び補正部98を備える。姿勢レート計算部91、第1量子化部92、第2量子化部93、包絡面計算部94、逆運動学計算部95、ジンバル回転角更新部96、姿勢誤差計算部97及び補正部98は、ソフトウェアであるジンバルプロファイル生成プログラムにより実現される。   The gimbal profile generation device 100 includes, as functional elements, an attitude rate calculation unit 91, a first quantization unit 92, a second quantization unit 93, an envelope surface calculation unit 94, an inverse kinematics calculation unit 95, and a gimbal rotation angle update unit 96. , An attitude error calculation unit 97 and a correction unit 98. The posture rate calculation unit 91, the first quantization unit 92, the second quantization unit 93, the envelope surface calculation unit 94, the inverse kinematics calculation unit 95, the gimbal rotation angle update unit 96, the posture error calculation unit 97, and the correction unit 98 Is realized by a gimbal profile generation program which is software.

プロセッサ10は、ジンバルプロファイル生成プログラムを実行する装置である。ジンバルプロファイル生成プログラムは、姿勢レート計算部91、第1量子化部92、第2量子化部93、包絡面計算部94、逆運動学計算部95、ジンバル回転角更新部96、姿勢誤差計算部97及び補正部98を実現するプログラムである。プロセッサ10は、姿勢レート計算部91、第1量子化部92、第2量子化部93、包絡面計算部94、逆運動学計算部95、ジンバル回転角更新部96、姿勢誤差計算部97及び補正部98の処理を行うIC(Integrated Circuit)である。プロセッサ10の具体例は、CPU(Central Processing Unit)、DSP(Digital Signal Processor)、GPU(Graphics Processing Unit)である。   The processor 10 is a device that executes a gimbal profile generation program. The gimbal profile generation program includes a posture rate calculation unit 91, a first quantization unit 92, a second quantization unit 93, an envelope calculation unit 94, an inverse kinematics calculation unit 95, a gimbal rotation angle update unit 96, a posture error calculation unit. 97 is a program for realizing the correction unit 98. The processor 10 includes a posture rate calculation unit 91, a first quantization unit 92, a second quantization unit 93, an envelope surface calculation unit 94, an inverse kinematics calculation unit 95, a gimbal rotation angle update unit 96, a posture error calculation unit 97, An IC (Integrated Circuit) that performs the processing of the correction unit 98. Specific examples of the processor 10 are a CPU (Central Processing Unit), a DSP (Digital Signal Processor), and a GPU (Graphics Processing Unit).

メモリ20は、データを一時的に記憶する記憶装置である。メモリ20の具体例は、SRAM(STatic Random Access Memory)、DRAM(Dynamic Random Access Memory)である。メモリ20は、プロセッサ10の演算結果を保持する。   The memory 20 is a storage device that temporarily stores data. Specific examples of the memory 20 are an SRAM (Static Random Access Memory) and a DRAM (Dynamic Random Access Memory). The memory 20 holds the operation result of the processor 10.

補助記憶装置30は、データを保管する記憶装置である。補助記憶装置30の具体例は、HDD(Hard Disk Drive)である。また、補助記憶装置30は、SD(登録商標)(Secure Digital)メモリカード、CF(CompactFlash)、NANDフラッシュ、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ブルーレイ(登録商標)ディスク、DVD(Digital Versatile Disk)といった可搬記録媒体であってもよい。   The auxiliary storage device 30 is a storage device for storing data. A specific example of the auxiliary storage device 30 is an HDD (Hard Disk Drive). The auxiliary storage device 30 includes an SD (Secure Digital) memory card, a CF (Compact Flash), a NAND flash, a flexible disk, an optical disk, a compact disk, a Blu-ray (registered trademark) disk, and a DVD (Digital Versatile Disk). It may be a portable recording medium.

入力インタフェース40は、外部装置から、情報を取得する。出力インタフェース50は外部装置へ情報を出力する。   The input interface 40 acquires information from an external device. The output interface 50 outputs information to an external device.

ジンバルプロファイル生成プログラムは、メモリ20からプロセッサ10に読み込まれ、プロセッサ10によって実行される。メモリ20には、ジンバルプロファイル生成プログラムだけでなく、その他の制御計算等を実行するプログラムも記憶されている。プロセッサ10は、その他の制御計算等を実行するプログラムを実行しながら、ジンバルプロファイル生成プログラムを実行する。ジンバルプロファイル生成プログラム及びその他の制御計算等を実行するプログラムは、補助記憶装置30に記憶されていてもよい。補助記憶装置30に記憶されているジンバルプロファイル生成プログラム及びその他の制御計算等を実行するプログラムは、メモリ20にロードされ、プロセッサ10によって実行される。なお、OS(Operating System)の使用、及びジンバルプロファイル生成プログラム及びその他の制御計算等を実行するプログラムの一部又は全部をOS(Operation System)に組み込まれていてもよい。   The gimbal profile generation program is read from the memory 20 by the processor 10 and executed by the processor 10. The memory 20 stores not only a gimbal profile generation program but also a program for executing other control calculations and the like. The processor 10 executes a gimbal profile generation program while executing a program for executing other control calculations and the like. The gimbal profile generation program and a program for executing other control calculations and the like may be stored in the auxiliary storage device 30. The gimbal profile generation program and other programs for executing control calculations and the like stored in the auxiliary storage device 30 are loaded into the memory 20 and executed by the processor 10. A part or all of the use of an OS (Operating System) and a program for performing a gimbal profile generation program and other control calculations may be incorporated in the OS (Operation System).

ジンバルプロファイル生成装置100は、プロセッサ10を代替する複数のプロセッサを備えていてもよい。これら複数のプロセッサは、ジンバルプロファイル生成プログラムの実行を分担する。それぞれのプロセッサは、プロセッサ10と同じように、ジンバルプロファイル生成プログラムを実行する装置である。   The gimbal profile generation device 100 may include a plurality of processors instead of the processor 10. The plurality of processors share execution of the gimbal profile generation program. Each processor is a device that executes a gimbal profile generation program, similarly to the processor 10.

ジンバルプロファイル生成プログラムにより利用、処理又は出力されるデータ、情報、信号値及び変数値は、メモリ20、補助記憶装置30、又は、プロセッサ10内のレジスタあるいはキャッシュメモリに記憶される。   Data, information, signal values, and variable values used, processed, or output by the gimbal profile generation program are stored in the memory 20, the auxiliary storage device 30, the register in the processor 10, or the cache memory.

ジンバルプロファイル生成プログラムは、姿勢レート計算部91、第1量子化部92、第2量子化部93、包絡面計算部94、逆運動学計算部95、ジンバル回転角更新部96、姿勢誤差計算部97及び補正部98の各部の「部」を「処理」、「手順」あるいは「工程」に読み替えた各処理、各手順あるいは各工程をコンピュータに実行させるプログラムである。また、ジンバルプロファイル生成方法は、コンピュータであるジンバルプロファイル生成装置100がジンバルプロファイル生成プログラムを実行することにより行われる方法である。   The gimbal profile generation program includes a posture rate calculation unit 91, a first quantization unit 92, a second quantization unit 93, an envelope calculation unit 94, an inverse kinematics calculation unit 95, a gimbal rotation angle update unit 96, a posture error calculation unit. This is a program that causes a computer to execute each process, each procedure, or each process in which the “unit” of each unit of the 97 and the correction unit 98 is replaced with “process”, “procedure”, or “process”. The gimbal profile generation method is a method performed by the gimbal profile generation device 100, which is a computer, executing a gimbal profile generation program.

ジンバルプロファイル生成プログラムは、コンピュータ読取可能な記録媒体に格納されて提供されてもよいし、プログラムプロダクトとして提供されてもよい。   The gimbal profile generation program may be provided by being stored in a computer-readable recording medium, or may be provided as a program product.

図7は、ジンバルプロファイル生成装置100の生成するCMGジンバル目標プロファイルを示す。CMGジンバル目標プロファイルはジンバルプロファイルである。ジンバルプロファイル生成装置100は、図7のジンバルプロファイルを生成する。図7のジンバルプロファイルは、複数のコントロールモーメントジャイロを備える宇宙機の姿勢制御に使用され、原点から時間t1までの第1の遷移区間である△ttransと、時間t2から時間t3までの第2の遷移区間である△ttransと、第1の遷移区間と第2の遷移区間との間に位置するコースト区間である△tcoastとに分けられるジンバル回転角を持つ。なお、時間t1までの第1の遷移区間である△ttransと時間t2から時間t3までの第2の遷移区間である△ttransとは等しい必要は無いが、説明の都合上、区別の必要がないためいずれも△ttransと表記している。
図8は、ジンバルプロファイル生成装置100のCMGジンバル目標プロファイルの生成の動作を示すフローチャートである。図8には図7の処理ステップの対応を示している。図7に示すステップS10からステップS40は、以下のようである。ステップS10では、中間ジンバル角初期値が逆運動角を用いて計算される。また量子化することで、収束性が保証される。ステップS20ではヤコビ行列を用いて補正が実施される。ステップS30では、ステップS10及びステップS20で補償しきれなかった誤差分を誤差補正プロファイルとしてコースト区間に重畳する。ステップS40では、ステップS10、S20、S30でも補償しきれなかった誤差分は目標姿勢始端に加算し、駆動終了までにフィードバック制御により誤差を抑制する。
FIG. 7 shows a CMG gimbal target profile generated by the gimbal profile generation device 100. The CMG gimbal target profile is a gimbal profile. The gimbal profile generation device 100 generates the gimbal profile of FIG. The gimbal profile of FIG. 7 is used for attitude control of a spacecraft having a plurality of control moment gyros, and is a first transition section Δt trans from the origin to time t1, and a second transition section from time t2 to time t3. is a transition period △ having a t trans, the gimbal angle of rotation is divided into a certain △ t coast in the coasting section located between the first transition section and second transition section. Although not a required equals one △ t trans by a second transition section from the first is the transition section △ t trans and time t2 until time t1 to time t3, for convenience of description, necessary to distinguish Because there is no い ず , they are all described as △ t trans .
FIG. 8 is a flowchart illustrating an operation of generating the CMG gimbal target profile by the gimbal profile generation device 100. FIG. 8 shows the correspondence between the processing steps in FIG. Steps S10 to S40 shown in FIG. 7 are as follows. In step S10, an initial value of the intermediate gimbal angle is calculated using the reverse motion angle. In addition, the quantization guarantees the convergence. In step S20, correction is performed using the Jacobian matrix. In step S30, the error that could not be compensated in steps S10 and S20 is superimposed on the coast section as an error correction profile. In step S40, the error that could not be compensated in steps S10, S20, and S30 is added to the start of the target attitude, and the error is suppressed by feedback control before the driving is completed.

図7及び図8の説明の前に、図7及び図8に共通的に使用されている技術について説明する。CMG全体の角運動量<h>及びトルク<τ>は以下のように求めることができる。

Figure 2020050272
Prior to the description of FIGS. 7 and 8, a technique commonly used in FIGS. 7 and 8 will be described. The angular momentum <h> and torque <τ> of the entire CMG can be obtained as follows.
Figure 2020050272

Figure 2020050272
ただし、式5中の[A(θ)]は、例えば[A(θ)]の擬似逆行列等、以下の式6、式7を同時に満足する任意の行列である。[A(θ)]の算出方法は本発明の対象範囲を超えるため、説明は省略する。
Figure 2020050272
Figure 2020050272
Here, [A + (θ)] in Expression 5 is an arbitrary matrix that satisfies the following Expressions 6 and 7 simultaneously, such as a pseudo inverse matrix of [A (θ)]. The method of calculating [A + (θ)] is beyond the scope of the present invention, and a description thereof will be omitted.
Figure 2020050272

次に、ジンバル目標プロファイルに対応する姿勢プロファイルを近似的に算出する方法について説明する。   Next, a method of approximately calculating a posture profile corresponding to the gimbal target profile will be described.

図9は、台形形状の速度プロファイルを示す。中間ジンバル角θcoastが与えられていないときは、図9に示す台形速度プロファイルを用いて、姿勢プロファイルを生成する。このとき、台形速度プロファイルにおける一定角加速度は、CMG角運動量包絡面(後述)に相当する姿勢レートを、CMG角運動量包絡面から求めたジンバル角と始端ジンバル角又は終端ジンバル角との間をジンバル角変化の制約を満足しつつ変化させる時間で割った値と、ジンバル角定常状態において姿勢変更方向側に出力可能な角加速度の値との平均値を使用する。これを「中間ジンバル値が与えられていない場合の角加速度の算出方式」と呼ぶ。
平均値にて得られた一定角加速度と所望の姿勢変更量から、台形速度プロファイルにおける最大姿勢レートを算出する。前記にて算出された最大姿勢レートに宇宙機の慣性テンソルを乗じて角運動量を算出する。前記にて算出された角運動量に対応するジンバル角を、ゼロ角運動量とジンバル定常状態の組合せ、又はCMG角運動量包絡面(近傍で良い)に相当する角運動量とCMG角運動量包絡面から求めたジンバル角(の近傍の値で良い)の組合せを始点とし、逆運動学(式5)を用いて算出する。
前記算出過程において、姿勢駆動方向及び台形速度プロファイルにおける最大姿勢レート(と最大姿勢レートから計算される角運動量)は所望の姿勢変更量から算出されるため任意の値を本来は取り得るが、一定の刻みで量子化を施して算出を行う。
前記量子化により、任意の所望の姿勢変更量に対し、前記算出に対する算出条件は有限の数に抑制される。有限の数に抑制された算出条件に対し、全条件にて収束性(解が求められること)を事前に検証/確認を行うことで、収束性を保証可能となる。
FIG. 9 shows a speed profile of a trapezoidal shape. When the intermediate gimbal angle θcoast is not given, a posture profile is generated using the trapezoidal velocity profile shown in FIG. At this time, the constant angular acceleration in the trapezoidal velocity profile is obtained by setting the posture rate corresponding to the CMG angular momentum envelope (described later) to the gimbal angle between the gimbal angle obtained from the CMG angular momentum envelope and the start gimbal angle or the end gimbal angle. The average value of the value obtained by dividing by the time required to change while satisfying the angle change constraint and the value of the angular acceleration that can be output to the posture change direction side in the gimbal angle steady state is used. This is referred to as a “method of calculating angular acceleration when no intermediate gimbal value is given”.
The maximum posture rate in the trapezoidal velocity profile is calculated from the constant angular acceleration obtained by the average value and the desired posture change amount. The angular momentum is calculated by multiplying the maximum attitude rate calculated above by the inertia tensor of the spacecraft. The gimbal angle corresponding to the angular momentum calculated above was obtained from the combination of the zero angular momentum and the gimbal steady state, or the angular momentum and the CMG angular momentum envelope corresponding to the CMG angular momentum envelope (nearly good). The starting point is a combination of gimbal angles (a value close to the gimbal angle is good), and the calculation is performed using inverse kinematics (Equation 5).
In the calculation process, the maximum posture rate (and the angular momentum calculated from the maximum posture rate) in the posture driving direction and the trapezoidal velocity profile can be originally an arbitrary value because it is calculated from a desired posture change amount. The calculation is performed by performing quantization at intervals of.
By the quantization, the calculation condition for the calculation is suppressed to a finite number for any desired posture change amount. Convergence can be assured by verifying / confirming convergence (a solution is required) under all conditions with respect to the calculation conditions suppressed to a finite number.

中間ジンバル角θcoastが与えられているときは、与えられた中間ジンバル角θcoastをもとに得られる遷移区間A、コースト区間、遷移区間Bの各姿勢変更量を時間積分により算出できる。   When the intermediate gimbal angle θcoast is given, each posture change amount of the transition section A, coast section, and transition section B obtained based on the given intermediate gimbal angle θcoast can be calculated by time integration.

なお、時間積分では、ジンバル角から式1に基づき角運動量を算出し、算出した角運動量に宇宙機の慣性テンソルの逆行列を乗じ姿勢レートを算出し、算出した姿勢レートを時間積分することで姿勢角を算出する。この姿勢角の算出方式を「中間ジンバルを用いた姿勢角算出方式」と呼ぶ。   In the time integration, the angular momentum is calculated from the gimbal angle based on Equation 1, the calculated angular momentum is multiplied by the inverse matrix of the inertial tensor of the spacecraft, the attitude rate is calculated, and the calculated attitude rate is integrated over time. Calculate the attitude angle. This posture angle calculation method is referred to as “posture angle calculation method using an intermediate gimbal”.

中間ジンバル角θcoastが与えられているときの近似的な姿勢プロファイルは、中間ジンバル角θcoastを変化させた際の姿勢プロファイルを近似的に算出するために使用する。前記姿勢プロファイル算出においては、遷移区間A及び遷移区間Bは与えられた中間ジンバル角θcoastをもとに算出された姿勢変更量を用いる。コースト区間△tcoastの姿勢変更量については、姿勢変更全体の所望姿勢変更量から、前記遷移区間A及び遷移区間Bの姿勢変更量を差し引いた姿勢変更量を所望姿勢変更量とし、所望姿勢変更量とコースト区間の時間△tcoastから、コースト区間の所望姿勢変更量は四元数Δqcoastにて表記すると、式8にて与えられることを利用して、コースト区間の姿勢レートを算出する。

Figure 2020050272
The approximate posture profile when the intermediate gimbal angle θcoast is given is used to approximately calculate the posture profile when the intermediate gimbal angle θcoast is changed. In the calculation of the posture profile, the transition section A and the transition section B use the posture change amount calculated based on the given intermediate gimbal angle θcoast. With respect to the posture change amount of the coast section Δt coast , the desired posture change amount is a posture change amount obtained by subtracting the posture change amount of the transition section A and the transition section B from the desired posture change amount of the whole posture change. From the amount and the coast section time Δt coast , the coast section's posture rate is calculated using the fact that the desired posture change amount of the coast section is given by Equation 8 when expressed in quaternion Δqcoast.
Figure 2020050272

***動作の説明***
次に、前記の説明をもとに図7、図8、図10、図11、図12を参照してジンバルプロファイル生成装置100の動作を説明する。ジンバルプロファイル生成装置100の動作は、ジンバルプロファイル生成方法に相当する。また、ジンバルプロファイル生成装置100の動作は、ジンバルプロファイル生成プログラムの処理に相当する。
*** Explanation of operation ***
Next, based on the above description, the operation of the gimbal profile generation device 100 will be described with reference to FIGS. 7, 8, 10, 11, and 12. The operation of the gimbal profile generation device 100 corresponds to a gimbal profile generation method. The operation of the gimbal profile generation device 100 corresponds to the processing of a gimbal profile generation program.

図10は、ジンバルプロファイル生成装置100の機能構成を示す。
図11は、ステップS20の内容を示す。
図12は、ステップS30とステップS40の内容を示す。図11、図12において実線の矢印は処理の流れを示し、点線の矢印は情報の出力及び入力を示す。黒の菱型は姿勢誤差計算部97の判定処理を表している。姿勢誤差計算部97は姿勢誤差が規定値以内かを判定し、規定値以内であれば処理を完了してもよいことを示している。
FIG. 10 shows a functional configuration of the gimbal profile generation device 100.
FIG. 11 shows the contents of step S20.
FIG. 12 shows the contents of steps S30 and S40. 11 and 12, solid arrows indicate the flow of processing, and dotted arrows indicate output and input of information. The black diamond represents the determination processing of the attitude error calculation unit 97. The posture error calculation unit 97 determines whether the posture error is within a specified value, and indicates that the process may be completed if the posture error is within the specified value.

<ステップS10>
図7、図8、図10を参照してステップS10を説明する。ステップS10では、ジンバルプロファイル生成装置100は、逆運動学を用いて中間ジンバル角初期値を計算する。逆運動学を用いる際に、量子化を用いることで、中間ジンバル角初期値計算収束性が保証される(全条件での事前検証を可能とする)。以下にステップS10を説明する。
<Step S10>
Step S10 will be described with reference to FIGS. 7, 8, and 10. In step S10, the gimbal profile generation device 100 calculates an intermediate gimbal angle initial value using inverse kinematics. When using inverse kinematics, the use of quantization guarantees the convergence of the calculation of the initial gimbal angle initial value (allows for preliminary verification under all conditions). Hereinafter, step S10 will be described.

ステップS10の処理においては前記の中間ジンバル角が与えられていないときの姿勢プロファイル算出及びジンバル角算出を用いる。
以下の(1)〜(7)が、中間ジンバル角初期値95aの算出過程である。
In the process of step S10, the attitude profile calculation and the gimbal angle calculation when the intermediate gimbal angle is not given are used.
The following (1) to (7) are the process of calculating the intermediate gimbal angle initial value 95a.

(1)姿勢レート計算部91は、入力情報90aを取得する。入力情報90aは、宇宙機の始端の姿勢条件及び終端姿勢条件、始端のジンバル角θ及び終端のジンバル角θ、宇宙機の姿勢変更時間を含む。
(2)姿勢レート計算部91は、宇宙機に要求される姿勢変更量に基づいて宇宙機の姿勢レートを計算する。具体的は以下のようである。
姿勢レート計算部91は、取得した入力情報90aから、コースト区間の姿勢レート91aを生成する。姿勢レート計算部91は、台形速度パターンの一定角加速度<α>と駆動時間Tと駆動角θを用いて、解析的に最大角速度ω(台形速度パターンの速度が一定となる部分の速度)を求める。ここで使われる一定角加速度<α>の求め方が図9で説明した「中間ジンバル値が与えられていない場合の角加速度の算出方式」により求められ、以下の2つの平均値が使用される。
・CMG角運動量包絡面(後述)に相当する姿勢レート÷CMGジンバル変化の制約を満たす時間
・ジンバル角定常状態において姿勢変更方向側に出力可能な角加速度
(3)第1量子化部92は、コースト区間の姿勢レート91aを取得し、任意の刻みで姿勢レート91aを量子化し、量子化された姿勢レート92aを出力する。
(4)第2量子化部93は入力情報90aを取得し、入力情報90aをもとに、オイラー軸(駆動方向)と駆動量とを算出し、任意の刻みで駆動方向と駆動量を量子化した情報93aを出力する。
(5)包絡面計算部94は、第2量子化部93から出力された情報93aを用いて、ジンバル角定常状態及びCMG角運動量包絡面から求めたジンバル角94aを出力する。包絡面計算部94は、ある三軸の方向ベクトル(駆動方向)を入力すると、CMG角運動量包絡面に相当する三軸角運動量とCMGジンバル角を出力する機能である。
(1) The posture rate calculator 91 acquires the input information 90a. Input information 90a is, including the beginning of the attitude conditions and termination attitude conditions of the spacecraft, the beginning of the gimbal angle θ 0 and the end of the gimbal angle θ f, the attitude change time of the spacecraft.
(2) The attitude rate calculator 91 calculates the attitude rate of the spacecraft based on the attitude change amount required for the spacecraft. Specifically, it is as follows.
The posture rate calculation unit 91 generates a posture rate 91a of the coast section from the acquired input information 90a. Attitude rate calculation unit 91, the speed of the constant angular acceleration <alpha> and using the drive angle theta r and the drive time T, analytically maximum angular velocity omega m (part speed of the trapezoidal speed pattern becomes constant trapezoidal speed pattern ). The method of obtaining the constant angular acceleration <α> used here is obtained by the “calculation method of angular acceleration when no intermediate gimbal value is given” described with reference to FIG. 9, and the following two average values are used. .
The posture rate corresponding to the CMG angular momentum envelope surface (described later) ÷ the time that satisfies the constraint of the CMG gimbal change.The angular acceleration that can be output to the posture change direction side in the gimbal angle steady state. (3) The first quantization unit 92 The posture rate 91a in the coast section is obtained, the posture rate 91a is quantized at arbitrary intervals, and the quantized posture rate 92a is output.
(4) The second quantization unit 93 acquires the input information 90a, calculates the Euler axis (drive direction) and the drive amount based on the input information 90a, and quantizes the drive direction and the drive amount at arbitrary intervals. The converted information 93a is output.
(5) The envelope calculation unit 94 outputs the gimbal angle 94a obtained from the gimbal angle steady state and the CMG angular momentum envelope using the information 93a output from the second quantization unit 93. The envelope surface calculation unit 94 has a function of, when a certain three-axis direction vector (drive direction) is input, outputting a three-axis angular momentum and a CMG gimbal angle corresponding to a CMG angular momentum envelope.

(6)逆運動学計算部95は、第1量子化部92から量子化された姿勢レート92aを取得し、包絡面計算部94から、ジンバル角定常状態及びCMG角運動量包絡面から求めたジンバル角94aを取得する。
(7)逆運動学計算部95は、取得した上記2つのデータを用いて、中間ジンバル角初期値95aを計算する。逆運動学計算部95は、入力である量子化された姿勢レートを<ωIN>としたときに<h>=[I]*<ωIN>にて角運動量を計算する。ここで*は乗算を示す。その<h>に相当するジンバル角を式5で求める。式5の<h(θ+△θ)>が<h>に相当する。また、式5の<θ>は2通りあり、ジンバル角定常状態及びCMG角運動量包絡面から求められたジンバル角94aに相当する。実際には、逆運動学計算部95は<h(θ+△θ)>と<h(θ)>との間を複数回刻んで計算する。例えば0.1<h>、0.2<h>、...、<h>のように刻んで、徐々にジンバル角を変化させる。
このように、逆運動学計算部95は、姿勢レート計算部91の計算した姿勢レートを用いて宇宙機の第1角運動量である<h(θ+θ)>を計算する。
逆運動学計算部95は、コースト区間におけるすべてのコントロールモーメントジャイロの3軸合計角運動量がゼロの状態を示すジンバル定常状態とコントロールモーメントジャイロの角運動量包絡面とから得られるジンバル回転角に基づいて宇宙機の第2角運動量である<h(θ)>を計算する。
逆運動学計算部95は、第1角運動量<h(θ+θ)>と第2角運動量<h(θ))>との差分に角運動量時間微分をジンバル回転角速度に変換する行列[A(θ)]を乗じて得られたジンバル回転角変化量をもとに、中間ジンバル回転角の初期値θを計算する。なお、逆運動学計算部95は、量子化されている姿勢レートを用いて宇宙機の第1角運動量を計算し、量子化されているジンバル回転角に基づいて宇宙機の第2角運動量を計算する。
(6) The inverse kinematics calculation unit 95 acquires the quantized attitude rate 92a from the first quantization unit 92, and the gimbal angle steady state and the CMG angular momentum envelope obtained from the envelope surface calculation unit 94. The corner 94a is obtained.
(7) The inverse kinematics calculation unit 95 calculates the intermediate gimbal angle initial value 95a using the obtained two data. Inverse kinematics calculation unit 95 calculates the angular momentum at <h> = [I] * <ω IN> when the quantized orientation rate is input and <omega IN>. Here, * indicates multiplication. The gimbal angle corresponding to <h> is obtained by Expression 5. <H (θ 0 + △ θ)> in Equation 5 corresponds to <h>. Also, <θ 0 > in Equation 5 is of two types, and corresponds to the gimbal angle 94 a obtained from the gimbal angle steady state and the CMG angular momentum envelope. Actually, the inverse kinematics calculation unit 95 calculates the interval between <h (θ 0 + △ θ)> and <h (θ 0 )> a plurality of times. For example, 0.1 <h>, 0.2 <h>,. . . , <H>, and gradually change the gimbal angle.
As described above, the inverse kinematics calculation unit 95 calculates <h (θ 0 + θ)>, which is the first angular momentum of the spacecraft, using the attitude rate calculated by the attitude rate calculation unit 91.
The inverse kinematics calculation unit 95 calculates the gimbal rotation angle obtained from the gimbal steady state in which the three-axis total angular momentum of all control moment gyros in the coast section is zero and the angular momentum envelope of the control moment gyro. <H (θ 0 )>, which is the second angular momentum of the spacecraft, is calculated.
The inverse kinematics calculation unit 95 converts the angular momentum time derivative into a difference between the first angular momentum <h (θ 0 + θ)> and the second angular momentum <h (θ 0 )> to a matrix [gimbal rotation angular velocity]. A + (θ)], an initial value θ of the intermediate gimbal rotation angle is calculated based on the gimbal rotation angle change amount obtained by multiplication. The inverse kinematics calculation unit 95 calculates the first angular momentum of the spacecraft using the quantized attitude rate, and calculates the second angular momentum of the spacecraft based on the quantized gimbal rotation angle. calculate.

(8)以上の(1)〜(7)が、中間ジンバル角初期値95aの算出過程である。 (8) The above (1) to (7) are the process of calculating the intermediate gimbal angle initial value 95a.

<ステップS20>
ステップS20については、中間ジンバル角θcoastが与えられているときの姿勢プロファイル算出方法を利用する。
ステップS20では、中間ジンバル角を用いて終端姿勢を計算する。中間ジンバル角回りのヤコビ行列と、近似姿勢プロファイルを用いて中間ジンバル角を更新する。更新は任意の回数実施する(収束判定不要)。
以下のステップでは、ジンバルプロファイル生成装置100は、ステップS10で得られた中間ジンバル角初期値95aをもとにジンバル目標プロファイルを生成し、このジンバル目標プロファイルの時間積分により終端姿勢を算出する。
<Step S20>
In step S20, a posture profile calculation method when the intermediate gimbal angle θcoast is given is used.
In step S20, the terminal posture is calculated using the intermediate gimbal angle. The intermediate gimbal angle is updated using the Jacobi matrix around the intermediate gimbal angle and the approximate posture profile. Update is performed an arbitrary number of times (convergence determination is unnecessary).
In the following steps, the gimbal profile generation device 100 generates a gimbal target profile based on the intermediate gimbal angle initial value 95a obtained in step S10, and calculates the terminal attitude by time integration of the gimbal target profile.

ステップS21において、姿勢誤差計算部97は、中間ジンバル回転角の初期値の時間積分に基づいて宇宙機の姿勢角を計算し、姿勢角と宇宙機に要求される姿勢角とから、宇宙機の姿勢誤差を計算する。以下に具体的に説明する。
姿勢誤差計算部97は、入力情報90aと中間ジンバル角初期値95aとを取得する。姿勢誤差計算部97は、中間ジンバル角が与えられているときは、与えられた中間ジンバル角をもとに得られる遷移区間A、コースト区間、遷移区間Bにおける宇宙機の各姿勢変更量を時間積分により算出できる。この場合、中間ジンバルを用いた姿勢角算出方式を使用する。つまり、時間積分では、ジンバル角から式1に基づき角運動量を算出し、算出した角運動量に宇宙機の慣性テンソルの逆行列を乗じ姿勢レートを算出し、算出した姿勢レートを時間積分することで姿勢角を算出する。姿勢誤差計算部97は、入力情報90aに含まれる宇宙機の終端姿勢条件と、ステップS21で求めた姿勢角の相違から、姿勢誤差を計算する。姿勢誤差計算部97は、姿勢誤差97bを出力する。
In step S21, the attitude error calculation unit 97 calculates the attitude angle of the spacecraft based on the time integration of the initial value of the intermediate gimbal rotation angle, and calculates the attitude angle of the spacecraft from the attitude angle and the attitude angle required for the spacecraft. Calculate the attitude error. This will be specifically described below.
The posture error calculator 97 acquires the input information 90a and the intermediate gimbal angle initial value 95a. When the intermediate gimbal angle is given, the attitude error calculation unit 97 calculates the attitude change amount of the spacecraft in the transition section A, coast section, and transition section B obtained based on the given intermediate gimbal angle. It can be calculated by integration. In this case, a posture angle calculation method using an intermediate gimbal is used. That is, in the time integration, the angular momentum is calculated from the gimbal angle based on Equation 1, the calculated angular momentum is multiplied by the inverse matrix of the inertia tensor of the spacecraft, the attitude rate is calculated, and the calculated attitude rate is integrated over time. Calculate the attitude angle. The attitude error calculator 97 calculates an attitude error from the spacecraft end attitude condition included in the input information 90a and the difference between the attitude angles obtained in step S21. The posture error calculator 97 outputs a posture error 97b.

ステップS22において、ジンバル回転角更新部96は、姿勢誤差計算部97が計算した姿勢誤差が閾値以上の場合に、コースト区間に要する時間と、コースト区間で宇宙機に要求される姿勢変更量とに基づいて、コースト区間に対応する姿勢レートを計算する。
姿勢誤差計算部97は、計算した姿勢レートと、中間ジンバル回転角の初期値とに基づいて、中間ジンバル回転角の初期値を更新する。
具体的には以下のようである。
ジンバル回転角更新部96は、入力情報90a、姿勢誤差97b、中間ジンバル角初期値95aを取得する。ジンバル回転角更新部96は、姿勢誤差97bを中間ジンバル角の補正によって補償するため、コースト区間の姿勢レート<ωcoast>を式8によって算出する。算出した姿勢レート<ωcoast>と、与えられた中間ジンバル角から算出(ジンバル角から式1に基づき角運動量を算出し、算出した角運動量に宇宙機の慣性テンソルの逆行列を乗じて算出)した姿勢レート<ω>と、宇宙機の慣性テンソル[I]をもとに、ジンバル回転角更新部96は、中間ジンバル角の補正量<△θ>を、式5を変形した式9により算出する。

Figure 2020050272
ステップS22においては、中間ジンバル角θcoastが与えられている前提での算出となるため、式10から得られる姿勢レート変化量<△ω>は微小値として考えることができる。
Figure 2020050272
ステップS22ではジンバル回転角更新部96は、式9又は式12のいずれかを用いて中間ジンバル角の更新を行う。 In step S22, when the attitude error calculated by the attitude error calculation section 97 is equal to or larger than the threshold, the gimbal rotation angle update section 96 determines the time required for the coast section and the amount of attitude change required for the spacecraft in the coast section. Based on this, the posture rate corresponding to the coast section is calculated.
Attitude error calculation section 97 updates the initial value of the intermediate gimbal rotation angle based on the calculated attitude rate and the initial value of the intermediate gimbal rotation angle.
Specifically, it is as follows.
The gimbal rotation angle update unit 96 acquires the input information 90a, the posture error 97b, and the intermediate gimbal angle initial value 95a. The gimbal rotation angle update unit 96 calculates the posture rate <ω coast > of the coast section by using Expression 8 in order to compensate the posture error 97b by correcting the intermediate gimbal angle. Calculated from the calculated attitude rate < ωcoast > and a given intermediate gimbal angle (calculate angular momentum from gimbal angle based on Equation 1, and multiply the calculated angular momentum by the inverse matrix of the inertia tensor of the spacecraft) Based on the calculated attitude rate <ω> and the inertia tensor [I] of the spacecraft, the gimbal rotation angle update unit 96 calculates the correction amount <△ θ> of the intermediate gimbal angle by using Expression 9 obtained by modifying Expression 5. I do.
Figure 2020050272
In step S22, since the calculation is performed on the premise that the intermediate gimbal angle θcoast is given, the amount of change in the posture rate <△ ω> obtained from Expression 10 can be considered as a small value.
Figure 2020050272
In step S22, the gimbal rotation angle update unit 96 updates the intermediate gimbal angle using either Equation 9 or Equation 12.

ステップS23で、繰り返しか完了かどうかが判定される。完了の場合ステップS20の処理は完了する。完了でない場合は、処理はステップS24に進む。   In step S23, it is determined whether it is repetition or completion. If completed, the process of step S20 is completed. If not, the process proceeds to step S24.

ステップS24ではステップS21との同様の処理が実行される。ステップS24では、姿勢誤差計算部97は、ジンバル回転角更新部96によって更新された中間ジンバル回転角の時間積分に基づいて宇宙機の姿勢角を計算する。
姿勢誤差計算部97は、計算した姿勢角と、宇宙機に要求される姿勢角とから、宇宙機の姿勢誤差を計算する。具体的には以下のようである。
ステップS24ではジンバル回転角更新部96が計算した中間ジンバル角96aが姿勢誤差計算部97に入力される。
ステップS24において、姿勢誤差計算部97は、入力情報90aと中間ジンバル角96aとを取得する。姿勢誤差計算部97は、中間ジンバル角が与えられているときは、与えられた中間ジンバル角をもとに得られる遷移区間A、コースト区間、遷移区間Bにおける宇宙機の各姿勢変更量を時間積分により算出できる。
この場合、中間ジンバルを用いた姿勢角算出方式を使用する。つまり、時間積分では、ジンバル角から式1に基づき角運動量を算出し、算出した角運動量に宇宙機の慣性テンソルの逆行列を乗じ姿勢レートを算出し、算出した姿勢レートを時間積分することで姿勢角を算出する。姿勢誤差計算部97は、入力情報90aに含まれる宇宙機の終端姿勢条件と、ステップS24で求めた姿勢角の相違から、姿勢誤差を計算する。姿勢誤差計算部97は、姿勢誤差97bを出力する。
In step S24, the same processing as in step S21 is performed. In step S24, the attitude error calculation unit 97 calculates the attitude angle of the spacecraft based on the time integration of the intermediate gimbal rotation angle updated by the gimbal rotation angle update unit 96.
The attitude error calculator 97 calculates an attitude error of the spacecraft from the calculated attitude angle and the attitude angle required for the spacecraft. Specifically, it is as follows.
In step S24, the intermediate gimbal angle 96a calculated by the gimbal rotation angle update unit 96 is input to the attitude error calculation unit 97.
In step S24, the posture error calculator 97 acquires the input information 90a and the intermediate gimbal angle 96a. When the intermediate gimbal angle is given, the attitude error calculation unit 97 calculates the attitude change amount of the spacecraft in the transition section A, coast section, and transition section B obtained based on the given intermediate gimbal angle. It can be calculated by integration.
In this case, a posture angle calculation method using an intermediate gimbal is used. That is, in the time integration, the angular momentum is calculated from the gimbal angle based on Equation 1, the calculated angular momentum is multiplied by the inverse matrix of the inertia tensor of the spacecraft, the attitude rate is calculated, and the calculated attitude rate is integrated over time. Calculate the attitude angle. The attitude error calculation unit 97 calculates an attitude error from the spacecraft end attitude condition included in the input information 90a and the difference between the attitude angles obtained in step S24. The posture error calculator 97 outputs a posture error 97b.

ステップS25ではステップS22との同様の処理が実行される。ステップS25ではジンバル回転角更新部96が計算した中間ジンバル角96aがジンバル回転角更新部96に入力される。ジンバル回転角更新部96は、ステップS22との同様の処理が実行される。
つまりステップS25では、ジンバル回転角更新部96は、更新された中間ジンバル回転角から姿勢誤差計算部97によって求められた姿勢誤差が閾値以上の場合に、コースト区間に要する時間と、コースト区間で宇宙機に要求される姿勢変更量とに基づいて、コースト区間に対応する姿勢レートを計算する。ジンバル回転角更新部96は、中間ジンバル回転角と、計算した姿勢レートとに基づいて、中間ジンバル回転角を時間経過で変化しない一定値として更新する。
In step S25, the same processing as in step S22 is performed. In step S25, the intermediate gimbal angle 96a calculated by the gimbal rotation angle updating unit 96 is input to the gimbal rotation angle updating unit 96. The gimbal rotation angle updating unit 96 performs the same processing as in step S22.
That is, in step S25, the gimbal rotation angle updating unit 96 determines the time required for the coast section and the space time in the coast section when the posture error calculated by the posture error calculation unit 97 from the updated intermediate gimbal rotation angle is equal to or larger than the threshold. The attitude rate corresponding to the coast section is calculated based on the attitude change amount required for the aircraft. The gimbal rotation angle updating unit 96 updates the intermediate gimbal rotation angle as a constant value that does not change over time based on the intermediate gimbal rotation angle and the calculated attitude rate.

ステップS26では、繰り返しか完了かどうかが判定される。完了の場合ステップS20の処理は完了する。完了でない場合は、処理はステップS24に進む。一般に、繰り返し回数の増加に伴い、中間ジンバル角θcoastの補正量<△θ>は徐々に小さくなり、収束する傾向にある。   In step S26, it is determined whether it is repetition or completion. If completed, the process of step S20 is completed. If not, the process proceeds to step S24. Generally, as the number of repetitions increases, the correction amount <△ θ> of the intermediate gimbal angle θcoast gradually decreases and tends to converge.

<ステップS30>
ステップS30では、ステップS20で得られた中間ジンバル角をもとに終端姿勢と所望の姿勢変更量との誤差を求め、中間ジンバル角回りのヤコビ行列をもとに中間ジンバル角誤差補正プロファイルを求め、中間ジンバル角に対し重畳する(コースト区間に適用)。
図10、図12を参照してステップS30を説明する。ステップS30はステップS31からステップS33からなる。
<Step S30>
In step S30, an error between the terminal attitude and the desired attitude change amount is determined based on the intermediate gimbal angle obtained in step S20, and an intermediate gimbal angle error correction profile is determined based on the Jacobian matrix around the intermediate gimbal angle. , Superimposed on the middle gimbal angle (applied to the coast section).
Step S30 will be described with reference to FIGS. Step S30 includes steps S31 to S33.

ステップS31において、姿勢誤差計算部97は、入力情報90aと中間ジンバル角を取得する。ここでの中間ジンバル角はステップS20の最終値である。姿勢誤差計算部97は、入力情報90aと中間ジンバル角を用いてステップS21と同様に、中間ジンバルを用いた姿勢角算出方式を使用して、姿勢角と姿勢誤差を計算する。姿勢誤差計算部97は、姿勢誤差97aと姿勢プロファイルを出力する。   In step S31, the posture error calculator 97 acquires the input information 90a and the intermediate gimbal angle. The intermediate gimbal angle here is the final value in step S20. The attitude error calculation unit 97 calculates the attitude angle and the attitude error using the input information 90a and the intermediate gimbal angle and using the attitude angle calculation method using the intermediate gimbal, as in step S21. The posture error calculator 97 outputs a posture error 97a and a posture profile.

ステップS32において、補正部98は、ジンバル回転角更新部96によって更新されたコースト区間の中間ジンバル回転角に基づいて宇宙機の姿勢角を計算する。補正部98は、計算した宇宙機の姿勢角から、更新されたコースト区間の中間ジンバル回転角の補正量を計算する。
具体的には以下のようである。
ステップS32において、補正部98は、入力情報90a、姿勢誤差計算部97から姿勢誤差97aと姿勢プロファイルを取得する。補正部98は、算出された誤差を補償するために、コースト区間のジンバル角を、コースト区間の始端と終端のジンバル角を変化させずに、補正する。コースト区間の始端と終端のジンバル角を変化させないことは、コースト区間の始端と終端の姿勢レートを変化させないことに相当する。したがって、コースト区間の始端と終端の姿勢レート(この場合の始端と終端の姿勢レートは同じ)が与えられる条件にて、補正部98は、前記誤差量を補正する誤差補償姿勢プロファイルを算出する。このとき、式11に示したように姿勢レート補正量は微小であり、オイラーレートを用いることができ、式13、式14に示すオイラー角、オイラーレートにて誤差補償姿勢プロファイルを与えることができる。ただし、式13、式14はオイラー角、オイラーレートのうちの1成分のみを表しており、残りの2成分についても同様に表すことができる。また、△φは誤差補償姿勢プロファイル全体の姿勢変更量であり、前記誤差量と一致する。また、tはコースト区間開始からの経過時間を表している。

Figure 2020050272
なお、式13、式14、式15は時間多項式にて表現されており、それぞれの時間微分量を容易に得ることが出来る。
ステップS30では、コースト区間の始端と終端のジンバル角を補正前後で変化させないため、遷移区間A及び遷移区間Bにおける姿勢変更量を変化させずに、全体の姿勢変更量を変化させることができる。 In step S32, the correction unit 98 calculates the attitude angle of the spacecraft based on the intermediate gimbal rotation angle of the coast section updated by the gimbal rotation angle updating unit 96. The correction unit 98 calculates a correction amount of the intermediate gimbal rotation angle in the updated coast section from the calculated attitude angle of the spacecraft.
Specifically, it is as follows.
In step S32, the correction unit 98 acquires the input information 90a and the attitude error 97a and the attitude profile from the attitude error calculation unit 97. The correction unit 98 corrects the gimbal angle in the coast section without changing the gimbal angles at the start and end of the coast section in order to compensate for the calculated error. The fact that the gimbal angles at the start and end of the coast section are not changed corresponds to the situation where the posture rates at the start and end of the coast section are not changed. Therefore, under the condition that the posture rates at the start and end of the coast section (the posture rates at the start and end in this case are the same), the correction unit 98 calculates an error compensation posture profile for correcting the error amount. At this time, the attitude rate correction amount is minute as shown in Expression 11, and the Euler rate can be used, and an error-compensated attitude profile can be given by the Euler angles and Euler rates shown in Expressions 13 and 14. . However, Expressions 13 and 14 represent only one of the Euler angles and Euler rates, and the other two components can be similarly expressed. Δφ is the amount of change in the attitude of the entire error compensation attitude profile, which coincides with the error amount. In addition, t represents the elapsed time from the start of the coast section.
Figure 2020050272
Expressions 13, 14, and 15 are expressed by a time polynomial, and the time differential amount can be easily obtained.
In step S30, since the gimbal angles at the start and end of the coast section are not changed before and after the correction, the entire posture change amount can be changed without changing the posture change amount in the transition section A and the transition section B.

<ステップS40>
ステップS40において、
姿勢誤差計算部97は、補正部98によって計算された補正量をジンバル回転角更新部96によって更新された中間ジンバル回転角に反映する。姿勢誤差計算部97は、補正量が反映された中間ジンバル回転角の時間積分に基づいて宇宙機の姿勢角を計算する。姿勢誤差計算部97は、計算した姿勢角と、宇宙機に要求される姿勢角とから、宇宙機の姿勢誤差を計算し、計算した姿勢誤差を、補正量が反映された中間ジンバル回転角を持つジンバルプロファイルの第1の遷移区間におけるジンバル回転角の始点に加える。つまり、姿勢誤差計算部97は、計算した姿勢誤差を、目標姿勢プロファイルの始端に加える。具体的には以下のようである。
ステップS40では、ステップS30で得られたCMGジンバル目標プロファイルをもとに、目標姿勢プロファイルと、終端姿勢と所望の姿勢変更量との誤差を求め、当該誤差を目標姿勢プロファイルに加算する(姿勢変更始端の目標姿勢条件を変更することに相当)。
ステップS40において、姿勢誤差計算部97は、入力情報90a、ステップS20の最終値の中間ジンバル角96aを取得し、及び補正部98から誤差補償姿勢プロファイルに対応するジンバル角98aを取得する。姿勢誤差計算部97は、入力情報90aと中間ジンバル角96aとを取得する。姿勢誤差計算部97は、中間ジンバル角が与えられているときは、与えられた中間ジンバル角をもとに得られる遷移区間A、コースト区間、遷移区間Bにおける宇宙機の各姿勢変更量を時間積分により算出できる。この場合、中間ジンバルを用いた姿勢角算出方式を使用する。つまり、時間積分では、ジンバル角から式1に基づき角運動量を算出し、算出した角運動量に宇宙機の慣性テンソルの逆行列を乗じ姿勢レートを算出し、算出した姿勢レートを時間積分することで姿勢角を算出する。姿勢誤差計算部97は、入力情報90aに含まれる宇宙機の終端姿勢条件と、ステップS24で求めた姿勢角の相違から、姿勢誤差量を計算する。姿勢誤差計算部97は、算出した誤差量を、目標姿勢プロファイルに加算し、最終的な目標姿勢プロファイルとする。具体的には、姿勢誤差計算部97は、算出した誤差量を、目標姿勢プロファイルの始端に加算する。
<Step S40>
In step S40,
The attitude error calculation unit 97 reflects the correction amount calculated by the correction unit 98 on the intermediate gimbal rotation angle updated by the gimbal rotation angle update unit 96. The attitude error calculator 97 calculates the attitude angle of the spacecraft based on the time integration of the intermediate gimbal rotation angle reflecting the correction amount. The attitude error calculation unit 97 calculates the attitude error of the spacecraft from the calculated attitude angle and the attitude angle required for the spacecraft, and calculates the calculated attitude error as an intermediate gimbal rotation angle reflecting the correction amount. The gimbal profile is added to the start point of the gimbal rotation angle in the first transition section. That is, the posture error calculation unit 97 adds the calculated posture error to the start end of the target posture profile. Specifically, it is as follows.
In step S40, based on the CMG gimbal target profile obtained in step S30, an error between the target attitude profile, the end attitude, and a desired attitude change amount is obtained, and the error is added to the target attitude profile (posture change). This is equivalent to changing the target posture condition at the start end).
In step S40, the posture error calculation unit 97 acquires the input information 90a, the intermediate gimbal angle 96a of the final value in step S20, and acquires the gimbal angle 98a corresponding to the error compensation posture profile from the correction unit 98. Attitude error calculation section 97 acquires input information 90a and intermediate gimbal angle 96a. When the intermediate gimbal angle is given, the attitude error calculation unit 97 calculates the attitude change amount of the spacecraft in the transition section A, coast section, and transition section B obtained based on the given intermediate gimbal angle. It can be calculated by integration. In this case, a posture angle calculation method using an intermediate gimbal is used. That is, in the time integration, the angular momentum is calculated from the gimbal angle based on Equation 1, the calculated angular momentum is multiplied by the inverse matrix of the inertia tensor of the spacecraft, the attitude rate is calculated, and the calculated attitude rate is integrated over time. Calculate the attitude angle. The attitude error calculator 97 calculates the attitude error amount from the spacecraft end attitude condition included in the input information 90a and the difference between the attitude angles obtained in step S24. Attitude error calculation section 97 adds the calculated error amount to the target attitude profile to obtain a final target attitude profile. Specifically, the posture error calculation unit 97 adds the calculated error amount to the start end of the target posture profile.

姿勢誤差計算部97は、算出した誤差量を目標姿勢プロファイルに加算するため、姿勢変更始端において、目標姿勢が算出した誤差量分だけ変化することになるが、一般に、姿勢変更始端において目標姿勢が変化した場合は姿勢のフィードバック制御において追従することができるため問題とならない。逆に、姿勢変更終端において所望の姿勢変更量からの誤差をゼロに抑制することができるため、姿勢変更直後の姿勢制御精度、姿勢安定度等の諸性能を向上させることができる。   The posture error calculation unit 97 adds the calculated error amount to the target posture profile. Therefore, at the posture change start end, the target posture changes by the calculated error amount. If it changes, it can be followed in the attitude feedback control, so there is no problem. Conversely, since the error from the desired posture change amount can be suppressed to zero at the posture change end, various performances such as posture control accuracy and posture stability immediately after the posture change can be improved.

***実施の形態1の効果***
ジンバルプロファイル生成装置100では時間積分して得られた姿勢角と所望の姿勢変更量を一致させるために、ニュートン法のような数値的に収束方向(ジンバル角補正方向)を求める演算手法を用いるのではなく、式9から式12による近似的な解析解により収束方向(ジンバル角補正方向)を求める演算手法を用いている。よって、演算負荷を従来方式に比べ低減出来る。また、CMGジンバル目標プロファイル生成過程に対し、量子化を施すことで、収束の安定性を保証することが出来る。
ジンバルプロファイル生成装置100では中間ジンバル角が与えられていない場合でも式3から式5を用いてジンバル角プロファイルを生成できる。
ステップS20からステップS40では、ジンバルプロファイル生成装置100は任意の回数の繰り返し演算を行うことは可能であるが、収束演算を実施する必要は無く、収束性を考慮する必要が無い。また、ステップS10では、前記のとおり、量子化により収束性を保証している。以上より、実施の形態1のジンバルプロファイル生成装置100は収束性が保証される
*** Effect of Embodiment 1 ***
The gimbal profile generating apparatus 100 uses an arithmetic method for numerically obtaining a convergence direction (gimbal angle correction direction), such as the Newton method, in order to match the desired attitude change amount with the attitude angle obtained by time integration. Instead, an arithmetic method for obtaining the convergence direction (gimbal angle correction direction) by an approximate analytical solution from Equations 9 to 12 is used. Therefore, the calculation load can be reduced as compared with the conventional method. In addition, by performing quantization on the CMG gimbal target profile generation process, convergence stability can be guaranteed.
The gimbal profile generation apparatus 100 can generate a gimbal angle profile using Equations 3 to 5 even when no intermediate gimbal angle is given.
From step S20 to step S40, the gimbal profile generation device 100 can repeat the calculation an arbitrary number of times, but does not need to perform the convergence calculation and does not need to consider the convergence. In step S10, convergence is guaranteed by quantization as described above. As described above, the gimbal profile generation device 100 according to the first embodiment ensures convergence.

<変形例>
実施の形態1ではジンバルプロファイル生成装置100の機能がソフトウェアで実現されるが、変形例として、ジンバルプロファイル生成装置100の機能がハードウェアで実現されてもよい。
図13は、実施の形態1の変形例に係るジンバルプロファイル生成装置100の構成を示す図である。図13の電子回路99は、姿勢レート計算部91、第1量子化部92、第2量子化部93、包絡面計算部94、逆運動学計算部95、ジンバル回転角更新部96、姿勢誤差計算部97及び補正部98の各部の機能、メモリ20、補助記憶装置30、入力インタフェース40及び出力インタフェース50との機能を実現する専用の電子回路である。電子回路99は、具体的には、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ロジックIC、GA、ASIC、又は、FPGAである。GAは、Gate Arrayの略語である。
ASICは、Application Specific Integrated Circuitの略語である。FPGAは、Field−Programmable Gate Arrayの略語である。ジンバルプロファイル生成装置100の構成要素の機能は、1つの電子回路で実現されてもよいし、複数の電子回路に分散して実現されてもよい。別の変形例として、ジンバルプロファイル生成装置100の構成要素の一部の機能が電子回路で実現され、残りの機能がソフトウェアで実現されてもよい。
<Modification>
In the first embodiment, the function of the gimbal profile generation device 100 is realized by software. However, as a modification, the function of the gimbal profile generation device 100 may be realized by hardware.
FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of a gimbal profile generation device 100 according to a modification of the first embodiment. The electronic circuit 99 in FIG. 13 includes a posture rate calculator 91, a first quantizer 92, a second quantizer 93, an envelope calculator 94, an inverse kinematics calculator 95, a gimbal rotation angle update unit 96, a posture error. It is a dedicated electronic circuit that realizes the functions of the calculation unit 97 and the correction unit 98, and the functions of the memory 20, the auxiliary storage device 30, the input interface 40, and the output interface 50. The electronic circuit 99 is, specifically, a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, a logic IC, a GA, an ASIC, or an FPGA. GA is an abbreviation for Gate Array.
ASIC is an abbreviation for Application Specific Integrated Circuit. FPGA is an abbreviation for Field-Programmable Gate Array. The functions of the components of the gimbal profile generation device 100 may be realized by one electronic circuit, or may be realized by being distributed to a plurality of electronic circuits. As another modification, some functions of the components of the gimbal profile generation device 100 may be realized by an electronic circuit, and the remaining functions may be realized by software.

プロセッサと電子回路の各々は、プロセッシングサーキットリとも呼ばれる。つまり、ジンバルプロファイル生成装置100において、姿勢レート計算部91、第1量子化部92、第2量子化部93、包絡面計算部94、逆運動学計算部95、ジンバル回転角更新部96、姿勢誤差計算部97及び補正部98の各部の機能がプロセッシングサーキットリにより実現される。あるいは、姿勢レート計算部91、第1量子化部92、第2量子化部93、包絡面計算部94、逆運動学計算部95、ジンバル回転角更新部96、姿勢誤差計算部97及び補正部98の各部の機能、メモリ20、補助記憶装置30、入力インタフェース40及び出力インタフェース50の機能がプロセッシングサーキットリにより実現されてもよい。   Each of the processor and the electronic circuit is also called a processing circuitry. That is, in the gimbal profile generation device 100, the posture rate calculation unit 91, the first quantization unit 92, the second quantization unit 93, the envelope surface calculation unit 94, the inverse kinematics calculation unit 95, the gimbal rotation angle update unit 96, the posture The functions of the error calculator 97 and the corrector 98 are realized by the processing circuitry. Alternatively, the posture rate calculation unit 91, the first quantization unit 92, the second quantization unit 93, the envelope surface calculation unit 94, the inverse kinematics calculation unit 95, the gimbal rotation angle update unit 96, the posture error calculation unit 97, and the correction unit The function of each unit of 98, the function of the memory 20, the auxiliary storage device 30, the function of the input interface 40, and the function of the output interface 50 may be realized by the processing circuitry.

以上、実施の形態1について説明したが、実施の形態1のうち、1つを部分的に実施しても構わない。あるいは、実施の形態1のうち、2つ以上を部分的に組み合わせて実施しても構わない。なお、本発明は、実施の形態1に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。   Although the first embodiment has been described above, one of the first embodiments may be partially implemented. Alternatively, two or more of the first embodiment may be partially combined for implementation. The present invention is not limited to the first embodiment, and various changes can be made as needed.

10 プロセッサ、20 メモリ、30 補助記憶装置、40 入力インタフェース、50 出力インタフェース、60 信号線、90a 入力情報、91 姿勢レート計算部、91a 姿勢レート、92 第1量子化部、92a 量子化された姿勢レート、93 第2量子化部、93a 情報、94 包絡面計算部、94a ジンバル角、95 逆運動学計算部、95a 中間ジンバル角初期値、96 ジンバル回転角更新部、96a 中間ジンバル角、97 姿勢誤差計算部、97a 姿勢誤差、97b 姿勢誤差、98 補正部、98a ジンバル角、99 電子回路、100 ジンバルプロファイル生成装置、200 ジンバル、201 スピン軸、202 ジンバル軸、203 ジンバル回転角。   Reference Signs List 10 processor, 20 memory, 30 auxiliary storage device, 40 input interface, 50 output interface, 60 signal lines, 90a input information, 91 attitude rate calculation section, 91a attitude rate, 92 first quantization section, 92a quantized attitude Rate, 93 second quantization unit, 93a information, 94 envelope surface calculation unit, 94a gimbal angle, 95 inverse kinematics calculation unit, 95a intermediate gimbal angle initial value, 96 gimbal rotation angle update unit, 96a intermediate gimbal angle, 97 attitude Error calculator, 97a attitude error, 97b attitude error, 98 corrector, 98a gimbal angle, 99 electronic circuit, 100 gimbal profile generator, 200 gimbal, 201 spin axis, 202 gimbal axis, 203 gimbal rotation angle.

Claims (9)

複数のコントロールモーメントジャイロを備える宇宙機の姿勢制御に使用され、第1の遷移区間と、第2の遷移区間と、前記第1の遷移区間と前記第2の遷移区間との間に位置するコースト区間とに分けられるジンバル回転角を持つジンバルプロファイルを生成するジンバルプロファイル生成装置において、
前記宇宙機に要求される姿勢変更量に基づいて前記宇宙機の姿勢レートを計算する姿勢レート計算部と、
前記姿勢レート計算部の計算した前記姿勢レートを用いて前記宇宙機の第1角運動量を計算し、前記コースト区間におけるすべての前記コントロールモーメントジャイロの3軸合計角運動量がゼロの状態を示すジンバル定常状態とコントロールモーメントジャイロの角運動量包絡面とから得られるジンバル回転角に基づいて前記宇宙機の第2角運動量を計算し、前記第1角運動量と前記第2角運動量との差分に角運動量時間微分をジンバル回転角速度に変換する行列を乗じて得られたジンバル回転角変化量をもとに前記中間ジンバル回転角の初期値を計算する逆運動学計算部と、
前記中間ジンバル回転角の初期値の時間積分に基づいて前記宇宙機の姿勢角を計算し、前記姿勢角と前記宇宙機に要求される姿勢角とから、前記宇宙機の姿勢誤差を計算する姿勢誤差計算部と
を備えるジンバルプロファイル生成装置。
A coast, which is used for attitude control of a spacecraft having a plurality of control moment gyros and is located between a first transition section, a second transition section, and the first transition section and the second transition section. A gimbal profile generation device that generates a gimbal profile having a gimbal rotation angle divided into sections and
An attitude rate calculation unit that calculates an attitude rate of the spacecraft based on an attitude change amount required for the spacecraft,
A gimbal steady state in which the first angular momentum of the spacecraft is calculated using the attitude rate calculated by the attitude rate calculation unit, and the three-axis total angular momentum of all the control moment gyros in the coast section is zero. A second angular momentum of the spacecraft is calculated based on a gimbal rotation angle obtained from the state and a control moment gyro angular momentum envelope, and an angular momentum time is calculated as a difference between the first angular momentum and the second angular momentum. An inverse kinematics calculation unit that calculates an initial value of the intermediate gimbal rotation angle based on a gimbal rotation angle change amount obtained by multiplying a matrix that converts the derivative into a gimbal rotation angular velocity;
An attitude for calculating an attitude angle of the spacecraft based on a time integration of an initial value of the intermediate gimbal rotation angle, and calculating an attitude error of the spacecraft from the attitude angle and an attitude angle required for the spacecraft. A gimbal profile generation device including an error calculation unit.
前記ジンバルプロファイル生成装置は、
前記姿勢誤差計算部が計算した前記姿勢誤差が閾値以上の場合に、前記コースト区間に要する時間と、前記コースト区間で前記宇宙機に要求される姿勢変更量とに基づいて、前記コースト区間に対応する姿勢レートを計算し、
前記中間ジンバル回転角の初期値と、計算した前記姿勢レートとに基づいて、前記中間ジンバル回転角の初期値を更新するジンバル回転角更新部を備える請求項1に記載のジンバルプロファイル生成装置。
The gimbal profile generation device includes:
When the attitude error calculated by the attitude error calculation unit is equal to or greater than a threshold, the attitude error corresponds to the coast interval based on the time required for the coast interval and the amount of attitude change required for the spacecraft in the coast interval. Calculate the posture rate to do,
The gimbal profile generation device according to claim 1, further comprising: a gimbal rotation angle update unit that updates the initial value of the intermediate gimbal rotation angle based on the initial value of the intermediate gimbal rotation angle and the calculated posture rate.
前記姿勢誤差計算部は、
前記ジンバル回転角更新部によって更新された中間ジンバル回転角の時間積分に基づいて前記宇宙機の姿勢角を計算し、計算した前記姿勢角と、前記宇宙機に要求される姿勢角とから、前記宇宙機の姿勢誤差を計算する請求項2に記載のジンバルプロファイル生成装置。
The attitude error calculation unit,
The attitude angle of the spacecraft is calculated based on the time integration of the intermediate gimbal rotation angle updated by the gimbal rotation angle updating unit, and the calculated attitude angle and the attitude angle required for the spacecraft are 3. The gimbal profile generation device according to claim 2, wherein the attitude error of the spacecraft is calculated.
前記ジンバル回転角更新部は、
更新された中間ジンバル回転角から前記姿勢誤差計算部によって求められた前記姿勢誤差が閾値以上の場合に、前記コースト区間に要する時間と、前記コースト区間で前記宇宙機に要求される姿勢変更量とに基づいて、前記コースト区間に対応する姿勢レートを計算し、前記中間ジンバル回転角と、計算した前記姿勢レートとに基づいて、前記中間ジンバル回転角を時間経過で変化しない一定値として更新する請求項3に記載のジンバルプロファイル生成装置。
The gimbal rotation angle update unit,
When the attitude error calculated by the attitude error calculation unit from the updated intermediate gimbal rotation angle is equal to or greater than a threshold, the time required for the coast interval, the amount of attitude change required for the spacecraft in the coast interval, Calculating an attitude rate corresponding to the coast section based on the intermediate gimbal rotation angle and updating the intermediate gimbal rotation angle as a constant value that does not change with time based on the calculated attitude rate. Item 3. The gimbal profile generation device according to item 3.
前記ジンバルプロファイル生成装置は、さらに、
前記ジンバル回転角更新部によって更新された前記コースト区間の中間ジンバル回転角に基づいて前記宇宙機の姿勢角を計算し、計算した前記宇宙機の姿勢角から、更新された前記コースト区間の中間ジンバル回転角の補正量を計算する補正部を備える請求項4に記載のジンバルプロファイル生成装置。
The gimbal profile generation device further includes:
The attitude angle of the spacecraft is calculated based on the intermediate gimbal rotation angle of the coast section updated by the gimbal rotation angle update unit, and the intermediate gimbal of the coast section updated from the calculated attitude angle of the spacecraft. The gimbal profile generation device according to claim 4, further comprising a correction unit that calculates a correction amount of the rotation angle.
前記姿勢誤差計算部は、
補正部によって計算された補正量を前記ジンバル回転角更新部によって更新された前記中間ジンバル回転角に反映し、前記補正量が反映された前記中間ジンバル回転角の時間積分に基づいて前記宇宙機の姿勢角を計算し、計算した前記姿勢角と、前記宇宙機に要求される姿勢角とから、前記宇宙機の姿勢誤差を計算し、計算した前記姿勢誤差を、目標姿勢プロファイルの始端に加える請求項5に記載のジンバルプロファイル生成装置。
The attitude error calculation unit,
The correction amount calculated by the correction unit is reflected in the intermediate gimbal rotation angle updated by the gimbal rotation angle update unit, and the correction amount is reflected based on a time integration of the intermediate gimbal rotation angle. Calculating an attitude angle, calculating an attitude error of the spacecraft from the calculated attitude angle and the attitude angle required for the spacecraft, and adding the calculated attitude error to the beginning of a target attitude profile. Item 6. The gimbal profile generation device according to item 5.
前記逆運動学計算部は、
量子化されている前記姿勢レートを用いて前記宇宙機の第1角運動量を計算し、量子化されている前記ジンバル回転角に基づいて前記宇宙機の第2角運動量を計算する請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のジンバルプロファイル生成装置。
The inverse kinematics calculation unit,
The method according to claim 1, wherein a first angular momentum of the spacecraft is calculated using the attitude rate that is quantized, and a second angular momentum of the spacecraft is calculated based on the gimbal rotation angle that is quantized. The gimbal profile generation device according to claim 6.
複数のコントロールモーメントジャイロを備える宇宙機の姿勢制御に使用され、第1の遷移区間と、第2の遷移区間と、前記第1の遷移区間と前記第2の遷移区間との間に位置するコースト区間とに分けられるジンバル回転角を持つジンバルプロファイルを生成するジンバルプロファイル生成プログラムにおいて、
前記宇宙機に要求される姿勢変更量に基づいて前記宇宙機の姿勢レートを計算する処理と、
計算した前記姿勢レートを用いて前記宇宙機の第1角運動量を計算し、前記コースト区間におけるすべての前記コントロールモーメントジャイロの3軸合計角運動量がゼロの状態を示すジンバル定常状態とコントロールモーメントジャイロの角運動量包絡面とから得られるジンバル回転角に基づいて前記宇宙機の第2角運動量を計算し、前記第1角運動量と前記第2角運動量との差分に角運動量時間微分をジンバル回転角速度に変換する行列を乗じて得られたジンバル回転角変化量をもとに前記中間ジンバル回転角の初期値を計算する処理と、
前記中間ジンバル回転角の初期値の時間積分に基づいて前記宇宙機の姿勢角を計算し、前記姿勢角と前記宇宙機に要求される姿勢角とから、前記宇宙機の姿勢誤差を計算す処理と
をコンピュータに実行させるジンバルプロファイル生成プログラム。
A coast, which is used for attitude control of a spacecraft having a plurality of control moment gyros and is located between a first transition section, a second transition section, and the first transition section and the second transition section. In a gimbal profile generation program that generates a gimbal profile having a gimbal rotation angle divided into sections,
A process of calculating the attitude rate of the spacecraft based on the attitude change amount required for the spacecraft;
A first angular momentum of the spacecraft is calculated using the calculated attitude rate, and a gimbal steady state indicating a state in which the three-axis total angular momentum of all the control moment gyros in the coast section is zero and a control moment gyro are calculated. A second angular momentum of the spacecraft is calculated based on the gimbal rotation angle obtained from the angular momentum envelope and the difference between the first angular momentum and the second angular momentum is used to convert the angular momentum time derivative into a gimbal rotation angular velocity. A process of calculating an initial value of the intermediate gimbal rotation angle based on a gimbal rotation angle change amount obtained by multiplying the matrix to be converted;
A process of calculating an attitude angle of the spacecraft based on a time integration of an initial value of the intermediate gimbal rotation angle, and calculating an attitude error of the spacecraft from the attitude angle and an attitude angle required for the spacecraft. A gimbal profile generation program that causes a computer to execute
複数のコントロールモーメントジャイロを備える宇宙機の姿勢制御に使用され、第1の遷移区間と、第2の遷移区間と、前記第1の遷移区間と前記第2の遷移区間との間に位置するコースト区間とに分けられるジンバル回転角を持つジンバルプロファイルをコンピュータが生成するジンバルプロファイル生成方法において、
コンピュータが、
前記宇宙機に要求される姿勢変更量に基づいて前記宇宙機の姿勢レートを計算し、
計算した前記姿勢レートを用いて前記宇宙機の第1角運動量を計算し、前記コースト区間におけるすべての前記コントロールモーメントジャイロの3軸合計角運動量がゼロの状態を示すジンバル定常状態とコントロールモーメントジャイロの角運動量包絡面とから得られるジンバル回転角に基づいて前記宇宙機の第2角運動量を計算し、前記第1角運動量と前記第2角運動量との差分に角運動量時間微分をジンバル回転角速度に変換する行列を乗じて得られたジンバル回転角変化量をもとに前記中間ジンバル回転角の初期値を計算し、
前記中間ジンバル回転角の初期値の時間積分に基づいて前記宇宙機の姿勢角を計算し、前記姿勢角と前記宇宙機に要求される姿勢角とから、前記宇宙機の姿勢誤差を計算するジンバルプロファイル生成方法。
A coast, which is used for attitude control of a spacecraft having a plurality of control moment gyros and is located between a first transition section, a second transition section, and the first transition section and the second transition section. In a gimbal profile generation method in which a computer generates a gimbal profile having a gimbal rotation angle divided into sections,
Computer
Calculate the attitude rate of the spacecraft based on the attitude change amount required for the spacecraft,
A first angular momentum of the spacecraft is calculated using the calculated attitude rate, and a gimbal steady state indicating a state in which the three-axis total angular momentum of all the control moment gyros in the coast section is zero and a control moment gyro are calculated. A second angular momentum of the spacecraft is calculated based on the gimbal rotation angle obtained from the angular momentum envelope and the difference between the first angular momentum and the second angular momentum is used to convert the angular momentum time derivative into a gimbal rotation angular velocity. Calculate the initial value of the intermediate gimbal rotation angle based on the gimbal rotation angle change obtained by multiplying the matrix to be converted,
A gimbal that calculates an attitude angle of the spacecraft based on a time integration of an initial value of the intermediate gimbal rotation angle, and calculates an attitude error of the spacecraft from the attitude angle and an attitude angle required for the spacecraft. Profile generation method.
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