JP2518212B2 - 人工衛星の軌道制御方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、人工衛星の軌道制御をガスジェットスラス
タを用いて行う人工衛星の軌道制御方式に関する。

（従来の技術） 人工衛星の軌道制御をガスジェットスラスタを用いて
行う軌道制御方式としては、例えば特開昭58−161699号
公報記載のものが知られている。この従来の軌道制御方
式は、軌道制御の開始時および終了時に生ずる外乱トル
クに起因する衛星姿勢のトランジェントを低減するため
に、第４図（ａ）に示すように、軌道制御開始点t₁から
所定時間の期間、また軌道制御終了時点t₂前の所定時間
の期間において、軌道制御用スラスタのオン、オフの繰
り返し周期Ｔ（一定間隔である）に占める噴射時間τを
徐々に変化させるもので、周期Ｔと噴射時間τの比は、
第４図（ｂ）に示すように、予め定められた一定のパタ
ーンで変化するようになっている。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、このような従来の軌道制御方式にあっては、
外乱の状態を予め想定し、この想定に基づき噴射時間を
固定的に設定するものであり、現実の衛星姿勢との関連
付けがなされていないので、予想外の外乱に対しては全
く無防備で、初期の目的を達成できないという問題点が
ある。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたも
ので、その目的は、現実の衛星姿勢との関係において軌
道制御が行えるようにし、以て軌道制御開始初期等にお
ける衛星姿勢のトランジェントの低減を確実になし得る
人工衛星の軌道制御方式を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 前記目的を達成するために、本発明の人工衛星の軌道
制御方式は次の如き構成を有する。

即ち、本発明の人工衛星の軌道制御方式は、人工衛星
の姿勢を検出する検出手段と；この検出手段の出力を受
けて人工衛星の姿勢制御の実勢評価のための所定の評価
値を設定する設定手段と；少なくとも軌道制御開始後の
所定期間において値が人工衛星の軌道制御系の構成並び
に運用実績に基づいてあらかじめ設定する特性で徐々に
変化している閾値Ａのある値を前記評価値が超えたと
き、軌道制御用のガスジェットスラスタをオフ作動させ
るオフ作動制御手段と；少なくとも軌道制御開始後の所
定期間において値が人工衛星の軌道制御系の構成並びに
運用実績に基づいてあらかじめ設定する特性で徐々に変
化している閾値Ｂのある値よりも、ガスジェットスラス
タの前記オフ作動後における前記評価値が小さくなった
とき、ガスジェットスラスタをオン作動させるオン作動
制御手段と；を備え、前記閾値Ａおよび同Ｂは同一また
は異なるものであることを特徴とする。

（作 用） 次に、本発明の人工衛星の軌道制御方式の作用を説明
する。

例えば、軌道制御を行うために、ガスジェットスラス
タがオン作動し、ガスの噴射を開始したとする。する
と、ガスジェットスラスタの噴射ガスが太陽電池パネル
や衛星本体などの衛星の一部に衝突し、あるいはガスジ
ェットスラスタの推力ベクトルが衛星の重心を通らない
（製造上の誤差等に起因する）等の理由により、大きな
レベルのステップ状の外乱が発生する。この外乱は衛星
姿勢制御機能が吸収するのであるが、その際に衛星姿勢
に大きなトランジェット誤差角を生ずる。

そこで、本発明では、検出手段が人工衛星の姿勢を検
出し、それを設定手段へ送出する。

設定手段はこの検出手段の出力を受けて所定の評価値
を設定し、それをオフ作動制御手段とオン作動制御手段
とへそれぞれ送出する。ここに、評価値は衛星の姿勢制
御の実情を評価するに好適なパラメータを数値化したも
ので、例えば姿勢角または姿勢角速度もしくはこれらを
線形的に結合したものとして得られる。つまり、評価値
は前記トランジェント誤差角に基づき設定される。

そして、軌道制御開始によるガス噴射に起因する外乱
によって評価値が閾値Ａのある値を超えたときには、オ
フ作動制御手段がガス噴射を中止する。その結果、外乱
の原因が消滅し評価値が閾値Ｂのある値以下となったと
き、オン作動制御手段がガス噴射を再開する。以上の動
作は少なくとも軌道制御開始後の所定期間において行わ
れる。

この所定期間においては、閾値Ａおよび同Ｂは、例え
ば直線的にあるいは階段状に、徐々に変化するようにな
っており、これによってガス噴射のタイミング制御がな
され、ガス噴射の効率化が図られている。なお、閾値Ａ
および同Ｂは、制御性等との関連で同一または異なるも
のとすることができる。その結果、軌道制御の開始初期
において、予想外の外乱が発生したとしても、これに左
右されることなく、つまり衛星姿勢に大きな変動を生じ
させずに円滑に軌道修正等の所定の軌道制御が行えるこ
とになる。

なお、ガス噴射の中止はそれまで存在していた外乱の
急激な減少を招来し、これも一種の外乱である。しか
し、この場合の外乱はその発生時点とその内容が予測可
能であり、例えば姿勢制御系の構成によっても対処でき
る。従って、前述した本発明の軌道制御方式は、少なく
とも軌道制御の開始初期の所定期間において適用すれば
良く、その後の例えば軌道制御の終了時における外乱対
策は別の方式の依っても良い。この意味で閾値Ａ、同Ｂ
の値が変化する領域を少なくとも軌道制御開始後の所定
期間としたのである。

このように、本発明の人工衛星の軌道制御方式によれ
ば、人工衛星の実際の姿勢を検出し、それに基づき設定
した評価値と適切に変化する閾値との大小関係によって
ガスジェットスラスタによるガス噴射をオン、オフ制御
するようにしたので、つまり現実の衛星姿勢との関連に
おいて外乱が大きいときはガス噴射を中止し外乱の原因
を消滅させるようにしたので、外乱が予想外に大きいも
のであってもそれに左右されることなく、少なくとも軌
道制御開始初期における衛星姿勢のトランジェントの低
減を確実になし得る。また、閾値を変化させガス噴射の
タイミング制御を行うのでガスジェットスラスタのガス
噴射の効率化を図ることができるという優れた効果が得
られる。

（実 施 例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第
１図は本発明の一実施例に係る人工衛星の軌道制御方式
の制御系統図である。

本実施例に係る軌道制御方式の制御系は、衛星本体１
の姿勢を検出するセンサ２と、センサ２の出力を受けて
軌道制御用スラスタ３と姿勢制御用アクチュエータ４と
を制御し、もって衛星本体１の軌道および姿勢を制御す
るコントローラ５とで構成される。

周知のように、人工衛星では、軌道制御に関してはガ
スジェットスラスタを用いるが、姿勢制御に関してはア
クチュエータとして種々のものがあり、ガスジェットス
ラスタを用いる方式の他に、リアクションホイール方
式、磁気トルク方式、モーメンタムホイール方式等があ
る。

その中で、本実施例が対象とする人工衛星は、第２図
に例示するように、軌道制御と姿勢制御を共にガスジェ
ットスラスタを用いる方式のものである。従って、前記
姿勢制御用アクチュエータ４は姿勢制御用スラスタとい
うことになる。

第２図において、符号21、同22は太陽電池パネルであ
り、この太陽電池パネル21、同22は衛星本体１の重心23
に対して例えば南北方向に対称に配置されている。な
お、この太陽電池パネル21、同22は衛星本体１内に設け
られる図示しない駆動系でもって常時太陽を指向するよ
うに制御され、太陽電池パネル21、同22およびその駆動
系を含めた全体を太陽電池パドルと称している。また、
符号６〜同19はガスジェットスラスタであり、これらの
ガスジェットスラスタの内、例えば符号６、同７は軌道
制御用、残余のものは姿勢制御用（一部が軌道制御用を
兼ねることもある）である。なお、図示する個数および
配置態様は例示である。通常、軌道制御用スラスタ６と
同７はその推力ベクトルの合成ベクトルが重心23を通る
ように配置される（実際には、製造誤差等に起因して、
合成ベクトルが重心23を通過せず外乱トルクの発生原因
の１つとなっている）。

さらに、符号24、同25はスラスタ噴射プルームであ
り、これらのスラスタ噴射プルーム24、同25は例えば太
陽電池パネル21、同22や衛星本体１などに衝突し、外乱
トルクの発生原因となる。つまり、姿勢制御に対する外
乱の大部分は軌道制御に基づくもので、軌道制御用スラ
スタ６、同７のガス噴射を中止すれば、外乱も消滅する
のである。本発明はこの点に着目したのである。

センサ２は、衛星本体１内に設けられ、太陽や星、地
球等の位置に基づき衛星本体１自身の姿勢を検出し、同
じく衛星本体１が搭載するコントローラ５へその検出信
号を出力する。検出態様はその機種により、姿勢誤差角
のみ、姿勢誤差角速度の検出も行えるもの等種々あり、
この実施例では姿勢誤差角のみを検出するものである。

コントローラ５は、コンピュータを中心に構成される
もので、姿勢制御用アクチュエータ４としてのガスジェ
ットスラスタ９〜同19の噴射制御をして所要の姿勢制御
動作を行うとともに、本発明の軌道制御動作を行う。即
ち、このコントローラ５は、検出手段である前記センサ
２の出力を受けて所定の評価値（姿勢誤差角または姿勢
誤差角速度もしくはこれらの線形結合からなり、センサ
２の検出態様を勘案して定める）設定する設定手段の動
作と、前記評価値が閾値Ａのある値を超えたとき軌道制
御用スラスタ３をオフ作動させるオフ作動制御手段の動
作と、軌道制御用スラスタ３のオフ作動後における前記
評価値が閾値Ｂのある値以下となったとき軌道制御用ス
ラスタ３をオン作動させるオン作動制御手段の動作とを
それぞれ行う。なお、閾値Ａおよび閾値Ｂはその値が少
なくとも軌道制御開始後の所定期間において徐々に変化
したものとなるように、予め設定される。

また、両者は同一または異なるもののいずれか一方と
なる。

次に、コントローラ５が行う本発明の軌道制御動作を
第３図を参照して説明する。第３図は軌道制御開始初期
の所定期間における様子を示している。第３図（ａ）は
閾値（前記閾値Ａと同Ｂが同一の場合を示す）が軌道制
御開始時点t₄からの時間経過とともに直線的に緩やかに
上昇し、所定の時点t₅以降は定値となる様子を示してい
る。

この閾値はその値と変化態様は制御系の構成や経験等
に基づき定められる。第３図（ｂ）は評価値を姿勢誤差
角とした場合の変化態様（実線）を第３図（ａ）に示し
た閾値（破線）と関連付けて示している。第３図（ｃ）
は、評価値と閾値の関係が第３図（ｂ）に示すようにな
る場合の軌道制御用スラスタ３のオンオフ制御の態様を
示している。

第３図において、軌道制御が開始し、時点t₄で軌道制
御用スラスタ３がオン作動すると、外乱により姿勢誤差
角が増大する。時点t₆で姿勢誤差角がある閾値に達しそ
れを超えると、軌道制御用スラスタ３をオフ作動させ、
ガス噴射を中止する。すると、外乱が急激に減少消滅す
るので、姿勢誤差角の増大速度は鈍化しやがて時点t₇で
姿勢誤差角はある閾値に達しそれよりも小さくなるの
で、再び軌道制御用スラスタ３をオン作動しガス噴射を
再開する。以上の動作を繰り返しながら、姿勢制御系は
次第に外乱を吸収し、姿勢誤差角は小さくなり、軌道制
御用スラスタ３の噴射も連続的になる。その際、閾値の
値は姿勢誤差角が大きくなりすぎぬよう、また軌道制御
用スラスタ３の噴射も十分効率よくなされるよう適切な
シーケンスにもとづき変化させるようになっている。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明の人工衛星の軌道制御方
式によれば、人工衛星の実際の姿勢を検出し、それに基
づき設定した評価値と適切に変化する閾値との大小関係
によってガスジェットスラスタによるガス噴射をオン、
オフ制御するようにしたので、つまり現実の衛星姿勢と
の関連において外乱が大きいときはガス噴射を中止し外
乱の原因を消滅させるようにしたので、外乱が予想外に
大きいものであってもそれに左右されることなく、少な
くとも軌道制御開始初期における衛星姿勢のトランジェ
ントの低減を確実になし得る。

また、閾値を変化させガス噴射のタイミング制御を行
うのでガスジェットスラスタのガス噴射の効率化を図る
ことができるという優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る人工衛星の軌道制御方
式の制御系統図、第２図は制御対象として例示する人工
衛星の外観概略図、第３図は本発明の軌道制御動作を説
明するための図、第４図は従来の軌道制御方式を示す図
である。 １……衛星本体、２……センサ、３……軌道制御用スラ
スタ、４……姿勢制御用アクチュエータ、５……コント
ローラ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】人工衛星の姿勢を検出する検出手段と；こ
   の検出手段の出力を受けて人工衛星の姿勢制御の実勢評
   価のための所定の評価値を設定する設定手段と；少なく
   とも軌道制御開始後の所定期間において値が人工衛星の
   軌道制御系の構成並びに運用実績に基づいてあらかじめ
   設定する特性で徐々に変化している閾値Ａのある値を前
   記評価値が超えたとき、軌道制御用のガスジェットスラ
   スタをオフ作動させるオフ作動制御手段と；少なくとも
   軌道制御開始後の所定期間において値が人工衛星の軌道
   制御系の構成並びに運用実績に基づいてあらかじめ設定
   する特性で徐々に変化している閾値Ｂのある値よりも、
   ガスジェットスラスタの前記オフ作動後における前記評
   価値が小さくなったとき、ガスジェットスラスタをオン
   作動させるオン作動制御手段と；を備え、前記閾値Ａお
   よび同Ｂは同一または異なるものであることを特徴とす
   る人工衛星の軌道制御方式。