JP2567098B2 - 姿勢制御システム - Google Patents

姿勢制御システム

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JP2567098B2
JP2567098B2 JP1150689A JP15068989A JP2567098B2 JP 2567098 B2 JP2567098 B2 JP 2567098B2 JP 1150689 A JP1150689 A JP 1150689A JP 15068989 A JP15068989 A JP 15068989A JP 2567098 B2 JP2567098 B2 JP 2567098B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は姿勢制御システムに関し、更に詳しくは、旋
回はずみホイールを使用し、磁気姿勢制御システムを増
強するために使用される姿勢制御システムに関する。
磁気トルク発生システムを使用して、商用通信衛星を
含む運動量バイアス式衛星の姿勢を制御している。パー
ケル（Perkel）の米国特許第3,834,653号およびマルフ
ェルダ等（Muhlfelder et al）の米国特許4,062,509号
はこのような閉ループ姿勢制御システムの例を示してい
る。トルク発生手段は磁気双極子から構成され、この磁
気双極子は、閉ループ制御動作によって付勢されると、
地球または他の惑星の周りに存在する周囲環境の磁界と
相互作用し、歳差運動トルクを発生し、衛星の姿勢を補
正する。
この動作における磁気制御トルクは周囲環境の全ての
妨害トルク（太陽の放射圧、重力傾度、磁気相互作用、
無線周波圧等によって誘導されるような）を克服するに
十分な大きさのものでなければならない。妨害トルクは
衛星をその所望の方向または所望の姿勢からそらせるも
のである。これらの妨害トルクは一定（バイアス）であ
ったり、または周期的であったり（軌道的、日周的、ま
たは季節的）、または一定的要素と周期的要素を混合し
たようなものである。したがって、磁気制御トルクはこ
れらの影響の最大の組合せ（即ち、最悪ケース）に対し
て十分なものでなければならない。更に、トルク発生装
置は周囲環境磁界の通常の日周的変化が存在する場合お
よび（太陽の異変の間に発生するような）減少した周囲
環境磁界が存在する場合に十分な制御トルクを発生しな
ければならない。ある極度の非常にまれな場合には、太
陽の異変は周囲環境磁界を完全に逆にすることがある。
この後者の場合には姿勢のずれを防止する代わりの制御
手段（即ち、バックアップ手段）を備えていなければな
らない。
また、姿勢制御に加えて、章動を減衰させる何らかの
手段を備えていることが更に望ましい。磁気トルク発生
装置を使用した章動減衰についてはマルフェルダ等（Mu
hlfelder et al）に与えられた特許（米国特許第4,424,
948号）に記載されている。
発明の概要 本発明の一実施例によれば、姿勢制御システムはピッ
チ軸を横切る軸（例えば、ロール軸）の周りにおける角
偏差を表すエラー信号を発生する手段と、（例えば、は
ずみホイール（モーメンタムホイール）を旋回させるこ
とによって）検出されたエラーを補正するように所定方
向に運動量ベクトルを回転させる手段と、選択された軸
に沿って指令し得る磁気双極子を有する磁気トルク発生
手段と、エラー信号に応答して、姿勢エラーを低減する
ように磁気トルク発生手段を付勢する手段とを有してい
る。更に、磁気トルク発生動作においては、検出された
エラー信号が所与のしきい値を超えることを待ち受けて
いる。また、別の様相においては、制御システムは所与
のしきい値よりも大きな値を有する第２のしきい値を有
し、この点において運動量ベクトルを回転させる手段が
動作される。
好適実施例の詳細な説明 第１図は基準軸Ｘ、ＹおよびＺを有する宇宙船10を示
している。これらの軸は宇宙船本体に固定され、質量の
中心10aに中心をおいている直交右手座標系を形成して
いる。Ｚ軸は、宇宙船がその意図する姿勢にある場合、
宇宙船の総角運動量ベクトルＨに名目上平行である。は
ずみホイールすなわち回転子13はその角運動量ベクトル
がＺ軸に名目上平行であるように配列されている。モー
タ15は安定化されたプラットフォームすなわち本体11と
回転するはずみホイール13とを連結している。プラット
フォームすなわち本体11はアンテナまたは他のペイロー
ドを有していてもよい。モータ15の回転速度はホイール
13によって蓄積される運動量が衛星10に対してジャイロ
スコープのスティフネスを与えるに十分なように制御さ
れる。また、モータ速度は１つの面上のアンテナが所望
の方向（例えば、地球の方向）を示すように本体すなわ
ちプラットフォーム11を維持すべく制御される。この制
御動作は名目上地方垂直線および軌道法線によって定め
られる面にＸ軸を維持する。上述したようなものにおい
て、地球静止軌道においては、プラットフォーム11は１
日に１回回転する。この制御は例えば、ケビン・フィリ
ップス（Kevin Phillips）の米国特許第3,695,554号お
よび第3,830,447号に記載されているようなピッチ制御
システムによって行われる。これらの特許はここに参考
のため取り入れられている。
はずみホイール13は、Ｚ軸に平行なその角運動量ベク
トルに名目上一致するように配列されているが、Ｙ軸に
平行な蝶番機構によって旋回される。この旋回はホイー
ルの角運動量ベクトルをＸおよびＺ軸で定められる面内
で移動することを可能にしている。ホイール13はモータ
15の回転子17に取り付けられている。モータ15の固定子
はプラットフォーム11にヒンジ21を介して取り付けられ
ている部材19に取り付けられている。ヒンジ21はＹ軸に
平行なＹ′軸上に設けられ、Ｙ′軸の周りに旋回する。
旋回するホイール13は宇宙船10の総運動量を変えない
が、ホイールの角運動量ベクトルを宇宙船10に対して動
かし、これにより軸間で運動量を移動させていることに
注意されたい。一方、磁気トルク発生動作は宇宙船10の
総運動量における基本的変化（永年変化）を発生し、余
分な運動量を減らすとともに、姿勢エラーを補正する。
センサ23はＹ軸に平行な軸の周りの角運動を検出す
る。このセンサは例えば典型的な水平感知器であってよ
く、この水平感知器は惑星の水平の赤外線特性を感知
し、衛星のロール姿勢エラーに比例する信号を発生す
る。または、センサは他の形式のアースセンサであって
もよい。水平感知器の更に詳細な説明はマルフェルダ
（Muhlfelder）の米国特許第4,062,509号に記載されて
いる。この発明はここに参考のため取り入れられてい
る。
センサ23によって検出されたロール姿勢エラーは平滑
ロジック25（第２図）を通過する。第１図および第２図
において、同じ番号は同じ装置を示している。平滑ロジ
ック25からの出力は旋回制御ロジック27および加算回路
34に供給される。加算回路34からの出力は回路35によっ
て遅らされる。回路35からの遅延出力はしきい値回路37
を通過する。しきい値回路37は前述した特許第3,834,65
3号に説明されているような従来の磁気トルク発生に従
って磁気トルク発生コイル40を付勢するロールトルク発
生装置ドライバ39を作動する。トルク発生コイルはマル
フェルダ等（Muhlfelder et al）の米国特許第4,062,50
9号に説明されているように斜めの双極子（例えば、矢
印70で示すような）を有していてもよい。回路35は章動
周期の端数の期間磁気トルクの発生を遅らせる。この遅
延はマルフェルダ等の米国特許第4,424,948号に記載さ
れているように、トルクの位相をシフトし、章動を低減
する。この特許はここに参考のために取り入れられてい
る。コイル40は周囲磁界との相互作用を介した補正用ト
ルクを供給する。アースセンサ組立体、平滑ロジック、
減衰遅延回路、しきい値回路、トルクドライバおよび磁
気トルク発生装置からなるこの磁気制御システムは前述
した米国特許第4,424,948号に記載されている。
前述した全ての妨害に対抗するために、磁気トルク発
生装置は最悪状態、すなわち最小の周囲環境磁界に対す
る各妨害トルクの最大値の和を考慮した大きさでなけれ
ばならない。これは大きな磁気双極子を有する大きな磁
気コイルを必要とし、また重く、かなりの電力を消費す
る。これらの全ては好ましくないものである。
本技術によると、磁気トルク発生装置を微細制御用に
使用し、かつ、旋回はずみホイールを使用してＸ−Ｚ面
に累積された各運動量を一時的に貯え、これにより姿勢
の大きな変化を防止する場合にはかなり小さなトルク発
生装置で十分である。
この補助的な補正の必要性は旋回制御ロジック27によ
って検出され作動する。旋回制御ロジック27はしきい値
回路37のしきい値よりも大きなしきい値を有するしきい
値回路を有していてもよく、これによりホイール旋回動
作は姿勢制御エラーを制限するためにのみ作用する。
旋回制御ロジック27は制御を必要とするときを決定
し、制御信号を発生するマイクロプロセッサを有してい
る。これらの信号はステップモータ29に対する指令であ
り、ステップモータ29はモータおよびホイール13が取り
付けられている旋回部材19および衛星本体11を機械的に
連結している（第１図において点線30で示す）。ステッ
プモータ29ははずみホイール13の回転軸（スピン軸）を
プラットフォーム11のＺ軸12に対してＹ′軸の周りを段
階的に回転（旋回）させる。ロールエラーが正である場
合（即ち、宇宙船が正のＹ軸の周りを回転によって基準
方位から変位した場合）、モータはＹ′軸の周りを正方
向にホイールの回転軸を旋回させる。しかしながら、ロ
ールエラーが負の場合には、ホイールの回転軸はＹ′軸
の周りを負方向に旋回させられる。旋回制御ロジック27
は旋回指令を対で発生する。これらの対の個々の指令は
公称章動周期の半分離れている。これらの指令の各々は
複数のステップを有しているが、各指令の継続期間は典
型的には宇宙船の章動周期の小さな一部にすぎない。
本発明の一実施例においては、旋回制御ロジック27は
対の各半分に対して等しい旋回角度を指令する。例え
ば、ロールエラーを補正するためには、ロジック27内の
マイクロプロセッサはエラーを減らす方向に必要なステ
ップの半分を指令し、章動周期の半周期後に同じ方向に
残りのステップを指令する。等しい旋回角度を章動周期
の半周期ずつ分けて指令することによって、制御ロジッ
ク27はロジック制御動作が宇宙船の章動を増大すること
を防止しようとするものである。
本発明の他の実施例においては、旋回制御ロジック27
は対の名目上等しくない旋回角度を指令し、これにより
旋回動作によって章動を減衰させるとともに、ロールエ
ラーを補正する。両実施例に対するロジックを以下に説
明する。
第１の角度ステップをθ１で表し、第２の角度ステッ
プをθ２で表すと、各対のステップははずみホイール軸
の方向を衛星のロール軸の周りにθ１＋θ２だけ変化さ
せる。また、これは衛星のロール方向をθ１＋θ２だけ
適当な方向に変化させ、アースセンサ23によって検出さ
れたロールエラーを低減する。旋回制御ロジック27は、
ステップパルスをはずみホイール旋回ステップモータ29
に供給することに加えて、関連信号をカウンタ28に供給
する。このカウンタ28は実際の旋回オフセット角度を決
定する。それから、カウンタ28からのこの角度は加算回
路34においてロジック23からの平滑ロールエラー信号に
加えられる。旋回オフセット角度は上述した閉ループ動
作によるものだけであり、外部から指令される旋回オフ
セットはここで説明する動作において旋回−オフセット
位置を計算するために零基準としてカウンタ28内のロジ
ックによって使用される。
第１図に示す宇宙船においては、ロールエラーはピッ
チ軸Ｚおよび軌道法線の間におけるロール軸Ｙの周りの
角度不整合を表している。ホイール13の軸が最初ピッチ
軸Ｚに一致している場合、ホイールの各運動量ベクトル
も軌道法線からずれている。システムの動作では、セン
サが旋回制御ロジック27内のしきい値を超えたロールエ
ラーを検出した場合、以下に説明するように２段階で補
正が行われる。２段階の処理が終了すると、ロールエラ
ーは補正され、ピッチ軸は軌道法線に一致する。第２ス
テップはホイール軸を慣性空間のその元の方向に戻す
が、それは衛星のピッチ軸から外れている。カウント28
はこの角度変位を記録し、実際の変位が磁気制御ループ
用のロールエラーに加えられる。
結果として、磁気制御ループはホイールの軸（および
その角運動量ベクトル）を軌道法線に一致するように動
作する。旋回ロジック27および磁気制御ループの組み合
わせた動作によってピッチ軸およびホイールの回転軸は
軌道法線に一致させられることになる。
平滑ロールエラーおよび旋回−オフセット角度の和を
表す加算回路34からの信号は前述したように、および米
国特許第4,424,948号に関連して、説明したように、遅
延回路35を介して遅延させられ、回路37を介してしきい
値処理される。遅延信号は衛星の総運動量ベクトルの歳
差運動を可能にすると同時に、優勢な章動を減衰させ
る。回路37から出力されるしきい値処理された信号は適
当な極性をもってトルク発生装置ドライバ39を介して磁
気トルク発生装置に供給される。
上述した制御方法は磁気姿勢制御の利点（優れた分解
能、質量除去を必要としないこと、高い信頼性、歳差運
動制御および章動減衰動作の同時処理）を維持すると共
に、磁気閉ループ制御を能動的に旋回するはずみホイー
ルで補助することによって必要な磁気トルク発生装置の
大きさ、重さおよび電力を低減する。旋回はずみホイー
ルは横断（ロール／ヨー）面における運動量を一時的に
蓄積し、一時的な磁気制御トルク飽和による受け入れる
ことができない姿勢変化を除去する。ある衛星において
は、この方法は磁気トルク発生装置の大きさおよび重さ
を半分にすることができる。更に、周囲環境磁界が一時
的に弱くなったり、または逆になった場合には、旋回動
作によって姿勢の逸脱を自動的に防止する。
この独特の動作の利点を証明するコンピュータによる
シミュレーション結果が第３図、第４図および第５図に
示されている。第３図は小型のロール制御トルク発生器
を単独で使用した典型的な運動量バイアス式静止衛星の
ロール姿勢履歴を示している。本発明の旋回ホイールを
用いた場合には、（一時的なトルク飽和によって生ず
る）第３図の大きなロール姿勢変化は第４図に示すよう
に実質的に低減する。これは第５図に示す閉ループ旋回
動作の結果として達成されるものである。これらのシミ
ュレーションにおいては、対の旋回ステップ（θ１＋θ
２）あたりの分解能が0.009゜であり、旋回作動のしき
い値は0.02゜であり、磁気トルク発生動作のしきい値は
0.01゜である。上述した動作はこの制御設計の利点を示
しているものである。
旋回制御ロジック27の一実施例の動作を第６図に関連
して説明する。ロール角φはしきい値τが交差するまで
監視される。ロール角φは選択されたしきい値τに等し
いかまたは超えた場合、ロール角φは記録、即ち蓄積さ
れる。公称の章動周期の半周期分遅れて（先験的に知ら
れている）、ロール角φは再び記録される。（歳差運動
エラーはこれらの２つの読みの平均であり、これらの２
つの読みを平均または加算することによってロール角の
章動成分を補正開始するのに使用される値から除去する
ことに注意されたい。）ロジック27はそれからステップ
モータ29に指令し、これらの２つの読みの和に比例する
第１の角度だけホイール13を旋回させる。更に章動周期
の半周期分の遅延の後、ロジック27はステップモータ29
を指令し、第１の旋回角度に等しい角度だけホイール13
を旋回させる。ホイール13を旋回させるステップモータ
29によって導入された変移が落ち着く僅かな遅延の後、
ロジック27はロール角φの監視を再び始める。前述した
ように、章動周期の半分だけ分離した２つの旋回角度の
等しい変化を指令することによってロール制御動作が宇
宙船の章動を増大することを防止している。
第６図は説明した実施例のロジック27内のマイクロプ
ロセッサ用のプログラムを示すフローチャートである。
マイクロプロセッサは最初ロールエラー信号φの絶対値
が旋回制御システム用のしきい値τに等しいかまたは越
えたかどうかを決定する（ブロック61）。判定が「no」
の場合には、旋回角度における変化を必要とせず、制御
ロジック27の残りの動作はバイパスされる。ブロック61
は判定が「yes」になるまで繰り返し実行される。ロー
ル角φがしきい値τを超えると、ロールエラーφ１が記
録される（ブロック62）。章動周期の半周期（HNP）分
の遅延の後（ブロック63）、ロールエラーφ２が再び記
録される（ブロック64）。マイクロプロセッサはそれか
ら歳差運動エラーを補正するに必要な旋回ステップ数Ｓ
を計算する（ブロック65）。旋回ステップ数（Ｓ）は記
録された２つのロールエラー（φ１＋φ２）の和に比例
し、ロールエラーの符号によって正または負である。Ｓ
の正の値はホイールが正のＹ′軸（第１図参照）の周り
に旋回すべきであることを示し、Ｓの負の値は反対方向
に旋回することを示す。マイクロプロセッサはステップ
モータ29にＳステップだけホイール13を動かし旋回させ
るように指令する（ブロック66）。更に章動周期の半周
期分の遅延の後（ブロック67）、マイクロプロセッサは
ステップモータ29に更にＳステップ分ホイール13を旋回
させるように指令する（ブロック68）。短い遅延の後
（ブロック69）、処理が繰り返される。
旋回制御ロジック27の好適実施例の動作を第７図の制
御ロジックのフローチャートを参照して次に説明する。
ロール角φはしきい値τが超えるまで監視され、超える
とロール角は記録される。それから、システムは、ピー
クエラーがしきい値に記録されている符号と同じ場合、
章動周期の次の1/4周期の間にピークロールエラーを決
定する。ピークにおいて、ロールエラーφは記録され、
章動サイクルタイマは０にリセットされる。しかしなが
ら、ロール角φが０に等しいか、または1/4サイクルの
間において符号が変化した場合には、制御システムはリ
セットされ、モニタ処理が新たに開始される。
タイマは章動周期の半分が記録したピークから通過し
たことを示した場合、ロール角が再びサンプルされる。
歳差運動エラーは半章動周期だけ離れた時点で取られた
２つの読みの平均である。章動エラーはこれらの２つの
読みの間の差の半分に等しい。歳差運動エラーは２つの
読みの和に比例し、章動エラーはそれらの差に比例する
ので、上述した２つの文章に記載されている分割処理を
実行することは必要でないかもしれないことに注意され
たい。システムは２つの読みを使用し、歳差運動エラー
を補正するようにホイール13を旋回するに必要な旋回ス
テップ数SPおよび章動エラーを補正するに必要な旋回ス
テップ数SNを計算する。１制御サイクル内において全エ
ラーを補償するために、２つの制御旋回角度の各々は歳
差運動および章動エラーの半分に等しくされるべきであ
る。旋回角度が計算されると、ステップモータ29は歳差
運動および章動旋回角度の和（SP＋SN）に比例する角度
だけホイール13を旋回させる。章動周期の半周期分遅れ
て、ホイールは再び旋回されるが、この時には、歳差運
動および章動旋回角度間の差（SP−SN）に比例する角度
だけ旋回させられる。旋回による変動が落ち着くだけの
遅延の後、処理は繰り返される。
完全な制御サイクルは１および1.5章動周期の間に行
われて完成する。理想的には、大きなエラーおよび小さ
なエラーの両方とも単一の制御サイクル内で補正するこ
とができる。しかしながら、利得エラー、旋回角度制
限、タイミングエラー、センサ雑音および他の実際的な
制限が大きなエラーを補正するのに実際に必要とされる
時間を数章動サイクルまで増大する。これはまだ磁気ト
ルク発生ヨー／ロール制御システムで可能なものよりも
かなり速い応答速度である。しかしながら、旋回分解能
はステップモータ29のステップの大きさによって制限さ
れる。磁気制御システムは非常に遅いものであるが、そ
の低いしきい値および低い補正トルクは一般に微細な制
御を提供し、更に完全な章動減衰動作を行う。一方、旋
回制御システムは旋回ホイール13に横断運動量を一時的
に蓄積することによって大きなエラーを急速に補正する
補助動作を有している。
第７図のフローチャートは動作についてちょうど説明
した歳差動作および章動制御を組み合わせた動作に対す
るマイクロプロセッサのプログラムを示している。マイ
クロプロセッサはまずロール角エラー信号φの絶対値が
旋回制御システムのしきい値τを超えたかどうかを決定
する（ブロック81）。判定が「no」の場合には、制御ロ
ジック27の残りの部分はバイバスされ、システムは待機
し、次のエラー信号を監視する。判定がブロック81の右
側の矢印で示すように「yes」である場合には、ロール
エラーφが記録され、２つのタイマは０にリセットされ
る（ブロック82）。ロール角エラーφが０に等しいか、
または章動周期の次の1/4の間において符号を変える場
合には（ブロック83）、制御システムはブロック83から
「no」の出力で示されるようにリセットされ、処理が新
たに開始する。ロール角φが０に等しくなく、符号が変
化しない場合には（ブロック83からの「yes」の矢
印）、判定ロジックは現在のロール角φが前のピークロ
ール角φ１を超えたかどうか決定する（ブロック85）。
新しいロール角φが前に蓄積したピークロール角φ１を
超える場合には、新しいピークロール角が蓄積され、半
章動周期タイマTHはリセットされる（ブロック86）。
ブロック87はしきい値を交差してからの時間TQを測定
するとともに、ピークに達してからの時間THを測定する
（ブロック87）。ブロック89からの「yes」という名称
を付けられている矢印によって示されているようにしき
い値が交差してから章動期間の1/4が通過すると、シス
テムはロール角の監視を停止する。ブロック89からの
「no」の矢印で示されているようにそうでない場合に
は、ロール角エラーは遅延（ブロック90）を介してブロ
ック83で監視され続ける。ブロック92からの「yes」と
云う名称の矢印で示されているように記録されたピーク
からの時間THが半章動周期に等しいかまたは超えた場合
には、ロールエラー角φ２がサンプルされ蓄積される
（ブロック94）。そうでない場合（ブロック92からの
「no」の矢印）、時間は更新される（ブロック91,9
3）。それから歳差運動旋回ステップ数（SP）がピーク
ロール角φ１およびピークに達した後の半章動周期にお
けるロール角φ２の和に比例して計算される。章動旋回
ステップ数SNは２つのロール角間の差（φ１−φ２）に
比例して計算される（ブロック95）。それから、ステッ
プモータ29は歳差運動および章動旋回ステップの和だけ
ステップし（ブロック96）、ホイール13をSP＋SNステッ
プだけ旋回させる。半章動周期の遅延の後（ブロック9
7）、ステップモータ29は歳差運動旋回ステップSPおよ
び章動旋回ステップSN間の差だけステップ動作し（ブロ
ック98）、ホイール13をSP−SNステップだけ旋回させ
る。遅延99の後、前記処理が繰り返される。
第６図および第７図のフローチャートによって示され
る旋回制御ロジック27は磁気制御サブシステムがなくて
も、すなわち第２図のブロック23,25,27および29のみを
使用することによっても使用できることが理解される。
第７図の実施例によって指令されるようなホイール13
の旋回に関連する宇宙船力学が第８図および第９図に示
されている。これらの図は慣性的に固定されたヨー／ロ
ール面上に投影された宇宙船本体の固定されたピッチ軸
の先端の軌道を示している。簡単には、宇宙船はピッチ
軸の周りに慣性的に対称であると仮定されている。名目
上の軌道（歳差動作エラーもなく、章動もない）は簡単
には平衡点ｃである。純粋なロール歳差運動エラーの場
合には、軌道は平衡点ａである。歳差運動エラーに章動
が加わった場合には、軌道はａに中心をおく円形路Ａで
ある。力学的に安定な宇宙船の場合には、この章動動作
は前進する（反時計方向に）。投影されたピッチ軸は各
章動サイクル毎に一度この円形路Ａの周りを回わる。
第８図および第９図は完全な旋回制御の結果を示して
いる。実際の特性は第８図および第９図に示すものに類
似しているが、実際には１サイクル以上の次に続く制御
サイクルで取り除かれなければならないいくらかの残差
エラーがある。第８図において、最初の歳差運動エラー
は章動エラーより大きい。第９図において、この関係は
逆になっている。
両図において、ロールエラーは投影されたピッチ軸が
軌道Ａの点ｄにある時最も大きい。これは好適な旋回制
御ロジック27（第７図）によって検出されたピークエラ
ーである。旋回制御動作は半章動サイクル後に行なわ
れ、このとき投影されたピッチ軸は点ｅにあり、この点
ｅでホイール13の最初の旋回が起きる。この最初の旋回
動作は章動および歳差運動エラーを低減する。その後、
軌道は点ｂに中心をおく円形路Ｂになる。最初の旋回か
ら半章動サイクル後に、投影されたピッチ軸は点ｃにな
る。この点において、宇宙船本体の固定されたピッチ軸
は慣性ピッチ軸に平行になる。これが目標姿勢であり、
ホイール13の第２の旋回動作はこの点で発生する。第２
の旋回動作は章動および歳差運動エラーを本質的に零に
低減し、最後の軌道は点ｃになる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例を有する宇宙船を示す図であ
る。 第２図は第１図の実施例のブロック図である。 第３図は小型のロール制御磁気トルク発生装置を使用し
た典型的な通信衛星のロールエラーの履歴を示すグラフ
である。 第４図は本発明による旋回はずみホイールを有する第３
図と同じ衛星および同じ小型の磁気トルク発生装置のロ
ールエラー履歴を示すグラフである。 第５図は第４図の低減したロールエラー履歴を達成する
はずみホイールの旋回角のグラフである。 第６図は本発明の一実施例による旋回制御ロジックのフ
ローチャートである。 第７図は旋回ホイール強化が章動減衰動作を提供してい
る本発明の他の実施例による旋回制御ロジックのフロー
チャートである。 第８図および第９図はそれぞれ最初の歳差動作エラーが
章動エラーを超えた場合および章動エラーが歳差運動エ
ラーを超えた場合の補正を行うときの慣性的に固定され
たヨー／ロール面上に投影された宇宙船本体の固定され
たピッチ軸の軌道を示す図である。 10……宇宙船、11……プラットフォーム、 13……はずみホイール、15……モータ、 23……センサ、25……平滑ロジック、 27……旋回制御ロジック、 28……旋回オフセット位置カウンタ、 29……ステップモータ、35……遅延回路、 37……しきい値回路、 39……トルク発生装置ドライバ、 40……磁気制御トルク発生装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カール・ヘンリー・フバート アメリカ合衆国、ニュージャージ州、ク ランベリィ、アダムズ・ドライブ、10番 (72)発明者 トマス・ジョセフ・フリア アメリカ合衆国、ペンシルバニア州、ア ムブラー、フリング・ミル・レーン、 205番 (56)参考文献 特開 昭58−183395（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−183398（ＪＰ，Ａ)

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】運動量バイアス式宇宙船用姿勢制御システ
    ムであって、 前記宇宙船に旋回自在に取り付けられ、かつ、前記宇宙
    船の第１の軸にほぼ平行な軸の周りを回転し、前記運動
    量バイアスを発生するはずみホイールと、 前記宇宙船に対して前記はずみホイールの角運動量ベク
    トルを旋回させるステップモータと、 前記第１の軸に直角な１つ以上の軸の周りの宇宙船の角
    偏差に応じて姿勢エラー信号を発生するセンサと、 零でもよい第１のしきい値を前記姿勢エラー信号が超え
    た場合、１つ以上の選択された軸のまわりにトルクを発
    生して、前記角偏差を低減するための磁気双極子を形成
    する磁気トルク発生装置と、 前記姿勢エラー信号が前記第１のしきい値より大きい第
    ２のしきい値を超えた場合、旋回信号を発生する旋回制
    御ロジックと、を有し、前記旋回信号が宇宙船の章動周
    期の約半周期分だけ時間的に分離した対で発生され、前
    記ステップモータは前記旋回信号に応答して前記はずみ
    ホイールの角運動量ベクトルを旋回させて前記角偏差を
    低減させるようにした姿勢制御システム。
  2. 【請求項２】前記対の旋回信号はほぼ等しい値を有する
    ２つの信号である請求項１記載の姿勢制御システム。
  3. 【請求項３】前記第１の軸はピッチ軸であり、前記姿勢
    エラー信号はロール軸の周りの偏差を表している請求項
    １記載の姿勢制御システム。
  4. 【請求項４】前記姿勢エラー信号は章動成分を有し、前
    記旋回制御ロジックは前記章動成分に対してほぼ独立に
    角運動量ベクトルを旋回させる旋回信号を発生する請求
    項１記載の姿勢制御システム。
  5. 【請求項５】前記旋回制御ロジックは前記旋回信号をほ
    ぼ値が等しい対で発生する請求項４記載の姿勢制御シス
    テム。
  6. 【請求項６】前記姿勢エラー信号は章動成分を有し、前
    記旋回制御ロジックは前記章動成分を有する前記姿勢エ
    ラー信号に応答して角運動量ベクトルを旋回させる旋回
    信号を発生する請求項１記載の姿勢制御システム。
  7. 【請求項７】前記旋回制御ロジックは前記旋回信号を値
    が等しくない対の信号として発生し、前記等しくない値
    は前記姿勢エラー信号の章動成分に応答する請求項６記
    載の姿勢制御システム。
  8. 【請求項８】宇宙船の基準角運動量軸と直交している軸
    に旋回するように取り付けられて、プラットフォーム本
    体に旋回自在に取り付けられた回転子本体と、 前記基準角運動量軸を横切る軸の周りの慣性空間におけ
    るプラットフォーム本体の動作に応答し、第１の時点に
    おいて前記横切る軸の周りの第１のエラー角度φ１を表
    す第１の信号を発生し、前記第１の時点より宇宙船の章
    動周期の半分遅れた第２の時点において前記同じ横切る
    軸の周りの第２のエラー角度φ２を表す第２の信号を発
    生するセンサと、 前記回転子本体およびプラットフォーム本体の間に連結
    され、前記第１および第２の信号に応答して、（φ１＋
    φ２）に比例する第１の旋回角度だけ前記回転子本体を
    旋回し、章動周期の半分遅れて（φ１＋φ２）に比例す
    る第２の旋回角度だけ前記回転本体を旋回させるモータ
    と、 を有する宇宙船用姿勢制御システム。
  9. 【請求項９】前記第１および第２の旋回角度はほぼ等し
    い請求項８記載のシステム。
  10. 【請求項１０】前記モータはステップモータであり、前
    記ステップモータは（φ１＋φ２）に比例するステップ
    数だけ駆動される請求項８記載のシステム。
  11. 【請求項１１】前記プラットフォーム本体の動作に応答
    する前記センサは前記第１のエラー角度φ１がしきい値
    を超えた場合前記第１の信号を発生する請求項８記載の
    システム。
  12. 【請求項１２】宇宙船の基準角運動量軸と直交している
    軸に旋回するように取り付けられて、プラットフォーム
    本体に旋回自在に取り付けられた回転子本体と、 前記基準角運動量軸を横切る軸の周りの慣性空間におけ
    るプラットフォーム本体の動作に応答し、第１の時点に
    おいて前記横切る軸の周りの第１のエラー角度φ１を表
    す第１の信号を発生し、前記第１の時点より宇宙船の章
    動期間の半分遅れた第２の時点において前記同じ横切る
    軸の周りの第２のエラー角度φ２を表す第２の信号を発
    生するセンサと、 前記回転子本体およびプラットフォーム本体の間に連結
    され、前記第１および第２の信号に応答し、（φ１＋φ
    ２）および（φ１−φ２）にそれぞれ比例する第１およ
    び第２の制御信号を発生し、前記第１および第２の制御
    信号の和に比例する第１の旋回角度だけ前記回転子本体
    を旋回させ、章動周期の半分遅れて、前記第１および第
    ２の制御信号の差に比例する第２の旋回角度だけ前記回
    転子本体を旋回させるモータと、 を有する宇宙船用姿勢制御および章動減衰システム。
  13. 【請求項１３】前記モータはステップモータであり、該
    ステップモータは前記第１および第２の制御信号の前記
    和および差に関連するステップ数だけ駆動される請求項
    12記載のシステム。
  14. 【請求項１４】前記プラットフォーム本体の動作に応答
    する前記センサは前記第１のエラー角度φ１がしきい値
    を超えた場合前記第１の信号を発生する請求項12記載の
    システム。
  15. 【請求項１５】前記プラットフォーム本体の動作に応答
    する前記センサは前記第１のエラー角度φ１のピーク値
    に応答して前記第１の信号を発生する請求項12記載のシ
    ステム。
  16. 【請求項１６】前記第１の信号は、前記第１のエラー角
    度φ１がしきい値を超えた後宇宙船の章動周期の1/4以
    内に発生する請求項15記載のシステム。
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