JP3911014B2 - 宇宙でのサテライトオペレーションを行う装置および方法 - Google Patents
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本発明は、宇宙での、人工衛星の寿命を変更したり、人工衛星を検査したり、その宇宙軌跡を調整したりする等のサテライトオペレーションを行う装置および方法に関する。
より詳細には、本発明は、通信、天候調査、宇宙探査、同様の機能を果たす人工衛星の有効動作寿命を延ばしたり、または別の形で変更したりする装置および方法に関するものである。
別の観点からは、本発明は、宇宙での複雑な燃料補給や修繕機能を行うことなく人工衛星の有効寿命を引き延ばすための装置および方法に関するものである。
さらに別の観点によれば、本発明は、人工衛星の計画的な軌道外しおよび再突入を行ったり、軌道ずれを遅延させたり、人工衛星をパーキングまたは他の動作または非動作軌道または軌跡に置くために、使い尽くされた人工衛星をより高い軌道または別の軌跡へと再押し上げしたりする装置および方法に関するものである。同様に、本発明は、他のスペースクラフトとの衝突を避けるために、宇宙における破片の軌跡を変更したり軌道外しを行うことに関するものである。
さらに別の観点によれば、本発明は、種々な近接オペレーション、すなわち、動作または非動作人工衛星の状態等を判断するための検査等を行うための装置おおよび方法に関するものである。
さらにまた別の観点によれば、本発明は、計画された国際宇宙ステーションの如き軌道を回っているスペースクラフトへ燃料を供給したり再補給したりするための装置および方法に関するものである。
現在のエレクトロニクスの信頼性は高いので、たいていの人工衛星の寿命の最後(EOL)は、搭載推進燃料の枯渇や、そのことによって安定化を含めて向きやポインティングのための姿勢および位置制御および軌道制御が失われてしまうことで決まってくる。EOLを引き延ばす方法として従来提案されている方法は、別のスペースクラフトからその人工衛星のタンクに推進燃料を補給するものである。また別の方法としては、問題の人工衛星に付加的な外部推進燃料タンクを機械的に取り付けることで、このような目的を達成できるであろう。
通常の推進燃料の枯渇によるEOLとは別に、初期的に人工衛星が許容し得ない軌道へ配置されてしまうような場合が数多くあった。これらの軌道は、付加的な推進操縦によって修正されうる。しかしながら、人工衛星を許容しうる軌道へと移動させるのにその人工衛星の搭載推進燃料を使用してしまうと、それだけその人工衛星の有効寿命が減少してしまうことになる。ある場合には、初期軌道修正のためにその人工衛星の搭載推進燃料源が完全に枯渇してしまい、そのような初期軌道修正が不可能な場合もあった。
従来、宇宙での燃料補給技術を開発するため相当の努力がなされてきている。しかしながら、これらの開発技術では、通常の人工衛星に対して相当広範囲に亘り且つ費用のかかる変更が必要であったり、危険な接近オペレーションが必要であったり、燃料漏れにより人工衛星が汚染されてしまう可能性があったり、その他の実地上の問題が生じたりしてしまっていた。
反対に、人工衛星の動作寿命の延長が、種々な理由、例えば、修繕され得ないような人工衛星またはその機器の他の故障や、人工衛星の劣化等のために行えない時には、予め計画された軌道外しおよび再突入を行うことができるのが望ましい。こうすることにより、動作しない劣化した人工衛星が、作動している人工衛星の利用空間を彷徨い続けるようなことはなくなり、他の人工衛星や宇宙船と衝突してしまう可能性を減ずることができる。もし、軌道外しおよび再突入を予め計画できる場合には、これらの技術によれば、災害をもたらすような人口密集領域への再突入の可能性を減少させることができる。その上、計画的な軌道外しおよび再突入が必要でない場合でも、または、他の理由で人工衛星の宇宙軌跡を変更することが望ましい場合には、人工衛星の宇宙軌跡を別の動作または非動作軌跡へと変更したり、または、有用な軌道を彷徨っている人工衛星または軌道を外れようとしている人工衛星を、彷徨のより少ないより危険の少ないパーキング軌道へと再押し上げしたりする装置および装置を提供することが望ましいであろう。
本発明の主たる目的は、宇宙での、例えば、人工衛星の有効寿命を引き延ばしたり、別な仕方で変更したり、その宇宙軌跡を変更したする等の如き、サテライトオペレーションを行うための装置および方法を提供することである。
本発明のもう一つ別の目的は、人工衛星への燃料補給を含む従来の技術に比較して簡単な方法で簡単な装置を使用して人工衛星の有効寿命を引き延ばすことである。
本発明のさらに別の目的は、使い尽くされた、または、劣化した人工衛星の計画的な軌道外しおよび再突入を行えるようにしたり、人工衛星の宇宙軌跡を別の動作または非動作軌跡へと変更したり、または、使い尽くされた、または、劣化した人工衛星をパーキング軌道へ再押し上げできるようにする装置および方法を提供することである。
本発明のこれらの目的、その他の目的および効果は、当業者には、添付図面に関してなされる次の詳細な説明から、明らかとなろう。
第1図は、本発明の現時点での好ましい実施例にしたがって構成された拡張スペースクラフトの斜視図である。
第2図は、第1図の拡張スペースクラフトのサービスモジュールの部分破断斜視図である。
第3図は、第1図の拡張スペースクラフトのコマンドモジュールの斜視図である。
第4図は、第1図から第3図の拡張スペースクラフトとターゲットサテライトとのドッキング操縦および機械的相互接続を例示する図である。
第5図から第7図は、サテライトを使用しえない軌道からその意図された動作軌道へと移送し、その後、ドッキングされた拡張スペースクラフトとターゲットサテライトとの組合せ体に対してステーションキーピングおよびポインティングを行うため、本発明の装置および方法によって行われる典型的な飛行任務遂行手順を例示する図である。
第8図から第9図は、ドッキング、検査等の如き接近オペレーションの手動制御を行うために、本発明の好ましい実施例において使用される遠隔コックピットシステムを例示している図である。
本明細書において使用される用語「ターゲットサテライトの寿命を調整する」は、位置制御のために搭載推進燃料を使用できる程度によって通常決まってくるターゲットサテライトの有効寿命を引き延ばすこと、または、使い尽くされた、または、劣化したサテライトの軌道活動を、計画的な軌道外しまたは再突入により、または、サテライトを前の軌道から別の既成またはパーキング軌道へと移送することにより、終わらせること、を意味している。
本明細書において使用する用語「ドッキングされたサテライトとスペースクラフトとの組合せ体を制御する」は、そのドッキングされた組合せ体の地球に対する軌跡を制御すること、および/または、そのドッキングされた組合せ体の地球または星場に対する姿勢を制御すること、を意味している。
本発明の一実施例によれば、次のモード(遠隔操作、自動および自主)にて操作されうるサテライト検査回復延長(SIRE)スペースクラフトのオペレーションを通してターゲットサテライトの検査、回復および寿命延長の如きサテライト接近オペレーションを行う装置および方法が提供される。このSIREコンセプトは、さらに、これに限定されるものではないが、総称して「ターゲットサテライト」と定義される宇宙におけるサテライト、スペースクラフト、スペースシステム、スペースプラットホームおよびその他の乗り物および物体の検査、サービシング、回復および寿命延長を含む特定(軌道上)のオペレーションを行うのに使用されるこれらの方法および技術からなる。
SIRE接近飛行任務の3つの基本的タイプは、「寿命延長」、「回復」および「利用」と定義される。各タイプの飛行任務は、さらに、より特定の技術および動作必要条件にしたがって、いくつかの別の種類に分けられる。例えば、寿命延長飛行任務の目的は、そうでなければ充分に機能しうるのに、搭載推進燃料の枯渇のために、その計画された寿命の最後(EOL)に近づいているサテライトに対して付加的なステーションキーピング推進燃料を与えることである。したがって、この寿命延長飛行任務によれば、充分に機能しうるサテライトが、ドッキングされたSIREサテライトとスペースクラフトとの組合せ体を形成することにより、その計画された寿命の最後を越えて、ある延長期間に旦ってその所望の(収益を出す)軌道において動作し続けることができるようにすることができる。
寿命延長飛行任務を遂行するために、SIREスペースクラフトは、案内、航行および制御システム、搭載推進燃料源およびドッキングされたサテライトとスペースクラフトとの組合せ体を形成するために、ターゲットサテライトとSIREスペースクラフトとを機械的に接続するためのドッキング手段を含む。好ましくは、推進システムは、接近オペレーションのためのモノメチルヒドラヂンおよびN2O4からなる自動点火性のものである。SIREスペースクラフトの案内、航行および制御システムは、ドッキングされたサテライト−スペースクラフト組合せ体の位置を制御する手段を与える。搭載推進燃料源は、SIREスペースクラフトとターゲットサテライトとのランデブーおよびドッキングおよびドッキングされたサテライト−スペースクラフト組合せ体の位置制御を行うのに充分なものである。
本発明の別の実施例によれば、ターゲットサテライトの寿命を調整する方法が提供される。この本発明の方法は、SIREスペースクラフトスペースクラフトをターゲットサテライトに機械的に接続し、ドッキングされたサテライト−スペースクラフト組合せ体を形成し、SIREスペースクラフトの案内、航行および制御システムを付勢してドッキングされたサテライト−スペースクラフト組合せ体の位置制御を行うことを含む。この方法に使用されるSIREスペースクラフトは、ドッキングの後に、ドッキングされたサテライト−スペースクラフト組合せ体の位置制御をするための搭載推進燃料源を含む。SIREスペースクラフトに位置および姿勢制御の如きすべてのステーションキーピング機能を行わせることにより、サテライトは、その元々計画された寿命の最後のあとでも長く、電気通信および天候マッピングの如き計画された機能を行うことができる。
回復飛行任務の目的は、軌道を回っているサテライトが遭遇する種々な異常を修正することである。これらの異常としては、不正確な打ち上げ軌道、軌道減衰、サテライト機能能力の喪失およびサテライトシステムの故障がある。不正確な打ち上げ軌道また軌道減衰を修正するために、SIREスペースクラフトは、寿命延長飛行任務のために使用されるスペースクラフトと同様の構成をとっている。回復SIREスペースクラフトは、案内、航行および制御システム、搭載推進燃料源およびターゲットサテライトをSIREスペースクラフトに機械的に接続してドッキングされたサテライト−スペースクラフト組合せ体を形成するドッキング手段を含む。SIREスペースクラフトの案内、航行および制御システムは、ドッキングされたサテライト−スペースクラフト組合せ体の位置を制御する手段を与える。搭載推進燃料源は、スペースクラフトとサテライトとのランデブーおよびドッキングをしたり、その後にサテライトを別の軌道へ移送したり、または、サテライト−スペースクラフト組合せ体の再突入を行うのに充分なものである。
ターゲットサテライトが、アンテナやソーラーアレイが開かない等の能力喪失に陥る場合に対しては、SIREスペースクラフトは、修繕または改造を行うための付加的装置またはスペースクラフトを地球へ戻すための付加的装置(シャトル)を含む。好ましい実施例においては、SIREスペースクラフトは、ドッキングされたサテライト−スペースクラフト組合せ体を形成するためのドッキング手段およびターゲットサテライトの修繕および/または改造を行うための介在ツールを含む。これらの介在ツールとしては、例えば、スペースクラフト熱ブランケットの如きサテライトの部分を除去し交換するための手段、アンテナまたソーラーアレイが開かない原因となっている拘束ケーブルを切断するための手段、膠着してしまった機構を開くための手段がある。より詳細に述べると、例えば、これらの介在ツールとしては、NASAによって設計されたスティンガーの如きサテライト捕捉バー、スペースシャトルに見られる遠隔操作システム(RMS)を小型化したものと同様な1つまたはそれ異常のロボットアーム、遠隔操作カメラの如きサテライト近接検査ツール、2フィンガーグリッパー、ケーブル/ピン/ボルトカッターおよびレバーフォースツールがある。
別の形として、特定のシステム(サブシステム、コンポーネント)故障のために、回復飛行任務を遂行するのに、ターゲットサテライトには、その計画された動作能力に加えて、サテライトを回復するための冗長性を含めた代替または補足システムが設けられる。例えば、西ヨーロッパのためのテレビジョンカバーレイジを与えるために設計された3軸安定化スペースクラフトであるAnik E-1およびAnik E-2は、共に、それらの主慣性ホイールの故障を起こした。同様に、いくつかの付加的スペースクラフトもまた、それらの慣性ホイールに早期故障を起こしそうな異常を示した。補足慣性ホイールを装備したSIREスペースクラフトをターゲットサテライトにドッキングすることにより、そのサテライトがその計画された寿命の最後まで動作しうるようにするに必要な安定化を行うことができる。
利用飛行任務の目的は、サテライトおよびその他の宇宙船および物体の宇宙での検査、環境保護および衝突回避(破片制御)の如き、その他のすべてのSIRE宇宙保守飛行任務、および計画されている国際宇宙ステーションアルファ(ISSA)の如き軌道を回っているサテライトの燃料補給を含む。付加的利用飛行任務としては、軌道を回っているスペースクラフトの計画された退役を行うことがある。軍事上のアプリケーションの如き特定の状況のもとでは、サテライトの任務を解くことが望まれる。好ましい実施例では、SIREスペースクラフトは、SIREスペースクラフトからノズル等を通して放射されて、ターゲットサテライトに接触するような液体汚染物質を含む。理想的には、この汚染物質は、ターゲットサテライトのシステム性能を劣化させて、最終的にそのターゲットサテライトを完全に故障させる。SIREスペースクラフトの独特の特徴は、ランデブーのために使用される自動点火性推進システムである。この推進燃料(モノメチルハイドラジンおよびN2O4)をターゲットサテライトに噴霧することにより、スペースクラフトシステムが汚染させられ、例えば、太陽電池や電気通信ディスクが急速に劣化させられて、ターゲットサテライトを劣化および最終的故障させることができる。
図面を参照するに、第1図から第3図は、本発明の原理によって構成され且つ使用されるSIREスペースクラフトを例示している。このスペースクラフト10は、コマンドモジュール11と、サービスモジュール12とを備えている。SIREサテライトは、外部大気構成を実施しており、宇宙へ、例えば、飛行任務の必要条件、利用性、コスト等にしたがって、例えば、タウラスまたはスペースシャトルの如き、地上発射船(ELV)の包囲シュラウド内または包囲積み荷隔室における低い軌道またはランデブー相軌道へと搬送されるようなものとされている。例えば、本発明の一つの実施例では、ベースライン地上発射船は、デルタ7920であり、これは、ほぼ5000キログラムの低地上軌道ペイロード挿入能力を有し且つほぼ1300キログラムの地球同期移送軌道を有する。
サービスモジュール12は、コマンドモジュール11のための宇宙バスとして動作し、なかでも、推進、パワーおよび通信サポートを行い、コマンドモジュール11における対応するサブシステムに必要な条件を減少させている。したがって、宇宙でのサービスのためのコマンドモジュール11のオペレーション相設計寿命は、一定の活動期間中にターゲット船での特定のプログラムされたタスクに基づいて、比較的に短くすることができる。特定の飛行任務の場合、コマンドモジュール11は、サービスモジュール12から分離され、独立して動作する。また、特定の飛行任務の場合、本出願人の米国特許第5242136号に開示されたような宇宙移送船(STV)は、SIREスペースクラフト10を、打ち上げ挿入軌道からランデブー相軌道(RPO)へと移送するのに使用されうる。
当業者には明らかなように、コマンドモジュール11の機能のすべては、サービスモジュール12へ組み込むことができる。しかし、ここで説明する別々のコマンドモジュールおよびサービスモジュールは、飛行任務に最大の融通性を与え、したがって、現在においては、本発明の好ましい実施例である。
特に第2図を参照するに、サービスモジュール12の主目的は、コマンドモジュール11の推進能力を増大することである。例えば、もし、コマンドモジュール11がSDIO軽量外部大気発射(LEAP)船の変形として構成されている場合には、サービスモジュール12は、UtahのNorth Salt Lake CityのIntraspace Inc.によって米国海軍のために製造された既存のSmall Altimeter(SALT)サテライトの設計に基づいている。サービスモジュール12は、コマンドモジュールアダプタリング21と、GPSアンテナ22と、SバンドOMNIアンテナ23と、軌道挿入モータ24と、推進燃料タンク25と、バッテリー26とを含む。ミッドデッキ27には、反応制御システム28と、搭載プロセッサ29とが取り付けられている。これらの構成部分は、モノコキュウー構造30によって包囲されており、この構造30には、太陽電池アレイ31が取り付けられている。
サービスモジュール12は、すべてのランデブーおよび接近操縦、並びに、SIREスペースクラフトとターゲットサテライトとのドッキングされた組合体に必要とされる特定の移送操縦を行えるようなサイズとされている。特定のターゲットスペースクラフトの位置の場合には、ランデブーのためにSIREスペースクラフトを位置決めするのに必要とされるエネルギは、サービスモジュール12から得られるものより大きい場合があり、例えば、ターゲットサテライトの傾きを変更するためのエネルギより大きい場合がある。このような場合において、STVは、サービスモジュール12の推進能力を増大するためにSIREスペースクラフト10へ加えられる。
主たる操縦のために、サービスモジュール12には、4アップレートマークアートR−4−D 490ニュートン(100ポンド)スラスト軸エンジンの4倍アレイからなる貯蔵しうる複推進システムが装備される。このような構成により、非衝撃操縦の影響を最少にするに充分なスラスト−重量比が与えられ、且つ、飛行任務を完了するためのエンジンアウト能力の冗長性が与えられる。マークアートR−4−Dエンジンは、それらの信頼性が非常に高いこと、Ispが高いこと(322秒)、完成度(800以上生産)および利用性のために選択されている。
SIREスペースクラフトがステーションキーピングされているときに、ターゲットサテライトの汚染を防止するために、SIREスペースクラフト姿勢制御システムは、サービスモジュール12の周辺の四辺に取り付けられた16×5ポンドスラスターからなる窒素冷却ガスシステムである。このような構成により、ステーションキーピングおよびドッキングのために、例えば、3軸回転および3軸並進が可能となる。
特に第3図を参照するに、コマンドモジュール11は、すべてのSIREスペースクラフトオペレーションのために使用される案内、航行および制御(GNC)システム、各々がほぼ100ポンド(490N)スラストの転向スラスターを有する主推進システム、姿勢制御システム、およびデータおよび通信サブシステムを含むいくつかの主要サブシステムを含む。コマンドモジュールペイロードは、ターゲット探索、追跡および検査のためのセンサを有する探索サブシステム、およびクランプまたはグリッパーを有するドッキング装置またはロボットアームの如き種々なサービス装置を有するドッキングシステムからなる。
コマンドモジュール11の基本的構成は、飛行任務計画の融通性を高め、インターフェイスの必要条件を最少とし、既存の、または開発中の小型スペースクラフトを最大に使用し、打ち上げ前の地上施設における特定の接近オペレーションおよびハードウェアの独立したテストおよび検証を行うことができる完全に独立の宇宙船として定められている。コマンドモジュール11は、サービスモジュール12(後述するようなUHF−1回復飛行任務の場合)に取り付けられたままとされるか、または、自主作動で切り離されうる。したがって、サービスモジュール12は、2つまたはそれ以上のコマンドモジュール11を運ぶことができる。このような構成の場合には、サービスモジュール12は、主スペースクラフトとして動作し、コマンドモジュールは、観測スペースクラフトとして使用するために切り離される。どちらの場合においても、コマンドモジュール11の分離前に、特定のランデブー制動操縦が、組み合わされたコマンドモジュールおよびサービスモジュールの転向スラスターによって行われる。
ベースライン設計のコマンドモジュール11は、小さな変更個所を有したSDIO LEAPの変形からなる。ロケットダインAHIT宇宙船が、ベースラインコマンドモジュール11として選定されている。この宇宙船は、SDIOナショナルホーバーテスト施設におけるフルアップホーバーテストを完了している。現在の構成では、それは、推進燃料を1.7キログラムを含む10.2キログラムの重量である。それは、357m/秒のデルタ速度増大を発生する。
この構成では、コマンドモジュールは、冷ガス姿勢制御システムスラスター32および2つの転向スラスター33を含み、スラスター33は、サービスモジュールエンジン(5ポンド)よりも相当に高いスラスト(490N、100ポンド)を有する。これらの転向スラスター33は、サービスモジュール12からターゲットサテライトの方向に見た線にそって整列されている。これらの転向スラスター33は、サテライトの汚染を排除するため、ターゲットサテライトに対して近接しては使用されない。AHITの他の2つの転向スラスターは、除去される。
転向スラスターをこのように前方向に整列させていることにより、探索組立体を、ターゲットサテライトの方へ連続して向けることができるので、制動操縦を行うのに、ターゲットラインとは反対にSIREスペースクラフトを180度回転させるような必要はなくなる。サービスモジュール12のエンジン24は、制動を行うために使用されうるのであるが、これらのエンジンのスラストレベルは低いので(総計で20ポンド)、燃焼時間が非常に長く、点火時間、燃焼持続時間、軌道位置決めおよび相対速度におけるマージンが非常に狭くなる。
第5図から第7図は、本発明の装置および方法によって達成される典型的な飛行任務遂行手順を例示している。この手順は、劣化打ち上げ船によって1993年3月29日に非作動軌道へ打ち上げられた海軍UHF−1サテライトの回復を行うものとして例示されている。海軍は、UHF−1サテライト41が完全に失敗であったと述べていた。現在、UHF−1サテライト41は、近地点118nm、遠地点19365nm、傾き27度で実質的に地球同期移送軌道51にある。第5図から第7図に示した回復飛行プロフィールは、その軌道を円形化し、その傾きをほぼ0度まで減少させることにより、地球静止軌道(GEO)52へとサテライト41を入れるためのものとして計画されている。
この飛行任務を達成するために、SIREスペースクラフト10は、地球打ち上げ船53によって地球から、近地点180nm、遠地点ほぼ19345、傾き27度でランデブー相軌道(RPO)54へと打ち上げられる。SIREスペースクラフト10をRPOへ入れた後、楕円シーケンス始動(CSI)、定デルタ高(CDH)、終端相始動(TPI)および制動からなる4インパルスシーケンスが開始される。CSIは、SIREスペースクラフト10とターゲットサテライト41との間の相対高さ対相角度の比率を所望のものとする。CSIは、また、その後の操縦に基づいて、ターゲット41への最終的な接近のために、標準のライティング条件および移送時間を確立させる。CDHは、SIREスペースクラフト10とターゲットサテライトとの間に一定の差動高度を確立させる。TPIは、ターゲットサテライト41の軌道52の特定の時間位置でターゲットサテライト41を捕捉するSIREスペースクラフト軌跡を確立させる。130度の交渉移送間隔が、推進燃料の使用を最適化し、最終接近中に充分な制御が行われるようにし、捕捉の後半部中にターゲットサテライト41の見掛け上の慣性運動(星場に対して)を零に近いものとし、移送が視界の方向にそって行われるようにするのに、使用される。制動は、特定のレンジ/レートゲートで行われる一連の別々の操縦として行われる。各操縦は、実際のレンジ/レートが予め計画された値まで減少させられるターゲットからのレンジにて行われる。これらのゲートでの操縦により、それら船の間の相対速度を零へと漸次減少させる。SIREスペースクラフト10とターゲットサテライト41とのドッキング後、ドッキングされた組合せ体57は、一連の操縦を行って、中間軌道(第7図において点線で示された)を通してのドッキングされた組合せ体57の近地点を上げて、19365nmまでとし、傾きを零近くまで減少させ、ドッキングされた組合せ体を最終動作軌道(GEO)52に置くようにする。
特に重要なものとして、本発明の好ましい実施例では、この方法および装置には、案内コンピュータ、ハンドコントローラおよび視覚ディスプレイを含む遠隔コックピットが使用される。当業者には理解されるように、遠隔コックピットは、SIREスペースクラフトの遠隔制御を行うために、スペースシャトル、宇宙ステーション、飛行任務制御センター、マウンテンバンカー、または、自動車や船の如きところのどの場所にも配置されうる。サテライト、スペースクラフト等を制御するのに普通使用される地上ステーションセンターとは違って、この遠隔コックピットは、航空機やスペースクラフトのコックピットと実質的に類似したものとして構成されている。接近オペレーションを行うスペースクラフトに対しては地上ステーション制御では緻密な制御を行えないという問題を克服するために、画像モニター、FDAI(目盛り付き3軸8ボール)、SIREスペースクラフトからのダウンリンクのアナログまたはデジタルリードアウト、回転ハンドコントローラ(RHC)および並進ハンドコントローラ(THC)を含む遠隔コックピットを提供する。画像モニターは、SIREスペースクラフトからのパイロットアイウインドウビューを与える。ジェミニアポロ計画によって使用されたシステムと類似したFDAIは、スペースクラフトの姿勢、船速度および姿勢誤差の集中化インサイドアウトディスプレイを与える。より詳細には、FDAIは、ランデブー制動が完了する公称時での対象サテライトに中心をおく基準の慣性フレームに対する姿勢(ロール−360度、ピッチ−360度、ヨウ−+/−80度)を与える。3つの相互に直交するスペースクラフト本体軸の各々のまわりの角速度、ロール、ピッチおよびヨウがパイロットへ与えられる。さらに、FDAIは、3つのすべての軸における慣性基準に対するスペースクラフトの角度位置の姿勢誤差を与える。
パイロットがSIREスペースクラフトを遠隔的に飛行させることができるように、遠隔コックピットは、ターゲットサテライトまでのレンジ、ターゲットサテライトへのレンジレート、ターゲットサテライトに対するSIREスペースクラフトの視界線(LOS)角、経過時間、残余燃料、および3つのSIREスペースクラフトの本体軸の各々にそってスラスターコマンドの結果としてSIREスペースクラフトへ伝えられた速度(デルタV)を表すアナログおよびデジタルリードアウトを含む。
SIREスペースクラフトを制御するために、遠隔コックピットは、好ましくは、回転ハンドコントローラおよび並進ハンドコントローラを含むとよい。回転ハンドコントローラは、ハンドコントローラ偏向に比例した3つの基本軸のまわりでの両方向におけるスペースクラフトの回転運動のための3軸手動本体レートコマンドを与える。ライトハンドコントローラは、ニュートラルにした状態で姿勢保持を行いながら、多重軸作動を同時に行うことができる。好ましくは、ライトハンドコントローラは、ハンドコントローラ移動(停止)の限界で直接スイッチによって、RCSジェットソレノイドへ直接的に緊急角加速度コマンドを与えることができるのがよい。
並進ハンドコントローラは、各左右、上下、前後のハンド方向にそって並進ハンドコントローラからのオン/オフ応答によるスラスターに対する手動オン/オフ加速制御を与える。したがって、並進ハンドコントローラの移動により、主本体軸(X、YおよびZ)の各々にそって両方向におけるSIREスペースクラフトの並進移動(直線運動)がなされる。
手動操作ハンドコントローラ(スペースクラフト搭載テレビカメラから発生される視覚ディスプレイおよび姿勢、消費、注意/警報等の如きその他の処理ダウンリンク入力に応答する)からのコントロール法則および入力に基づいて案内コンピュータからのアップリンク信号は、例えば、ドッキング、検査等の接近動作中にスペースクラフトの遠隔操作を与える。
第8図および第9図は、例えば、検査および/またはドッキングの如きランデブーおよび接近オペレーションの手動制御のための遠隔コックピット60を含む本発明の現在の好ましい実施例のシステムおよび方法を示している。地上または別のスペースクラフトに配置されうる遠隔コックピット60は、コントロール法則を含む案内、航行および制御システム61と、制御システム67と、変数ディスプレイ62とを含む。制御システム67は、パイロット操作並進ハンドコントローラ63と、回転ハンドコントローラ64と、エンジンオンオフスイッチ65とを含む。アップリンク制御信号68およびダウンリンクスペースクラフト運動変数信号69を発生するために適当な信号プロセッサ66が設けられる。制御システム67およびその関連した信号プロセッサ66からの処理された制御信号71(パイロット入力)は、スペースクラフト72へアップリンクされ、そして、そのスペースクラフト72は、GNCコンピュータ61へダウンリンク運動変数信号69を与え、ディスプレイシステム62の信号プロセッサ66へのディスプレイ変数信号73を発生する。
好ましい実施例においては、本発明は、ターゲットサテライトに対する拡張スペースクラフトの移動が、スペースクラフト搭載カメラ等から発生される視覚または画像ディスプレイに応答して、遠隔コックピット(案内コンピュータを含む)の手動ハンドコントローラによって制御されて、ドッキング、検査等の如き接近オペレーション中にSIREスペースクラフトの遠隔動作を行う閉ループ遠隔表示または画像処理のための付加的装置および方法を含む。
接近オペレーションにおいてSIREスペースクラフトを制御するために、人間オペレータには、航空機またはスペースクラフトのウインドウまたはポータルからの眺望と同様の可視像が与えられる。この像は、SIREスペースクラフトに配置されたセンサから遠隔コックピットへ伝えられる像信号によって発生される。好ましい実施例では、センサは、ビデオ像を遠隔コックピットへ伝える1つまたはそれ以上のビデオカメラである。付加的な画像発生システムは、接近オペレーションを行うためにSIREスペースクラフトのパイロットに有用な3次元像を発生するためにレーダ、レーザ像形成を使用する。
好ましい実施例では、視覚像システムは、軌道における薄暗がりおよび暗闇の中での少なくとも4等星の実際の星場バックグランドを示す。可視星場を与えることは、パイロットがランデブーを行うのに非常に重要である。ランデブーの初期部分中に確立される幾何学形態の結果として、SIREスペースクラフトとターゲットサテライトとの最終的な速度整合は、SIREの視界の線にそって直接的にターゲットサテライトに対して操縦を行うことによって達成される。ライティングを適切に行うと、背景の星場に対するターゲットの見掛け上の相対運動がSIREの垂直または水平並進によって相殺されるような暗闇とすることができる。ランデブー幾何学形態により、比較的に低い推進姿勢制御スラスターを使用して、直線的な視覚/手動スラストプロフィールとすることができる。特に、ランデブーを通じて、特に終端相中における主たるパラメータは、能動SIREスペースクラフトと受動ターゲットサテライトとの間の相対運動であり、この相対運動においては、ターゲットサテライトは宇宙で固定されているように見える。
星場に対するターゲットサテライトの相対運動が零(上下および左右)であるとき、パイロットは、ターゲットとの適切な捕捉軌跡にある。一例として、もし、ターゲットが星場に対して上方へ移動している場合には、パイロットは、SIREとターゲットサテライトとの間の相対運動を零とするように並進ハンドコントローラでスラストアップし、捕捉軌跡を取る。このプロセス中、FDAIを使用して、パイロットは、ライトハンドコントローラで固定スペースクラフト姿勢を維持する。アイおよびブレインプロセッサを有するパイロットは、ウインドウ(星を示す視覚像)およびハンドコントローラが必要であるように、これらの操縦を行うのに必須である。
別の実施例では、本発明の像形成システムは、幾何学的パターン認識システム(GPRS)を含む。動作において、このGPRSは、アポロCOAS/スタンドオフクロスターゲットシステムと実質的に同様である。このアポロCOAS/スタンドオフクロスターゲットシステムに関するより詳細な点については、本明細書に引用文献として組み込まれる「Apollo Experience Report-Crew Provisions and Equipment Subsystem」McAllister, F. A., NASA/MSC, March 1972を参照されたい。GPRSを用いて、ドッキングの如き接近オペレーションを行うためにターゲットサテライトに近づくときに、遠隔コックピットのパイロットには、ターゲットサテライトの2つのコンピュータ発生3次元透視幾何学的ラインパターン(図形)が与えられる。その第1のパターンは、ターゲットの現在(実時間)の位置の表示であり、第2のパターンは、SIREスペースクラフトとの初期接触の点(時間)でのターゲットサテライトの表示である。実時間ターゲットは、ターゲットが初期接触の点へ移動しているように見えるようなパイロットの目に対するターゲットサテライトの実際の正確な幾何学的向きを表している。接触ターゲットの点(時間)は、2つの船の間の初期接触の時間(点)でのパイロットの目に対するターゲットサテライトの必要とされる正確な幾何学的向きを表している。このようにして、SIREはターゲットサテライトに対して実際に移動しているのであるが、基準のフレームは、パイロットの目で固定されている。
SIREがターゲットを首尾よく捕捉するためには、2つのパターンは、初期接触の時間/点で重ね合わされねばならず、すなわち、SIREとターゲットサテライトとの間の相対距離が零でなければならない。ターゲットの相対位置および向きは、2つの船のベクトルから連続的に得られる。
さらに別の実施例では、GPRSは、パイロットの目に第3の像、公称ターゲットを与える。この公称ターゲットは、ターゲットが初期接触の点に移動するときの、ターゲットスペースクラフトの公称の(計画された)幾何学的向きである。好ましくは、この像は、接近の開始からSIREとサテライトとが係合するまでの間の所定の時間でターゲットサテライトの公称位置および向きをパイロットが重ね合わせることができるように、ターンオンおよびオフされ得る。さらにパターン認識を容易とするために、3つの像(接触の点(時間)、実時間ターゲットおよび公称ターゲット)の各々を、異なる色で与えたり、異なる種類の線、例えば、ダッシュ線やドット線で与えたりする。
当業者が理解し実施しうるような形にて本発明を説明してきたのであるが、本
発明の精神および範囲から逸脱せずに、これらの細部について種々変形しるものであることは、当業者には分かるであろう。
Claims (11)
- 宇宙での接近オペレーションを行う方法において、軌道を回っているターゲットサテライトに対して接近するSIREスペースクラフトを遠隔制御するために遠隔コックピットを操作することを含み、
前記遠隔コックピットは、
(a) 地上又は別のスペースクラフトに配置される、前記スペースクラフトから離れた遠隔コックピットと、
(b) 前記遠隔コックピットに配置され、前記スペースクラフトに搭載された像形成手段および運動センサ手段からダウンリンクされる信号のための可視ディスプレイを含むスペースクラフト変数ディスプレイシステムと、
(c) 前記ディスプレイシステムの表示に応答して前記遠隔コックピットにおける人間パイロットによって手動的に操作されうる制御手段であって、前記接近オペレーション中に前記スペースクラフトを制御するために前記スペースクラフトにアップリンクされる制御姿勢および速度を与えるパイロット入力信号をコンピュータを通して発生するための、回転ハンドコントローラと並進ハンドコントローラを含む2つ以上のハンドコントローラを含む前記制御手段と、を有することを特徴とする方法。 - (a) 前記ターゲットサテライトに前記SIREスペースクラフトを機械的に接続して、ドッキングされたサテライトとスペースクラフトとの組合せ体を形成することを含み、前記SIREスペースクラフトは、
(i)前記ドッキングされたサテライトおよびスペースクラフトの位置制御のための案内、航行および制御システムと、
(ii)サテライトの寿命を調整するための搭載推進燃料源とを含み、さらに、
(b) 前記案内、航行および制御システムを付勢して、前記軌道を回っているサテライトの寿命を調整することを含む請求項1記載の宇宙での接近オペレーションを行う方法。 - (a) 前記ターゲットサテライトに前記SIREスペースクラフトを機械的に接続して、ドッキングされたサテライトとスペースクラフトとの組合せ体を形成することを含み、前記SIREスペースクラフトは、
(i)前記ドッキングされたサテライトおよびスペースクラフトの位置制御のための案内、航行および制御システムと、
(ii)前記サテライトとスペースクラフトとの組合せ体の位置を制御するための搭載推進燃料源とを含み、さらに、
(b) 前記案内、航行および制御システムを付勢して、前記サテライトとスペースクラフトとの組合せ体の位置を制御することを含む請求項1記載の宇宙での接近オペレーションを行う方法。 - (a) 前記ターゲットサテライトに前記SIREスペースクラフトを機械的に接続して、ドッキングされたサテライトとスペースクラフトとの組合せ体を形成することを含み、前記SIREスペースクラフトは、
前記ドッキングされたサテライトおよびスペースクラフトの安定化制御を行う安定化手段を含み、さらに、
(b) 前記安定化手段を付勢して、前記サテライトとスペースクラフトとの組合せ体の安定化制御を行うことを含む請求項1記載の宇宙での接近オペレーションを行う方法。 - (a) 前記ターゲットサテライトに前記SIREスペースクラフトを機械的に接続して、ドッキングされたサテライトとスペースクラフトとの組合せ体を形成することを含み、前記SIREスペースクラフトは、
サテライトを改造または修繕するための介在ツールを含み、さらに、
(b) 前記介在ツールを操作して前記サテライトを改造または修繕することを含む請求項1記載の宇宙での接近オペレーションを行う方法。 - (a) 前記ターゲットサテライトに前記SIREスペースクラフトを機械的に接続して、ドッキングされたサテライトとスペースクラフトとの組合せ体を形成することを含み、前記SIREスペースクラフトは、
サテライトサブシステムを含み、さらに、
(b) 前記サテライトサブシステムを付勢して、前記サテライトの継続使用ができるようにすることを含む請求項1記載の宇宙での接近オペレーションを行う方法。 - 前記サテライトを消勢させることを含む請求項1記載の宇宙での接近オペレーションを行う方法。
- 前記SIREスペースクラフトは、前記サテライトに固体または液体または気体物質を噴射して前記サテライトの消勢を行うことを含む請求項7記載の宇宙での接近オペレーションを行う方法。
- ターゲットサテライトに接近するスペースクラフトの宇宙での接近オペレーションを制御するための遠隔コックピットシステムにおいて、
(a) 地上又は別のスペースクラフトに配置される、前記スペースクラフトから離れた遠隔コックピットと、
(b) 前記遠隔コックピットに配置され、前記スペースクラフトに搭載された像形成手段および運動センサ手段からダウンリンクされる信号のための可視ディスプレイを含むスペースクラフト変数ディスプレイシステムと、
(c) 前記ディスプレイシステムの表示に応答して前記遠隔コックピットにおける人間パイロットによって手動的に操作されうる制御手段であって、前記接近オペレーション中に前記スペースクラフトを制御するために前記スペースクラフトにアップリンクされる制御姿勢および速度を与えるパイロット入力信号をコンピュータを通して発生するための、回転ハンドコントローラと並進ハンドコントローラを含む2つ以上のハンドコントローラを含む前記制御手段と、を備えることを特徴とする遠隔コックピットシステム。 - 前記スペースクラフトディスプレイシステムは、さらに、幾何学的パターン認識システムを備える請求項9記載の遠隔コックピットシステム。
- 前記遠隔コックピットは、更に、スペースクラフトのロール、ピッチ、ヨウを与えるFDAIを更に備える請求項1記載の遠隔コックピット。
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