JP3911781B2

JP3911781B2 - 姿勢制御装置

Info

Publication number: JP3911781B2
Application number: JP23062697A
Authority: JP
Inventors: 久幸迎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-08-27
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2017-08-27
Also published as: JPH1159599A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は人工衛星、航空機や飛行船、気球などの飛翔体の飛翔時姿勢角度を制御する姿勢制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は従来の姿勢制御装置を説明するための図であり、図において１は地球上空を飛翔する飛翔体、２は上記飛翔体１に搭載され、飛翔体の位置座標を示す信号を受信するアンテナ、３は上記アンテナ２で受信した信号を処理して位置座標を解析する航法衛星信号受信機、４は上記飛翔体１の姿勢角度を変更するスラスタやリアクションホイールなどの姿勢変更機、５は電波伝搬時間を利用して距離を測定するための電波を発生する、軌道上位置が既知の複数の航法衛星、７は地球、１４は上記飛翔体１の姿勢角度を検出する地球センサやジャイロなどの角度検出機である。従来の姿勢制御装置では、航法衛星信号受信機３が、アンテナ２が受信した航法衛星５の発信する電波を解析してアンテナ２の位置座標を算出し、解析結果を姿勢変更機４に送信する。また角度検出機１４は飛翔体の姿勢角度を測定し、予め計画された目標姿勢角度と測定した姿勢角度の差分を解析して解析結果を姿勢角度変更量として姿勢変更機４に送信する。姿勢変更機４は受信した姿勢角度変更量に応じて飛翔体１の姿勢を変更して、予め目標とする姿勢角度を維持して飛翔していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の姿勢制御装置の中で、角度検出機として地球センサを用いた姿勢制御装置においては、角度検出機の捉える地球の形状情報が、飛翔体の飛翔高度や飛翔位置に依存して変化したり、地球の楕円形状効果に依存して変化するので、十分精度の高い角度検出はできないため、飛翔体の地球指向ベクトルを十分精度よく制御することができないという課題があった。また角度検出機としてジャイロを用いた姿勢制御装置においては、短時間内の角度変化は十分正確に把握できるが、時間がたつと測定値がドリフトして、絶対値が把握できなくなるという課題があった。また地球と飛翔体の相対角度は精度よく把握できないという課題があった。このため従来の姿勢制御装置においては、飛翔体の指向方向ベクトルを精度よく制御するために、地上の基準点を用いた補正を施したり、地球から飛翔体の位置を観測して衛星姿勢情報を補正するなどの別の手段を併用しなければならないという課題があった。
【０００４】
この発明による姿勢制御装置は上記のような課題を解決するためになされたものであり、飛翔体の指向方向ベクトルが地球に固定された単一の座標系上において起点とベクトルが決定し、かつ指向目標に対するベクトルも同様に単一の座標系上において起点とベクトルが決定することにより精度の高い姿勢制御を実現可能な姿勢制御装置を提供する。また角度検出機を使用しないで姿勢角度を把握できる姿勢制御装置を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明による姿勢制御装置は地球上空を飛翔する飛翔体、上記飛翔体に搭載され、飛翔体の位置座標を示す信号を受信するアンテナ、上記アンテナで受信した信号を処理して位置座標を解析する航法衛星信号受信機、上記航法衛星信号受信機から衛星位置情報と姿勢角度変更情報を受信し、上記飛翔体の姿勢角度を変更する姿勢変更機、及び電波伝搬時間を利用して距離を測定するための電波を発生する軌道上位置が既知の複数の航法衛星とにより構成し、かつ上記アンテナとして上記飛翔体上の異なる位置に固定された３式のアンテナを具備し、かつ上記航法衛星信号受信機は航法衛星の採用する地心を原点とする座標系に基づき３式のアンテナそれぞれの位置座標を解析し、３式のアンテナの相対位置関係に基づき飛翔体の地球指向方向ベクトルを解析し、飛翔体の地球指向方向ベクトルと飛翔体から地心へのベクトルとの相対角度差を解析して姿勢変更機に入力し、飛翔体の地球指向方向ベクトルが地心方向と一致するように動作する姿勢変更機を具備したものである。
【０００６】
また第２の発明による姿勢制御装置は地球上空を飛翔する飛翔体、上記飛翔体に搭載され、飛翔体の位置座標を示す信号を受信するアンテナ、上記アンテナで受信した信号を処理して位置座標を解析する航法衛星信号受信機、上記航法衛星信号受信機から衛星位置情報と姿勢角度変更情報を受信し、上記飛翔体の姿勢角度を変更する姿勢変更機、及び電波伝搬時間を利用して距離を測定するための電波を発生する軌道上位置が既知の複数の航法衛星とにより構成され、かつ上記飛翔体の地球指向ベクトルを指向させる指向目標と、航法衛星の採用する地心を原点とする座標系に基づき上記指向目標の位置座標を記述した位置座標データベースを具備し、かつ上記アンテナとして上記飛翔体上の異なる位置に固定された３式のアンテナを具備し、かつ上記航法衛星信号受信機は上記座標系に基づき３式のアンテナそれぞれの位置座標を解析し、３式のアンテナの相対位置関係に基づき飛翔体の指向方向ベクトルを解析し、飛翔体の地球指向方向ベクトルと飛翔体から上記指向目標へのベクトルとの相対角度差を解析して姿勢変更機に入力し、飛翔体の指向方向ベクトルが指向目標と一致するように動作する姿勢変更機を具備したものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示す構成図であり、図において１は地球上空を飛翔する飛翔体、２ａは上記飛翔体１に搭載され、飛翔体１の位置座標を示す信号を受信する第１のアンテナ、２ｂは上記飛翔体１上で上記第１のアンテナ２ａとは異なる位置に搭載され、飛翔体１の位置座標を示す信号を受信する第２のアンテナ、２ｃは上記飛翔体１上で上記第１のアンテナ２ａ及び第２のアンテナ２ｂとは異なる位置に搭載され、飛翔体１の位置座標を示す信号を受信する第３のアンテナ、３は上記第１のアンテナ２ａ、第２のアンテナ２ｂ及び第３のアンテナ２ｃで受信した信号を処理して位置座標を解析する航法衛星信号受信機、４は上記航法衛星信号受信機３から姿勢角度変更情報を受信し、上記飛翔体１の姿勢角度を変更するスラスタやリアクションホイールなどの姿勢変更機、５は電波伝搬時間を利用して距離を測定するための電波を発生する軌道上位置が既知の複数の航法衛星、７は地球、８は地球の重力中心としての地心、９は上記飛翔体１の基準軸が地球７を指向する方向を示す地球指向ベクトルをそれぞれ示す。図において第１のアンテナ２ａ、第２のアンテナ２ｂ及び第３のアンテナ２ｃはそれぞれ異なる位置に固定されているので、航法衛星５の採用する座標系における３点の位置座標として上記航法衛星信号受信機３によって上記３式のアンテナの位置座標を解析することにより３式のアンテナの位置座標が決定できる。また飛翔体１の基準軸としての地球指向ベクトル９の具体例としては、例えば飛翔体１の構造体の地球指向面側パネルの法線方向ベクトルと平行で、飛翔体の重心位置を起点とするベクトルなどを設定すればよい。第１のアンテナ２ａ、第２のアンテナ２ｂ及び第３のアンテナ２ｃと、飛翔体１の重心位置及び地球指向ベクトル９の相対位置関係は予め測定しておくことができるので、３式のアンテナの配置される３点の位置座標が既知になることにより、飛翔体１の重心位置及び地球指向ベクトル９の方向が決定し、また飛翔体１の姿勢角度が決定される。また姿勢変更機は上記衛星信号受信機３で解析した３式のアンテナの位置座標に基づく地球指向ベクトル９の方向と、飛翔体１の重心から地心８へのベクトルの方向との差分を解析した結果により飛翔体１の姿勢角度を変更するので、飛翔体１は常に地球指向ベクトル９が地心８の方向を向くように制御されることになる。
【０００８】
次に地球指向ベクトル９が地心８の方向を指向するための姿勢変更機４の必要姿勢角度変更量を決定する方法について図２を用いて説明する。図において２ａは第１のアンテナ、２ｂは第２のアンテナ、２ｃは第３のアンテナでありその設定条件は図１と同様である。また７は地球、８は地心、９は飛翔体の基準軸が地球７を指向する方向を示す地球指向ベクトル、１０は飛翔体の飛翔方向を示す飛翔方向ベクトル、１５は航法衛星の採用する地心を原点とする座標系、１６ａは飛翔方向ベクトル１０を回転軸として地球指向ベクトル９が地心方向ベクトルとなす第１の姿勢変更角度、１６ｂは第１のアンテナ２ａから第３のアンテナ２ｃを指向するベクトルを回転軸として地球指向ベクトル９が地心方向ベクトルとなす第２の姿勢変更角度をそれぞれ示す。この図では第１のアンテナ２ａが地球指向ベクトル９の起点と一致し、第１のアンテナ２ａから第２のアンテナ２ｂを指向する方向ベクトルを飛翔方向ベクトル１０と一致させ、かつ第１のアンテナ２ａから第３のアンテナ２ｃを指向する方向ベクトルが地球指向ベクトル９及び飛翔方向ベクトル１０と直交するように配置された例を示している。図に示す如く第１のアンテナ２ａから地心８に向けた方向ベクトルと地球指向ベクトル９が食い違う場合には、そのずれ量は飛翔方向ベクトル１０に対する回転角度φ及び第１のアンテナ２ａから第３のアンテナ２ｃを指向する方向ベクトルに対する回転角度θとして一意に決定され、上記φを第１の姿勢変更角度１６ａとし、上記θを第２の姿勢変更角度１６ｂとして姿勢変更機を動作させれば、この地球指向ベクトル９は地心８の方向と一致するように飛翔体１は姿勢制御されることになる。なおここでは図示していないが、地球指向ベクトル９に対する回転角度を制御することも可能なことはいうまでもない。またここでは第１のアンテナ２ａから第２のアンテナ２ｂを指向する方向ベクトルを飛翔方向ベクトル１０と一致させた場合の例を示したが、第１のアンテナ２ａ、第２のアンテナ２ｂ及び第３のアンテナ２ｃの配置と飛翔体の進行方向ベクトルが上記と異なる関係であっても、特定の座標系における位置座標既知の３点の解析が可能なので同様に動作できることは言うまでもない。
【０００９】
次に航法衛星信号受信機における処理について図３を用いて説明する。図において２ａは第１のアンテナ、２ｂは第２のアンテナ、２ｃは第３のアンテナ、３は航法衛星信号受信機、４は姿勢変更機、８は地心、ｓ１は飛翔方向ベクトルを解析する処理１、ｓ２は指向目標ベクトルを算出する処理２、ｓ３は地球指向ベクトルを解析する処理３、ｓ４は姿勢角変更量を算出する処理４を示す。図は航法衛星の採用する座標系において、第１のアンテナ２ａが位置座標（ｘ１，ｙ１，ｚ１）に、第２のアンテナ２ｂが位置座標（ｘ２，ｙ２，ｚ２）に、第３のアンテナ２ｃが位置座標（ｘ３，ｙ３，ｚ３）にそれぞれ位置する場合の処理について示したものであり、航法衛星信号受信機３が第１のアンテナ２ａから受信した信号を解析すると、ｘ１，ｙ１及びｚ１を数値化できる。同様にして航法衛星信号受信機３が第２のアンテナ２ｂから受信した信号を解析すると、ｘ２，ｙ２及びｚ２を、第３のアンテナ２ｃから受信した信号を解析すると、ｘ３，ｙ３及びｚ３をそれぞれ数値化できる。３式のアンテナの配置が図２と同様で、第１のアンテナ２ａから第２のアンテナ２ｂを指向する方向ベクトルが飛翔方向ベクトルと一致している場合には、処理１として第１のアンテナ２ａの信号を解析したｘ１，ｙ１及びｚ１と、第２のアンテナ２ｂの信号を解析したｘ２，ｙ２及びｚ２とを差分評価することにより飛翔方向ベクトルを算出できる。また処理２として第１のアンテナ２ａの信号を解析したｘ１，ｙ１及びｚ１と、第２のアンテナ２ｂの信号を解析したｘ２，ｙ２及びｚ２、及び第３のアンテナ２ｃの信号を解析したｘ３，ｙ３及びｚ３を解析すると地球指向ベクトルを算出できる。一方地心８の位置座標は航法衛星の採用する座標系の原点と一致しているので、位置座標（０，０，０）であるから、第１のアンテナ２ａが地球指向ベクトルの起点位置となる場合は、処理３として第１のアンテナ２ａの位置座標（ｘ１，ｙ，ｚ１）と地心８の位置座標（０，０，０）を差分評価すれば、姿勢制御すべき目標方向を示すところの指向目標ベクトルが算出できる。次に処理４として地球指向ベクトルと指向目標ベクトルの差分評価をすれば、目標とすべき姿勢角度と現在の姿勢角度とのずれ量を示すところの姿勢角変更量（Δφ、Δθ、Δλ）が算出できる。この値を姿勢変更機４に送信し、姿勢変更機４を動作させれば、目標とすべき姿勢角度と現在の姿勢角度が一致するよう制御されるので、飛翔体１の地球指向ベクトルが地心８の方向を指向するように制御されることになる。なお第１のアンテナ２ａ、第２のアンテナ２ｂ及び第３のアンテナ２ｃの配置と飛翔体１の進行方向ベクトルが上記と異なる関係であっても、特定の座標系における位置座標既知の３点の解析が可能なので同様に動作できることは言うまでもない。
【００１０】
次に航法衛星を用いて飛翔体の位置を精度よく決定する方法について図４を用いて説明する。図において１は飛翔体、５ａは第１の航法衛星、５ｂは第２の航法衛星、５ｃは第３の航法衛星、５ｄは第４の航法衛星、７は地球、９は地球指向ベクトル、１０は飛翔方向ベクトル、１１は飛翔体の軌道、１２は航法衛星の軌道である。航法衛星の任意の瞬間の飛翔位置は、航法衛星の採用する座標系における位置座標として把握されている。そこで飛翔体１において第１の航法衛星５ａ、第２の航法衛星５ｂ、及び第３の航法衛星５ｃからの電波が到達する時間を計測することにより飛翔体１の位置座標も精度よく測定できる。更に第４の航法衛星５ｄからの情報を併用することにより、軌道伝搬に伴う時刻誤差を補正できるので、更に精度のよい測定が可能となる。
【００１１】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２を示す構成図であり、図において１から５及び７と９は図１と同様である。６は地球上の各地の場所を航法衛星５の採用する座標系における位置座標として記録している位置座標データベース、１３は飛翔体１の地球指向ベクトル９を指向させたい指向目標である。実施の形態１では地球指向ベクトル９が座標系の原点である地心を指向するように構成したのに対して、実施の形態２は指向目標１３の位置座標を予め位置座標データベース６に登録しておき、航法衛星受信機の中で解析することにより地球指向ベクトル９が任意の地点を指向するように構成したものである。
【００１２】
次に航法衛星信号受信機における処理について図６を用いて説明する。図において２ａから４、及びｓ１からｓ４は図３と同様であり、６は位置座標データベース、１３は指向目標である。図において指向目標１３を決めると、その位置座標が予め登録された位置座標データベース６により検索されて、位置座標（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）として把握され、航法衛星受信機３に入力される。第１のアンテナ２ａが地球指向ベクトルの起点位置となる場合は、処理２として第１のアンテナ２ａの位置座標（ｘ１，ｙ１，ｚ１）と指向目標１３の位置座標（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）を差分評価すれば、姿勢制御すべき目標方向を示すところの指向目標ベクトルが算出できる。次に処理４として地球指向ベクトルと指向目標ベクトルの差分評価をすれば、目標とすべき姿勢角度と現在の姿勢角度とのずれ量を示すところの姿勢角変更量（Δφ、Δθ、Δλ）が算出できる。この値を姿勢変更機４に送信し、姿勢変更機４を動作させれば、目標とすべき姿勢角度と現在の姿勢角度が一致するよう制御されるので、飛翔体１の地球指向ベクトルが指向目標１３の方向を指向するように制御されることになる。その他の動作は実施の形態１と同様である。
【００１３】
【発明の効果】
第１の発明によれば、飛翔体の指向方向ベクトルが地球に固定された単一の座標系上において起点とベクトルが決定し、かつ指向目標に対するベクトルも同様に単一の座標系上において起点とベクトルが決定するので精度の高い姿勢制御を実現可能となるという効果がある。また角度検出機を使用せずに姿勢角度を把握できるという効果がある。
【００１４】
第２の発明によれば、飛翔体の指向方向ベクトルが地球に固定された単一の座標系上において起点とベクトルが決定し、かつ指向目標に対するベクトルも同様に単一の座標系上において起点とベクトルが決定するので精度の高い姿勢制御を実現可能となるという効果がある。また角度検出機を使用せずに姿勢角度を把握できるという効果があるという点は第１の発明と同様であるが、更に任意の点を指向目標とした姿勢制御が可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による監視装置の実施の形態１を示す構成図である。
【図２】この発明による監視装置において姿勢角度変更量を決定する方法を示す図である。
【図３】この発明による監視装置の実施の形態１における航法衛星受信機の処理を示す図である。
【図４】この発明による監視装置において精度よく位置座標を決定する方法を示す図である。
【図５】この発明による監視装置の実施の形態２を示す構成図である。
【図６】この発明による監視装置の実施の形態２における航法衛星受信機の処理を示す図である。
【図７】従来の監視装置を示す図である。
【符号の説明】
１飛翔体、２アンテナ、３航法衛星信号受信機、４姿勢変更機、５航法衛星、６位置座標データベース、７地球、８地心、９地球指向ベクトル、１０飛翔方向ベクトル、１１飛翔体の軌道、１２航法衛星の軌道、１３指向目標、１４角度検出機、１５座標系、１６姿勢変更角度。

Claims

地球上空を飛翔する飛翔体に搭載され、電波伝搬時間を利用して距離を測定するための電波を発生する、軌道上位置が既知の複数の航法衛星から上記飛翔体の位置座標を示す信号を受信するアンテナ、上記アンテナで受信した信号を処理して位置座標を解析する航法衛星信号受信機、上記航法衛星信号受信機から衛星位置情報と姿勢角度変更情報を受信し、上記飛翔体の姿勢角度を変更する姿勢変更機とにより構成される姿勢制御装置において、
上記アンテナとして上記飛翔体上の互いに異なる位置に固定された３式のアンテナを具備し、
かつ上記航法衛星信号受信機は航法衛星の採用する地心を原点とする座標系に基づき上記３式のアンテナそれぞれの位置座標を解析し、上記３式のアンテナの位置座標に基き一意に定まる飛翔体の地球指向方向ベクトルを解析し、
かつ上記航法衛星信号受信機は、上記座標系と同一の座標系における上記３式のアンテナそれぞれの位置座標の少なくとも１式の上記位置座標と上記地心の位置座標に基づき、飛しょう体から地心へのベクトルを算出し、飛翔体の地球指向方向ベクトルと上記飛翔体から地心へのベクトルとの差分を算出し上記姿勢変更機に入力させる手段を有し、
さらに上記姿勢変更機は、上記差分を用いて上記飛翔体の地球指向方向ベクトルが上記地心への方向と一致するように飛翔体の姿勢角度を変更する手段を有することを特徴とする姿勢制御装置。
地球上空を飛翔する飛翔体に搭載され、電波伝搬時間を利用して距離を測定するための電波を発生する、軌道上位置が既知の複数の航法衛星から上記飛翔体の位置座標を示す信号を受信するアンテナ、上記アンテナで受信した信号を処理して位置座標を解析する航法衛星信号受信機、上記航法衛星信号受信機から衛星位置情報と姿勢角度変更情報を受信し、上記飛翔体の姿勢角度を変更する姿勢変更機とにより構成される姿勢制御装置において、
上記飛翔体を指向させる目標である指向目標と、航法衛星の採用する地心を原点とする座標系に基づき上記指向目標の位置座標を記述した位置座標データベースを具備し、
かつ上記アンテナとして上記飛翔体上の互いに異なる位置に固定された３式のアンテナを具備し、
かつ上記航法衛星信号受信機は上記座標系と同一の座標系に基づき上記３式のアンテナそれぞれの位置座標を解析し、上記３式のアンテナの位置座標に基き一意に定まる飛翔体の地球指向方向ベクトルを解析し、
上記航法衛星信号受信機は、前記座標系と同一の座標系における上記３式のアンテナそれぞれの位置座標の少なくとも１式の上記位置座標と上記指向目標の位置座標に基づき、飛しょう体から上記指向目標へのベクトルを算出し、
飛翔体の地球指向方向ベクトルと上記飛翔体から上記指向目標へのベクトルとの差分を算出し上記姿勢変更機に入力させる手段を有し、さらに上記姿勢変更機は、上記差分を用いて上記飛翔体の指向方向ベクトルが上記指向目標への方向と一致するように飛翔体の姿勢角度を変更する手段を有することを特徴とする姿勢制御装置。