JP4384060B2

JP4384060B2 - 軌道制御装置

Info

Publication number: JP4384060B2
Application number: JP2005025377A
Authority: JP
Inventors: 岳宏西山; 章二吉河
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2025-02-01
Also published as: JP2006213089A

Description

この発明は、中心天体のまわりを周回する人工衛星等の飛翔体の軌道制御装置に関するものである。

人工衛星の軌道は、地球の偏平性や他の天体からの引力などの外乱を受けることにより目標軌道からずれていく。そのため、この誤差を補正し、軌道を保持するための軌道保持制御が必要となる。
一般に、衛星の軌道は複数の軌道要素パラメータによって表される。例えば静止衛星の軌道は、南北方向および東西方向の軌道要素パラメータで表され、静止衛星の位置を所望の範囲内に保持するためには、南北方向および東西方向の制御を定期的に行う必要がある。
このように、衛星の軌道を保持するためには、各軌道要素パラメータの目標値からの誤差が、ある範囲内にとどまるように制御する必要がある。そこで、軌道要素パラメータごとにそれぞれ誤差許容値を設定し、誤差が許容値を超える場合には軌道制御を行うことにより誤差を相殺するという方法がとられる。

しかし、軌道保持のための制御量が大きくなると、限りある推薬を大量に消費し、衛星のミッション寿命を減少させることから、制御量はなるべく小さく抑えることが重要である。また、衛星のミッションへの影響や運用負荷等を考えると軌道制御を頻繁に行うことは望ましくなく、ミッション期間を通じて制御頻度はなるべく少なく抑える必要がある。
人工衛星の軌道制御装置における制御量を削減するための技術の例として、特許文献１に開示された従来の軌道制御装置は、複数の軌道要素の誤差に基づいて、全ての軌道要素の誤差を相殺するような軌道制御量および軌道制御時刻を算出し、軌道制御を行う。

特開平１１−１３９４００号公報

しかし、特許文献１に開示された従来の人工衛星の軌道制御装置は、全ての軌道要素の誤差を相殺するように制御量を算出するため、誤差の比較的小さい軌道要素まで制御することになり、制御量と制御頻度が増大するという問題点がある。また、制御時刻は誤差に応じて変化するため、軌道上で制御を実施できる時刻に制限がある場合には、制御不可能となる可能性がある。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、軌道制御量と制御頻度を小さく抑えることができる軌道制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係る軌道制御装置は、軌道を表現する複数の軌道要素パラメータの実測値と各々の目標値との差分を取り、各軌道要素パラメータの誤差を算出する軌道誤差算出部と、各々の軌道要素パラメータについて、予め与えられた誤差許容値以下の任意の値を制御要否の閾値として設定する閾値設定部と、誤差が、誤差許容値以上となる軌道要素パラメータが存在する場合に、誤差が閾値以上となる軌道要素パラメータを制御対象として選択する制御対象選択部と、制御対象選択部によって選択された制御対象の軌道要素パラメータの誤差を、誤差許容値内の値に補正するための制御時刻と制御量を算出する制御量算出部を備えたものである。

この発明によれば、各々の軌道要素パラメータについて、予め与えられた誤差許容値以下の任意の値を制御要否の閾値として設定し、誤差が閾値以上となる軌道要素パラメータを制御対象とするようにしたので、軌道制御量と制御頻度を小さく抑えることができる。

以下、この発明の実施の様々な形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による、人工衛星２００の軌道制御装置１００の構成を示すブロック図である。図に示すように、軌道制御装置１００は、閾値設定部１０１、制御対象選択部１０２、制御量算出部１０３、スラスタ１０４及び軌道誤差算出部１０５を備えている。

ここでは、地球を周回する人工衛星２００の軌道を、軌道長半径ａ、離心率ｅ、軌道傾斜角ｉ、昇交点赤経Ω及び近地点引数ωの５つの軌道要素パラメータを用いて表現する。なお、軌道要素パラメータには他のものを用いてもよい。例えば、軌道長半径ａの代わりに、半直弦ｐ（ｐ＝ａ×（１−ｅ×ｅ））を用いることができる。また、軌道要素パラメータは、軌道面の向きを定めるパラメータである軌道面外成分と、軌道面内での軌道の形状を定めるパラメータである軌道面内成分とに分けられるが、前記５つの軌道要素パラメータの場合、ｉ、Ωの２つが軌道面外成分であり、ａ、ｅ、ωの３つが軌道面内成分である。

次に、動作について説明する。
実施の形態１では、人工衛星２００の各軌道要素パラメータについて、その目標値からの誤差許容値が予め与えられており、軌道制御装置１００は、全ての軌道要素パラメータの誤差が誤差許容値内に維持されるように軌道制御を行う。以下、軌道制御装置１００による軌道制御動作の概要を説明する。

軌道誤差算出部１０５において、各軌道要素パラメータの目標値と、人工衛星２００から得られる現在の各軌道要素パラメータの値の差分を取り、軌道要素パラメータ毎の軌道誤差が算出される。
閾値設定部１０１は、軌道誤差算出部１０５から出力される各軌道要素パラメータの誤差と予め与えられている誤差許容値に基づいて、制御対象となる軌道要素の選択のための閾値を決定する。閾値設定部１０１の動作の詳細については後述する。
制御対象選択部１０２は、軌道誤差算出部１０５から出力される各軌道要素パラメータの誤差と、閾値設定部１０１から出力される閾値に基づいて、制御対象となる軌道要素を選択する。制御対象選択部１０２の動作の詳細については後述する。
制御量算出部１０３は、軌道誤差算出部１０５から出力される各軌道要素の誤差と、制御対象選択部１０２から出力される制御対象軌道要素の選択結果に基づいて、選択された各々の軌道要素の誤差を補正するための制御時刻及び制御量を算出する。ここで、制御時刻とは、スラスタ１０４を駆動して軌道制御を行う、軌道上のタイミングを指定するものである。

制御時刻と制御量の決定方法としては、例えば制御時刻は予め降交点及び近地点とし、それらの制御時刻で一連の制御動作を実行した場合に、制御対象の全軌道要素の誤差が０となるように、各制御時刻での制御量を決定する方法が考えられる。
制御量とそれにともなう軌道要素パラメータの変化は線形の関係にあり、その算出方法は公知である（例えば、冨田信之：宇宙システム入門、第１０章、東京大学出版会（１９９３））。すなわち、制御量をベクトルΔＶ、制御による軌道要素パラメータの変化をベクトルδＥとすると、δＥ＝Ａ×ΔＶという関係がある。ここで、Ａは行列であり、その各要素は軌道要素パラメータの値によって決まる。制御量の算出においては、一連の制御によるδＥの総和が、補正すべき軌道要素パラメータの誤差の符号を反転させたものと一致することが条件となる。さらに、消費推薬量を最小にするためには、この条件のもとで各時刻の制御量絶対値の総和を最小にすればよい。これは、一般に線形計画問題として汎用的なソフトウェアを用いて解くことが可能である。
また、制御可能な時刻が固定されない場合には、特許文献１に記載の手法を用いることもできる。その他にも衛星のミッションに応じて適切な手法を選択することができる。
制御量算出部１０３は、算出した制御時刻と制御量をスラスタ１０４に供給する。スラスタ１０４は、供給された制御時刻と制御量に応じて人工衛星２００に推進力を与え、軌道制御を実行する。

次に、閾値設定部１０１の詳細な動作について説明する。
閾値設定部１０１では、各軌道要素パラメータの誤差許容値に０以上１以下の係数を乗じることにより、各軌道要素パラメータの閾値を決定する。
すなわち、ある軌道要素パラメータＥ（Ｅ＝｛ａ、ｅ、ｉ、Ω、ω｝）の誤差許容値ΔＥ_LMTに対し、予め定められた係数ｋ_E（０≦ｋ_E≦１）を乗じた値ΔＥ_TH＝ｋ_E×ΔＥ_LMTを、軌道要素パラメータＥに対する閾値とする。係数ｋ_Eの値は、軌道誤差算出部１０５から出力される各軌道要素パラメータの誤差ΔＥの変化率等を考慮して決めることができる。例えば、ある軌道要素パラメータの誤差の変化が比較的緩やかである場合には、その軌道要素パラメータに対しては係数ｋ_Eに大きめの値を設定するとよい。また、係数ｋ_Eを一定値とせず、軌道に加わる外乱の大きさによって変化する値としてもよい。

次に、制御対象選択部１０２の詳細な動作について説明する。図２は、実施の形態１による制御対象選択部１０２の動作のフローチャートである。
ステップＳＴ１０１で、制御対象選択部１０２は、軌道誤差算出部１０５から出力される各軌道要素パラメータＥの誤差ΔＥと誤差許容値ΔＥ_LMTを比較し、ΔＥ≧ΔＥ_LMTとなる軌道要素Ｅが存在するか否かを判定する。
ΔＥ≧ΔＥ_LMTとなる軌道要素パラメータが存在しない場合には、軌道制御の必要はないのでステップＳＴ１０２へ進み処理を終了する。ΔＥ≧ΔＥ_LMTとなる軌道要素が存在する場合にはステップＳＴ１０３へ進む。
ステップＳＴ１０３で、制御対象選択部１０２は、誤差ΔＥが閾値設定部１０１から出力された閾値ΔＥ_TH以上になる軌道要素の全てを制御対象として選択する。

以上のように実施の形態１によれば、目標値からの誤差ΔＥが、誤差許容値ΔＥ_LMT以上となる軌道要素パラメータＥが存在する場合には、その軌道要素パラメータの誤差が誤差許容値内になるように軌道修正される。同時に、ΔＥ≧ΔＥ_THとなる軌道要素パラメータについても制御対象とするようにした。
全ての軌道要素パラメータを制御対象とすると、誤差の小さい軌道要素に対してまで無駄な制御を行うことになる。また、誤差ΔＥが、誤差許容値ΔＥ_LMT以上となる軌道要素のみを制御対象にすると、そのようなパラメータが検出される度に軌道制御を行うことになるため、制御頻度の増加につながる。
しかし、実施の形態１によれば、制御量と制御頻度をともに削減することが可能となり、効率的な軌道保持制御が実現され、衛星の軽量化やミッション寿命の増加が可能となる。また、実施の形態１による軌道制御は、軌道要素パラメータの選択により、任意の軌道に対して適用することができる。

実施の形態２．
実施の形態２による軌道制御装置の構成は、図１に示す実施の形態１と同様である。
実施の形態１では、５つの軌道要素パラメータ全てについて、閾値設定部１０１による閾値の設定と制御対象選択部１０２による判定を行った。
軌道制御において、一部の軌道要素パラメータの制御により他の軌道要素パラメータが変化し、誤差を増加させることがある。そのため、実施の形態１では、制御量算出部１０３において、制御対象ではないパラメータが変化しないように制御量を算出する必要があり、計算が複雑になる。

軌道面内成分｛ａ、ｅ、ω｝と軌道面外成分｛ｉ、Ω｝を、それぞれ軌道面内、軌道面外方向のスラスタ１０４により制御する場合、軌道面外のスラスタ１０４によって軌道面内成分に変化を及ぼす可能性はあるが、軌道面内のスラスタ１０４により軌道面外成分が変化することはない。
そこで、実施の形態２では、軌道要素のうち、軌道面内成分であるａ、ｅ、ωについては常に制御対象とし、軌道面外成分である軌道傾斜角ｉと昇交点赤経Ωについてのみ、制御対象とするか否か判断する。

実施の形態２による軌道制御装置１００の動作について説明する。
閾値設定部１０１は、軌道面外成分ｉ、Ωに対してのみ、実施の形態１と同様にして閾値ΔＥ_THを決定する。

図３は、実施の形態２による、制御対象選択部１０２の動作のフローチャートである。
ステップＳＴ１０１で、実施の形態１と同様にΔＥ≧ΔＥ_LMTとなる軌道要素Ｅが存在するか否かを判定し、存在する場合にはステップＳＴ１０４へ進む。
ステップＳＴ１０４では、軌道面内成分（Ｅ＝｛ａ、ｅ、ω｝）を全て制御対象とする。
次に、ステップＳＴ１０５で、昇交点赤経Ωについて、ΔΩが閾値設定部１０１から出力された閾値ΔΩ_TH以上か否かを判定する。
ステップＳＴ１０５でΔΩ≧ΔΩ_THとなると判定された場合には、軌道要素Ωを制御対象とする（ステップＳＴ１０６）。
次に、ステップＳＴ１０７で、軌道傾斜角ｉについて、Δｉが閾値設定部１０１から出力された閾値Δｉ_TH以上か否かを判定する。
ステップＳＴ１０７でΔｉ≧Δｉ_THとなると判定された場合には、軌道要素ｉを制御対象とする（ステップＳＴ１０８）。

以上のように実施の形態２では、誤差が許容値以上となる軌道要素がある場合に、軌道面内成分については全て制御対象とし、軌道面外成分については誤差が閾値以上となる場合にのみ制御対象とするようにした。このため、実施の形態１と同様の効果が得られると共に、制御対象としない軌道要素パラメータの変化については考慮する必要がなく、制御量および制御時刻の算出処理をより単純にすることができる。

実施の形態３．
実施の形態３による軌道制御装置の構成は、図１に示す実施の形態１と同様である。
実施の形態３も実施の形態２と同様に、軌道面内成分ａ、ｅ、ωについては常に制御対象とする。一方、軌道面外成分である軌道傾斜角ｉと昇交点赤経Ωについては、実施の形態２と異なる方法により制御対象とするか否か判断する。

軌道面外方向のスラスタ１０４による制御量をΔＶ、制御による軌道要素パラメータＥの変化量をΔＥとすると、ΔＥ＝Ａ_E×ΔＶと表すことができる。Ａ_Eは、軌道上の位置によって変化するが、軌道傾斜角ｉと昇交点赤経Ωでは、位相が９０度ずれている。このため、制御位置を適切に選択すれば、ｉとΩは独立して制御することが可能である。しかし、軌道上で制御可能な位置に制約があり、ｉとΩを独立して制御できない場合には、やはり片方の制御によるもう一方の変化を考慮して制御量を算出する必要がある。
そこで、実施の形態３では、軌道面外成分ｉとΩのうちいずれかが制御対象となる場合には、常に両方を同時に制御する。

実施の形態３による軌道制御装置１００の動作について説明する。
閾値設定部１０１は、軌道面外成分ｉ、Ωに対してのみ、実施の形態１と同様にして閾値ΔＥ_THを決定する。

図４は、実施の形態３による、制御対象選択部１０２の動作のフローチャートである。
ステップＳＴ１０１で、ΔＥ≧ΔＥ_LMTとなる軌道要素Ｅが存在するか否かを判定し、存在する場合にはステップＳＴ１０４へ進み、実施の形態２と同様に軌道面内成分（Ｅ＝｛ａ、ｅ、ω｝）を全て制御対象とする。
次に、ステップＳＴ１０９で、昇交点赤経Ω及び軌道傾斜角ｉについて、ΔΩが閾値設定部１０１から出力された閾値ΔΩ_TH以上か否か、またはΔｉが閾値設定部１０１から出力された閾値Δｉ_TH以上か否か判定する。
ステップＳＴ１０９で、ΔΩ≧ΔΩ_THまたはΔｉ≧Δｉ_THとなると判定された場合には、軌道要素Ω及び軌道要素ｉを共に制御対象とする（ステップＳＴ１１０）。

以上のように実施の形態３では、軌道面外成分である軌道傾斜角ｉと昇交点赤経Ωを常に同時に制御対象とする。これにより、例えば軌道上で制御可能な範囲が限られていて、ｉとΩを分離して制御できないような場合にも、実施の形態２と同様の効果が得られ、さらにそのための制御量および制御時刻の計算をより単純にすることができる。

実施の形態４．
実施の形態４による軌道制御装置の構成は、図１に示す実施の形態１と同様である。
制御量算出部１０３による制御時刻と制御量の決定方法としては、制御対象となる全ての軌道要素パラメータの誤差が軌道制御完了後に０となるように制御量と制御時刻を決定する方法が考えられる。
しかし、通常１回の制御で可能な制御量は、スラスタ１０４の噴射可能時間等により制限されているため、常にそのような制御が可能であるとは限らない。実施の形態４では、制御量算出部１０３において、予め定められた上限値を超えない範囲で制御量を算出する。

図５は、実施の形態４による制御量算出部１０３の動作のフローチャートである。
まず、制御量算出部１０３は、軌道誤差算出部１０５から出力された軌道要素パラメータ毎の軌道要素誤差ΔＥに基づいて、制御による補正量目標値ΔＥ_Dを決定する（ステップＳＴ２０１）。補正量目標値ΔＥ_Dの初期値には、軌道要素誤差ΔＥそのものを設定する。
次に、ステップＳＴ２０１で決定した補正量目標値ΔＥ_Dを実現するための制御量及び制御時刻を算出する（ステップＳＴ２０２）。
次に、ステップＳＴ２０３で、ステップＳＴ２０２で算出した制御量と、予め与えられた１回あたりの制御量上限値ΔＶ_LMTを比較する。制御量が上限値ΔＶ_LMTを超える場合には、ステップＳＴ２０１に戻り、補正量目標値ΔＥ_Dをより少なく設定する。
２回目以降の処理では、１サイクル前のステップＳＴ２０２で得られた１回あたりの制御量の最大値をΔＶ_MAXとすると、補正量目標値ΔＥ_Dには、１サイクル前のステップＳＴ２０１での補正量目標値ΔＥ_DにΔＶ_MAX／ΔＶ_LMTを乗じた値を設定する。
これにより、制御量上限値ΔＶ_LMTを超えない補正量目標値ΔＥ_Dが設定できる。
次に、ステップＳＴ２０２で、決定した補正量目標値ΔＥ_Dを実現するための制御量と制御時刻を算出し、ステップＳＴ２０３で、ステップＳＴ２０２で算出した制御量と、制御量上限値ΔＶ_LMTを比較する。
以上のように、ステップＳＴ２０３で制御量が上限値以下と判断されるまでステップＳＴ２０１〜ステップＳＴ２０３を繰り返す。

なお、補正量目標値ΔＥ_Dの調整は、軌道面内成分と軌道面外成分を分けて行うとより効果的である。すなわち、軌道面内成分｛ａ、ｅ、ω｝については、ΔＥ_D＝ΔＥ_D×ΔＶ_MAXX／ΔＶ_LMTX、軌道面外成分｛ｉ、Ω｝については、ΔＥ_D＝ΔＥ_D×ΔＶ_MAXY／ΔＶ_LMTYと別々に調整する。ここで、ΔＶ_LMTX、ΔＶ_LMTYは、それぞれ軌道面内成分、軌道面外成分の１回あたりの制御量の上限値、ΔＶ_MAXX、ΔＶ_MAXYはそれぞれ１つ前のサイクルにおいて求められた１回あたりの制御量の軌道面内成分及び軌道面外成分の最大値を表す。
なお、補正量目標値を実現するための制御量と制御時刻は、実施の形態１と同様の方法で求めることができる。

なお、実施の形態４では、１回あたりの制御量上限値を満たすために、繰返し計算によって補正量目標値を調整しているが、予め、制御量上限値が十分満たされるような補正量目標値の上限値を与えておき、繰返し計算を省略するようにしてもよい。

以上のように実施の形態４によれば、制御量算出部１０３は、１回の制御で可能な制御量上限値の範囲内でのみ軌道制御を行うようにしたので、制御頻度を過度に増大させることなく制御量上限値の制限内で軌道制御を行うことができる。
従来は、誤差を誤差許容値以内に補正するために必要な制御量が１回の制御量上限値を超えていた場合、軌道数周回に分けて制御を行うのが一般的であった。このため、誤差が大きい場合には制御頻度が過度に増大していた。本発明の実施の形態４では、制御量上限値内で補正を行い、残りの誤差は次回の制御まで放置しておくので、制御頻度を減少させることができる。また、放置した誤差は、逆向きの外乱が加わることにより自然に小さくなることもある。
さらに、制御により補正する誤差の割合が適切に設定されることで、他の軌道要素パラメータへの影響が大きくなり過ぎないよう抑えることができるという効果もある。

この発明の実施の形態１による、人工衛星の軌道制御装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１による、制御対象選択部の動作のフローチャートである。この発明の実施の形態２による、制御対象選択部の動作のフローチャートである。この発明の実施の形態３による、制御対象選択部の動作のフローチャートである。実施の形態４による制御量算出部の動作のフローチャートである。

符号の説明

１００軌道制御装置、１０１閾値設定部、１０２制御対象選択部、１０３制御量算出部、１０４スラスタ、１０５軌道誤差算出部、２００人工衛星。

Claims

中心天体の周りを周回する飛翔体の軌道を制御する軌道制御装置であって、
上記軌道を表現する複数の軌道要素パラメータの実測値と各々の目標値との差分を取り、各軌道要素パラメータの誤差を算出する軌道誤差算出部と、
各々の軌道要素パラメータについて、予め与えられた誤差許容値以下の任意の値を制御要否の閾値として設定する閾値設定部と、
上記誤差が、上記誤差許容値以上となる軌道要素パラメータが存在する場合に、上記誤差が上記閾値以上となる軌道要素パラメータを制御対象として選択する制御対象選択部と、
上記制御対象選択部によって選択された制御対象の軌道要素パラメータの誤差を、上記誤差許容値内の値に補正するための制御時刻と制御量を算出する制御量算出部を備えたことを特徴とする軌道制御装置。
閾値設定部は、軌道要素パラメータの誤差の値の変化量に基づいて閾値を設定することを特徴とする請求項１記載の軌道制御装置。
閾値設定部は、軌道要素パラメータのうち軌道面外成分について閾値を設定し、
制御対象選択部は、誤差が誤差許容値以上となる軌道要素パラメータが存在する場合に、軌道要素パラメータのうち軌道面内成分は全て制御対象とし、軌道面外成分については、誤差が上記閾値以上となるものを制御対象とすることを特徴とする請求項１または請求項２記載の軌道制御装置。
閾値設定部は、軌道要素パラメータのうち軌道面外成分について閾値を設定し、
制御対象選択部は、誤差が誤差許容値以上となる軌道要素パラメータが存在する場合に、軌道要素パラメータのうち軌道面内成分は全て制御対象とし、軌道面外成分については、誤差が上記閾値以上となる軌道面外成分が存在する場合に、全ての軌道面外成分を制御対象とすることを特徴とする請求項１または請求項２記載の軌道制御装置。
制御量算出部は、１回の制御で可能な制御量上限値の範囲内で補正可能な誤差のみを補正するように、制御時刻と制御量を算出することを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の軌道制御装置。