JP4679439B2 - Satellite attitude control device - Google Patents
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Description
この発明は、人工衛星の姿勢を速やかに変更させる人工衛星の姿勢制御装置に関するものである。 The present invention relates to an attitude control device for an artificial satellite that quickly changes the attitude of the artificial satellite.
人工衛星は、その目的や条件に応じて、姿勢をきわめてゆっくりと変化させる場合と、できるだけ速やかに姿勢を変化させることを要求される場合まで、姿勢の変化速度に対する要求はさまざまである。このように早く姿勢を変化させる機能を、以下、高機動であると称する。
人工衛星の姿勢制御には、内蔵するジャイロの軸角度を変化させる方向に力を加えて衛星自体が回転力を得る形式のものがある。回転円板の回転速度を増減速することで回転反力を得るリアクションホイールと比べて高トルクを発生可能なことから、高機動な人工衛星では姿勢制御アクチュエータとして複数台のCMG(Control Moment Gyro)が搭載されているものがある。
According to the purpose and conditions of an artificial satellite, there are various demands on the attitude change speed, from when the attitude is changed very slowly and when it is required to change the attitude as quickly as possible. Such a function of quickly changing the posture is hereinafter referred to as high mobility.
In the attitude control of the artificial satellite, there is a type in which the satellite itself obtains a rotational force by applying a force in a direction in which the axis angle of the built-in gyroscope is changed. Higher torque can be generated compared to a reaction wheel that obtains a rotational reaction force by increasing or decreasing the rotational speed of the rotating disk. Therefore, in a highly mobile satellite, multiple CMGs (Control Moment Gyro) are used as attitude control actuators. Some are equipped with.
非特許文献1の第5.28図には、CMGの原理を説明するためフライホイールが1個の、いわゆるシングルジンバルCMGの構成が示されている。円板の軸(スピン軸)まわりに高速で回転するフライホイールを、単一のジンバルで支持した構造となっており、図記載のないジンバル駆動モータなどでジンバル軸まわりに駆動すると、ジャイロ効果によりフライホイールの角運動量方向(図にhGと記載)とジンバル回転軸方向(図にdσ/dtと記載)に垂直な方向(図にdσ/dt×hGと記載)に、姿勢制御トルクを発生させることができる。
FIG. 5.28 of Non-Patent
人工衛星の3軸姿勢制御を行うためには、原理的には3台のCMGを搭載すればよいが、通常は1台が故障した場合の対応のために4台以上の冗長構成がとられる。3台のCMG配置の典型例は非特許文献1の図5.30に示されている。また、4台のCMG配置の場合のトルクの説明が、非特許文献2のFig.1に示されている。これは一般にピラミッド配置と呼ばれ、各CMGのジンバル軸が四角錐の斜面に垂直となるように配置されたものである。
CMGはジンバルを駆動することで衛星本体に回転トルクを作用させるため、CMGを人工衛星の姿勢制御アクチュエータとして用いる場合には、望ましい姿勢制御トルクが発生するようにCMGのジンバルを適切に駆動する必要がある。CMGのジンバル角速度と人工衛星に作用する姿勢制御トルクの間の関係は、ヤコビ行列を用いて以下のように記述することができる。
In order to perform the three-axis attitude control of an artificial satellite, in principle, three CMGs should be installed, but usually a redundant configuration of four or more units is taken to cope with the failure of one unit. . A typical example of the arrangement of three CMGs is shown in FIG. Also, the torque in the case of four CMG arrangements is described in FIG. 1. This is generally called a pyramid arrangement, and is arranged such that the gimbal axis of each CMG is perpendicular to the slope of the quadrangular pyramid.
Since CMG drives rotational torque to the satellite body by driving the gimbal, when CMG is used as an attitude control actuator for an artificial satellite, it is necessary to appropriately drive the CMG gimbal so that the desired attitude control torque is generated. There is. The relationship between the CMG gimbal angular velocity and the attitude control torque acting on the satellite can be described as follows using the Jacobian matrix.
ここでδは各CMGのジンバル角から構成されるベクトル、τは人工衛星に作用する姿勢制御トルクである。行列Aの各列は、対応するCMGのジンバルを角速度1rad/sで回転させたときに得られるトルクを示しており、一般にヤコビ行列と呼ばれる。ヤコビ行列Aは各CMGのジンバル角の関数として求めることができる。
従来の人工衛星の姿勢制御装置では、姿勢変更に必要な姿勢制御トルクτが求まると、ヤコビ行列の擬似逆行列を乗じることにより、この姿勢制御トルクを出力するためのCMGのジンバル角速度を求める。次にここで求めたジンバル角速度を目標値として、CMGのジンバルを速度サーボ系で制御することにより、姿勢変更に必要な姿勢制御トルクを生成している。
Here, δ is a vector composed of gimbal angles of each CMG, and τ is an attitude control torque acting on the artificial satellite. Each column of the matrix A indicates a torque obtained when the corresponding CMG gimbal is rotated at an angular velocity of 1 rad / s, and is generally called a Jacobian matrix. The Jacobian matrix A can be obtained as a function of the gimbal angle of each CMG.
In a conventional satellite attitude control device, when the attitude control torque τ required for attitude change is obtained, the CMG gimbal angular velocity for outputting the attitude control torque is obtained by multiplying the pseudo inverse matrix of the Jacobian matrix. Next, using the gimbal angular velocity obtained here as a target value, the CMG gimbal is controlled by the speed servo system to generate the attitude control torque necessary for the attitude change.
このような従来の人工衛星の姿勢制御装置の構成は、例えば特許文献1の図1に開示されているが、本願発明の理解を助けるため、特許文献1の図1をわかりやすく書き改めた人工衛星の従来の姿勢制御装置の構成を本願の図10に示し、図10により従来の姿勢制御装置の問題点について説明する。人工衛星1が姿勢変更する際には、人工衛星1の初期(現在の)姿勢と、姿勢変更の目標となる終端姿勢が与えられると、初期姿勢から終端姿勢への姿勢変更は、非特許文献3に示されているように、オイラー軸(Euler Axis)とよばれる1軸まわりの回転で実現することができる。人工衛星1にはこの人工衛星1が行うべきミッションに応じた衛星の目標軌道(ここで言う軌道には姿勢も含まれる)を算出する目標軌道計画部26と、衛星の姿勢を変化させるトルクを生じさせるためのCMG2と、衛星1の姿勢を検出するセンサとして姿勢推定部4が搭載されている。CMG2にはそのジンバルの角度と角速度を検出するジンバル推定部3が取り付けられている。そして、目標軌道計画部26から、衛星の姿勢角および姿勢角速度の目標値(それぞれ図中に目標姿勢角、目標姿勢角速度と記載)が与えられると、姿勢推定部4からの姿勢角および姿勢角速度の推定値との誤差を低減すべく、姿勢制御フィードバック演算部27においてフィードバック姿勢制御トルクを求める。次にCMGステアリング演算部28において、上述したようにヤコビ行列の擬似逆行列を用いて、フィードバック姿勢制御トルクを出力するためのCMGのジンバル角速度を求める。ジンバル制御演算部29では、CMGステアリング演算部28において求めたジンバル角速度を目標値として、ジンバル推定部3からフィードバックされたジンバル角速度を目標に一致させる速度サーボ系が構成されている。即ち、CMGステアリング演算部28において求めたジンバル角速度を目標値として、CMGのジンバルを速度サーボ系で制御するのである。
The configuration of such a conventional attitude control device for an artificial satellite is disclosed in, for example, FIG. 1 of
上記の制御を実行中には、CMGのもつ角運動量により、CMGにはジャイロ効果によるジャイロトルクが作用する。例えば軌道周回衛星の姿勢整定時、あるいは一般の人工衛星の姿勢変更時などでは、フィードバック姿勢制御トルク分に対応するジンバル制御トルクに加えて、更に、このジャイロトルクを補償するためのジンバル保持トルク(バイアストルク)をジンバル制御演算部で生成し、CMGを制御する必要がある。
しかるに従来の人工衛星の姿勢制御装置では、上記に説明したとおりジンバル制御演算部を速度サーボ系で構成しているため、高速な姿勢変更時など、衛星に大きな姿勢角速度が発生する間においては、ジンバル制御に位相遅れを生じ、姿勢制御が乱れるという問題点があった。
However, in the conventional attitude control device for artificial satellites, as described above, the gimbal control calculation unit is configured by the speed servo system, so during a high attitude angular velocity such as when changing the attitude at high speed, There was a problem that a phase delay was caused in the gimbal control and the attitude control was disturbed.
CMGを搭載した人工衛星において、人工衛星に大きな姿勢角速度が発生している間は、CMGのもつ角運動量により、CMGにはジャイロ効果によるジャイロトルクが作用する。即ち、この間は、フィードバック姿勢制御トルク分に対応するジンバル制御トルクを加えるとともに、このジャイロトルクを補償するためのジンバル保持トルク(バイアストルク)をジンバル制御演算部で生成し、CMGを制御する必要がある。しかるに従来の人工衛星の姿勢制御装置では、ジンバル制御演算部を速度サーボ系で構成しているため、高速な姿勢変更時などの衛星に大きな姿勢角速度が発生している間は、ジンバル制御に位相遅れを生じ、姿勢制御が乱れるという問題点があった。
さらに上記の影響により、姿勢変更後の目標姿勢への整定に要する時間が長くなるという問題点もあった。
また、地球周回衛星などの軌道角速度が常に存在する衛星において、CMG2のもつ角運動量と軌道角速度によるジャイロ項の影響により、姿勢変更後の姿勢角に定常偏差が残るという問題点もあった。
In a satellite equipped with CMG, while a large attitude angular velocity is generated in the satellite, gyro torque due to the gyro effect acts on CMG due to the angular momentum of CMG. That is, during this time, it is necessary to add a gimbal control torque corresponding to the feedback attitude control torque, and to generate a gimbal holding torque (bias torque) for compensating the gyro torque by the gimbal control calculation unit to control the CMG. is there. However, in the conventional attitude control device for artificial satellites, the gimbal control calculation unit is composed of a speed servo system, so the gimbal control is phased while a large attitude angular velocity is generated in the satellite during high-speed attitude changes. There was a problem that the attitude control was disturbed due to a delay.
Further, due to the above-described influence, there is a problem that the time required for settling to the target posture after the posture change becomes long.
In addition, there is a problem that a stationary deviation remains in the attitude angle after the attitude change in the satellite having a constant orbital angular velocity, such as the Earth orbiting satellite, due to the effect of the gyro term due to the angular momentum and the orbital angular velocity of the CMG2.
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、CMGを用いて人工衛星を高速に姿勢変更させるとともに、姿勢変更後、人工衛星の姿勢を目標姿勢に整定させる時間がきわめて短い人工衛星の姿勢制御装置を得ることを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems. The CMG is used to change the attitude of the artificial satellite at high speed and to set the attitude of the artificial satellite to the target attitude after changing the attitude. The purpose is to obtain an attitude control device for an extremely short satellite.
この発明に係る人工衛星の姿勢制御装置は、姿勢を制御するためのCMG(コントロール・モーメント・ジャイロ)を有する人工衛星に搭載され、
前記CMGのジンバル角およびジンバル角速度を推定するジンバル推定部、
前記人工衛星の姿勢角および姿勢角速度を推定する姿勢推定部、
前記人工衛星の目標姿勢角、目標姿勢角速度、前記CMGのジンバル角計画値、ジンバル角速度計画値、ジンバル角加速度計画値を出力する目標軌道計画部、
前記目標姿勢角と前記姿勢角との差と、前記目標姿勢角速度と前記姿勢角速度との差との2つの差を低減するフィードバック姿勢制御トルクを演算する姿勢制御フィードバック演算部、
前記フィードバック姿勢制御トルクと前記ジンバル角とに基づいて、前記ジンバル角計画値と前記ジンバル角速度計画値とを補正して、目標ジンバル角と目標ジンバル角速度を得るとともに、前記ジンバル角加速度計画値と前記姿勢角速度と前記ジンバル角とに基づいてフィードフォワードジンバル制御トルクを演算するCMGステアリング演算部、
前記目標ジンバル角と前記ジンバル角との差に基づいて、前記目標ジンバル角速度を補正する角度制御系と、前記補正された目標ジンバル角速度と前記ジンバル角速度との差に基づいて、前記フィードフォワードジンバル制御トルクを補正する角速度制御系とを有し、前記CMGを制御するジンバル制御トルクを出力する第一のジンバル制御演算部を備えたものである。
The attitude control device for an artificial satellite according to the present invention is mounted on an artificial satellite having a CMG (control moment gyro) for controlling the attitude,
A gimbal estimation unit for estimating a gimbal angle and a gimbal angular velocity of the CMG;
A posture estimation unit for estimating a posture angle and a posture angular velocity of the artificial satellite;
A target trajectory planning unit that outputs a target attitude angle, a target attitude angular velocity, a gimbal angular plan value, a gimbal angular velocity planned value, and a gimbal angular acceleration planned value of the CMG;
A posture control feedback calculator for calculating a feedback posture control torque that reduces two differences between the difference between the target posture angle and the posture angle and the difference between the target posture angular velocity and the posture angular velocity;
Based on the feedback attitude control torque and the gimbal angle, the gimbal angle planned value and the gimbal angular velocity planned value are corrected to obtain a target gimbal angle and a target gimbal angular velocity, and the gimbal angular acceleration planned value and the A CMG steering calculation unit for calculating a feedforward gimbal control torque based on the attitude angular velocity and the gimbal angle;
An angle control system that corrects the target gimbal angular velocity based on the difference between the target gimbal angle and the gimbal angle, and the feedforward gimbal control based on the difference between the corrected target gimbal angular velocity and the gimbal angular velocity. An angular velocity control system for correcting torque, and a first gimbal control calculation unit that outputs a gimbal control torque for controlling the CMG.
この発明の人工衛星の姿勢制御装置によれば、人工衛星の目標姿勢角、目標姿勢角速度、に加えてCMGのジンバル角計画値、ジンバル角速度計画値、ジンバル角加速度計画値を出力する目標軌道計画部を備えている。前記フィードバック姿勢制御トルクと、前記姿勢角速度と、前記ジンバル角とに基づいて、前記ジンバル角計画値、ジンバル角速度計画値、ジンバル角加速度計画値を修正して目標ジンバル角、目標ジンバル角速度を得るとともに、フィードフォワードジンバル制御トルクを発生するCMGステアリング演算部を有するので、姿勢の変化途中におけるこれらの値の乱れが少なくなり、CMGによる高出力トルクを利用して、人工衛星の高速な姿勢変更が可能になるとともに、姿勢変更後は速やかに人工衛星の姿勢を目標姿勢に整定させることができるといった従来にない顕著な効果を奏するものである。 According to the attitude control device for an artificial satellite of the present invention, a target trajectory plan for outputting a CMG gimbal angle plan value, a gimbal angular velocity plan value, and a gimbal angular acceleration plan value in addition to the target attitude angle and target attitude angular velocity of the satellite. Department. Based on the feedback attitude control torque, the attitude angular velocity, and the gimbal angle, the target gimbal angle and target gimbal angular speed are obtained by correcting the planned gimbal angle value, planned gimbal angular speed value, and planned gimbal angular acceleration value. Because it has a CMG steering calculation unit that generates feedforward gimbal control torque, the disturbance of these values during the attitude change is reduced, and the high-speed torque of the CMG can be used to change the attitude of the satellite at high speed At the same time, after the attitude change, there is an unprecedented remarkable effect that the attitude of the artificial satellite can be quickly set to the target attitude.
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1による人工衛星の姿勢制御装置の構成を示すブロック図である。人工衛星1には、前述したように複数台のCMG(コントロール・モーメント・ジャイロ)が搭載されているが、以下の説明では、そのうちの1台のCMGを制御する部分のみについて説明する。無論、他のCMGについても同じ実施の形態が適用される。
図1のブロック図では、姿勢制御トルクアクチュエータとしてのCMG(Control Moment Gyro)2と、CMG2のジンバル角およびジンバル角速度を推定するジンバル推定部3と、人工衛星1の姿勢角および姿勢角速度を推定する姿勢推定部4と、人工衛星1が姿勢変更するための姿勢角目標値および姿勢角速度目標値、およびこれらの目標値に整合するCMG2のジンバル角計画値、ジンバル角速度計画値、ジンバル角加速度計画値を発生する目標軌道計画部5と、目標姿勢角および目標姿勢角速度と、姿勢推定部4からの姿勢角および姿勢角速度との誤差を低減すべくフィードバック姿勢制御トルクを求める姿勢制御フィードバック演算部6とを備えている。
更に、姿勢制御フィードバック演算部6からのフィードバック姿勢制御トルク、目標軌道計画部5からのCMG2のジンバル角計画値、ジンバル角速度計画値、ジンバル角加速度計画値、ジンバル推定部3からのCMG2のジンバル角の推定値、および姿勢推定部4からの人工衛星1の姿勢角速度の推定値から、CMG2の目標ジンバル角および目標ジンバル角速度、および姿勢変更にともなうCMG2の慣性力やジャイロ項を補償するフィードフォワードジンバル制御トルクを発生するCMGステアリング演算部7と、
CMGステアリング演算部7からのCMG2の目標ジンバル角および目標ジンバル角速度と、ジンバル推定部3からのジンバル角およびジンバル角速度の推定値との誤差を低減すべくジンバル制御トルクを求める第一のジンバル制御演算部8とが搭載されている。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an attitude control device for an artificial satellite according to
In the block diagram of FIG. 1, a CMG (Control Moment Gyro) 2 as an attitude control torque actuator, a
Further, the feedback attitude control torque from the attitude control
A first gimbal control calculation for obtaining a gimbal control torque to reduce an error between the target gimbal angle and target gimbal angular velocity of CMG2 from the CMG
ジンバル推定部3は、例えば各CMGのジンバル軸に一般の角度センサ(エンコーダあるいはレゾルバなど)を配置したものを用いることにより、角度センサ出力としてジンバル角を推定することができるものである。またこのジンバル角を時間微分することによりジンバル角速度を推定することもできる。なお、ジンバル推定部3の出力であるジンバル角の推定値と、ジンバル角速度の推定値とは、以下の説明では、「推定値」の表現を止めて、ジンバル角、ジンバル角速度と呼ぶ。
姿勢推定部4は、例えば人工衛星1に姿勢センサ(スタートラッカや地球センサなど)と姿勢角速度センサ(ジャイロ)を搭載し、これらのセンサ出力を用いてカルマンフィルタを構成することにより、人工衛星1の姿勢角と姿勢角速度を推定することができるものである。なお、姿勢推定部4の出力である姿勢角の推定値と、姿勢角速度の推定値とは、以下の説明では、「推定値」の表現を止めて、姿勢角、姿勢角速度と呼ぶ。
The
The
人工衛星1が姿勢変更を行う場合、目標軌道計画部5において、姿勢変更のための軌道計画を行う。ここでは人工衛星1の姿勢角と姿勢角速度の目標軌道(ここで言う目標軌道とは目標値の時間変化という意味である)に加えて、角運動量保存則下でこれらの目標軌道に整合するCMG2のジンバル角、ジンバル角速度、ジンバル角加速度の目標軌道(同上)も計画する。
前述のとおり、人工衛星1の初期姿勢と、姿勢変更の目標となる終端姿勢が与えられると、初期姿勢から終端姿勢への姿勢変更は、非特許文献3に示されているように、オイラー軸(Euler Axis)とよばれる1軸まわりの回転で実現することができる。
この回転軸をuaとすると、姿勢変更のためにCMG2が蓄積すべき角運動量方向ucは、次のように求めることができる。
When the
As described above, when the initial attitude of the
When this rotation axis and u a, angular momentum direction u c to be stored is CMG2 for attitude change can be obtained as follows.
ここでJは人工衛星1の慣性モーメントである。
姿勢変更を高速で行うためには、CMG2が蓄積可能な最大角運動量付近までCMG2に角運動量を蓄積し、人工衛星1に大きな姿勢角速度を発生させる必要がある。姿勢変更に必要な角運動量方向ucが求まると、その方向にCMG2が蓄積できる最大角運動量と、その際のCMG2のジンバル角を以下のように求めることができる。
一般にCMG2が蓄積できる最大角運動量の集合は最大角運動量包絡面と呼ばれ、角運動量空間において閉じた曲面を構成する。この最大角運動量包絡面に関しては、例えば前述の非特許文献2で述べられた手法により求めることができるので、詳細な説明は省略する。
また角運動量が与えられた時の、対応するCMG2のジンバル角に関しては、例えば下記の非特許文献4で述べられた手法(Newton-Raphson法を用いた繰り返し計算)により求めることができるので詳細な説明は省略する。
In order to change the attitude at high speed, it is necessary to accumulate the angular momentum in the
In general, a set of maximum angular momentum that CMG2 can accumulate is called a maximum angular momentum envelope, and forms a closed curved surface in the angular momentum space. The maximum angular momentum envelope surface can be obtained by, for example, the method described in
Further, the gimbal angle of the corresponding CMG2 when the angular momentum is given can be obtained by the method described in
こうして最大角運動量付近でのCMG2のジンバル角が求まると、姿勢変更区間中のCMG2のジンバル角の軌道は、典型的には図2に示すような台形パターンとなる。すなわちCMG2のジンバルを初期状態零の状態からこのジンバル角まで駆動し、CMG2に最大角運動量を蓄積するとともに、人工衛星1にオイラー軸まわりの最大姿勢角速度を発生させる。
最大姿勢角速度発生後はジンバルを保持してCMG2の蓄積角運動量を保持するとともに、人工衛星1が最大姿勢角速度を発生する状態を継続する。
姿勢変更区間の終端付近で再びCMG2のジンバルを駆動して零の状態に戻し、CMG2に蓄積した角運動量を解放するとともに、人工衛星1の姿勢角速度を零として目標姿勢に整定させる。図2では姿勢変更区間中のCMG2のジンバル角と蓄積角運動量、および人工衛星1の姿勢角速度と姿勢角の履歴の一例を示している。図2のd)は人工衛星が最終的にとるべき姿勢の時間変化を示している。c)はd)の時間変化を得るための人工衛星の姿勢角速度の時間変化を示す。b)はc)の姿勢角速度変化を得るためのCMG蓄積角運動量の時間変化を示す。そしてa)はb)のCMG蓄積角運動量の時間変化を得るためのジンバル角の時間変化を示すものである。
When the gimbal angle of CMG2 near the maximum angular momentum is thus obtained, the trajectory of the CMG2 gimbal angle in the posture change section typically has a trapezoidal pattern as shown in FIG. That is, the CMG2 gimbal is driven from the initial state zero to the gimbal angle, the maximum angular momentum is accumulated in the CMG2, and the maximum attitude angular velocity around the Euler axis is generated in the
After the maximum attitude angular velocity is generated, the gimbal is held to hold the accumulated angular momentum of the
The CMG2 gimbal is driven again near the end of the attitude change section to return to the zero state, the angular momentum accumulated in the CMG2 is released, and the attitude angle velocity of the
ここで、図2のa)のCMG2のジンバル角の軌道を、以下、説明の都合上ジンバル角計画値と呼ぶ。ジンバル角計画値を時間微分することによりジンバル角速度計画値、またジンバル角速度計画値を時間微分することによりジンバル角加速度計画値を求めることができる。
CMG2のジンバル角計画値が求まると、角運動量保存則から人工衛星1の姿勢軌道を求めることができる。衛星全体の角運動量は、人工衛星1の角運動量とCMG2の蓄積角運動量の和で与えられる。以下の式に示すように、角運動量保存則より衛星全体の角運動量は慣性空間において保存される。
Here, the gimbal angle trajectory of CMG2 in FIG. 2 a) is hereinafter referred to as a gimbal angle planned value for convenience of explanation. The gimbal angular velocity planned value can be obtained by time differentiating the gimbal angular planned value, and the gimbal angular acceleration planned value can be obtained by time differentiating the gimbal angular velocity planned value.
If the gimbal angle plan value of CMG2 is obtained, the attitude orbit of the
ここでωbは人工衛星1の姿勢角速度、Jωbは人工衛星1の(CMGを含まない)角運動量、hCMGはCMG2の蓄積角運動量である。先に求めたCMG2のジンバル角計画値からhCMGを求めることができるので、上式を用いて角運動量保存則に整合する人工衛星1の姿勢角速度を求めることができる。これを姿勢角速度の目標値とする。またこの目標値を時間積分することにより、姿勢角の目標値も求めることができる。
目標軌道計画部5からの目標姿勢角および目標姿勢角速度と、姿勢推定部4からの姿勢角および姿勢角速度との誤差(姿勢角誤差と姿勢角速度誤差)に基づいて、姿勢制御フィードバック演算部6において、この誤差を低減するようにフィードバック姿勢制御トルクτFBを求める。
姿勢角誤差をeθ、姿勢角速度誤差をeωとすると、フィードバック姿勢制御トルクτFBは、例えばPD制御を用いて、次のように求めることができる。
Here, ω b is the attitude angular velocity of the
Based on the error (posture angle error and posture angular velocity error) between the target posture angle and target posture angular velocity from the target trajectory planning unit 5 and the posture angle and posture angular velocity from the
If the posture angle error is e θ and the posture angular velocity error is e ω , the feedback posture control torque τ FB can be obtained as follows using, for example, PD control.
ここでKPとKDはそれぞれ、姿勢角誤差eθと姿勢角速度誤差eωに対するフィードバックゲインである。あるいはPD制御の代わりに、積分補償も加えてPID制御によりフィードバック姿勢制御トルクτFBを求めてもよい。 Each where K P and the K D is the feedback gain with respect to the posture angle error e theta and attitude angular error e omega. Alternatively, instead of PD control, integral compensation may be added to obtain feedback attitude control torque τ FB by PID control.
次にCMGステアリング演算部7において、このフィードバック姿勢制御トルクτFBと以下に説明する項を用いて、姿勢変更に必要なCMG2の目標ジンバル角と目標ジンバル角速度を求める。図3はCMGステアリング演算部7の詳細な構成を示したものである。
姿勢制御フィードバック演算部6で求めたフィードバック姿勢制御トルクにヤコビ行列Aの一般化逆行列A+を乗じて、フィードバック姿勢制御トルクを実現するに必要なCMG2のジンバル角速度を求める。目標軌道計画部5で求めたジンバル角計画値に、ここで求めたジンバル角速度を時間積分(1/S)したものを加えて、CMG2の目標ジンバル角とする。
なおヤコビ行列Aが特異の場合には、A+として、例えば特許文献1に示されているような修正擬似逆行列を用いることもできる。
ジンバル角速度も類似する手順、即ち、目標軌道計画部5で求めたジンバル角速度計画値に、前記一般化逆行列を乗じて求めたジンバル角速度を加えて、CMG2の目標ジンバル角速度とする。
フィードフォワード補償演算部9では、目標軌道計画部5で求めたジンバル角加速度計画値によるCMG2の慣性力、および人工衛星1の姿勢角速度とCMG2のもつ角運動量によるジャイロ項の和を求めて、フィードフォワードジンバル制御トルクとする。
Next, the CMG
The feedback attitude control torque obtained by the attitude control
When the Jacobian matrix A is singular, a modified pseudo-inverse matrix as shown in
The gimbal angular velocity is the same procedure, that is, the gimbal angular velocity obtained by multiplying the gimbal angular velocity planned value obtained by the target trajectory planning unit 5 by the generalized inverse matrix is added to obtain the target gimbal angular velocity of CMG2.
The feedforward
第一のジンバル制御演算部8では、CMGステアリング演算部7で求めた目標ジンバル角と目標ジンバル角速度に、CMG2のジンバルが軌道追従するように制御系を構成する。即ち、図1では、ジンバル推定部3で求めたCMG2のジンバル角と、CMGステアリング演算部7で求めた目標ジンバル角との誤差(ジンバル角誤差)に基づいて、その誤差を減少するように目標ジンバル角速度を補正する角度制御系を構成する。角度制御系としては例えば、ジンバル角誤差に比例ゲインを乗じる比例制御でもよいし、あるいはジンバル角誤差に比例ゲインと積分ゲインを乗じる比例制御と積分制御の組みあわせでもよい。角度制御系の出力はCMGステアリング演算部7から出力された目標ジンバル角速度に加算され、補正された目標ジンバル角速度が得られる。
In the first gimbal
またジンバル推定部3で求めたCMG2のジンバル角速度と、前述の補正された目標ジンバル角速度との誤差(ジンバル角速度誤差)を求め、このジンバル角速度誤差にもとづいて、この誤差を減少させるようにフィードフォワードジンバル制御トルクを補正する角速度制御系を構成する。角速度制御系としては例えば、ジンバル角速度誤差に比例ゲインを乗じる比例制御を用いることができる。ここで求めた角速度制御系の出力は、CMGステアリング演算部7で求めたフィードフォワードジンバル制御トルクに加算されて、その値を補正する。こうして求めた補正されたジンバル制御トルクにもとづいて、CMG2のジンバル制御を行う。
Further, an error (gimbal angular velocity error) between the gimbal angular velocity of
図1の構成によれば、目標軌道計画部5において、人工衛星1の姿勢軌道に加えてCMG2のジンバル軌道の計画を行うとともに、CMGステアリング演算部7において、姿勢制御フィードバック演算部6で求めたフィードバック姿勢制御トルク、目標軌道計画部5で求めたジンバル軌道計画値、ジンバル推定部3で求めたジンバル角、姿勢推定部4で求めた姿勢角速度を用いて、CMG2の目標ジンバル角と目標ジンバル角速度、およびフィードフォワードジンバル制御トルクを求めている。第一のジンバル制御演算部8では、ここで求めた目標ジンバル角と目標ジンバル角速度に軌道追従するようにジンバル制御系を構成し、CMG2のジンバル制御トルクを求めている。
According to the configuration of FIG. 1, the target trajectory planning unit 5 plans the gimbal trajectory of the
したがって人工衛星1が高速に姿勢変更する場合に、人工衛星1に大きな姿勢角速度が発生しても第一のジンバル制御演算部8での位相遅れは小さい。即ち、ジンバル角、ジンバル角速度、ジンバル制御トルクのオーバシュートやアンダーシュートは小さく、それにともなう姿勢制御の乱れは小さい。この構成により、CMG2による高出力トルクを利用して、人工衛星1の高速な姿勢変更が可能になるとともに、姿勢変更後は速やかに人工衛星1の姿勢を目標姿勢に整定させることができる。
Therefore, when the attitude of the
また図10に示した従来の人工衛星の姿勢制御装置のように、ジンバル制御演算部を角速度制御系のみで構成し、ジンバル制御トルクを角速度制御系の出力トルクとして求めていた場合には、地球周回衛星などの軌道角速度が常に存在する衛星において、CMG2のもつ角運動量と軌道角速度によるジャイロ項の影響により、姿勢変更後に姿勢角に定常偏差が残るという問題点があった。
しかるに、本実施の形態では、目標軌道計画部5からジンバル角の計画値を出力させ、この計画値を姿勢やジンバル角で補正して目標ジンバル角を得た上、第一のジンバル制御演算部8を角度制御系と角速度制御系で構成し、角度制御系による目標ジンバル角速度の修正、この修正された目標ジンバル角速度とジンバル角速度との誤差にもとづく角速度制御系の出力トルクと、CMGステアリング演算部7で求めたフィードフォワードジンバル制御トルクの和でジンバル制御トルクを求めているので、姿勢変更後に姿勢角に定常偏差が残ることはない。
Also, as in the conventional satellite attitude control device shown in FIG. 10, when the gimbal control calculation unit is composed only of the angular velocity control system and the gimbal control torque is obtained as the output torque of the angular velocity control system, In satellites that always have orbital angular velocities, such as orbiting satellites, there is a problem that a steady-state deviation remains in the attitude angle after the attitude change due to the effect of the gyro term due to the angular momentum and orbital angular velocity of CMG2.
However, in the present embodiment, the target trajectory planning unit 5 outputs the planned value of the gimbal angle, the target value is corrected by the posture and the gimbal angle, and the target gimbal angle is obtained. 8 includes an angle control system and an angular velocity control system, the target gimbal angular velocity is corrected by the angle control system, the output torque of the angular velocity control system based on the error between the corrected target gimbal angular velocity and the gimbal angular velocity, and the CMG steering calculation unit Since the gimbal control torque is obtained by the sum of the feedforward gimbal control torques obtained in
実施の形態2.
実施の形態1のジンバル制御演算部8の構成とは異なる、実施の形態2における第二のジンバル制御演算部10の構成について説明する。なお、第二のジンバル制御演算部10以外のブロック図は図1を適用する。ただし、図1のCMGステアリング演算部7の出力であるフィードフォワードジンバル制御トルクの信号は使用しないので、CMGステアリング演算部7はこのトルクを出力できるものである必要はない、詳細は後述する。
第二のジンバル制御演算部10では、CMGステアリング演算部7で求めた目標ジンバル角と目標ジンバル角速度とに、CMG2のジンバルが追従するように制御系を構成する。即ち、CMG2のジンバル角と、目標ジンバル角との誤差(ジンバル角誤差)を求め、このジンバル角誤差にもとづいて角度制御系を構成する。角度制御系としては例えば、ジンバル角誤差に比例ゲインを乗じる比例制御でもよいし、あるいはジンバル角誤差に比例ゲインと積分ゲインを乗じる比例制御と積分制御の組みあわせでもよい。角度制御系の出力は目標ジンバル角速度に補正加算され、補正された目標ジンバル角速度が得られる。
A configuration of the second gimbal
In the second gimbal
またCMG2のジンバル角速度と、前記補正された目標ジンバル角速度との誤差(ジンバル角速度誤差)を求め、このジンバル角速度誤差にもとづいて角速度制御系を構成する。角速度制御系としては例えば、ジンバル角速度誤差に比例ゲインを乗じる比例制御を用いることができる。ここで求めた角速度制御系の出力トルクをジンバル制御トルクとし、CMG2のジンバル制御を行う。
Further, an error (gimbal angular velocity error) between the gimbal angular velocity of the
図4の構成によれば、目標軌道計画部5において、人工衛星1の姿勢軌道に加えてCMG2のジンバル軌道の計画を行うとともに、CMGステアリング演算部7において、姿勢制御フィードバック演算部6で求めたフィードバック姿勢制御トルク、目標軌道計画部5で求めたジンバル軌道計画値、ジンバル推定部3で求めたジンバル角の推定値を用いて、CMG2の目標ジンバル角と目標ジンバル角速度を求める。第二のジンバル制御演算部10では、ここで求めた目標ジンバル角と目標ジンバル角速度とに軌道追従するようにジンバル制御系を構成し、CMG2のジンバル制御トルクを求めている。
According to the configuration of FIG. 4, the target trajectory planning unit 5 plans the gimbal trajectory of the
したがって人工衛星1が高速に姿勢変更する場合に、人工衛星1に大きな姿勢角速度が発生してもジンバル角とジンバル角速度の位相遅れは小さく、その遅れにともなう姿勢制御の乱れは小さい。この構成により、CMG2による高出力トルクを利用して、人工衛星1の高速な姿勢変更が可能になるとともに、姿勢変更後は速やかに人工衛星1の姿勢を目標姿勢に整定させることができる。
Therefore, when the attitude of the
また図10に示した従来の人工衛星の姿勢制御装置のように、ジンバル制御演算部を角速度制御系のみで構成し、ジンバル制御トルクを角速度制御系の出力トルクとして求める場合を考えると、地球周回衛星などの軌道角速度が常に存在する衛星において、CMG2のもつ角運動量と軌道角速度によるジャイロ項の影響により、姿勢変更後に姿勢角に定常偏差が残るという問題点があった。
しかるに、本実施例では、ジンバル制御演算部10を角度制御系と角速度制御系で構成し、角度制御系の出力トルクと角速度制御系の出力トルクの和でジンバル制御トルクを求めているので、姿勢変更後に姿勢角に定常偏差が残ることはない。
実施の形態1の図1の構成に比べて、本実施の形態のものではフィードフォワードジンバル制御トルクを用いていないので、角速度制御系が所要のトルク信号を出力するためのジンバル角速度の偏差は大きくなる。しかし、システムが単純化されるという効果がある。
前述したとおり、CMGステアリング演算部7の出力であるフィードフォワードジンバル制御トルクは使用しないのだから、CMGステアリング演算部7に代えて図5に示すような簡素化した、即ち、フィードフォワード補償演算部を持たないCMGステアリング演算部57を用いてもよい。この場合、目標軌道計画部5はジンバル角加速度計画値を出力する必要はない。
Further, as in the conventional artificial satellite attitude control device shown in FIG. 10, the gimbal control calculation unit is configured only by the angular velocity control system and the gimbal control torque is obtained as the output torque of the angular velocity control system. In a satellite such as a satellite that always has an orbital angular velocity, there is a problem in that a steady-state deviation remains in the attitude angle after the attitude change due to the effect of the gyro term due to the angular momentum and the orbital angular velocity of CMG2.
However, in this embodiment, the gimbal
Compared to the configuration of FIG. 1 of the first embodiment, since the feedforward gimbal control torque is not used in the present embodiment, the deviation of the gimbal angular velocity for the angular velocity control system to output a required torque signal is large. Become. However, there is an effect that the system is simplified.
As described above, since the feedforward gimbal control torque that is the output of the CMG
実施の形態3.
図6は実施の形態3における第三のジンバル制御演算部11の構成を示したものである。なお、第三のジンバル制御演算部11以外のブロック図は図1を適用する。ただし、図1のCMGステアリング演算部7の出力である目標ジンバル角の信号は使用しないので、CMGステアリング演算部7はその信号を出力しないものでもよい、詳細は後述する。
第三のジンバル制御演算部11では、CMGステアリング演算部7で求めたジンバル角速度の目標値に、CMG2のジンバル角速度が軌道追従するように角速度制御系を構成する。ジンバル推定部3で求めたCMG2のジンバル角速度と、CMGステアリング演算部7で求めた目標ジンバル角速度との誤差(ジンバル角速度誤差)を求め、このジンバル角速度誤差を用いて角速度制御系を構成する。角速度制御系としては例えば、ジンバル角速度誤差に比例ゲインを乗じる比例制御を用いることができる。あるいはジンバル角速度誤差に比例ゲインと積分ゲインを乗じる比例制御と積分制御の組みあわせでもよい。
ここで求めた角速度制御系の出力トルクと、CMGステアリング演算部7で求めたフィードフォワードジンバル制御トルクとの和を求めジンバル制御トルクとし、CMG2のジンバル制御を行う。
FIG. 6 shows the configuration of the third gimbal
The third gimbal
The sum of the output torque of the angular velocity control system obtained here and the feedforward gimbal control torque obtained by the CMG
図6の構成によれば、目標軌道計画部5において、人工衛星1の姿勢軌道に加えてCMG2のジンバル軌道の計画を行うとともに、CMGステアリング演算部7において、姿勢制御フィードバック演算部6で求めたフィードバック姿勢制御トルク、目標軌道計画部5で求めたジンバル軌道計画値、ジンバル推定部3で求めたジンバル角の推定値、姿勢推定部4で求めた姿勢角速度の推定値を用いて、CMG2の目標ジンバル角速度、およびフィードフォワードジンバル制御トルクを求める。ジンバル制御演算部11では、ここで求めたジンバル角速度の目標値に軌道追従するようにジンバル制御系を構成し、CMG2のジンバル制御トルクを求めている。
したがって人工衛星1が高速に姿勢変更する場合に、人工衛星1に大きな姿勢角速度が発生してもジンバル制御トルクの位相遅れは小さく、それにともなう姿勢制御の乱れは小さい。この構成により、CMG2による高出力トルクを利用して、人工衛星1の高速な姿勢変更が可能になるとともに、姿勢変更後は速やかに人工衛星の姿勢を目標姿勢に整定させることができる。
According to the configuration of FIG. 6, the target trajectory planning unit 5 plans the
Therefore, when the attitude of the
また図10に示した従来の人工衛星の姿勢制御装置のように、ジンバル制御演算部を角速度制御系のみで構成し、ジンバル制御トルクを角速度制御系の出力トルクとして求める場合を考えると、地球周回衛星などの軌道角速度が常に存在する衛星において、CMG2のもつ角運動量と軌道角速度によるジャイロ項の影響により、姿勢変更後に姿勢角に定常偏差が残るという問題点があった。
しかるに、本実施例では、ジンバル制御演算部11を角速度制御系で構成し、角速度制御系の出力トルク、およびCMGステアリング演算部7で求めたフィードフォワードジンバル制御トルクの和でジンバル制御トルクを求めているので、姿勢変更後に姿勢角に定常偏差が残ることはない。
前述したとおり、CMGステアリング演算部7の出力である目標ジンバル角は使用しないのだから、CMGステアリング演算部7に代えて図7に示すような簡素化した、即ち、目標ジンバル角を出力しないCMGステアリング演算部67を用いてもよい。この場合、目標軌道計画部5はジンバル角計画値を出力する必要はない。
Further, as in the conventional artificial satellite attitude control device shown in FIG. 10, the gimbal control calculation unit is configured only by the angular velocity control system and the gimbal control torque is obtained as the output torque of the angular velocity control system. In a satellite such as a satellite that always has an orbital angular velocity, there is a problem in that a steady-state deviation remains in the attitude angle after the attitude change due to the effect of the gyro term due to the angular momentum and the orbital angular velocity of CMG2.
However, in this embodiment, the gimbal
As described above, since the target gimbal angle that is the output of the CMG
実施の形態4.
図8は本発明の実施の形態4による人工衛星の姿勢制御装置の構成を示すブロック図である。図8のブロック図の次の部分は、実施の形態1の図1のブロック図と同じである。即ち、人工衛星1、CMG2、ジンバル推定部3、姿勢推定部4、姿勢制御フィードバック演算部6、ジンバル制御演算部8。
人工衛星1には、姿勢制御トルクアクチュエータとしての複数台のCMG(Control Moment Gyro)2と、CMG2のジンバル角およびジンバル角速度を推定するジンバル推定部3と、人工衛星1の姿勢角および姿勢角速度を推定する姿勢推定部4と、人工衛星1が姿勢変更するための姿勢角、姿勢角速度、姿勢角加速度の目標値、およびこれらの目標値に整合するCMG2のジンバル角、ジンバル角速度、ジンバル角加速度の計画値を発生する目標軌道計画部12とが搭載されている。
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of an attitude control device for an artificial satellite according to
The
更に、目標軌道計画部12からの姿勢角および姿勢角速度の目標値と、姿勢推定部4からの姿勢角および姿勢角速度の推定値との誤差を低減すべくフィードバック姿勢制御トルクを求める姿勢制御フィードバック演算部6と、目標軌道計画部12からの姿勢角加速度の目標値、ジンバル推定部3からのCMG2のジンバル角の推定値、姿勢推定部4からの人工衛星1の姿勢角速度の推定値から、姿勢変更にともなう人工衛星1の慣性力やジャイロ項を補償するフィードフォワード姿勢制御トルクを求める姿勢制御フィードフォワード演算部13と、姿勢制御フィードバック演算部6からのフィードバック姿勢制御トルク、および姿勢制御フィードフォワード演算部13からのフィードフォワード姿勢制御トルクの和を姿勢制御トルクとし、この姿勢制御トルクおよび目標軌道計画部5からのCMG2のジンバル角、ジンバル角速度、ジンバル角加速度の計画値、ジンバル推定部3からのCMG2のジンバル角の推定値、および姿勢推定部4からの人工衛星1の姿勢角速度の推定値から、CMG2のジンバル角およびジンバル角速度の目標値、および姿勢変更にともなうCMG2の慣性力やジャイロ項を補償するフィードフォワードジンバル制御トルクを発生するCMGステアリング演算部14と、CMGステアリング演算部14からのCMG2のジンバル角およびジンバル角速度の目標値と、ジンバル推定部3からのジンバル角およびジンバル角速度の推定値との誤差を低減すべくジンバル制御トルクを求めるジンバル制御演算部8が搭載されている。
Further, attitude control feedback calculation for obtaining feedback attitude control torque to reduce an error between the target value of attitude angle and attitude angular velocity from the target
人工衛星1が姿勢変更を行う場合、目標軌道計画部12において、姿勢変更のための軌道計画を行う。ここでは人工衛星1の姿勢角と姿勢角速度、姿勢角加速度の目標軌道に加えて、角運動量保存則下でこれらの目標軌道に整合するCMG2のジンバル角、ジンバル角速度、ジンバル角加速度の目標軌道も計画する。それぞれジンバル角計画値、ジンバル角速度計画値、ジンバル角加速度計画値という。
実施の形態1では、目標軌道計画部5により、目標姿勢角速度を求めたが、この目標値を時間微分することにより、姿勢角加速度の目標値(図中に目標姿勢角加速度と記載)も求めることができる。
When the
In the first embodiment, the target trajectory planning unit 5 calculates the target posture angular velocity, but the target value of the posture angular acceleration (denoted as target posture angular acceleration in the figure) is also obtained by differentiating the target value with respect to time. be able to.
目標軌道計画部12からの目標姿勢角加速度、ジンバル推定部3からのCMG2のジンバル角の推定値、姿勢推定部4からの人工衛星1の姿勢角速度の推定値を用いて、姿勢制御フィードフォワード演算部13では、姿勢変更にともなう人工衛星1の慣性力およびジャイロ項の和を求めて、フィードフォワード姿勢制御トルクτFFを得る。このフィードフォワード姿勢制御トルクτFFは、次のように求めることができる。
Attitude control feedforward calculation using the target attitude angular acceleration from the target
ここで上付き添字のdesは、目標軌道計画部12からの目標値であることを示す。右辺第1項が慣性力、第2項がジャイロ項に相当する。姿勢制御フィードバック演算部6で求めたフィードバック姿勢制御トルクτFBと、姿勢制御フィードフォワード演算部で求めたフィードフォワード姿勢制御トルクτFFの和を求めて、姿勢制御トルクを得る。
次にCMGステアリング演算部14において、この姿勢制御トルクを用いて、姿勢変更に必要なCMG2のジンバル角とジンバル角速度の目標値を求める。図9はCMGステアリング演算部14の詳細な構成を示したものである。
Here, the superscript “des” indicates a target value from the target
Next, the CMG
先に求めた姿勢制御トルクにヤコビ行列Aの一般化逆行列A+を乗じて、姿勢制御トルクを実現するためのCMG2の目標ジンバル角速度を求める。次に目標軌道計画部12で求めたジンバル角速度計画値と、上で求めたCMG2のジンバル角速度の目標値との差をとる。目標軌道計画部12で求めたジンバル角計画値に、この差を時間積分(1/S)したものを加えて、CMG2の目標ジンバル角とする。
The target gimbal angular velocity of CMG2 for realizing the attitude control torque is obtained by multiplying the attitude control torque obtained previously by the generalized inverse matrix A + of the Jacobian matrix A. Next, the difference between the gimbal angular velocity plan value obtained by the target
フィードフォワード補償演算部9では、目標軌道計画部12で求めたジンバル角加速度計画値によるCMG2の慣性力、および人工衛星1の姿勢角速度と、CMG2のもつ角運動量によるジャイロ項の和を求めて、フィードフォワードジンバル制御トルクとする。
ジンバル制御演算部8では、CMGステアリング演算部14で求めた目標ジンバル角と目標ジンバル角速度とに、CMG2のジンバルが軌道追従するように制御系を構成する。ここは実施の形態1と同じである。
The feedforward
The gimbal
図8と図9の構成によれば、目標軌道計画部12において、人工衛星1の姿勢軌道に加えてCMG2のジンバル軌道の計画を行うとともに、CMGステアリング演算部14において、姿勢制御フィードバック演算部6で求めたフィードバック姿勢制御トルクと姿勢制御フィードフォワード演算部13で求めたフィードフォワード姿勢制御トルクの和で与えられる姿勢制御トルク、目標軌道計画部5で求めたジンバル軌道計画値、ジンバル推定部3で求めたジンバル角の推定値、姿勢推定部4で求めた姿勢角速度の推定値を用いて、CMG2の目標ジンバル角と目標ジンバル角速度、およびフィードフォワードジンバル制御トルクを求めている。
ジンバル制御演算部8では、前記で求めた目標ジンバル角と目標ジンバル角速度に軌道追従するようにジンバル制御系を構成し、CMG2のジンバル制御トルクを求めている。
8 and 9, the target
The gimbal
したがって人工衛星1が高速に姿勢変更する場合に、人工衛星1に大きな姿勢角速度が発生してもジンバル制御演算部での位相遅れは小さく、即ち、ジンバル角、ジンバル角速度、ジンバルトルクには大きな乱れはなく、それにともなう姿勢制御の乱れは小さい。この構成により、CMG2による高出力トルクを利用して、人工衛星1の高速な姿勢変更が可能になるとともに、姿勢変更後は速やかに人工衛星1の姿勢を目標姿勢に整定させることができる。
Therefore, when the attitude of the
また図10に示した従来の人工衛星の姿勢制御装置のように、ジンバル制御演算部を角速度制御系のみで構成し、ジンバル制御トルクを角速度制御系の出力トルクとして求める場合を考えると、地球周回衛星などの軌道角速度が常に存在する衛星において、CMG2のもつ角運動量と軌道角速度によるジャイロ項の影響により、姿勢変更後に姿勢角に定常偏差が残るという問題点があった。
しかるに、本実施例では、ジンバル制御演算部8を角度制御系と角速度制御系で構成し、角度制御系の出力トルクと角速度制御系の出力トルク、およびCMGステアリング演算部14で求めたフィードフォワードジンバル制御トルクの和でジンバル制御トルクを求めているので、姿勢変更後に姿勢角に定常偏差が残ることはない。
Further, as in the conventional artificial satellite attitude control device shown in FIG. 10, the gimbal control calculation unit is configured only by the angular velocity control system and the gimbal control torque is obtained as the output torque of the angular velocity control system. In a satellite such as a satellite that always has an orbital angular velocity, there is a problem in that a steady-state deviation remains in the attitude angle after the attitude change due to the effect of the gyro term due to the angular momentum and the orbital angular velocity of CMG2.
However, in this embodiment, the gimbal
実施の形態5.
実施の形態4において、ジンバル制御演算部8の構成は実施の形態1と同じとして説明したが、この限りではない。ジンバル制御演算部の構成は、実施の形態2の図で示した第二のジンバル制御演算部10の構成でもよい。
この構成によれば、目標軌道計画部12において、人工衛星1の姿勢軌道に加えてCMG2のジンバル軌道の計画を行うとともに、CMGステアリング演算部14において、姿勢制御フィードバック演算部6で求めたフィードバック姿勢制御トルクと姿勢制御フィードフォワード演算部13で求めたフィードフォワード姿勢制御トルクの和で与えられる姿勢制御トルク、目標軌道計画部12で求めたジンバル軌道計画値、ジンバル推定部3で求めたジンバル角の推定値を用いて、CMG2のジンバル角とジンバル角速度の目標値を求める。ジンバル制御演算部10では、ここで求めたジンバル角とジンバル角速度の目標値に軌道追従するようにジンバル制御系を構成し、CMG2のジンバル制御トルクを求めている。
Embodiment 5. FIG.
In the fourth embodiment, the configuration of the gimbal
According to this configuration, the target
したがって人工衛星1が高速に姿勢変更する場合に、人工衛星1に大きな姿勢角速度が発生してもジンバル制御演算部での位相遅れは小さく、それにともなう姿勢制御の乱れは小さい。この構成により、CMG2による高出力トルクを利用して、人工衛星1の高速な姿勢変更が可能になるとともに、姿勢変更後は速やかに人工衛星1の姿勢を目標姿勢に整定させることができる。
Therefore, when the attitude of the
また図10に示した従来の人工衛星の姿勢制御装置のように、ジンバル制御演算部を角速度制御系のみで構成し、ジンバル制御トルクを角速度制御系の出力トルクとして求める場合を考えると、地球周回衛星などの軌道角速度が常に存在する衛星において、CMG2のもつ角運動量と軌道角速度によるジャイロ項の影響により、姿勢変更後に姿勢角に定常偏差が残るという問題点があった。
しかるに、本実施例では、ジンバル制御演算部10を角度制御系と角速度制御系で構成し、角度制御系の出力トルクと角速度制御系の出力トルクの和でジンバル制御トルクを求めているので、姿勢変更後に姿勢角に定常偏差が残ることはない。
Further, as in the conventional artificial satellite attitude control device shown in FIG. 10, the gimbal control calculation unit is configured only by the angular velocity control system and the gimbal control torque is obtained as the output torque of the angular velocity control system. In a satellite such as a satellite that always has an orbital angular velocity, there is a problem in that a steady-state deviation remains in the attitude angle after the attitude change due to the effect of the gyro term due to the angular momentum and the orbital angular velocity of CMG2.
However, in this embodiment, the gimbal
実施の形態6.
実施の形態4において、ジンバル制御演算部の構成は実施の形態1と同じ第一のジンバル制御演算部8であるが、実施の形態3で示した第三のジンバル制御演算部11の構成でもよい。
この構成によれば、目標軌道計画部12において、人工衛星1の姿勢軌道に加えてCMG2のジンバル軌道の計画を行うとともに、CMGステアリング演算部14において、姿勢制御フィードバック演算部6で求めたフィードバック姿勢制御トルクと姿勢制御フィードフォワード演算部13で求めたフィードフォワード姿勢制御トルクの和で与えられる姿勢制御トルク、目標軌道計画部12で求めたジンバル軌道計画値、ジンバル推定部3で求めたジンバル角の推定値、姿勢推定部4で求めた姿勢角速度の推定値を用いて、CMG2のジンバル角速度の目標値、およびフィードフォワードジンバル制御トルクを求める。ジンバル制御演算部11では、ここで求めたジンバル角速度の目標値に軌道追従するようにジンバル制御系を構成し、CMG2のジンバル制御トルクを求めている。
In the fourth embodiment, the configuration of the gimbal control calculation unit is the same as the first gimbal
According to this configuration, the target
したがって人工衛星1が高速に姿勢変更する場合に、人工衛星1に大きな姿勢角速度が発生してもジンバル制御演算部での位相遅れは小さく、それにともなう姿勢制御の乱れは小さい。この構成により、CMG2による高出力トルクを利用して、人工衛星1の高速な姿勢変更が可能になるとともに、姿勢変更後は速やかに人工衛星の姿勢を目標姿勢に整定させることができる。
Therefore, when the attitude of the
また図10に示した従来の人工衛星の姿勢制御装置のように、ジンバル制御演算部を角速度制御系のみで構成し、ジンバル制御トルクを角速度制御系の出力トルクとして求める場合を考えると、地球周回衛星などの軌道角速度が常に存在する衛星において、CMG2のもつ角運動量と軌道角速度によるジャイロ項の影響により、姿勢変更後に姿勢角に定常偏差が残るという問題点があった。
しかるに、本実施の形態では、第三のジンバル制御演算部11を角速度制御系で構成し、角速度制御系の出力トルク、およびCMGステアリング演算部14で求めたフィードフォワードジンバル制御トルクの和でジンバル制御トルクを求めているので、姿勢変更後に姿勢角に定常偏差が残ることはない。
Further, as in the conventional artificial satellite attitude control device shown in FIG. 10, the gimbal control calculation unit is configured only by the angular velocity control system and the gimbal control torque is obtained as the output torque of the angular velocity control system. In a satellite such as a satellite that always has an orbital angular velocity, there is a problem in that a steady-state deviation remains in the attitude angle after the attitude change due to the effect of the gyro term due to the angular momentum and the orbital angular velocity of CMG2.
However, in the present embodiment, the third gimbal
本発明による人工衛星の姿勢制御装置は、人工衛星本体の姿勢制御を対象とするだけでなく、人工衛星に搭載されたアンテナの方向制御や望遠鏡方向制御にも利用することが出来る。 The attitude control device for an artificial satellite according to the present invention can be used not only for the attitude control of the artificial satellite body but also for the direction control of the antenna mounted on the artificial satellite and the direction control of the telescope.
1 人工衛星、 2 CMG、 3 ジンバル推定部、 4 姿勢推定部、
5 目標軌道計画部、 6 姿勢制御フィードバック演算部、
7 CMGステアリング演算部、 8 第一のジンバル制御演算部、
9 フィードフォワード補償演算部、 10 第二のジンバル制御演算部、
11 第三のジンバル制御演算部、 12 目標軌道計画部、
13 姿勢制御フィードフォワード演算部、 14 CMGステアリング演算部、
21 ジンバル駆動モータ、 22 フライホイール、 23 ジンバル、
24 ジンバル軸、 25 ホイールスピン軸、 26 目標軌道計画部、
27 姿勢制御フィードバック演算部、 28 CMGステアリング演算部、
29 ジンバル制御演算部、 57、67 簡素化したCMGステアリング演算部。
1 artificial satellite, 2 CMG, 3 gimbal estimation unit, 4 attitude estimation unit,
5 target trajectory planning unit, 6 attitude control feedback calculation unit,
7 CMG
9 Feedforward compensation calculation unit, 10 Second gimbal control calculation unit,
11 Third gimbal control calculation unit, 12 Target trajectory planning unit,
13 attitude control feedforward calculation unit, 14 CMG steering calculation unit,
21 Gimbal drive motor, 22 Flywheel, 23 Gimbal,
24 Gimbal axis, 25 Wheel spin axis, 26 Target trajectory planning unit,
27 attitude control feedback calculation unit, 28 CMG steering calculation unit,
29 Gimbal control calculation unit, 57, 67 Simplified CMG steering calculation unit.
Claims (6)
前記CMGのジンバル角およびジンバル角速度を推定するジンバル推定部、
前記人工衛星の姿勢角および姿勢角速度を推定する姿勢推定部、
前記人工衛星の目標姿勢角、目標姿勢角速度、前記CMGのジンバル角計画値、ジンバル角速度計画値、ジンバル角加速度計画値を出力する目標軌道計画部、
前記目標姿勢角と前記姿勢角との差と、前記目標姿勢角速度と前記姿勢角速度との差との2つの差を低減するフィードバック姿勢制御トルクを演算する姿勢制御フィードバック演算部、
前記フィードバック姿勢制御トルクと前記ジンバル角とに基づいて、前記ジンバル角計画値と前記ジンバル角速度計画値とを補正して、目標ジンバル角と目標ジンバル角速度を得るとともに、前記ジンバル角加速度計画値と前記姿勢角速度と前記ジンバル角とに基づいてフィードフォワードジンバル制御トルクを演算するCMGステアリング演算部、
前記目標ジンバル角と前記ジンバル角との差に基づいて、前記目標ジンバル角速度を補正する角度制御系と、前記補正された目標ジンバル角速度と前記ジンバル角速度との差に基づいて、前記フィードフォワードジンバル制御トルクを補正する角速度制御系とを有し、前記CMGを制御するジンバル制御トルクを出力する第一のジンバル制御演算部を備えたことを特徴とする人工衛星の姿勢制御装置。 Mounted on a satellite with CMG (Control Moment Gyro) for controlling the attitude,
A gimbal estimation unit for estimating a gimbal angle and a gimbal angular velocity of the CMG;
A posture estimation unit for estimating a posture angle and a posture angular velocity of the artificial satellite;
A target trajectory planning unit that outputs a target attitude angle, a target attitude angular velocity, a gimbal angular plan value, a gimbal angular velocity planned value, and a gimbal angular acceleration planned value of the CMG;
A posture control feedback calculator for calculating a feedback posture control torque that reduces two differences between the difference between the target posture angle and the posture angle and the difference between the target posture angular velocity and the posture angular velocity;
Based on the feedback attitude control torque and the gimbal angle, the gimbal angle planned value and the gimbal angular velocity planned value are corrected to obtain a target gimbal angle and a target gimbal angular velocity, and the gimbal angular acceleration planned value and the A CMG steering calculation unit for calculating a feedforward gimbal control torque based on the attitude angular velocity and the gimbal angle;
An angle control system that corrects the target gimbal angular velocity based on the difference between the target gimbal angle and the gimbal angle, and the feedforward gimbal control based on the difference between the corrected target gimbal angular velocity and the gimbal angular velocity. An artificial satellite attitude control device comprising an angular velocity control system for correcting torque, and a first gimbal control calculation unit for outputting a gimbal control torque for controlling the CMG.
前記CMGのジンバル角およびジンバル角速度を推定するジンバル推定部、
前記人工衛星の姿勢角および姿勢角速度を推定する姿勢推定部、
前記人工衛星の目標姿勢角、目標姿勢角速度、前記CMGのジンバル角計画値、ジンバル角速度計画値を演算する目標軌道計画部、
前記目標姿勢角と前記姿勢角との差と、前記目標姿勢角速度と前記姿勢角速度との差との2つの差を低減するフィードバック姿勢制御トルクを演算する姿勢制御フィードバック演算部、
前記フィードバック姿勢制御トルクと前記ジンバル角とに基づいて、前記ジンバル角計画値とジンバル角速度計画値とを補正して目標ジンバル角と目標ジンバル角速度とを得るCMGステアリング演算部、
前記目標ジンバル角と前記ジンバル角との差に基づいて、前記目標ジンバル角速度を補正する角度制御系と、前記補正された目標ジンバル角速度と前記ジンバル角速度との差に基づいて、前記CMGを制御するジンバル制御トルクを出力する角速度制御系とを有する第二のジンバル制御演算部を備えたことを特徴とする人工衛星の姿勢制御装置。 Mounted on a satellite with CMG (Control Moment Gyro) for controlling the attitude,
A gimbal estimation unit for estimating a gimbal angle and a gimbal angular velocity of the CMG;
A posture estimation unit for estimating a posture angle and a posture angular velocity of the artificial satellite;
A target trajectory planning unit for calculating a target attitude angle, a target attitude angular velocity of the artificial satellite, a gimbal angle plan value of the CMG, and a gimbal angular velocity plan value;
A posture control feedback calculator for calculating a feedback posture control torque that reduces two differences between the difference between the target posture angle and the posture angle and the difference between the target posture angular velocity and the posture angular velocity;
A CMG steering calculation unit that corrects the planned gimbal angle value and the planned gimbal angular velocity value based on the feedback attitude control torque and the gimbal angle to obtain a target gimbal angle and a target gimbal angular velocity;
An angle control system that corrects the target gimbal angular velocity based on the difference between the target gimbal angle and the gimbal angle, and the CMG is controlled based on the difference between the corrected target gimbal angular velocity and the gimbal angular velocity. An attitude control device for an artificial satellite comprising a second gimbal control calculation unit having an angular velocity control system for outputting a gimbal control torque.
前記CMGのジンバル角およびジンバル角速度を推定するジンバル推定部、
前記人工衛星の姿勢角および姿勢角速度を推定する姿勢推定部、
前記人工衛星の目標姿勢角、目標姿勢角速度、前記CMGのジンバル角速度計画値、ジンバル角加速度計画値を出力する目標軌道計画部、
前記目標姿勢角と前記姿勢角との差と、前記目標姿勢角速度と前記姿勢角速度との差との2つの差を低減するフィードバック姿勢制御トルクを求める姿勢制御フィードバック演算部、
前記フィードバック姿勢制御トルクと前記ジンバル角とに基づいて、前記ジンバル角速度計画値を補正して目標ジンバル角速度を得るとともに、前記ジンバル角加速度計画値と前記姿勢角速度と前記ジンバル角とに基づいてフィードフォワードジンバル制御トルクを演算するCMGステアリング演算部、
前記目標ジンバル角速度と前記ジンバル角速度との差に基づいて前記フィードフォワードジンバル制御トルクを補正して前記CMGを制御するジンバル制御トルクとして出力する角速度制御系を有する第三のジンバル制御演算部を備えたことを特徴とする人工衛星の姿勢制御装置。 Mounted on a satellite with CMG (Control Moment Gyro) for controlling the attitude,
A gimbal estimation unit for estimating a gimbal angle and a gimbal angular velocity of the CMG;
A posture estimation unit for estimating a posture angle and a posture angular velocity of the artificial satellite;
A target trajectory planning unit that outputs a target attitude angle, a target attitude angular velocity of the artificial satellite, a gimbal angular velocity plan value of the CMG, and a gimbal angular acceleration plan value;
A posture control feedback calculation unit for obtaining a feedback posture control torque that reduces two differences between the difference between the target posture angle and the posture angle and the difference between the target posture angular velocity and the posture angular velocity;
Based on the feedback attitude control torque and the gimbal angle, the gimbal angular speed plan value is corrected to obtain a target gimbal angular speed, and feedforward is performed based on the gimbal angular acceleration plan value, the attitude angular speed, and the gimbal angle. CMG steering calculation unit for calculating gimbal control torque,
A third gimbal control calculation unit having an angular speed control system for correcting the feedforward gimbal control torque based on a difference between the target gimbal angular speed and the gimbal angular speed and outputting the gimbal control torque for controlling the CMG; An attitude control device for an artificial satellite.
前記CMGのジンバル角およびジンバル角速度を推定するジンバル推定部、
前記人工衛星の姿勢角および姿勢角速度を推定する姿勢推定部、
前記人工衛星の目標姿勢角、目標姿勢角速度、目標姿勢角加速度、前記CMGのジンバル角計画値、ジンバル角速度計画値、ジンバル角加速度計画値を出力する目標軌道計画部、
前記目標姿勢角加速度と前記ジンバル角、および前記姿勢角速度とにもとづいて、前記CMGに発生させるフィードフォワード姿勢制御トルクを得る姿勢制御フィードフォワード演算部、
前記目標姿勢角と前記姿勢角との差と、前記目標姿勢角速度と前記姿勢角速度との差との2つの差を低減するフィードバック姿勢制御トルクを求め、これを前記フィードフォワード姿勢制御トルクに加算して、姿勢制御トルクを得る姿勢制御フィードバック演算部、
前記姿勢制御トルクと前記ジンバル角とに基づいて目標ジンバル角速度を得るとともに、この目標ジンバル角速度と前記ジンバル角速度計画値との差に基づいて前記ジンバル角計画値を補正して目標ジンバル角を得るとともに、前記ジンバル角加速度計画値と前記姿勢角速度と前記ジンバル角とに基づいてフィードフォワードジンバル制御トルクを演算するCMGステアリング演算部、
前記目標ジンバル角と前記ジンバル角との差に基づいて、前記目標ジンバル角速度を補正する角度制御系と、この補正された目標ジンバル角速度と前記ジンバル角速度との差に基づいて、前記フィードフォワードジンバル制御トルクを補正する角速度制御系とを有し、前記CMGを制御するジンバル制御トルクを出力する第一のジンバル制御演算部を備えたことを特徴とする人工衛星の姿勢制御装置。 Mounted on a satellite with CMG (Control Moment Gyro) for controlling the attitude,
A gimbal estimation unit for estimating a gimbal angle and a gimbal angular velocity of the CMG;
A posture estimation unit for estimating a posture angle and a posture angular velocity of the artificial satellite;
A target trajectory planning unit for outputting a target attitude angle, a target attitude angular velocity, a target attitude angular acceleration of the artificial satellite, a gimbal angular velocity planned value, a gimbal angular velocity planned value, and a gimbal angular acceleration planned value of the CMG;
A posture control feedforward computing unit that obtains a feedforward posture control torque to be generated by the CMG based on the target posture angular acceleration, the gimbal angle, and the posture angular velocity;
A feedback attitude control torque that reduces two differences between the difference between the target attitude angle and the attitude angle and the difference between the target attitude angular velocity and the attitude angular velocity is obtained, and this is added to the feedforward attitude control torque. Attitude control feedback calculation unit for obtaining attitude control torque,
A target gimbal angular speed is obtained based on the attitude control torque and the gimbal angle, and a target gimbal angle is obtained by correcting the gimbal angle planned value based on a difference between the target gimbal angular speed and the gimbal angular speed planned value. A CMG steering calculation unit that calculates a feedforward gimbal control torque based on the planned gimbal angular acceleration value, the posture angular velocity, and the gimbal angle;
An angle control system that corrects the target gimbal angular velocity based on the difference between the target gimbal angle and the gimbal angle, and the feedforward gimbal control based on the difference between the corrected target gimbal angular velocity and the gimbal angular velocity. An artificial satellite attitude control device comprising an angular velocity control system for correcting torque, and a first gimbal control calculation unit for outputting a gimbal control torque for controlling the CMG.
前記CMGのジンバル角およびジンバル角速度を推定するジンバル推定部、
前記人工衛星の姿勢角および姿勢角速度を推定する姿勢推定部、
前記人工衛星の目標姿勢角、目標姿勢角速度、目標姿勢角加速度、前記CMGのジンバル角計画値、ジンバル角速度計画値を出力する目標軌道計画部、
前記目標姿勢角加速度と前記ジンバル角、および前記姿勢角速度にもとづいてフィードフォワード姿勢制御トルクを得る姿勢制御フィードフォワード演算部、
前記目標姿勢角と前記姿勢角との差と、前記目標姿勢角速度と前記姿勢角速度との差との差の2つの差を低減するフィードバック姿勢制御トルクを求め、これを前記フィードフォワード姿勢制御トルクに加算して補正し、姿勢制御トルクを得る姿勢制御フィードバック演算部、
前記姿勢制御トルクと前記ジンバル角とに基づいて目標ジンバル角速度を得るとともに、この目標ジンバル角速度と前記ジンバル角速度計画値との差に基づいて前記ジンバル角計画値を補正して目標ジンバル角を得るCMGステアリング演算部、
前記目標ジンバル角と前記ジンバル角との差に基づいて、前記目標ジンバル角速度を補正する角度制御系と、前記補正された目標ジンバル角速度と前記ジンバル角速度との差に基づいて、前記CMGを制御するジンバル制御トルクを出力する角速度制御系とを有する第二のジンバル制御演算部を備えたことを特徴とする人工衛星の姿勢制御装置。 Mounted on a satellite with CMG (Control Moment Gyro) for controlling the attitude,
A gimbal estimation unit for estimating a gimbal angle and a gimbal angular velocity of the CMG;
A posture estimation unit for estimating a posture angle and a posture angular velocity of the artificial satellite;
A target trajectory planning unit that outputs a target attitude angle, a target attitude angular velocity, a target attitude angular acceleration of the artificial satellite, a gimbal angle plan value of the CMG, and a gimbal angular velocity plan value;
An attitude control feedforward computing unit that obtains a feedforward attitude control torque based on the target attitude angular acceleration and the gimbal angle, and the attitude angular velocity;
A feedback attitude control torque that reduces two differences between the difference between the target attitude angle and the attitude angle and the difference between the target attitude angular velocity and the attitude angular velocity is obtained, and this is used as the feedforward attitude control torque. A posture control feedback calculation unit that adds and corrects to obtain posture control torque,
A target gimbal angular velocity is obtained based on the attitude control torque and the gimbal angle, and a target gimbal angle is obtained by correcting the gimbal angle planned value based on a difference between the target gimbal angular velocity and the gimbal angular velocity planned value. Steering calculation unit,
An angle control system that corrects the target gimbal angular velocity based on the difference between the target gimbal angle and the gimbal angle, and the CMG is controlled based on the difference between the corrected target gimbal angular velocity and the gimbal angular velocity. An attitude control device for an artificial satellite comprising a second gimbal control calculation unit having an angular velocity control system for outputting a gimbal control torque.
前記CMGのジンバル角およびジンバル角速度を推定するジンバル推定部、
前記人工衛星の姿勢角および姿勢角速度を推定する姿勢推定部、
前記人工衛星の目標姿勢角、目標姿勢角速度、目標姿勢角加速度、前記CMGのジンバル角加速度計画値を出力する目標軌道計画部、
前記目標姿勢角加速度と前記ジンバル角、および前記姿勢角速度にもとづいてフィードフォワード姿勢制御トルクを得る姿勢制御フィードフォワード演算部、
前記目標姿勢角と前記姿勢角との差と、および前記目標姿勢角速度と前記姿勢角速度との差との2つの差を低減するフィードバック姿勢制御トルクを求め、これを前記フィードフォワード姿勢制御トルクに加算して補正し、姿勢制御トルクを得る姿勢制御フィードバック演算部、
前記姿勢制御トルクと前記ジンバル角とに基づいて前記ジンバル角速度を得るとともに、前記ジンバル角加速度計画値と前記姿勢角速度と前記ジンバル角とに基づいてフィードフォワードジンバル制御トルクを演算するCMGステアリング演算部、
前記目標ジンバル角速度と前記ジンバル角速度との差に基づいて、前記フィードフォワードジンバル制御トルクを補正して、前記CMGを制御するジンバル制御トルクとして出力する角速度制御系を有する第三のジンバル制御演算部を備えたことを特徴とする人工衛星の姿勢制御装置。 Mounted on a satellite with CMG (Control Moment Gyro) for controlling the attitude,
A gimbal estimation unit for estimating a gimbal angle and a gimbal angular velocity of the CMG;
A posture estimation unit for estimating a posture angle and a posture angular velocity of the artificial satellite;
A target trajectory planning unit that outputs a target attitude angle, a target attitude angular velocity, a target attitude angular acceleration of the artificial satellite, and a gimbal angular acceleration plan value of the CMG;
An attitude control feedforward computing unit that obtains a feedforward attitude control torque based on the target attitude angular acceleration and the gimbal angle, and the attitude angular velocity;
A feedback attitude control torque that reduces the difference between the target attitude angle and the attitude angle and the difference between the target attitude angular velocity and the attitude angular velocity is obtained, and this is added to the feedforward attitude control torque. And attitude control feedback calculation unit for obtaining attitude control torque,
A CMG steering calculation unit that obtains the gimbal angular speed based on the attitude control torque and the gimbal angle, and calculates a feedforward gimbal control torque based on the planned gimbal angular acceleration value, the attitude angular speed, and the gimbal angle;
A third gimbal control calculation unit having an angular velocity control system that corrects the feedforward gimbal control torque based on the difference between the target gimbal angular velocity and the gimbal angular velocity and outputs the gimbal control torque for controlling the CMG. An attitude control device for an artificial satellite, comprising:
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