JP4930072B2 - 人工衛星の姿勢制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、姿勢制御のためのアクチュエータとして、リアクションホイール及び／あるいはモーメンタムホイール、ならびにスラスタを搭載した人工衛星の姿勢制御装置に関する。

一般に人工衛星の姿勢制御装置では、姿勢制御のためのアクチュエータとしてリアクションホイール及び／あるいはモーメンタムホイール（以下、ホイールと呼ぶ）、ならびにスラスタを搭載しており、スラスタを主アクチュエータとして姿勢制御を行なうスラスタ姿勢制御演算機能、リアクションホイールを主アクチュエータとして姿勢制御を行なうホイール姿勢制御演算機能を有している。

スラスタ姿勢制御演算機能及びホイール姿勢制御演算機能は互いに独立した機能となっており、状況に応じてどちらか一方を選択して使用することにより、姿勢制御に必要な三軸トルクを出力して三軸姿勢制御を実現している。

スラスタとホイールを併用して駆動するケースとしては、例えば、ホイールのトルクでは姿勢制御しきれないような場合、トルク不足を補うためにスラスタ駆動に切り換える、またはホイールとスラスタを同時に駆動する場合がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２８７２９９号公報（第４〜６頁、第１図〜第５図）

従来の人工衛星の姿勢制御装置では、通常スラスタ姿勢制御演算機能及びホイール姿勢制御演算機能は独立して動作させ、かつ姿勢制御装置の継続性を高めるため冗長構成としてスラスタ、ホイールは各々３個以上搭載する。

しかし、例えばホイールの故障等により機能するホイールが２個しかない場合は、ホイールによる三軸トルクは出力することができない。スラスタも故障等により機能するスラスタが２個しかない場合でも、同様にスラスタによる三軸トルクは出力することができない。

また、スラスタとホイールを併用して駆動させる場合でも、従来技術においては、上述のようにホイールによるトルク不足を補うためのものであり、各々が三軸トルクを出力可能であることを前提としている。従ってホイール、スラスタとも２個しか機能しない場合は、三軸トルクは出力できず、姿勢制御機能を維持することができない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、ホイール、スラスタとも各々２個しか機能しない場合でも、ホイールとスラスタを主アクチュエータとして同時に駆動することにより、人工衛星の姿勢制御機能を維持することを目的とする。

本発明に係る人工衛星の姿勢制御装置は、
互いにトルク発生軸方向の異なる２個のホイールと、
前記２個のホイールの各トルク発生軸方向に対する直交軸方向にトルク成分をもちかつ前記直交軸方向と平行ではないトルクを発生する少なくとも２個のスラスタと、
前記人工衛星の姿勢角度と姿勢角速度より、前記ホイールと前記スラスタを用いて姿勢制御を行なうトルクコマンドを得て、前記トルクコマンドを前記２個のホイールの各トルク発生軸方向を含む面上の独立な２軸方向と前記直交軸方向を基底ベクトルとして表現される座標系に変換し、前記直交軸方向の成分のトルクコマンドと、前記２個のホイールの各トルク発生軸方向の成分のトルクコマンドを出力する座標変換部と、
前記座標変換部より出力された前記直交軸方向の成分のトルクコマンドを入力し、前記スラスタへ駆動コマンドを出力するとともに、前記スラスタを駆動させることで生じるトルクのうち前記２個のホイールの各トルク発生軸方向への射影成分のトルクを打ち消すための打消コマンドを出力するスラスタ駆動演算部と、
前記座標変換部より出力された前記トルクコマンドと、前記スラスタ駆動演算部より出力された前記打消コマンドを入力し、前記ホイールへ駆動コマンドを出力するホイール駆動演算部と、を備え、
前記スラスタのうち、少なくとも１個は前記２個のホイールの各トルク発生軸方向に対する直交軸に対して正の向きにトルク成分を持ち、他の少なくとも１個は前記直交軸に対して負の向きにトルク成分を持つことを特徴とするものである。

本発明により、２個のホイール及び２個以上のスラスタを併用することで人工衛星の姿勢制御が可能となり、人工衛星の姿勢制御装置の継続性が向上する。

実施の形態１．
以下、図を用いて本発明に係る実施の形態１について説明する。図１は実施の形態１における人工衛星の姿勢制御装置のブロック図を示している。

光学センサ１は人工衛星の姿勢角度を出力し、レートジャイロ２は人工衛星の姿勢角速度を出力する。姿勢決定演算部３には、光学センサ１から出力された人工衛星の姿勢角度、及びレートジャイロ２から出力された人工衛星の姿勢角速度が入力される。姿勢決定演算部３には、人工衛星の目標姿勢角度及び目標姿勢角速度が予め設定され、入力された人工衛星の姿勢角度及び姿勢角速度に基づいて、人工衛星の目標姿勢角度及び目標姿勢角速度に対する誤差を出力する。

トルクコマンド演算部４には、姿勢決定演算部３より出力された姿勢角度誤差及び姿勢角速度誤差が入力され、人工衛星の姿勢制御に必要なトルクコマンドを出力する。トルクコマンド演算部４より出力されるトルクコマンドは、衛星の姿勢制御に必要なトルクの値を機体座標系の各軸に対して計算したものであり、例えば「姿勢角誤差及び姿勢角速度誤差を打ち消すためには機体座標系Ｘ軸周りにＴｃｘ、Ｙ軸周りにＴｃｙ、Ｚ軸周りにＴｃｚのトルクを出力する必要がある」などの内容に相当するコマンドである。

なお、姿勢決定演算部３は人工衛星の機体座標系で表現された姿勢角度誤差及び姿勢角速度誤差を出力する。従ってトルクコマンド演算部４が出力するトルクコマンドも、人工衛星の機体座標系で表現されたものとなる。ここで人工衛星の機体座標系とは、人工衛星の機体に対して固定された座標系であり、例えば３次元の直交座標系である。

ホイール５は２個のホイール５ａ、５ｂで構成される。ホイール５ａ、５ｂは、各々一軸のトルク出力のみ可能である。通常、ホイール５ａ、５ｂのトルク出力軸は同一直線状ではないため、ホイール５ａ、５ｂのトルク出力軸で平面を構成することができる。この平面を、本明細書においてはホイール基準面１４と呼ぶ。なおホイール基準面１４については、図２においても後述する。

人工衛星の姿勢を維持するためには、三軸のトルクが必要である。しかし、ホイール５はホイール基準面１４の法線方向のトルクを出力できない。従って、ホイール５に加えてスラスタ６を同時に駆動することにより、ホイール基準面１４の法線方向のトルクを出力することで、人工衛星の姿勢制御に必要な三軸トルクを得る。

但し、トルクコマンド演算部４が出力するトルクコマンドは機体座標系で表現されたものであるため、ホイール５とスラスタ６を用いた三軸トルクを得るには、トルクコマンドをホイール基準面１４に基づく座標系であるホイール基準面座標系に変換してトルクコマンドを分配する必要がある。従って、トルクコマンドをホイール５の成分とスラスタ６の成分に分配する機能として、ホイール基準面座標変換部７を設ける。

ホイール基準面座標変換部７では、機体座標系からホイール基準面座標系への座標変換行列を用いて、トルクコマンド演算部４が出力するトルクコマンドを機体座標系表現からホイール基準面座標系表現へ変換する。

座標変換によりホイール基準面座標系に変換されたトルクコマンドのうち、ホイール基準面内成分（以下、トルクコマンド面内成分）８をホイール駆動演算部１１に、ホイール基準面法線成分（以下、トルクコマンド法線成分）９をスラスタ駆動演算部１０に各々出力する。なお、座標変換演算の詳細例は後述する。

スラスタ駆動演算部１０には、トルクコマンド法線成分９を入力し、スラスタ６の駆動コマンドを出力する。

ホイール５は、ホイールを正回転または逆回転させることにより、トルク出力軸上に対して正負両方向のトルクを発生することが出来る。しかし、推薬を噴射することによりトルクを発生させるスラスタは、一方向にしかトルクを発生できない。このためスラスタ駆動演算部１０では、後述するように、ホイール基準面１４における法線方向に対してトルクコマンドが正方向か負方向かを判定した上で、いずれのスラスタを駆動させるか判断している。

スラスタ駆動演算部１０は、駆動させるスラスタを判断した後、スラスタ６に対してスラスタ駆動コマンドを出力する。例えば、スラスタ６ａがホイール基準面１４に対して法線方向の正方向にトルクを発生させるスラスタ、スラスタ６ｂが負方向にトルクを発生させるスラスタであるとする。判定結果が正方向である場合、スラスタ６ａを駆動させるようにコマンドを出力する。

スラスタ６には、スラスタ駆動演算部１０より出力されたスラスタ駆動コマンドが入力され、スラスタ駆動コマンドに基づきスラスタ６ａ、６ｂを駆動させる。

なお実施の形態１における姿勢制御装置では、２個のスラスタで人工衛星の姿勢制御を行っている。しかし、スラスタの配置によっては、４個あるいはそれ以上のスラスタを組み合わせて使用した方が効率的に制御を行なうことができるため、スラスタの個数は２個に限定するものではない。

一般に、スラスタ６ａ、６ｂのトルク出力はホイール基準面１４の法線方向と平行ではない。従って、スラスタ６ａ、６ｂを駆動してトルクを出力する場合、ホイール基準面１４に対する射影成分である外乱トルクがホイール基準面１４に生じる。

外乱トルクの発生は、人工衛星の姿勢変動の要因となる。従って、スラスタ６を駆動させることにより発生する外乱トルクを打ち消すためのコマンドである外乱打消トルクコマンドを求め、スラスタ駆動演算部１０より出力する。スラスタ駆動演算部１０の動作については、後述する。

ホイール駆動演算部１１には、ホイール基準面座標変換部７より出力されたトルクコマンド面内成分８と、スラスタ駆動演算部１０より出力された外乱打消トルクコマンドの和を入力する。この和入力には、加算器などを用いればよい。またこの加算器は、ホイール駆動演算部１１に含めてもよい。ホイール駆動演算部１１は、この和入力とホイール５が発生するトルクが等しくなるように、ホイール５に対してホイール駆動コマンドを出力する。

つまり、ホイール５は摩擦抵抗を持つため、摩擦抵抗によるトルク減少分を補正することで、和入力とホイール５が発生するトルクを等しくする必要がある。そのために、ホイール駆動演算部１１からホイール５へホイール駆動コマンドを出力するとともに、ホイール５からホイール駆動演算部１１へホイール角速度を出力させるループを形成することにより、ホイール５の摩擦抵抗を補正したホイール駆動を行なう。ホイール駆動演算部１１内の詳細な処理内容は、従来技術におけるホイール姿勢制御演算機能と同様の処理で実現可能であるため、説明は省略する。

上記ホイール駆動により、ホイール５には角運動量が蓄積され回転数が増加する。しかしホイールの回転数には限界があるため、他のアクチュエータにより外部トルクを発生させホイールの回転数を減少させる、アンローディングと称する操作が必要となる。図１では、磁気トルカ１２を駆動してトルクを発生することにより、ホイール回転数の飽和を回避する。

磁気トルカ１２は２個あるいはそれ以上の個数の磁気トルカで構成され、電流を印加して磁場を発生することにより、地球磁場との相互作用によりトルクを発生させる装置である。

磁気アンローディング演算部１３は、ホイール５が出力するホイール角速度をもとに、ホイール５に蓄積している角運動量を求め、磁気トルカ１２が発生する外力トルクがホイール５の蓄積角運動量を減少させるように、磁気トルカ駆動コマンドを出力する。磁気アンローディング演算部１３内の詳細な処理内容は、従来技術におけるホイール姿勢制御演算機能における磁気アンローディング演算と同様の処理で実現可能であるため、説明は省略する。

図２は、ホイール基準面座標変換部７におけるホイール基準面座標系を説明する図である。図２において、Ｘ_Ｂ、Ｙ_Ｂ、Ｚ_Ｂは、前述した機体座標系である。図２に記載したようにホイール５ａ、５ｂが配置されているとする。

ホイール５ａ、５ｂにより２軸分のトルクを発生させるため、ホイール５ａ、５ｂのトルク出力軸は同一直線状にはなく、独立した２成分である。従って、独立した２成分であるホイール５ａ、５ｂのトルク出力軸により平面を張ることができる。その平面が、前述したホイール基準面１４である。ホイール基準面座標系とは、ホイール基準面１４上の独立する２軸のベクトル及びホイール基準面１４の法線ベクトルを基底とする座標系である。

ホイール基準面座標変換部７における座標変換は以下のように行なう。トルクコマンドの機体座標系表現をＴ_Ｃ、トルクコマンドのホイール基準面座標系表現をＴ_ＣＷとする。トルクコマンドのホイール基準面座標系への変換は式（１）のようになる。

ここでＣ_Ｂ→Ｗは機体座標系からホイール基準面座標系への変換行列である。Ｃ_Ｂ→Ｗはホイール５ａ、５ｂのトルク出力軸方向の単位ベクトルＴ_Ｗａ、Ｔ_Ｗｂ用いて、次式（２）−（５）のように求められる。

ここでＸ_Ｗ、Ｙ_Ｗ、Ｚ_Ｗは、ホイール基準面座標系の基底ベクトルの機体座標系表現であり、式（３）から式（５）で求められる。但し、ここではホイール５ａのトルク発生軸方向をＸ_Ｗとしてホイール基準面座標系を構築したが、Ｘ_Ｗ、Ｙ_Ｗはホイール基準面上の独立な２軸であっても良いため、式（３）から式（５）以外の方法でホイール基準面座標系を定義することも可能である。

Ｔ_ＣＷの要素は式（６）で表現される。

この要素のうちＴ_ＣＷＸ及びＴ_ＣＷＹがトルクコマンド面内成分８であり、ホイール駆動演算部１１に出力される。またＴ_ＣＷＺがトルクコマンド法線成分９であり、スラスタ駆動演算部１０に出力される。

図３は、ホイール基準面座標系におけるスラスタ出力トルクを示す図である。スラスタ６ａの出力トルクをＴ_ａ、スラスタ６ｂの出力トルクをＴ_ｂとすると、ホイール基準面座標系における表現は、各々式（７）、（８）のように表現される。

ただしＴ_ａｚ＞０、Ｔ_ｂｚ＜０である。

一般にスラスタ６ａ、６ｂのトルク出力はホイール基準面１４と直交せず、Ｔ_ａｘ＝Ｔ_ａｙ＝０、Ｔ_ｂｘ＝Ｔ_ｂｙ＝０ではない。従って、図３に示すように、ホイール基準面１４に対して射影成分をもつ。この射影成分が前述したとおり、ホイールに対する外乱トルクとなる。

このホイール基準面１４内に発生する外乱トルクは、人工衛星の姿勢誤差を引き起こす要因となる。しかし、外乱トルクはホイール基準面１４内のトルクであり、またスラスタ６の配置から外乱トルクを事前に予測することが可能である。従って、ホイール５が外乱トルクと逆方向のトルクを出力して外乱トルクを打ち消すことにより、人工衛星の姿勢誤差発生を抑えることが可能である。このスラスタ６による外乱トルクの打ち消しを行なうため、スラスタ駆動演算部１０にて外乱打消トルクコマンドを作成する。

図４は、スラスタ駆動演算部１０を示すブロック図の例である。図４において、１０ａ、１０ｂはリミッタ、１０ｃ、１０ｄはスラスタモジュレータ、１０ｅは外乱打消トルク演算部である。

トルクコマンド法線成分９は、まずリミッタ１０ａ、１０ｂに入力される。リミッタ１０ａ、１０ｂでは、スラスタ６により発生させる出力トルクがホイール基準面１４における法線方向に対して正方向か負方向かの極性を判定する。

例えば図４に示されているリミッタ１０ａはホイール基準面１４の正の法線方向、リミッタ１０ｂはホイール基準面１４の負の法線方向に関するリミッタである。リミッタ１０ａ、１０ｂにより、トルクコマンドのトルクコマンド法線成分９の極性を判定し、スラスタ６ａ、６ｂのどちらを駆動するか判断する。

スラスタ６はＯＮ／ＯＦＦのコントロールにより出力を変化させるため、スラスタモジュレータ１０ｃ、１０ｄにより、スラスタ６により発生させる出力トルクの平均値が、トルクコマンド法線成分９と等しくなるように、スラスタ６のＯＮ／ＯＦＦのパルス幅及びパルス周期を変化させる。

スラスタモジュレータ１０ｃの制御により、スラスタ６ａを動作させるためのスラスタａ駆動コマンド（ＯＮ／ＯＦＦ）が出力され、スラスタモジュレータ１０ｄよりスラスタ６ｂを動作させるためのスラスタｂ駆動コマンド（ＯＮ／ＯＦＦ）が出力される。

リミッタ１０ａ、１０ｂにより、スラスタ６ａを駆動させたい場合は、スラスタａ駆動コマンドをＯＮとする。同様に、スラスタ６ｂを駆動させたい場合は、スラスタｂ駆動コマンドをＯＮとする。

また上述したように、スラスタ６を駆動させることにより発生した外乱トルクを打ち消すための外乱打消トルクコマンドを外乱打消トルク演算部１０ｅで作成する。外乱打消トルク演算部１０ｅには、スラスタ６ａ、６ｂの駆動コマンドを入力する。スラスタ駆動コマンドのＯＮ、ＯＦＦは各々１、０に対応する。

ここでスラスタ６の配置は予めわかっているため、スラスタの出力トルク成分であるＴ_ａｘ、Ｔ_ａｙ、Ｔ_ｂｘ、Ｔ_ｂｙは外乱打消トルク演算部１０ｅにメモリ等を用いて予め記憶させておくことが出来る。スラスタ駆動コマンドを入力し、乗算器にてＴ_ａｘ、Ｔ_ａｙ、Ｔ_ｂｘ、Ｔ_ｂｙを乗じて負号をつけることで、外乱打消トルクコマンドを出力する。

例えば、スラスタａ駆動コマンドがＯＦＦでスラスタｂ駆動コマンドがＯＮの場合、外乱打消トルク演算部１０ｅには各々０と１が入力される。乗算器にてＴ_ａｘ、Ｔ_ａｙ、Ｔ_ｂｘ、Ｔ_ｂｙを乗じて負号をつけるので、Ｘ_Ｗ軸に対応する外乱打消トルクコマンドは−Ｔ_ｂｘ、Ｙ_Ｗ軸に対応する外乱打消トルクコマンドは−Ｔ_ｂｙとなる。スラスタａ駆動コマンドがＯＮでスラスタｂ駆動コマンドがＯＦＦの場合も同様にして、Ｘ_Ｗ軸に対応する外乱打消トルクコマンドは−Ｔ_ａｘ、Ｙ_Ｗ軸に対応する外乱打消トルクコマンドは−Ｔ_ａｙとなる。

以上の実施の形態により、２個のホイール及び２個以上のスラスタを用いて人工衛星の三軸姿勢制御が可能となる。これにより、スラスタ及びホイールの複合故障時など、スラスタあるいはホイールのみで三軸トルクを出力できない場合においても、人工衛星の姿勢制御機能を維持することが可能となり、姿勢制御装置の継続性が向上する。

本発明の実施の形態１における人工衛星の姿勢制御装置のブロック図である。 本発明の実施の形態１におけるホイール基準面座標変換部におけるホイール基準面座標系を説明する図である。 本発明の実施の形態１におけるホイール基準面座標系におけるスラスタ出力トルクを示す図である。 本発明の実施の形態１におけるスラスタ駆動演算部を示すブロック図の例である。

符号の説明

１．光学センサ
２．レートジャイロ
３．姿勢決定演算部
４．トルクコマンド演算部
５．ホイール
６．スラスタ
７．ホイール基準面座標変換部
８．トルクコマンド面内成分
９．トルクコマンド法線成分
１０．スラスタ駆動演算部
１１．ホイール駆動演算部
１２．磁気トルカ
１３．磁気アンローディング演算部
１４．ホイール基準面

Claims (2)

1. 人工衛星の姿勢制御装置において、
   互いにトルク発生軸方向の異なる２個のホイールと、
   前記２個のホイールの各トルク発生軸方向に対する直交軸方向にトルク成分をもちかつ前記直交軸方向と平行ではないトルクを発生する少なくとも２個のスラスタと、
   前記人工衛星の姿勢角度と姿勢角速度より、前記ホイールと前記スラスタを用いて姿勢制御を行なうトルクコマンドを得て、前記トルクコマンドを前記２個のホイールの各トルク発生軸方向を含む面上の独立な２軸方向と前記直交軸方向を基底ベクトルとして表現される座標系に変換し、前記直交軸方向の成分のトルクコマンドと、前記２個のホイールの各トルク発生軸方向の成分のトルクコマンドを出力する座標変換部と、
   前記座標変換部より出力された前記直交軸方向の成分のトルクコマンドを入力し、前記スラスタへ駆動コマンドを出力するとともに、前記スラスタを駆動させることで生じるトルクのうち前記２個のホイールの各トルク発生軸方向への射影成分のトルクを打ち消すための打消コマンドを出力するスラスタ駆動演算部と、
   前記座標変換部より出力された前記トルクコマンドと、前記スラスタ駆動演算部より出力された前記打消コマンドを入力し、前記ホイールへ駆動コマンドを出力するホイール駆動演算部と、を備え、
   前記スラスタのうち、少なくとも１個は前記２個のホイールの各トルク発生軸方向に対する直交軸に対して正の向きにトルク成分を持ち、他の少なくとも１個は前記直交軸に対して負の向きにトルク成分を持つことを特徴とする人工衛星の姿勢制御装置。
2. 人工衛星の姿勢制御装置において、
   互いにトルク発生軸方向の異なる２個のホイールと、
   前記２個のホイールの各トルク発生軸方向に対する直交軸方向にトルク成分をもちかつ前記直交軸方向と平行ではないトルクを発生する少なくとも２個のスラスタと、
   前記人工衛星の姿勢角度及び姿勢角速度を検出するセンサと、
   前記センサが出力する姿勢角度及び姿勢角速度に基づき、前記人工衛星の目標姿勢に対する姿勢角度の誤差及び姿勢角速度の誤差を出力する姿勢決定演算部と、
   前記姿勢角度の誤差及び姿勢角速度の誤差に基づいて、前記ホイールと前記スラスタを用いて姿勢制御を行なうトルクコマンドを出力するトルクコマンド演算部と、
   前記トルクコマンドを前記２個のホイールの各トルク発生軸方向を含む面上の独立な２軸方向と前記直交軸方向を基底ベクトルとして表現される座標系に変換し、前記直交軸方向の成分のトルクコマンドと、前記２個のホイールの各トルク発生軸方向の成分のトルクコマンドを出力する座標変換部と、
   前記座標変換部より出力された前記直交軸方向の成分のトルクコマンドを入力し、前記スラスタへ駆動コマンドを出力するとともに、前記スラスタを駆動させることで生じるトルクのうち前記２個のホイールの各トルク発生軸方向への射影成分のトルクを打ち消すための打消コマンドを出力するスラスタ駆動演算部と、
   前記座標変換部より出力された前記トルクコマンドと、前記スラスタ駆動演算部より出力された前記打消コマンドを入力し、前記ホイールへ駆動コマンドを出力するホイール駆動演算部と、を備え、
   前記スラスタのうち、少なくとも１個は前記２個のホイールの各トルク発生軸方向に対する直交軸に対して正の向きにトルク成分を持ち、他の少なくとも１個は前記直交軸に対して負の向きにトルク成分を持つことを特徴とする人工衛星の姿勢制御装置。

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