JP5118374B2 - 人工衛星の動的運動減衰 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、人工衛星およびその他の宇宙飛行体用の姿勢制御システムに関し、より詳細には、このようなシステムの動的運動減衰（ａｃｔｉｖｅ ｍｏｔｉｏｎ ｄａｍｐｉｎｇ）に関する。

人工衛星およびその他の宇宙飛行体の姿勢制御システムには、コントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）が広く使用される。用語「スペースクラフト」、「人工衛星」および「宇宙飛行体」は、本明細書では同義語として使用される。当業者であれば、３次元におけるオリエンテーション制御を可能とするために、複数のＣＭＧがしばしば使用されることを理解する。しかし、説明の便宜上、本明細書では、オリエンテーションシステムは１次元であり、すなわち、ただ１つのＣＭＧだけを使用するものとする。当業者であれば、３次元におけるオリエンテーション付けを実現するために、複数のＣＭＧが使用可能であり、本発明はまた、このような多次元構成にもあてはまることを理解するであろう。

図１は、宇宙空間でスペースクラフト２４をオリエンテーション付けるために使用されるＣＭＧ２２を使用した、従来技術によるスペースクラフト姿勢制御システム２０を示す簡略化された概略ブロック図である。スペースクラフト制御システム２６は、人工衛星が取るべきオリエンテーションを決定し、リンク２６１を介して適切なコマンドを姿勢制御処理装置（ＡＣＰ）２８に発する。ＡＣＰ２８は、スペースクラフト２４上のレートセンサ２４１および姿勢センサ２４２から受け取った、スペースクラフト２４が回転している（そうである場合）現時点のレート、および回転軸のオリエンテーション（姿勢）に関する情報を考慮に入れ、次いで、リンク２９を介して（例えば、１秒当たりのラジアンまたは他の便宜的な回転単位で）ＣＭＧ２２にレートコマンドを発し、それによりＳＣＳ２６によって所望される新しいオリエンテーションにスペースクラフト２４を回転させる。ＣＭＧ２２は、可動ジンバルに保持された回転マスを備え、この可動ジンバルは、スペースクラフト２４に機械的に結合される。ＣＭＧ２２が受け取ったレートコマンドに応答してジンバルが回転されると、ジンバルは歳差運動し、それによってスペースクラフト２４にトルク２５を与え、システム全体の総運動量が保存されるためスペースクラフト２４は回転し始めることになる。レートセンサおよびスペースクラフト姿勢センサ２４１、２４２、またはＣＭＧ２２内の他のセンサからのＡＣＰ２８に対するフィードバックに基づいて、ＡＣＰは、ＣＭＧ２２に発せられたレートコマンドを修正して、スペースクラフトの加速度および速度を制御する。この操作が完了すると、ＣＭＧ２２を静止状態に戻し、スペースクラフト２４の回転を停止させるようにコマンドがＣＭＧ２２に発せられる。同様の機構によって、スペースクラフトからＣＭＧに運動量を交換して、スペースクラフトにこのような外部からのトルク外乱に対処することが可能である。通常の環境下では、このような構成はうまく作動する。

図２は、ＣＭＧ２２に関するさらなる詳細を示す、図１の姿勢制御システム２０の簡略化された概略ブロック図である。同じ要素には同じ参照符号が使用される。ＣＭＧ２２は、（ｉ）ＡＣＰ２８からリンク２９を介してジンバルレートコマンド（ＣＲＣ）４６を受け取る加算器３０と、（ｉｉ）リンク３１を介して加算器３０の出力に結合された入力を有する誤差増幅器３２と、（ｉｉｉ）リンク３３を介して誤差増幅器３２の出力に結合された入力を有するフィルタ３４と、（ｉｖ）リンク３５を介してフィルタ３４の出力に結合された入力を有するリミッタ３６と、（ｖ）リンク３７を介して入力がリミッタ３６の出力に結合されたモータドライバ３８と、（ｖｉ）リンク３９を介して入力がドライバ３８の出力に結合されたジンバルモータ４０とを備える。フィルタ３４は、スペースクラフト内で発生し得る振動共振モードを補償するために使用され、したがって、姿勢制御システム全体は絶対的に安定となる。リミッタ３６は、ジンバルモータ４０に対する駆動電流Ｉｄが、ドライバ３８および／またはモータ４０の最大安全電流Ｉｍａｘを超えないように保証する。ＣＭＧ２２は、ジンバルモータ４０およびスペースクラフト２４に機械的に結合された内部ジンバルアセンブリ４２をさらに含む。ジンバルモータ４０は、内部ジンバルアセンブリ４２にモータトルク（ＭＴ）４１を伝達する。内部ジンバルアセンブリ４２は、スペースクラフト２４にジャイロトルク（ＧＴ）２５を伝達する。内部ジンバルアセンブリ４２はまた、スペースクラフト２４が回転している場合には、スペースクラフト２４から反作用トルク（ＲＴ）２７を受け取ることもできる。この状況では、スペースクラフトは、内部ジンバルアセンブリ４２を逆回りに回転させようとする。タコメータ４４（「ＴＡＣＨ」と略記される）が、リンク４３を介して内部ジンバルアセンブリ４２に結合され、内部ジンバルアセンブリ４２の回転速度（また、間接的にスペースクラフトの回転速度も）を測定し、フィードバックリンク４５を介して測定されたレートフィードバック値（ＲＦＢ）４９を加算器３０に伝達して戻す。要素３０、３２、３４、３６、３８は、ジンバルループ制御器２３を構成し、この制御器２３は、ＡＣＰ２８からリンク２９を介してジンバルレートコマンド（ＧＲＣ）４６および、ＴＡＣＨ４４からリンク４５を介してジンバルレートフィードバック（ＲＦＢ）４９を受け取り、ジンバルレートコマンド（ＧＲＣ）４６と、レートフィードバック（ＲＦＢ）４９との差を０まで低減させるように、リンク３９を介してモータ駆動電流Ｉｄ４８をモータ４０に伝達し、それによって、ＣＭＧジンバルをＧＲＣ４６に対応する所望の回転速度で回転させるモータトルク（ＭＴ）４１を供給し、スペースクラフト２４に作用するジャイロトルク（ＧＴ）２５を生成する。ジンバルループ制御器２３は、望ましくは１型制御器であり、すなわち、この制御器２３は、誤差増幅器３２内に、合計される積分増幅器と線形増幅器とを含む。この積分作用によって、制御システムは、反作用トルク（ＲＴ）２７の影響を拒絶することが可能となる。これは、従来通りである。

このようなシステムに伴う問題は、スペースクラフトが、ＡＣＰ２８からＣＭＧ２２に発せられた先のジンバルレートコマンド（ＧＲＣ）４６の結果動いており、ＡＣＰ２８またはシステムの他の何らかの要素に機能不全がある場合、または、タイムアウトに達し、その結果、ＡＣＰ２８によって発せられるジンバルレートコマンド（ＧＲＣ）４６がゼロまで下がるか、またはその他の形で無効となった場合に、スペースクラフト２４およびＣＭＧ２２が、非常に過酷な機械的応力を受ける恐れがあることである。例えば、ＧＲＣ４６が突然除去されるか、またはゼロになる場合、ＲＦＢ信号４９だけが加算器３０に到達することになり、ジンバルループ制御器２３は、ＲＦＢ４９をゼロに駆動しようとモータトルク（ＭＴ）４１の方向を反転させる。この結果、内部ジンバルアセンブリ４２およびスペースクラフト２４に急激で害を及ぼし得る減速が生じることとなり得る。さらに、ドライバ３８が、コマンドによって、または障害軽減反応として動作不能となった場合、モータトルク（ＭＴ）４１はゼロになるが、反作用トルク（ＲＴ）２７はそのまま残り、その結果ジンバルを逆方向に大きく加速させる可能性がある。このプロセスもまた、ＣＭＧシステムおよびスペースクラフト構造に損傷応力をもたらす可能性がある。多くの高可変能力姿勢制御システムには、ギア式駆動モータを備えるＣＭＧが歴史的に使用されてきており、ＣＭＧのモータ４０からの逆起電力（Ｖ_ｂｅｍｆ）を発電制動回路構成に使用して、飛行体の反作用トルクによって生じるＣＭＧのジンバルレートを受動的に制限することができた。しかし、スペースクラフトのいくつかは、ギア式ではない、直接駆動ジンバルモータを使用しており、このモータではこの手法は実用的でない。したがって、こうした飛行体では問題が悪化する。したがって、物理的応力、トルク誤差、および様々な種類のＣＭＧジンバル駆動妨害から生じる他の問題を軽減または回避する、人工衛星の動的運動減衰システムならびに方法が求められ続けている。

したがって、人工衛星およびその他のスペースクラフト用の、改善された動的運動減衰手段および方法を提供することが望ましい。さらに、この装置および方法は、簡単かつ頑丈で、信頼性が高く、人工衛星ハードウェアに最低限の変更しか必要とならないことが望ましい。さらに、本発明のその他の望ましい特徴および特性は、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲を、添付の図面、ならびに前述の技術分野および背景技術と併せ読めば明らかとなるであろう。

スペースクラフトの安全な姿勢制御のための装置が提供される。この装置は、姿勢変更コマンドを生成する姿勢制御処理装置（ＡＣＰ）と、スペースクラフトに結合され、姿勢変更コマンドを実行してスペースクラフトのオリエンテーションを変更するコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）と、ＣＭＧとＡＣＰとの間に結合され、（ｉ）スペースクラフト姿勢制御システムの正常動作の間、ＡＣＰから姿勢変更コマンドを受け取り、このようなコマンドをＣＭＧに送り、実行させ、（ｉｉ）このような姿勢変更コマンドが無効である、使用不可能である、または割り込みされたときの緊急動作モードの間、その時点で存在するスペースクラフトのいかなる回転も、所定の静止状態、例えばゼロ回転速度まで徐々に低減させるようにＣＭＧの動作を修正するように適合された運動減衰制御器（ＭＤＣ）とを備える。

姿勢変更コマンドに応答する少なくとも１つのコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）を使用した人工衛星姿勢制御システムを安全に動作させる方法が提供される。この方法は、姿勢変更コマンドを受け取るステップと、受け取った姿勢変更コマンドが有効であるか否か決定するステップとを含み、かつ、「はい（真）」である場合、ＣＭＧに有効姿勢変更コマンドを実行させるステップと、「いいえ（偽）」である場合、人工衛星の回転が、所定の安全な回転変更速度を超えずに静止状態まで徐々に変更される動的運動減衰（ＡＭＤ）を動作可能とするようにＣＭＧの動作を修正するステップとを含む。

本発明は、以下の図面を参照しながら以下で説明され、これらの図面では同じ番号は同じ要素を示す。

以下の詳細な説明は本質的に単なる例示であり、本発明、または本発明の用途および使用を限定するものではない。さらに、前述の技術分野、背景技術、発明の開示、または以下の詳細な説明に示される、明記または暗示されたいかなる理論によっても制約されるものではない。

図を簡単かつ見やすくするために、図面の各図は、構成および動作方法を全般的に示すものであり、周知の特徴および技術の説明および詳細は、本発明を不必要に分かりにくくすることを避けるために省略され得る。さらに、図面の諸要素は、必ずしも原寸に比例して描かれてはいない。例えば、図のいくつかの要素または領域の寸法は、本発明の実施形態の理解向上の助けとなるように、他の要素または領域に比べて誇張されていることがある。

明細書および特許請求の範囲において「第１の」、「第２の」、「第３の」、「第４の」等の用語がある場合には、同様の要素同士を区別するために使用され得るものであり、必ずしも特定の連続した順序、または時系列的順序を説明するものではない。そのように使用される用語は、適当な状況下で交換可能であり、したがって、本明細書に記載の本発明の実施形態は、例えば、本明細書に例示またはその他の形で記載された以外の順序でも動作可能であることを理解されたい。さらに、「備える」、「含む」、「有する」、およびそれらのいかなる変化形も、非排他的包含を対象とするものであり、したがって、列挙された要素を備えるプロセス、方法、物品、または装置が、必ずしもそれらの要素のみに限られるというわけではなく、明白に列挙されていない他の要素、またはこのようなプロセス、方法、物品、または装置に固有の要素も含み得る。明細書および特許請求の範囲において「左」、「右」、「内」「外」、「前」、「後」、「上」、「下」、「頂」、「底」、「上方」、「下方」、「上の」、「下の」等の用語がある場合には、これらは相対位置を説明するために使用されるものであり、必ずしも空間における永久的な位置を説明するものではない。本明細書に記載の本発明の実施形態は、例えば、本明細書に例示またはその他の形で記載された以外のオリエンテーションでも動作することが可能であることを理解されたい。用語「結合された」は、本明細書では、電気的に、または非電気的に、直接または間接的に接続されることとして定義される。

図３は、図２のブロック図に類似しているが、本発明のいくつかの実施形態による、人工衛星２４の動的運動減衰を実現するシステム５０の簡略化された概略ブロック図である。システム５０および２０の同じ要素には同じ参照番号が使用され、類似した要素もまた識別される。システム５０は、システム２０のＳＣＳ２６に類似したスペースクラフト制御システム（ＳＣＳ）５６と、システム２０のＧＬＣ２３に類似したジンバルループ制御器（ＧＬＣ）５３と、システム２０のＡＣＰ２８に類似した姿勢制御処理装置（ＡＣＰ）５８と、システム２０のモータ４０に類似したモータ７０と、システム２０のＩＧＡ４２に類似した内部ジンバルアセンブリ（ＩＧＡ）４２と、システム２０のＴＡＣＨ４４に類似したＴＡＣＨ４４とを備える。ＩＧＡ４２は、システム２０とほぼ同様にしてスペースクラフト２４に機械的に結合され、そこにジャイロトルク（ＧＴ）２５をもたらし、かつ、そこから反作用トルク（ＲＴ）２７を受け取る。システム５０はまた、動的運動減衰制御器（ＭＤＣ）８０も含んでいたが、この制御器８０は、図１のシステム２０には相当物がない。ジンバルループ制御器（ＧＬＣ）５３は、システム２０の要素３０、３２、３４、３６、３８にほぼ類似した、加算器６０、誤差増幅器６２、フィルタ６４、リミッタ６６、およびモータドライバ６８を備えるが、本発明の様々な実施形態に従って動的運動減衰を実現するように構成される。要素６０、６２、６４、６６、６８はそれぞれ、リンク３１、３３、３５、３７、および３９それぞれと同様に、リンク６１、６３、６５、および６７を介して直列に結合され、そしてリンク６９を介してモータ７０に結合される。ＳＣＳ５６は、システム２０のリンク２６１に類似したリンク５６１を介してＡＣＰ５８にオリエンテーション指示またはコマンドを送る。ＡＣＰ５８は、リンク２９に類似したリンク５８１を介して従来通りジンバルレートコマンド（ＧＲＣ）４６をＭＤＣ８０に送り、さらに、リンク５８２を介して「有効データ」（ＶＤ）指示もＭＤＣ８０に与える。リンク５８２を介してＭＤＣ８０に結合された信号または状態の目的は、リンク５８１上の１つ（または複数）のレートコマンドが、大きさがゼロのときでも有効なレートコマンドであることを示すためのものである。ＭＤＣ８０は、ＡＣＰ５８とジンバルループ制御器（ＧＬＣ）５３との間にあり、上流の姿勢制御に障害が生じた場合に、人工衛星の動的運動減衰を管理する。ＭＤＣ８０は、リンク８０１を介して加算器６０に結合される。正常動作では、ＭＤＣ８０は、有効ジンバルレートコマンド（ＧＲＣ）４６を加算器６０に送り、動的運動減衰の間は、動的運動減衰を実現するのに望まれる動作モードに応じて、合成ジンバルレートコマンド（ＳＧＲＣ）４７を加算器６０に与えることができる。ＭＤＣ８０はまた、必須ではないが好都合には、リンク８０２を介して誤差増幅器６２に、リンク８０３を介してリミッタ６６に、かつリンク８０５を介してドライバ６８に結合され、したがって、他の動作モードで、動的運動減衰を実現し、かつ／またはＧＬＣ５３およびＣＭＧ５２を動作不能にすることが可能となるように、ジンバルループ制御器（ＧＬＣ）５３の様々な要素の特性を変更することができる。他の実施形態では、ＭＤＣ８０は、必須ではないが望ましくは、リンク６９を介してドライバ６８からモータ７０に供給される駆動電流Ｉｄに関する情報をリンク６８１を介して受け取る。ＴＡＣＨ４４は、実際のジンバルレート（したがって、人工衛星速度）フィードバック（ＲＦＢ）４９をリンク４５を介して加算器６０に与える。リンク６１を介した加算器６０から誤差増幅器６２への入力は、リンク８０１上の指示された所望のジンバルレートコマンド（例えばＧＲＣ４６またはＳＧＲＣ４７）、これらは、ＭＤＣ８０から来る実際のコマンド（ＧＲＣ４６）または合成コマンド（ＳＧＲＣ４７）であるが、これらのコマンドと、例えばＴＡＣＨ４４から来る実際のレートフィードバック（ＲＦＢ）４９との差となる。人工衛星またはスペースクラフトの回転速度情報もまた、レートセンサ２４１から得られる。

ＭＤＣ８０は、いくつかの実施可能な動作モードを有し、これらのいずれもシステム５０の動的運動減衰を実現することが可能であり、したがって、ＭＤＣ８０によって上流の姿勢制御システムに障害が検出された場合には、スペースクラフト２４が静止状態に維持されるか、または穏やかに静止状態に戻ることになる。例えば、限定するものではないが、上流の障害によって、リンク５８１上のＧＲＣ４６が突然ゼロまで下がるか、またはその他の形で無効になるため、通常はＩＧＡ４２および／またはスペースクラフト２４が、害を及ぼし得る応力を受けることになる場合でも、第１の動作モードでは、ＭＤＣ８０は、合成ジンバルレートコマンド（ＳＧＲＣ）４７をリンク８０１上に与えることができ、ＳＧＲＣ４７をゼロまでゆっくり漸減させることによって、ＩＧＡ４２および／またはスペースクラフト２４に望ましくない機械的応力を生じることになったであろういかなる急激な運動性も回避することができる。ＳＧＲＣ４７がゼロまで漸減され得る最大安全速度は、使用される特定のスペースクラフトおよびＣＭＧの特性に依存することになる。当業者であれば、その特定の状況に応じて、このような「安全な」速度を選択する方策を理解するであろう。用語「安全な」とは、本明細書では、人工衛星２４および／またはＣＭＧ５２の要素にこのような、害を及ぼし得る（すなわち、「安全でない」）減速力または加速力を回避するジンバルレートを指すものである。この動作モードでは、ＧＬＣ５３は、ＧＬＣ２３とほぼ同様に動作するが、システム５０の安全な動的運動減衰を実現する保護的な合成入力ＳＧＲＣ４７を有する。

他の実装形態では、リンク５８１上の入力ＧＲＣ４６に障害がある場合には、ＭＤＣ８０は、リンク８０２を使用して誤差増幅器６２の伝達特性を変更することができ、したがって、ＳＧＲＣ４７がリンク８０１上に与えられない場合でも、内部ジンバルアセンブリ４２の回転の急速な反転が回避される。第３の動作モードでは、リンク８０２の使用を含んでも含まなくてもよく、ＡＣＰ５８からの入力ＧＲＣ４６の消失後、ＭＤＣ８０からリミッタ６６へのリンク８０３を利用し、それによって、ＭＤＣ８０は、モータ７０に供給されることが可能なＩｍａｘの大きさを、システム５０上流の何らかの障害の結果、リンク８０１上のＧＲＣ４６が突然ゼロまで、または他の不適当な値まで下がった場合に生じたであろうＩＧＡ４２およびスペースクラフト２４にこのような安全でない機械的応力を軽減するのに十分なほど小さい値まで低減させることによって、望ましくない急激な（例えば、安全でない）方向転換を回避することができる。上述の諸動作モードは、所望の程度の動的運動減衰を実現するように、単独で行使することも、またはシステム設計者によって様々な形で組み合わせることもできる。ＭＤＣ８０に戻るモータドライバ６８からの任意選択によるリンク６８１は、ドライバ６８によってモータ７０に供給される実際のモータ駆動電流Ｉｄに関する情報をＭＤＣ８０に与える。この情報は、スペースクラフト２４を穏やかに停止させるように、ＭＤＣ８０およびＧＬＣ５３を動作させる際に有用となる。リンク８０２、８０３、および６８１は、動的運動減衰に追加の自由度をもたらすのに有用であるが、これらは必須ではない。望ましくは、ＭＤＣ８０からスペースクラフト制御システム（ＳＣＳ）５６および／またはスペースクラフト２４の他の部分に至るリンク８０４が設けられ、それにより、ＭＤＣ８０は、不適正なＧＲＣ４６値を検出し、ＭＤＣ８０およびＧＬＣ５３が、動的運動減衰（ＡＭＤ）動作モード（すなわちＡＭＤ「ＯＮ」）に切り替わったことを、ＳＣＳ５６および／またはスペースクラフト２４の他の部分に通知することができる。ＭＤＣ８０は、リンク５６２を介してＳＣＳ５６から（またはスペースクラフト２４の他の場所から）リセット（ＲＥＳＥＴ）コマンドを受け取り、５８２を介して有効データフラグ（または等価物）を検出するまでは、このような動的減衰動作モードのままとなるが、その後すぐに、ＭＤＣ８０は、システム５０を正常動作に戻し（すなわちＡＭＤ「ＯＦＦ」）、リンク５６１を介して受け取ったジンバルレートコマンド４６を、例えば、リンク８０１を介して加算器６０に再び実質的に直接送り始める。

図４は、本発明の他の実施形態による図３のシステム５０の部分９０の簡略化された概略ブロック図であり、さらなる詳細を示す。部分９０は、本発明の他の実施形態による運動減衰制御器（ＭＤＣ）８０の内部動作を示す。部分９０はまた、誤差増幅器６２およびその詳細を示し、任意選択によるが、必須ではないそのさらなる特徴を示す。部分９０はまた、ＭＤＣ８０が、上述のリミッタ６６およびドライバ６８とどのように相互作用できるかについてさらなる詳細を示す。ＭＤＣ８０の部分９０および関連する信号（例えばＧＲＣ、ＶＤＦ、ＷＤＣ、ＲＦＢ、Ｉｄ、Ｉｍａｘ等）は、アナログもしくはデジタル構成でも、またはそれらの組合せでもよい。したがって、部分９０およびＭＤＣ８０は、機能的に説明されるが、これは、当業者であれば、このような機能を実行するためにこのような機能説明に基づいて、不必要な実験なしに、アナログもしくはデジタル、またはそれらを組み合わせた形で適当なハードウェアを設ける方策を理解するためである。

運動減衰制御器（ＭＤＣ）８０は、有効コマンド検出機能（ＶＣＤＦ）８２と、モード制御機能（ＭＣＦ）８４と、コマンド合成機能（ＣＳＦ）８６とを備える。ＶＣＤＦ８２はリンク８３によってＭＣＦ８４に結合され、ＭＣＦ８４はリンク８５を介してＣＳＦ８６に結合される。ＶＣＤＦ８２の目的は、リンク５８１上から到来するＧＲＣ４６が有効であるか、または誤りであるかを決定し、この結果をモード制御機能（ＭＣＦ）８４に送ることである。ＶＣＤＦ８２は、リンク５８１を介して姿勢制御処理装置（ＡＣＰ）５８からジンバルレートコマンド（ＧＲＣ）４６を受け取る。ＧＲＣ４６はまた、コマンド合成機能（ＣＳＦ）８６にも送られる。ＶＣＤＦ８２はまた、リンク５８２を介して、ＡＣＰ５８から有効データ（ＶＤ）情報をいくつかの形の１つ、または他のいくつかの形で受け取る。リンク５８１、５８２は、バスであっても、または、異なる信号を搬送するいくつかの接続を含んでもよい。いずれの構成も有用である。例えば、リンク５８２から入力された有効データ（ＶＤ）は、接続５８２２上のウォッチドッグクロック（ＷＤＣ）信号および／または接続５８２１上の有効データフラグ（ＶＤＦ）を含むことができ、または、これらの異なる信号は、設計者の要求に従って同じ接続上で多重化されてもよい。接続５８２２上のＷＤＣ信号は、好都合には、リンク５８１上に到来するデータが有効データであるとみなされる時間間隔を識別し、したがって、ＭＤＣ８０は、このような時間間隔以外にリンク５８１上で受け取られるいかなるＧＲＣ信号も無効データであると認識することができる。接続５８２１上に現れる有効データフラグは、ＶＤＦが「有効」状態に設定されている間にリンク５８１に到達したデータは、有効なジンバルレートコマンド（ＧＲＣ）とみなされることをＭＤＣ８０に示す。ＶＤＦおよびＷＤＣのいずれか、またはどちらとも、ＭＤＣ８０が受け取ったＧＲＣが有効であるか無効であるかを決定するのを容易にするために使用されることができ、それによって、ＭＤＣ８０は、適切に反応することができる。当業者であれば、本明細書に記載の説明に基づいて、これらが、有効または無効ジンバルレートコマンド（ＧＲＣ）を検出するための単なる例示的な構成にすぎず、限定するものではなく、当技術分野で周知の他の多数の構成もまた使用され得ることを理解するであろう。このような他の方法の非限定的な例には、冗長信号法や、ＧＲＣコマンド自体を試験してそれが例えば、信号長、大きさ、繰返し率、ビット長、包含文字、除外文字、フォーマット、パリティチェック等の、記憶された決定基準の所定の組に合致するか否か見ることが含まれる。したがって、ＶＤリンク５８２が省略される場合でも、ＶＣＤＦ８２は、上記に列挙した試験、または当技術分野で周知の他の試験を適用することによって、リンク５８１を介して到達するＧＲＣ４６の有効性を検証することができる。特定の選択はシステム設計者次第である。重要なのは、到達するＧＲＣの有効性または無効性が検証可能であるということである。

ＶＣＤＦ８２は、その「有効」または「無効」データの決定結果を、モード制御機能（ＭＣＦ）８４に送る。ＶＣＤＦ８２（およびＣＳＦ８６）によって受け取られたＧＲＣ４６が有効である場合、ＶＣＤＦ８２は、モード制御機能（ＭＣＦ）８４に通知し、次いで、このモード制御機能（ＭＣＦ）８４は、コマンド合成機能（ＣＳＦ）８６に、リンク５８１から受け取ったＧＲＣ４６を、リンク８０１を介してジンバルループ制御器５３の加算器６０に送るように指示し、システム５０は、受け取ったＧＲＣ４６に従い、実質的に従来通りに動作してスペースクラフト２４のオリエンテーションを変更させる。ＧＲＣ４６が有効である間、正常動作が続く。ＭＤＣ８０は、任意選択で、リンク８０４を介してスペースクラフト制御システム（ＳＣＳ）５６に、システム５０が通常に動作している（すなわち「ＡＭＤ ＯＦＦ」状態）ことを示すメッセージを送ることができ、または、正常動作は、動的運動減衰（ＡＭＤ）がない場合に推定されることもでき、これは設計者の選択に依存する。

モード制御機能（ＭＣＦ）８４が、ＶＣＤＦ８２から「無効」データ指示を受け取った場合、ＭＣＦ８４は、例えば本明細書に記載のＡＭＤ動作モードの１つまたは複数、あるいはそれらの組合せを使用して、システム５０を動的運動減衰（ＡＭＤ）モードまたは構成に変更させ、すなわち「ＡＭＤ ＯＮ」状態にする。ＭＣＦ８４は、望ましくは、リンク８０４を介して、「ＡＭＤ ＯＮ」状態信号またはフラグをＳＣＳ５６および／またはスペースクラフト２４に送り、したがって、スペースクラフトは、有効データに障害が生じたことを知り、安全な動作停止体制（例えばＡＭＤ ＯＮ）が動作する。次いで、ＭＣＦ８４は、動的運動減衰（ＡＭＤ）のための実施可能な動作モードの１つまたは複数、あるいはそれらの組合せを選択する。これらの様々な動作モードは、ハードワイヤード式でよく、すなわち、実施可能な異なるＡＭＤ動作モードのただ１つ、または他方、またはより小さいサブセットが使用可能となるように、システム設計者または操作者によって予め選択される。あるいは、モード選択はプログラム可能とすることもでき、個々の状況に応じて、例えば、スペースクラフト制御システム（ＳＣＳ）５６、またはＳＣＳ５６を介した地上制御器によって選択可能とすることもできる。いずれの構成も有用である。限定するものではないが、説明の便宜上、以下の考察では、いくつかの、また重複した動作モードが使用可能であるものとする。

限定するものではないが、例えば、本発明の実施形態による第１の動作モードでは、有効データが消失するとすぐに、ＭＣＦ８４は、リンク８５介して、ＣＳＦ８６に、ジンバルレートコマンド信号（例えばＳＧＲＣ４７）を合成し、リンク８０１を介して、ジンバルループ制御器５３の加算器６０（図３参照）に送るように指示する。この状況では、図４に示される誤差増幅器６２の入力スイッチ６２４は、ＧＬＣ５３の正常動作に対応する出力位置６２５になければならず、この誤差増幅器６２は、望ましくは、並列に配置された積分利得段６２１と、非積分利得段６２２とを備え、それらの出力は、加算器６２７によって合計され、出力リンク６３に送られて、ＧＬＣ５３によってさらに使用される。このような構成は、「１型（Ｔｙｐｅ−１）」制御システムと呼ばれる。ＣＳＦ８６は、望ましくは、時間遅延および／またはメモリを組み込み、したがって、有効データの消失後に、ＣＳＦ８６が発生する初期のＳＧＲＣは、最後の有効ＧＲＣ値とほぼ一致することができ、したがって、即時の急激なオリエンテーション転換過渡が回避される。あるいは、また特に、最後の有効コマンドおよび他の要因によって、人工衛星の回転速度が変更されてから相当な時間が経過したとき、ＣＳＦ８６は、どのＧＲＣが、その当時の回転速度に対応するか決定し、このような初期の合成速度を使用して、有効データの消失後、いかなる急激なトルク過渡も回避することができる。その後、ＣＳＦ８６は、ＳＧＲＣ値を、大きな機械的応力なく安全に人工衛星を停止させる値まで低減させ、この状況を本明細書では安全な動的運動減衰と呼ぶ。このような減衰の安全な速度および持続時間は、有効データが消失した初期状態、および使用される特定の人工衛星の特性に依存する。当業者であれば、本明細書に記載の教示に基づいて、人工衛星またはスペースクラフトの適切で安全な漸減速度および漸減持続時間を選択する方策を理解するであろう。漸減は、設計者の要求に従って、線形でも、または非線形でもよい。

本発明の別の実施形態による第２の動作モードでは、ＭＣＦ８４は、誤差増幅器６２に至るリンク８０２を単独で用いて、またはコマンド合成機能（ＣＳＦ）８６によって供給される加算器６０へのＳＧＲＣと共に用いて、動的運動減衰を実現することができる。いずれの構成も有用である。この第２の動作モードでは、ＭＣＦ８４は、リンク８０２を用いて、誤差増幅器６２の入力にあるスイッチ６２４を出力位置６２６に設定し、したがって、加算器６０の出力は、非積分利得段６２３のみに送られ、そこから、この出力は加算器６２７を通過して、誤差増幅器６２の出力リンク６３に送られる。これは、ジンバルループ制御器５３が０型制御システムとなるように誤差増幅器６２の伝達関数を変更することになり、それによって、この速度制御ループは、反作用トルク（ＲＴ）２７によって生じる外乱を拒絶することができなくなるが、その代わりに、ほぼ線形関数である反作用トルクの結果、一定状態の速度誤差を生じることになる。段６２３の利得によって、このようにして生じた誤り率が決まることになり、その結果、ジンバルレートを安全な値に制限するように選択されることになる。制御ループ５３は、反作用トルク２７にほぼ等しいモータトルク４１を、ゼロ以外のあるジンバルレートで発生することになり、それにより、内部ジンバルアセンブリ４２に能動的な制動機能をもたらす。内部ジンバルアセンブリ４２は、反作用トルク２７がゼロとなる位置まで戻されることになり、この場合は、スペースクラフト２４のゼロ慣性速度に対応しなければならない。その結果、この動作モードでは、動的運動減衰によって人工衛星２４を安全に停止させることになる。この実装形態では、誤差増幅器６２は２つの非積分利得段６２２、６２３を備えるものとして示されているが、これは必須ではない。この構成は、動的運動減衰に使用される非積分利得６２３の伝達関数が、正常動作の間、積分利得段６２１と共に使用される段６２２の伝達関数とは大幅に異なることが望ましい場合、好都合となる。しかし、モード制御機能（ＭＣＦ）８４によって、任意選択のリンク８０２’を使用して、積分利得段６２１を使用不能にし、必要ならば、非積分利得段６２２の特性を動的運動減衰用にリセットすることによって、第２の非積分利得段６２３の使用を回避することもできる。いずれの構成も有用である。後者の状況では、入力スイッチ６２４は、出力位置６２５に残されても、またはハードワイヤード式接続に置き換えられることもできる。

本発明の追加の実施形態による第３の動作モードによれば、単独で、または第１および第２の動作モードと組み合わせて、ＭＣＦ８４は、リンク８０３を用いてリミッタ６６を調整し、それにより、モータドライバ６８によってモータ７０（図３参照）に送達される最大電流Ｉｍａｘが低減される。Ｉｍａｘの低減は時間と共に変動し得る。ＳＧＲＣが加算器６０に与えられない場合でも、したがって、その入力がＦＲＢ４９だけである場合、この状況では通常、ＧＬＣ５３は、モータトルク４１と、反作用トルク２７に大きさが等しい、ジャイロトルク２５とを発生させようとすることになるが、その場合でも、モータドライバ６８がジンバルにモータ７０を供給できる最大電流Ｉｍａｘを制限することによって、通常は発生したであろう過酷な機械的応力が回避される。したがって、この第３の動作モード自体によって、または先に説明した第１および／または第２の動作モードと組み合わせ、リンク８０３を用いてリミッタ６６の特性を修正することによって、システム５０の所望の安全な動作停止を実現することができる。システム５０が人工衛星２４を停止させた後、または運動減衰制御器８０内に構築された他のこのような所定の状態にさせた後は、システム５０は、望ましくは、モード制御機能８４がリンク５６２を介してＳＣＳ５６またはスペースクラフト２４の他の部分からリセット（ＲＥＳＥＴ）コマンドを受け取り、ＶＣＤＦ８２が、ＭＤＣ８０に有効レートコマンドが再度利用可能であると決定するまで静止状態のままとなるが、その後すぐに、ＭＣＦ８４は、ＭＤＣ８０を正常動作に戻し、ＧＲＣ４６がＣＳＦ８６を通過して加算器６０に送られ、誤差増幅器６２の入力スイッチ６２４は、正常動作の出力位置６２５にリセットされ、任意選択によるリンク８０２’が使用される場合には、段６２１、６２２を１型動作用の通常関数に回復させる。

図５は、本発明のさらに他の実施形態による人工衛星の動的運動減衰を実現する方法１００を示す簡略化された流れ図である。方法１００は、開始（ＳＴＡＲＴ）１０２で始まり、これは通常、電源を入れると生じ、最初の問合せ１０４で、ジンバルレートコマンド（ＧＲＣ）、例えばＧＲＣ４６がＡＣＰ５８から受け取られたか否かが決定される。問合せ１０４の結果が「いいえ（偽）」である場合、方法１００は経路１０５で示されるように、開始１０２に戻る。方法１００は、問合せ１０４の結果が「はい」となるまで、このループに留まることになり、その後すぐに問合せ１０６に進み、ここで、例えばＶＣＤＦ８２または他の試験機能が、受け取ったＧＲＣが有効であるか否か決定する。問合せ１０６の結果が「はい（真）」である場合、方法１００は「有効ＧＲＣ実行（ＥＸＥＣＵＴＥ ＶＡＬＩＤ ＧＲＣ）」ステップ１０８に進み、ここで、システム５０は、受け取ったＧＲＣを実行し、経路１０９で示されるように、開始（ＳＴＡＲＴ）１０２に戻る。問合せ１０６の結果が「いいえ（偽）」である場合、方法１００は、いずれの順序でも実行され得るサブステップ１１０１および１１０２を含むステップ１１０に進む。ステップ１１０では、例えば、ＶＣＤＦ８２からリンク８３を介してモード制御機能（ＭＣＦ）８４に至る適当な信号によって動的運動減衰（ＡＭＤ）が動作可能となり、したがって、ＭＣＦ８４または等価機能は、いずれの順序でも、リンク８０４を介して「ＡＭＤ ＯＮ」信号をスペースクラフト（ＳＣ）２４（例えば、ＳＣＳ５６または他の制御権限）に送り、上述の動的減衰モードの一方、または他方、またはそれらの組合せを選択する。方法１００の説明の便宜上、本明細書では、ＭＣＦ８４は、リンク８０１を介してＳＧＲＣ４７が与えられることになる上述の第１のモードを選択するものとする。問合せ１１２は、望ましくは、例えばレートフィードバック４９、ジンバルモータ駆動電流６９、および／またはレートセンサ２４１の出力（図３または４参照）を用いて、スペースクラフト２４が既に動いているか否か決定するために実施される。観測された回転速度は、図５で「ＳＡＴ ＲＡＴＥ」として略記される人工衛星回転速度として参照される。「ＳＡＴ ＲＡＴＥ」がゼロに等しいので、スペースクラフト２４およびＩＧＡ４２が回転していないことを示すが、問合せ１１２の結果が「はい（真）」となる場合、減衰動作は不要であり、方法１００はステップ１１６に進み、ここで、姿勢制御は好都合な任意の手段によって、例えば、限定するものではないが、ＳＧＲＣをゼロに等しく設定する、またはリンク８０５を介してドライバ６８を動作不能にする、またはリンク８０２を介してスイッチ６２４を中間（開）位置に設定する、または他の適当な任意の構成によって動作不能にされる。しかし、有効データが消失したときにスペースクラフト２４および／またはＩＧＡ４２が回転している場合、問合せ１１２の結果は、「いいえ（偽）」となり、方法１００はステップ１１４に進み、ここで、この例では、ＳＧＲＣは、ＩＧＡ４２および人工衛星２４にこのようなトルクが、システム設計者または操作者によって設定された安全なレベルに留まるか、またはそれよりも下がるまでジンバル駆動電流Ｉｄを低減させるように調整される。あるいは、先に述べた他の動作モードのいくつかを使用した他の実装形態では、誤差増幅器６２および／または電流リミッタ６６が修正され得るか、またはそれらの組合せを用いて人工衛星が受ける最大減速および／または駆動電流Ｉｄを制限する。「安全な」速度は、単一の速度である必要はないが、有効データが消失したときの人工衛星の状況に応じて時間変動または状態変動し得る。他の実装形態では、この情報は、ハードワイヤード式でも、またはＣＳＦ８６またはＭＣＦ８４またはその他の場所の、１つまたは複数のルックアップ表に保存されてもよい。安全な加速／減速速度を設定するのに、好都合などのような構成も使用されることができる。データ消失時にゼロ以外の速度があるとき、方法１００は、人工衛星が静止状態になり、ＳＡＴ ＲＡＴＥ＝０となるまで、または設計者もしくは操作者によって選択された予め選択されたゼロ以外のＳＡＴ ＲＡＴＥ値に対応する他の任意の静止状態になるまで、ループ１１２、１１４に留まり、ここで、問合せ１１２の結果が「はい（真）」となると、方法１００は姿勢制御が動作不能となるステップ１１６に進む。次いで、方法１００は問合せ１１８に進み、ここで、例えば、ＳＣＳ５６または姿勢制御システムを再起動させる義務が割り当てられた他のこのようなスペースクラフト（ＳＣ）構成要素から、リンク５６２を介してリセット（ＲＥＳＥＴ）コマンドが受け取られたか否かが決定される。問合せ１１８の結果が「いいえ（偽）」である限り、システム５０は、経路１１９で示されるように、ＡＭＤ ＯＮ静止状態のままとなる。問合せ１１８の結果が、「はい」となり、リセット（ＲＥＳＥＴ）コマンドがＭＤＣ８０によって受け取られたことを示すと、次いで方法１００はステップ１２０に進み、ここで、サブステップ１２０１および任意選択によるサブステップ１２０２がいずれの順序でも実行される。サブステップ１２０１では、適応的な運動減衰はオフとなり、例えば、以下のいずれかが変更されていた場合、リンク８０２、８０２’を介して誤差増幅器６２をその正常動作設定に戻し、かつ／またはリンク８０３を介してリミッタ６６をその正常動作設定に戻し、かつ／またはリンク８０５を介してドライバ６８をその正常動作設定に戻すように設定することによって、通常の姿勢制御が再度動作可能となり、ＣＳＦ６８に、リンク８０１に沿って到来するＧＲＣ４６を加算器６０に送るように指示する。任意選択によるステップ１２０２もまた実行されることができ、ここで、ＭＤＣ８０は、ＳＣＳ５６、または他の監視要素（集合的にスペースクラフト（ＳＣ）２４）に「ＡＭＤ ＯＦＦ」信号を送り、したがって、スペースクラフト動作システムは、ＭＤＣ８０が正常動作を再開したことを知ることになる。しかし、これは必須ではなく、ＳＣ２４は、このような再開が、リセット（ＲＳＥＳＴ）コマンドの送信後に生じたことを推定することもできる。いずれの構成も有用である。ステップ１２０に続いて、方法１００は開始１０２に戻り、経路１２１で示されるように、最初の問合せ１０４に戻る。上述の方法は、ＭＤＣ８０によってリセットコマンドが受け取られた場合でも、受け取った各コマンドに関して、直前の履歴とは無関係にデータ検証ステップ１０４、１０６が実施されるため、ＶＣＤＦ８２がこのような新しいコマンドが有効であると決定しない限り、後続のＧＲＣ４６は実行されないという意味において、フェイルセーフである。これは望ましいが、必須ではない。

前述の詳細な説明では少なくとも１つの例示的な実施形態が示されてきたが、膨大な数の変形形態が存在することを理解されたい。また、１つの例示的な実施形態、または複数の例示的な実施形態は単なる例にすぎず、本発明の範囲、適用性、または構成をいかなる形にも限定するものではないことを理解されたい。前述の詳細な説明はむしろ、１つの例示的な実施形態または複数の例示的な実施形態を実施するための便宜的なロードマップを当業者に示すものである。添付の特許請求の範囲およびその法的均等物に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、諸要素の機能および構成に様々な変更を加えることが可能であることを理解されたい。

宇宙空間でスペースクラフトをオリエンテーション付けるために使用されるＣＭＧを使用した、従来技術によるスペースクラフト姿勢制御システムを示す簡略化された概略ブロック図である。 ＣＭＧに関するさらなる詳細を示す、図１の姿勢制御システムの簡略化された概略ブロック図である。 図２のブロック図に類似しているが、本発明の実施形態による人工衛星の動的運動減衰を実現するシステムの簡略化された概略ブロック図である。 本発明のさらなる実施形態による図３のシステムのさらなる詳細を示す簡略化された概略部分ブロック図である。 本発明のさらに他の実施形態による人工衛星の動的運動減衰を実現する方法を示す簡略化された流れ図である。

Claims (10)

1. 姿勢変更コマンド（４６、４７）に応答する少なくとも１つのコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）（５２）を使用した人工衛星姿勢制御システム（５０、９０）を動作させる方法（１００）であって、
   姿勢変更コマンド（４６）を受け取るステップ（１０４）と、
   前記受け取った姿勢変更コマンド（４６）が有効であるか否か決定するステップ（１０６）とを含み、かつ、
   「はい（真）」である場合、前記ＣＭＧ（５２）に前記有効姿勢変更コマンド（４６）を実行させるステップ（１０８）と、
   「いいえ（偽）」である場合、衛星（２４）の回転が、所定の安全な回転変更速度を超えずに静止状態まで徐々に変更される（１１２、１１４）動的運動減衰（ＡＭＤ）を動作可能とする（１１０１）ように前記ＣＭＧ（５２）の動作を修正するステップ（１１０、１１０１）と、
   を含む方法。
2. 前記修正ステップ（１１０１）の前または後に、前記姿勢制御システム（５０、９０）の動作がＡＭＤに変更したことを示す、ＡＭＤ ＯＮ状態を示すようにフラグを設定するステップ（１１０２）をさらに含む、請求項１に記載の方法（１００）。
3. 前記人工衛星（２４）の前記回転を静止状態に変更した（１１２、１１４）後、前記人工衛星（２４）を、リセット（ＲＥＳＥＴ）コマンドが受け取られる（１１８）までこの静止状態に維持するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法（１００）。
4. 前記リセット（ＲＥＳＥＴ）コマンドを受け取る（１１８）とすぐに、ＡＭＤを動作不能とし、前記ＣＭＧ（５２）を、さらなるオリエンテーション変更を実現するように動作可能とするステップ（１２０１）をさらに含む、請求項３に記載の方法（１００）。
5. ＡＭＤ ＯＦＦ状態を示すように前記フラグをリセットするステップ（１２０２）をさらに含む、請求項４に記載の方法（１００）。
6. ＡＭＤは、前記ＣＭＧ（５２）に、前記人工衛星（２４）を前記静止状態にするように、時間と共に変動する（１１２、１１４）合成ジンバルレートコマンド（ＳＲＧＣ）（４７）を与えるステップ（１１０）を含む、請求項１に記載の方法（１００）。
7. 前記ＳＧＲＣ（４７）は、前記ＣＭＧ（５２）によって受け取られた最後の有効ジンバルレートコマンド（ＧＲＣ）（４６）、またはより小さい場合には、現時点でのジンバルレートに実質的に等しい初期値を有する、請求項６に記載の方法（１００）。
8. 前記ＡＭＤは、前記ＣＭＧ（５２）のジンバル（４２）を駆動するモータ（７０）に対する駆動電流（６９１）を低減させるように、前記ＣＭＧ（５２）のジンバルループ制御器（ＧＬＣ）（５３）の動作を修正するステップ（１１０）を含み、前記ＧＬＣ（５３）の誤差増幅器（６２）、または前記ＧＬＣ（５３）のリミッタ（６６）、または前記ＧＬＣ（５３）のモータドライバ（６８）、またはそれらの組合せの動作を変更する、請求項１に記載の方法（１００）。
9. 姿勢変更コマンド（４６）を生成する姿勢制御処理装置（ＡＣＰ）（５８）と、
   スペースクラフト（２４）に結合され、前記姿勢変更コマンド（４６）を実行して前記スペースクラフト（２４）のオリエンテーションを変更するコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）（５２）と、
   前記ＣＭＧ（５２）と前記ＡＣＰ（５８）との間に結合され、（ｉ）ＳＡＣＳ（５０、９０）の正常動作の間、前記ＡＣＰ（５８）から姿勢変更コマンド（４６）を受け取り、このコマンド（４６）を実行のために前記ＣＭＧ（５２）に渡し、（ｉｉ）この姿勢変更コマンド（４６）が無効である、使用不能である、または割り込みされたとき、またはそれらの組合せである緊急動作モード（１１０）の間、その時点で存在する前記スペースクラフト（２４）のいかなる回転も、所定の静止状態まで徐々に低減させる（１１２、１１４）ように前記ＣＭＧ（５２）の動作を修正する（１１０１）ように適合された運動減衰制御器（ＭＤＣ）（８０）とを備える、スペースクラフト（２４）姿勢制御システム（ＳＡＣＳ）（５０、９０）。
10. 前記ＣＭＧ（５２）は、
    前記ＭＤＣ（８０）に結合され、（ｉ）正常動作の間、姿勢変更コマンド（４６）を受け取りそして実行し、（ｉｉ）緊急動作モード（１１０）の間、その時点で存在する前記スペースクラフト（２４）のいかなる回転も、所定の静止状態まで徐々に低減させる（１１２、１１４）ように適合された他の信号（４７、８０２、８０３、８０５）を受け取りそして実行するジンバルループ制御器（ＧＬＣ）（５３）と、
    前記ＧＬＣ（５３）に結合された電気入力（６９）および前記スペースクラフト（２４）に結合された機械トルク出力（４１、２５）を有する、ジンバルモータ（７０）およびジンバルアセンブリ（４２）と、
    を備える、請求項９に記載のシステム（５０、９０）。

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