JP5484262B2 - Spacecraft attitude control device - Google Patents

Spacecraft attitude control device Download PDF

Info

Publication number
JP5484262B2
JP5484262B2 JP2010193085A JP2010193085A JP5484262B2 JP 5484262 B2 JP5484262 B2 JP 5484262B2 JP 2010193085 A JP2010193085 A JP 2010193085A JP 2010193085 A JP2010193085 A JP 2010193085A JP 5484262 B2 JP5484262 B2 JP 5484262B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
attitude
spacecraft
rotation angle
time
angle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2010193085A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2012051387A (en
Inventor
岳也 島
克彦 山田
岳宏 西山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP2010193085A priority Critical patent/JP5484262B2/en
Publication of JP2012051387A publication Critical patent/JP2012051387A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5484262B2 publication Critical patent/JP5484262B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Description

この発明は、例えば人工衛星や宇宙船等の宇宙機に搭載され、コントロールモーメントジャイロ(CMG:Control Moment Gyros)を制御して宇宙機の姿勢を変更する宇宙機の姿勢制御装置に関する。   The present invention relates to an attitude control device for a spacecraft that is mounted on a spacecraft such as an artificial satellite or a spacecraft and changes the attitude of the spacecraft by controlling a control moment gyro (CMG).

従来の宇宙機の姿勢制御装置は、姿勢プロファイル算出器、姿勢推定器、フィードフォワード制御器、フィードバック制御器、CMGジンバル目標プロファイル生成器およびCMGジンバル制御器を備えている。人工衛星の姿勢変更に際して、姿勢プロファイル算出器は、姿勢変更の軌道計画を作成し、人工衛星の最終的な目標姿勢(姿勢角、姿勢角速度)を算出する。姿勢推定器は、人工衛星の現在姿勢(姿勢角、姿勢角速度)を推定する。   A conventional spacecraft attitude control device includes an attitude profile calculator, an attitude estimator, a feedforward controller, a feedback controller, a CMG gimbal target profile generator, and a CMG gimbal controller. At the time of changing the attitude of the artificial satellite, the attitude profile calculator creates a trajectory plan for the attitude change and calculates the final target attitude (attitude angle and attitude angular velocity) of the artificial satellite. The attitude estimator estimates the current attitude (attitude angle and attitude angular velocity) of the artificial satellite.

フィードフォワード制御器は、姿勢プロファイル算出器で算出された人工衛星の目標姿勢に基づいて、姿勢変更に必要となる制御トルクをフィードフォワード的に算出する。フィードバック制御器は、姿勢プロファイル算出器で算出された人工衛星の目標姿勢および姿勢推定器で推定された人工衛星の現在姿勢に基づいて、人工衛星の目標姿勢と現在姿勢とのずれを補正する補正制御トルクをフィードバック的に算出する。   The feedforward controller calculates the control torque required for the attitude change in a feedforward manner based on the target attitude of the artificial satellite calculated by the attitude profile calculator. The feedback controller corrects the deviation between the target attitude of the artificial satellite and the current attitude based on the target attitude of the artificial satellite calculated by the attitude profile calculator and the current attitude of the artificial satellite estimated by the attitude estimator. The control torque is calculated in a feedback manner.

CMGジンバル目標プロファイル生成器は、フィードフォワード制御器からの制御トルク、フィードバック制御器からの補正制御トルクおよびCMGの各ジンバルの状態に基づいて、CMGのジンバル軸回りの回転角(ジンバル回転角)および回転角速度(ジンバル回転角速度)の目標値を算出する。CMGジンバル制御器は、CMGジンバル目標プロファイル生成器で算出されたジンバル回転角およびジンバル回転角速度の目標値、並びにジンバル回転角およびジンバル回転角速度の現在値に基づいてジンバルトルクを出力し、CMGを制御する(例えば、特許文献1参照)。   Based on the control torque from the feedforward controller, the corrected control torque from the feedback controller, and the state of each CMG gimbal, the CMG gimbal target profile generator A target value of the rotational angular velocity (gimbal rotational angular velocity) is calculated. The CMG gimbal controller outputs the gimbal torque based on the target value of the gimbal rotation angle and gimbal rotation angular velocity calculated by the CMG gimbal target profile generator, and the current value of the gimbal rotation angle and gimbal rotation angular velocity, and controls the CMG. (For example, refer to Patent Document 1).

特開2008−189235号公報JP 2008-189235 A

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
従来の宇宙機の姿勢制御装置のCMGジンバル目標プロファイル生成器で算出されたジンバル回転角の目標値は、ジンバル回転角速度やジンバル回転角加速度(CMGのジンバル軸回りの回転角加速度)の上限値を常に満たすという保証がないので、姿勢制御系が信頼性を欠くことがある。
However, the prior art has the following problems.
The target value of the gimbal rotation angle calculated by the CMG gimbal target profile generator of the conventional spacecraft attitude control device is the upper limit of the gimbal rotation angular velocity or gimbal rotation angular acceleration (rotation angular acceleration around the CMG gimbal axis). Since there is no guarantee that it will always satisfy, the attitude control system may lack reliability.

また、算出されたジンバル回転角の目標値によっては、制御トルクおよび補正制御トルクを実現するようなジンバル回転角速度を得ることができない状態、いわゆる特異状態になる場合がある。この場合には、望ましい姿勢変更動作を達成することができないだけでなく、人工衛星の姿勢変更において、無視することができない程の大きな姿勢の乱れが生じることがある。   Further, depending on the calculated target value of the gimbal rotation angle, there may be a state where a gimbal rotation angular velocity that realizes the control torque and the correction control torque cannot be obtained, that is, a so-called singular state. In this case, not only the desired attitude changing operation cannot be achieved, but also the attitude disturbance which cannot be ignored in the attitude change of the artificial satellite may occur.

これらのことは、人工衛星の姿勢変更に際して、姿勢変更の軌道計画のみがあらかじめ作成され、ジンバル回転角の軌道計画があらかじめ作成されないことによって生じる問題である。すなわち、ジンバル回転角およびジンバル回転角速度の目標値は、人工衛星の目標姿勢、人工衛星の現在姿勢およびCMGの各ジンバルの状態に基づいて、その都度算出されるので、算出された値が大きすぎる等、不適切な目標値を確実に回避しうる手段が存在しない。   These problems are caused by the fact that, when changing the attitude of the artificial satellite, only the orbit plan for the attitude change is created in advance and the orbit plan for the gimbal rotation angle is not created in advance. In other words, the target values of the gimbal rotation angle and the gimbal rotation angular velocity are calculated each time based on the target attitude of the artificial satellite, the current attitude of the artificial satellite, and the state of each gimbal of the CMG, so the calculated values are too large. There is no means that can reliably avoid inappropriate target values.

以上のように、従来の宇宙機の姿勢制御装置では、ジンバル回転角の軌道計画を確実かつ効率的に求める手段が存在しないので、CMGを制御するこのような姿勢制御装置において、信頼性を確保することができないという問題がある。
また、ジンバル回転角の軌道計画を近似的に算出する手段も明らかではないので、解が得られるとしても、長時間の演算時間が必要になるという問題もある。
さらに、ジンバル回転角の軌道計画と人工衛星の姿勢変更の軌道計画とが力学的に整合していないので、姿勢変更において余分な操作量が必要になるという問題もある。
As described above, in the conventional spacecraft attitude control device, there is no means for reliably and efficiently determining the trajectory plan of the gimbal rotation angle. Therefore, reliability is ensured in such an attitude control device that controls CMG. There is a problem that you can not.
Further, since a means for approximately calculating the trajectory plan of the gimbal rotation angle is not clear, there is a problem that a long calculation time is required even if a solution is obtained.
Further, since the orbit plan for the gimbal rotation angle and the orbit plan for the attitude change of the artificial satellite are not dynamically matched, there is a problem that an extra operation amount is required for the attitude change.

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あり、CMGの制御による宇宙機の姿勢変更を、高い信頼性で、効率的かつ確実に実行することができる宇宙機の姿勢制御装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and the attitude of a spacecraft that can efficiently and reliably execute the attitude change of the spacecraft under the control of the CMG with high reliability. The object is to obtain a control device.

この発明に係る宇宙機の姿勢制御装置は、宇宙機に搭載され、CMGを制御して宇宙機の姿勢を変更する宇宙機の姿勢制御装置であって、宇宙機の姿勢変更に際して、宇宙機の目標姿勢に基づいて、CMGのジンバル軸回りの回転角の軌道計画を、回転角が初期値から最終値に至るまでに要する時間内の複数の時刻における回転角を繋ぐ時間関数として算出するとともに、回転角の軌道計画を用いて得られたCMG全体の角運動量の総和から、角運動量保存則を用いて宇宙機の角運動量を算出し、この角運動量から求めた宇宙機の姿勢角速度を時間積分して、宇宙機の姿勢角の軌道計画を算出する軌道計画部を備え、宇宙機の姿勢角の現在値および回転角の現在値をフィードバックしてCMGを制御するものである。 A spacecraft attitude control device according to the present invention is mounted on a spacecraft and controls the CMG to change the attitude of the spacecraft. When the attitude of the spacecraft is changed, Based on the target posture, calculating the trajectory plan of the rotation angle around the gimbal axis of the CMG as a time function connecting the rotation angles at a plurality of times within the time required for the rotation angle to reach the final value , from the sum of the angular momentum of the entire CMG obtained using the trajectory planning of the rotating angle, calculates the angular momentum of the spacecraft with the conservation of angular momentum, the posture angular velocity of the spacecraft obtained from the angular momentum time A trajectory planning unit that integrates and calculates a trajectory plan of the attitude angle of the spacecraft is provided, and the current value of the attitude angle of the spacecraft and the current value of the rotation angle are fed back to control the CMG.

この発明に係る宇宙機の姿勢制御装置によれば、軌道計画部は、宇宙機の姿勢変更に際して、宇宙機の目標姿勢に基づいて、CMGのジンバル軸回りの回転角の軌道計画を、回転角が初期値から最終値に至るまでに要する時間内の複数の時刻における回転角を繋ぐ時間関数として算出するとともに、宇宙機の姿勢角の軌道計画を、回転角の軌道計画を用いて得られた宇宙機の姿勢角速度を時間積分して算出する。
そのため、CMGの制御による宇宙機の姿勢変更を、高い信頼性で、効率的かつ確実に実行することができる。
According to the attitude control device for a spacecraft according to the present invention, the trajectory planning unit determines the trajectory plan for the rotation angle around the CMG gimbal axis based on the target attitude of the spacecraft when changing the attitude of the spacecraft. Was calculated as a time function connecting the rotation angles at multiple times within the time required from the initial value to the final value, and the trajectory plan of the attitude angle of the spacecraft was obtained using the rotation angle trajectory plan The attitude angular velocity of the spacecraft is calculated by time integration.
Therefore, the attitude change of the spacecraft by the control of CMG can be executed efficiently and reliably with high reliability.

この発明の実施の形態1に係る宇宙機の姿勢制御装置によって制御されるCMGの概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of CMG controlled by the attitude control apparatus of the spacecraft concerning Embodiment 1 of this invention. 図1のCMGを人工衛星に複数台配置する場合の配置例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of arrangement | positioning in case the multiple CMG of FIG. 1 is arrange | positioned to an artificial satellite. この発明の実施の形態1に係る宇宙機の姿勢制御装置を周辺機器とともに示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows the attitude control apparatus of the spacecraft which concerns on Embodiment 1 of this invention with a peripheral device. この発明の実施の形態1に係る宇宙機の姿勢制御装置における軌道計画部の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the trajectory plan part in the attitude | position control apparatus of the spacecraft concerning Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1に係る宇宙機の姿勢制御装置におけるCMGのジンバル回転角と、CMG全体の角運動量、人工衛星の姿勢角速度および人工衛星の姿勢角との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the CMG gimbal rotation angle, the angular momentum of the whole CMG, the attitude angular velocity of the artificial satellite, and the attitude angle of the artificial satellite in the attitude control device for a spacecraft according to Embodiment 1 of the present invention. 図2に示した典型的なピラミッド配置のCMGにおける、全体での角運動量を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing the overall angular momentum in the typical pyramid-arranged CMG shown in FIG. 2. この発明の実施の形態2に係る宇宙機の姿勢制御装置におけるCMGのジンバル回転角と、人工衛星の姿勢角との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the gimbal rotation angle of CMG and the attitude angle of an artificial satellite in the attitude control device for a spacecraft according to Embodiment 2 of the present invention.

以下、この発明に係る宇宙機の姿勢制御装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
なお、以下の実施の形態では、宇宙機の姿勢制御装置が人工衛星に搭載されている場合を例に挙げて説明するが、これに限定されず、宇宙機の姿勢制御装置は、宇宙船等他の宇宙機に搭載されてもよい。
Hereinafter, preferred embodiments of the attitude control device for a spacecraft according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts will be described with the same reference numerals.
In the following embodiments, a case where the spacecraft attitude control device is mounted on an artificial satellite will be described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the spacecraft attitude control device is a spacecraft or the like. It may be mounted on other spacecraft.

実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る宇宙機の姿勢制御装置によって制御されるCMG1の概略構成を示す斜視図である。図1において、CMG1は、人工衛星の姿勢制御に用いられるアクチュエータであり、スピン軸回りに高速で回転するホイールと、ホイールを支持するとともに、スピン軸に対して直交するジンバル軸回りに回転するジンバルとから構成されている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of CMG 1 controlled by the attitude control device for a spacecraft according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, CMG1 is an actuator used for attitude control of an artificial satellite, and a wheel that rotates at high speed around a spin axis, and a gimbal that supports a wheel and rotates around a gimbal axis orthogonal to the spin axis. It consists of and.

CMG1において、ホイールは、高速回転することにより、スピン軸回りに一定量の角運動量を有する。ここで、ジンバルをジンバル軸回りに回転させ、ホイールの角運動量の向きを回転させることにより、人工衛星本体に大きな反作用トルクが働く。この反作用トルクが、人工衛星の姿勢制御に利用される。   In CMG1, the wheel has a certain amount of angular momentum around the spin axis by rotating at high speed. Here, by rotating the gimbal around the gimbal axis and rotating the direction of the angular momentum of the wheel, a large reaction torque acts on the satellite body. This reaction torque is used for attitude control of the satellite.

図2は、CMG1を人工衛星に複数台配置する場合の配置例を示す説明図である。図2において、CMG1は、通常4台程度が人工衛星に配置され、これら複数台のCMG1を強調して動作させることにより、人工衛星の姿勢制御を実現する。図2に示したCMG1の配置は、各CMG1が四角錐の底辺に配置されていることから、ピラミッド配置と呼ばれ、CMG1の典型的な配置例の1つとなっている。   FIG. 2 is an explanatory diagram showing an arrangement example when a plurality of CMGs 1 are arranged on an artificial satellite. In FIG. 2, about four CMGs 1 are normally arranged on the artificial satellite, and the attitude control of the artificial satellite is realized by emphasizing and operating these plural CMGs 1. The arrangement of CMG1 shown in FIG. 2 is called a pyramid arrangement because each CMG1 is arranged at the bottom of the quadrangular pyramid, and is one of typical arrangement examples of CMG1.

図3は、この発明の実施の形態1に係る宇宙機の姿勢制御装置10(以下、「姿勢制御装置10」と略称する)を、周辺機器であるCMG1および人工衛星本体2とともに示すブロック構成図である。図3において、各CMG1は、姿勢制御装置10から出力されるジンバル制御トルクによって制御される。   FIG. 3 is a block configuration diagram showing the spacecraft attitude control device 10 (hereinafter abbreviated as “attitude control device 10”) according to Embodiment 1 of the present invention, together with CMG1 and the satellite body 2 as peripheral devices. It is. In FIG. 3, each CMG 1 is controlled by a gimbal control torque output from the attitude control device 10.

上述したように、CMG1のホイールおよびジンバルが回転することによって人工衛星本体2に反作用トルクが働き、人工衛星本体2の姿勢が変更される。また、CMG1および人工衛星本体2は、それぞれジンバル回転角の現在値および人工衛星の姿勢角の現在値を姿勢制御装置10に出力する。   As described above, when the wheel and gimbal of the CMG 1 rotate, a reaction torque acts on the artificial satellite body 2 and the attitude of the artificial satellite body 2 is changed. The CMG 1 and the satellite main body 2 output the current value of the gimbal rotation angle and the current value of the attitude angle of the artificial satellite to the attitude control device 10, respectively.

姿勢制御装置10は、目標姿勢算出部11、軌道計画部12、減算部13、姿勢制御部14、ステアリング制御部15、加算部16、減算部17およびジンバル制御部18を備えている。ここで、姿勢制御装置10は、CPUとプログラムを格納したメモリとを有するマイクロプロセッサ(図示せず)で構成されており、姿勢制御装置10を構成する各ブロックは、メモリにソフトウェアとして記憶されている。   The attitude control device 10 includes a target attitude calculation unit 11, a trajectory planning unit 12, a subtraction unit 13, an attitude control unit 14, a steering control unit 15, an addition unit 16, a subtraction unit 17, and a gimbal control unit 18. Here, the attitude control device 10 is constituted by a microprocessor (not shown) having a CPU and a memory storing a program, and each block constituting the attitude control device 10 is stored in the memory as software. Yes.

以下、上記構成の姿勢制御装置10の各部位の機能について説明する。
目標姿勢算出部11は、人工衛星の姿勢変更に際して、人工衛星の最終的な目標姿勢を算出して軌道計画部12に出力する。
Hereinafter, functions of each part of the posture control apparatus 10 having the above-described configuration will be described.
The target attitude calculation unit 11 calculates the final target attitude of the artificial satellite and outputs it to the orbit planning unit 12 when changing the attitude of the artificial satellite.

軌道計画部12は、目標姿勢算出部11から人工衛星の姿勢変更における目標姿勢が与えられると、各CMG1のジンバル回転角の計画値(軌道計画)を算出して加算部16に出力するとともに、ジンバル回転角計画値と力学的に整合するような人工衛星の姿勢角の計画値(軌道計画)を算出して減算部13に出力する。ここで、軌道計画部12は、本願の要部であり、詳細な動作については後述する。   When the target attitude in the attitude change of the artificial satellite is given from the target attitude calculation unit 11, the trajectory planning unit 12 calculates a plan value (orbit plan) of the gimbal rotation angle of each CMG 1 and outputs it to the addition unit 16. A plan value (orbit plan) of the attitude angle of the artificial satellite that dynamically matches the gimbal rotation angle plan value is calculated and output to the subtractor 13. Here, the trajectory planning unit 12 is a main part of the present application, and detailed operations will be described later.

減算部13は、軌道計画部12で算出された人工衛星の姿勢角計画値から、姿勢制御装置10に入力された人工衛星の姿勢角現在値をフィードバックして減算し、算出された偏差を姿勢制御部14に出力する。
姿勢制御部14は、減算部13で算出された偏差を零にするように、フィードバック姿勢制御トルクを生成し、ステアリング制御部15に出力する。
The subtraction unit 13 feeds back and subtracts the current attitude angle value of the artificial satellite input to the attitude control device 10 from the attitude angle plan value of the artificial satellite calculated by the trajectory planning unit 12, and calculates the calculated deviation. Output to the control unit 14.
The attitude control unit 14 generates a feedback attitude control torque so as to make the deviation calculated by the subtraction unit 13 zero, and outputs it to the steering control unit 15.

ステアリング制御部15は、姿勢制御部14で生成されたフィードバック姿勢制御トルクに対応するような各CMG1のジンバル回転角の補正値を算出する。なお、CMG1が特異状態に近い場合には、ジンバル回転角補正値が過大な値をとる可能性があるが、この発明のステアリング制御部15は、CMG1が特異状態に近い場合には、ジンバル回転角補正値を低い値に抑えるように構成されている。   The steering control unit 15 calculates a correction value of the gimbal rotation angle of each CMG 1 corresponding to the feedback posture control torque generated by the posture control unit 14. Note that when CMG1 is close to the singular state, the gimbal rotation angle correction value may take an excessive value. However, when CMG1 is close to the singular state, the steering control unit 15 of the present invention may perform gimbal rotation. The angle correction value is configured to be suppressed to a low value.

ここで、このような構成が可能となるのは、軌道計画部12において、各CMG1のジンバル回転角計画値が算出されるためである。すなわち、CMG1が特異状態に近い場合であっても、ジンバル回転角計画値が算出されていることにより、人工衛星の姿勢変更は、滞りなく遂行される。   The reason why such a configuration is possible is that the trajectory planning unit 12 calculates the gimbal rotation angle plan value of each CMG 1. That is, even when CMG1 is close to the singular state, the attitude change of the artificial satellite is performed without delay because the planned gimbal rotation angle is calculated.

加算部16は、軌道計画部12で算出されたジンバル回転角計画値と、ステアリング制御部15で算出されたジンバル回転角補正値とを互いに加算し、各CMG1のジンバル回転角の目標値として減算部17に出力する。
減算部17は、加算部16で算出されたジンバル回転角目標値から、姿勢制御装置10に入力されたジンバル回転角現在値をフィードバックして減算し、算出された偏差をジンバル制御部18に出力する。
The adding unit 16 adds the gimbal rotation angle planned value calculated by the trajectory planning unit 12 and the gimbal rotation angle correction value calculated by the steering control unit 15 to each other, and subtracts it as the target value of the gimbal rotation angle of each CMG1. To the unit 17.
The subtraction unit 17 feeds back and subtracts the gimbal rotation angle current value input to the attitude control device 10 from the gimbal rotation angle target value calculated by the addition unit 16 and outputs the calculated deviation to the gimbal control unit 18. To do.

ジンバル制御部18は、減算部17で算出された偏差を零にするように、ジンバル制御トルクを生成し、各CMG1に出力する。
このように、軌道計画部12で人工衛星の姿勢角計画値および各CMG1のジンバル回転角計画値を算出し、これらの計画値を実現するようにフィードバック制御を実行することにより、信頼性の高い宇宙機の姿勢制御装置10を構成することができる。
The gimbal control unit 18 generates a gimbal control torque so that the deviation calculated by the subtraction unit 17 is zero, and outputs the generated gimbal control torque to each CMG 1.
As described above, the orbital planning unit 12 calculates the attitude angle planned value of the satellite and the gimbal rotation angle planned value of each CMG1, and performs feedback control so as to realize these planned values, thereby achieving high reliability. The attitude control device 10 for the spacecraft can be configured.

続いて、図4のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態1に係る宇宙機の姿勢制御装置10における軌道計画部12の動作について詳細に説明する。
まず、軌道計画部12は、i番目のCMG1のジンバル回転角をθとしたときに、ジンバル回転角θが初期値から最終値に至るまでに要する時間Tを設定する(ステップS1)。
Next, the operation of the trajectory planning unit 12 in the spacecraft attitude control device 10 according to the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the flowchart of FIG.
First, the trajectory planning unit 12 sets a time T required for the gimbal rotation angle θ i to reach the final value from the initial value when the gimbal rotation angle of the i-th CMG 1 is θ i (step S1).

ジンバル回転角θの初期値および最終値は、人工衛星の姿勢角、角速度、角加速度の条件から求めることができる。なお、ジンバル回転角θが初期値から最終値に至るまでに要する時間Tは、人工衛星の姿勢変化からおおよその時間を推定することができるが、軌道計画部12は、この時間Tの最小値を求めるために、最初は、比較的小さめの時間Tを設定する。 The initial value and final value of the gimbal rotation angle θ i can be obtained from the conditions of the attitude angle, angular velocity, and angular acceleration of the artificial satellite. Note that the time T required for the gimbal rotation angle θ i from the initial value to the final value can be estimated from the attitude change of the artificial satellite. In order to obtain the value, a relatively small time T is initially set.

次に、軌道計画部12は、ジンバル回転角θの初期値および最終値の時刻を除くある時刻tにおけるジンバル回転角θ(t)を設定する(ステップS2)。
ここで、軌道計画部12は、ジンバル回転角θが初期値から最終値に至るまでに要する時間Tの間に、時刻tを何点設定してもよい。この途中の時刻tのジンバル回転角θ(t)は、ジンバル回転角θの軌道計画を算出するためのパラメータとなる。
Next, the trajectory planning unit 12 sets the gimbal rotation angle theta i at a certain time t j, excluding the time of the initial and final values of the gimbal angle of rotation θ i (t j) (step S2).
Here, the trajectory planning unit 12 may set any number of times t j during the time T required for the gimbal rotation angle θ i to reach the final value from the initial value. The gimbal rotation angle θ i (t j ) at time t j in the middle is a parameter for calculating the trajectory plan of the gimbal rotation angle θ i .

例えば、ジンバル回転角θの初期値および最終値の時刻を除く2つの時刻tおよび時刻tを設定すると、時刻tのジンバル回転角θ(t)の数は、CMG1の台数Nの2倍の2N個となる。すなわち、この2N個のパラメータを用いて、後述するように、人工衛星の最終姿勢が望ましい値となるように制御することができる。 For example, setting the two times t 1 and time t 2, except the time of the initial and final values of the gimbal rotation angle theta i, the number of time t gimbal rotation angle j θ i (t j) is, Cmgl the number 2N times 2 times N. In other words, the 2N parameters can be used to control the final attitude of the artificial satellite to a desired value, as will be described later.

また、このとき、時刻tは、必ずしもある一瞬の時刻とする必要はなく、ジンバル回転角θの軌道計画として、時刻tから時刻tまでの間で一定値をとらせることとすれば、その間の一定値であるθ(t)=θ(t)を1つのパラメータとして取り扱うこともできる。 At this time, the time t j does not necessarily have to be a certain moment, and is assumed to have a constant value between time t 1 and time t 2 as a trajectory plan of the gimbal rotation angle θ i. For example, θ i (t 1 ) = θ i (t 2 ), which is a constant value therebetween, can be handled as one parameter.

続いて、軌道計画部12は、途中の時刻tのジンバル回転角θ(t)が設定されると、任意の時刻tにおけるジンバル回転角θを表す時間関数θ(t)(iは、1からNまでの整数)(以下、「ジンバル回転角の軌道計画θ(t)」と称する)を求める(ステップS3)。 Subsequently, when the gimbal rotation angle θ i (t j ) at an intermediate time t j is set, the trajectory planning unit 12 sets a time function θ i (t) () representing the gimbal rotation angle θ i at an arbitrary time t. i is an integer from 1 to N) (hereinafter referred to as “gimbal rotation angle trajectory plan θ i (t)”) (step S3).

具体的に説明すると、まず、途中の時刻tにおけるジンバル回転角θ(t)がパラメータとして設定されれば、任意の時刻tにおけるジンバル回転角θ(t)は、各時刻の間のジンバル回転角θを時間多項式で結ぶことによって求めることができる。 More specifically, first, if the gimbal rotation angle θ i (t j ) at an intermediate time t j is set as a parameter, the gimbal rotation angle θ i (t) at an arbitrary time t is Can be obtained by connecting the gimbal rotation angles θ i of the two by a time polynomial.

例えば、初期時刻をt、最終時刻をtとし、途中の時刻tにおけるジンバル回転角θ(t)が得られたとすると、時刻tから時刻tまでの間の任意の時刻tにおけるジンバル回転角θ(t)は、t=tにおいてθ(t)となり、t=tにおいてθ(t)となるようなn次の時間多項式で与えられる。 For example, assuming that the initial time is t 0 , the final time is t f, and the gimbal rotation angle θ i (t 1 ) at the intermediate time t 1 is obtained, any time between time t 0 and time t 1 is obtained. gimbal pivot angle in t θ i (t) is, θ i (t 0) at t = t 0, and the given by θ i (t 1) to become such n next time polynomial in t = t 1.

ここで、時間多項式の次数nは、時刻tおよび時刻tにおけるジンバル回転角、ジンバル回転角速度およびジンバル回転角加速度や、時刻tから時刻tに至るまでの人工衛星の姿勢角速度、姿勢角加速度および姿勢角加加速度、並びにジンバル回転角速度およびジンバル回転角加速度に対する制約条件の数によって決まる。 Here, the degree n of the time polynomial gimbal rotation angle at time t 0 and time t 1, the gimbal rotational angular velocity and or gimbal angular acceleration, the posture angular velocity of the satellite from the time t 0 until time t 1, the posture It depends on the number of constraints on the angular acceleration and attitude angular jerk, and on the gimbal rotation angular velocity and gimbal rotation angular acceleration.

また、時刻tから時刻tまでの間の任意の時刻tにおけるジンバル回転角θ(t)についても同様で、t=tにおいてθ(t)となり、t=tにおいてθ(t)となるようなn次の時間多項式で与えられる。なお、この時間多項式の次数nは、時刻tから時刻tまでの間の時間多項式の次数と異なっていてもよい。また、この時間多項式は、時刻tにおいて、ジンバル回転角が連続になるだけでなく、ジンバル回転角速度およびジンバル回転角加速度も連続となるように決定される。 The same applies to the gimbal rotation angle θ i (t) at any time t between time t 1 and time t f , and becomes θ i (t 1 ) at t = t 1 , and θ at t = t f . It is given by an n-th order time polynomial such that i (t f ). The degree n of the time polynomial may be different from the degree of the time polynomial between time t 0 and time t 1 . The time polynomial is determined so that not only the gimbal rotation angle is continuous but also the gimbal rotation angular velocity and the gimbal rotation angular acceleration are continuous at time t 1 .

次に、軌道計画部12は、上記ステップS3で求められたジンバル回転角の軌道計画θ(t)に基づいて、最終時刻tにおける人工衛星の最終姿勢を算出する(ステップS4)。
具体的に説明すると、まず、ジンバル回転角の軌道計画θ(t)が得られれば、任意の時刻tにおいて、CMG1が有する角運動量の総和を算出することができる。
Next, the trajectory planning unit 12, based on the trajectory planning of the gimbal rotation angle obtained in step S3 θ i (t), and calculates the final attitude of the satellite at the final time t f (step S4).
Specifically, first, if the trajectory plan θ i (t) of the gimbal rotation angle is obtained, the sum of the angular momentums of the CMG 1 can be calculated at an arbitrary time t.

このとき、角運動量保存則より、CMG1が運動しても、人工衛星全体の角運動量の和は一定の値に保たれる。そのため、時刻tにおいて人工衛星本体2が有する角運動量の初期値からの変化分は、時刻tにおいてCMG1が有する角運動量の初期値からの変化分に逆符号を付けたものと等しくなる。   At this time, according to the law of conservation of angular momentum, even if CMG1 moves, the sum of the angular momentum of the entire satellite is kept at a constant value. Therefore, the change from the initial value of the angular momentum of the artificial satellite body 2 at the time t is equal to the change from the initial value of the angular momentum of the CMG 1 at the time t.

これにより、時刻tにおいて人工衛星本体2が有する角運動量を算出することができ、この角運動量から、時刻tにおける人工衛星本体2の姿勢角速度を算出することができる。また、この姿勢角速度を初期時刻tから最終時刻tまで積分することにより、人工衛星本体2の最終姿勢を算出することができる。 Thereby, the angular momentum of the artificial satellite body 2 at the time t can be calculated, and the attitude angular velocity of the artificial satellite body 2 at the time t can be calculated from the angular momentum. Further, by integrating this attitude angular velocity from the initial time t 0 to the final time t f , the final attitude of the artificial satellite body 2 can be calculated.

続いて、軌道計画部12は、上記ステップS4で算出された最終時刻tにおける人工衛星の最終姿勢が、人工衛星の目標姿勢と一致するか否かを判定する(ステップS5)。
ここで、人工衛星の目標姿勢は、人工衛星の姿勢変更に際して、目標姿勢算出部11から与えられた値が用いられる。
Subsequently, the trajectory planning unit 12, the final orientation of the satellite in the final time t f calculated in step S4 determines whether matches the target satellite's attitude (step S5).
Here, as the target attitude of the artificial satellite, a value given from the target attitude calculation unit 11 when the attitude of the artificial satellite is changed is used.

ステップS5において、人工衛星の最終姿勢が人工衛星の目標姿勢と一致する(すなわち、Yes)と判定された場合には、軌道計画部12は、初期時刻tから最終時刻tに至るまでの、人工衛星の姿勢角速度、姿勢角加速度および姿勢角加加速度、並びにジンバル回転角速度およびジンバル回転角加速度の大きさが、拘束条件を満たしているか否かを判定する(ステップS6)。 In step S5, when the final position of the satellite is determined to be equal to the target satellite's attitude (i.e., Yes), the trajectory planning unit 12, from the initial time t 0 to the final time t f Then, it is determined whether or not the attitude angular velocity, attitude angular acceleration, attitude angular jerk, and gimbal rotation angular velocity and gimbal rotation angular acceleration of the artificial satellite satisfy the constraint conditions (step S6).

ステップS6において、拘束条件を満たしている(すなわち、Yes)と判定された場合には、軌道計画部12は、図4の処理を終了する。このときのジンバル回転角の軌道計画θ(t)を、各CMG1のジンバル回転角の計画値として加算部16に出力する。 In step S6, when it is determined that the constraint condition is satisfied (that is, Yes), the trajectory planning unit 12 ends the process of FIG. The trajectory plan θ i (t) of the gimbal rotation angle at this time is output to the adding unit 16 as the planned value of the gimbal rotation angle of each CMG 1.

一方、ステップS5において、人工衛星の最終姿勢が人工衛星の目標姿勢と一致しない(すなわち、No)と判定された場合には、軌道計画部12は、時刻tのジンバル回転角θ(t)の修正(後述する)の回数が、所定の上限値よりも少ないか否かを判定する(ステップS7)。 On the other hand, in step S5, the final orientation of the satellite is not equal to the target satellite's attitude (i.e., No) if it is determined that the trajectory planning unit 12, the time t j of the gimbal rotation angle theta i (t It is determined whether or not the number of j ) corrections (described later) is less than a predetermined upper limit value (step S7).

ステップS7において、時刻tのジンバル回転角θ(t)の修正回数が、所定の上限値よりも少ない(すなわち、Yes)と判定された場合には、軌道計画部12は、ステップS2(またはステップS8)で設定された、パラメータである時刻tのジンバル回転角θ(t)を修正して(ステップS8)、ステップS3に移行する。 In step S7, when it is determined that the number of corrections of the gimbal rotation angle θ i (t j ) at time t j is less than the predetermined upper limit value (that is, Yes), the trajectory planning unit 12 performs step S2. The gimbal rotation angle θ i (t j ) at time t j set in (or step S8) is corrected (step S8), and the process proceeds to step S3.

ここで、ステップS8における時刻tのジンバル回転角θ(t)の修正では、例えばニュートン法等を用いて、θ(t)に微小量Δθ(t)を加算した値を、新たなジンバル回転角θ(t)とする。 Here, in the correction of the gimbal rotation angle θ i (t j ) at time t j in step S8, a value obtained by adding a small amount Δθ i (t j ) to θ i (t j ) using, for example, the Newton method or the like. Is a new gimbal rotation angle θ i (t j ).

一方、ステップS7において、時刻tのジンバル回転角θ(t)の修正回数が、所定の上限値以上である(すなわち、No)と判定された場合には、軌道計画部12は、ステップS1(または後述するステップS9)で設定された、ジンバル回転角θが初期値から最終値に至るまでに要する時間Tを修正して(ステップS9)、ステップS2に移行する。 On the other hand, when it is determined in step S7 that the number of corrections of the gimbal rotation angle θ i (t j ) at time t j is greater than or equal to a predetermined upper limit value (that is, No), the trajectory planning unit 12 The time T required for the gimbal rotation angle θ i from the initial value to the final value set in step S1 (or step S9 described later) is corrected (step S9), and the process proceeds to step S2.

具体的に説明すると、ある一定回数(所定の上限値)以上、時刻tのジンバル回転角θ(t)の修正を実行しても、人工衛星の姿勢が収束しない場合には、ステップS1またはステップS9で設定された、ジンバル回転角θが初期値から最終値に至るまでに要する時間Tが短すぎて解が得られないものと考えられる。 More specifically, if the attitude of the artificial satellite does not converge even when the gimbal rotation angle θ i (t j ) at the time t j is corrected a certain number of times (predetermined upper limit value) or more, a step is performed. It is considered that the time T set for the gimbal rotation angle θ i from the initial value to the final value set in S1 or step S9 is too short to obtain a solution.

そこで、ステップS9における時間Tの修正では、時間Tに微小時間ΔTを加算した値を、ジンバル回転角θが初期値から最終値に至るまでに要する新たな時間Tとする。
なお、ステップS8においてθ(t)に加算する微小量Δθ(t)の値が大きくなりすぎる場合にも、時間Tが短すぎて解が得られないものと考えられるので、ステップS7での判断対象に、微小量Δθ(t)の値の大きさを入れてもよい。
Therefore, in the correction of the time T in step S9, a value obtained by adding the minute time ΔT to the time T is set as a new time T required for the gimbal rotation angle θ i to reach the final value from the initial value.
Note that even if the value of the minute amount Δθ i (t j ) added to θ i (t j ) in step S8 becomes too large, it is considered that the time T is too short and no solution can be obtained. You may put the magnitude | size of the value of micro amount ( DELTA ) ( theta ) i (tj) into the judgment object in S7.

また、ステップS6において、拘束条件を満たしていない(すなわち、No)と判定された場合には、軌道計画部12は、直ちにステップS9に移行する。   If it is determined in step S6 that the constraint condition is not satisfied (that is, No), the trajectory planning unit 12 immediately proceeds to step S9.

具体的に説明すると、初期時刻tから最終時刻tに至るまでの、人工衛星の姿勢角の軌道計画および各CMG1のジンバル回転角の軌道計画が拘束条件を満たしていない場合には、人工衛星の姿勢が収束しない場合と同様に、ジンバル回転角θが初期値から最終値に至るまでに要する時間Tが短すぎて解が得られないものと考えられる。そのため、ステップS6においてNoと判定された場合には、ステップS9で時間Tを修正して、再度ステップS2からの処理を実行する。 More specifically, if the orbit plan of the attitude angle of the artificial satellite and the orbit plan of the gimbal rotation angle of each CMG 1 from the initial time t 0 to the final time t f does not satisfy the constraint condition, As in the case where the attitude of the satellite does not converge, it is considered that the time T required for the gimbal rotation angle θ i from the initial value to the final value is too short to obtain a solution. Therefore, when it determines with No in step S6, time T is correct | amended by step S9 and the process from step S2 is performed again.

なお、ジンバル回転角θが初期値から最終値に至るまでに要する時間Tを大きくとることによって、必ず解が得られるので、図4の処理は必ず終了する。すなわちステップS6において、条件判定がYesとなり、図4の処理を終了できる。このときのジンバル回転角の軌道計画θ(t)を、各CMG1のジンバル回転角の計画値として加算部16に出力する。 Since the solution is always obtained by increasing the time T required for the gimbal rotation angle θ i from the initial value to the final value, the processing in FIG. That is, in step S6, the condition determination is Yes, and the process in FIG. 4 can be completed. The trajectory plan θ i (t) of the gimbal rotation angle at this time is output to the adding unit 16 as the planned value of the gimbal rotation angle of each CMG 1.

また、軌道計画部12は、このジンバル回転角の軌道計画θ(t)と、人工衛星の運動方程式または角運動量保存則等の力学法則とに基づいて、人工衛星の姿勢角速度や姿勢角加速度の計画値を時間関数として設定し、この時間関数をさらに時間積分することによって人工衛星の姿勢角の計画値を算出して、減算部13に出力する。 The trajectory planning unit 12 also determines the attitude angular velocity and attitude angular acceleration of the satellite based on the trajectory plan θ i (t) of the gimbal rotation angle and a dynamic law such as an equation of motion of the satellite or an angular momentum conservation law. Is calculated as a time function, and the time function is further time integrated to calculate the planned attitude angle of the artificial satellite and output it to the subtractor 13.

このように、ジンバル回転角の計画値を時間関数として与え、その時間関数を、ジンバル回転角θが初期値から最終値に至るまでに要する時間Tと、ある時刻tにおけるジンバル回転角θ(t)とをパラメータとして求めるようにした。これにより、ジンバル回転角θが初期値から最終値に至るまでに要する時間(人工衛星が姿勢初期値から最終値に至るまでに要する時間)をなるべく短くしながら、しかも少ない数のパラメータで、効率的かつ確実にジンバル回転角の軌道計画θ(t)と、この軌道計画に応じた人工衛星の姿勢角の軌道計画とを算出することができる。 In this way, the planned value of the gimbal rotation angle is given as a time function, and the time function is expressed as the time T required for the gimbal rotation angle θ i to reach the final value from the initial value and the gimbal rotation angle θ at a certain time t j . i (t j ) is obtained as a parameter. As a result, the time required for the gimbal rotation angle θ i to reach from the initial value to the final value (the time required for the artificial satellite to reach the final value from the attitude initial value) is as short as possible, and with a small number of parameters, The orbit plan θ i (t) for the gimbal rotation angle and the orbit plan for the attitude angle of the artificial satellite corresponding to the orbit plan can be calculated efficiently and reliably.

また、上述した制約条件を逸脱するようなジンバル回転角の軌道計画θ(t)は現れず、さらに、CMG1が特異状態に近い場合であっても、ジンバル回転角の軌道計画θ(t)が算出されることにより、不適切な目標値が現れることもなく、人工衛星の姿勢変更は、滞りなく遂行される。 In addition, the trajectory plan θ i (t) of the gimbal rotation angle that deviates from the above-mentioned constraint condition does not appear, and even if the CMG1 is close to a singular state, the trajectory plan of the gimbal rotation angle θ i (t ) Is calculated, an inappropriate target value does not appear, and the attitude change of the satellite is performed without delay.

以上のように、実施の形態1によれば、軌道計画部は、宇宙機の姿勢変更に際して、宇宙機の目標姿勢に基づいて、CMGのジンバル軸回りの回転角の軌道計画を、回転角が初期値から最終値に至るまでに要する時間内の複数の時刻における回転角を繋ぐ時間関数として算出するとともに、宇宙機の姿勢角の軌道計画を、回転角の軌道計画を用いて得られた宇宙機の姿勢角速度を時間積分して算出する。
そのため、CMGの制御による宇宙機の姿勢変更を、高い信頼性で、効率的かつ確実に実行することができる。
As described above, according to the first embodiment, when changing the attitude of the spacecraft, the trajectory planning unit calculates the trajectory plan of the rotation angle around the gimbal axis of the CMG based on the target attitude of the spacecraft. Calculated as a time function connecting the rotation angles at multiple times within the time required from the initial value to the final value, and the spacecraft attitude angle trajectory plan obtained using the rotation angle trajectory plan The attitude angular velocity of the aircraft is calculated by time integration.
Therefore, the attitude change of the spacecraft by the control of CMG can be executed efficiently and reliably with high reliability.

すなわち、このような構成により、宇宙機の姿勢変更と各CMGのジンバル回転角の制御とは、計画値の段階で互いに干渉することがないので、宇宙機の姿勢変更において、フィードバック制御とフィードフォワード制御を無理なく融合することができ、複数台のCMGを用いた宇宙機の姿勢変更を効率的に行うことができる。   That is, with such a configuration, the change in attitude of the spacecraft and the control of the gimbal rotation angle of each CMG do not interfere with each other at the planned value stage. Control can be integrated without difficulty, and the attitude change of a spacecraft using a plurality of CMGs can be performed efficiently.

続いて、図5を参照しながら、ジンバル回転角θの初期値と最終値との間を、3つの区間に分けた場合の具体例について説明する。図5は、この発明の実施の形態1に係る宇宙機の姿勢制御装置におけるCMG1のジンバル回転角と、CMG1全体の角運動量、人工衛星の姿勢角速度および人工衛星の姿勢角との関係を示す説明図である。 Next, a specific example in which the interval between the initial value and the final value of the gimbal rotation angle θ i is divided into three sections will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between the CMG1 gimbal rotation angle, the angular momentum of the entire CMG1, the attitude angle velocity of the artificial satellite, and the attitude angle of the artificial satellite in the attitude control device for a spacecraft according to the first embodiment of the present invention. FIG.

図5において、軌道計画部12は、ジンバル回転角の軌道計画θ(t)における初期値と最終地との間を3つの区間に分割し、初期値および最終値の時刻を除く2つの時刻tおよび時刻tにおけるi番目のCMG1のジンバル回転角θ(t)およびジンバル回転角θ(t)をパラメータにとる。 In FIG. 5, the trajectory planning unit 12 divides the interval between the initial value and the final location in the trajectory plan θ i (t) of the gimbal rotation angle into three sections, and two times excluding the time of the initial value and the final value. The gimbal rotation angle θ i (t 1 ) and the gimbal rotation angle θ i (t 2 ) of the i-th CMG 1 at t 1 and time t 2 are used as parameters.

このとき、パラメータの総数は、CMG1がN台とすれば2N個となるが、ジンバル回転角θ(t)とジンバル回転角θ(t)とを等しくすればパラメータはN個となる。また、時刻tと時刻tとの間のCMG1のジンバル回転角を一定とすれば、CMG1全体での角運動量も一定となる。 At this time, the total number of parameters is 2N if the number of CMG1 is N, but if the gimbal rotation angle θ i (t 1 ) is equal to the gimbal rotation angle θ i (t 2 ), the number of parameters is N. Become. Further, if the gimbal angle of rotation of Cmgl between time t 1 and time t 2 is constant, also constant angular momentum of the entire Cmgl.

したがって、上述したように、人工衛星全体の角運動量の和は、一定の値に保たれることから、人工衛星本体2が有する角運動量は、CMG1全体の角運動量に逆符号をつけたものと等しくなり、人工衛星は、図5に示したように、ほぼ台形の速度パターンで姿勢変更することとなる。   Therefore, as described above, since the sum of the angular momentum of the entire satellite is maintained at a constant value, the angular momentum of the artificial satellite body 2 is obtained by adding the opposite sign to the angular momentum of the entire CMG1. As shown in FIG. 5, the artificial satellites change their attitudes with a substantially trapezoidal velocity pattern.

ここで、図2に示したような典型的なピラミッド配置のCMG1を例にとると、その全体での角運動量は、角運動量の向きに応じて、図6に示されたような大きさとなる。図6は、CMG1全体として、原点からある向きに対して、最大でどれだけの角運動量を発生させることができるかを示しており、各CMG1が有する角運動量を1としている。   Here, taking a typical pyramid-arranged CMG 1 as shown in FIG. 2 as an example, the overall angular momentum has a magnitude as shown in FIG. 6 according to the direction of angular momentum. . FIG. 6 shows how much angular momentum can be generated in the CMG 1 as a whole with respect to a certain direction from the origin, and each CMG 1 has 1 angular momentum.

なお、人工衛星の姿勢変更は、オイラー軸と呼ばれるある回転軸回りの回転で表すことができる。したがって、人工衛星の慣性行列とオイラー軸とを乗じることにより得られる方向が、人工衛星本体の発生すべき角運動量の方向となる。そこで、この方向と逆向きに、CMG1が有する角運動量の総和が最大になるように各CMG1のジンバル回転角を求め、そのジンバル回転角をジンバル回転角θ(t)およびジンバル回転角θ(t)に設定することにより、この場合におけるオイラー軸回りの姿勢変更の角速度は、与えられたCMG1で実現できる最大の角速度となる。したがって、オイラー軸回りの回転に要する時間は、最小値となる。 The attitude change of the artificial satellite can be expressed by rotation around a certain rotation axis called Euler axis. Accordingly, the direction obtained by multiplying the inertial matrix of the artificial satellite and the Euler axis is the direction of the angular momentum to be generated by the artificial satellite body. Therefore, the gimbal rotation angle of each CMG 1 is obtained so that the sum of the angular momentums of the CMG 1 is maximized in the opposite direction, and the gimbal rotation angle is determined as the gimbal rotation angle θ i (t 1 ) and the gimbal rotation angle θ. By setting i (t 2 ), the angular velocity for posture change around the Euler axis in this case is the maximum angular velocity that can be realized by the given CMG 1. Therefore, the time required for rotation around the Euler axis is a minimum value.

このように、姿勢変更における目標姿勢に基づいて決定される人工衛星に与えるべき角運動量の向きにおいて、CMG1全体の角運動量の総和が逆向きで最大となるようにジンバル回転角の計画値を決定した。これにより、与えられたCMG1において、最短時間での姿勢変更を実現可能なジンバル回転角の軌道計画θ(t)と、この軌道計画に応じた人工衛星の姿勢角の軌道計画とを算出することができる。
なお、実際には、CMG1全体での角運動量の総和が最大となる状態は、それ以上、角運動量を発生できないという意味で、特異状態の一つとなっている。したがってCMG1全体の発生する角運動量が、最大発生角運動量より少し小さめの値となるように、ジンバル回転角の計画値を決定してもよい。
In this way, the planned value of the gimbal rotation angle is determined so that the sum of the angular momentum of the entire CMG1 is reversed and maximized in the direction of angular momentum to be given to the artificial satellite determined based on the target attitude in the attitude change. did. Thereby, in the given CMG1, a trajectory plan θ i (t) of the gimbal rotation angle that can realize the attitude change in the shortest time and a trajectory plan of the attitude angle of the artificial satellite according to the trajectory plan are calculated. be able to.
Actually, the state in which the sum of the angular momentum in the entire CMG 1 is the maximum is one of the singular states in the sense that the angular momentum cannot be generated any more. Therefore, the planned value of the gimbal rotation angle may be determined so that the angular momentum generated by the entire CMG 1 becomes a value slightly smaller than the maximum generated angular momentum.

実施の形態2.
上記実施の形態1では、軌道計画部12に、目標姿勢算出部11から人工衛星の姿勢変更における最終姿勢(目標姿勢)のみが与えられる場合について説明した。この実施の形態2では、軌道計画部12に、人工衛星の姿勢角の最終姿勢だけでなく、初期姿勢から最終姿勢に至るまでの軌道計画もあらかじめ与えられる場合について説明する。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, the case where only the final attitude (target attitude) in the attitude change of the artificial satellite is given to the trajectory planning unit 12 from the target attitude calculating unit 11 has been described. In the second embodiment, a case will be described in which not only the final attitude of the attitude angle of the artificial satellite but also a trajectory plan from the initial attitude to the final attitude is given to the orbit planning unit 12 in advance.

図7は、この発明の実施の形態2に係る宇宙機の姿勢制御装置におけるCMG1のジンバル回転角と、人工衛星の姿勢角との関係を示す説明図である。図7に示したように、軌道計画部12に、人工衛星の姿勢角の最終姿勢だけでなく、初期姿勢から最終姿勢に至るまでの運動も軌道計画として与えられる場合には、この人工衛星の姿勢角の軌道計画と整合するようなジンバル回転角の軌道計画θ(t)を解析的に得ることは困難である。 FIG. 7 is an explanatory diagram showing the relationship between the gimbal rotation angle of CMG1 and the attitude angle of the artificial satellite in the attitude control device for a spacecraft according to Embodiment 2 of the present invention. As shown in FIG. 7, when the trajectory planning unit 12 is given not only the final attitude of the attitude angle of the artificial satellite but also the movement from the initial attitude to the final attitude as the orbit plan, It is difficult to analytically obtain a gimbal rotation angle trajectory plan θ i (t) that matches the attitude angle trajectory plan.

そこで、この場合には、軌道計画部12は、人工衛星の姿勢角の初期姿勢および最終姿勢に対応するジンバル回転角を求め、その間の区間が滑らかに(連続に)繋がるように、ジンバル回転角の軌道計画を適当な時間関数(時間多項式)で表現する。   Therefore, in this case, the trajectory planning unit 12 obtains the gimbal rotation angle corresponding to the initial attitude and the final attitude of the artificial satellite, and the gimbal rotation angle is connected smoothly (continuously) between the intervals. The trajectory plan is expressed by an appropriate time function (time polynomial).

また、軌道計画部12は、この時間関数で与えられるジンバル回転角と力学的に整合する人工衛星の姿勢角の軌道計画を算出し、算出された軌道計画が目標姿勢算出部11から与えられた姿勢変更の軌道計画と十分に近づくように、ジンバル回転角の軌道計画を示す時間関数に含まれるパラメータ(時間多項式係数)を決定する。   The trajectory planning unit 12 calculates a trajectory plan of the attitude angle of the artificial satellite that dynamically matches the gimbal rotation angle given by this time function, and the calculated trajectory plan is given from the target attitude calculation unit 11. A parameter (time polynomial coefficient) included in the time function indicating the trajectory plan of the gimbal rotation angle is determined so as to be sufficiently close to the trajectory plan of the posture change.

このように、軌道計画部12で算出された軌道計画が目標姿勢算出部11から与えられた姿勢変更の軌道計画と十分に近づくように、ジンバル回転角の軌道計画を示す時間関数に含まれるパラメータを決定することにより、人工衛星の姿勢角の軌道計画が与えられる場合であっても、この軌道計画に応じた連続なジンバル回転角の軌道計画θ(t)を近似的に算出することができる。 Thus, the parameters included in the time function indicating the trajectory plan of the gimbal rotation angle so that the trajectory plan calculated by the trajectory planner 12 is sufficiently close to the trajectory plan of posture change given from the target posture calculator 11. Even when a trajectory plan of the attitude angle of the artificial satellite is given, the trajectory plan θ i (t) of the continuous gimbal rotation angle corresponding to the trajectory plan can be approximately calculated. it can.

1 CMG、2 人工衛星本体、10 宇宙機の姿勢制御装置、11 目標姿勢算出部、12 軌道計画部、13 減算部、14 姿勢制御部、15 ステアリング制御部、16 加算部、17 減算部、18 ジンバル制御部。   1 CMG, 2 artificial satellite body, 10 spacecraft attitude control device, 11 target attitude calculation unit, 12 orbit planning unit, 13 subtraction unit, 14 attitude control unit, 15 steering control unit, 16 addition unit, 17 subtraction unit, 18 Gimbal control unit.

Claims (4)

宇宙機に搭載され、CMG(コントロールモーメントジャイロ)を制御して宇宙機の姿勢を変更する宇宙機の姿勢制御装置であって、
前記宇宙機の姿勢変更に際して、前記宇宙機の目標姿勢に基づいて、前記CMGのジンバル軸回りの回転角の軌道計画を、前記回転角が初期値から最終値に至るまでに要する時間内の複数の時刻における回転角を繋ぐ時間関数として算出するとともに、前記回転角の軌道計画を用いて得られた前記CMG全体の角運動量の総和から、角運動量保存則を用いて前記宇宙機の角運動量を算出し、この角運動量から求めた前記宇宙機の姿勢角速度を時間積分して、前記宇宙機の姿勢角の軌道計画を算出する軌道計画部を備え、
前記宇宙機の姿勢角の現在値および前記回転角の現在値をフィードバックして前記CMGを制御する
ことを特徴とする宇宙機の姿勢制御装置。
A spacecraft attitude control device that is mounted on a spacecraft and controls the CMG (control moment gyro) to change the attitude of the spacecraft.
When changing the attitude of the spacecraft, based on the target attitude of the spacecraft, a trajectory plan of the rotation angle around the gimbal axis of the CMG is calculated in a plurality of times within the time required for the rotation angle to reach the final value from the initial value. and calculates as a function of time for connecting the rotation angle at a time, from the CMG total angular momentum of the sum obtained with the trajectory planning before Symbol rotation angle, the angular momentum of the spacecraft with the law of conservation of angular momentum And calculating a trajectory plan of the attitude angle of the spacecraft by time integrating the attitude angular velocity of the spacecraft calculated from the angular momentum ,
An attitude control device for a spacecraft, wherein the CMG is controlled by feeding back a current value of an attitude angle of the spacecraft and a current value of the rotation angle.
前記軌道計画部は、前記回転角の初期値と最終値との間を複数の区間に分割し、前記初期値および最終値を除く各区間の端点における回転角と、前記回転角が初期値から最終値に至るまでに要する時間とをパラメータとして、少なくとも前記宇宙機の姿勢角速度、姿勢角加速度および姿勢角加加速度、並びに前記ジンバル軸回りの回転角速度および回転角加速度の何れかを含む制約条件を満足するように前記各区間の回転角を時間関数で表現することにより、前記回転角の軌道計画を算出することを特徴とする請求項1に記載の宇宙機の姿勢制御装置。   The trajectory planning unit divides between the initial value and final value of the rotation angle into a plurality of sections, the rotation angle at the end points of each section excluding the initial value and final value, and the rotation angle from the initial value. Using the time required to reach the final value as a parameter, a constraint condition including at least one of the attitude angular velocity, attitude angular acceleration and attitude angular jerk of the spacecraft, and the rotation angular velocity and rotation angular acceleration around the gimbal axis The spacecraft attitude control device according to claim 1, wherein the rotation angle trajectory plan is calculated by expressing the rotation angle of each section as a time function so as to satisfy. 前記軌道計画部は、前記回転角の初期値と最終値との間を3つの区間に分割し、前記初期値および最終値を除く各区間の端点における2つの前記回転角を、前記宇宙機の目標姿勢に基づいて決定される前記宇宙機に与えるべき角運動量の向きにおいて、前記CMG全体の角運動量の総和が逆向きで最大となるように、前記回転角の軌道計画を算出することを特徴とする請求項1に記載の宇宙機の姿勢制御装置。   The trajectory planning unit divides the interval between the initial value and final value of the rotation angle into three sections, and calculates the two rotation angles at the end points of each section excluding the initial value and final value of the spacecraft. In the direction of angular momentum to be given to the spacecraft determined based on a target attitude, the trajectory plan of the rotation angle is calculated so that the sum of the angular momentum of the entire CMG is maximized in the opposite direction. The attitude control device for a spacecraft according to claim 1. 前記軌道計画部は、前記宇宙機の姿勢角の軌道計画があらかじめ与えられた場合に、前記宇宙機の姿勢角の初期姿勢および最終姿勢に対応する回転角を求め、前記初期姿勢と最終姿勢との間の区間が滑らかに繋がるように、この回転角の軌道計画を示す時間関数を設定するとともに、この時間関数に基づいて前記宇宙機の姿勢角の軌道計画を算出し、算出された前記宇宙機の姿勢角の軌道計画が、あらかじめ与えられた前記宇宙機の姿勢角の軌道計画と近づくように、前記回転角の時間関数のパラメータを決定することを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の宇宙機の姿勢制御装置。   The trajectory planning unit obtains a rotation angle corresponding to the initial attitude and the final attitude of the attitude angle of the spacecraft when a trajectory plan of the attitude angle of the spacecraft is given in advance, and the initial attitude and the final attitude The time function indicating the rotation angle trajectory plan is set so that the sections between the two are smoothly connected, and the spacecraft attitude angle trajectory plan is calculated based on the time function, and the calculated space 4. The parameter of the time function of the rotation angle is determined so that a trajectory plan of the attitude angle of the aircraft approaches a trajectory plan of the attitude angle of the spacecraft given in advance. The attitude control device for a spacecraft according to any one of the above.
JP2010193085A 2010-08-31 2010-08-31 Spacecraft attitude control device Active JP5484262B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010193085A JP5484262B2 (en) 2010-08-31 2010-08-31 Spacecraft attitude control device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010193085A JP5484262B2 (en) 2010-08-31 2010-08-31 Spacecraft attitude control device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012051387A JP2012051387A (en) 2012-03-15
JP5484262B2 true JP5484262B2 (en) 2014-05-07

Family

ID=45905264

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010193085A Active JP5484262B2 (en) 2010-08-31 2010-08-31 Spacecraft attitude control device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5484262B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101877414B1 (en) * 2017-09-22 2018-07-12 한국항공우주연구원 Control method of angular momentum of a satellite

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3034535B1 (en) * 2015-03-31 2018-08-17 Airbus Defence And Space Sas METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING THE ATTITUDE OF A SPACE DEVICE
JP6373496B2 (en) 2015-06-22 2018-08-15 三菱電機株式会社 Spacecraft attitude control device and CMG gimbal angle calculation method
EP3511253A4 (en) * 2016-09-09 2019-09-11 Mitsubishi Electric Corporation Posture control device, posture control system, ground station, artificial satellite, method for controlling posture, and program
WO2019044735A1 (en) * 2017-09-01 2019-03-07 三菱電機株式会社 Spacecraft control device, spacecraft control method, and program
JP7080150B2 (en) * 2018-09-28 2022-06-03 三菱電機株式会社 Gimbal profile generator, gimbal profile generator and gimbal profile generator
DE102019103173A1 (en) * 2019-02-08 2020-08-13 Volocopter Gmbh Method and system for movement planning for aircraft, in particular for load-carrying and / or person-carrying VTOL aircraft
CN114485672A (en) * 2022-01-27 2022-05-13 北京理工大学 Coupling constraint trajectory planning method for planar detector attached to small celestial body

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3741500A (en) * 1971-04-21 1973-06-26 Sperry Rand Corp A cmg fine attitude control system
US6154691A (en) * 1997-09-02 2000-11-28 Honeywell International Inc. Orienting a satellite with controlled momentum gyros
US6047927A (en) * 1998-03-16 2000-04-11 Honeywell Inc. Escaping singularities in a satellite attitude control
JP4511390B2 (en) * 2005-03-01 2010-07-28 三菱電機株式会社 Satellite attitude control device
JP4679439B2 (en) * 2006-06-05 2011-04-27 三菱電機株式会社 Satellite attitude control device
JP4463287B2 (en) * 2007-02-07 2010-05-19 Nec東芝スペースシステム株式会社 Posture change control method, posture change control system, posture change control program, and program recording medium
US8688296B2 (en) * 2008-11-17 2014-04-01 David A. Bailey Method for maximum data collection with a control moment gyroscope controlled satellite

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101877414B1 (en) * 2017-09-22 2018-07-12 한국항공우주연구원 Control method of angular momentum of a satellite

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012051387A (en) 2012-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5484262B2 (en) Spacecraft attitude control device
JP4511390B2 (en) Satellite attitude control device
US9745082B2 (en) Rapid slew and settle systems for small satellites
JP6444293B2 (en) Method and control system for controlling operation of spacecraft, and spacecraft
US20180290719A1 (en) Motion control device and motion control method for ship
US7988097B2 (en) Precision attitude control system for gimbaled thruster
JP4249902B2 (en) Singularity avoidance in satellite attitude control
EP1064591B1 (en) Continuous spacecraft attitude control that avoids cmg array singularities
JP4679439B2 (en) Satellite attitude control device
JP6373496B2 (en) Spacecraft attitude control device and CMG gimbal angle calculation method
US20220097872A1 (en) Attitude control system and method
JP5125542B2 (en) Attitude control device and attitude control method for artificial satellite
CN108227728A (en) A kind of spacecraft attitude dynamic control allocation method for considering the switching of mixing executing agency
CN110816897A (en) Multi-mode switching control method based on CMG system
Oki et al. Time-optimal manipulator control of a free-floating space robot with constraint on reaction torque
JP5955037B2 (en) Actuator drive
KR101695524B1 (en) Apparatus and method for controlling cluster of control moment gyroscope
Etter A solution of the time-optimal Euler rotation problem
JP2009190506A (en) Posture control device for artificial satellite and posture control method of artificial satellite
JP5126107B2 (en) Satellite attitude control device
JP4930072B2 (en) Satellite attitude control device
KR100778098B1 (en) Moment gyros'cluster for spacecraft three axis attitude control
Lee et al. Asymptotic reduced-dimensional steering strategies for CMG singularity-free control
JP7080150B2 (en) Gimbal profile generator, gimbal profile generator and gimbal profile generator
CN117029585A (en) Rocket guidance capacity expansion method for terminal state autonomous prediction compensation

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20120927

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130827

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130830

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20131018

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20131021

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140121

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140218

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5484262

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250