JP6989252B2 - エネルギー効率に優れた衛星の操縦 - Google Patents

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Description

本特許出願は、広くは、衛星に関し、特に、エネルギー効率に優れた衛星の操縦に関する。
衛星又は居住空間オブジェクト（ＲＳＯ）などの宇宙輸送体は、通常、発進（ｌａｕｎｃｈ）の後、最終軌道への操縦の間に、非常に大きな重力トルク（例えば、環境トルク、環境トルクの乱れなど）に遭遇する。通常、地球を周回する衛星又は居住空間オブジェクト（ＲＳＯ）は、最終軌道に到達するために移行軌道（地球同期移行軌道など）を開始する最初の操縦を実行する前に、パーキング軌道又は初期軌道（例えば、最初の軌道）内に配置され得る。その後、衛星は、最終的な操縦を実行し、最終軌道を維持し得る。例えば、衛星は、低地球軌道（ＬＥＯ）からスタートし、地球同期移行軌道（ＧＴＯ）を通るように操縦され、最終的な地球同期軌道（ＧＥＯ）へ至ることができる。これらの操縦の間に、衛星の重力トルク及び／又は運動量の増加は、スラスタ及び／又は推進デバイスの大幅な使用を必要とし得る。
この重力勾配トルク及び／又は運動量に対抗するために、ある典型的な衛星は、これらの衛星内に配置されたリアクションホイールを利用する。特に、リアクションホイールは、衛星の姿勢の制御のために、種々の速度で回転し得るフライホイールを含む。しかし、これらのリアクションホイールは、更なるペイロードの空間及び／又は重量を必要とし、操作するためのエネルギーも必要とし得る。更に、ある最近の衛星は、最終軌道に向かって移動している間に、電力を生成するための展開可能な太陽光パネルを使用し、それによって、慣性モーメントを増加させ、したがって、重力勾配トルクからより大きな影響を受け、それによって、比較的大きなリアクションホイールの使用を必要とし、結局、それぞれの打上げ機（ｌａｕｎｃｈ ｖｅｈｉｃｌｅ）のためにより大きなペイロードの空間及び重量を必要とする。
例示的な方法は、天体（ｓｐａｃｅ ｂｏｄｙ）の周りの軌道にある衛星を操縦し、それによって、衛星の主要な受感軸が軌道フレーム平面に方向付けられ、衛星に働く重力勾配トルクを低減させることを含む。軌道フレーム平面は、軌道フレームベクトルに基づく。
例示的な装置は、衛星の操縦デバイス、及び方向付けコントローラを含み、衛星の主要な受感軸を軌道フレーム平面に方向付け、衛星に働く重力勾配トルクを低減させる。
別の例示的な方法は、天体の周りの軌道にある衛星を操縦し、衛星の主要な受感軸を軌道フレーム平面に方向付ける。軌道フレーム平面は、軌道フレームベクトルによって規定される。例示的な方法は、衛星の少なくとも１つのスラスタを操作して、結果としての推力ベクトルが、主要な受感軸に対して垂直になることをもたらし、衛星の軌道距離を変更することも含む。
更に別の例示的な方法は、天体を周回する衛星を操縦し、それによって、衛星の動作ベクトル（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｖｅｃｔｏｒ）が、軌道フレームベクトルによって規定された軌道フレーム平面内にあるようにすることを含む。軌道フレームベクトルは、衛星から天体の中心に向けられる。例示的な方法は、衛星を動作ベクトルの周りでスルーイング（ｓｌｅｗｉｎｇ）し、それによって、衛星の主要な受感軸が軌道フレーム平面に方向付けられることも含む。
例示的な有形的機械可読媒体は、そこに記憶された指示命令を有し、指示命令が実行されたときに、機械が、天体を周回する衛星の慣性特性にアクセスし又はそれを決定して、関連付けられた動作ベクトルを有する衛星の主要な受感軸を特定し、軌道フレーム変換行列を使用して軌道フレーム平面を決定し、衛星の姿勢を決定して主要な受感軸を決定された平面に方向付け、且つ、動作ベクトルの関数に基づいて主要な受感軸に対して動作ベクトルを方向付けることをもたらす。
本発明は、天体の周りの軌道にある衛星を操縦し、それによって、衛星の主要な受感軸が軌道フレーム平面に方向付けられ、衛星に働く重力勾配トルクを低減させる方法を含み得る。軌道フレーム平面は、軌道フレームベクトルに基づく。衛星を操縦することは、衛星を衛星の推力ベクトルの周りで回転させることを含み得る。これは、動作の信頼性を高める。衛星の推力ベクトルは、主要な受感軸に対して垂直に方向付けられ得る。方法は、主要な受感軸を決定することも含み得る。衛星を操縦することは、スラスタ又はモーメンタムストレージデバイスのうちの少なくとも一方を起動させることを含み得る。衛星を方向付けることは、軌道の一部分の間で行われ得る。
本発明の別の一実施形態は、衛星の操縦デバイス、及び衛星の操縦デバイスが、衛星の主要な受感軸を軌道フレーム平面に方向付け、衛星に働く重力勾配トルクを低減させることをもたらす、方向付けコントローラを含み得る。方向付けコントローラは、操縦デバイスが、衛星の動作ベクトルを軌道フレーム平面に方向付けることをもたらすために使用され得る。動作ベクトルは、推力ベクトルを含み得る。操縦デバイスは、スラスタを含み得る。方向付けコントローラは、スラスタが、衛星の推力ベクトルを主要な受感軸に対して垂直に方向付けることをもたらし得る。信頼性及び精度を改良するために、操縦デバイスは、モーメンタムストレージデバイスを含み得る。
本発明の別の一実施形態は、天体の周りの軌道にある衛星を操縦して、衛星の主要な受感軸を、軌道フレームベクトルによって規定された軌道フレーム平面に方向付けること、及び衛星の少なくとも１つのスラスタを操作して、結果としての推力ベクトルが主要な受感軸に対して垂直になることをもたらし、衛星の軌道距離を変更することを含み得る。方法は、主要な受感軸を決定することも含み得る。主要な受感軸を方向付けることは、推力ベクトルの周りで衛星をスルーイングすることを含み得る。少なくとも１つのスラスタを操作することは、推力ベクトルに基づいて衛星のスラスタの起動を調整することを含み得る。衛星を操縦することは、モーメンタムストレージデバイスを操作することを含み得る。精度を高めるために、主要な軸が、５度の範囲内で軌道フレームベクトル又は軌道フレーム平面に方向付けられ得る。推力ベクトルは、５度の範囲内で主要な受感軸と垂直であり得る。
本発明の別の一実施形態は、天体を周回する衛星を操縦し、それによって、衛星の動作ベクトルが、軌道フレームベクトルによって規定された軌道フレーム平面内にあり、軌道フレームベクトルが衛星から天体の中心に向けられるようにすること、及び動作ベクトルの周りで衛星をスルーイングし、それによって、衛星の受感軸が軌道フレーム平面に方向付けられるようにすることを含み得る、方法を含み得る。動作ベクトルは、推力ベクトルを含み得る。推力ベクトルは、衛星の多数のスラスタからの結果としてのベクトルである。これは、特定の状態において動作を改良し得る。動作ベクトルは、姿勢センサボアサイト（ｂｏｒｅｓｉｇｈｔ）、太陽電池翼のための回転軸、アンテナボアサイト、アクチュエータベクトル、又はペイロード特徴ベクトルのうちの少なくとも１つを含み得る。方法は、衛星の方向又は位置のうちの少なくとも一方に基づいて、衛星の推力パターンを計算することも含み得る。方法は、衛星を規定された軌道範囲において維持することも含み得る。
本発明の別の一実施形態は、有形的機械可読媒体であって、そこに記憶された指示命令を含み、指示命令が実行されたときに、機械が、天体を周回する衛星の慣性特性にアクセスし又はそれを決定して、関連付けられた動作ベクトルを有する衛星の主要な受感軸を特定し、軌道フレーム変換行列を使用して軌道フレーム平面を決定し、衛星の姿勢を決定して主要な受感軸を決定された軌道フレーム平面に方向付け、且つ、動作ベクトルの関数に基づいて主要な受感軸に対して動作ベクトルを方向付けることをもたらし得る、有形的機械可読媒体を含み得る。そこに記憶された指示命令を有する機械可読媒体は、機械が、推力コントローラに、１以上のスラスタを利用して衛星の姿勢を変えるように指示命令することももたらし得る。推力コントローラは、衛星の軌道範囲を維持し得る。動作ベクトルは、推力ベクトルを含み得る。そこに記憶された指示命令を有する機械可読媒体は、機械が、衛星の更新された位置又は姿勢のうちの少なくとも一方に基づいて、姿勢を再調整することを更にもたらす。
本明細書で開示される実施例が実装され得る例示的な衛星である。 初期軌道から移行軌道を介して最終軌道へ移動する、図１の例示的な衛星の例示的な軌道経路の図である。 例示的な最終軌道の異なる操縦区域を描いている、別の例示的な軌道経路の図である。 図１の例示的な衛星によって経験される重力勾配トルクを低減させる、本開示の教示による例示的な軌道の方向付けを示す。 図４の例示的な軌道方向に関連付けられた例示的な軸の決定を示す、図１の例示的な衛星の単純化された描写である。 本開示の教示による、図１の例示的な衛星の第１の例示的な軌道上昇／下降推力操縦の例示的な軌道及び平面を示す。 図６の第１の例示的な軌道上昇／下降推力操縦に関連付けられた例示的な方向軸を示す、図１の例示的な衛星の単純化された描写である。 本開示の教示による、図１の例示的な衛星の第２の例示的な軌道上昇／下降推力操縦の例示的なベクトル及び平面を示す。 図８の第２の例示的な軌道上昇／下降推力操縦に関連付けられた例示的な方向軸を示す、図１の例示的な衛星の単純化された描写である。 本明細書で開示される実施例を実施するために使用され得る、例示的な衛星エネルギー保存システムである。 本明細書で開示される実施例を実施する例示的な方法のフローチャートである。 本明細書で開示される実施例を実施する別の例示的な方法のフローチャートである。 本明細書で開示される実施例を実施する更に別の例示的な方法のフローチャートである。 図１１〜図１３の例示的な方法を実施するための機械可読指示命令を実行することができる、例示的なプロセッサプラットフォームのブロック図である。
図面及び添付の記載の全体を通して、可能な箇所にはすべて、同じ部分又は類似の部分を指すために同じ参照番号が使用される。図面は原寸に比例しない。図面及び添付の記載の全体を通して、可能な箇所にはすべて、同じ部分又は類似の部分を指すために同じ参照番号が使用される。
エネルギー効率に優れた衛星の操縦が、本明細書で開示される。通常、地球を周回する衛星又は居住空間オブジェクト（ＲＳＯ）は、最終軌道に到達するために移行軌道（地球同期移行軌道など）を開始する最初の操縦を実行する前に、パーキング軌道又は初期軌道（例えば、最初の軌道）内に配置され得る。その後、衛星は、最終的な操縦を実行し、最終軌道を維持し得る。例えば、衛星は、低地球軌道（ＬＥＯ）からスタートし、地球同期移行軌道（ＧＴＯ）を通って操縦し、最終的な地球同期軌道へ至ることができる。そのような操縦の間に、衛星は、重力勾配トルク及び／又は増加された運動量の蓄積に遭遇し得る。更に、規定された軌道（例えば、最終軌道）においてさえ、衛星は、（例えば、軌道の近地点の間に）衛星の慣性特性によってもたらされる重力勾配トルクに遭遇し得る。
これらの操縦及び／又は軌道の維持の間に、衛星の重力トルク及び／又は運動量の蓄積は、スラスタ又は他の移動デバイスの大幅な使用を必要とし、したがって、この重力トルク及び／又は過剰な運動量に対抗するために、衛星内で蓄えられた燃料／推力リソース（例えば、推力燃料、蓄えられた推力エネルギー）の枯渇及び／又はリアクションホイールの大幅な使用をもたらす。しかしながら、これらのリアクションホイールは、しばしば、更なるペイロードの空間及び／又は重量を必要とし、衛星の操縦又は再方向付けの間に操作するために、大きなエネルギーも必要とする。ある衛星は、展開可能な太陽光パネルも採用し、それによって、衛星の慣性モーメントを増加させ、衛星は、より大きなリアクションホイールの使用を必要とし、したがって、より大きなペイロードの空間及び重量並びに／又は動作のために必要とされるより大きなエネルギーも必要とし得る。
本明細書で開示される実施例は、エネルギー効率に優れた衛星の操縦の結果として、よりコンパクトで軽い衛星を可能にする。特に、より効率に優れた衛星の操縦は、比較的より軽くより空間効率に優れた移動及び／又は推進デバイス（例えば、よりコンパクトなスラスタ、リアクションホイール、モーメンタムストレージデバイスなど）を可能にする。本明細書で開示される実施例は、衛星の方向付けを行い及び／又は決定し、それによって、衛星の受感軸は、決定された軌道フレーム平面に方向付けられ（例えば、位置合わせされ）、重力勾配トルクを低減（例えば、最小化）させる。ある実施例では、衛星の推力ベクトルが、衛星の受感軸と垂直になるように方向付けられ、例えば、軌道上昇の間に衛星に働く重力勾配トルクを低減させる。この重力勾配トルクの低減は、衛星が、例えば、比較的少ないエネルギー及び／又は低減されたこれらのリアクションホイールの使用を伴って、（例えば、軌道の間又は軌道の範囲内で）操縦されることを可能にする。したがって、低減されたエネルギー要求は、衛星が、大幅にコンパクトで軽くなることを可能にし、それによって、輸送体（例えば、ペイロード宇宙輸送体、ロケット、スペースシャトルなど）のための必要とされるペイロード空間を低減させる。
本明細書で使用されるように、「衛星」という用語はＲＳＯを指し、逆もまたあり得る。本明細書で使用されるように、「衛星」という用語は、惑星又は宇宙の中の他の物体を周回する物体を指す。本明細書で使用されるように、「センサデータ」という用語は、時間及び範囲、レンジレート（ｒａｎｇｅ‐ｒａｔｅ）、アジマス角、及び／又は仰角などを含む、衛星の位置的な知識を得るために使用されるセンサからの情報を指すが、それらに限定されるものではない。本明細書で使用されるように、「主要な受感軸」という用語は、重力勾配が、衛星又は宇宙輸送体に対して最も高い量のトルクを生成し得る、衛星又は宇宙輸送体の軸を指す。本明細書で使用されるように、「受感軸」という用語は、重力勾配が、衛星又は宇宙輸送体に対して大きな量のトルクを生成し得る、衛星又は宇宙輸送体の１以上の軸を指す。本明細書で使用されるように、「穏やかな軸（ｂｅｎｉｇｎ ａｘｉｓ）」という用語は、重力勾配が、大きくない量のトルク（例えば、最小量のトルク）を生成し得る、衛星又は宇宙輸送体の軸を指す。本明細書で使用されるように、軌道及び／又は軸を平面（例えば、計算された平面又は別の軌道）に位置合わせ／方向付けすることにおいて、位置合わせ／方向付けは、平面の５度の範囲内を意味する。しかしながら、この範囲は、衛星の慣性特性及び／又は衛星の移動／推力機構の能力に基づいて、変動し得る。
本明細書で開示される実施例が、軌道推力上昇及び／又は軌道の維持に関して示される一方で、本明細書で開示される実施例は、姿勢センサボアサイト、太陽電池翼のための回転軸、アンテナボアサイト、アクチュエータベクトル、又はペイロード特徴ベクトルを含む、他の衛星／ＲＳＯの用途に適用され得るが、それらに限定されるものではない。これらの他の実施例では、例えば、動作ベクトル（例えば、重要なベクトル）が、推力ベクトルの代わりに考慮され得る。これらのベクトルは、操縦が関係しない及び／又はエネルギー効率に優れたやり方で軌道を維持するための、衛星の動作及び／又は機能に関係し得る。
図１は、本明細書で開示される実施例が実装され得る、例示的な衛星１００である。示されている実施例の衛星１００は、搭載されたプロセッサ、バッテリ及び／又は燃料タンク、アンテナ（例えば、通信アンテナなど）１０４、太陽電池パネル１０６、並びに推進システム１０８を含む、衛星本体１０２を含む。例示的な推進システム１０８は、推力コーン１１２を有するスラスタ１１０を含む。この実施例では、太陽電池パネル１０６が（例えば、衛星本体１０２から離れるように開かれた）展開された状態にあり、それによって、太陽電池パネル１０６が衛星本体１０２に向かって内側に畳まれた、衛星１００の展開されていない状態と対照的に、衛星１００の慣性／質量特性が変動する。
動作において、衛星１００は、アンテナ１０４を介して外部のシステムと通信（例えば、受信のみならず送信）し、例えば、軌道経路及び／又は軌道の高さの間で衛星１００を操縦し、及び／又は外部の地上のシステムにデータを提供する。特に、示されている実施例の衛星１００は、スラスタ１１０を起動（例えば、噴射）させることによって操縦され、それらは電動式である（例えば、イオンベース、イオン推進システム、キセノンベースのスラスタなど）。例えば、衛星１００は、複数のスラスタ１１０のうちの異なるスラスタの継続時間及び／又はパルスを変更し、衛星１００を操縦し、及び／又は衛星が周回する天体に対して例示的な衛星１００の姿勢を制御し得る。
図１の実施例では、例示的な衛星１００のリファレンス１２０の操縦フレームが示されている。リファレンス１２０の操縦フレームは、シンボルθ’によって描かれているスラスタのプルーム角（ｐｌｕｍｅ ａｎｇｌｅ）１２２、シンボルθによって描かれているカント角（ｃａｎｔ ａｎｇｌｅ）１２４、及びシンボルαによって描かれているスルー角（ｓｌｅｗ ａｎｇｌｅ）１２６を示している。リファレンス１２０のフレームは、衛星１００が、軌道又は異なる軌道の間の移動の間に方向付けられ／回転され得る、回転移動の大きい程度を描いている。この実施例では、衛星１００の合成ベクトル１２８が示されている。特に、例示的な合成ベクトル１２８は、複数のスラスタ１１０のうちの個別のスラスタの起動及び／又は方向付けのベクトルの合計に基づいて、衛星１００の動きの結果としての方向を描いている。
本明細書で開示される実施例は、衛星１００が、重力勾配トルク及び／又は過剰な運動量（例えば、運動量の蓄積）に対抗するために、より少ないエネルギー及び／又は燃料を利用することを可能にする。特に、本明細書で開示される実施例は、エネルギー効率に優れた軌道の移行、軌道の保守、及び／又は衛星１００の再方向付けを可能にする。結果としてのエネルギー節約は、例示的な衛星１００が、より低いエネルギー要求及び／又はより少ない必要とされる操縦の構成要素のために、大幅に小さくなることを可能にする。
図２は、初期軌道２０２から移行軌道２０６を介して最終軌道２０４へ移行する、図１の例示的な衛星１００の例示的な軌道経路の図２００である。図２の例示的な実施例では、衛星１００が、初期軌道２０２内で天体又は惑星（例えば、地球、火星など）２０８を周回し、最終軌道２０４へ進んでいる。この実施例では、衛星１００が、スラスタ１１０を使用して初期操縦を実行することによって、移行軌道２０６に沿ってその移動を開始する。衛星１００が初期軌道２０２から最終軌道２０４へ移動する際に、衛星１００は、移行軌道２０６によって規定された経路に沿って移動し、スラスタ１１０を使用して、最終操縦を実行し、最終軌道２０４にとどまる。軌道経路の図２００内で示される実施例が、より低い初期軌道２０２からより高い最終軌道２０４へ移動する衛星１００を描いている一方で、ある実施例では、衛星１００が、最終操縦を完了しないで、より高い最終軌道２０４の中へ移動し、それによって、衛星１００が移行軌道２０６に沿って周回することをもたらす。代替的に、衛星１００は、最終軌道２０４から、より低い／初期軌道２０２へ進み得る。
図３は、例示的な最終軌道／軌道の経路３０１の異なる操縦区域を描いている、別の例示的な軌道経路の図３００である。図３の示されている実施例では、衛星１００が、例示的な軌道経路３０１に沿って移動し、それは軌道の遠地点（例えば、衛星１００と惑星２０８との間の最も遠い距離）３０４によって特徴付けられる、制約がない姿勢の領域３０２を含み、衛星１００は、惑星２０８からの最も少ない量の重力勾配に遭遇する。例示的な軌道経路３０１は、衛星１００が、惑星２０８からの重力勾配トルクを避けるために本開示の教示に従った姿勢に操縦（例えば、スルーイング）される区域３０６、及び衛星１００の制約がある姿勢を維持することによって、惑星２０８からの重力勾配が避けられる、区域３０８も含む。この実施例では、区域３０８が、軌道の近地点３０９によって特徴付けられ、衛星１００が例示的な軌道経路３０１において惑星２０８に最も近づく（例えば、最も近い点）ために、惑星２０８は、衛星１００への最も大きな量の重力勾配を示す。
図３の実施例では、衛星１００が、軌道経路３０１の領域３１０内の制約がない姿勢（例えば、衛星１００の姿勢／方向が維持されない）へスルーイングされる。この実施例では、軌道経路３０１が、衛星１００が軌道の近地点３０４へ移動する前に、制約がない姿勢の領域３１２も含む。本明細書で開示される実施例は、図３の実施例などの維持される軌道のみならず、図２で示されるものなどの移行軌道（例えば、軌道が上がっていく）へ適用され得る。
図４は、図１の例示的な衛星１００によって経験される重力勾配トルクを低減させる、本開示の教示による例示的な軌道方向を示す。特に、衛星１００の例示的な方向付け及び／又は対応する操縦（例えば、例示的な方向を維持するための操縦）は、衛星１００が惑星２０８の周りの軌道を維持する際に、惑星２０８から衛星１００によって遭遇される重力勾配トルクを低減（例えば、最小化させる）ために維持され得る、衛星１００の姿勢（例えば、相対的な方向付け）を規定することによって実行される。
図４の示されている実施例では、衛星１００が、惑星２０８を周回しており、それによって、軌道フレームベクトル４０２を規定し、それは、Ｏ３平面として指定される、対応する軌道フレーム平面４０４を伴って、シンボルＯ３によって指定される。この実施例では、ベクトル４０２が惑星２０８の重力の中心から、衛星１００の重力の中心へ規定される。ベクトル４０２に基づいて、平面４０４は、衛星１００の重力の中心において規定され、ベクトル４０２に垂直でもある。図４の実施例では、平面４０４の座標系の軸４０６が示されている。この実施例では、衛星１００の主要な受感軸４０８、４０９が、ベクトル４０２及び平面４０４に対して示されている。この実施例では、受感軸４０８が、衛星１００の主要な受感軸である。
図４の実施例では、衛星１００への重力勾配トルクの影響を避ける及び／又は低減させるために、主要な受感軸４０８及び／又は衛星１００の複数の受感軸の内の少なくとも１つが、平面４０４内に配置される。主要な受感軸及び／又は複数の受感軸のうちの何れかの決定及び／又は規定は、図５に関して以下に詳細に説明されるように、衛星１００の方向付け／位置合わせ／姿勢に関する対応する例示的な計算を使用して、決定／規定され得る。しかし、以下に説明される例示的な規定、計算、及び／又は決定は、網羅的なものではない。
更に又は代替的に、図４で示される例示的な方向付け／姿勢は、例えば、軌道及び／又は軌道の高度をスイッチするために使用され得る。特に、例えば、軌道を上げる間に衛星１００に働く最小の及び／又は実質的にゼロの重力勾配トルクを伴って、衛星１００からの推力を提供及び／又は向けることは、有利であり得る。代替的に、受感軸４０９は、主要な受感軸であり、したがって、重力勾配トルクは、例えば、軌道フレームベクトル４０２又は軌道フレーム面４０４の何れかに沿って受感軸４０９を方向付ける（例えば、位置合わせする）ことによって低減（例えば、最小化）され得る。
図５は、衛星１００に働く重力勾配トルクを低減（例えば、最小化）させるための、図４の例示的な軌道の方向付けに対応する例示的な軸の決定を示す、図１の例示的な衛星１００の単純化された描写である。特に、衛星１００によって遭遇される重力勾配トルクは、図４に関連して説明された姿勢制御と組み合わされた、衛星１００の質量／慣性特性に基づいて、低減及び／又は最小化される。
衛星１００によって遭遇された重力勾配トルクを低減させるために、例えば、例示的な衛星１００の質量及び／又は慣性特性並びに遭遇された重力勾配トルクは、最初に決定され且つ／又は特徴付けられる。特に、衛星１００は、衛星１００の重力の中心５０３からの相対的な距離において、離散した／離散化された質量要素５０２として特徴付けられる。したがって、衛星１００の空間的に依存した慣性特性は、衛星１００が展開された状態にあるか又は展開されていない状態にあるか（例えば、太陽電池パネル１０６が衛星本体１０２から展開されているか）に基づき得る。特に、本実施例で、ｉ、ｉ＋１などによって指定される質量要素５０２は、重力の中心５０３から変動する距離にあり、したがって、衛星１００の全体の慣性特性を変更し得る。この実施例では、質量要素５０２の質量／慣性特性が、衛星１００の慣性テンソルＩ、及び／又は質量／慣性行列を規定するために、及び／又は主要な受感及び／又は穏やかな軸を決定するために使用される。この実施例では、慣性テンソルＩが、図５で示される方向、ｘ、ｙ、及びｚにおいて、衛星１００の慣性特性を規定する多変数の配列である。
図５の実施例では、衛星１００の慣性特性に基づいて、衛星１００に働く重力勾配トルクが、数式１によって計算される。
Figure 0006989252
ここで、τ→ ｇｇは、（衛星１００の本体フレーム内の）重力勾配に関するトルクであり、ＧＭは、惑星２０８の重力定数であり、ｒは、惑星２０８の慣性フレーム中心（例えば、惑星２０８の質量中心）と衛星１００の重力の中心との間の距離であり、Ｏ→ ３は、軸３に基づいて規定されるベクトル（例えば、ベクトル４０２）であり、それは、本体フレームの配列の第３の列に基づき、衛星１００の重力の中心から惑星２０８の慣性フレーム中心（例えば、幾何学的中心及び／又は重力の中心）へ延伸し、Ｉは、衛星１００の慣性テンソルである。この実施例では、Ｏ→ ３ベクトルは、惑星２０８に基づいて、本体フレーム（例えば、衛星１００の本体リファレンスフレーム）を、軌道フレームに対して調整するために使用される。
衛星１００の主要な受感軸を計算するために、以下の数式２及び３が、この計算において仮定的に表記される。
Figure 0006989252
Figure 0006989252
ここで、ＩＢ’は、主要な慣性テンソルであり、ＴＢ’Ｂは、衛星１００の幾何学的本体フレームから重力の中心における主要な軸への変換であり、Ｏ３は、軌道フレームに関する衛星１００の前述の本体フレームの配列の第３の列であり、ＴＢＯは、衛星１００の重力中心から惑星２０８の重力の中心への軌道を表す。数式（２）及び（３）の表記に基づいて、例示的な衛星１００の主要な軸において、例示的な衛星１００によって経験されるトルクを計算するために、数式４によって以下に表現されるように、Ｏ３及びＩＢ’Ｏ３の外積が取得される。
Figure 0006989252
ここで、ＴＢ’Ｂは、ある実施例で、［τ→ ｇｇ］Ｂ’を幾何学的本体フレームの中へ戻すために使用され得る。数式４内で見られ得るように、例示的な衛星１００に働くトルクは、異なる方向内の主要な慣性の差異に比例する。最も大幅な主要な慣性の差異が、最も主要な受感軸に対応する。例えば、ＩＸ及びＩＺが同一であれば、ｙの主要な軸内の重力勾配トルクは、ゼロになるだろう。別の一実施例では、ＩＹが大幅にＩＸ及びＩＺを下回るならば、ＩＹに対して及び／又はｙ方向において働くトルクは、最も大きなトルクを生み出し、それによって、ＩＹが最も主要な受感軸であることをもたらす。図５を見ると、図４の主要な受感軸４０８が、穏やかな軸５０４、５０６と同様に示されている。図５の示されている実施例の穏やかな軸５０４、５０６は、衛星１００が重力勾配トルクに対して受感的でない（すなわち、必要な程度まで受感的でないなど）軸を示している。
ある実施例では、宇宙輸送体の受感軸及び穏やかな軸が、宇宙輸送体の既知の質量／慣性特性に基づいて決定される（例えば、宇宙輸送体の設計に基づいて予め規定される）。例えば、衛星本体１０２及び太陽電池パネル１０６の質量特性は、衛星１００の設計に基づいて知られ得る。示されている実施例の衛星１００が、多数の軸に沿って対称である一方で、衛星の対称でない質量／慣性の分布は、多くの受感軸をもたらし得る。しかし、そのような実施例では、最も多い量の重力勾配トルクを経験することができる１つの受感軸が存在し、したがって、それは指定された主要な受感軸である。図５の例示的な計算が上述の決定のために使用される一方で、これらの実施例は、網羅的なものではなく、任意の適切な計算及び／又は計算方法が使用され得る。図６〜図９で以下に開示される幾つかの他の実施例は、受感軸及び穏やかな軸のこれらの例示的な計算を利用し、推力ベクトル及び／又は動作ベクトルを方向付け、重力勾配トルクを最小化する。
図６は、本開示の教示による、例示的な衛星１００の第１の例示的な軌道上昇／下降推力操縦の図１の例示的なベクトル及び平面を示す。図６の実施例では、軌道上昇プロセスの間に、衛星１００が、より低い軌道（例えば、軌道２０２）からより高い軌道（例えば、軌道２０４）へ移行する。代替的に、衛星１００は、より高い軌道からより低い軌道へ移行し得る。
図４及び図５との関連で上述された実施例と同様に、軌道フレームベクトル４０２及び軌道フレーム平面４０４が示される。しかし、図６の実施例では、衛星１００の推力ベクトル６０２（例えば、結果としての推力ベクトル）が示され、それは、惑星２０８から離れるような軌道上昇の操縦に対応する。この実施例では、衛星１００が、平面４０４内にある主要な受感軸６０４を有し、推力ベクトル６０２は、主要な受感軸６０４に垂直であり、それによって、本実施例の操縦の間に推力からもたらされる衛星１００によって遭遇される重力勾配トルクを低減させる。結果として、重力勾配トルクの低減は、衛星１００のスラスタ１１０及び／又は推進デバイスから必要とされる一定量の操縦を低減させ、それによって、衛星１００のより大幅なコンパクト化及び／又は重量の節約を可能にする。
この実施例では、衛星１００の主要な受感軸６０４が、図４及び図５との関連で上述された実施例を使用して計算される。特に、主要な受感軸６０４は、衛星１００の慣性特性に基づいて決定される。図５との関連で上述されたように、異なる座標軸の間の慣性値の差異は、衛星１００によって経験される非常に大きなトルクをもたらす。
図６の例示的な推力の操縦の実行の間に、衛星１００によって経験される重力勾配トルクは、主要な受感軸６０４への推力ベクトル６０２の垂直な方向付けと組み合わせて、平面４０４に対する主要な受感軸６０４の方向付け（例えば、位置合わせ）に基づいて、低減（例えば、最小化）される。代替的に、主要な受感軸６０４は、ベクトル４０２に方向付けられ得る。
示されている実施例の衛星１００の推力ベクトル６０２は、主要な受感軸６０４に垂直なので、例えば、推力からもたらされる衛星１００によって経験されるトルクは、正味の全体的な推力として制御されることができ、最小化される。ある実施例では、主要な受感軸６０４に対する推力ベクトル６０２の垂直は、スラスタ１１０を制御することによって達成され、それによって、スラスタ１１０からの結果としての推力は、受感軸６０４に垂直な推力ベクトル６０２を規定する。言い換えると、推力の方向は、スラスタ１１０及び／又は多数のスラスタ１１０からの結果としての推力のうちの少なくとも一方の方向付けによって制御され、それは、必ずしも推力ベクトル６０２に沿って方向付けられなくともよい。スラスタ１１０のこの協働的な制御の結果として、推力ベクトル及び／又は結果としての推力ベクトル６０２を、衛星１００の重力の中心に比較的近づけ及び／又は位置合わせすることは、衛星１００に伝達されるトルクを低減させ、それによって、例えば、推力の操縦の間に、さもなければ衛星１００によって経験されるトルクに対抗するために、必要な装備及び／又はペイロードを低減させる。更に、電子衛星は、しばしば、より高い軌道へ移行する間に展開された太陽電池パネルを必要とし、それは、より大きい特性的な結果としての重力勾配トルクを有する。しかし、本明細書で開示される実施例は、これらの展開された状態の慣性効果と対抗するように使用され得る。
図６の例示的な方向付け及び／又は推力の操縦は、全体の軌道及び／又は軌道の一部分の間で、軌道を移行する間に実行され得る。例えば、本明細書で説明される姿勢の制御は、惑星２０８の周りの最終軌道の一部分の間で（例えば、衛星１００が、軌道の近地点の近くへ移動する間に）、使用され得る。ある実施例では、例示的な推力の操縦が、例えば、地球を中心とする慣性フレーム（ＥＣＩ）などの、天体（例えば、惑星、地球、金星など）の慣性フレーム内で実行される。
本明細書で開示される実施例が、軌道フレーム平面との主要な受感軸の一般的な方向付けの位置合わせ（例えば、精密な位置合わせ）及び／又は主要な受感軸に対する推力ベクトルの精密な垂直を示す一方で、本明細書で開示される実施例の何れかにおいて、衛星１００によって経験される重力勾配トルクを低減させるために、完全な位置合わせは必要でない。そのようにして、重力勾配トルクを低減させるために、主要な受感軸６０４は、平面４０４又はベクトル４０２に対してある程度まで（例えば、５度の範囲内で）位置合わせ／方向付けされることができ、重力勾配トルクを低減させる。同様に、推力ベクトル６０２は、特定の程度の範囲内で、主要な受感軸６０４に垂直（例えば、主要な受感軸６０４の５度の範囲で垂直）でもある。言い換えると、本明細書で開示される実施例に基づく重力勾配トルクの低減の利益は、主要な受感軸６０４及び推力ベクトル６０２の精密な方向付け／位置合わせなしでさえ見られ得る。主要な受感軸が軌道フレーム平面／ベクトルに方向付けられる程度、及び／又は推力ベクトルが主要な受感軸に垂直である程度は、衛星の特性（例えば、慣性特性）及び／又は衛星が操縦できる（例えば、衛星についての推力及び／又は推進デバイスの影響の）程度に基づいて変動し得る。
図７は、図６の第１の例示的な軌道上昇／下降推力操縦に関連付けられた例示的な方向軸を示す、図１の例示的な衛星１００の単純化された描写である。図７を見ると、穏やかな軸７０２、７０４が、衛星１００の主要な受感軸６０４に対して示されている。示されている実施例の穏やかな軸７０２、７０４は、衛星１００に提供される重力勾配トルクによって大きく影響を受けない軸である。しかし、主要な受感軸６０４は、図７で示されるｘ、ｙ、ｚ座標系によって示される、ｙ方向に沿った衛星１００の質量分布のために、トルクによって大幅に影響を受け得る。
衛星１００に適用されるトルクを最小化するために、推力ベクトル６０２は、主要な受感軸６０４に対して垂直に方向付けられるように示されている。図６との関連で上述されたように、推力ベクトル６０２を衛星１００の重力の中心に位置合わせすることは、衛星１００の重力の中心に対する推力ベクトル６０２の距離の分離（例えば、デルタ、位置合わせの分離）を低減（例えば、最小化）することによって、推力のために衛星１００に加えられるトルクの量を低減及び／又は最小化させる。
図８は、本開示の教示による、第２の例示的な軌道上昇／下降推力操縦の例示的な衛星１００の例示的なベクトル及び平面を示している。図６及び図７の実施例とは対照的に、本実施例では、衛星１００が惑星２０８を周回する際に、衛星１００は、衛星１００の主要な受感軸８０４に垂直な方向において、推力ベクトル８０２を生成することができない。衛星１００が主要な受感軸８０４に垂直な推力ベクトルを生成できないことは、スラスタの不具合（例えば、１以上のスラスタが動作しない及び／又は損傷を受けている）、又はスラスタ１１０からもたらされる正味の推力の方向能力を制限する、スラスタ１１０の構成及び／又は空間的配置の結果であり得る。
図８の実施例では、衛星１００が最初に回転し（例えば、スルーイングされ）、それによって、衛星１００の推力ベクトル８０２が、軌道フレーム平面４０４に方向付けられる。その後、衛星１００は、主要な受感軸８０４が平面４０４に方向付けられるまで、推力ベクトル８０２の周りでスルーイングされる。上述されたように、示されている実施例の推力ベクトル８０２は、主要な受感軸８０４に垂直ではない。しかし、衛星１００によって経験される重力勾配トルクは、未だ低減及び／又は除去される。
図９は、図８の第２の例示的な軌道上昇／下降推力操縦に関連付けられた例示的な方向軸を示す、図１の例示的な衛星１００の単純化された描写である。図９で見られ得るように、本実施例の衛星１００は、推力ベクトル８０２及び主要な受感軸８０４に対して、穏やかな軸９０２及び９０４を含む。図６及び図７の実施例とは対照的に、推力ベクトル８０２は、主要な受感軸８０４に垂直でない。
図９の実施例では、衛星１００が推力ベクトル８０２の周りでスルーイング（例えば、継続的にスルーイング）され、例えば、受信されたセンサデータを介して、平面４０４の範囲内に推力ベクトル８０２を維持する。例示的な衛星１００は、推力ベクトル８０２の周りでスルーイング（例えば、継続的にスルーイング）され、主要な受感軸８０４及び／又は衛星１００の受感軸も、平面４０４の範囲内に維持する。特に、制御アルゴリズムが、使用されて、受信されたセンサデータに基づいて、衛星１００の現在の又は予測された位置及び／又は姿勢に基づいて、衛星１００をスルーイングし得る。
上述されたように、本明細書で開示される実施例は、軌道の保守又は軌道の上昇／下降（例えば、軌道の範囲／半径を変えること）の他に、他の用途にも使用され得る。例えば、向けられた通信ベクトルなどの動作ベクトル、太陽電池パネルが向けられたベクトル、ペイロード特徴ベクトル、又はビジュアルセンサベクトルが、推力ベクトルの代わりに軌道フレーム内に向けられ／方向付けられ得る。関連する機能に応じて、これらのベクトルは、主要な受感軸に対して（例えば、垂直に）、及び／又は軌道フレームベクトル／平面に対して（例えば、平行に又は範囲内に）方向付けられ、経験される重力勾配トルクを最小化させ得る。例えば、ペイロード特徴ベクトルが天体に向けて指すようにされ得る一方で、衛星の受感軸は、軌道フレーム平面内に配置され得る。更に又は代替的に、動作ベクトルは、軌道フレーム平面に向けられ／位置合わせされる。
図１０は、本明細書で開示される実施例を実施するために使用され得る、例示的な衛星エネルギー保存システム１０００である。示されている実施例の衛星エネルギー保存システム１０００は、衛星（例えば、衛星１００）内に実装され、衛星ガイダンスシステム１００２を有し、それは、推力コントローラ１００６、方向付けコントローラ１００８、及びセンサインターフェース１０１０を含む。例示的なエネルギー保存システム１０００は、ガイダンスシステム（例えば、衛星ガイダンスシステム）１００２、推力コントローラ１００６、及び／又はセンサインターフェース１０１０を、図１で示された衛星スラスタ１１０と通信可能に接続する通信ライン１０１６も含む。この実施例では、ガイダンスシステム１００２が、アンテナ１０４とも通信可能に接続され、今度は、アンテナ１０４が、衛星が周回する惑星２０８の地上の通信システム１０２０と通信する。図１０の実施例では、ガイダンスシステム１００２が、データベース１０２２に接続され及び／又はそれを含む。
動作において、センサインターフェース１０１０は、例示的な衛星の位置及び／又は姿勢を決定する。特に、センサインターフェース１０１０は、センサデータ及び／又は惑星２０８の地上の通信システム１０２０から受信されたセンサデータに基づいて、衛星の位置、姿勢、及び／又は速度／加速度ベクトルを決定する。
この実施例では、衛星が、アンテナ１０４において地上の通信システム１０２０から受信した指示命令に基づいて、より高い軌道へ進んでいる。示されている実施例の方向付けコントローラ１００８は、衛星から惑星２０８へ規定されたベクトル（例えば、ベクトル４０２）に基づいて、軌道のリファレンスフレーム平面（例えば、平面４０４）を決定する。示されている実施例の方向付けコントローラ１００８は、衛星の主要な受感軸を計算する。他の実施例では、方向付けコントローラが、データベース１０２２から、衛星の質量／慣性データ及び／又は予め規定された受感軸にアクセスする。更に他の実施例では、主要な受感軸が、割り当てられる（地上の通信システム１０２０から、例えば、受信され、継続的に受信され、アップロードされる）。ある実施例では、示されている実施例の方向付けコントローラ１００８が、軌道のリファレンス平面に衛星の主要な受感軸を方向付けるために必要な、衛星の姿勢シフト（例えば、姿勢デルタ）も計算する。更に又は代替的に、例示的な方向付けコントローラ１００８は、主要な受感軸が軌道のリファレンスフレーム平面に方向付けられる、衛星の姿勢を計算し、衛星の推力ベクトルが主要な受感軸に垂直となり、衛星に働く重力勾配トルクを低減させる（例えば、最小化させる）一方で、衛星をより高い軌道に移動させる。ある実施例では、方向付けコントローラ１００８が、例えば、地上の通信システム１０２０を介する、手動で制御されるインターフェースである。
決定された／計算された姿勢に基づいて、推力コントローラ１００６は、衛星の複数のスラスタ１１０のうちの多くのスラスタを制御し、衛星を、方向付けコントローラ１００８から決定された、決定された／計算された姿勢へ移動させる。ある実施例では、推力コントローラ１００６が、多数のスラスタの推力パターンを制御し、及び／又は多数のスラスタを動かし、結果としての推力ベクトルを規定して、衛星を決定された姿勢へ調整するために必要な操縦を実行する。更に又は代替的に、推力コントローラ１００６は、モーメンタムストレージデバイスなどの推進デバイス及び／又はリアクションホイールを制御して、衛星の姿勢を変更する。
ある実施例では、衛星の受感軸が、衛星の現在の状態に基づいて計算され、それは、燃料の燃焼及び／又は衛星の展開された状態（例えば、衛星の太陽電池パネルが展開されているか又は展開されていないか）に基づく衛星の充電を含み得る。
衛星エネルギー保存システム１０００を実装する例示的なやり方が、図１０で示されているが、図１０で示されている、１以上の要素、プロセス、及び／又はデバイスは、組み合わされ、分割され、再配置され、省略され、及び／又は別の方式で実装されてもよい。更に、図１０の例示的な衛星ガイダンスシステム１００２、例示的な推力コントローラ１００６、例示的な方向付けコントローラ１００８、及び／又はより一般的に、例示的な衛星エネルギー保存システム１０００は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、並びに／又はハードウェア、ソフトウェア、及び／若しくはファームウェアの任意の組み合わせによって実装され得る。したがって、例えば、例示的な衛星ガイダンスシステム１００２、例示的な推力コントローラ１００６、例示的な方向付けコントローラ１００８、及び／又はより一般的に、例示的な衛星エネルギー保存システム１０００のうちの何れかは、１以上のアナログ若しくはデジタル回路、論理回路、プログラマブルプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）、及び／又はフィールドプログラマブル論理デバイス（ＦＰＬＤ）によって実装されることができる。本特許出願の装置若しくはシステムクレームのうちの何れかを、純粋にソフトウェア及び／又はファームウェア実装を包含するものとして読む場合、例示的な衛星ガイダンスシステム１００２、例示的な推力コントローラ１００６、及び／又は例示的な方向付けコントローラ１００８のうちの少なくとも１つは、本明細書において、当該ソフトウェア及び／又はファームウェアを記憶するための、メモリ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、ブルーレイディスクなどの、有形的コンピュータ可読記憶デバイス若しくは記憶ディスクを含むよう明確に定義される。更に、図１０の例示的な衛星エネルギー保存システム１０００は、図１０に示されるものに加えて又はその代わりに、１以上の要素、プロセス、及び／若しくはデバイスを含み、及び／又は図示される要素、プロセス、及びデバイスのうちの何れか若しくは全てのもののうちの２以上を含み得る。
図１０の衛星エネルギー保存システム１０００を実装するための例示的な方法を表すフローチャートが、図１１〜図１３で示されている。これらの実施例で、方法は、図１４との関連で以下に説明される例示的なプロセッサプラットフォーム１４００内で示されるプロセッサ１４１２などの、プロセッサによる実行のためのプログラムを含む、機械可読指示命令を使用して実装され得る。プログラムは、ＣＤ‐ＲＯＭ、フロッピーディスク、ハードドライブ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、ブルーレイディスク、又はプロセッサ１４１２に関連付けられたメモリなどの、有形的コンピュータ可読記憶媒体に記憶されたソフトウェア内に埋め込まれてもよいが、代替的に、プログラムの全体及び／又は部分がプロセッサ１４１２以外のデバイスによって実行されてもよく、及び／又はファームウェアもしくは専用のハードウェアに埋め込まれてもよい。更に、例示的なプログラムが、図１１〜図１３で示されるフローチャートを参照して説明されるが、例示的な衛星エネルギー保存システム１０００を実装する他の多くの方法が代替的に使用され得る。例えば、ブロックの実行順は変更され、及び／又は記載されているブロックの幾つかは変更され、排除され、又は組み合わされ得る。
上述のように、図１１〜図１３の例示的な方法は、ハードディスクドライブ、フラッシュメモリ、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、キャッシュ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び／又は、任意の期間（例えば、長期間、永続的に、短期間、一時的な緩衝用に、及び／又は情報のキャッシング用に）情報が記憶される、任意の他の記憶デバイスもしくは記憶ディスクといった、有形的コンピュータ可読記憶媒体に記憶される符号化された指示命令（例えば、コンピュータ可読指示命令及び／又は機械可読指示命令）を使用して、実装され得る。本明細書で使用されるように、有形的コンピュータ可読記憶媒体という用語は、任意のタイプのコンピュータ可読記憶デバイス及び／又は記憶ディスクを含み、伝播信号を除外し、伝送媒体を除外するように明確に定義される。本明細書で使用される「有形的コンピュータ可読記憶媒体」という用語と「有形的機械可読記憶媒体」という用語は、交換可能に使用される。付加的に又は代替的に、図１１〜図１３の例示的なプロセスは、ハードディスクドライブ、フラッシュメモリ、リードオンリーメモリ、コンパクトディスク、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、キャッシュ、ランダムアクセスメモリ及び／又は、任意の期間（例えば、長期間、永続的に、短期間、一時的な緩衝用に、及び／又は情報のキャッシング用に）情報が記憶される、任意の他の記憶デバイスもしくは記憶ディスクといった、非一時的なコンピュータ可読媒体及び／又は機械可読媒体に記憶される符号化された指令（例えば、コンピュータ可読指令及び／又は機械可読指令）を使用して、実装され得る。本明細書で使用する、非一過性コンピュータ可読媒体という用語は、任意のタイプのコンピュータ可読記憶デバイス及び／又は記憶ディスクを含み、伝播信号を除外し、伝送媒体を除外するように明確に定義される。本明細書で使用されるフレーズ「少なくとも」は、請求項の前文における移行用語として使用され、用語「含む」がオープンエンドであるのと同じ方式でオープンエンドである。
図１１の例示的な方法は、ブロック１１００で始まり、衛星１００などの衛星が、操縦及び／又は方向付けされて、天体（例えば、惑星２０８）から衛星に働く重力勾配トルクを低減させる（ブロック１１００）。特に、衛星は、軌道（例えば、最終軌道）内で天体を周回しており、より高い軌道において機能（例えば、通信、情報収集など）を実行するために、より高い軌道へ入らんとし得る。
図１１の実施例では、衛星の位置及び方向／姿勢が決定される（ブロック１１０２）。例えば、センサインターフェース１０１０などのセンサインターフェースが、センサデータを集め及び／又は収集し、天体に対する衛星の相対的な位置及び姿勢を決定する。ある実施例では、衛星の予測される速度及び／又は姿勢が、現在の衛星の移動状態及び／又は天体に対する衛星の相対的な位置に基づいて、決定される（例えば、時間の関数として予測される）。
有る実施例では、衛星の受感軸が計算される（ブロック１１０４）。特に、衛星の質量／慣性データが使用されて、受感軸を決定し得る。他の実施例では、主要な受感軸が、衛星の設計に基づいて、予め規定され及び／又は知られている。更に又は代替的に、受感軸は、衛星の現在の状態（例えば、燃料の燃焼、衛星の更新された状態など）に対応する、更新された質量／慣性特性に基づいて計算される。
次に、示されている実施例の衛星は、受感軸が、決定された軌道フレーム平面（例えば、平面４０４）に方向付けられるように、操縦され且つ／又は方向付けられる（ブロック１１０６）。代替的に、受感軸は、軌道フレームベクトル（例えば、ベクトル４０２）に方向付けられる。
衛星が異なる軌道へ移動（例えば、軌道上昇）されている、ある実施例では、衛星の推力ベクトル（例えば、推力ベクトル６０２）が、主要な受感軸と垂直に方向付けられる（ブロック１１０７）。ある実施例では、推力ベクトルが、（例えば、同じ操縦の間に）軌道フレーム平面に方向付けられている衛星の受感軸と同時に、主要な受感軸と垂直に方向付けられる。
衛星が異なる軌道へ移動される実施例では、一旦、衛星が方向付けられると、衛星のスラスタ又は他の移動デバイスが、操作／起動され、衛星の軌道の高度を変更する（ブロック１１０８）。ある実施例では、このスラスタが、衛星が方向付けられ（ブロック１１０６及び／又は１１０７）る際に、軌道を上げる操縦に対して同時に操作され、その後、プロセスは終了する（ブロック１１１０）。代替的に、主要な受感軸に垂直な、結果としての推力ベクトルに対して多くのスラスタが起動される。
図１２は、本明細書で開示される実施例を実施する別の例示的な方法のフローチャートである。図１２の例示的な方法では、天体を周回している衛星が、軌道上昇を経験しているが、限られた推力の操縦能力及び／又は限られたスラスタの方向付けを有している。図１２の例示的な方法は、ブロック１２００で始まり、衛星は、軌道上昇の操縦を開始している（ブロック１２００）。
衛星の第１の位置及び第１の方向／姿勢が、決定される（ブロック１２０２）。次に、衛星は、操縦及び／又は方向付けされ（例えば、スルーイングされ）、それによって、衛星の推力ベクトルが、決定された軌道フレーム平面（例えば、平面４０４）内ある（ブロック１２０４）。例えば、軌道フレーム平面は、例示的な衛星の方向付けコントローラ（例えば、方向付けコントローラ１００８）によって、時間の関数として決定され得る。この実施例では、示されている実施例の軌道フレーム平面が、時を経て変化する衛星の位置の関数として決定される。
図１２の実施例では、衛星が、推力ベクトルの周りでスルーイングされ（例えば、推力ベクトルの周りで回転され）、それによって、衛星の受感軸が、決定された軌道フレーム平面に方向付けられる（ブロック１２０６）。
衛星が操縦された後で、センサインターフェース１０１０などのセンサインターフェースを介して、衛星の第２の位置及び第２の方向が決定される（ブロック１２０８）。ある実施例では、天体の地上のシステムが、例えば、地上の通信システム１０２０などの通信システムを介して、衛星の位置及び方向を決定する。
次に、衛星の更なる調整が必要か否かが決定される（ブロック１２１０）。ある実施例では、この決定が、（例えば、軌道の一部分の間で）衛星の継続的な姿勢の調整が必要か否か、及び／又は衛星が計画された軌跡からずれているか否かを分析することによって行われる。
衛星の更なる調整が必要であると決定されたならば（ブロック１２１０）、プロセスは、制御をブロック１２０２に戻す。衛星の更なる調整が必要でないと決定されたならば（ブロック１２１０）、例示的なプロセスは終了する（ブロック１２１２）。
図１３は、本明細書で開示される実施例を実施する更に別の例示的な方法のフローチャートである。例示的な方法は、ブロック１３００で始まり、天体を周回している例示的な衛星は、最終軌道内にある（ブロック１３００）。しかし、衛星は、軌道の部分の間で操縦されており、衛星が受ける重力勾配トルクを最小化及び／又は低減させる。
図１３の実施例では、衛星の第１の姿勢が決定される（ブロック１３０２）。この決定は、センサインターフェース（例えば、センサインターフェース１０１０）のセンサを用いる通信、及び／又は地上の通信（例えば、通信システム１０２０）を介して行われ得る。
次に、衛星の受感軸（例えば、主要な受感軸）が、決定される（ブロック１３０３）。ある実施例では、受感軸が、現在の衛星の状態（例えば、展開された位置、燃料の燃焼など）に基づいて計算される。
図１３の実施例では、軌道フレーム平面が、軌道フレーム変換行列に基づいて計算される（ブロック１３０４）。例えば、軌道フレーム平面は、衛星の重力の中心から衛星が周回している天体の重力の中心へ向けられた軌道に基づき得る。
図１３の実施例では、衛星の第２の姿勢が決定／計算され、衛星の受感軸を軌道フレーム平面（例えば、平面４０４）に方向付ける（ブロック１３０６）。例えば、方向付けコントローラ１００８などの方向付けコントローラは、衛星に対する姿勢の変化（例えば、デルタ）を計算し得る。ある実施例では、計算された姿勢の変化が、時間の関数として計算され得る。
衛星の第２の高度に基づいて、衛星のスラスタ及び／又は推進デバイス（例えば、リアクションホイール）が、推力コントローラ１００６などの推力コントローラによって制御され、衛星を第２の姿勢へ移動させる（ブロック１３０７）。
次に、衛星の更なる姿勢の調整が必要か否かが決定される（ブロック１３０８）。衛星の姿勢の更なる調整が必要ならば（ブロック１３０８）、プロセスの制御はブロック１３０２へ戻る。代替的に、更なる調整が必要でなければ（ブロック１３０８）、プロセスは終了する（ブロック１３１０）。
図１４は、図１０の例示的な衛星エネルギー保存システム１０００を実装する、図１１〜図１３の例示的な方法を実行することができる、例示的なプロセッサプラットフォーム１４００のブロック図である。プロセッサプラットフォーム１４００は、例えば、サーバ、パーソナルコンピュータ、モバイルデバイス（例えば、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ））、インターネット家電、又は任意の他のタイプのコンピューティングデバイスであり得る。
示されている実施例のプロセッサプラットフォーム１４００は、プロセッサ１４１２を含む。示されている実施例のプロセッサ１４１２は、ハードウェアである。例えば、プロセッサ１４１２は、任意の望ましいファミリーもしくは製造者からの、１以上の集積回路、論理回路、マイクロプロセッサ、又はコントローラによって実装されることができる。
示されている実施例のプロセッサ１４１２は、ローカルメモリ１４１２（例えば、キャッシュ）を含む。例示的なプロセッサ１４１２は、推力コントローラ１００５、方向付けコントローラ１００８、及びセンサインターフェース１０１０も含む。示されている実施例のプロセッサ１４１２は、揮発性メモリ１４１４及び不揮発性メモリ１４１６を含むメインメモリと、バス１４１８を介して通信可能である。揮発性メモリ１４１４は、同期型ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＳＤＲＡＭ）、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、ＲＡＭＢＵＳダイナミックランダムアクセスメモリ（ＲＤＲＡＭ）、及び／又は任意の他のタイプのランダムアクセスメモリデバイスによって実装され得る。不揮発性メモリ１４１６は、フラッシュメモリ及び／又は任意の他の望ましいタイプのメモリデバイスによって実装され得る。メインメモリ１４１４、１４１６へのアクセスは、メモリコントローラによって制御される。
示されている実施例のプロセッサプラットフォーム１４００は、インターフェース回路１４２０も含む。インターフェース回路１４２０は、イーサネットインターフェース、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、及び／又はＰＣＩエクスプレスインターフェースといった任意のタイプのインターフェース規格で実装され得る。
示されている実施例では、１以上の入力デバイス１４２２がインターフェース回路１４２０に接続される。入力デバイス１４２２は、ユーザがデータ及びコマンドをプロセッサ１４１２に入力することを可能にする。入力デバイスは、例えば、音声センサ、マイクロフォン、カメラ（静止画又はビデオ）、キーボード、ボタン、マウス、タッチスクリーン、トラックパッド、トラックボール、アイソポイント（ｉｓｏｐｏｉｎｔ）、及び／又は音声認識システムによって実装されることができる。
１以上の出力デバイス１４２４も、示されている実施例のインターフェース回路１４２０に接続される。出力デバイス１４２４は、例えば、ディスプレイデバイス（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、液晶ディスプレイ、カソードレイチューブディスプレイ（ＣＲＴ）、タッチスクリーン、触覚出力デバイス、プリンタ及び／又はスピーカ）によって、実装されることができる。したがって、図示した例のインターフェース回路１４２０は、典型的にはグラフィックドライバカード、グラフィックドライバチップ又はグラフィックドライバプロセッサを含む。
例示の実施例のインターフェース回路１４２０は、外部の機械（例えば、任意の種類のコンピューティングデバイス）との、ネットワーク１４２６（例えば、イーサネット接続、デジタル加入者線（ＤＳＬ）、電話線、同軸ケーブル、セルラフォンシステムなど）を介したデータ授受を容易にするための、送信機、受信機、トランシーバ、モデム、及び／又はネットワークインターフェースカードなどの通信デバイスも含む。
示されている実施例のプロセッサプラットフォーム１４００は、ソフトウェア及び／又はデータを記憶するための１以上の大容量記憶デバイス１４２８も含む。そのような大容量記憶デバイス１４２８は、フロッピーディスク、ハードドライブディスク、コンパクトディスク、ブルーレイディスク、ＲＡＩＤシステム、及びデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）ドライブを含む。
図１１〜図１３に記載の方法を実装するための符号化された指示命令１４３２は、大容量記憶デバイス１４２８、揮発性メモリ１４１４、不揮発性メモリ１４１６、及び／又はＣＤ若しくはＤＶＤといった取り外し可能な有形的コンピュータ可読記憶媒体に、記憶され得る。
以上のことから、上述の方法及び装置は、衛星／ＲＳＯのエネルギー効率に優れた動作を可能にし、それによって、よりコンパクトで重量を節約した衛星／ＲＳＯを可能にする。高められたコンパクト化及び重量の節約は、対応する宇宙打上げ機に対する低減されたペイロード要求をもたらす。
特定の例示的な方法及び装置が本明細書で開示されたが、本特許出願の範囲はこれらに限定されるものではない。反対に、本特許出願は、本特許出願の特許請求の範囲内に公正に当てはまる全ての方法、装置、及び製品を包含する。衛星が開示されたが、例示的な方法は及び装置は、車両、空力構造などに適用され得る。

Claims (11)

  1. 衛星の主要な受感軸が軌道フレーム平面に方向付けられ、前記衛星に働く重力勾配トルクを低減させるように、天体の周りの軌道にある前記衛星を操縦することと、
    推力ベクトルを、前記主要な受感軸と垂直に位置合わせすることと、
    前記衛星の軌道高度を変更するためにスラスタを操作することと、
    を含み、前記軌道フレーム平面が、軌道フレームベクトルに基づき、前記軌道フレームベクトルは、前記衛星が周回する前記天体の重力の中心から前記衛星の重力の中心へ規定され、前記軌道フレーム平面は、前記衛星の重力の中心において、前記軌道フレームベクトルに垂直に規定され、前記主要な受感軸は、重力勾配が前記衛星に対して最も高い量のトルクを生成する、前記衛星の軸である、方法。
  2. 前記衛星を操縦することが、前記衛星の推力ベクトルの周りで前記衛星を回転させることを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記主要な受感軸を決定することを更に含む、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記衛星を操縦することが、スラスタ又はモーメンタムストレージデバイスのうちの少なくとも一方を起動させることを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記軌道の一部分の間で、前記衛星を方向付けることが行われる、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 衛星の操縦デバイス、及び
    前記操縦デバイスが、前記衛星の主要な受感軸を軌道フレーム平面に方向付けて、前記衛星に働く重力勾配トルクを低減させることをもたらす、方向付けコントローラであって、前記軌道フレーム平面は、軌道フレームベクトルに基づき、前記軌道フレームベクトルは、前記衛星が周回する天体の重力の中心から前記衛星の重力の中心へ規定され、前記軌道フレーム平面は、前記衛星の重力の中心において、前記軌道フレームベクトルに垂直に規定され、前記主要な受感軸は、重力勾配が前記衛星に対して最も高い量のトルクを生成する、前記衛星の軸である、方向付けコントローラを備える、装置であって、
    前記方向付けコントローラはさらに、前記操縦デバイスが推力ベクトルを前記主要な受感軸と垂直に位置合わせすること、及び前記衛星の軌道高度を変更するように前記操縦デバイスがスラスタを操作することをもたらす、装置。
  7. 前記方向付けコントローラは、前記操縦デバイスが、前記衛星の動作ベクトルを前記軌道フレーム平面に方向付けることをもたらす、請求項６に記載の装置。
  8. 前記動作ベクトルが推力ベクトルを含む、請求項７に記載の装置。
  9. 前記操縦デバイスがスラスタを含む、請求項６から８のいずれか一項に記載の装置。
  10. 前記方向付けコントローラは、前記スラスタが、前記衛星の推力ベクトルを前記主要な受感軸と垂直に方向付けることをもたらす、請求項９に記載の装置。
  11. 前記操縦デバイスがモーメンタムストレージデバイスを含む、請求項６から１０のいずれか一項に記載の装置。
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