JPH01243105A - 宇宙飛翔体の姿勢制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は宇宙飛翔体の姿勢制御方法に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

以下、１軸まわりの姿勢制御系を例にとシ説明する。

第３図は従来の宇宙飛翔体の姿勢制御方法を示すブロッ
ク図であ９２図において（１）は姿勢センサ。

（２）はこの姿勢センサの出力信号を入力として゛閉ル
ープ制御のホイール速度コマンド信号を計算するための
閉ループ制御ホイール速度コマンド計算部。

（３）はこのホイール速度コマンド信号とホイール速度
信号を入力してホイールの速度をホ・ｒ−ル速度コマン
ド信号に追従させるためのホイール速度制御部、（４）
はホイール速度制御部の出力であるホイール駆動信号に
よシ駆動されるホイール、（５）はホイール速度信号を
入力しその角運動量が外乱トルクによυ次第に増加する
のを抑えあらかじめ設定した範囲内にはいるように制御
するための角運動量制御部、（６）は宇宙飛翔体ダイナ
ミクスである。

宇宙飛翔体グイナミクス（６）への入力である作用トル
ク（７）は、外乱トルク（８）と制御トルク（９）の和
となっている。−力制御トルク（９）は、角運動量制御
部（５）の出力である外力制御トルクｆｉ１とホイール
（４）の出力である内力制御トルクα１）の和となって
いる。

閉ループの姿勢制御系は上記作用トルク（７）が宇宙飛
押体ダイナミクス（６）を通じて発生する宇宙飛翔体の
姿勢角を姿勢センサ（１１で検出し、その出力信号をも
とに姿勢誤差が小さくなるように閉ループ制御ホイール
速度コマンド計算部（２）でホイール速度コマンド信号
を発生する。ホイール速度制御部（３１及びホイール（
４）はこの信号をもとにホイールから内力制御トルクα
ｐを発生し、姿勢誤差が小さくなるように作用トルク（
７）を調整する。閉ループ制御系からみると外乱トルク
（８）と外力制御トルクａｉけ、同じ作用を与えている
。このため姿勢誤差という観点からみた実効的な外乱ト
ルクは外乱トルク（８）と外力制御トルク（１１の和で
与えられる。　　′〔発明が解決しようとする課題〕 上記のような従来の姿勢制御方法では、外力制御トルク
ａａが、外乱トルク（８）を完全に打ち消すように作用
しないと実効的な外乱トルクを小さくすることが出来な
い。ところが角運動量制御部では。

任意の宇宙飛翔体の軌道位置で任意の方向忙外力制御ト
ルクを発生することが出来ない場合がある。

例えば外力アクチュエータとして礎気コイルを使用する
場合、地磁場との相互関係で発生できるトルクの方向が
きまってしまう。このため、角運動量制御部では瞬時瞬
時の外乱トルクを完全に打ち消すのではなく、軌道１周
で考えて外乱トルクを除去するような方法が使用される
ことが多い。こめような角運動量制御系の制約がある場
合の外乱トルクと姿勢誤差の関係を示したものが第４図
である。ここでけ外乱トルクは軌道−周にわたシー定で
、角運動量制御系は軌道−周あたり２ケ所時間Ｔだけ制
御するものとしている。図かられかるように外乱トルク
と角運動量制御部から発生される外力制御トルクの和で
ある実効的な外乱トルクは軌道−周で考えるとその積分
値け０となっているが、瞬時瞬時の値け０とはならない
。このため宇宙飛翔体はこの実効的な外乱トルクに応じ
た姿勢誤差を発生する。

第４図に示したように角運動量制御を軌道全周で実施で
きない場合は、上記の実効的な外乱トルクのピーク値は
通常もとの外乱トルクと同等もしくけそれ以上となる。

このため従来の姿勢制御系ではもとの外乱トルクが大き
くなるとそれに伴い姿勢誤差が大きくなるという問題点
があった。

この発明はこのような問題点を解消するため釦なされた
もので、大きな外乱トルクに対しても高精度の姿勢制御
を達成できる姿勢制御方法を得ることを目的とするもの
である。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る姿勢制御方法は、ホイール速度制御部へ
のホイール速度コマンド信号を記憶するための、ホイー
ル速度コマンド信号記憶部と、その記憶データをもとに
フィードフォワード速度コマンド信号を決定するための
フィードフォワード速度コマンド信号決定部と、このフ
ィードフォワード速度コマンド信号と閉ループ制御ホイ
ール速度コマンド信号を加算しホイール速度コマンド信
号を作り出すための加算器を設けたものである。

〔作用〕

この発明においては、軌道上でホイール速度制御部の入
力であるホイール速度コマンド信号をホイール速度コマ
ンド信号記憶部に記憶し、その記憶したデータをもとに
姿勢誤差が小さくなるようにフィードフォワード速度コ
マンド信号決定部でフィードフォワード速度コマンド信
号を決定し。

そのコマンド信号を閉ループ制御ホイール速度コマンド
信号に加算してホイール速度コマンドを号とすることで
姿勢制御精度を向上させるようにする。

〔実施例〕

第１図は、この発明による姿勢制御方法の一実施例を示
すブロック図であり９図中＋１１〜＋１１１は、従来の
姿勢制御方式のブロック図（第３図）と全く同一のもの
である、この発明で新規追加されるのは、ホイール速度
コマンド信号記憶部（１２と、フィードフォワード速度
コマンド信号決定部１１３と加算器０４１である。ホイ
ール速度コマンド信号記憶部＋１２はホイール速度制御
部（３）への入力であるホイール速度コマンド信号を軌
道上で記憶するためのものであり、フィードフォワード
速度コマンド信号決定部ａ３では、このホイール速度コ
マンド信号の記憶データをもとにフィードフォワード速
度コマンド信号を決定する。加算器（１４１は、閉ルー
プ制御ホイール速度コマンド信号に上記フィードフォワ
ード速度コマンド信号を加算し、ホイール速度制御部（
３）への入力信号であるホイール速度コマンド信号を作
シ出す。ここでフィードフォワード速度コマンド信号を
適切に決定し、ホイール速度コマンドのうちの大半をフ
ィードフォワード速度コマンド信号で補償すれば、閉ル
ープ制御のホイール速度コマンド信号の分担部分が小さ
くなる。通常閉ループ制御ホイール速度コマンド信号の
大きさは姿勢誤差の大きさに比例するので、フィードフ
ォワードコマンド信号により閉ループ制御のホイール速
度コマンド信号の大きさを小さく抑えると。

それに伴い姿勢誤差も小さく抑えることができる。

このためフィードフォワード速度コマンド信号を適切に
選ぶことによシ姿勢制御精度を向上させることができる
。

さて９次に上記フィードフォワード速度コマンド信号を
どのようにして決定するかが問題であるがその前に外乱
トルク等の性質について簡単に述べることにする。

宇宙飛翔体に作用する外乱トルクは、太陽輻射圧、空気
抗力９重力傾度、残留磁気等によって発生するが２通常
周期性をもっていることが多い。

この外乱トルクの周期のうち通常支配的なものは軌道周
期である。このためある軌道位置における外乱トルクと
次の周回の同じ軌道位置における外乱トルクはほぼ等し
いと考えてよい。外乱トルクの軌道−周の波形が次の周
回の波形と等しければ。

それに伴う実効的な外乱トルクの波形も一周回前の波形
と次の周回でＩ９ぼ等しくなると考えてよい。

このように実効的な外乱トルクに周期性があるときは、
その実効的な外乱トルクを補償するためのホイール姉よ
る内方制御トルク及びそのトルクを発生するだめのホイ
ール速度制御部への入力であるホイール速度コマンド信
号も一周回前の波形と次の周回の波形が等しくなる。フ
ィードフォワード速度コマンド信号はこの性質をうまく
利用することによって決定することができる。既に述べ
たように実効的な外乱トルクに軌道周期の周期性がある
場合、ホイール速度コマンド信号も軌道周期の周期性を
もつ。そこでホイール速度コマンド信号を記憶し、−周
回前のホイール速度コマンド信号をフィードフォワード
速度コマンド信号として使用すれば、閉ループ制御ホイ
ール速度コマンド信号はほぼ０とすることができる。こ
のため、閉ループ制御系からみた実効的な擾乱トルク（
フィードフォワード速度コマンド信号によるホイールの
内力トルクと外力制御トルクと外乱トルクの和）はほぼ
０となり、姿勢制御精度を向上させることができる。

第２図にこの発明を適用した場合の、フィードフォワー
ド速度コマンド信号、閉ループ制御ホイール速度コマン
ド、姿勢誤差等の応答波形を示す。

図中、外乱トルク、角運動量制御部外力制御トルク、実
効的な外乱トルク、ホイール速度は第４図と同じである
。フィードフォワード速度コマンド信号は、−周動のホ
イール速度コマンド信号から決定したものである。ここ
ではフィードフォワード速度コマンド信号にある程度の
決定誤差があるとして、閉ループ制御ホイール速度コマ
ンドが完全には０となっていない場合を考えている。図
かられかるように、フィードフォワード速度コマンド信
号が実際のホイール速度の大半を分担しているため、閉
ループ制御ホイール速度コマンドはフィードフォワード
速度コマンド信号を加算しない場合（この場合は閉ルー
プ制御ホイール速度コマンドは実際のホイール速度とほ
ぼ一致している。）に比べて格段に小さくなっている。

このためそれに伴う姿勢誤差は、第２図に示したように
第４図の場合に比べて格段に小さくなる。

なお、ことではフィードフォワード速度コマンド信号決
定部＋１３の機能として、ホイール速度コマンド信号デ
ータを軌道−周にわたり蓄積し時々刻々データを更新し
てフィードフォワード速度コマンド信号を発生する方法
を考えたが、この他にその変化パターンをフーリエ級数
展開し、その係数と微係数を推定して軌道周回での変化
分まで推定する方法等も適用できるのはいうまでもない
。

ところで、ここでは１軸まわりの姿勢制御方法を例にと
シ説明したが、２軸、３軸の場合も同様にしてこの発明
を適用することができる。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明したとおシ、ホイール速度コマンド
信号記憶部と、フィードフォワード速度コマンド信号決
定部と、加算器とを設けることで大きな外乱トルクに対
しても高い精度の姿勢制御を達成できるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１１はこの発明の一実施例を示すブロック図。 第２図はこの発明を適用した場合の応答波形を示す図、
第３図は従来の姿勢制御方法を示すブロック図、第４図
はその応答波形を示す図である。 図において（１）は姿勢センサ、（２１は閉ループ制御
ホイール速度コマンド計算部、（３１はホイール速度制
御部、（４）はホイール、（５）は角運動量制御部、　
（１２１はホイール速度コマンド信号記憶部、　＋１３
１はフィードフォワード速度コマンド信号決定部、　（
１４１は加算器である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　宇宙飛翔体の姿勢を検出する姿勢センサと、この姿勢
   センサの出力である姿勢センサ出力信号を入力として閉
   ループ制御ホィール速度コマンド信号を計算するための
   閉ループ制御ホィール速度コマンド計算部と、この閉ル
   ープ制御ホィール速度コマンド信号とフイードフオワー
   ド速度コマンド信号を加算しホィール速度コマンド信号
   を発生させるための加算器と、このホィール速度コマン
   ド信号にホィールの速度を追従させるためのホィール速
   度制御部と、このホィール速度制御部の出力であるホィ
   ール駆動信号により駆動されるホィールと、上記フイー
   ドフオワード速度コマンド信号を決定するためのフイー
   ドフオワード速度コマンド信号決定部と、このコマンド
   信号決定のために必要なデータであるホィール速度コマ
   ンド信号を記憶するためのホィール速度コマンド信号記
   憶部とで構成され、宇宙飛翔体の軌道上でのホィール速
   度コマンド信号の変化をホィール速度コマンド信号記憶
   部で気憶し、そのデータをもとに姿勢誤差が小さくなる
   ようにフイードフオワード速度コマンド信号を決定する
   ようにしたことを特徴とする宇宙飛翔体の姿勢制御方法
   。