JPH02500662A - 二重スピン安定化衛星用章動センサおよび章動制御システム - 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】 二重スピン安定化衛星用単動センサ および単動制御システム 発明の背景 本発明は一般的に衛星制御システム、特に二重スピン安定化衛星用の単動制御シ ステムに関する。

多数の衛星の応用において、所定の基準方向に関して予め定められた方向または 姿勢に衛星を正確に維持することが望ましくかつＺ要である。これは特に、アン テナが地上基地の方向の所定の方角に維持されなければならない静止軌道におけ る通信衛星に該当する。衛星の方向を維持するための良く知られた方法は、対称 軸に関して衛星を回転することである。

アンテナなどの衛星の一部分に外部の基準方向に関して比較的一定の方位を与え るために、衛星の一部分が回転され、一方アンテナが設けられている別の部分は 回転されないようにしてもよ°い。したがって二重スピン安定化衛星はロータす なわちスパン部分、およびプラットフォームすなわちデスパン部分を特徴とし、 ２つの部分はデスピンモータおよび軸受は装置によって結合されている。

スピン安定化衛星に関するある問題は、それらが“動揺′、“摂動°または“単 動′と呼ばれるあるタイプの面倒な運動を示すことである。このような運動は全 て衛星の幾何学的な軸が意図された飛行方位または姿勢から外れる結果をもたら す。

衛星の単動、または合計角度運動量ベクトルに関する回転軸の円錐運動は以下の 妨害のいずれかの結果として生じる：（１）ブースターの最終段の角度運動、（ ２）分離器具の動作、（３）補正されなかった運動量による観測機器の動作、（ ４）構造のフレキシブルな素子の運動、（５）推進燃料または冷却剤等の液体の 運動、および（６）スピン安定化衛星上の大量排気装置の運動。

一般的に単動は、航空機の合計または結果的運動量ベクトルに関してピッチ（ス ピン）軸の回転円錐運動を引起こすいずれかまたは両方の横断（非回転）軸に関 する回転運動である。円錐運動の速度は単動周波数と呼ばれ、このような運動の 円錐角度は単動の振幅である。

衛星デスパンプラットフォームの正確な方位を維持するために単動は減少される か、または取除かれなければならない。

通常の二重スピン衛星の単動は、単動を減衰するように衛星の一方または両方の 横断軸で動作可能なエネルギ吸収または運動量移動装置により減少されることが できる。単動効果はまた単動トルクと反対の位相のトルクを発達する能動ダンパ ーにより克服されてもよい。複数のこのようなシステムは単動を減衰するために デスピンモータを使用する。例えば米国特許第４０９６４２７号明細書において 、適切なトルクが単動を減衰するデスピンモータによって与えられるように、加 速度計ベース単動センサおよび相対回転速度センサの出力はデスピンモータ制御 信号を供給するために処理される。米国特許第４２７４０４５号明細書に記載さ れた第２の単動制御システムは、単動を検出する水平センサを使用する。その他 の単動制御システムは、米国特許第３６９５５５４号明細書および第３８３０４ ４７号明細書、および５ｌａｆｅｒおよびＭａｒｂａｃｈによる雑誌（−Ａｃｔ ｉｖｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｏｆ　ａ　Ｄｕａｌ−８ｐ ｉｎＳｐａｃｅｃｒａｆｔ”　、　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　５ｐａｃｅｃｒａｆ ｔ　ａｎｄ　Ｒｃｋｅｔｓ、　Ｖｏｌ、１２゜１９７５年３月、２８７乃至２９ ３頁）に記載されている。

別のタイプの単動制御システムは、単動減衰トルクを供給するために１つ以上の 姿勢制御用ロケットからの適切なフェイズトスラスターパルスにより能動的な単 動減衰を行なう。

このようなシステムは、リン、Ｈ，グラツソフ氏による文献（“Ａｎ　０ｎ−Ｂ ｏａｒｄ、　Ｃ１ｏｓｅｄ−Ｌｏｏｐ、　Ｎｏｔａｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ載 されている。

二重スピン安定化衛星における単動を感知または検出するために、従来技術の単 動制御システムは通常ジャイロスコープまたは加速度計のような速度センサか、 もしくは水平センサまたはビーコンセンサのような位置センサのいずれかを使用 する。上述のように、ある単動制御システムはロータとプラットフォームとの間 の相対スピン位相および速度を検出するセンサを含む。単動センサ信号のトルク 供給手段の座標システムへの座標変換に必要な情報を供給するために単動センサ および単動制御システムのトルク供給手段が回転している衛星の反対部分に存在 するとき、相対スピン位相センサが必要、である。

この点において、航空機の設計および製造に常に存在する２つの目的は、航空機 の総重量を減少し、システム故障に備えて予備またはバックアップシステムを設 けることであることを留意すべきである。これらの目的の１つは、他方の目的を 達成するために少なくとも部分的に犠牲にされなければなしたがって本発明の目 的は、改善された単動制御システムを提供することである。

本発明の別の目的は、単動センサおよび相対スピン位相センサの両方を含む単動 制御システムにバックアップシステムを設け、その一方で衛星の重量増加を最少 にすることである。

本発明の目的は相対スピン位相センサを使用する新しい単動センサを提供するこ とである。

発明の要約 本発明のこれらおよび別の目的は、単動を感知する相対スピン位相センサの使用 によって二重スピン安定化衛星において実現される。このような二重スピン安定 化衛星は、公称スパンロータ、公称デスパンプラットフォーム、およびロータと プラットフォームとの間の相対的な回転運動を制御するデスピンモータおよび軸 受装置を含む。相対スピン位相センサはロータとプラットフォームとの間の相対 的なスピン位相を示すインデクスバルスを供給する。これらのインデクスパルス は単動振幅および周波数に関する情報を含む。これは単動下において、衛星の質 量の中心部に関するプラットフォームの慣性相乗モーメントがロータとプラット フォームの間の相対スピン位置に正弦曲線の摂動を与えるためである。ロータと プラットフォームとの間の相対的なスピン位相のこの摂動は、連続するインデク スパルスの相対時間位置を示すインデクスバルス到達時間回路により検出される 。慣性相乗モーメントを含む航空機動力学に関する情報を持つプロセッサはイン デクスバルス時間測定値を受信する。プロセッサは航空機動力学とインデクスバ ルス到達時間との測定値から単動周波数および振幅の値を算定するように構成さ れる。好ましい実施例において、プロセッサはさらに単動減衰トルクを与える航 空機反応制御スラスタ−用の制御信号を発生するように構成される。本発明の別 の実施例においては、ロータとプラットフォームとの相対スピン速度は単動を決 定するために検出され、デスピンモータは単動減衰トルクを与えるために使用さ れる。

本発明のこれらおよび別の目的は、その特徴および利点と共に以下の詳細な説明 および添付図面から明かになるである第１図は本発明にしたがって構成された二 重スピン衛星の斜視図である。

第２図は第１図のロータおよびプラットフォームの相対的な位置を示す。

第３図は本発明の好ましい実施例の種々の素子の相互接続を示す。

第４図は第３図の単動測定および制御プロセッサの処理アルゴリズムの論理図で ある。

発明の詳細な説明 図面を参照すると、第１図は本発明の好ましい実施例であり、二重スピン安定化 装置またはボディ２０が示されている・好ましい実施例において、このような装 置は軌道に乗った衛星である。衛星２０は軸受装置およびデスピンモータ２６に より公称スパンロータ２４に結合された公称デスパンプラットフォーム２２を有 する。“プラットフォーム°２２は例えばアンテナ等の任意の形状のボディまた は部品であってもよい。スピンまたはピッチ軸が矢印２５で示されている。プラ ットフォーム２２は回転しないものとして参照されているが、ロータ２４に関し て回転していてもよい。シャフト角度エンコーダのような相対スピン位相または 速度センサ２８は衛星２ｏの上に取付けられ、デスパンプラットフォームに関す るロータ２４の回転の相対位相および速度を示す連続インデクスパルスの形態で 信号を発生する。

ロータ２４とデスパンプラットフォーム２２との角度関係が第２図に示されてい る。相対速度センサ２８はデスパンプラットフォーム２２上に設けられた磁石３ ４と、ロータ２４上に設けられた感知コイル３５および３６を具備する。プラッ トフォーム２２に関するロータ２４の相対位置および位相は、プラットフォーム ２２上の一定の横断軸３７とロータ２４上の横断軸３９との間の角度ψとして限 定することができる。これらの軸は基準時間（１−０＞で整列されてもよい。イ ンデクスパルスは感知コイルにおいてそれらが磁石３４を通過するときに発生さ れる。

相対速度センサ２８はデスピン姿勢またはボインティングシステムの一部分とし て、もしくは加速度計または水平センサのような別の単動センサを含む型動制御 システムの一部分として衛星２０上に設けられていることが理解されてもよい。

本発明が相対速度センサと加速度計の両方を含む型動制御システムを有するスピ ン安定化装置と共に使用される場合、本発明は主単動センサが故障したときにバ ックアップシステムとして機能するであろう。さらに本発明の型動制御センサお よびシステムは独立した構造として使用されてもよい。

第３図を参照すると、本発明の型動制御システムの素子の相互接続が示されてい る。第３図に示された好ましい実施例において、単動測定および制御処理は地上 基地４０で行われ、二重スピン安定化衛星を制御するために実行される。しかし ながら、当業者は衛星電子装置により測定および制御機能が衛星２０上で実行さ れ得ることを理解するであろう。衛星２０は、地上基地４０との間で信号を送受 信するプラットフォーム２２上に設けられたアンテナ３０を含む。衛星２０はま たロータ２４上に設けられ衛星にトルクを与えて単動を減衰する１ａ以上のスラ スタ−３２を有する。スラスタ−３２は衛星反応制御システムの一部である多数 のスラスタ−の典型的な１つである。別の実施例において、型動減衰トルクは適 切な時間間隔でデスピンモータ２６を付勢することにより与えられてもよく、も しくは別のアクチユエータがプラットフォームまたはロータにトルクを与えるこ とができる。デスピンモータ２６が型動減衰トルクを与えるために使用されたと き、相対スピン位相情報は必要なく、ロータおよびプラットフォームの相対スピ ン速度だけを検出して処理することにより単動が感知されてよい。

遠隔測定および命令サブシステム３３は、相対位相または速度センサ２８からア ンテナ３０を介してインデクスバルスの送信と、地上基地４０からスラスタ−３ ２またはデスピンモータ２６に対する命令の受信を制御する。

地上基地４０は衛星２０との間においてデータ信号を受信し、制御信号を送信す るためにアンテナ４２を含む。インデクスバルス弁別器４４は、インデクスバル スを他のデータ信号から分離するためにアンテナ４２に結合される。別の姿勢デ ータは姿勢パラメータ更新システム４５によってアンテナ４２から受信される。

インデクスバルスは、連続したインデクスパルスの相対時間位置を決定するイン デクスバルス到達時間回路４６に供給される。回路４６の出力は単動測定および 制御プロセッサ４８に結合される。これは第４図と共に以下に詳細に説明される 。

単動測定および制御プロセッサ４８は、地上基地アンテナ４２に結合されている 命令発生器５０にスラスタ−実行パルスを供給する。スラスタ−実行パルスは地 上基地アンテナ４２から衛星アンテナ３０に伝送され、遠隔測定および命令サブ システム３３によってスラスタ−３２に中継される。スラスタ−実行命令は、単 動が予め定められたしきい値を超えたときに単動測定および制御プロセッサ４８ によって発生される。

ここにおいて本発明がどのように単動情報を得るのかを見る；二重スピン衛星の 通常の構造においてロータの慣性の主軸は、ロータおよび観測機器プラットフォ ームを結合する支持軸と整列されている。さらにロータは、その質量の中心が共 通の支持軸上に存在するように静的に平衡を保たれている。

安定した平衡状態において、ロータ主軸、支持軸および角度モーメントベクトル は全て共に整列される。単動は、角度モーメントまたは速度の回転平面成分によ って分析的に示され、角度モーメントベクトルに関する支持軸の円錐運動によっ て物理的に証明される角度モーメントベクトルからの支持軸の一時的な移動であ る。観測機器のプラットフォームは回転しないので、平衡を保たれる必要はない 。事実、本発明は支持軸を含む平面において動的不均衡および慣性相乗モーメン トを作用させなければならない。現在、当然ながら通信衛星はりフレフタ供給源 との適切な焦点関係を得るために衛星の地球と反対側に設定された大型リフレク タによって生成されるこのような慣性相乗モーメントを冑する。別の荷重はしば しば類似した慣性相乗モーメントを生成するか、もしくは生成するように簡単に 調整されている。プラットフォームスピンは摂動を与えられない；すなわち説明 された型動結合はプラットフォームスピンの下で存在し、本発明は適度なプラッ トフォームスピン速度になったときに作動することが留意されるべきである。

説明されたデスパンプラットフォーム慣性相乗モーメントが存在する場合、横断 円錐（単動）運動はプラットフォーム２２のスピン運動に結合し、ロータ２４と プラットフォーム２２間の相対スピン位置または位相ψを単動周波数の正弦曲線 の摂動を発生させる。この関係は以下の式で与えられる：Ｉ□Ｉ　Ｃｔ）　ｌ　 −−Ｉ　）１λ。ω２　（１）１２２　ｔｗ２−　＋ｌ　２２λＯωｌ　（２） Ｉｐ（Ｌ３−Ｉ２ｔω２　（３） ここでλ０は単動周波数であり、■□、およびＩ　２２は合計した衛星の横方向 の慣性であり、Ｉｐはプラットフォームスピン慣性であり、１２３は上記で説明 されたプラットフォーム慣性相乗モーメントである。衛星の横方向慣性１１１お よび工２２、プラットフオームスピン慣性１ｐｓプラツトフオーム慣性相乗モー メント１２３は全て所定の衛星に固有のものであり、発射される前に決定され、 例えば燃料が使用されたとき等のように必要なときに更新される。横方向の単動 率はω１およびω２である。符号１，２および３は第１図において示されたプラ ットフォーム固定座標系を示す。式３におけるプラットフォームスピン加速度ａ ３の摂動はロータ相対位相ψにプラットフォーム中の振動または摂動を与える。

この相対位相振動は、相対スピン位相センサ２８から受信される連続したインデ クスバルスの相対時間位置で単動角度に比例した大きさにより単動周波数λ０に おける振動を引起こす。インデクスバルスの発生時間はインデクスパルス到達時 間回路４６によって単動測定および制御プロセッサ４８に与えられる。

第４図を参照すると、単動測定および制御プロセッサ４８によって実行される処 理アルゴリズムが論理的に示されている。

状態伝播ブロック５２において、航空機運動Ｘの４状態算定値が航空機単動動力 学のモデルによって計算サイクル中断期間に新しくされる。状？！！算定値Ｘは 、回転軸２５と直角を成す平面における直角プラットフォームの回転角速度ω１ ．ω２と同様にプラットフォームに対するロータの相対位相ψおよびルクは、状 態算定値Ｘを更新するためにシステム動力学マトリクスＡおよびＢによってそれ ぞれ動作される。これらのシステム動力学マトリクスは衛星２ｏの質量特性およ びモーメント、およびスラスタ−の幾何学形状によって決定される。決定ブロッ ク５４は、最後の計算サイクル中断後に新しいインデクスバルスが到達したかど うかを決定する。もし新しいインデクスバルスが存在するならば、状態補正ブロ ック５６が新しいデータを入力するために状態算定値Ｘを補正する。横方向の回 転角速度ω１およびω２を表わす状態が導出された型動算定値である。補正は以 下の関数を実行することによって行ここでΔｔ−ｔＯ−ｔｉ； ｔｏは計算更新の時間である； Ｂはインデクスパルスの到達時間である；ψ１はロータとプラットフォーム間の 一定した最初の位相の計算値である； 相対位相のコンビ二一夕の計算値である；には状態算定器利得マトリクスである 。

観察者または算定者が資料を調整するときにしばしば参照されるこの構成は、フ ィルタ状態ω１．ω２．ψおよびψを航空機の実際状態に追随させる。

概算状＝；、、、、２、およびある場合には３が航空機単動を減衰することによ りアクチユエータを動作するために使用される。好ましい実施例において、これ は状態算定値がら発生された制御信号をしきい値で処理することによって行われ る。変調および位相遅延ブロック５８は、衛星２ｏに伝送される制御信号に適切 な位相を設ける。型動減衰トルクを与えるスラスタ−３２がロータ２４上に設け られる好ましい実施例の場合に、もし必要ならば状態算定値Ｘはロータ固定座標 に座標変換される。デスピンモータ２６およびデスパン慣性相乗モーメント反応 によって型動減衰トルクが与えられる実施例において、座標変換は必要ない。こ の場合、アクチユエータを動作するために実際に使用されるのは状態ωユ、ω２ だけである。

遅延位相され座標変換された状態算定値は、命令発生器５ｏ１；スラスタ−パル ス信号を供給するしきい値ブロック６ｏに単動が予め定められたしきい値を超え たときに供給される。スラスタ−命令信号は地上基地アンテナ４２によって衛星 ２ｏに伝送される。状態算定値Ｘがロータ固定座標に変換された座標である場合 、逆座標変換ブロック６２がスラスタ−パルスＵを受信し、プラットフォーム固 定座標に信号を再び変換する。変換は相対位相ψの算定値ａを使用する。スラス タ−パルス信号は状態伝播ブロック５２でシステム動力学モデル中に再び供給さ れる。型動減衰トルクがデスピンモータ２６によって与えられる実施例に関して 、ブロック５８および６２における２つの座標変換は必要ない。

本発明好ましい実施例を参照して説明されているが、当業者が本発明の技術的範 囲を逸脱することなく多数の修正、変化、変形、置換および等６物を実行するこ とができることが理解されるであろう。したがって、本発明はここにおいて請求 の範囲の各項によってのみ制限されるものである。

＋−３７ 国際調査報告 藺・＋＃１ｌＩ）１１４□Ａｓｏｍｅ番ｂｓ、ｂａ、？Ｃ：ｊ＝ｓ８８／Ｃ：４ ε５国際調査報告

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. （１）公称スパンロータおよび公称デスパンブラットフォームを有する二重スピ ン安定化衛星用章動制御システムにおいて、 前記ロータと前記ブラットフォームとの間の相対スピン位相を感知し、それを示 す連続した信号を供給する相対スピン位相センサと、 前記スピン位相センサから前記信号を受信し、連続した相対位相信号の相対位置 から前記装置の章動を計算する手段と、前記装置の章動を減少するために前記装 置にトルクを与える手段とを含む章動制御システム。
2. （２）前記装置は軌道上の衛星であり、前記連続した信号はインデクスパルスで ある請求項１記載のシステム。
3. （３）地上基地と、 前記地上基地に前記インデクスパルスを伝送する手段と、前記インデクスパルス の相対時間位置を検出する手段とを含み、 前記検出する手段および前記計算する手段は前記地上基地に設けられ、 前記トルク供給手段を制御するために前記地上基地から前記衛星へ制御信号を伝 送する手段が前記計算手段の出力に待合されている請求項２記載のシステム。
4. （４）前記トルク供給手段は、前記ロータ上に配置された１個以上のスラスター を含む請求項２記載のシステム。
5. （５）章動が予め定められたしきい値を超えたときに、前記１個以上のスラスタ ーが噴射される請求項２記載のシステム。
6. （６）前記トルク供給手段はデスパンモータである請求項２記載のシステム。
7. （７）公称スパンロータおよび公称デスパンブラットフォームを有する二重スピ ン安定化衛星用章動制御システムにおいて、 前記ロータと前記ブラットフォームとの間の相対スピン位相を感知し、それを示 すインデクスパルスを供給する相対スピン位相センサと、 前記インデクスパルスを含む衛星姿勢データを送信するダウンリンクアンテナと 、 前記衛星姿勢データを受信する地上基地受信アンテナと、前記インデクスパルス を前記衛星姿勢データから分離する手段と、 前記分離されたインデクスパルスの到達時間を測定する手段と、 前記測定されたインデクスパルスの到達時間から前記衛星の章動を計算する手段 と、 章動を補正するために制御信号を発生する手段と、前記衛星に前記制御信号を送 信するアッブリンクアンテナと、 前記制御信号を受信する衛星受信アンテナと、受信された前記制御信号に応答し 、前記衛星の章動を減少するために前記衛星にトルクを与える手段とを含む章動 制御システム。
8. （８）前記相対スピン位相センサはシャフト角度エンコーダである請求項７記載 のシステム。
9. （９）公称スパンロータおよび公称デスパンブラットフォームを有する二重スピ ン安定化衛星に使用する章動センサにおいて、 前記ロータと前記ブラットフォームとの間の相対スピン位相を感知し、それを示 す信号を供給する相対スピン位相センサと、 前記信号の連続したものの相対時間位置を検出する手段と、連続した信号の相対 時間位置から前記衛星の章動を計算する手段とを含む章動センサ。
10. （１０）前記信号は前記相対位相センサからのインデクスパルスである請求項９ 記載の章動センサ。
11. （１１）前記計算手段は、衛星章動運動を前記ブラットフォームのスピン運動と 詰合することによって発生される連続したインデクスパルスの相対時間位置にお ける正弦曲線摂動に基いて前記衛星の章動を計算する請求項１０記載の章動セン サ。
12. （１２）公称スパンロータおよび公称デスパンブラットフォームを有する二重ス ピン安定化衛星の章動を感知する方法において、 前記ロータと前記ブラットフォームとの間の相対スピン位相および速度を感知し 、 前記相対スピン位相および速度を示すインデクスパルスを発生し、 連続したインデクスパルスの相対時間位置を検出し、連続したインデクスパルス の相対時間位置から前記衛星の章動を計算するステップを含む方法。
13. （１３）前記計算ステップは、衛星の章動を計算するために衛星章動運動を前記 ブラットフォームのスピン運動と結合することによって発生された連続したイン デクスパルスの相対時間位置における正弦曲線摂動を使用する請求項１１記載の 方法。
14. （１４）公称スパンロータおよび公称デスパンブラットフォームを有する二重ス ピン安定化衛星の章動を制御する方法において、 前記ロータと前記ブラットフォームとの間の相対スピン位相および速度を感知し 、 前記相対スピン位相および速度を示すインデクスパルスを供給し、 連続したインデクスパルスの相対時間位置を検出し、連続したインデクスパルス の相対時間位置から前記衛星の章動を計算し、 衛星の章動を減少するために前記衛星にトルクを与えるステッブを含む方法。
15. （１５）前記インデクスパルスを含む衛星姿勢データを地上基地に送信し、 前記衛星姿勢データを前記地上基地で受信し、前記インデクスパルスを受信され た衛星姿勢データから分離し、 衛星の章動を補正するために制御信号を発生し、前記地上基地から前記衛星に前 記制御信号を送信し、前記制御信号を前記衛星で受信し、 前記制御信号に応答して前記トルクを与えるステップを含む請求項１３記載の方 法。
16. （１６）公称スパンロータおよび公称デスパンブラットフォームを有する二重ス ピン安定化衛星用章動制御システムにおいて、 前記ロータと前記ブラットフォームとの間の相対スピン速度を感知し、それを示 す連続した信号を供給する相対スピン速度センサと、 前記スピン速度センサから前記信号を受信し、相対速度信号から前記装置の章動 を計算する手段と、前記装置の章動を減少するために前記装置にトルクを与える 手段とを含む章動制御システム。
17. （１７）前記装置は軌道上の衛星であり、前記連続した信号はインデクスパルス である請求項１６記載のシステム。
18. （１８）前記トルク供給手段はデスピンモータである請求項１７記載のシステム 。