JPH0287010A - 人工衛星用角速度測定装置 - 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〕 本発明は、人工衛星用角速度測定装置に関し、人工衛星
の地球周回軌道上の移動による、角速度測定装置の内部
、および外部の温度変化が原因となって生ずる、角速度
検出信号の誤差を補正し、人工衛星の角速度値を正確に
求め、人工衛星の姿勢制御精度を向上させる、人工衛星
搭載用の角速度測定装置に関する。

〔従来技術、および発明が解決しようとする課題〕近年
、人工衛星の姿勢制御方式は、スピン安定による制御方
式から３軸姿勢制御方式に向かいつつある。地球周回の
人工衛星は大きく分けて静止軌道上を航行するいわゆる
静止衛星と、高度数１１００ｋ程度を航行する軌道衛星
、若しくは観測衛星とがあるが、これら両者の衛星とも
３軸制御における衛星固定の座標軸は第８図のように定
義される。すなわち軌道上速度ベクトルの方向をロール
軸（Ｘ）、地球を向いた軸をヨー軸（Ｚ）とし、残りの
ピンチ軸（Ｙ）方向はｘ、ｙ、ｚが右手直交系を成すよ
うに定義される。そして、ロール、ピッチ、ヨー軸まわ
りの正の回転角度、すなわち基準状態からの変化量、を
それぞれψ、θ、ψと表す。３軸姿勢制御方式とはこの
衛星の３つの軸が所定の方向を向くように制御する方式
であり、放送、通信、地球観測など、各衛星によって異
なるミッションを遂行するために、例えばヨー軸（Ｚ）
についていえばレーダアンテナを地球方向に向けること
等、正規の運用状態では基準状態にあり、ψ、θ、ψい
ずれもゼロになる様に制御するのが普通である。

このような３軸制御を行うには当然のことながらψ、θ
、ψの角度を何らかの方法で測定して、通常はセロであ
る基準値との偏差を検出し、この偏差をなくするよう衛
星３軸まわりに１〜ルクを発生ずることになる。トルク
を発生ずるアクチエータにはフライホイールやガスジェ
ット、そして場合によっては地球磁気を利用した磁気ト
ルカが使用される。

またｒ、θ、ψの角度の検出方法は大きく分けて２つあ
る。すなわち地球センサ、太陽センサ等の各光学センサ
を使用して直接求める方式と、ジャイロを組み込んだ角
速度測定装置によりロール、ピンチ、ヨー軸まわりの角
速度値を時間的に連続して検出し、それを積分していく
ことによって、ψ、θ、ψの角度を求めていく方式とで
ある。従来は光学センサのみによる方式が一般的であっ
たが、近年は、成る範囲の衛星については、衛星３軸ま
わりの角速度アナログ信号（θ、９５．ψ）が直接得ら
れるため高級な姿勢制御アルゴリズムが採用できること
、マイクロプロセッサ等の小型で信頬性のあるオンボー
ド′、リアルタイム計算処理技術の向上により角速度値
の積分による直接の姿勢計算が容易になったこと、等の
理由により、ジャイロからの出力をもとに姿勢計算を行
う方法へと移行しつつある。そしてその適用範囲は将来
さらに拡大することが予想される。

しかしこの方法の場合においても、光学センサと組み合
わせて、定期的に光学センサからの出力、すなわち衛星
姿勢角の直接の測定値をもとにジャイロの角速度のドリ
フトを修正していく方法がとられている。

本発明は、このジャイロを使用した角速度測定装置によ
り衛星の姿勢角を求めていく方式に関するものである。

この方式の場合、ジャイロの角速度入力軸は、定常の運
用状態での、ロール、ピッチ、ヨーの方向を向くように
、すなわち衛星座標軸の方向を向くように、角速度測定
装置そのものが衛星に取りつけられる。

ジャイロを組み込んだ角速度測定装置によって衛星３軸
まわりの各速度を計測する場合には、下記のような技法
が用いられる。すなわちロール、ピッチ、ヨー角軸につ
いての角速度値（θ、ｒ。

ψ）は当然のことながら、各検出軸の出力からそれぞれ
の基準角速度値からのドリフト値を差し引いたものとな
る。姿勢制御が行われているとき、ロール、及びヨー軸
まわりの角速度値は殆どゼロとなり、一方ピンチ軸まわ
りには衛星の軌道角速度（軌道レート）　（ｄｅｇ／　
ｈｒ）が加わる。したがってψ、ψについての計測エラ
ーは殆ど角速度ドリフト変動そのものとなり、θについ
てはこの角速度ドリフト変動の他にジャイロそのものの
角速度検出信号の変動（スケールファクタの変動）も加
わる。角速度ドリフト値は光学センサによって定期的に
更新することができる。一方、スケールファクタの更新
は衛星軌道上では一般には困難であるが、ピンチ軸の場
合検出される軌道レートは常に一定であるため、スケー
ルファクタが変動した場合、その変動分を見かけ上角速
度ドリフトの変動分とみなして以後の角速度計測を行う
ことができる。このような技法を用いても衛星の姿勢制
御上は特に問題はない。

ところで、以上に述べてきたジャイロによる角速度計測
方法には、重大な問題がある。それは、衛星が軌道上を
航行するのに従って角速度測定装置の内部、外部にわた
って温度変動が生じ、それにより角速度ドリフト値その
ものが変化するということである。前述したように角速
度計測装置の角速度ドリフトは光学センサの助けをかり
て更新が可能である。しかし、このように更新された値
であっても温度変動によって角速度ドリフト値そのもの
が変わってしまい、そのために衛星の角速度計測に誤差
が生じ、衛星の姿勢制御精度が低下する。またロール軸
、ピンチ軸においては常時地球センサからの出力が得ら
れるため角速度ドリフトの更新はかなりひんばんに可能
であるが、ヨー軸については太陽センサしが角速度ドリ
フト更新の基準には使用できない。そして太陽センサが
使用できる衛星軌道上の領域、すなわち太陽そのものが
太陽センサの視野に入る範囲、は限定されるため、角速
度ドリフト更新のできる軌道上の領域はおのずから制限
を受ける。したがって角速度ドリフトの更新と更新の間
の時間は必然的に長くなり、この間の温度変動によって
角速度ドリフトの値そのものが変化し、角速度出力その
ものに誤差を生ずる。この温度変動による誤差の様子は
第９図に示すとおりである。

この点に関し従来、温度と角速度ドリフトとの間には成
る一定の関係があるため、事前にこの関係を地上での試
験において測定し温度対角速度ドリフトの曲線を求めて
おき、この曲線にもとづく補正量が与えられるような例
えばアナログ補正回路を付加することにより補正する対
処方法が提案されている。しかしこの補正方法には次の
ような問題点がある。

（１）衛星打ち上げ後、角速度測定装置内部のジャイロ
や、付属電気回路部分のドリフトの温度依存性を規定す
る関係、いわゆるドリフト温度係数といわれるものが、
数ケ月あるいは数年の期間で変化していった場合、地上
で求めた温度と角速度ドリフトとの関係からのずれが生
じ、補正の役割を果たさない。

（２）アナログ補正回路を構成する能動、受動素子その
もののパラメータも、数ケ月、数年の期間では変化して
いくことも考えられ、したがって補正量そのものが変化
してしまうことになり、（１）と同様に補正の効果がな
くなる。

（３）電気的なアナログ補正回路として構成できるもの
は、直線特性（１次特性）程度のものである。２次以上
の特性の補正回路も技術的には可能であるが、回路素子
の増加による信頼性の低下、補正量そのもののばらつき
の増加等の可能性が考えられ、望ましくない。

一方角速度ドリフト値そのものは温度に対して完全に１
次の関係だけで規定できるというわけではなく、補正の
効果をさらに上げるためにはもっと高次の項も含んで補
正する必要があるのも事実である。

この角速度ドリフト温度係数、及び、補正回路パラメー
タの長期変動による測定誤差の様子が第１０図に示され
る。

本発明の目的は、以上に述べたところの温度変動による
角速度値のドリフト変化による角速度算出の誤差および
この温度依存特性の長期における変動による角速度算出
の誤差を効果的に補正し、衛星の長期使用期間にわたり
正確な角速度値を得る装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段、および作用〕本発明にお
いては、ジャイロを有する人工衛星に用いられる角速度
測定装置であって、角速度検出部、温度検出部、および
、演算処理装置を具備し、 該角速度検出部による角速度検出信号と該温度検出部に
よる温度信号が、該人工衛星に対向する地球の周回の期
間において該演算処理装置に供給され、 該演算処理装置における演算処理が行われ、該角速度検
出信号と該温度信号の間の最小自乗法が適用される誤差
補正のための関係式が求められ、 該求められた関係式にもとづいて該角速度検出信号の温
度変動による誤差分の補正が行われ、それにより周回中
の人工衛星の誤差補正された角速度値が導出されるよう
になっている、 ことを特徴とする人工衛星用角速度測定装置、が提供さ
れる。

本発明による装置においては、角速度ドリフトとそれに
関係する温度値との関係が衛星軌道上においてそのつど
一義的に求められ、以後成る期間の温度変動に対しこの
関係を用いて角速度出力を補正することにより、正確な
角速度が検出でき、衛星の姿勢計算及び姿勢制御を効果
的に行うことができる。

〔実施例〕

本発明の一実施例としての人工衛星用角速度測定装置の
概略構成が第１図に示される。この角速度計測装置にお
いては、機械的ジャイロの一種としてのチューンド・ド
ライ・ジャイロと、付属電気回路としての追従回路（リ
バランス回路）とが制御ループを構成し、衛星に３軸ま
わりの回転運動が生ずると、チューンド・ドライ・ジャ
イロのロータをこの衛星の回転運動に追従させるように
制御ループが働（。そしてこのときジャイロにおけるｌ
・ルク発生装置には、この追従トルクを生起させるため
の電流が流れる。この電流値が衛星の３軸まわりの回転
運動の角速度値に比例する。電流値は電圧値に変換され
る。電気・周波数変換器はこの電流値に比例した周波数
をもつパルスを発生ずる。今日では衛星側姿勢制御１１
エレクトロニクスとのインタフェース条件等の理由で、
角速度計測装置の出力はこのような角度増分パルスにな
っているのが普通である。

さてこの角速度計測装置の角速度ドリフトは、前述した
ように、装置内部の各ユニット例えばジャイロ、リバラ
ンス回路、電圧・周波数変換器の温度値と何らかの定量
的関係を有している。第１図の場合この温度値として、
チューンド・ドライ・ジャイロ温度、リバランス回路温
度、電圧・周波数変換器温度を考えることができる。そ
して装置の出力角速度ドリフトｙは−・船内に次のよう
な関係式 （１）で表すことにより、温度との関係を規定すること
ができる。

Ｖ＝ａｏ＋ａｌＴ＋＋ａｚＴ−＋、、。

＋　ｂｏ　＋　ｂ＋Ｔｚ　＋　ｂｚＴｚ”＋・・・十Ｃ
ｏ＋ＣＩＴ３＋ＣｚＴｚ”十・・・・・・関係式（１） ここにｙは出力角速度ドリフト値、Ｔ、はチューンド・
ドライ・ジャイロ温度、Ｔ２はリバランス回路温度、Ｔ
３は電圧・周波数変換器温度、ａＯ＋　　ａ、、ａ２．
・・・は関係式（１）を規定する定数、すなわち各ユニ
ットの温度についてのドリフト温度係数である。関係式
（１）は、より一般的に次のような関係式（２）で規定
することができる。すなわち出力角速度ドリフト値ｙは
ｎ個の温度点に依存した関係を有し、また各ユニットの
温度については、任意の次数の温度係数まで式に含めて
規定するというものである。

＋ｃ。

・・・関係式 ここに、Ｃｉ＋ｊはｉ番目のユニットのｊ次の温度係数
、Ｔ、はｉ番目のユニットの温度値のｊ乗、ｍは次数で
ある。

本発明による装置の意図するところは、温度変動からく
るドリフト変化による角速度計測誤差を補正することで
あるから、この目的のためには関係式（２）で規定され
る、ドリフトと温度との間の関係式が求められればよい
ことになる。関係式（２）における係数Ｃを求めること
が必要である。

このことを達成するために最小２乗法の原理を使用する
が、 この原理を使った関係式 ％式％ 速度回帰値とすると関係式 の形に表現する ことができる。

Ｃ２，１ｌｌ（Ｚ）　　・ＴＬ　１ ＋　ｃ２．　ｖｓ　（２）　−１・１２．１十・・・十
Ｃ２，ｌ・７ｌｌ　１ ＋・・・ Ｃ２＋　ｍ　（２）　・Ｔ２．１　　＋Ｃｚ、　ＩＩ　
（□ト、・Ｔｚ、１＋・・・十Ｃ２，ｔ−’ｈ、１ ＋・・・ ・・・関係式（３） 衛星の周回により角速度測定装置内部の各ユニットの温
度値も変化していき、それにともない出力ドリフト値も
変化していくため、一定時間間隔ごとに角速度検出値と
各ユニットの温度値とを測定してそのデータを集積して
いくことができる。

これらの角速度測定値をｙｌ、ｙ２．・・・ｙｌ、とす
る。温度測定値を、Ｔ　Ｉ＋　ｌ　＋　Ｔ　Ｉ＋　２　
＋・・・Ｔ＋＋ｆ＋Ｔｚ、＋　＋　Ｔ２．２　＋　”・
Ｔｚ＋ｆ　＋　”’Ｔｒｉａｌ　ｌ　Ｔｎ、ｚ　＋・・
・Ｔｎ、＃とする。ｋは測定点の時間的順番、βは測定
点の穂数をあられず。なお、Ｔｉ、、は１番目のユニッ
トの、時間的にに番目の温度測定値を示す。時間が経過
することによる測定回数は４個となる。関係式（２）は
、最小２乗法の原理を使って求めるべき、多元、多次元
の回帰方程式である。

関係式（２）の中の係数Ｃ＋　＋　ｊは、上記温度測定
値との間に関係式（３）の関係を満足しなければならな
い。関係式（３）のＣ８１、の植を求めるための条件は
、角速度測定値ｙ１．ｙ２．・・・ｙｐを使い、最小２
乗法の原理から次の関係式（４）のように与えられる。

すなわち Ｕ−Σ（ｙ＝ ｙｉ）２−（ｙ＋ の条件より 、’ＩＩＩ Ｖ＋）　２＋（Ｖｚ ｙ２）２＋・・・＋（ｙｌ ｙｉ　）２＝　ｍｉｎ ＃　　ｆｆ１（１１ ＋（ΣＴ＋、に、Ｔｎ（＋＋、ｋ）’Ｃｎ＋１　＋　（
ΣＴ＋、ｋ）・Ｃ。

１ｍ（菫） 一Σｙｋ−Ｔｌ、　ｕ ｆ　　ｆｆｉ＋１１ ＋（ΣＴＩ＋ｋ ｆ　　Ｉｆｉ（１１ ・Ｔア。）、ｋ）・Ｃ，、、＋（ΣＴ８．。

ＩＩ　　　　　Ｎ１＋１ｌ−１ ）・Ｃ，＝Σｙｋ’ＴＩ＋１Ｉ ＩＩ　　ｍ＋２＋　　　　　　　　　　　　　　　　　
ｌ　　＋ｈ＜２１＋・＋　（ΣＴｚ、に、Ｔｎｍ＋Ｊ、
ｃｎ＋　１　＋　（ΣＴ２．　ｉ＝　）　・Ｃ。

ＩＩｍ　ｔｚ＞ 一ΣＶｋ’Ｔ２＋ｋ （ｌｌ＋＋ｋ　）°し＋、ｍ十　（ΣＩ’＋、ｋ）・Ｃ
Ｉ＋１１１（１）」−・・・ ・・・関係式（５） 時間的な測定点の数ｌは、求めるべき温度係数Ｃの総数
、すなわち関係式（５）の多元連立−次方程式の未知数
の数より多くせねばならぬ。

このようにして求めたＣ　ｆ　＋　ｊにより、関係式（
２）を一義的に定めることができ、これが角速度値に対
する補正式となる。

前述の説明に関連して、温度点を与えるユニットの個数
と、各温度点に対する温度係数の次数を定めた具体例を
以下に示す。

第２図（ａ）、　（ｂ）、　（Ｃ）、　（ｄ）は、実験
結果として得られた、第１図に示すような、チューンド
・ドライ・ジャイロと関連エレクトロニクスから構成さ
れた角速度測定装置において、周囲温度を変えていった
ときの出力ドリフトと各ユニットの温度変化とを時間的
にプロットしたものである。

第２図（ａ）は出力としての角速度ドリフト値の時間に
対する変化を、第２図（ｂ）はチューンド・ドライ・ジ
ャイロ温度の時間に対する変化を、第２図（ｃ）はりバ
ランス回路温度の時間に対する変化を、第２図（ｄ）は
電圧・周波数変換器温度の時間に対する変化を、それぞ
れあられす。

第２図から１０時間の間での温度変化によりドリフト値
が０．２　ｄｅｇ／ｈｒ変化していることがわかる。第
３図〜第７図は、本発明を適用した実験結果としての第
２図でのドリフト値と各ユニットの温度値をもとに回帰
方程式としての関係式（２）を求め、これにより角速度
出力を補正した結果を示したもので、温度点として選択
した各ユニットと各温度点で選択した盪度係数の次数は
次のようになっている。

第３図において、チューンド・ドライ・ジャイロ温度は
１次、リバランス回路温度は１次である。

第４図において、チューンド・ドライ・ジャイロ温度は
１次、リバランス回路温度は１次、電圧・周波数変換器
温度は１次である。すなわち第３図、第４図においては
温度は１次だけを考慮する。

第５図において、チューンド・ドライ・ジャイロ温度は
２次、リバランス回路温度は２次、第６図において、チ
ューンド・ドライ・ジャイロ温度は２次、リバランス回
路温度は２次、電圧・周波数変換器温度は２次である。

すなわち第５図、第６図においては温度は２次までを考
慮する。

第７図において、チューンド・ドライ・ジャイロ温度は
３次、リバランス回路温度は３次である。

すなわち第７図においては温度は３次までを考慮する。

第３図においては、標準偏差をσとするとき、１６　＝
０．００４５４ｄｅｇ／ｈｒである。第４図においては
１６−０．００４４９ｄｅｇ／ｈｒである。第５図にお
いては１６　＝０．００１９２ｄｅｇ／ｈｒである。第
６図においては１６　＝０．００１９１ｄｅｇ／ｈｒで
ある。第７図においては１６　＝０．ＯＯ１８６ｄｅｇ
／ｈｒである。

第３図、第４図の結果から、１次の温度係数を選んだ場
合の角速度計測の誤差は１６で約０．００４５ｄｅｇ／
ｈｒ、第５図〜第７図の結果から、２次以上の温度係数
を選択した場合は、１６で約０．００１９ｄｅｇ／ｈｒ
の誤差となっており、第１図の装置においては、特に２
次以上の回帰方程式で補正することにより角速度計測の
精度が格段に向上することがわかる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、温度変動による角速度値のドリフト変
化による角速度算出の誤差およびこの温度依存特性の長
期における変動による角速度算出の誤差が効果的に補正
され、衛星の長期使用期間にわたり正確な角速度値を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としての人工衛星用角速度測
定装置の概略を示す図、第２図（ａ）（ｂ）、　（Ｃ）
、　（ｄ）は角速度測定装置の、周囲温度が変化すると
きの出力ドリフトおよび各ユニットの温度変化を示す波
形図、第３図、第４図、第５図、第６図および第７図は
、出力ドリフト値と各ユニットの温度値をもとに回帰方
程式を用いて角速度出力を補正した結果を示す波形図、
第８図は第１図装置が適用されるべき地球周回３軸姿勢
制御人工衛星の座標軸を示す図、第９図は角速度測定装
置の温度変動による角速度出力値の変化を示す波形図、
第１０図は電気的な温度補正回路を付加した角速度測定
装置の、ドリフト温度係数および補正回路パラメータの
長期変動による角速度出力の変動を示す波形図である。 ■・・・リバランス制御ループ、 １１・・・ジャイロ、 １２・・・リバランス回路、 ２・・・電圧・周波数変換器、 ３・・・計算装置、 ３１・・・温度信号、角速度信号検出部、３２・・・温
度データ、角速度データ記憶部、３３・・・多元連立１
次方程式演算部、３４・・・角速度補正演算部。 絵 （」ｌ−Ｉ／６ｅｐ） 男４乙６゜ｌ滓― （−Ｔ　Ｉ（／ハル）態（乙６゜１１寥地 球 Ｙ（ピッチ軸） 人工衛星の座標軸 第８回

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ジャイロを有する人工衛星に用いられる角速度測定
   装置であって、 角速度検出部、温度検出部、および、演算処理装置を具
   備し、 該角速度検出部による角速度検出信号と該温度検出部に
   よる温度信号が、該人工衛星に対向する地球の周回の期
   間において該演算処理装置に供給され、 該演算処理装置における演算処理が行われ、該角速度検
   出信号と該温度信号の間の最小２乗法が適用される誤差
   補正のための関係式が求められ、 該求められた関係式にもとづいて該角速度検出信号の温
   度変動による誤差分の補正が行われ、それにより周回中
   の人工衛星の誤差補正された角速度値が導出されるよう
   になっている、 ことを特徴とする人工衛星用角速度測定装置。 ２、該演算処理装置が、該角速度測定装置に組み込まれ
   た計算装置からなる、 請求項１記載の装置。 ３、該計算装置がマイクロコンピュータ形式のものであ
   る、 請求項２記載の装置。