JPH0471757B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、定常運用時の人工衛星の姿勢制御
装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、人工衛星の三軸姿勢制御装置としては、
日本自動制御協会発刊“システムと制御”、
vo127、no.6「人工衛星の三軸姿勢制御」に示され
るように、ゼロモーメンタム方式（第３図）と、
バイアスモーメンタム方式（第４図）がある。１
はロール／ヨー検出装置（地球センサ）、２はロ
ール／ヨー検出装置電子回路、３はヨーセンサ、
４はヨーセンサ電子回路、５は姿勢制御装置、１
１，９，７はそれぞれロール、ピツチ、ヨーホイ
ール、１０，８，６はそれぞれロール、ピツチ、
ヨーホイール駆動回路である。

第３図のゼロモーメンタム方式では、姿勢制御
を三軸独立に行う。即ち、ロール角は地球センサ
１によつて検出され、ロールホイール１１の回転
速度を変化させることによつてロール角の制御を
行う。同様に、ピツチ角は地球センサ１によつて
検出され、ピツチホイール９の回転速度を変化さ
せることによつてピツチ角の制御を行う。ヨー角
はヨーセンサ３によつて検出され、ヨーホイール
７の回転速度を変化させることによつてヨー角の
制御を行う。

第４図のバイアスモーメンタム方式では、ジヤ
イロ剛性を利用することからロール／ヨー軸が強
い連性効果をもつ。同じバイアスモーメンタム方
式でも、ホイール構成によつて制御装置は異なる
が、ここでは、１モーメンタムホイール、１リア
クシヨンホイール、コンフイギレーシヨンのコン
トロールドバイアスモーメンタム方式を考えるこ
とにする。ロール角は地球センサ１によつて検出
され、ヨーホイール７の回転速度を変化させるこ
とによつてロール角の制御を行う。ヨー角はピツ
チホイールのバイアスモーメンタムによるジヤイ
ロ剛性と軌道運動カツプリングによるロール／ヨ
ー変換を利用して、ロール角を制御することによ
り受動的に行われる。

ピツチ軸は他の２軸と独立に考えることがで
き、地球センサ１によつてピツチ角が検出され、
ピツチホイール９の回転速度を変化させることに
よつてピツチ角の制御を行う。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ゼロモーメンタム装置では、三軸をそれぞれ独
立に制御するため、姿勢制御ロジツクは簡単なも
のでよく、姿勢制御精度も高い制御系を実現する
ことができる。しかし、ヨーセンサの常時使用が
前提であることからシステムのインテグリテイ
（保全性）が低いと言わざるをえない。バイアス
モーメンタム方式では、ピツチバイアスモーメン
タムのジヤイロ剛性によつて受動安定が実現され
ており、たとえ制御系が働かなくともある程度は
姿勢を維持することができる。ところが、ロー
ル／ヨー軸の強いカツプリング効果によつて、お
互いの姿勢擾乱が影響し合い高精度の姿勢精度を
実現することは困難である。また、高精度の姿勢
精度を実現するために１モーメンタムホイール、
２リアクシヨンホイール・コンフイギレーシヨン
のコントロールドバイアスモーメンタム方式を採
用した場合の姿勢制御ロジツクの設計は、２入力
２出力の多変数制御系設計となり、従来の１入力
１出力における設計手法では対処しきれない。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、かかる問題を改善するためのもの
である。即ち、太陽センサ使用時にはピツチバイ
アスモーメンタムをヨーレートフイードバツク信
号によつてキヤンセルし、ヨーからロールの影響
を断ち、非干渉化することによつて、ゼロモーメ
ンタム方式と同等の特性を実現する。また、太陽
センサ不使用時にはヨー信号が消えるため、ピツ
チバイアスモーメンタムによるコントロールドバ
イアスモーメンタム方式に自動的に移行する。本
装置により、ゼロモーメンタム方式とバイアスモ
ーメンタム方式との長所を組み合わせた人工衛星
の姿勢制御装置を実現するものである。

〔作 用〕

この発明におけるロール出力は、太陽センサ使
用時にはヨー角からの影響を受けないため、精度
良く制御することができる。

〔実施例〕

第１図は、この発明による人工衛星の姿勢制御
装置の一実施例を示す全体構成図である。この実
施例は、第１図から明らかなように、人工衛星の
姿勢角のうち、ロール角、ピツチ角を検出するロ
ール／ピツチ検出装置１−例えば、地球センサ
ー、及びその電子回路２と、ヨー角を検出するヨ
ー検出装置３−例えば、太陽センサー、及びその
電子回路４とから入力された信号により、人工衛
星の姿勢角、及び姿勢角の変化率を、目標の姿勢
角、及び姿勢角の変化率へ到達するように、ヨー
ホイール７、ピツチホイール９、ロールホイール
１１の回転速度を変化させるために、それぞれの
ホイールの駆動回路６，８，１０に制御信号を出
力する姿勢制御装置とによつて構成されている。

第２図は、本装置のロール／ヨー系を示すブロ
ツク図である。ロール角、ヨー角は、それぞれ地
球センサ、太陽センサによつて検出され、系にフ
イードバツクされて誤差信号を生成する。ロール
角、ヨー角誤差信号は、１２〜１５のPDゲイン
によつて補償され、１６〜１８のカツプリングフ
アクタを経過したのち、アクチユエータであるホ
イールのコマンド信号となる。ここで１２はロー
ルレートゲイン、１３はロールポジシヨンゲイ
ン、１４はヨーレートゲイン、１５はヨーポジシ
ヨンゲインである。また１６はロールレート信号
からヨーへのカツプリングフアクタ、１７はロー
ル信号からヨーへのカツプリングフアクタ、１８
はヨーレート信号からロールへのカツプリングフ
アクタである。ホイールコマンド信号によつてホ
イールが駆動されると、１９〜２２のダイナミク
スに伝わり、姿勢角ロール、ヨーが変化する。同
時に、外乱Hx、Hzがシステムに加えられる。こ
こで１９はロール慣性ダイナミクス、２２はヨー
慣性ダイナミクス、２０，２１はピツチバイアス
モーメンタムによるロール／ヨーカツプリングで
ある。

ロール／ヨー系の簡略された姿勢方程式は、次
の通りである。

Ixφ〓＋h_Bψ＝Hx−hx Izψ〓−h_Bφ＝Hz−hz 但し、Ixはロール軸慣性モーメント、Izはヨー
軸慣性モーメント、φはロール角、ψはヨー角、
hBはピツチバイアスモーメンタム、Hxは衛星に
加えられるロール外乱モーメント、Hzは衛星に
加えられるヨー外乱モーメント、hxはロールホ
イール制御モーメンタム、hzはヨーホイール制
御モーメンタムである。

上記のように構成された姿勢制御装置におい
て、ホイール制御則は、次の通りである。

ａ ヨーセンサON時 −hx＝（Kdx＋Kpx／ｓ）（φc−φ）＋γKdz（ψc− ψ） −hz＝−（αKdx＋βKpx／ｓ）（φc−φ） ＋（Kdz＋Kpz／ｓ）（ψc−ψ） ｂ ヨーセンサOFF時 −hx＝（Kdx＋Kpx／ｓ）（φc−φ） −hz＝−（αKdx＋βKpx／ｓ）（φc−φ） 但し、Kdxはロールレートゲイン、Kdzはヨー
レートゲイン、Kpxはロールポジシヨンゲイン、
Kpzはヨーポジシヨンゲイン、φcはロール角コ
マンド、ψcはヨー角コマンド、αはロールレー
ト信号からヨーへのカツプリングフアクタ、βは
ロール信号からヨーへのカツプリングフアクタ、
γはヨーレート信号からロールへのカツプリング
フアクタである。

ここで、α，β，γのカツプリングフアクタを
調整することにより、ヨーセンサ使用時にはピツ
チバイアスモーメンタムをヨーレートフイードバ
ツク信号によつてキヤンセルすることができる。
このとき、ロール／ヨー系の閉ループ方程式は、
次の通りである。

ａ ヨーセンサON時 ｂ ヨーセンサOFF時 ヨーセンサON時にヨーからロールの影響を断
ち、非干渉化した結果、ヨーセンサON時から
OFF時には勿論、OFF時からON時のヨー過渡応
答はロールに影響しない。

本装置の姿勢制御系は、ヨーセンサON時には
ゼロモーメンタム装置、ヨーセンサOFF時には
バイアスモーメンタム方式の特性を持ち、何れの
場合でも安定性の保証されている系を採用するこ
とができる。

本装置の姿勢制御系においては、ロール系は独
立に設計することができる。またヨー系は設計さ
れたロールを考慮して設計される。残された非対
角項はヨーセンサOFF時の特性により決定され
る。

第５図は、本装置の性能を確認するための数値
シミユレーシヨン例である。ヨーセンサON，
OFF、ONを10分ずつ切換え、衛星に一定外乱を
加えたときの姿勢角、ホイール駆動コマンドを示
した。本図によつて、次のことが確認される。

ロール角は常に目標値に制御される。一方、ヨ
ー角はヨーセンサON時には目標値に制御される
のに対し、ヨーセンサOFF時には誤差を生じる。
そのため、ヨーセンサON時からOFF時にヨー角
に過渡応答が発生するが、非干渉化によつてロー
ル角には影響が及ばない。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明した通り、人工衛星の姿勢
制御系において、ヨーセンサ使用時にはピツチバ
イアスモーメンタムをヨーレートフイードバツク
信号によつてキヤンセルするといつた簡単な構造
によつて、ヨーセンサON時にはゼロモーメンタ
ム装置、ヨーセンサOFF時にはバイアスモーメ
ンタム方式の特性を持たせることができ、安定な
姿勢制御系を構成することができるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第
２図はこの発明の一実施例を示すロール／ヨー系
ブロツク図、第３図は従来の人工衛星の姿勢制御
装置の１つであるゼロモーメンタム方式を示す構
成図、第４図は従来の人工衛星の姿勢制御装置の
１つであるバイアスモーメンタム方式を示す構成
図、第５図はこの発明の一実施例の性能を確認す
るためのシミユレーシヨン例である。 図において、１はロール／ピツチ検出装置、２
はロール／ピツチ電子回路、３はヨー検出装置、
４はヨー電子回路、５は姿勢制御装置、６はヨー
ホイール駆動回路、７はヨーホイール、８はピツ
チホイール駆動回路、９はピツチホイール、１０
はロールホイール駆動回路、１１はロールホイー
ル、１２はロールレートゲイン、１３はロールポ
ジシヨンゲイン、１４はヨーレートゲイン、１５
はヨーポジシヨンゲイン、１６はロールレート信
号からヨーへのカツプリングフアクタ、１７はロ
ール信号からヨーへのカツプリングフアクタ、１
８はヨーレート信号からロールへのカツプリング
フアクタ、１９はロール慣性ダイナミクス、２
０，２１はピツチバイアスモーメンタムによるロ
ール／ヨーカツプリング、２２はヨー慣性ダイナ
ミクスである。尚、図中、同一符号は同一、又は
相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 人工衛星の姿勢角を検出する地球センサ、太
   陽センサ、及びそれぞれの電子回路と、地球セン
   サ、太陽センサそれぞれの電子回路の出力信号を
   入力として、人工衛星の姿勢角、及び姿勢角変化
   率を目標の姿勢角、及び姿勢角変化率に到達させ
   るために駆動されるロールホイール、ピツチホイ
   ール、、ヨーホイールと、これら三つのホイール
   の回転速度を制御する駆動回路と、上記それぞれ
   の電子回路からのロール角、ロールレート、ピツ
   チ角、ピツチレート、ヨー角、ヨーレート信号を
   用いたPD制御を行い、ホイール駆動回路に制御
   信号を出力する姿勢制御装置とを有し、太陽セン
   サ使用時のみに姿勢制御装置を用いて、ヨーレー
   ト信号によりピツチホイールのバイアスモーメン
   タムを打消すような信号をロールホイール制御モ
   ーメンタムに与え、太陽センサ不使用時には、コ
   ントロールドバイアスモーメンタム方式に自動的
   に移行することを特徴とする人工衛星の姿勢制御
   装置。