JPH0624396A - 宇宙船姿勢制御システム、及び宇宙船軸の周りに宇宙船の姿勢を制御する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 所定の信頼性を達成しつつ、宇宙船の動作寿
命を延ばすことのできる宇宙船姿勢制御システムを提供
する。 【構成】 宇宙船は１つ以上の反動ホイール５４を用い
た姿勢制御システムを含んでおり、反動ホイール５４の
速度は刻々とゼロ角速度近くになって通過する。低い速
度で長い期間動作すると、潤滑膜はホイールベアリング
５５上に均一に分布されず、寿命が短くなる。信頼性は
ホイール速度を下側制限値と比較するように接続されて
いるしきい値比較器６４によって達成され、ホイール速
度が下側制限値以下に低下したときに、ホイール速度を
上昇させるように宇宙船本体に接続されているトルク発
生器９０を動作させる。本発明の特定の実施例では、下
側制限値はホイールの超過速度アンローディングと一体
化されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、宇宙船姿勢制御システ
ムに関し、更に詳しくは、反動ホイールアセンブリを用
いたこのような姿勢制御システムに関する。尚、合衆国
政府は、空軍省の契約番号Ｆ０４７０１−８９−Ｃ−０
０７３に基づき、本発明における権利を有する。

【０００２】

【従来の技術】宇宙船制御は、静止宇宙船の場合、ステ
ーションキーピングとして知られている宇宙船の位置に
関連すると共に、ある他の天体に対して宇宙船の種々の
面の方向を設定する姿勢制御を含んでいる。宇宙船の位
置の制御は、宇宙船を全体としてある所望の方向に加速
することを必要とし、これは推進エンジン（スラスタ）
を用いて、反対方向に物質を射出することにより達成さ
れる。姿勢制御は、宇宙船に適当な方向のトルクを加え
ることが必要である。

【０００３】トルクを発生するために宇宙船の種々の位
置において推進エンジンから物質を射出することによ
り、宇宙船にトルクが加えられる。これは、例えば電気
的推論（アーギュメンテイション）を用いたり又は用い
ることなく、推進剤又は一元推進剤化学推進エンジンに
よって達成される。このような推進エンジンは、射出物
質又は推進剤の供給が低減し、これにより、姿勢制御を
操縦できなくなるという大きな欠点を有している。化学
推進エンジンは又、細かい姿勢制御操縦を達成するよう
に調整することが困難であるという欠点を有している。
姿勢制御のために宇宙船にトルクを発生させる他の方法
は、宇宙船に結合された磁気コイルを用いるものであ
り、この磁気コイルは付勢されると、地球磁場に相互作
用する磁場を形成してトルクを発生する。磁気トルク発
生器は電気によって付勢される利点を有しており、この
電気は、太陽電池板（パネル）を具備している宇宙船に
おいては回復可能なリソースである。しかしながら、磁
気トルクの発生は、トルクの発生がコイルに流れる電流
のみならず、場所と時間とによって変化している地球の
磁場に依存し、正確に制御することが困難であるという
欠点を有している。磁気トルクの発生は又、比較的小さ
なレベルのトルクを発生し、これらのレベルのトルク
は、アンテナ若しくはセンサの位置を変えたり、又は過
渡的な外乱から回復するために必要な迅速な転回には適
していない。

【０００４】宇宙船のトルクの発生は又、反動ホイール
又は運動量ホイールによってもたらすことができ、これ
らのホイールの慣性は、ホイールが加速されたときに本
体トルクを発生するように反作用（反動）する。一般に
「反動」ホイールは、ホイールをいずれかの方向に回転
させる加速によりトルクを発生し、運動量ホイールが比
較的高い角速度に「バイアス」されるのに対して、ある
時点においてゼロの角速度を通過し、一方向の回転を維
持しながら、必要に応じて加速及び減速される。このよ
うなホイールは正確に制御でき、電気的に動作すること
ができるという利点を有している。十分なトルク発生作
用を有するために、ホイールはかなりの質量、大きさを
有していなければならないし、又は大きな角速度を有す
ることが可能でなければならない。宇宙船における重量
上の制約のために、ホイールの質量を最小にすることが
好ましい。質量又はホイールの直径を小さくすることに
より慣性が小さくなり、適当な宇宙船トルク発生用に必
要な角速度が増大する。宇宙船の任務により、種々のパ
ラメータ間で妥協が必要である。運動量ホイールと反動
ホイールとの間におけるように、反動ホイールは、ステ
ットソンジュニア（Stetson, Jr.）の名義で１９９１年
６月４日に発行された米国特許番号第５０２０７４５号
に記載されているように、ゼロの角速度において、及び
その近くにおいて発生するベアリング摩擦作用により姿
勢エラーを受け易い。例えば、グッドツァイト等（Good
zeit et al）の名義で１９９１年７月１９日に出願され
た同時係属米国特許出願番号第０７／７３２９６３号に
記載されているように、反動ホイールの摩擦作用を補正
するための種々の方法が考え出されている。運動量ホイ
ールは、ホイールベアリングが反動ホイールにおけるベ
アリングよりも信頼性が高い傾向があるという利点を有
している。これはベアリングの急速動作によるベアリン
グ表面上の連続した潤滑膜の保守（メインテナンス）か
らの結果から信じられていることである。運動量ホイー
ルは又、ホイールがゼロの角速度に決してならないよう
にホイール速度をバイアスすることにより、低い速度に
おけるベアリング摩擦の問題を回避している。しかしな
がら、これは反動ホイールに比較して、潜在的な制御範
囲を低減している。これは、反動ホイールが正及び負の
両方の角速度に加速されるからであり、これに対して、
運動量ホイールは正及び負の両方の速度を有することは
できない。

【０００５】反動ホイール又は運動量ホイールが姿勢制
御用に用いられる場合には、ホイール速度を連続的で平
均的に永続して増大又は低減させることが制御要件とな
ることがわかっている。これは、衛星が軌道によって地
球の周りを回転する場合に、地球に向かっている面を維
持するために２４時間ごとに完全な一回転を行わなけれ
ばならない地球に面している静止通信衛星を考慮するこ
とにより、最も容易に理解される。宇宙船本体のこの遅
い連続した回転を行うために必要なトルクは、軌道面に
垂直な軸を有しているホイールを連続的に加速又は減速
することにより得られる。ホイール速度は無制限に増大
し続けることはできない。これは遠心力作用によって崩
壊を生じるからである。運動量ホイールの場合、その速
度がゼロの角速度に低減することは許され得ない。この
結果、ホイールの「アンローディング」として知られて
いる手順が適用され、これにより、推進エンジン又は磁
気トルク発生器は比較的短期間付勢され、宇宙船の本体
に適用された場合に、ホイールの速度を公称値に戻すこ
とができるトルクを発生する。磁気トルク発生器を用い
たこのような方法は、例えばリンダ等（Linder et al）
の名義で１９９０年３月５日に出願され、許可された米
国特許番号第５１２３６１７号（米国特許出願番号第０
７／４８８９１９号）に記載されている。

【０００６】衛星の非常に大きな資本価格及び衛星を軌
道に設定する非常に大きな資本価格は、宇宙船の動作寿
命の間に適当な経済的帰還を達成するように、宇宙船の
予想寿命が可能な限り長いことを要求している。このた
めに、宇宙船の質量は最小にされ、推進エンジン用の最
大量の消費される推進剤が軌道に持ち込まれ、宇宙船及
びそのペイロードの両方に種々の冗長な装置を設け、単
一の故障によって任務が失敗しないことを保証してい
る。これらの冗長な装置には、宇宙船の姿勢制御に必要
な最小の数を超えた多数の反動ホイール又は運動量ホイ
ールが用いられている。例えば、３軸安定化宇宙船にお
いては、３軸制御に必要なホイールの最小数は３つであ
り、ホイールは各制御軸に沿って１つずつ設けられてい
る。しかしながら、１つのホイールの故障の可能性を考
慮して、相互にずらされた軸を有している４つ以上のホ
イールが設けられている。このような方法は、冗長性を
有していると共に、いずれか１つのホイールを加速制御
する場合に、２つ以上の主軸の周りに宇宙船本体のトル
クが発生するというように制御システムの複雑さを実質
的に増大させている。又、４つ以上のホイールが３軸制
御に用いられる場合には、ホイールに供給される電気エ
ネルギの量は制御に必要な最小値を超える。４つ以上の
ホイールを含んでいるシステムにおいてホイール速度を
制御し、電力を最小化する方法は、グッドツァイト等
（Goodzeit et al）の名義で１９９１年１０月２２日に
発行された米国特許番号第５０５８８３５号に記載され
ている。

【０００７】

【発明の概要】本発明による宇宙船姿勢制御システム
は、ホイールトルク指令信号の制御の下で少なくとも１
つの軸の周りにトルクを発生する反動ホイールを含んで
いる。ホイール速度を表す信号は、潤滑膜が維持される
範囲内に速度があるかどうか、又は潤滑が有効でないレ
ベルに速度が低下したかどうかを示すように、少なくと
も１つのしきい値と比較される。ホイール速度が高い場
合には、ホイールトルク指令信号を発生する通常の姿勢
制御システムは、通常の方法で動作し続ける。ホイール
速度がしきい値レベル以下に低下した場合には、しきい
値レベルよりも大きいレベルにホイール速度を増大し得
るトルクを発生するように、宇宙船本体に接続されてい
るトルク発生器が付勢される。本発明の特定の実施例で
は、磁気トルクを表す信号は、ホイールトルク指令を変
更すべく、ホイール制御信号から減算され、これによ
り、ホイールを加速しながら姿勢エラーを低減する。本
発明の他の実施例では、トルク発生器は磁気トルク発生
器であり、局所的な地球磁場が検知されるか、又は磁場
モデルから得られる。

【０００８】

【実施例の記載】図１において、全体的に参照番号８で
示されている宇宙船は、地球のような天体１０の周りを
周回している。宇宙船８は本体１２と、関連するｘ、ｙ
及びｚ軸１４、１６及び１８とを含んでいる。ｘ及びｙ
軸は軌道面内に存在しており、ｘ軸は天体１０に向けら
れており、ｚ軸は軌道面に対して垂直になっている。参
照番号２０で示されている地球センサは、ｘ軸にほぼ平
行な視軸２１を有しており、宇宙船のロール（ｙ軸の周
りの回転）及びピッチ（ｚ軸の周りの回転）に関する情
報を提供する。３組の相互に直交しているトルク発生コ
イル２２、２４及び２６が、宇宙船の本体１２に取り付
けられている。地球検知装置２０、コイル２２、２４及
び２６、並びに宇宙船８及びそのペイロードに関連する
他の電気装置に対する電力は、参照番号２８ａ及び２８
ｂとして示されている一対の太陽電池板によって供給さ
れている。磁力計３０が局所的な磁場を検知するように
宇宙船８に接続されており、指向性アンテナ３２によっ
て部分的に示されているペイロードが宇宙船に設けられ
ている。明確に図示されていないが、宇宙船８は少なく
とも１つの反動ホイールを含んでいる。

【０００９】図２は本発明による単軸姿勢制御システム
の概略ブロック図であり、この単軸姿勢制御システム
は、１軸の周りにおける図１の宇宙船８の姿勢を制御す
るために用いられている。図２において、図１の構成要
素に対応する構成要素は、同じ参照番号で示されてい
る。図２において、地球検知アセンブリ（ＥＳＡ）２０
は、宇宙船から見た場合の地球の上側及び下側地平線を
表す信号を発生し、この信号はブロック４０として示さ
れているエラー信号発生器に印加される。このようなＥ
ＳＡについての説明は、パルスツェック（Paluszek）の
名義で１９９２年４月２１日に発行された米国特許番号
第５１０７４３４号に記載されている。エラー信号発生
器４０は、地平線信号がＥＳＡ２０に関連する視軸２１
を中心として存在しているかどうかを決定し、エラー信
号をデータパス４２上に発生して、ブロック４４として
示されているホイールコントローラに印加する。ホイー
ルコントローラ４４は図２に示すように、比例積分微分
（ＰＩＤ）制御回路４６を含んでおり、ＰＩＤ制御回路
４６はエラー信号を受信すると共に、周知の方法で比
例、積分及び微分成分を含んでいる制御信号をデータパ
ス４８上に発生する。データパス４８上のＰＩＤ信号
は、加算回路５０の非反転（＋）入力ポートに印加され
る。加算回路５０の反転（−）入力ポートに印加される
信号がない場合には（更に適切には、信号がゼロである
場合には）、ＰＩＤ信号は変更されずに加算回路５０を
通過して、データパス５２上にホイールトルク指令信号
として現れ、参照番号５４で示す反動ホイールを制御す
るために印加される。反動ホイール５４は、本体１２内
に配置されていると共に、１つ以上のベアリング５５に
よって支持されており、その軸は少なくともｙ軸１６に
平行である。従って、ホイール５４を加速又は減速する
と、ｙ軸の周りにトルクが発生するが、これがロールト
ルクである。

【００１０】反動ホイール５４の角速度が長期間にわた
って低い値に維持されているときには、反動ベアリング
５５に関連している潤滑膜（図示せず）が破れ易くなっ
たり、又は少なくとも均一な方法でベアリング面全体に
わたって分布されず、この結果、摩耗が増大して、早期
の故障が発生したり、又は摩擦が増大するおそれがある
と共に又、これは結果として、ある条件下で姿勢エラー
を発生する。これは、以下に説明するように、ホイール
の速度を増大すべく本体トルク発生器を動作させるベア
リング保護システムによって、本発明により補正され
る。ベアリング保護システムは、ＰＩＤ姿勢制御ループ
又はシステムが姿勢エラーをゼロにしている間に、ホイ
ール運動量を維持する。

【００１１】図２のホイール速度センサ、即ちタコメー
タ５６が反動ホイール５４に接続されており、データパ
ス５８上にホイール速度を表す信号を発生する。ホイー
ル速度情報は回転情報の極性、即ち方向を含んでいる。
ホイール速度信号は運動量エラー信号発生器６０に印加
され、運動量エラー信号発生器６０は、ホイール速度に
ホイールの慣性評価値を掛けることにより、ホイール速
度を等価運動量に変換する。運動量エラー信号は、全運
動量（宇宙船の本体の運動量と、軸の周りの反動ホイー
ルの運動量との和）と、所望の運動量レベルとの間の差
であるので、「エラー」と呼ばれる。本体の運動量は、
軸の周りの本体の慣性評価値に本体の角速度の評価値又
は測定値を掛けた積である。実際の本体速度はジャイロ
スコープ又は地球センサから得られ、評価本体速度は評
価装置から得られる。どのようにして得られたとして
も、運動量エラー信号発生器６０はデータパス６２上に
運動量エラー信号を発生し、運動量エラー信号はデータ
パス６２から、しきい値比較器６４及びトルク指令信号
発生器６８に印加される。しきい値比較器６４は、デー
タパス６２から印加された絶対運動量エラー信号を、ホ
イールが有するべき最小の運動量又は速度を表す下側し
きい値と比較すると共に、印加された絶対運動量エラー
信号を最大許容速度を表す上側の値と比較する。ホイー
ル速度は２つの極性を有している３つの異なる形態、即
ちモードの１つを有している。例えば、ホイール速度
は、絶対運動量が下側しきい値の下側にあるか、上側し
きい値と下側しきい値との間にあるか、又は上側しきい
値を超えているかであり、これは、いずれの回転方向に
おいても発生する。モード情報はデータパス６６上に出
力されて、トルク指令信号発生器６８に印加される。

【００１２】トルク指令信号発生器６８は、データパス
６６からモード信号を受信すると共に、データパス６２
から運動量エラー信号（大きさ及び極性）を受信して、
これらの信号を処理する。ホイール運動量がモード信号
によって示されるように上側しきい値と下側しきい値と
の間にある場合には、トルク指令信号発生器６８は磁気
トルク指令を発生せず、磁気トルクは出力されない。従
って、ホイール速度があまり高くもなく、あまり低くも
ないときには、他の動作は発生せず、通常の姿勢制御が
継続する。ホイール速度が上側しきい値よりも高く、
「アンローディング」方法でホイール速度を低下させる
必要を示しているときには、トルク指令信号発生器６８
は、データパス７４上に磁気トルク発生指令信号を出力
して、磁気トルク発生器９０に印加するが、この場合の
大きさは、運動量エラー信号の大きさに関連しており、
好ましくは運動量エラー信号発生器６０からトルク指令
信号発生器６８に出力された運動量エラー信号に比例
し、ホイール５４の速度を減少させようとする本体トル
クを生じる極性を有している。

【００１３】トルク指令信号発生器６８が所望の値の磁
気トルクを指令するためには、トルク発生器９０の磁場
が相互作用する局所的な地球磁場を表す情報を有してい
なければならない。このために、磁力計３０がデータパ
ス７２上に局所的な地球磁場を表す信号を発生し、これ
らの信号をデータパス７２を介してトルク指令信号発生
器６８に印加する。局所的な地球磁場についての情報を
利用することにより、所望のトルクの大きさが必要な平
均電流に変換され、磁気トルク発生器９０に印加するこ
とが可能になる。この平均電流は、一定の大きさの電流
のパルス時間変調によりしばしば達成される。地球磁場
を直接検知する磁力計３０を用いる代わりとしては、ブ
ロック７６として示されている磁場モデルを用いて、宇
宙船の軌道位置に基づいて地球磁場の評価値を発生する
ことである。

【００１４】上述した図２の装置の動作では、ＥＳＡ２
０は地平線を走査して、信号を発生する。これらの信号
は組み合わせられて宇宙船のロール姿勢を表すものであ
る。エラー信号発生器４０はこれらの信号を解釈して、
エラー信号を発生する。このエラー信号は制御器４６に
おいて制御法則により処理されて、ホイール５４に印加
される。ホイール速度信号が運動量エラー信号発生器６
０に印加され、運動量エラー信号発生器６０は、振幅及
び方向を示す信号を発生して、しきい値比較器６４及び
トルク指令信号発生器６８に印加する。しきい値比較器
６４は、ホイール速度又は運動量を両極性の上側及び下
側しきい値と比較して、モード信号を発生する。ホイー
ル速度が適度な運動量を表しているときには、トルク指
令信号発生器６８は動作せず、ホイール速度がしきい値
の上側又は下側にあるときには、トルク指令信号発生器
６８は、姿勢を十分に変更すべく宇宙船にトルクを発生
させるように、磁気トルク発生器９０用の適当な磁気ト
ルク指令信号を発生し、ＥＳＡ２０、エラー信号発生器
４０及び制御器４６は、ホイール速度を所望の範囲に向
けて変更する。

【００１５】しきい値処理を実施する前にホイール速度
を運動量エラーに変換することを実施する必要はない
が、ホイール速度よりも運動量が制御されているので、
そのようにする（しきい値処理を実施する前にホイール
速度を運動量エラーに変換する）ことが都合がよいとい
うことに注意されたい。上述したように、ベアリング保
護システムは宇宙船にトルクを発生させ、ベアリングに
適度な潤滑を与えるように選択された速度よりも高く、
飽和速度よりも低い範囲内に反動ホイール速度を維持し
ている。ホイール速度を所望の範囲内に維持するために
は、小さな姿勢エラーを生じる場合でさえも好ましくは
ない。磁気トルクを表すフィードフォワード信号がトル
ク指令信号発生器６８によって出力され、点線８２で示
すデータパスを介して加算回路５０の反転入力ポートに
印加される。磁気トルクを表す信号は加算回路５０にお
いて、制御器４６から出力されたデータパス４８上のＰ
ＩＤ信号から減算される。実際に指令信号は、ちょうど
宇宙船の姿勢がシフトしたかのようにホイールに印加さ
れるが、実際のシフトは発生していない。データパス８
２上に印加される磁気トルク信号を考察する他の見方
は、磁気トルク信号が、先んじた警告を有するＰＩＤル
ープを形成し、磁気トルクの供給を予想することであ
る。データパス８２と加算回路５０とを有している図２
の構成において、磁気トルク発生器９０がオンされたと
きに、信号がデータパス８２を介して加算回路５０に印
加され、磁気トルク発生器９０によって供給されるトル
クを打ち消す変化がホイール５４の速度に生じる。こう
して、ホイール速度は姿勢エラーなく、公称値により近
くなるようにされる。勿論、加算回路５０においてＰＩ
Ｄ信号から減算された磁気トルク評価値が実際の磁気ト
ルクを正しく表していない場合には、いくらかの姿勢エ
ラーが残るが、この残ったエラーは、ＰＩＤ制御チャン
ネルによって補正される。

【００１６】図３（Ａ）はしきい値比較を実施すると共
に、ベアリング保護エラー信号ＢＰ _ERR を決定するロジ
ックを示す概略フローチャートである。図３（Ａ）にお
いて、ロジックはスタートブロック３１０で開始し、ブ
ロック３１２に進み、ブロック３１２で、ホイール速度
変数ＷＳが現在のホイール速度に等しく設定されると共
に、本体速度変数ＷＢが現在の本体角速度に等しく設定
される。ロジックはブロック３１４に進み、ブロック３
１４でホイール運動量と本体運動量とを加算することに
より、全体の運動量エラーＨ_ERR が決定される。ここ
で、ホイール運動量はＷＳにホイール慣性Ｉ_W を掛ける
ことにより決定され、本体運動量はＷＢに本体の慣性Ｉ
Ｂを掛けた積である。次いで、ロジックは判定ブロック
３１６に進み、Ｈ_ERR の絶対値の大きさが下側のしきい
値Ｈ_LOW より小さいか又は等しいか（≦）を判定する。
運動量エラー信号の絶対値の大きさがしきい値よりも大
きい場合には、ホイール速度は滑らかさを維持するため
に十分であると考えられ、処理は要求されず、ロジック
は判定ブロック３１６のＮＯの出力を通って、次の判定
ブロック３１８に進み、判定ブロック３１８で、Ｈ_ERR
の絶対値の大きさが上側しきい値Ｈ_IGH と比較される。
ホイール速度が高い制限値と考えられるレベル以下であ
る場合には、ロジックは判定ブロック３１８からＮＯの
出力を通って出て、ロジックパス３６６ａを通ってロジ
ックブロック３２４に進み、ロジックブロック３２４
で、ベアリング保護の現在の値、即ちモード信号ＢＰ
_ERR がゼロに等しく設定される。次いで、ロジックはロ
ジックパス３２６を通ってブロック３１２に戻り、処理
が繰り返される。

【００１７】ホイール速度が所望の最大ホイール速度よ
りも大きい場合には、ロジックは図３（Ａ）の判定ブロ
ック３１８からＹＥＳの出力を通って出て、ロジックパ
ス３６６ｂを経由してロジックブロック３２２に進み、
ロジックブロック３２２で、ベアリング保護エラー信号
ＢＰ_ERR をブロック３１４で決定したＨ_ERR の現在の大
きさに設定する。次いで、ロジックはブロック３２２か
らパス３２６上に進み、ブロック３１２に戻る。ＢＰ
_ERR の現在の値がブロック３２２で設定されたときに
は、ＢＰ_ERR の大きさは、所望の最大ホイール速度以上
のホイール速度における運動量を表しているので、可能
な最大値近くになることに注意されたい。ＢＰ_ERR の大
きさは補正トルクの大きさを設定するために後で用いら
れるので、補正トルクは最大値であるか又は最大値の近
くになる。

【００１８】適切な潤滑膜がベアリングに維持される最
低速度以下にホイール速度がある場合には、図３（Ａ）
のロジック図におけるロジックの流れは、ＹＥＳのパス
及びロジックパス３６６ｃを通ってブロック３１６から
出て、ブロック３２０に至る。ブロック３２０は、変数
ＢＰ_ERR を負のＨ_ERR （−Ｈ_ERR ）に等しくなるように
設定することを表しており、次いでロジックは、パス３
２６を通ってブロック３１２に戻る。ホイール速度がゼ
ロ近くにあるときには、ＢＰ_ERR はゼロ近くになること
に注意されたい。この結果、宇宙船の本体に極めて小さ
な値のトルクが加えられることになり、ホイール速度は
最小の速度に向かってゆっくりと補正される結果にな
る。図３（Ａ）のロジックパス３６６ａ、３６６ｂ及び
３６６ｃは共に、図２のパス６６に対応するように考え
られ、３つのパス３６６の１つにおけるロジックの流れ
は、モード信号の状態に対応している。

【００１９】図３（Ｂ）は図３（Ａ）のブロック３２０
の代わりのロジックの流れを示している。図３（Ｂ）に
おいて、図３（Ａ）に対応する部分は同じ参照番号で示
されている。図３（Ｂ）のロジックの流れにおいて、ロ
ジックはロジックパス３６６ｃからブロック３３８に進
む。ブロック３３８はブロック３４０から最小の運動量
Ｈ_MIN を表す記憶された信号を受け取る。ブロック３３
８では、運動量エラーしきい値に対する運動量エラーの
正規化された値Ｎが決定される。ロジックがこのパスに
あるときに運動量エラーはしきい値よりも小さいことが
知られているので、Ｎの値は常に１より小さい。ロジッ
クはブロック３３８からブロック３４２に進み、ブロッ
ク３４２で、差の値Δが値（１−Ｎ）として計算され
る。この値は、ホイール速度がゼロ近くにあるときには
比較的大きく、ホイール速度が最小速度よりも小さいが
全く最小速度ではないときには比較的小さい。ロジック
ブロック３４２から、ロジックは他のブロック３４４に
進み、ブロック３４４でベアリング保護エラー信号ＢＰ
_ERR は、Δに最小運動量Ｈ_MIN を掛けた積に等しく設定
される。そして、補正信号ＢＰ_ERR の大きさはホイール
速度又は運動量が小さくなるにつれて大きくなり、これ
により、更に迅速に補正を行うことができる。

【００２０】図４は図２のトルク指令信号発生器６８に
関連するロジックの流れを示す概略フローチャートであ
る。図４において、ロジックはスタートブロック４１０
から開始して、ブロック４１２に進み、変数Ｂを図２の
磁力計３０又は磁場モデル７６によって設定されるよう
に現在の地球磁場に等しく設定する。図４のブロック４
１２から、ロジックはブロック４１４に進み、ブロック
４１４はＢと磁気トルク発生双極子Ｍとの外積を計算
し、この外積をＢ×Ｍの大きさで割り算して、単位化さ
れた磁気トルクＭＢを算出することを示している。ブロ
ック４１６は、単位化された磁気トルクにベアリング保
護エラー信号の現在値ＢＰ_ERR を掛けたドット積（点乗
積）として磁気トルク発生要求ＤＨを決定することを示
している。ブロック４１８は、図２の磁気トルク発生器
又はコイル９０が標準の電流で付勢されるオン時間のデ
ューティサイクル又はパルス幅を決定することを示して
いる。パルス幅ＰＣはトルク発生要求ＤＨに比例利得Ｇ
を掛けたドット積の絶対値であり、これは、パルス幅
と、コイル温度及びシステムのバッテリ電圧等に依存す
るその結果の電流との間の変換を表している。ロジック
ブロック４１８から、ロジックは磁気トルク発生器の動
作を表しているブロック４２２に進み、又、ロジックパ
ス４２０を通ってブロック４１２に戻り、これにより、
磁気トルク発生器の動作を連続的に制御する閉ループを
形成している。ＢＰ_ERR がゼロに設定されている期間の
間、図４のブロック４１６で設定されたトルク発生要求
はゼロに等しくなり、又、ブロック４１８で決定された
対応するパルス幅ＰＣもゼロになり、その結果、磁気ト
ルク発生器の電流は流れないことに注意されたい。

【００２１】図５（Ａ）は反動ホイールベアリング保護
システムがない場合の図２におけるようなシュミレート
されたシステムの時間に対する反動ホイール角速度を示
す図であり、図５（Ｂ）は図３（Ａ）の変形例を有して
いる図２の完全なシステムのシュミレーションの結果を
表している。図５（Ａ）において、曲線５１０はゼロの
角速度近くにある時刻Ｔ６とＴ８との間、Ｔ１０〜Ｔ１
２の間、及びＴ１４〜Ｔ１６の間の範囲にわたった期間
では、毎秒±６．５ラジアンの間に存在する範囲内に大
部分入っている。これに対して、図５（Ｂ）のシュミレ
ーション曲線５１２は、ゼロの角速度に近い変位を時々
有しているのみである。

【００２２】本発明の他の実施例については、当業者に
は明らかであろう。例えば、本体トルクを発生する磁気
トルク発生器が記載されているが、化学的な反動推進エ
ンジンのような他のトルク発生装置を用いることもでき
る。本発明は、地球静止軌道以外の軌道の宇宙船にも用
いることができる。磁場検知装置は望ましいものである
が、絶対に必要なものではない。コントローラはＰＩＤ
以外の例えばＰＩ（比例積分）のような制御法則を用い
ることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】天体の周囲を軌道を描いて回る宇宙船の概略斜
視図である。

【図２】図１の宇宙船に用いられる本発明による１軸姿
勢コントローラの概略ブロック図である。

【図３】図３（Ａ）は図２の構成の一部のロジックフロ
ーを示す概略フローチャートであり、図３（Ｂ）は図３
（Ａ）のロジックフローの一部の代わりのフローを示す
図である。

【図４】図２の構成の他の部分のロジックフローを示す
概略フローチャートである。

【図５】図５（Ａ）及び図５（Ｂ）はそれぞれ本発明を
適用する場合及び本発明を適用しない場合における姿勢
制御システムの反動ホイール角速度のシュミレーション
のグラフを示す図である。

【符号の説明】

８ 宇宙船 １２ 宇宙船本体 ２０ 地球センサ ２２、２４、２６ トルク発生コイル ３０ 磁力計 ４０ エラー信号発生装置 ４４ ホイールコントローラ ４６ ＰＩＤ制御回路 ５０ 加算回路 ５４ 反動ホイール ５５ ベアリング ５６ ホイール速度センサ ６０ 運動量エラー信号発生器 ６４ しきい値比較器 ６８ トルク指令信号発生器 ９０ 磁気トルク発生器

フロントページの続き (72)発明者 ネイル・エヴァン・グッドツァイト アメリカ合衆国、ニュージャージ州、イー スト・ウィンザー、ダッチ・ネック・ロー ド、409番 (72)発明者 マイケル・アダム・パルスツェック アメリカ合衆国、ニュージャージ州、ロー レンスヴィル、カーヴァ・プレイス、シー ２（番地なし)

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 宇宙船本体と、 該本体に接続されており、本体トルク指令信号の制御の
   下で前記本体にトルクを発生させるトルク発生手段と前
   記本体に接続されており、ホイールトルク指令信号の制
   御の下で前記本体にトルクを発生させるように軸の周り
   に回転し、ベアリングの適当な潤滑を維持するように最
   小の角速度以上で好ましくは動作する反動ホイール手段
   と、 該反動ホイール手段に接続されており、該反動ホイール
   の速度に応じて速度信号を発生する反動ホイール速度検
   知手段と、 前記本体に接続されており、前記軸の周りの前記宇宙船
   の検知された姿勢を決定する検知手段と、 該検知手段に接続されており、前記検知された姿勢を所
   望の姿勢と比較すると共に、その差に応じたエラー信号
   を発生するエラー信号発生手段と、 該エラー検知手段と前記反動ホイール手段とに接続され
   ており、前記エラー信号を処理して、前記ホイールトル
   ク指令信号を発生し、前記ホイールトルク指令信号を前
   記反動ホイール手段に供給するホイール制御手段と、 前記速度検知手段に接続されており、前記速度信号を少
   なくとも１つの制限値と比較し、該制限値に対する少な
   くとも前記速度信号の状態を表す比較信号を発生するし
   きい値比較手段と、 該しきい値比較手段と前記トルク発生手段とに接続され
   ており、前記反動ホイール手段が高速度状態を維持する
   のに資する本体トルクを発生するように、前記比較信号
   に応じて前記本体トルク指令信号を発生するトルク発生
   指令信号発生手段とを備えた宇宙船姿勢制御システム。
2. 【請求項２】 前記トルク発生手段は、磁気トルク発生
   手段を含んでいる請求項１に記載のシステム。
3. 【請求項３】 局所的な磁場を表す信号を発生する局所
   磁場決定手段を更に含んでおり、 前記磁気トルク発生手段は、複数の相互にずらされた磁
   気トルク発生器を含んでおり、 前記トルク発生指令信号発生手段は、 前記ずらされたトルク発生器の各々と前記局所磁場決定
   手段とに接続されており、前記トルク発生指令信号によ
   り要求されるトルクを前記トルク発生器に分配する磁気
   トルク発生分配手段を含んでいる請求項２に記載のシス
   テム。
4. 【請求項４】 前記検知手段は、地球検知手段を含んで
   いる請求項１に記載のシステム。
5. 【請求項５】 前記ホイール制御手段は、 少なくとも比例及び積分成分を含んでいると共に前記エ
   ラー信号発生手段に接続されており、比例積分信号を発
   生する制御法則処理手段と、 該制御法則処理手段に接続されている非反転入力ポート
   と、前記軸の周りの指令された磁気トルクを表す磁気ト
   ルク信号を受け取るように接続されている反転入力ポー
   トとを含んでおり、前記ホイールトルク指令信号を発生
   すべく、前記比例積分信号と前記指令された磁気トルク
   との間の差をとる加算回路とを備えており、 前記トルク指令信号発生器は、前記磁気トルク信号を発
   生する手段を含んでいる請求項１に記載のシステム。
6. 【請求項６】 前記速度検知手段は、 運動量エラーを表す前記速度信号に前記反動ホイールの
   慣性を掛けるように接続されている運動量エラー信号発
   生手段を含んでおり、 前記しきい値比較手段は、前記比較信号を発生すべく、
   前記運動量エラーを表す速度信号を運動量制限値と比較
   している請求項１に記載のシステム。
7. 【請求項７】 前記しきい値比較手段は、下側制限値と
   しての前記制限値と、前記下側制限値の大きさよりも大
   きい前記速度信号の大きさにおいて上側制限値とを含ん
   でいると共に、前記上側及び下側制限値に対する前記速
   度信号の状態を表す前記比較信号を発生しており、 前記トルク発生指令信号発生手段は、前記速度信号が前
   記下側制限値以下であるときに前記ホイールの前記速度
   を増大させると共に前記速度信号が前記上側制限値以上
   であるときに前記ホイールの前記速度を低減させるよう
   な大きさ及び極性で前記本体トルク指令信号を発生すべ
   く、前記比較信号に応答する手段を含んでいる請求項１
   に記載のシステム。
8. 【請求項８】 宇宙船軸の周りに宇宙船の姿勢を制御す
   る方法であって、 姿勢信号を発生すべく、前記軸の周りの宇宙船の姿勢を
   検知し、 所望の姿勢に対する前記宇宙船の姿勢の偏差を表すエラ
   ー信号を発生すべく、前記姿勢信号を処理し、 比例積分信号を発生すべく、少なくとも比例及び積分成
   分を含んでいる制御法則により前記エラー信号を処理
   し、 ホイールトルク指令信号の制御の下で前記宇宙船の軸に
   少なくとも平行である軸の周りで反動ホイールを回転さ
   せ、 前記比例積分信号を前記反動ホイールに印加される前記
   ホイールトルク指令信号に変換し、 前記反動ホイールの速度に比例する速度信号を発生すべ
   く、前記反動ホイールの速度を検知し、 しきい値の少なくとも上側及び下側のホイール速度を示
   すモード信号を発生すべく、前記速度信号を速度の前記
   しきい値と比較し、 前記ホイール速度が前記しきい値以下であることを前記
   モード信号が示しているときに、前記ホイール以外の他
   の手段により前記宇宙船の軸の周りに前記反動ホイール
   の速度が増大するような極性の前記宇宙船のトルクを発
   生する工程を備えている、宇宙船軸の周りに宇宙船の姿
   勢を制御する方法。
9. 【請求項９】 前記トルクを発生する工程は、前記速度
   信号の大きさに比例して前記トルクを発生する工程を含
   んでいる請求項８に記載の方法。
10. 【請求項１０】 前記速度を検知する前記工程は、 前記反動ホイールの角速度を表す信号を発生し、 前記速度信号を発生すべく、前記角速度を表す信号に前
    記反動ホイールの慣性を表す信号を掛ける工程を含んで
    いる請求項８に記載の方法。
11. 【請求項１１】 前記ホイール以外の前記他の手段によ
    り発生される前記軸の周りにおける前記宇宙船の前記ト
    ルクを表す補助信号を発生する工程を更に含んでおり、 前記変換工程は、 前記ホイールトルク指令信号を発生すべく、前記比例積
    分信号から前記補助トルク信号を減算する工程を含んで
    いる請求項８に記載の方法。
12. 【請求項１２】 前記ホイール以外の他の手段によりト
    ルクを発生する前記工程は、磁気トルクを発生する工程
    を含んでいる請求項８に記載の方法。
13. 【請求項１３】 磁気トルクを発生する前記工程は、局
    所的な地球磁場を測定する工程を含んでいる請求項１２
    に記載の方法。