JPH0764318B2 - 人工衛星の姿勢制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は人工衛星に搭載する姿勢制御装置に関するも
のであり，さらに詳しくは人工衛星のヨー軸の姿勢制御
を簡単にかつ精度良く実施するようにした人工衛星の姿
勢制御装置を提供するものである。

〔従来技術〕

人工衛星搭載制御機器の三軸制御方式としては，ピツチ
軸に取付けたモーメンタムホイールで制御するバイアス
モーメンタム方式，ピツチ軸に取付けたモーメンタムホ
イールとヨー軸に取付けたリアクシヨンホイールとで制
御するコントロールドバイアスモーメンタム方式，ロー
ル，ピツチ及びヨー軸の各々に取付けたリアクシヨンホ
イールにより制御するゼロモーメンタム方式の三つの方
式が一般的である。バイアスモーメンタム方式は，簡単
で小型軽量であるが，ロール及びヨー姿勢制御精度向上
が難しいという欠点がある。ゼロモーメンタム方式は三
軸とも高精度化が可能であるが，複雑で小型軽量化が難
しく高価となる欠点がある。コントロールドバイアスモ
ーメンタム方式は，上記２方式の中間的なハードウエア
規模の方式であり，ヨー姿勢制御精度向上が難しいとい
う欠点がある。

第２図は，従来のコントロールドバイアスモーメンタム
方式の姿勢制御装置の一例である。図において，(1)は
地球センサ，(2)はピツチコントローラ，(3)はモーメン
タムホイール，(4)はロールコントローラ，(5)はリアク
シヨンホイールである。ピツチ軸の姿勢制御は，地球セ
ンサ(1)のピツチ姿勢角信号を使用してピツチコントロ
ーラ(2)により制御演算を実施し，その結果をモーメン
タムホイール(3)に制御信号として供給し，衛星をピツ
チ軸回りに回転させ，誤差修正することにより行なう。
ロール軸の姿勢制御はピツチ軸と同様に，地球センサ
(1)のロール姿勢角信号を使用して，ロールコントロー
ラ(4)及びリアクシヨンホイール(5)を経て衛星のロール
姿勢誤差修正を行なう。

ヨー軸の姿勢制御は，能動的に制御せずに，人工衛星が
軌道一周することによりロール軸とヨー軸とがカツプリ
ングすることから，ロール軸を制御することにより間接
的にヨー軸を制御することになるという原理を利用して
行なう。この場合のヨー姿勢誤差は，以下に示す式で表
わすことができる。

ここで，ΔΨはヨー姿勢誤差，h_Bはピツチ軸回りのホイ
ール角運動量,H×sinωotは軌道周期ωｏで変動するロ
ール軸回りの外乱による蓄積角運動量である。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のコントロールドバイアス方式の姿勢制御装置は以
上のように構成されていて，三軸各々にホイールを持つ
ゼロモーメンタム方式よりも簡単であるが，ヨー軸の姿
勢制御精度が劣化する等の課題があつた。

特に，大型の人工衛星では，外乱（Ｈ×sinωot）が大
きくなることから，バイアスモーメンタム（h_B）を非常
に大きくする必要があり，ヨー姿勢制御精度の向上は非
現実的であつた。

この発明は上記のような課題を解決するためになされた
もので，三軸各々にホイールを持たずにヨー姿勢制御精
度の向上をするように構成した人工衛星の姿勢制御装置
を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る人工衛星の姿勢制御装置は，ホイールの
信号により外乱の推定をすると共に，太陽センサの信号
によりヨー姿勢を計算し，上記外乱の推定値または，上
記ヨー姿勢の測定値を利用してスラスタ等によりヨー姿
勢を修正するようにしたものである。

〔作用〕

ヨー姿勢誤差の主要因はロール軸回りの外乱であるた
め，この発明における上記外乱の推定機能は，その推定
値に応じたヨー姿勢を制御することにより上記外乱を打
ち消すことができるため，ヨー姿勢制御精度を向上する
働きがある。

また，上記機能に，太陽センサによるヨー姿勢の測定機
能を加えることにより，上記外乱の推定の誤差を補正す
ることができるため，さらにヨー姿勢制御精度を向上す
ることができる。

〔実施例〕

以下第１図に示すこの発明の一実施例について説明す
る。図において，(1)〜(5)は第２図に示すものと同じで
ある。(6)はタコメータ処理部，(7)は外乱推定部，(8)
はヨー姿勢誤差推定部，(9)は推力発生部，(10)は太陽
センサ，(11)はヨー姿勢測定部である。

前述のようにコントロールドバイアスモーメンタム方式
におけるヨー姿勢制御誤差は，外乱（Ｈ×sinωot）と
ピツチ軸に取付けられたモーメンタムホイールの角運動
量（h_B）の大きさに依存する。ヨー姿勢制御精度を向上
させるためには，モーメンタムホイールの角運動量
（h_B）を大きくするか，または，外乱（Ｈ×sinωot）
による影響を何らかの手段により最小化すれば良い。あ
まり大きなモーメンタムホイールはハードウエア実現上
不可能であるため，前者の方法による精度向上の実現は
困難である。

第１図に示すこの発明の一実施例は，上記の観点から構
成されたもので，外乱（Ｈ×sinωot）の影響を最小化
してヨー姿勢制御精度を向上するものである。

ピツチ及びロールの姿勢制御機能については，第３図に
示す従来の人工衛星の姿勢制御装置と同じであり，地球
センサ(1)のピツチ及びロール姿勢角信号を使用して，
各々のコントローラ(2)，(4)及びモーメンタムホイール
(3)及びリアクシヨンホイール(5)により姿勢制御を行な
う。ヨー軸の姿勢制御は外乱（Ｈ×sinωot）を推定
し，その推定値に対応する姿勢誤差を修正するようにす
る。上記の外乱は軌道周期成分の角運動量であるため，
その外乱量の推定は，リアクシヨンホイール(5)に蓄積
される角運動量を利用することにより可能となる。但
し，リアクシヨンホイール(5)に蓄積される角運動量は
Ｈ×cosωotで近似できる量である求めるＨ×sinωotと
は位相が異なる。従つて，上記の外乱を推定するために
は，リアクシヨンホイール(5)で得られた角運動量を位
相変換等を行ない，必要な外乱量（Ｈ×sinωot）に変
換すれば良い。具体的には，リアクシヨンホイール(5)
の回転数（つまり角運動量）を示すタコメータ出力信号
（パルス列出力）をカウンタ等で構成されるタコメータ
処理部(6)にてデータ変換し，その出力信号を利用して
外乱推定部(7)にて外乱による角運動量に変換する。外
乱推定部(7)における外乱推定の方法には種々の方法が
考えられ，簡単に推定するのであれば，フイルタにより
位相変換することで実現できる。その他の方法として
は，タコメータデータをフーリエ変換して軌道周期成分
等の外乱を抽出する方法及び一般的に推定器として良く
用いられているルーエンドーガのオブザーバにより外乱
を推定する方法等がある。外乱推定部(7)により推定さ
れた外乱は，ヨー姿勢誤差推定部(8)により(1)式に示す
原理に基づきヨー姿勢誤差に変換する。ヨー姿勢誤差推
定部(8)の出力信号は，スラスタ又はイオンエンジン等
のアクチユエータから成る推力発生部(9)に供給され，
ヨー姿勢誤差を修正する。

従つて，上記のように，外乱を推定し，その推定値から
ヨー姿勢を推定し，スラスタ等のアクチユエータを利用
することによりヨー姿勢制御を実施することが可能とな
る。なお，上記アクチユエータとして，軌道制御時に使
用するスラスタ又はイオンエンジン等を兼用することに
より，新たに推力発生部(9)を設けなくても実現でき
る。

次に，上記外乱推定部(7)による外乱の推定精度が十分
でなく，ヨー姿勢制御誤差が十分に小さくできないよう
な，ヨー姿勢制御精度要求が厳しく，かつ外乱が複雑に
変動する場合においてヨー姿勢制御精度を更に向上させ
る方法について説明する。

一般的に，太陽センサ(10)をヨー姿勢角検出用のセンサ
として使用できるのは，ロール回転軸方向に太陽がある
場合である。第２図はその原理図を示すものである。図
において，(12)は人工衛星，(13)は太陽角ΔΨｓであ
る。人工衛星(12)のロール軸回転方向に太陽センサ(10)
の視野を設置すると，その方向に太陽がある場合，ロー
ル回転軸とピツチ回転軸とで構成される面内でのロール
回転軸に対する太陽方向は太陽センサ(10)で検出される
太陽角ΔΨｓ(13)は，第２図からも明らかなようにヨー
回転軸回りの回転角を示す。したがつて，軌道上におけ
る人工衛星と太陽との幾何学的位置の条件下において
は，太陽センサ(10)によつて検出した太陽角ΔΨｓ(13)
をヨー姿勢誤差として取扱うことが原理的に可能であ
る。

上記原理を利用して，太陽センサ(10)をヨー姿勢センサ
として使用し，前述の外乱の推定精度を向上する。第３
図における太陽センサ(10)及びヨー姿勢測定部(11)はそ
の目的のために付加された機能である。太陽センサ(10)
から太陽角信号を，ヨー姿勢測定部(11)に供給する。ヨ
ー姿勢測定部(11)ではその信号を用いてヨー姿勢に換算
する。具体的には，一年周期で変動する太陽と衛星の軌
道面との幾何学的関係,1日の間で時々刻々変化する人工
衛星の太陽に対する軌道上の位置及び人工衛星の制御軸
（ロール，ピツチ，ヨー）と太陽センサ(10)の視野との
位置関係から得られた太陽角をヨー姿勢測定誤差に変換
する。このようにして得られたヨー姿勢測定誤差と前述
の外乱推定部(7)からの信号により推定したヨー姿勢推
定誤差とを用いることにより，ヨー姿勢誤差の推定の精
度向上が可能である。

つまり，ヨー姿勢誤差推定部(8)により，上記のヨー姿
勢測定誤差とヨー姿勢推定誤差との差を推定による誤差
として，外乱推定部(7)からの信号により推定したヨー
姿勢推定誤差から上記の推定による誤差分を補正すれ
ば，ヨー姿勢誤差の推定精度が向上することになり，太
陽センサ(10)がヨー姿勢角検出用センサとして使用でき
ない軌道上の領域においても高精度にヨー姿勢制御が可
能となる。なお，太陽センサ(10)として，軌道制御時に
使用する太陽センサを兼用することにより，新たに太陽
センサ(9)を設けなくても実現できる。

なお，上記実施例では，人工衛星搭載の姿勢制御装置内
ですべての機能を実施するようにしたが，外乱推定部等
が複雑になる場合には一部の機能を地上局に設けること
等によつても同様の動作が期待できる。あるいは，上記
実施例では，モーメンタムホイールとリアクシヨンホイ
ールを使用した場合について示したが,2つのモーメンタ
ムホイールを使用した場合でも同様の動作が期待でき
る。また，この発明は上記の実施例に限定されるもので
なく，ホイールを搭載するすべての人工衛星の姿勢制御
装置に適用可能である。

〔発明の効果〕

以上のように，この発明によれば，ホイールのタコメー
タ信号を利用して外乱を推定する外乱推定部を設け，ヨ
ー姿勢誤差の要因である外乱をホイール以外のアクチユ
エータで取り除くように構成し，また，上記構成にヨー
姿勢測定部を設け，上記外乱の推定の誤差を補正するよ
うに構成したので，小型，軽量，低消費電力及び安価で
ヨー姿勢制御精度を向上す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による姿勢制御装置を示す
図，第２図は太陽センサによりヨー姿勢角を検出する原
理を示す図，第３図は従来の姿勢制御装置を示す図であ
る。 図中，(1)は地球センサ，(2)はピツチコントローラ，
(3)はモーメンタムホイール，(4)はロールコントロー
ラ，(5)はリアクシヨンホイール，(6)はタコメータ処理
部，(7)は外乱推定部，(8)はヨー姿勢誤差推定部，(9)
は推力発生部，(10)は太陽センサ，(11)はヨー姿勢測定
部，(12)は人工衛星，(13)は太陽角である。 なお，図中同一あるいは相当部分には同一符号を付して
示してある。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】人工衛星のロール及びピツチ軸回りの姿勢
   を制御するホイールと，上記ロール軸回りの姿勢を制御
   するホイールの回転数を示す信号をそのホイールの角運
   動量に変換するタコメータ処理部と，そのタコメータ処
   理部の信号を利用して上記人工衛星のロール軸回りの外
   乱を計算する外乱推定部と，その外乱推定部の信号を利
   用して上記人工衛星のヨー軸回りの姿勢誤差を計算する
   ヨー姿勢誤差推定部と，そのヨー姿勢誤差推定部の信号
   に応じて上記人工衛星のヨー軸回りの姿勢を動かす推力
   発生部とを設けたことを特徴とする人工衛星の姿勢制御
   装置。
2. 【請求項２】人工衛星のロール及びピツチ軸回りの姿勢
   を制御するホイールと，上記ロール軸回りの姿勢を制御
   するホイールの回転数を示す信号をそのホイールの角運
   動量に変換するタコメータ処理部と，そのタコメータ処
   理部の信号を利用して上記人工衛星のロール軸回りの外
   乱を計算する外乱推定部と，その人工衛星の太陽に対す
   る方位角を検出する太陽センサと，その太陽センサの信
   号を利用して上記人工衛星のヨー軸回りの姿勢を計算す
   るヨー姿勢測定部と，上記外乱推定部と上記ヨー姿勢測
   定部の信号を利用して，上記人工衛星のヨー軸回りの姿
   勢誤差を計算するヨー姿勢誤差推定部と，そのヨー姿勢
   誤差推定部の信号に応じて上記人工衛星のヨー軸回りの
   姿勢を動かす推力発生部とを設けたことを特徴とする人
   工衛星の姿勢制御装置。