JPH1159599A - 姿勢制御装置 - Google Patents

姿勢制御装置

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JPH1159599A
JPH1159599A JP9230626A JP23062697A JPH1159599A JP H1159599 A JPH1159599 A JP H1159599A JP 9230626 A JP9230626 A JP 9230626A JP 23062697 A JP23062697 A JP 23062697A JP H1159599 A JPH1159599 A JP H1159599A
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久幸 迎
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 角度検出機を使用して高精度な姿勢制御をす
るには複雑な補正作業が必要であった。 【解決手段】 飛翔体、飛翔体上の異なる位置に固定さ
れた3式のアンテナ、航法衛星信号受信機、姿勢変更
機、航法衛星とにより構成し、航法衛星信号受信機が航
法衛星の採用する地心を原点とする座標系に基づき3式
のアンテナそれぞれの位置座標と飛翔体の地球指向方向
ベクトルを解析し、飛翔体から地心へのベクトルとの相
対角度差を解析して姿勢変更機に入力して飛翔体の地球
指向方向ベクトルが地心方向と一致するように動作する
姿勢変更機を具備した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は人工衛星、航空機
や飛行船、気球などの飛翔体の飛翔時姿勢角度を制御す
る姿勢制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図7は従来の姿勢制御装置を説明するた
めの図であり、図において1は地球上空を飛翔する飛翔
体、2は上記飛翔体1に搭載され、飛翔体の位置座標を
示す信号を受信するアンテナ、3は上記アンテナ2で受
信した信号を処理して位置座標を解析する航法衛星信号
受信機、4は上記飛翔体1の姿勢角度を変更するスラス
タやリアクションホイールなどの姿勢変更機、5は電波
伝搬時間を利用して距離を測定するための電波を発生す
る、軌道上位置が既知の複数の航法衛星、7は地球、1
4は上記飛翔体1の姿勢角度を検出する地球センサやジ
ャイロなどの角度検出機である。従来の姿勢制御装置で
は、航法衛星信号受信機3が、アンテナ2が受信した航
法衛星5の発信する電波を解析してアンテナ2の位置座
標を算出し、解析結果を姿勢変更機4に送信する。また
角度検出機14は飛翔体の姿勢角度を測定し、予め計画
された目標姿勢角度と測定した姿勢角度の差分を解析し
て解析結果を姿勢角度変更量として姿勢変更機4に送信
する。姿勢変更機4は受信した姿勢角度変更量に応じて
飛翔体1の姿勢を変更して、予め目標とする姿勢角度を
維持して飛翔していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来の姿勢制御装置の
中で、角度検出機として地球センサを用いた姿勢制御装
置においては、角度検出機の捉える地球の形状情報が、
飛翔体の飛翔高度や飛翔位置に依存して変化したり、地
球の楕円形状効果に依存して変化するので、十分精度の
高い角度検出はできないため、飛翔体の地球指向ベクト
ルを十分精度よく制御することができないという課題が
あった。また角度検出機としてジャイロを用いた姿勢制
御装置においては、短時間内の角度変化は十分正確に把
握できるが、時間がたつと測定値がドリフトして、絶対
値が把握できなくなるという課題があった。また地球と
飛翔体の相対角度は精度よく把握できないという課題が
あった。このため従来の姿勢制御装置においては、飛翔
体の指向方向ベクトルを精度よく制御するために、地上
の基準点を用いた補正を施したり、地球から飛翔体の位
置を観測して衛星姿勢情報を補正するなどの別の手段を
併用しなければならないという課題があった。
【0004】この発明による姿勢制御装置は上記のよう
な課題を解決するためになされたものであり、飛翔体の
指向方向ベクトルが地球に固定された単一の座標系上に
おいて起点とベクトルが決定し、かつ指向目標に対する
ベクトルも同様に単一の座標系上において起点とベクト
ルが決定することにより精度の高い姿勢制御を実現可能
な姿勢制御装置を提供する。また角度検出機を使用しな
いで姿勢角度を把握できる姿勢制御装置を提供する。
【0005】
【課題を解決するための手段】第1の発明による姿勢制
御装置は地球上空を飛翔する飛翔体、上記飛翔体に搭載
され、飛翔体の位置座標を示す信号を受信するアンテ
ナ、上記アンテナで受信した信号を処理して位置座標を
解析する航法衛星信号受信機、上記航法衛星信号受信機
から衛星位置情報と姿勢角度変更情報を受信し、上記飛
翔体の姿勢角度を変更する姿勢変更機、及び電波伝搬時
間を利用して距離を測定するための電波を発生する軌道
上位置が既知の複数の航法衛星とにより構成し、かつ上
記アンテナとして上記飛翔体上の異なる位置に固定され
た3式のアンテナを具備し、かつ上記航法衛星信号受信
機は航法衛星の採用する地心を原点とする座標系に基づ
き3式のアンテナそれぞれの位置座標を解析し、3式の
アンテナの相対位置関係に基づき飛翔体の地球指向方向
ベクトルを解析し、飛翔体の地球指向方向ベクトルと飛
翔体から地心へのベクトルとの相対角度差を解析して姿
勢変更機に入力し、飛翔体の地球指向方向ベクトルが地
心方向と一致するように動作する姿勢変更機を具備した
ものである。
【0006】また第2の発明による姿勢制御装置は地球
上空を飛翔する飛翔体、上記飛翔体に搭載され、飛翔体
の位置座標を示す信号を受信するアンテナ、上記アンテ
ナで受信した信号を処理して位置座標を解析する航法衛
星信号受信機、上記航法衛星信号受信機から衛星位置情
報と姿勢角度変更情報を受信し、上記飛翔体の姿勢角度
を変更する姿勢変更機、及び電波伝搬時間を利用して距
離を測定するための電波を発生する軌道上位置が既知の
複数の航法衛星とにより構成され、かつ上記飛翔体の地
球指向ベクトルを指向させる指向目標と、航法衛星の採
用する地心を原点とする座標系に基づき上記指向目標の
位置座標を記述した位置座標データベースを具備し、か
つ上記アンテナとして上記飛翔体上の異なる位置に固定
された3式のアンテナを具備し、かつ上記航法衛星信号
受信機は上記座標系に基づき3式のアンテナそれぞれの
位置座標を解析し、3式のアンテナの相対位置関係に基
づき飛翔体の指向方向ベクトルを解析し、飛翔体の地球
指向方向ベクトルと飛翔体から上記指向目標へのベクト
ルとの相対角度差を解析して姿勢変更機に入力し、飛翔
体の指向方向ベクトルが指向目標と一致するように動作
する姿勢変更機を具備したものである。
【0007】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.図1はこの発明の実施の形態1を示す構
成図であり、図において1は地球上空を飛翔する飛翔
体、2aは上記飛翔体1に搭載され、飛翔体1の位置座
標を示す信号を受信する第1のアンテナ、2bは上記飛
翔体1上で上記第1のアンテナ2aとは異なる位置に搭
載され、飛翔体1の位置座標を示す信号を受信する第2
のアンテナ、2cは上記飛翔体1上で上記第1のアンテ
ナ2a及び第2のアンテナ2bとは異なる位置に搭載さ
れ、飛翔体1の位置座標を示す信号を受信する第3のア
ンテナ、3は上記第1のアンテナ2a、第2のアンテナ
2b及び第3のアンテナ2cで受信した信号を処理して
位置座標を解析する航法衛星信号受信機、4は上記航法
衛星信号受信機3から姿勢角度変更情報を受信し、上記
飛翔体1の姿勢角度を変更するスラスタやリアクション
ホイールなどの姿勢変更機、5は電波伝搬時間を利用し
て距離を測定するための電波を発生する軌道上位置が既
知の複数の航法衛星、7は地球、8は地球の重力中心と
しての地心、9は上記飛翔体1の基準軸が地球7を指向
する方向を示す地球指向ベクトルをそれぞれ示す。図に
おいて第1のアンテナ2a、第2のアンテナ2b及び第
3のアンテナ2cはそれぞれ異なる位置に固定されてい
るので、航法衛星5の採用する座標系における3点の位
置座標として上記航法衛星信号受信機3によって上記3
式のアンテナの位置座標を解析することにより3式のア
ンテナの位置座標が決定できる。また飛翔体1の基準軸
としての地球指向ベクトル9の具体例としては、例えば
飛翔体1の構造体の地球指向面側パネルの法線方向ベク
トルと平行で、飛翔体の重心位置を起点とするベクトル
などを設定すればよい。第1のアンテナ2a、第2のア
ンテナ2b及び第3のアンテナ2cと、飛翔体1の重心
位置及び地球指向ベクトル9の相対位置関係は予め測定
しておくことができるので、3式のアンテナの配置され
る3点の位置座標が既知になることにより、飛翔体1の
重心位置及び地球指向ベクトル9の方向が決定し、また
飛翔体1の姿勢角度が決定される。また姿勢変更機は上
記衛星信号受信機3で解析した3式のアンテナの位置座
標に基づく地球指向ベクトル9の方向と、飛翔体1の重
心から地心8へのベクトルの方向との差分を解析した結
果により飛翔体1の姿勢角度を変更するので、飛翔体1
は常に地球指向ベクトル9が地心8の方向を向くように
制御されることになる。
【0008】次に地球指向ベクトル9が地心8の方向を
指向するための姿勢変更機4の必要姿勢角度変更量を決
定する方法について図2を用いて説明する。図において
2aは第1のアンテナ、2bは第2のアンテナ、2cは
第3のアンテナでありその設定条件は図1と同様であ
る。また7は地球、8は地心、9は飛翔体の基準軸が地
球7を指向する方向を示す地球指向ベクトル、10は飛
翔体の飛翔方向を示す飛翔方向ベクトル、15は航法衛
星の採用する地心を原点とする座標系、16aは飛翔方
向ベクトル10を回転軸として地球指向ベクトル9が地
心方向ベクトルとなす第1の姿勢変更角度、16bは第
1のアンテナ2aから第3のアンテナ2cを指向するベ
クトルを回転軸として地球指向ベクトル9が地心方向ベ
クトルとなす第2の姿勢変更角度をそれぞれ示す。この
図では第1のアンテナ2aが地球指向ベクトル9の起点
と一致し、第1のアンテナ2aから第2のアンテナ2b
を指向する方向ベクトルを飛翔方向ベクトル10と一致
させ、かつ第1のアンテナ2aから第3のアンテナ2c
を指向する方向ベクトルが地球指向ベクトル9及び飛翔
方向ベクトル10と直交するように配置された例を示し
ている。図に示す如く第1のアンテナ2aから地心8に
向けた方向ベクトルと地球指向ベクトル9が食い違う場
合には、そのずれ量は飛翔方向ベクトル10に対する回
転角度φ及び第1のアンテナ2aから第3のアンテナ2
cを指向する方向ベクトルに対する回転角度θとして一
意に決定され、上記φを第1の姿勢変更角度16aと
し、上記θを第2の姿勢変更角度16bとして姿勢変更
機を動作させれば、この地球指向ベクトル9は地心8の
方向と一致するように飛翔体1は姿勢制御されることに
なる。なおここでは図示していないが、地球指向ベクト
ル9に対する回転角度を制御することも可能なことはい
うまでもない。またここでは第1のアンテナ2aから第
2のアンテナ2bを指向する方向ベクトルを飛翔方向ベ
クトル10と一致させた場合の例を示したが、第1のア
ンテナ2a、第2のアンテナ2b及び第3のアンテナ2
cの配置と飛翔体の進行方向ベクトルが上記と異なる関
係であっても、特定の座標系における位置座標既知の3
点の解析が可能なので同様に動作できることは言うまで
もない。
【0009】次に航法衛星信号受信機における処理につ
いて図3を用いて説明する。図において2aは第1のア
ンテナ、2bは第2のアンテナ、2cは第3のアンテ
ナ、3は航法衛星信号受信機、4は姿勢変更機、8は地
心、s1は飛翔方向ベクトルを解析する処理1、s2は
指向目標ベクトルを算出する処理2、s3は地球指向ベ
クトルを解析する処理3、s4は姿勢角変更量を算出す
る処理4を示す。図は航法衛星の採用する座標系におい
て、第1のアンテナ2aが位置座標(x1,y1,z
1)に、第2のアンテナ2bが位置座標(x2,y2,
z2)に、第3のアンテナ2cが位置座標(x3,y
3,z3)にそれぞれ位置する場合の処理について示し
たものであり、航法衛星信号受信機3が第1のアンテナ
2aから受信した信号を解析すると、x1,y1及びz
1を数値化できる。同様にして航法衛星信号受信機3が
第2のアンテナ2bから受信した信号を解析すると、x
2,y2及びz2を、第3のアンテナ2cから受信した
信号を解析すると、x3,y3及びz3をそれぞれ数値
化できる。3式のアンテナの配置が図2と同様で、第1
のアンテナ2aから第2のアンテナ2bを指向する方向
ベクトルが飛翔方向ベクトルと一致している場合には、
処理1として第1のアンテナ2aの信号を解析したx
1,y1及びz1と、第2のアンテナ2bの信号を解析
したx2,y2及びz2とを差分評価することにより飛
翔方向ベクトルを算出できる。また処理2として第1の
アンテナ2aの信号を解析したx1,y1及びz1と、
第2のアンテナ2bの信号を解析したx2,y2及びz
2、及び第3のアンテナ2cの信号を解析したx3,y
3及びz3を解析すると地球指向ベクトルを算出でき
る。一方地心8の位置座標は航法衛星の採用する座標系
の原点と一致しているので、位置座標(0,0,0)で
あるから、第1のアンテナ2aが地球指向ベクトルの起
点位置となる場合は、処理3として第1のアンテナ2a
の位置座標(x1,y,z1)と地心8の位置座標
(0,0,0)を差分評価すれば、姿勢制御すべき目標
方向を示すところの指向目標ベクトルが算出できる。次
に処理4として地球指向ベクトルと指向目標ベクトルの
差分評価をすれば、目標とすべき姿勢角度と現在の姿勢
角度とのずれ量を示すところの姿勢角変更量(Δφ、Δ
θ、Δλ)が算出できる。この値を姿勢変更機4に送信
し、姿勢変更機4を動作させれば、目標とすべき姿勢角
度と現在の姿勢角度が一致するよう制御されるので、飛
翔体1の地球指向ベクトルが地心8の方向を指向するよ
うに制御されることになる。なお第1のアンテナ2a、
第2のアンテナ2b及び第3のアンテナ2cの配置と飛
翔体1の進行方向ベクトルが上記と異なる関係であって
も、特定の座標系における位置座標既知の3点の解析が
可能なので同様に動作できることは言うまでもない。
【0010】次に航法衛星を用いて飛翔体の位置を精度
よく決定する方法について図4を用いて説明する。図に
おいて1は飛翔体、5aは第1の航法衛星、5bは第2
の航法衛星、5cは第3の航法衛星、5dは第4の航法
衛星、7は地球、9は地球指向ベクトル、10は飛翔方
向ベクトル、11は飛翔体の軌道、12は航法衛星の軌
道である。航法衛星の任意の瞬間の飛翔位置は、航法衛
星の採用する座標系における位置座標として把握されて
いる。そこで飛翔体1において第1の航法衛星5a、第
2の航法衛星5b、及び第3の航法衛星5cからの電波
が到達する時間を計測することにより飛翔体1の位置座
標も精度よく測定できる。更に第4の航法衛星5dから
の情報を併用することにより、軌道伝搬に伴う時刻誤差
を補正できるので、更に精度のよい測定が可能となる。
【0011】実施の形態2.図5はこの発明の実施の形
態2を示す構成図であり、図において1から5及び7と
9は図1と同様である。6は地球上の各地の場所を航法
衛星5の採用する座標系における位置座標として記録し
ている位置座標データベース、13は飛翔体1の地球指
向ベクトル9を指向させたい指向目標である。実施の形
態1では地球指向ベクトル9が座標系の原点である地心
を指向するように構成したのに対して、実施の形態2は
指向目標13の位置座標を予め位置座標データベース6
に登録しておき、航法衛星受信機の中で解析することに
より地球指向ベクトル9が任意の地点を指向するように
構成したものである。
【0012】次に航法衛星信号受信機における処理につ
いて図6を用いて説明する。図において2aから4、及
びs1からs4は図3と同様であり、6は位置座標デー
タベース、13は指向目標である。図において指向目標
13を決めると、その位置座標が予め登録された位置座
標データベース6により検索されて、位置座標(X0,
Y0,Z0)として把握され、航法衛星受信機3に入力
される。第1のアンテナ2aが地球指向ベクトルの起点
位置となる場合は、処理2として第1のアンテナ2aの
位置座標(x1,y1,z1)と指向目標13の位置座
標(X0,Y0,Z0)を差分評価すれば、姿勢制御す
べき目標方向を示すところの指向目標ベクトルが算出で
きる。次に処理4として地球指向ベクトルと指向目標ベ
クトルの差分評価をすれば、目標とすべき姿勢角度と現
在の姿勢角度とのずれ量を示すところの姿勢角変更量
(Δφ、Δθ、Δλ)が算出できる。この値を姿勢変更
機4に送信し、姿勢変更機4を動作させれば、目標とす
べき姿勢角度と現在の姿勢角度が一致するよう制御され
るので、飛翔体1の地球指向ベクトルが指向目標13の
方向を指向するように制御されることになる。その他の
動作は実施の形態1と同様である。
【0013】
【発明の効果】第1の発明によれば、飛翔体の指向方向
ベクトルが地球に固定された単一の座標系上において起
点とベクトルが決定し、かつ指向目標に対するベクトル
も同様に単一の座標系上において起点とベクトルが決定
するので精度の高い姿勢制御を実現可能となるという効
果がある。また角度検出機を使用せずに姿勢角度を把握
できるという効果がある。
【0014】第2の発明によれば、飛翔体の指向方向ベ
クトルが地球に固定された単一の座標系上において起点
とベクトルが決定し、かつ指向目標に対するベクトルも
同様に単一の座標系上において起点とベクトルが決定す
るので精度の高い姿勢制御を実現可能となるという効果
がある。また角度検出機を使用せずに姿勢角度を把握で
きるという効果があるという点は第1の発明と同様であ
るが、更に任意の点を指向目標とした姿勢制御が可能に
なるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明による監視装置の実施の形態1を示
す構成図である。
【図2】 この発明による監視装置において姿勢角度変
更量を決定する方法を示す図である。
【図3】 この発明による監視装置の実施の形態1にお
ける航法衛星受信機の処理を示す図である。
【図4】 この発明による監視装置において精度よく位
置座標を決定する方法を示す図である。
【図5】 この発明による監視装置の実施の形態2を示
す構成図である。
【図6】 この発明による監視装置の実施の形態2にお
ける航法衛星受信機の処理を示す図である。
【図7】 従来の監視装置を示す図である。
【符号の説明】
1 飛翔体、2 アンテナ、3 航法衛星信号受信機、
4 姿勢変更機、5航法衛星、6 位置座標データベー
ス、7 地球、8 地心、9 地球指向ベクトル、10
飛翔方向ベクトル、11 飛翔体の軌道、12 航法
衛星の軌道、13 指向目標、14 角度検出機、15
座標系、16 姿勢変更角度。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 地球上空を飛翔する飛翔体に搭載され、
    上記飛翔体の位置座標を示す信号を受信するアンテナ、
    上記アンテナで受信した信号を処理して位置座標を解析
    する航法衛星信号受信機、上記航法衛星信号受信機から
    衛星位置情報と姿勢角度変更情報を受信し、上記飛翔体
    の姿勢角度を変更する姿勢変更機、及び電波伝搬時間を
    利用して距離を測定するための電波を発生する、軌道上
    位置が既知の複数の航法衛星とにより構成される姿勢制
    御装置において、上記アンテナとして上記飛翔体上の異
    なる位置に固定された3式のアンテナを具備し、かつ上
    記航法衛星信号受信機は航法衛星の採用する地心を原点
    とする座標系に基づき上記3式のアンテナそれぞれの位
    置座標を解析し、3式のアンテナの相対位置関係に基づ
    き飛翔体の地球指向方向ベクトルを解析し、飛翔体の地
    球指向方向ベクトルと飛翔体から地心へのベクトルとの
    相対角度差を算出し上記姿勢変更機に入力させる手段を
    有し、さらに上記姿勢変更機は、飛翔体の地球指向方向
    ベクトルが地心方向と一致するように飛翔体の姿勢角度
    を変更する手段を有することを特徴とする姿勢制御装
    置。
  2. 【請求項2】 地球上空を飛翔する飛翔体に搭載され、
    上記飛翔体の位置座標を示す信号を受信するアンテナ、
    上記アンテナで受信した信号を処理して位置座標を解析
    する航法衛星信号受信機、上記航法衛星信号受信機から
    衛星位置情報と姿勢角度変更情報を受信し、上記飛翔体
    の姿勢角度を変更する姿勢変更機、及び電波伝搬時間を
    利用して距離を測定するための電波を発生する、軌道上
    位置が既知の複数の航法衛星とにより構成される姿勢制
    御装置において、上記飛翔体の地球指向ベクトルを指向
    させる指向目標と、航法衛星の採用する地心を原点とす
    る座標系に基づき上記指向目標の位置座標を記述した位
    置座標データベースを具備し、かつ上記アンテナとして
    上記飛翔体上の異なる位置に固定された3式のアンテナ
    を具備し、かつ上記航法衛星信号受信機は上記座標系に
    基づき上記3式のアンテナそれぞれの位置座標を解析
    し、3式のアンテナの相対位置関係に基づき飛翔体の指
    向方向ベクトルを解析し、飛翔体の地球指向方向ベクト
    ルと飛翔体から上記指向目標へのベクトルとの相対角度
    差を算出し上記姿勢変更機に入力させる手段を有し、さ
    らに上記姿勢変更機は、飛翔体の指向方向ベクトルが指
    向目標と一致するように飛翔体の姿勢角度を変更する手
    段を有することを特徴とする姿勢制御装置。
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