JPS58151611A - アンロ−デイング制御方式 - 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】 本発明は、人工衛星の姿勢制御を行うにあたって必要な
アンローディングの制御方式に関し、特にｌホイール方
式３軸制御衛星用ホイールのホイールアンローディング
最悪条件からの脱出を自動的に行い得るアンローディン
グ制御方式に係わるものである。

人工衛星にあっては、太陽輻射圧などの影響などの外乱
トルクを打ち消して常時所望の方向に向くように姿勢制
御を行う必要があり、その衛星の姿勢制御方式のひとつ
として複数のホイールの回転を利用した３軸制御による
ものがある。

衛星のホイールによる姿勢制御は、基本的には、そのホ
イール軸に関する姿勢センサから姿勢誤差信号を得、そ
の姿勢誤差信号によりホイール駆動信号を発生させてホ
イール回転数を変化させることにより発生するトルクに
よって行なわれる。ここで、ホイール回転数は一般に周
期的な変化と蓄積的な変化との和の形をとって変化する
が、このうち蓄積的な変化に対しては、ホイールの回転
数は有限、すなわち最高回転数が必ずあるから、最高回
転数に達する前に回転数を下げなければならない。この
操作をアンローディングと呼んでおり、通常の衛星では
ホイールの回転数が最高回転数を越えることのないよう
に、地上からの操作に基いてアンローディング操作を間
欠的に行うようにしている。

ところで、この３軸制御には３ホイ一ル方式やｌホイー
ル方式等が知られている。３ホイ一ル方式は実際の通信
衛星などで実用に供されており、ｌホイール方式は軍事
用衛星など特定の衛星での使用が考えられているが、通
信衛星など一般の衛星で用いられた例はない。

３軸制御衛星の３ホイ一ル方式とｌホイール方式とを比
較すると、ｌホイール方式の方がホイール数に冗長性が
あり、ホイールのひとつが故障した場合は残りの３つで
姿勢制御を正常に機能させることができ、たとえホイー
ルの一部に故障が生じてもそれが姿勢制御不能というこ
とに直ちに結びつかず、信頼度が高いという長所をもつ
が、ホイールが飽和回転数に達する前にスラスタ等のア
クチュエータによって制御トルクを発生させてその回転
数を減少させ、飽和回転数以下となし姿勢制御を可能に
するための前述したいわゆるアンローディング操作が複
雑になってしまうという問題点がある。

そこで、本発明の目的は、ｌホイール方式におけるかか
るアンローディング操作の上述した問題点を解決してア
ンローディング操作を自動的に行うようにしたアンロー
ディング制御方式を提供することにある。

かかる目的を達成するために、本発明では、ｌホィール
方式３軸姿勢制御 イールの各々について、その回転数を、アンローディン
グ開始上限回転数Ｒ．？）通常のアンローディング回転
数Ｒ．２〉制御用比較回転＠Ｒ／に設定し、いずれかひ
とつのホイールの回転数がＲ．２とＲ３との間の回転数
の場合に、当該ホイールと主軸平面を共有するホイール
の回転数をＲ／と比較し、その比較結果に応じてロール
軸、ピッチ軸またはヨー軸のいずれかひとつを選択し、
その選択された軸に対してアンローディングを行い、前
記ｑ個のホイールのうちのいずれかひとつのホイールの
回転数がＲ３を越えた場合に、そのＲ３を越えたホイー
ルについてのホイール駆動信号をしゃ断し、当該ホイー
ルと主軸平面を共有するホイールに対してロール軸また
はヨー軸アンローディングを行い、更に前記Ｒ３を越え
たホイールに対してｐ−ル軸またはヨー軸アンローディ
ングを行う。

本発明アンローディング制御方式によれば、ｌホイール
方式のアンローディングにおいて存在するホイールアン
ｐ−ディング最悪条件からの脱出を自動的に行うことが
できる。また、従来は地上のオペレータによる熟達した
判断や操作に基いてアンローディング操作を行ってきた
が、本発明によればかかる地上からの操作は全く不必要
となる利点もある。

以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する１第１図
はｌホィール方式３軸制御 成例である。衛星座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）においてＸ−Ｙ
主軸平面にホイール／およびコが含まれ、Ｙ−２主軸平
面にホイール３およびｌが含まれ、これらホイール／〜
ダがいずれもＹ軸に対してαの角度をなして衛星に取り
付けられているものとする。更に、Ｘ軸回りに衛星に対
しトルクを加えるスラスタｊ１同様にＹ軸用のスラスタ
に、ｚ軸層スラスタ７が配置される。

第７図から明らかな様に、各ホイール／〜ダの角運動量
ベクトルは一つの軸の成分を持つ。そしてＹ軸に成分を
持つホイールはホイール／と−であり、Ｙ軸に対しては
ホイール／，．２，Ｊおよび１１Ｚ軸に対してはホイー
ル３と７である。従って、例えば衛星にＸ軸回りにトル
クが加われば、ホイール／と２がそのトルクに対応した
角運動量の変化を生ずる。それ故、任意の１つのホイー
ルのアンローディングを企ててスラスタを動作させても
意図外のホイールの角運動量をも変化させてしまうこと
になる。この様な動作原理を存するｌホイール方式にお
いてはホイールアンローディングにとっての最悪条件が
存在する。それは同一主軸平面を共有する一組のホイー
ル、例えばホイール／と２が共にプラス（マイナス）の
最高回転数ノ近傍にあり、他の７組のホイール、すなわ
ちホイール３とｌが共にマイナス（プラス）の最高回転
数の近傍にある場合で、この場合、通常の方法で任意の
一つのホイールをアンローディングした場合、必ず他の
ホイールの回転数が上昇してしまい、その後は、回転数
の上昇したホイールについて再びこのアンローディング
を繰り返すことになルカ、スべてのホイールがアンロー
ディング回転数（アンローディングを開始する回転数）
以下になることはない。

最悪条件におけるホイール動作のシミュレーションの結
果を第一図に示す。この場合、通常のアンローディング
回転数をＲ−とすると、衛星は普通はいずれのホイール
もこの回転数Ｒ２以下の回転数で回転している。最悪の
条件下、すなわち、ホイール３およびダがマイナスの最
高回転数の近傍にあり、ホイール／および−がプラスの
最高回転数の近傍にある今の場合、ホイール３およびｌ
がＲ，２を越えたので、このホイールについてアンロー
ディングを行わなければならないが、ホイール３および
グの双方共に回転を下げるためには、ピッチ軸（Ｙ）に
関してアンローディングを行わなければならない。とこ
ろが、ピッチ軸（Ｙ）に関するアンローディングはホイ
ール／および−にも影響を及ぼし、回転数が上昇してし
まい、隊にはホイール／および−の回転数がＲ２を越え
ることになり、今度はホイールｌおよびコに対して再び
アンローディングが必要になる。しかし、この場合にも
前述したところと同様にピッチ軸に関するアンローディ
ング操作となるため、ホイール／および−の回転数は再
び低下するものの、ホイール３およびｌの回転数が再び
Ｒ，２を越えてしまうことになる。以下、このような状
態を繰り返すことになり、全てのホイールの回転数がＲ
，２以下になることはない。

なお、第２図のシミュレーション結果の例では、外乱ト
ルクの影響によってホイール／およびコの回転数は異な
っており、全体的には互いに逆方向に変化している。か
かる最悪条件の□状態から速やかに脱出して所定のアン
ローディングを可能にするために、本発明では例えば第
３図に示すような制御回路を用いる。第３図において、
ｌｌは通常の姿勢制御回路であり、後述するタコメータ
〃〜Ｂからの出力８５〜Ｓざが供給され、ホイール駆動
信号Ｓ／〜Ｓ＜Ｚを発生する。これらホイール駆動信号
Ｓ／〜Ｓｌｌをそれぞれスイッチ７２〜／ｊを介して各
対応するホイールｌ〜ｌに供給する。これらホイール／
タグの回転数を各対応するタコメータ〃〜ｎで検出し、
その出力ｓ、ｔ−ｓｙを比較器２ダに供給し、ここで、
ホイールの通常のアンローディング回転数Ｒ，２より大
きい適当に定められた値、すなわちアンローディング開
始上限回転Ｒ３とそれぞれ比較する。ここで、いずれか
ひとつでもＲ３より大きいか等しい回転数をもつホイー
ルがあると、スイッチ駆動論理回路Ｂに、いずれのホイ
ールの回転数がＲ３を越えたか否かを示す情報とその回
転数、アンローディング開始信号およびＲ３を越えたホ
イールと主軸平面を共有するホイールの回転数が入力さ
れる。他方、すべてのホイールの回転数がいずれもＲ３
より小さい場合には、比較器ぶへタコメータ〃〜Ｂの出
力Ｓｊ〜ｓｒがそのまま入力される。この場合、前述し
たように、普通、いずれのホイールもＲ−以下の回転数
で回転しており、タコメータの回転数は連続的に変化し
ているので、Ｒ２以下の値からいきなりこれより大きい
値Ｒ３に急変することはありえないので、はじめに比較
器２乙でアンローディング開始信号を生じ、しかる後に
最悪条件の場合には比較器λグでアンローディング開始
信号を生じることになる。

次に、比較器２乙では、タコメータ出力Ｓ！〜Ｓｌｒを
Ｒ２と比較し、Ｒ２より大きいか等しい回転数のホイー
ルがひとつでもある去、いずれのホイール（ここでホイ
ールｉとする）がＲ２を越えたかを示す情報と、そのホ
イールと同一主軸平面にあるホイールの回転数とを比較
器′２７に出力する。また、いずれのホイールの回転数
もＲ，２より小さい場合には、特に信号を出力すること
なくアンローディング操作の必要もなく、従って、アン
ローディングの要否を判断する一連のチェックサイクル
を終了させるものとする。

更に、比較器ぶからの出力を比較器２７に供給し、ホイ
ールｌと同一主軸平面を共有して対向する他の７つのホ
イールのタフメータ出力（すなわち比較器ムからの出力
のうちのひとつ）を、Ｒ，２より小さい適当に定めた制
御用比較回転数Ｒ／と比較し、当該タコメータ出力がＲ
／より小さい場合には、ホイールｌがホイールｌまたは
−であれば比較器ｌの比較出力をスラスタ点火論理回路
ｄ中のロール軸アンローディング論理回路２９に供給し
てロールスラスタｊへの出力Ｘを形成し、それによりス
ラスタを点火してアンローディングを行い、ホイールｌ
がホイール３またはｌであれば比較器１の比較出力をス
ラスタ点火論理回路ｄ中のヨー軸アンローディング論理
回路３θに供給してヨースラスタ７への出力２を形成し
、それによりスラスタを点火してアンローディングを行
う。他方、上述のタフメータ出力がＲ／より大きい場合
には、いずれのホイールのときもスラスタ点火論理回路
ｘ中のピッチ軸アンローディング論理回路３／によりピ
ッチスラスタｔへの出力Ｙを形成してアンローディング
を行う。以上の過程は第４図に示すシミュレーション結
果におけるＦの部分に相当し、通常のアンローディング
は以上の過程で終了する。なお、上述したアンローディ
ング操作は、いずれも所定の回転数以下になるまで一定
の時間間隔でスラスタを複数回作動させて行うものとし
、そのため第１１図のシミュレーション結果においても
回転数は段階的に変化している。

通常の場合には、以上のようなアンローディング制御に
より、いずれのホイールもアンローディング回転数Ｒ，
２よりも十分低い値となし得るが、最悪条件の状態から
上述したアンローディングを行うと、前述した７組のホ
イール（第１Ｉ図の例ではホイール３とｌＩ）は回転数
がアンローディング回転数Ｒ，２より小さくなるが、残
りの７組のホイール（第１図の例ではホイールｌとコ）
の回転数は上昇してしまいＲ３を越えてしまう不都合を
生じることになる。そこで、この残りの１組のホイール
の回転数をＲ３以下に低下させなければならない。この
場合には、比較器λｌが動作して次のようにアンローデ
ィング制御を行う。即ち、比較器２グからスイッチ駆動
論理回路Δには、Ｒ３を越えたホイールｊ（例えば第１
図のホイール１）の情報とアンローディング開始信号お
よびホイール回転数とが供給され、これら信号によりホ
イールｊに対応したスイッチ／λ〜／ｊのうちのひとつ
へのホイール駆動信号はしゃ断される。このときの状態
は第１図中の状ＭＡに相当する。かかるスイッチ動作に
応動して、例えばスイッチ／２または／３が動作したと
き（ホイールｌまたは−の場合）はロール軸アンローデ
ィング論理回路〃が信号Ｓ９により選択され、他方スイ
ッチ／４ｔまたは／Ｓが動作したとき（ホイール３また
はグの場合）はヨー軸アンローディング論理回路３／が
信号Ｓ／θにより選択される。それにより、ホイールｊ
と同じ主軸平面を共有する対向位置のホイールがアンロ
ーディング制御され（第１図のホイール−の状態Ｂ参照
）、その間、ホイール駆動信号のしゃ断されたホイール
ｊ（第４図のホイール／）の回転数は状態Ａのまま保存
される。

このようにしてアンローディング制御が行われた後、ス
イッチ駆動論理回路Ｂにより、アンローディングされた
ホイール（第１図の例ではホイール、２）のスイッチを
しゃ断しく第１図の状態Ｃ）、ホイールｊのスイッチは
オンにする（第１図の状態Ｄ）。そして、ホイールｊが
ホイール／または−であればロール軸アンローディング
論理回路２９が信号Ｓりにより選択され、ホイールｊが
ホイール３またはりであればヨー軸アンローディング論
理回路３／が信号Ｓ／θにより選択される。それにより
スラスタが点火されてホイールｊのアンローディングが
行なわれる（第１図の状態り参照）。かかるアンローデ
ィングの終了後Ｚイツチ駆動輪理回路Δはしゃ断されて
いるスイッチをオンに復帰させ、そこで一連の動作は完
了する。なお、第グ図中の状態Ｃの駆動信号断は、この
ホイールの回転数に応じて行うこととし、それ以前のア
ンローディングの結果、その回転数が十分に低ければ駆
動信号・を断にしなくてもよく、従って、直前のアンロ
ーディング幅に応じて決定することになる。

なお、第３図において、スイッチ駆動論理回路Ｂからス
イッチ１２〜／ｊへの駆動信号供給後、この論理回路Ｂ
にはスイッチ／λ〜／Ｓから駆動確認の信号を戻すよう
にし、かかる確認後に選択信号８９゜Ｓ／θ等を発生す
るものとする。姿勢制御回路／／とスラスタ点火論理回
路Ｉとの間では慣例のように信号の授受を行い、姿勢制
御回路／／からスラスタ点火論理回路Ｉを直接に駆動し
てスラスタの点火を行うこともできるようにする。

本発明によれば上述した制御回路を衛星に搭載すること
により、ｌホイール方式のホイールアンローディング掃
作において存在する”最悪条件″からの脱出を自動的に
達成でき、地上からの複雑な判断に基くコマンドも不必
要になる。これにより、３ホイ一ル方式と比較した場合
に一つの問題点となっていたアンローディング操作上の
難点が解消され、ｌホイール方式の３ホイ一ル方式に対
するホイールの冗長性の利点を活用でき、衛星姿勢制御
系の信頼度の向上に寄与できる。しかも、本発明により
アンローディング制御を行うための回路を衛星に搭載す
るために全く新たに付加しなければならぬ部分は少く、
衛星重量やコンフィギユレーションに与えるインバクｌ
は十分に無視できる。

一般に、各ホイールの各主軸に沿った角運動嵐の和に基
づいてアンローディング制御する方式では、特定ホイー
ルの故障時にアンローディング操作開始スレッシュボー
ルドレベルの設定値を変える必要があるのに対して、本
発明によれば、各ホイールに最高回転数が定められてい
るので、特定のホイールが故障してもそのホイールの最
高回転数によって定まるアンローディング操作開始のス
レッシュホールドレベル設定値を変化させる必要がなく
、ホイール故障時の対応が容易かつ確実となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はｌホイール方式３軸制御の形態の説明図、第２
図は従来のりホイール方式の最悪条件下のシミュレーシ
ョン結果を示す線図、第３図は本発明の構成の一例を示
すブロック線図、第ダ図は本発明による最悪条件がらの
アンローディングのシミュレーション結果を示す線図で
ある。 ／〜グ・・・ホイール、　　！・・・ＸＭスラスタ、乙
　Ｙ軸スラスタ、　　７・・・Ｚ軸スラスタ、／／・・
・姿勢制御回路、　　７２〜／ｊ・スイッチ、〃〜Ｂ・
・・タコメータ、　２り、ｘ　、２７・・・比較器、Ｂ
・・・スイッチ駆動論理回路、 ｄ・・・スラスタ点火論理回路、 〃・・・ロール軸アンローディング論理回路、３θ・・
・ピッチ軸アンローディング論理回路、３／・・・ヨー
軸アンローディング論理回路。 特許出願人　日本放送協会 第２図 ２ 回 転 穀　　　　　　　　　　２ 時間 ヱ脅

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ｌホィール方式３軸姿勢制御人工衛星の１個籾のホイー
   ルの各々について、その回転数を、アンローディング開
   始上限回転数ＲＪ＞通常のアンローディング回転数Ｒ２
   ＞制御用比較回転数Ｒ／に設定し、いずれかひとつのホ
   イールの回転数がＲ２と８３との間の回転数の場合に、
   当該ホイールと主軸平面を共有するホイールの回転数を
   Ｒ／と比較し、その比較結果に応じてロール軸、ピッチ
   軸またはヨー軸のいずｎかひとつを選択し、その選択さ
   れた軸に対してアンローディングを行い、前記１個のホ
   イールのうちのいずれかひとつのホイールの回転数がＲ
   ３を越えた場合に、そのＲ３を越えたホイールについて
   のホイール駆動信号をしゃ断し、当該ホイールと主軸平
   面を共有するホイールに対してロール軸またはヨー軸ア
   ンローディングを行い、更に前記Ｒ３を越えたホイール
   に対してロール軸またはヨー軸アンローディングを行う
   ことを特徴とするアンローディング制御方式。