JPS6055359B2 - 人工衛星の３軸姿勢制御方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、３軸安定衛星において２個のモーメンタム
ホイールと１個のりアクションホィールを用いた姿勢制
御方式に関するものである。

はじめに、三軸安定衛星における座標系を定義する。第
１図に示すように、軌道上１で安定姿勢にある人工衛星
２の衛星固定座標系Φ、と軌道座標系Φ。とが完全に一
致している時、軌道進行方向３を向く衛星主軸をロール
軸４（＋ＸＢ軸）、地球中心方向５を向く衛星主軸をヨ
ー軸６（＋ＺＢ側））および両軸とともに右手直交系を
なす軸７をピッチ軸８（＋ＹＢ部）と呼ぶ事にする。な
おＥは地球、Ｐは太陽電池パネルである。従来のバイア
スモーメンタム方式の一例を第２図に示す。

図において、９はモーメンタムホイール、１０はロール
リアクシヨンホイール、１１はヨーリアクシヨンホイー
ル、１２は姿勢角検出器である。モーメンタムホイール
９はその回転軸がピッチ軸８と平行であり、ピッチ軸方
向に大きな角運動量を与えると同時に、姿勢角検出器１
２より得られるピッチ姿勢誤差で加減速することによつ
てピッチ軸まわりの制御を行なう。一方ロール軸４は平
行な回転軸をもつロールリアクシヨンホイール１０、及
びヨー軸６に平行な回転軸をもつヨーリアクシヨンホイ
ール１１は、姿勢角検出器１２より得られるロール姿勢
誤差および各りアクションホィールの回転数によつて駆
動され、モーメンタムホイールのもつ角運動量によるジ
ャイロ剛性を利用してロール軸及びヨー軸まわりの制御
を行なう。

しかし、この従来のバイアスモーメンタム方式では、モ
ーメンタムホイール９が故障した場合は、３軸制御の機
能が停止するという欠点があるばかりでなく、他の２個
のりアクションホィールのうちの１個が故障しても性能
が低下するという・欠点がある。

又、この方式では２個のりアクションホィールが回転数
零の所を通過するため、ホィールの静止摩擦トルクが問
題となる。この発明は上記の従来の方式の欠点を除去す
ることを目的として、２個のモーメンタムホイールと１
個のりアクションホィールにより構成され、任意の１個
のホィールの故障によつても性能を低下させないと同時
にホィールの静止摩擦トルクの問題を解決する方式を提
供する。

第３図に、この発明の一実施例を示す。

図いおいてりアクションホィール１３の回転軸はヨー軸
６からピッチ軸８のまわりに角αだけオフセットしてい
る。平面１４はりアクションホィール１３の回転軸とピ
ッチ軸を含む平面である。モーメンタムホイール１，１
５の回転軸は平面１４と平行でピッチ軸とのなす角はβ
１である。モーメンタムホイール２１６の回転軸は平面
１４と平行でピッチ軸とのなす角はβ２である。ここで
β１とβ２は向きが反対である。このホィール構成によ
つて、モーメンタムホイール１，１５が故障した時はモ
ーメンタムホイール２，１６とりアクションホィール１
３、モーメンタムホイール２，１６が故障した時はモー
メンタムホイール１，１５とりアクションホィール１３
、りアクションホィール１３が故障した時はモーメンタ
ムホイール１，１５とモーメンタムホイール，２１６の
組合せで、ロール軸及びピッチ軸について制御する。

他方、ヨー軸については，ヨー軸まわりの姿勢角を検出
していないため直接制御はしていないが、ピッチ軸方向
にバイアス角運動量を持たせており、そのバイアス角運
動量の効果により安定化する。

さらに平面１４とヨー軸６のなす角を所定の角αだけオ
フセットさせると、ニユーテーシヨン運．動を制御する
にあたり、α＝０の場合に比べて、りアクションホィー
ルの制御トルクとロール姿勢角との伝達特性を，変化さ
せ位相進み効果（αく０の場合）または位相遅れ効果（
α〉０の場合）を持たせることができるので、これを利
用すると．制御系安定のために制御回路て過度の位相補
償をする必要がなくなるため、ノイズに対して強い特性
をもたせる事ができる。

又，モーメンタムホイール１，１５、モーメンタムホイ
ール２，１６をピッチ軸からβ１，β２だけ傾けてある
ので、モ（−メンタムホイール１，２，１５，１６のい
ずれか一方が故障し、残りのモーメンタムホイールとり
アクションホィールとで制御する場合、モーメンタムホ
イールの角運動量は、ピッチ軸に平行な成分と同時にロ
ール／ヨー面内でりアクションホィールの回転軸と平行
な成分が発生する。制御系は、この角運動量をりアクシ
ョンホィールで打ち消しロール姿勢誤差が零となるよう
に構成しているため、りアクションホィールはバイアス
速度のまわりで使用され、ホィール速度が零を通過する
のを避ける事ができる。第４図は、この発明のホィール
構成における制御系のブロック図の一例を示したもので
ある。

３）個のホィール１３，１５，１６のうちどのホィール
を使うかは、ホィールドライバオンオフ信号１７によつ
て選択し、その選択された２個のホィールに駆動信号発
生回路１８から駆動信号１９を送る。

ホィールの駆動信号１９は姿勢角検出器１２・から得ら
れる姿勢角信号２０、及び選択したホィールのタコメー
タ信号２１を入力として生成される。以上のようにこの
発明によれば、バイアスモーメンタム方式による３軸姿
勢制御の衛星において”ホィール故障時の制御精度の低
下を防ぐことができるとともにりアクションホィールの
静止摩擦トルクの問題を解決することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な３軸安定衛星が軌道上で完全に制御さ
れている時の衛星座標系Φ９と軌道座標系Φ。 との関係を示す説明図、第２図は従来のバイアスモーメ
ンタム方式による３軸安定衛星のホィールと姿勢角検出
器の配置を示した図、第３図はこの発明の一実施例によ
るバイアスモーメンタム方式３軸安定衛星のホィールと
姿勢角検出器の配置を示した図、第４図はこの発明によ
る姿勢制御系のブロック図てあり、１は人工衛星の軌道
、２は人工衛星の本体、３は人工衛星の軌道進行方向、
４は人工衛星のロール軸、５は軌道上で地球中心に向く
軸、６は人工衛星のヨー軸、７は軌道上て軌道方向と、
地球中心を向く軸と右手系をなす軌道面に垂直な軸、８
は人工衛星のピッチ軸、９はモーメンタムホイール、１
０はロールリアクシヨンホイール、１１はヨーリアクシ
ヨンホイール、１２は姿勢角検出器、１３はりアクショ
ンホィール、１４はりアクションホィールの回転軸と衛
星のピッチ軸を含む平面、１５はモーメンタムホイール
１、１６はモーメンタムホイール２、１７はホィールド
ライバオンオフ信号、１８は信号処理及びホィール駆動
信号発生回路、１９はホィール駆動信号、２０は姿勢角
信号、２１はホィールのタコメータ信号である。なお図
中同一あるいは相当部分には同一符号を１して示してあ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 人工衛星の質量中心を原点とする衛星に固定された
   直交座標系の３軸をロール、ヨーおよびピッチと定義し
   、ピッチ軸に垂直な平面内でピッチ軸のまわりにヨー軸
   から、所定の角だけオフセットした回転軸をもつ１個の
   リアクションホイールと、上記リアクションホイールの
   回転軸とピッチ軸を含む平面もしくはそれに平行な平面
   内にあり、その平面に垂直な軸のまわりにピッチ軸から
   正にオフセットした回転軸をもつ第１のモーメンタムホ
   イール及び負にオフセットした回転軸をもつ第２のモー
   メンタムホイールを有し、姿勢角検出器により、ロール
   軸及びピッチ軸のまわりの姿勢誤差を検出し、上記姿勢
   角検出器の出力信号を用いて上記３個のホイールのうち
   同時に２個以上のホイールを駆動する事によつて上記の
   ３軸を安定させるようにしたことを特徴とする人工衛星
   の３軸姿勢制御装置。