KR100778098B1 - Moment gyros'cluster for spacecraft three axis attitude control - Google Patents

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KR100778098B1
KR100778098B1 KR1020060070263A KR20060070263A KR100778098B1 KR 100778098 B1 KR100778098 B1 KR 100778098B1 KR 1020060070263 A KR1020060070263 A KR 1020060070263A KR 20060070263 A KR20060070263 A KR 20060070263A KR 100778098 B1 KR100778098 B1 KR 100778098B1
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moment gyro
axis
control moment
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KR1020060070263A
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서현호
이승우
오시환
이선호
임조령
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한국항공우주연구원
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    • B64G1/22Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/24Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
    • B64G1/244Spacecraft control systems

Abstract

A moment gyro cluster for three axis attitude control of an artificial satellite is provided to improve torque performance by using an MPP(Moore-Penrose Pseudoinverse) driving law. A moment gyro cluster is mounted with a predetermined rotation angle(sigma) between 0° and 360°. Sequential torque inputs are applied as much as rotation amounts of an artificial satellite along an axis direction using a new pyramid shape which the moment gyro cluster is mounted with the predetermined rotation angle. Torque inputs corresponding to x, y, and z axes are sequentially applied in accordance with an artificial satellite attitude movement range in respective axes such that an artificial satellite attitude movement is performed.

Description

인공위성 3축 자세제어용 제어 모멘트 자이로 클러스터{Moment Gyros'Cluster for Spacecraft Three Axis Attitude Control}Moment Gyros'Cluster for Spacecraft Three Axis Attitude Control}

도 1은 종래의 4개의 제어 모멘트 자이로를 이용한 피라미드 형상,1 is a pyramid shape using four conventional control moment gyros,

도 2는 본 발명에 따른 4개의 제어 모멘트 자이로를 이용한 개선된 피라미드 형상.2 is an improved pyramid shape using four control moment gyros according to the present invention.

본 발명은 4개의 제어 모멘트 자이로(CMG : Control Moment Gyro)를 피라미드 형상으로 배치함으로써, 제어 모멘트 자이로를 이용한 인공위성의 3축 자세 제어를 개선하고자 한다. 아울러 국내외에서 개발된 종래의 피라미드 형상이 가지고 있는 특이점 발생의 문제에 대한 해결책으로 종래의 구동법칙을 사용하는 것이 아니라 종래 피라미드 형상을 개선하기 위한 인공위성 3축 자세제어용 제어 모멘트 자이로 클러스터에 관한 것이다.The present invention is to improve the three-axis attitude control of the satellite using the control moment gyro by placing four control moment gyro (CMG) in a pyramid shape. In addition, as a solution to the problem of occurrence of singularity of the conventional pyramid shape developed at home and abroad, it does not use the conventional driving law but relates to a control moment gyro cluster for satellite three-axis attitude control to improve the conventional pyramid shape.

본 발명은 인공위성의 임무수행시 원하는 위치로 자세를 변화시키는 데 필요한 제어 모멘트 자이로 클러스터의 형상 배치에 관련된 기술로써, 종래의 인공위성 핵심 구동기 중에 하나인 반작용휠은 제어 모멘트 자이로에 비해 큰 토크를 발생시킬 수 없다는 단점이 있었다. 즉, 제어 모멘트 자이로와 반작용휠을 비교할 때, 제어 모멘트 자이로는 동일한 토크 성능을 반작용휠보다 더욱 효율적으로 생성할 수 있다. 따라서, 해외에서는 이처럼 고토크를 발생시켜 인공위성의 기동성을 향상시킬 수 있는 제어 모멘트 자이로를 우주 정거장과 같은 대형 인공위성에 적용하고 있는 실정이며, 향후 제어 모멘트 자이로는 모든 저궤도 인공위성의 고기동성을 보장할 수 있는 핵심 구동기 역할을 수행할 것이다.The present invention relates to a configuration of a control moment gyro cluster required to change a posture to a desired position when performing a mission of a satellite, and a reaction wheel, which is one of the conventional satellite core actuators, generates a greater torque than a control moment gyro. There was a disadvantage of not being able to. That is, when comparing the control moment gyro with the reaction wheel, the control moment gyro can generate the same torque performance more efficiently than the reaction wheel. As a result, overseas control moment gyroscopes, which generate high torque and improve the maneuverability of satellites, are being applied to large satellites such as space stations. In the future, control moment gyroscopes can guarantee the dynamics of all low-orbit satellites. Will act as a core driver.

제어 모멘트 자이로를 이용하여 위성의 3축 자세 제어를 하고자 할 때 발생 할 수 있는 가장 심각한 문제인 특이점을 해결해야 한다. 여기서, 특이점이란 제어 모멘트 자이로의 김벌각이 어느 특정한 조합에 이르면 원하는 방향으로 토크가 더 이상 발생하지 않는 것을 일컫는다.It is necessary to solve the singularity, the most serious problem that can occur when trying to control the 3-axis attitude of the satellite using the control moment gyro. Here, the singularity refers to the fact that the torque no longer occurs in the desired direction when the gimbal angle of the control moment gyro reaches a certain combination.

도 1에 도시된 바와 같이, 사각뿔의 종래 피라미드 형상은 여유자유도(Redundancy)로서 4개의 제어 모멘트 자이로를 도입하고 있다. 김벌각(δ1234)은 각각 고정된 김벌축(

Figure 112006053758019-pat00001
)에서의 회전각을 나타낸다. 이러한 김벌각 회전에 의해 생기는 각속도가 각운동량 벡터(
Figure 112006053758019-pat00002
)와 조합되어 4개의 제어 모멘트 자이로는 각각 자이로스코픽 토크를 발생시킨다. 그런데 이 토크를 명령하는 것은 인공위성의 외부제어루프이고, 이 토크명령을 입력으로 받아 이에 맞는 4개의 김벌 각속도 조합을 출력하는 것은 내부제어루프이다. 이 토크입력에 해당되는 김벌 각속도를 출력할 수 없을 때가 특이점에 빠진 상태이다. 종래의 기술은 이러한 특이점에서 회피하고자 여러 가지 구동법칙을 제안하였고, 이러한 구동법칙들은 각각의 고유한 특징과 장단점을 가지고 있다.As shown in Fig. 1, the conventional pyramid shape of the square pyramid introduces four control moment gyros as redundancy. The gimbal angles (δ 1 , δ 2 , δ 3 , δ 4 ) are respectively fixed gimbal axes (
Figure 112006053758019-pat00001
Represents the rotation angle at). The angular velocity generated by this gimbal angle rotation is the angular momentum vector (
Figure 112006053758019-pat00002
In combination with the four control moment gyroscopes each generate gyroscopic torque. However, this torque command is the external control loop of the satellite, and it is an internal control loop that receives this torque command as an input and outputs four gimbal angular velocity combinations. The singular point is when the gimbal angular velocity corresponding to this torque input cannot be output. The prior art has proposed various driving laws to avoid these singularities, and these driving laws have their own characteristics and advantages and disadvantages.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 종래의 특이점 회피 구동법칙에 의한 것이 아니라 피라미드 형상의 변화를 꾀하여 특이점을 회피할 수 있도록 한다. 그리하여 특이점 회피 구동법칙에 해당되는 종래의 기술을 그대로 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 특이점 회피 구동법칙이 아닌 Moore-Penrose Pseudoinverse 구동법칙만을 적용해도 내부특이점을 회피할 수 있는 인공위성 3축 자세제어용 제어 모멘트 자이로 클러스터를 제공하는 데 그 목적이 있다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is to avoid the singularity by changing the pyramid shape, not by the conventional singular point avoidance driving law. Thus, not only the conventional technology corresponding to the singular point avoidance driving law can be applied as it is, but also the control moment gyro for satellite 3-axis attitude control that can avoid the internal singularity by applying only Moore-Penrose Pseudoinverse driving law and not singular point avoidance driving law. The purpose is to provide a cluster.

한편, 본 발명이 제시하는 새로운 피라미드 형상은 종래 피라미드 형상에 비해 가지는 단점이 존재한다. 그러나 이러한 단점은 인공위성 운용시 기동하고자 하는 회전 방향의 빈도에 따라 상대적으로 무시할 수 있기도 한다. 예를 들어 저궤도 인공위성이 지구의 특정한 위치를 관측하고자 한다면, 도 1의 위성의 기준좌표계(Spacecraft Reference Frame)를 기준으로 x축 방향 토크가 필요하다. 그리고 x축 방향 토크는 위성이 궤도를 통과할 때 궤도면에 있는 지역뿐만 아니라 다른 지역도 촬영하고자 하는 데 반드시 필요하다. 따라서 이러한 x축 방향 토크입력의 빈도는 임의의 축으로 회전하는 위성의 토크명령 중에서 가장 잦을 수밖에 없다. 종래의 피라미드 형상에 해당되는 도 1은 이러한 x축 방향의 토크입력을 지속적으로 달성할 수 없고 내부특이점에 빠지게 되어 제어 모멘트 자이로의 성능을 충분히 활용할 수 없다는 단점이 존재한다. 이러한 단점을 극복하고자 종래에는 특이점 회피 구동법칙을 제안하였으나, 본 발명은 도 2와 같이 피라미드 형상의 개선으로 내부특이점을 회피하는 방법을 제안하는 인공위성 3축 자세제어용 제어 모멘트 자이로 클러스터를 제공하는 데 그 목적이 있다.On the other hand, the new pyramid shape proposed by the present invention has a disadvantage compared to the conventional pyramid shape. However, these shortcomings may be negligible depending on the frequency of the rotation direction to be maneuvered during satellite operation. For example, if a low-orbit satellite wants to observe a specific position of the earth, torque in the x-axis is required based on the spacecraft reference frame of the satellite of FIG. 1. And the x-axis torque is necessary to capture other areas as well as the area on the orbit when the satellite passes orbit. Therefore, the frequency of the torque input in the x-axis direction is the most frequent among the torque commands of the satellite rotating in any axis. 1 corresponding to the conventional pyramid shape has a disadvantage in that it is not possible to continuously achieve the torque input in the x-axis direction and fall into an internal specific point, and thus may not fully utilize the performance of the control moment gyro. In order to overcome this disadvantage, the driving principle of singularity avoidance has been proposed in the related art, but the present invention provides a control moment gyro cluster for satellite three-axis attitude control, which proposes a method for avoiding internal singularity by improving the pyramid shape as shown in FIG. There is a purpose.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 인공위성 3축 자세제어용 제어 모멘트 자이로 클러스터는, 제어 모멘트 자이로(CMG) 클러스터를 0°와 360°사이의 임의의 회전각(σ)으로 회전 장착시킨 새로운 피라미드 형상에서 위성의 기준좌표계에 대한 각운동량 벡터(

Figure 112007059926271-pat00026
)를 유도하면,
Figure 112007059926271-pat00027

상기 식에서 cσ=cosσ, sσ=sinσ, cβ=cosβ, sβ=sinβ, cδi=cosδi, sδi=sinδi이며, β는 (0°~ 90°사이의 비틀림각) 이고, x,y 및 z는 위성체기준좌표축, δ₁ 내지 δ₄는 (제어 모멘트 자이로의 0°~ 360° 사이의 김벌각)이고, 제어 모멘트 자이로의 김벌각이 모두 0인 상태(δ=[0 0 0 0]deg)에서는 임의의 회전각 (σ)에 대해 각운동량 값이
Figure 112007059926271-pat00028
을 만족하고, x-y평면에 임의의 회전각(σ)으로 4개의 제어 모멘트 자이로 클러스터를 대칭되도록 장착함으로써 달성된다.In order to achieve the above object, the control moment gyro cluster for satellite three-axis attitude control according to the present invention, the control moment gyro (CMG) cluster is rotated mounted at any rotation angle (σ) between 0 ° and 360 ° Angular momentum vector for the reference coordinate system of the satellite in the new pyramid shape
Figure 112007059926271-pat00026
),
Figure 112007059926271-pat00027

And wherein cσ = cosσ, sσ = sinσ, cβ = cosβ, sβ = sinβ, cδ i = cosδ i, sδ i = sinδ i, β is, x, y and a (a twist angle of between 0 ° ~ 90 °) z is the satellite reference coordinate axis, δ₁ to δ₄ (the gimbal angle between 0 ° and 360 ° of the control moment gyro), and when the gimbal angle of the control moment gyro is all zero (δ = [0 0 0 0] deg) The angular momentum value for any rotation angle (σ)
Figure 112007059926271-pat00028
Is achieved by mounting the four control moment gyro clusters symmetrically in the xy plane at any rotational angle σ.

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이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명에 따른 4개의 제어 모멘트 자이로를 이용한 개선된 피라미드 형상이다.2 is an improved pyramid shape using four control moment gyros according to the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 인공위성 3축 자세제어용 제어 모멘트 자이로 클러스터의 개선된 배치형상은, 위성의 기준좌표계(Spacecraft Reference Frame)가 종래의 도 1에 도시된 기준좌표계와 다르다. 즉, 4개 제어 모멘트 자이로의 배치는 고정된 상태에서 위성의 기준좌표계를 도 1의 z축을 기준으로 임의의 회전각(σ) 만큼 회전한 것이다. 이는 다른 표현으로 위성체가 고정된 상태에서 4개의 제어 모멘트 자이로를 임의의 회전각(σ) 만큼 회전해서 배치하는 경우를 의미한다. 이러한 도 2의 새로운 피라미드 형상에서 위성의 기준좌표계에 대한 각운동량 벡터(

Figure 112007059926271-pat00006
)를 유도하면 다음과 같다.As shown in FIG. 2, the improved arrangement of the control moment gyro cluster for satellite triaxial attitude control according to the present invention is different from that of the conventional reference coordinate system shown in FIG. 1. That is, the arrangement of the four control moment gyroscopes is to rotate the reference frame of the satellite by an arbitrary rotation angle σ around the z axis of FIG. 1 in a fixed state. In other words, this means a case where four control moment gyroscopes are rotated by an arbitrary rotation angle σ while the satellite is fixed. In the new pyramid shape of FIG. 2, the angular momentum vector for the reference coordinate system of the satellite (
Figure 112007059926271-pat00006
) Is derived as follows.

Figure 112007059926271-pat00029

여기에서 cσ=cosσ, sσ=sinσ, cβ=cosβ, sβ=sinβ, cδi=cosδi, sδi=sinδi, β는 (0°~ 90°사이의 비틀림각) 이고, δ₁ 내지 δ₄는 (제어 모멘트 자이로의 0°~ 360° 사이의 김벌각)이며, x,y 및 z는 위성체기준좌표축을 의미한다.
중요한 것은 도 2에 도시한 바와 같이, 제어 모멘트 자이로의 김벌각이 모두 0인 상태(δ=[0 0 0 0]deg)에서는 임의의 회전각 (σ)의 값에 관계없이 항상
Figure 112007059926271-pat00030
을 만족한다는 점이다.
즉, 상기와 같이 각운동량 벡터를 유도한 결과는 종래의 피라미드 형상을 포함하여 위성 기준좌표계에 대한 제어 모멘트 자이로의 배치 피라미드 형상을 더욱 일반화시킨 것이며, 이는 x-y평면에 임의의 회전각(σ)으로 4개의 제어 모멘트 자이로 클러스터(CMG#1,CMG#2,CMG#3,CMG#4)를 장착할 수 있음을 의미한다.
Figure 112007059926271-pat00029

Here cσ = cosσ, sσ = sinσ, cβ = cosβ, sβ = sinβ, cδ i = cosδ i, sδ i = sinδ i, β is a (a twist angle of between 0 ° ~ 90 °), δ₁ to δ₄ is ( Gimbal angle between 0 ° and 360 ° of the control moment gyro), and x, y and z are the satellite reference coordinate axes.
Importantly, as shown in FIG. 2, in the state where the gimbal angles of the control moment gyros are all zero (δ = [0 0 0 0] deg), regardless of the value of an arbitrary rotation angle σ
Figure 112007059926271-pat00030
Is satisfied.
That is, the result of deriving the angular momentum vector as described above is a generalization of the arrangement pyramid shape of the control moment gyro with respect to the satellite reference coordinate system, including the conventional pyramid shape, which is 4 at an arbitrary rotation angle (σ) in the xy plane. This means that the control moment gyro clusters CMG # 1, CMG # 2, CMG # 3, and CMG # 4 can be mounted.

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한편, 김벌축 벡터를 위성의 기준좌표계에 대해 표현하면 다음과 같다.On the other hand, if the gimbal axis vector is expressed in terms of the reference coordinate system of the satellite,

Figure 112006053758019-pat00009
Figure 112006053758019-pat00009

그리고, 토크벡터는 '

Figure 112007059926271-pat00010
'의 관계를 이용하며 이는 자코비안 행렬(J)의 각 열벡터 성분으로 표시할 수 있다. 그 결과는 다음 식에 나와 있다.And the torque vector is'
Figure 112007059926271-pat00010
'Can be expressed as each column vector component of the Jacobian matrix (J). The result is shown in the following equation.

Figure 112006053758019-pat00011
Figure 112006053758019-pat00011

Figure 112006053758019-pat00012
Figure 112006053758019-pat00012

이렇게 유도한 결과를 최종적으로 김벌각속도를 계산할 수 있는 Moore-Penrose Pseudoinverse 구동법칙인 다음 식에 적용하면 된다.This result can be applied to the following equation which is Moore-Penrose Pseudoinverse driving law that can finally calculate gimbal angular velocity.

Figure 112006053758019-pat00013
Figure 112006053758019-pat00013

여기에서

Figure 112007059926271-pat00014
는 4개 제어 모멘트 자이로의 김벌각속도 벡터(
Figure 112007059926271-pat00015
)를 나타내고 τ는 위성의 기준좌표계에 대한 토크벡터(
Figure 112007059926271-pat00016
)로서 토크입력에 해당된다.
이렇게 일반화된 식에서 z축을 중심으로 한 임의의 회전각인 σ의 값을 예로 들어본다. σ가 0°이면 도 1의 종래의 피라미드 형상이 되고, σ가 -45 ° 이면 도 2의 본 발명에 해당되는 새로운 피라미드 형상이 된다. 그리고, σ가 -45 °인 형태로 위성체에 4개의 제어 모멘트 자이로를 배치하면, x축 방향 토크입력에 대해 Moore-Penrose Pseudoinverse 구동법칙을 적용해도 내부특이점을 회피할 수 있다. 이는 종래의 피라미드 형상에 x축 방향 토크입력이 주어질 경우, Moore-Penrose Pseudoinverse 구동법칙이 내부특이점을 피할 수 없다는 단점을 극복한 것이다.
이를 구체적으로 설명하면, 도 1 과 도 2에 공통적으로 h= 15Nms, β=53.13°로 유지하고, 임의의 회전각 (σ)를 도 1에는 σ가 0°와 도 2에 σ가 -45°로 적용하여 Moore-Penrose Pseudoinverse 구동법칙을 적용하게 되면, 도 1의(종래의 피라미드형상) 경우 내부특이점을 만나기 전까지만 토크를 발생시키게 되어 도 1의 경우에는 -10Nm의 일정한 출력토크를 1.2초밖에 발생시키지 못하며 위성체의 회전속도가 극히 제한적으로 작용하여 3sec동안 2.6°까지 회전하게 되고, 반면에 도 2의 경우 상기 Moore-Penrose Pseudoinverse 구동법칙을 적용하게 되면, 내부특이점을 거치지 않아도 -10Nm의 일정한 출력토크를 약 4.5sec 동안 발생시킬 수 있어 위성체의 회전이 10sec동안 30°를 회전가능하게 하여 결국 z축을 중심으로 한 임의의 회전각(σ)가 0°에서 임의의 회전각(σ)가 -45° 만큼 축 이동시켜 새로운 피라미드 형상(도 2)으로 배치시킴으로 위성체의 자세기동능력이 개선되는 것을 확인할 수 있게 된다.From here
Figure 112007059926271-pat00014
Is the gimbal angular velocity vector of the four control moment gyros.
Figure 112007059926271-pat00015
) And τ is the torque vector (
Figure 112007059926271-pat00016
) Corresponds to torque input.
In this generalized example, take the value of σ, which is an arbitrary rotation angle around the z-axis. When σ is 0 °, the conventional pyramid shape of FIG. 1 is obtained, and when sigma is -45 °, a new pyramid shape corresponding to the present invention of FIG. If four control moment gyroscopes are arranged on the satellite in the form of sigma -45 °, even if the Moore-Penrose Pseudoinverse driving law is applied to the torque input in the x-axis direction, the internal specific point can be avoided. This overcomes the disadvantage that the Moore-Penrose Pseudoinverse driving law cannot avoid the internal special points when the conventional pyramid shape is given the x-axis torque input.
Specifically, in Fig. 1 and Fig. 2, h = 15 Nms and β = 53.13 ° are kept in common, and any rotation angle σ is 0 ° in Fig. 1 and σ is -45 ° in Fig. 2. When the Moore-Penrose Pseudoinverse driving law is applied, the torque is generated until the internal specific point of FIG. 1 (conventional pyramid shape) is met. In the case of FIG. 1, the constant output torque of -10Nm is only 1.2 seconds. Since the rotation speed of the satellite is extremely limited, it rotates to 2.6 ° for 3 sec. On the other hand, in the case of FIG. 2, if the Moore-Penrose Pseudoinverse driving law is applied, a constant output of -10 Nm is required even without passing through an internal specific point. Torque can be generated for about 4.5 sec so that the rotation of the satellite can rotate 30 ° for 10 sec, so that any rotation angle (σ) around the z axis is 0 ° and any rotation angle (σ) is -45. Axis shifted by ° By placing the new pyramid shape (Fig. 2), it is possible to confirm that the attitude maneuverability of the satellite is improved.

본 발명의 기술을 적용하면, 4개의 제어 모멘트 자이로를 대칭으로 배치한 종래 피라미드 형상의 특징을 그대로 따르면서 한쪽 방향 토크입력에 대해 종래 피라미드 형상이 극복하지 못한 문제점을 해결해 준다. 즉, 도 2의 임의의 회전각(σ)가 -45° 가 되어도 x-y평면에 서로 대칭인 상태로 제어 모멘트 자이로가 배치되어 있으므로, y축 방향 토크입력도 종래의 피라미드 형상(도 1)이 극복하지 못한 내부특이점에 빠지는 문제를 도 2의 본 발명을 사용함으로써 해결할 수 있는 것이다. 한편, z축 방향 토크입력에 대해서는 도 1과 도 2 모두 내부특이점에 빠져서 제어 모멘트 자이로의 성능을 충분히 발휘하지 못한다는 문제가 없으므로 본 발명의 대상에서 제외한다.Application of the technique of the present invention solves the problem that the conventional pyramid shape does not overcome for one-way torque input while still following the characteristics of the conventional pyramid shape in which four control moment gyros are arranged symmetrically. That is, even when the arbitrary rotation angle σ of FIG. 2 is -45 °, the control moment gyroscope is disposed in a symmetrical state on the xy plane, so that the y-axis torque input also overcomes the conventional pyramid shape (FIG. 1). The problem of not being able to fall into an internal special point can be solved by using the present invention of FIG. 2. On the other hand, the z-axis torque input is excluded from the object of the present invention because there is no problem that the performance of the control moment gyro is not sufficiently exhibited in both Figs.

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본 발명은 한쪽 방향 토크입력에 대해 내부특이점을 회피할 수 있다는 사실을 입증하고 있으므로, 실제 인공위성에 제어 모멘트 자이로를 적용할 때 본 발명을 적용하면 위성체의 순차적인 회전이 가능하다. 즉, 한쪽 방향 토크입력 뿐만 아니라 임의의 축으로 회전하고자 하는 인공위성에 대해 본 발명의 도 2에 도시된 바와 같이, 제어 모멘트 자이로를 배치하였다면, 위성체가 각 축방향으로 회전하고자 하는 만큼 순차적인 토크입력을 도입하면 된다. 예를 들어, 도 2의 x축(롤축), y축(피치축), z축(요축) 해당하는 토크입력을 각 축방향의 인공위성 자세기동 범위에 맞게 순차적(롤축 회전후 피치축 회전, 피치축 회전후 요축 회전 등)으로 적용하면 된다.Since the present invention proves that an internal specific point can be avoided for one direction torque input, when the present invention is applied to a control moment gyroscope, a sequential rotation of the satellite body is possible. That is, as shown in FIG. 2 of the present invention for the satellite to be rotated in any axis as well as the torque input in one direction, if the control moment gyro is disposed, the torque input is sequential as much as the satellite is intended to rotate in each axial direction. This can be introduced. For example, the torque input corresponding to the x-axis (roll axis), y-axis (pitch axis), and z-axis (yaw-axis) of FIG. After rotating the shaft, apply it to the yaw rotation, etc.).

이상에서 본 발명을 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정하지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.While the present invention has been illustrated and described with respect to preferred embodiments, the invention is not limited to the above-described embodiments, and is commonly used in the field of the invention without departing from the spirit of the invention as claimed in the claims. Anyone with a variety of variations will be possible.

이상에서 상술한 본 발명에 따르면, 제어 모멘트 자이로의 배치를 종래의 피라미드 형상에 적용하였을 때 내부특이점에 빠지는 문제가 있었으나, 이를 본 발명의 새로운 피라미드 형상으로 배치함으로써 해결하였다. 그리하여 4개의 제어 모멘트 자이로의 성능을 충분히 발휘할 수 있도록 개선하였다.According to the present invention described above, when the arrangement of the control moment gyro applied to the conventional pyramid shape, there was a problem of falling into the internal specific point, but solved by arranging it in the new pyramid shape of the present invention. Thus, the performance of four control moment gyros has been improved.

또한, 본 발명은 한쪽 방향 토크입력에 대해 가장 단순한 구동법칙인 Moore-Penrose Pseudoinverse 만을 적용하여 내부특이점을 회피할 수 있으므로 구동법칙 계산량의 감소 효과가 있다. 따라서, 실제 인공위성에 적용할 수 있는 가능성이 매우 높다. 더욱이 모든 방향의 내부특이점을 회피하고자 한다면, 새로운 피라미드 형상에 종래의 특이점 회피 구동법칙을 그대로 적용할 수 있는 가능성도 열어두었다.In addition, the present invention can reduce the driving law calculation amount by applying only Moore-Penrose Pseudoinverse, which is the simplest driving law, to the one-way torque input, thereby avoiding internal specific points. Therefore, the possibility of applying it to a real satellite is very high. Furthermore, if we want to avoid internal singularities in all directions, we have opened the possibility of applying the conventional singular point avoidance driving law to the new pyramid shape.

Claims (5)

제어 모멘트 자이로 클러스터를 0°와 360°사이의 임의의 회전각(σ)으로 회전 장착시킨 것을 특징으로 하는 인공위성 3축 자세제어용 제어 모멘트 자이로 클러스터.A control moment gyro cluster for satellite three-axis attitude control, wherein the control moment gyro cluster is rotated and mounted at an arbitrary rotation angle σ between 0 ° and 360 °. 제 1항에 있어서, 상기 인공위성 3축 자세제어용 제어 모멘트 자이로 클러스터는,The control moment gyro cluster of claim 1, wherein 위성의 기준좌표계에 대한 각운동량 벡터(
Figure 112007059926271-pat00031
)
Angular momentum vector for the reference coordinate system of the satellite (
Figure 112007059926271-pat00031
)
Figure 112007059926271-pat00032
Figure 112007059926271-pat00032
를 만족하며,Satisfying 상기 식에서 cσ=cosσ, sσ=sinσ, cβ=cosβ, sβ=sinβ, cδi=cosδi, sδi=sinδi 이고 β는 (0°~ 90°사이의 비틀림각) 이고, 1 내지 4는 4개의 제어 모멘트 자이로 클러스터(CMG#1,CMG#2,CMG#3,CMG#4), x,y 및 z는 위성체기준좌표축, δ₁ 내지 δ₄는 (제어 모멘트 자이로의 0°~ 360° 사이의 김벌각)이며,And (a twist angle of between 0 ° ~ 90 °) wherein cσ = cosσ, sσ = sinσ, cβ = cosβ, sβ = sinβ, cδ i = cosδ i,i = sinδ i and β is 1 to 4 4 Control moment gyro clusters (CMG # 1, CMG # 2, CMG # 3, CMG # 4), x, y and z are the satellite reference coordinate axes, and δ₁ to δ₄ are the latitudes between 0 ° and 360 ° of the control moment gyro. Bee angle) 제어 모멘트 자이로의 김벌각이 모두 0인 상태(δ=[0 0 0 0]deg)에서는 임의의 회전각 (σ)에 대해 각운동량 값이
Figure 112007059926271-pat00033
을 만족하는 것을 특징으로 하는 인공위성 3축 자세제어용 제어 모멘트 자이로 클러스터.
When the gimbal angles of the control moment gyro are all zero (δ = [0 0 0 0] deg), the angular momentum value for the arbitrary rotation angle (σ)
Figure 112007059926271-pat00033
Control moment gyro cluster for satellite three-axis attitude control, characterized in that to satisfy.
제 2항에 있어서,The method of claim 2, 4개의 제어 모멘트 자이로 클러스터에 대한 김벌축 벡터가Gimbal axis vectors for four control moment gyro clusters
Figure 112007059926271-pat00034
Figure 112007059926271-pat00034
를 만족할때,When satisfying, 4개의 제어 모멘트 자이로 클러스터의 토크벡터는,The torque vectors of the four control moment gyro clusters are '
Figure 112007059926271-pat00035
'
'
Figure 112007059926271-pat00035
'
가 되며,Becomes 상기 토크벡터를 자코비안 행렬(J)의 각 열벡터 성분으로 표시하면,When the torque vector is represented by each column vector component of the Jacobian matrix J,
Figure 112007059926271-pat00036
Figure 112007059926271-pat00036
Figure 112007059926271-pat00037
Figure 112007059926271-pat00037
인 것을 특징으로 하는 인공위성 3축 자세제어용 제어 모멘트 자이로 클러스터.Control moment gyro cluster for satellite three-axis attitude control, characterized in that.
제 2항에 있어서,The method of claim 2, 임의의 회전각인 σ가 -45°인 것을 특징으로 하는 인공위성 3축 자세제어용 제어 모멘트 자이로 클러스터.A control moment gyro cluster for satellite triaxial attitude control, characterized in that an arbitrary rotation angle σ is -45 °. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 4, 제어 모멘트 자이로(CMG) 클러스터를 임의의 회전각(σ)으로 회전 장착시킨 새로운 피라미드 형상을 이용하여, 위성체가 각 축방향으로 회전하고자 하는 만큼 순차적인 토크입력을 도입하면,Using a new pyramid shape in which the control moment gyro (CMG) cluster is rotated and mounted at an arbitrary rotation angle (σ), when the satellite body introduces sequential torque input as much as it wishes to rotate in each axial direction, 즉, x축(롤축), y축(피치축), z축(요축)에 해당하는 토크입력을 각 축방향의 인공위성 자세기동 범위에 맞게 순차적으로 적용함으로써, 인공위성의 자세기동을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 인공위성 3축 자세제어용 제어 모멘트 자이로 클러스터.That is, by applying torque inputs corresponding to the x-axis (roll axis), y-axis (pitch axis) and z-axis (yaw-axis) sequentially according to the satellite attitude start range in each axial direction, A control moment gyro cluster for satellite 3-axis attitude control.
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