KR20160125357A

KR20160125357A - 애자일 위성 어플리케이션들을 위한 자세 제어

Info

Publication number: KR20160125357A
Application number: KR1020167020155A
Authority: KR
Inventors: 마르코 아나니아; 도메니코 카스코네
Original assignee: 탈레스 알레니아 스페이스 이탈리아 에스.피.에이 콘 유니코 소시오
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2016-10-31
Also published as: ES2694691T3; CN106068440A; WO2015097672A2; EP3216705B1; US20200047922A1; ITTO20131067A1; BR112016014819A2; EP3087006A2; SG11201604913TA; AU2018200772A1; PL3087006T3; AU2014372139B2; AU2014372139A1; WO2015097672A3; EA201691308A1; CN106068440B; EA201891068A1; US20170029139A1; SG10201805372WA; EP3216705A1

Abstract

본 발명은 일반적으로 자세 제어에 관한 것이고, 특히, 스페이스 플랫폼의, 편리하게는 위성 및/또는 우주선의 자세의 제어에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명의 일측면은, 제한된 짐벌 레볼루션들을 구비한 여러 개의 제어 모멘트 자이로스코프들(3,41,42,43,44,61,62,63,64)의, 자세 제어 시스템(100)에서의 사용에 관한 것이다. 또한, 본 발명의 다른 측면은 자세 제어 시스템(100)의 제어 모멘트 자이로스코프 어셈블리(4,6,120)를 제어하는 향상된 로직에 관한 것이다.

Description

애자일 위성 어플리케이션들을 위한 자세 제어{ATTITUDE CONTROL FOR AGILE SATELLITE APPLICATIONS}

본 발명은 일반적으로 자세(attitude) 제어(control)에 관한 것이고, 특히, 스페이스 플랫폼(space platform)의, 편리하게는 위성(satellite) 및/또는 우주선(spacecraft)의 자세의 제어에 관한 것이다.

공지된 바와 같이, 제어 운동량(Momentum)(또는 모멘트(Moment)) 자이로스코프(Gyroscope)(또는 자이로(Gyro))(이하, CMG로 지칭될 것인)는 자세 제어, 특히 우주선/위성 자세 제어 시스템에서 사용되는 토크 발생기(torque generator)이다. 보통 그것의 고출력 토크 및 빠른 응답을 위한 리액션 휠들(reaction wheels)을 대신해 사용된다.

이와 관련하여, 도 1은, 위성 자세 제어에 활용 가능한 CMG의 작동 원리(1에 의해 전체로서 표시된) 예로서, 개략적으로 도시한다.

특히, 도 1에 도시된 바와 같이, CMG(1)는 케이싱(casing)(12)에 수용되고(housed) 각운동량(angular momentum) H를 가짐으로써 플라이휠 모터(도면 간략성을 위해 도 1에 도시되지 않음)에 의해 일정한(constant) 각속도(angular velocity)에서 회전하는, 플라이휠(flywheel), 또는 로터(rotor)(디스크(disc)(11)로서 개략적으로 나타낸) 포함한다.

플라이휠(11)은 위성을 회전시키는데 사용될 수 있는 자이로스코프(또는 자이로-이펙트(gyro-effect)) 토크 T를 발생시킴으로써, 각운동량 벡터 H에 수직한 짐벌 축 G에 대한 그의 각운동량 벡터 H, 및 상기 플라이휠(11)을 회전하도록 짐벌 모터(gimbal motor)(도면 간략성을 위해 도 1에 도시되지 않음)에 의해 작동할 수 있는 짐벌(gimbal)(도면 간략성을 위해 도 1에 도시되지 않음)에 연결된다. 발생된 토크 T는 두 로터 각운동량 벡터 H 및 짐벌 축 G에 수직한 축에 놓이고, 로터(11)가 상기 짐벌 축 G에 대한 짐벌에 의해 회전되는 것으로 동일한 각속도로 짐벌 축 G에 대하여 회전한다.

우주선/위성 자세 제어 시스템들에서의 제어 모멘트 자이로들(CMG들)의 사용은 액츄에이터들(actuators)의 이 유형의 특이성(peculiarity) 때문에 여러 해 동안 제한되었다. 사실, CMG들은 레볼루션들의 무한수(infinite number)를 허용하는 기계적 짐벌들에 기초하는 복잡한 전자 기계 유닛들(complex electromechanical units)이다; 그들의 조인트들(their joints)은 액츄에이션 스타트 및 스탑 위상들(actuation start and stop phases) 동안 높은 회전 스피드들(speeds)과 엄청난 가속도들을 그들의 지원해야 한다. 또한, 그들은 슬립-링 시스템들(slip-ring systems)에 기초하고, 이는 비용들을 증가시키고 전체의 시스템의 신뢰성을 감소시킨다.

CMG에 의해 생성된 토크는 짐벌 축에 직교하는 평면에서 회전하기 때문에, 여러 개의 CMG 유닛들을 포함하는 클러스터 또는 어셈블리는 삼차원 스페이스에서 또는 평면에서 원하는 토크를 제어하도록 보통 요구된다. 이와 관련하여, 용어들(terminologies) "CMG 클러스터(CMG cluster)" 및 "CMG 어셈블리(CMG assembly)"는 본 발명에서 차별 없이(indifferently) 사용될 것이라는 사실에 주의를 촉구한다.

CMG 클러스터의 구성은 모든 CMG 유닛들의 방향들(directions)에 의해, 특히 짐벌 축들(gimbal axes)의 방향들에 의해 보통 정의된다.

공지된 바와 같이, 전형적인 단일 짐벌 CMG 어셈블리들(single gimbal CMG assemblies)(즉, 로터 당 하나의 짐벌로)은 일반적으로 대칭들(symmetries)의 특정 유형들을 가지며, 이는 두 개의 메인 유형들로 분류될 수 있다; 독립적인 유형 및 다중 유형. 특히, 독립적인 유형의 단일 짐벌 CMG 어셈블리는 평행한 짐벌 방향들/축들을 가지지 않으며, 반면 다중 유형의 단일 짐벌 어셈블리는 평행한 짐벌 방향들/축들의 그룹들을 가진다.

이와 관련하여, 도 2는 여섯 개의 단일 짐벌 CMG들(즉, 각 CMG가 단일 짐벌을 갖는)을 포함하는 다중 유형(2에 의해 전체로서 표시된)의 단일 짐벌 CMG 클러스터를 개략적으로 도시한다. 특히, 도 2에서, 도면 간략성을 위하여, 여섯 개의 단일 짐벌 CMG들의 로터들만을 도시한다. 상세하게는, 도 2에 도시된 바와 같이, 세 개의 로터들(각각, 21, 22, 23에 의해 표시된) 및, 대응하는 세 개의 CMG들은 서로 평행한 제1 짐벌 방향들/축들(각각,

,

에 의해 표시된)을 가지고, 반면 다른 세 개의 로터들(각각, 24, 25, 26에 의해 표시된) 및 다른 세 개의 CMG들은 서로 평행하고 제1 짐벌 방향들/축들

,

및

에 평행하지 않는 제2 짐벌 방향들/축들(각각,

,

에 의해 표시된)다.

또한, 로터들(21, 22, 23)은 하나의 동일한 평면에서 회전하는 각운동량 벡터들(각각,

,

에 의해 표시된)을 가지고, 로터들(24, 25, 26)은 로터들(21, 22, 23)의 각운동량 벡터들

,

및

이 회전하는 평면에 평행한 하나의 동일한 평면에서 회전하는 각운동량 벡터들(각각,

,

에 의해 표시된)을 가진다.

CMG 클러스터의 예는 US 2011/011982 A1에 개시되며, 이는 우주선 자세 제어 시스템을 위한 모듈형 CMG 시스템(modular CMG system)에 관련되고, 모듈형 CMG 시스템은 복수의 CMG 모듈들에 의해 형성되고, 각 CMG 모듈은, 복수의 CMG 모듈들이 다중 배열 구성들 중 임의의 원하는 하나에서 우주선 배열 버스 구조로 장착할 수 있는 것 같은, 다른 CMG 모듈들의 것과 동일한 모듈형 인클로저 디자인(modular enclosure design)을 가진다.

또한, US 2003/160132 A1는 다이나믹 불균형 모멘트의 존재를 보상하기 위하여 우주선에서의 회전하는 어셈블리의 다이나믹 불균형을 보상하는 다이나믹 불균형 보상 시스템(dynamic unbalance compensation system)을 개시한다. 특히, US 2003/160132 A1에 따른 상기 다이나믹 불균형 보상 시스템은 우주선, 우주선에 관련된 회전의 축에 대하여 회전 가능하고(rotatable) 우주선에 장착되는 회전 어셈블리 및 회전의 축에 수직하는 운동량 벡터 구성요소를 발생하고 회전 어셈블리에 장착되는 하나 이상의 운동량 디바이스들을 포함한다. 하나 이상의 운동량 디바이스들은 회전 어셈블리의 다이나믹 불균형을 보상하기 위하여 회전 어셈블리의 회전 동안 보상 토크를 발생시킨다.

CMG 클러스터들의 가장 중요한 단점은 CMG들이 특정 방향들을 따라 토크를 생성할 수 없는 일부 상태들이 존재한다는 것이고, 이는 특이 방향들(singularity directions)이라 불린다. CMG 클러스터는 그것이 특별 짐벌 각도 기하학적 구성(particular gimbal angle geometric configuration)에 도달할 때 특이 방향에 접근한다. 그러므로, 애드 혹 특이 회피 로직들(ad hoc singularity avoidance logics)은 이 문제의 영향들을 완화시키기 위하여, 다른 장점들과 단점들로, 선택되어야 한다.

과거에, 여러 CMG 제어 기술들은 특이 상태들을 회피하기 위하여 제안되고 구현되었다, 이와 같이:

* 미션 요구들을 만족하기 위하여, 동시에, 특이 상태들을 회피하기 위하여, 오프라인 짐벌 궤도들(offline gimbal trajectories)을 계산하기(compute) 위해 지상에 선험적으로(a priori on ground) 수행되는 오프라인 최적화들(offline optimizations)

* 액츄에이트된(actuated) 토크로 오류들(errors)/장애들(disturbances)을 유입하는(introducing) 특이 회피 기술들

CMG들의 배열들에서의 특이 회피를 위한 계층적 전류의 예는 EP 1 908 686 A1에 개시되고, 이는 우주선의 자세 조정을 위한 제어 시스템에 관련되며, 제어 시스템은 포함한다:

* 무효 스페이스 메뉴버링(null space maneuvering)을 허용하도록 구성된 CMG들 세트; 및

* CMG들 세트에 연결된 운동량 액츄에이터 제어 프로세서 그리고

- 특이성들을 회피하도록 필수(mandatory) 무효 스페이스 메뉴버를 결정하고, 및

- 이용가능한 토크를 증가시키도록 선택적(optional) 무효 스페이스 메뉴버를 결정하도록 구성됨

특히, 상기 필수 무효 스페이스 메뉴버는 특정 짐벌 각도들에 기초하여 산출될 수 있고, 역-야코비안 제어 행렬(inverse-Jacobian control matrix)을 증대시킴으로써(augmenting) 구현될 수 있다.

그러므로, 본 발명의 제1 목적은 더 낮은 복잡성(complexity)을 갖는 자세 제어 시스템을 제공하고, 그래서 더 낮은 비용들, 및, 동시에, 공지된 자세 제어 시스템들 보다 더 높은 신뢰성(reliability) 및 안정성(stability)을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 제2 목적은 향상된 특이 회피 기능들(improved singularity avoidance capabilities)을 구비한 자세 제어 시스템을 제공하는 것이다.

이러한 및 다른 목적들은 청구된 청구항들에 정의된 바와 같이, 제어 모멘트 자이로스코프 어셈블리(Control Moment Gyroscope assembly), 자세 제어 유닛(attitude control unit) 및 자세 제어 시스템(attitude control system)에 관련되어 본 발명에 의해 달성된다.

본 발명의 더 나은 이해를 위하여, 한정하지 않는 예들로 오직(purely) 의도되는, 바람직한 실시예들이 첨부된 도면들(비례가 아닌 모든(all not to scale))을 참조하여 이제 설명될 것이다.
* 도 1은 제어 운동량 자이로스코프의 작동 원리를 개략적으로 도시한다.
* 도 2는 다중 유형의 제어 운동량 자이로스코프 클러스터를 개략적으로 도시한다.
* 도 3은 본 발명의 제1 측면의 바람직한 실시예에 따른 제어 운동량 자이로스코프를 개략적으로 도시한다.
* 도 4는 본 발명의 제2 측면의 제1 바람직한 실시예에 따른 제어 운동량 자이로스코프 클러스터를 개략적으로 도시한다.
* 도 5는 도 4의 클러스터의 세 개의 제어 운동량 자이로스코프들의 특이 표면들(singularity surfaces)을 도시한다.
* 도 6은 본 발명의 상술한 제2 측면의 제2 바람직한 실시예에 따른 제어 운동량 자이로스코프 클러스터를 개략적으로 도시한다.
* 도 7-9는 도 4에 도시된 클러스터의 제1 바람직한 실시예에 따른 제어 운동량 자이로스코프 클러스터의 각운동량 엔벨로프를, 세 개의 레퍼런스 평면들(reference planes)에서, 도시한다.
* 도 10은 도 4에 도시된 클러스터의 상기 제1 바람직한 실시예에 따른 제어 운동량 자이로스코프 클러스터의 전체의 삼차원 각운동량 엔벨로프(overall three-dimensional angular momentum envelope)를 도시한다.
* 도 11은 본 발명의 제3 측면의 바람직한 실시예에 따른 제어 운동량 자이로스코프 클러스터 제어 로직을 구현하는 위성/우주선 자세 제어 시스템을 개략적으로 도시한다.
* 도 12-14는 도 4에 도시된 클러스터의 제2 바람직한 실시예에 따른 제어 운동량 자이로스코프 클러스터의 각운동량 엔벨로프를, 세 개의 레퍼런스 평면들에서, 도시한다.
* 도 15 및 도 16은 출원인에 의해 수행된 본 발명의 두 개의 테스트들 결과들을 개략적으로 도시한다.

다음의 설명은 당업자가 본 발명을 구성하고 사용하는 것을 가능하게 하도록 제공된다. 실시예들에 다양한 수정들은 청구된 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 도시되고 설명되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 청구된 청구항들에 정의되고 본원에 개시된 원칙들 및 특징들에 일치하는 가장 넓은 범위를 부여하려는 것이다.

본 발명은 일반적으로 자세 제어에 관한 것이고, 특히, 스페이스 플랫폼, 편리하게는(conveniently), 위성 및/또는 우주선의 자세의 제어에 관한 것이다.

상세하게는, 본 발명의 제1 측면은 제한된 짐벌 레볼루션들(limited gimbal revolutions)을 구비한 여러 CMG들의 자세 제어 시스템에서의, 사용에 관련되고, 본 발명의 제2 측면은 자세 제어 시스템에 대한 CMG 어셈블리(assembly)의 특정 구성(configuration)에 관련되고, 본 발명의 제3 측면은 자세 제어 시스템의 CMG 어셈블리를 제어하기 위한 특정 로직(logic)에 관련된다. 본 발명의 상술한 세 측면들의 시너지 조합(synergetic combination)은 CMG들의 사용에 관련된 모든 주요 문제들을 극복하는 새롭고 독창적인 자세 제어 시스템을 실현하는 것을 허용한다.

그런데, 전술을 침해하지 않고, 이는 본 발명의 상술한 세 측면들 각각은 그 자체로(per se) 각각의 중요한 기술적 장점들을 달성하고, 그래서, 다른 두 측면들과 연결되지 않아도 새롭고 독창적인 자세 제어 시스템을 실현하는 것을 허용한다는 것에 주목하는 것이 중요하다. 특히, 제1 측면에 따른 제한된 짐벌 레볼루션들을 구비한 CMG들의 사용은, 그 자체로, 제 3측면에 따른 특정 CMG 어셈블리 제어 로직 및 제2 측면에 따른 특정 CMG 어셈블리 구성의 사용 조차 없이 새로운 독창적인 자세 제어 시스템을 실현하는 것을 허용한다. 또한, 제2 측면에 따른 특정 CMG 어셈블리 구성의 사용은, 그 자체로, 제3 측면에 따른 특정 CMG 어셈블리 제어 로직 및 제1 측면에 따른 제한된 짐벌 레볼루션들을 구비한 CMG들의 사용 조차 없이 새롭고 독창적인 자세 제어 시스템을 실현하는 것을 허용한다. 마지막으로, 제3 측면에 따른 특정 CMG 어셈블리 제어 로직의 사용은, 그 자체로, 제2 측면에 따른 특정 CMG 어셈블리 구성 및 제1 측면에 따른 제한된 짐벌 레볼루션들을 구비한 CMG들의 사용 조차 없이 새롭고 독창적인 자세 제어 시스템을 실현하는 것을 허용한다.

특히, 본 발명의 제1 측면에 대해, 이 측면은 여러 CMG들(또는 CMG 유닛들)의, 자세 제어 시스템에서의, 사용에 관련되고, 각각의 것(each of which)은 그의 축에(on its axis) 전체 레볼루션들(full revolutions)의 제한된 수만을 수행하도록 작동될 수 있게 하기 위하여 기계적으로 제한된(constrained) 각각의(respective) 짐벌(gimbal)을 가진다.

상세하게는, 알려진 바와 같이 그리고 앞서 설명된 바와 같이, CMG에서 플라이휠 모터(flywheel motor)는 그 축 상의(on its axis) 플라이휠(또는 로터)을 회전시키는데 사용되며, 플라이휠 모터는 보통 짐벌에 배열된다. 그러므로, CMG에서 고정되고 회전하는 파트들 사이의 전기적 연결들(electrical connections)은 플라이휠 모터를 피드(feed)하고(특히, 플라이휠 모터의 위상들(phases)을 피드) 로터와 연결되는 센서들로부터 신호들을 얻도록 제공되어야 한다. 본 발명의 제1 측면에 따라서, 이는 플렉서블 케이블(flexible cable)의 수단들에 의해 달성되며, 바람직하게는 짐벌의 회전에 대응하는, 플랫 플렉서블 케이블(flat flexible cable)은 짐볼 축에 둥글게 말렸다 펴지고(rolled and unrolled)(즉, 감겼다 펴지고(coiled and uncoiled)) 이는 CMG로부터/로 파워 및 신호 연결을 보장한다. 상술한 플레서블 케이블의 사용 때문에, 짐볼 레볼루션들의 최대 수는 사용된 플렉서블 케이블의 길이에 따라 달라지고, 이는, 그래서, 그 축 상의 짐볼에 의해 시계방향 및 반시계방향으로 수행가능한 전체 레볼루션들의 수에 대한 기계적 제한(mechanical constraint)을 나타낸다. 사실, 이러한 한계를 초과하는 경우, 파워 및 신호 연결이 중단되기 때문에 CMG 유닛은 실패한다.

본 발명의 제1 측면의 더 나은 이해를 위해, 레퍼런스(reference)는 본 발명의 상기 제1 측면의 바람직한 실시예에 따른 CMG(3에 의해 전체로서 표시된)를 개략적으로 도시한 도 3에 이루어진다(made).

특히, CMG(3)는 포함한다:

* 플라이휠 모터(도 3에 보이지 않는 상기 플라이휠 모터, 플라이휠 축 및 플라이 휠)에 의해 플라이휠 축을 중심으로 회전하는(spun on) 플라이휠, 그 내부에, 하우스들인 케이싱(31); 및

* 짐벌(32)은,

- 케이싱(31) 안으로 연장하고 또한 후방(latter)으로부터 외부적으로(externally) 돌출하고, 및

- 짐벌 축

에 시계방향 및 반시계방향으로 회전 가능하고 상기 짐볼 축

에 대하여 시계방향 및 반시계방향으로 후방이 회전하도록 하는 플라이휠과 연결됨

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 플렉서블 케이블(33), 바람직하게는 플랫 플렉서블 케이블은 짐벌(32)에, 외부적으로 케이싱(31)에 연결된다, 일반적으로, CMG(3) 및 특히, 케이싱(31) 내부에 플라이휠 모터를 피드(feed)하도록, 그리고 일반적으로, CMG(3) 및 특히, 상기 플라이휠에, 연결된 센서들에 의해 제공되는 신호들을 수신하도록.

특히, 사용에서, 짐벌 축

상의 상기 짐볼(32)에 의해 시계방향 및 반시계방향으로 수행가능한 전체 레볼루션들의 수를 기계적으로 제한함으로써, 짐벌 회전은 플렉서블 케이블(33)이 짐벌(32)에 둥글게 말렸다 펴지게(즉, 감겼다 펴지는) 한다.

본 발명의 제1 측면은 여러 장점들을 제공한다. 특히, 이는 우주 환경에서 시스템 신뢰성 및 내구성 그리고 유닛 인증 프로세스(unit qualification process)의 비용들의 측면들에서 긍정적 영향들로 CMG로/로부터 신호들 및 파워를 전송하기 위한 롤-링들(roll-rings) 또는 슬립-링들(slip-rings)의 사용을 회피하는 것을 허용한다. 편리하게는, 제안된 솔루션(solution)은 플렉서블 케이블들에, 바람직하게는 플랫 플렉서블 케이블들, 즉 움직이는 파트들을 사용하지 않고 더 나은 신뢰성, 안정성 및 전자기 노이즈 저항을 가지는 파워 및 신호 전송 요소들(transmission elements)에 기초한다.

또한, 제한된 짐벌 레볼루션들을 구비한 CMG들의 사용 덕분에, 짐벌 센서 디자인 및 관리는 간략화될(simplified) 수 있으며, 이는 무한 짐벌 각도 레볼루션들을 측정하는 것이 요구되지 않기 때문이다. 이 사실은 간략화된 각도 복원(reconstruction) 알고리즘들을 구비한 센서 유형들(예컨대, 사인/코사인 타입의 아날로그 출력들을 제공하는 센서들)의 사용을 허용하고 따라서 시스템 신뢰성 및 비용들에 긍정적인 영향들을 가지는 것을 허가한다.

본 발명의 제1 측면에 관련된 상술한 기술적 장점들을 고려하면, 이는 이미 앞에서 설명된 바와 같이, 제한된 짐벌 레볼루션들을 구비한 CMG들의 사용은, 새롭고 독창적인 자세 제어 시스템을 실현하는 것을(심지어 본 발명의 제2 및 제3 측면들에 따른 추가적인 특징들 없이), 그 자체로, 허용한다는 것이 쉽게 이해될 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명의 제1 측면이:

* 본 발명의 제2 측면에 따른 것과 다른 구성을 구비한 CMG 클러스터(CMG cluster)를 갖음; 및/또는

* 본 발명의 제3 측면에 따른 것과 다른 CMG클러스터 제어 로직(CMG cluster control logic)을 실시하는(implements)

자세 제어 시스템에서 또한 유리하게 활용될(exploited) 수 있다는 점을 강조하는 것이 중요하다.

또한, 본 발명의 제3 측면에 있어서, 이 측면은 두 그룹들, 즉 제1 및 제2 그룹으로 나누어진 여러 개의(several) CMG들의 클러스터의, 자세 제어 시스템에서의, 사용에 관련한다:

* 제1 그룹의 CMG들은 가진다

- 하나의 동일한 일직선(straight line)을 따라 놓이거나(lie) 서로 평행한 짐벌 축들, 및

- 평행한 평면들(planes)에서 또는 하나의 동일한 평면에서 회전하는 로터 각운동량 벡터들(rotor angular momentum vectors)

* 제2 그룹의 CMG들은

- 하나의 동일한 일직선을 따라 놓이거나 서로 평행한, 및

- 제1 그룹의 CMG들의 짐벌 축들에 평행하지 않는

짐벌 축들을 가진다

* 제2 그룹의 CMG들은 평행한 평면들에서 또는 하나의 동일한 평면에서 회전하는 로터 각운동량 벡터들을 가짐;

* 제1 그룹의 CMG들의 로터 각운동량 벡터들이 회전하는 평면(들)은 제2 그룹의 CMG들의 로터 각운동량 벡터들이 회전하는 평면(들)을 교차함.

편리하게는, 제1 그룹 및 제2 그룹의 CMG들의 짐벌 축들은 하나의 동일한 평면에 놓인다.

바람직하게는, CMG 클러스터는 세 개 이상의 CMG들을 포함한다; 예를 들면 CMG 클러스터는 네 개의 CMG들을 편리하게 포함할 수 있다.

편리하게는, 제1 그룹 및 제2 그룹의 CMG들은 본 발명의 제1 측면에 따른 제한된 짐벌 레볼루션들을 가진다.

본 발명의 제2 측면의 더 나은 이해를 위하여, 도4는 본 발명의 상술한 제2 측면의 제1 바람직한 실시예에 따른 자세 제어 시스템을 위한 제1 CMG 클러스터(4에 의해 전체로서 표시된)의 제1 구성을 개략적으로 도시한다.

특히, CMG 클러스터(4)는 네 개의 CMG들(41, 42, 43, 44)(도면 간략화를 위하여, 도 4에서 단지 4개의 CMG들(41, 42, 43, 44)의 로터들이 도시된다)을 포함하며, 이는 두 쌍들(two pairs), 즉 제1 및 제2 쌍으로 나누어지고, CMG들의 각 쌍은 평행한 짐벌 축들을 가진다(그럼으로써 발생한 결과로 CMG 클러스터(4)가 다중 유형(multiple type)의 CMG 클러스터임).

상세하게는, 도 4에 도시된 바와 같이, CMG들(41, 42)는 가진다:

* 평행한 짐벌 축들

및

; 및

* 하나의 동일한 평면에서 회전하는 로터 각운동량 벡터들 H₁ 및 H₂.

또한, CMG들(43, 44)는 가진다:

* CMG들(41, 42)의 짐벌 축들

및

에 평행하지 않고, CMG들(41, 42)의 짐벌 축들

및

로서 동일한 평면에 놓인(상기 도에 도시된 삼차원 데카르트 레퍼런스 시스템(three-dimensional Cartesian reference system) XYZ의 XY 평면에 의해 도 4에서 나타내는 짐벌 축들

,

및

에 공통된(common) 상기 평면); 및

* CMG들(41, 42)의 로터 각운동량 벡터들 H₁ 및 H₂이 회전하는 평면에 교차하는 하나의 동일한 평면에서 회전하는 로터 각운동량 벡터들 H₃ 및 H₄.

또한, CMG들(41, 42)의 로터 각운동량 벡터들 H₁ 및 H₂이 회전하는 평면은 Y축과 각도

를 형성하고, CMG들(43, 44)의 로터 각운동량 벡터들 H₃ 및 H₄ 이 회전하는 평면은 X축과 각도

를 형성한다.

CMG 클러스터(4)에 의해 나누어진 전체 각운동량

은 간단한 삼각함수식들에 의한 각 CMG(41, 42, 43, 44)의 짐벌 각도들

의 함수로서 표현될 수 있다:

(1)

는 단일 CMG 유닛(본 발명 예시에서 각 CMG 유닛의 각운동량이 또한 다른 CMG 유닛들의 것들(the ones of the other CMG units)로부터 다를 수 있음을 명백하게 유지하고, 모든 CMG들(41, 42, 43, 44)에 대해 동일일 것으로 추측되는 상기 각운동량

)의 각운동량을 표시하고,

및

는 로터 각운동량 벡터들 H₁ 및 H₂, 및 H₃ 및 H₄ 각각 회전하는 두 개의 교차하는 평면들 사이의 기울기 각도(tilt angle)를 고려하는 회전 행렬들(rotation matrices)을 표시한다.

그래서, 전체 각운동량 벡터의 미분은:

(2)

이며,

는,

(3)

으로 정의된 야코비안 행렬(Jacobian matrix)이다.

사용에서, CMG 클러스터 제어 로직은 CMG 클러스터(4)가 요청된 각운동량 변화(variation)를 제공하도록 하는 짐벌 각도 변화 명령(gimbal angle variation command)을 검색하기(find) 위하여 상술한 식(3)을 인버트한다(invert).

기계적인 관점으로부터, 식(3)의 인버전(inversion)은 야코비안 행렬의 디터미넌트(determinant)가 영(null)인 경우 불가능할 수 있다; 사실, 이 경우 식(3)은 인버트될 수 없고, 그래서, 이는 솔루션을 획득하는 것이 불가능하다. 이 상태가 발생할 때, CMG 시스템(4)이 요청된 토크를 제공할 수 없는 디렉션(direction)이 존재하고 이 상황은 "특이 상태(singularity condition)"라고 한다.

본 발명은 단지 세 개의 CMG들이 사용되는 경우에서의 제안된 구성의 특이성들의 토폴로지(topology)의 장점을 취한다. 이 CMG 구성은 각운동량 유효성(availability)의 측면에서 독특한 특성들(peculiar characteristics)을 가진다: 이는 아무 특이한 상태가 발생하지 않음에서(in which no singular conditions occur), 각운동량 타원형 엔벨로프(angular momentum elliptical envelope)를 가진다. 이 각운동량의 엔벨로프에서의 특이-프리 영역(singularity-free region)은 반경 1H, 1H,

H의 타원체(ellipsoid)로 근사화될 수 있다. 이와 관련하여, 도 5는 세 개의 사용된 GMC들의 특이 표면들, 즉 야코비안 행렬은 인버트될 수 없는 각운동량 표면들을 도시한다. 도 5로부터 임의의 특이 표면이 없는 내부 영역은 분명히 나타난다(evident).

도 4에 도시된 CMG 클러스터(4)의 구성이 네 개의 CMG들을 이용한다는 사실을 고려하면, 최대 네 개의 CMG 유닛 트리플릿들(triplets)(즉, 세 개의 CMG 유닛들의 조합들)이 확인될 수 있다. 각 트리플릿에 대해 야코비안 행렬이 산출될 수 있다. 다음의 표 1에서 모든 CMG 트리플릿들(각각, CONF1, CONF2, CONF3, CONF4로 표시된)의 야코비안 행렬들이

경우(즉, CMG들(43, 44)의 로터 각운동량 벡터들 H₃ 및 H₄과 CMG들(41, 42)의 로터 각운동량 벡터들 H₁ 및 H₂의 회전의 평면들일 때)에 대해 보고된다(reported).

표 1

각운동량 요청이 선택된 트리플릿의 특이-프리 영역에서 유지되는 경우에서, 짐벌 명령은 임의의 특이 문제 없이 단순 3x3 행렬 인버전을 사용함으로써 선택된 트리플릿에 대응하고 앞의 표 1에서 보고된 식에 기초하여(basis) 직접적으로 계산될(computed) 수 있다.

짐벌 각도들 및 운동량 벡터 사이의 관계로부터 시작하여, 내부 각운동량 영역은 짐벌 각도들의 제한된 익스커전(excursion)으로 커버될 수 있다는 것이 발견될 수 있다. 이 내부 특성은 내부 특이-프리 존 내부의 각운동량이 짐벌 각도들의 제한된 변화로(with) 탐색될(explored) 수 있는 것을 보장하고, 그래서, 이 특징은 제한된 본 발명의 제1 측면에 따른 짐벌 레볼루션들을 구비한 CMG들의 사용에 최적으로 매치한다(matches).

수직 평면들(perpendicular planes)에서 CMG들의 로터 각운동량 벡터들이 회전하는 CMG클러스터 구성의 사용에 관해서(즉,

에서의 CMG 클러스터 구성의 사용), 도 6은 본 발명의 제2 측면의 제2 바람직한 실시예에 따른 상기 특징을 구현하는 제2 CMG 클러스터(6에 의해 전체로서 표시된)의 제2 구성을 개략적으로 도시한다.

특히, CMG 클러스터(6)는 네 개의 CMG들(61, 62, 63, 64)을 포함하고, 이는 두 쌍들, 즉 제1 및 제2 쌍으로 나누어지며, CMG들의 각 쌍은 다른 CMG 쌍의 짐벌 축에 수직하는 각각의 짐벌 축을 가진다.

상세하게는, 도 6에 도시된 바와 같이, CMG들(61, 62)는 가진다:

* 하나의 동일한 짐벌 축(도 6에 도시된 삼차원 데카르트 레퍼런스 시스템 xyz의 z축에 의해 표시된), 또는, 동등하게는, 하나의 동일한 일직선을 따라(즉, z축을 따라) 놓인 짐벌 축; 및

* 평행한 평면들에서(특히, 도 6에 도시된 삼차원 데카르트 레퍼런스 시스템의 xy 평면에 평행한 평면들에서) 회전하는 로터 각운동량 벡터들.

또한, CMG들(63, 64)는 가진다:

* 하나의 동일한 짐벌 축(도 6에 도시된 삼차원 데카르트 레퍼런스 시스템의 y축에 의해 표시된), 또는, 동등하게는, 하나의 동일한 일직선을 따라(즉, y축을 따라) 놓인 짐벌 축; 및

* 평행한 평면들에서(특히, 도 6에 도시된 삼차원 데카르트 레퍼런스 시스템의 xz 평면에 평행한 평면들에서) 회전하는 로터 각운동량 벡터들.

그러므로, 두 개의 CMG 쌍들(61-62, 63-64)의 짐벌 축은 수직하고, CMG들(61, 62)의 로터 각운동량 벡터들이 회전하는, 평면들은, CMG들(63, 64)의 로터 각운동량 벡터들이 회전하는 평면들에 수직하고 교차한다.

앞서 설명된 바와 같이, 본 발명의 제2 측면에 따른 CMG 클러스터 구성은, 매우 빠르고 계산적으로(computationally) 가벼운 짐벌 명령 산출(gimbal command calculation)을 렌더링하고(사실 단순 3x3 행렬 인버전이 요구됨), 동시에, 임의의 특이 문제를 회피함으로써, 언제든지, 검색하는 것과, 그래서, 대응하는 특이-프리 영역에 각운동량 요청을 유지하는 것과 같은 CMG 유닛들의 트리플릿을 사용하는 것을 허용한다.

본 발명의 제2 측면에 관련된 상술한 기술적 장점들을 고려하면, 이는 이미 앞에서 설명된 바와 같이, 본 발명의 제2 측면에 따른 CMG 어셈블리 구성은, 새롭고 독창적인 자세 제어 시스템을 실현하는 것을, 그 자체로, 허용한다는 것이 쉽게 이해될 수 있다(심지어 본 발명의 제1 및 제3 측면들에 따른 추가적인 특징들 없이). 이와 관련하여, 본 발명의 제2 측면에 따른 CMG 어셈블리 구성이 아래의 자세 제어 시스템에서 또한 유리하게 활용될 수 있다는 점을 강조하는 것이 중요하다:

* 제한된 짐벌 레볼루션들을 구비한 CMG들을 포함하고; 및/또는

* 본 발명의 제3 측면에 따른 것과 다른 CMG 어셈블리 제어 로직을 실시함.

마지막으로, 본 발명의 제3 측면에 있어서, 이 측면은 자세 제어 시스템의 CMG 클러스터를 제어하기 위한 로직에 관련하고, CMG 클러스터는 세 개 이상의 CMG 유닛들을 포함한다.

특히, 본 발명의 제3 측면에 따른 CMG 클러스터 제어 로직은 두 개의 CMG 구성들, 즉 전체의(overall) CMG 클러스터의 구성과 클러스터의 CMG들 중 임의의 CMG 트리플릿의 구성(즉, 세 개의 CMG 유닛들의 임의의 조합)의 특성들을 병합(merge)할 수 있다. 이 방식에서, CMG 클러스터 제어 로직은, 계산적으로 집약적인 알고리즘들(intensive algorithms)의 사용을 회피함으로써, 전체의 CMG 클러스터 구성의 전체 각운동량 및 CMG 트리플릿 구성의 단순 스티어링 법칙(simple steering law)을 그것의 처리에서(at its disposal) 가진다.

상세하게는, 본 발명의 제3 측면에 따른 CMG 클러스터 제어 로직은 네 개 또는 그 이상의 CMG들의 클러스터를 제어하도록 디자인되고, 적응적인(adaptive), 다른 CMG 유닛(들)이 정지됨(stationary)을 유지하는(remains/remain) 동안 단지 세 개의 CMG들의 동시 사용(simultaneous use)을 포함하는 실시간 로직이다. 액티브(active) 트리플릿의 선택은 각운동량 요청에 기초하여 이루어진다.

편리하게는, 본 발명의 제3 측면에 따른 CMG 클러스터 제어 로직은 네 개의 CMG들의 클러스터를 제어하도록 디자인된다. 이 경우에서, 알고리즘은 제4(the fourth)가 정지됨을 유지하는 동안 단지 세 개의 CMG들의 동시 사용을 포함한다. 알고리즘은 필요한 각운동량을 우주선/위성에 제공하기 위하여 네 개의 이용가능한 트리플릿들 사이의 "사용(in-use)"CMG 유닛들을 선택한다.

더 편리하게는, 본 발명의 제3 측면에 따른 CMG 클러스터 제어 로직은 본 발명의 제2 측면에 따른 구성을 가지는 CMG들의 클러스터를 제어하도록 디자인된다(적어도 4개의 CMG들로). 이 경우에서, 앞서 설명된 바와 같이, 각 트리플릿은 임의의 특이 문제에 부딪힘(encountering) 없이 탐색될 수 있는 내부 특이-프리 영역을 갖으며, 그 동안에 정지된 CMG는 고정된 방향(fixed direction)을 따라서 배치된(disposed) 각운동량 바이어스(angular momentum bias)를 제공한다. 특이-프리 영역은 반경 1H, 1H,

H의 타원체이다.

각 트리플릿에 대한 운동량 타원체를 정의하는 일반적인 법칙은 다음이다:

,

CMG 트리플릿들 CONF1 및 CONF2에 대한

,

및

은 앞서 설명하였고, CMG 트리플릿들 CONF3 및 CONF4에 대한

,

및

은 앞서 설명하였다.

각각-중단된(respectively-halted) CMG에 의해 시의 적절하게(opportunely) 이동된(shifted), 네 개의 타원체들(네 개의 CMG 트리플릿들 CONF1, CONF2, CONF3 및 CONF4에 대응하는)의 구성요소(composition)는, CMG 클러스터의 각운동량 엔벨로프를 정의한다. 이와 관련하여, 도 7-9는 ZX, ZY 및 YX 레퍼런스 평면들에서 상기 CMG 클러스터의 각운동량 엔벨로프를, 각각, 도시하고, 도 10은 CMG 클러스터의 전체의 삼차원 각운동량 엔벨로프를 도시한다. 다시 말해, 도 7-10은

경우(즉, CMG들(41, 42)의 각운동량 벡터들 H₁과 H₂ 및 CMG들(43, 44)의 각운동량 벡터들 H₃과 H₄의 회전의 평면들이 수직할 때)에 대한 CMG 클러스터(4)의 각운동량 엔벨로프의 다른 보기들(different views)을 도시한다.

각 트리플릿이 특정 방향에서 각운동량 엔벨로프를 탐색하는 것을 허용하기 때문에, 액티브 트리플릿의 선택은 요청된 자세 궤적(trajectory)에 기초하여 클러스터 관리 기능(cluster management function)에 의해 이루어진다.

본 발명의 제3 측면의 더 나은 이해를 위하여, 도 11은 본 발명의 상술한 제3 측면의 바람직한 실시예에 따른 CMG 클러스터 제어 로직을 실시하는 위성/우주선 자세 제어 시스템(100에 의해 전체로서 표시된)의 기능적 블록 다이어그램을 도시한다.

특히, 도 11에 도시된 위성/우주선 자세 제어 시스템(100)은 위성 또는 우주선이 그의 자세(그리고, 편리하게는, 위성/우주선 스러스터들(thrusters) 방향에 방향변화할(reorient) 필요가 있을 때 그의 궤도(orbit) 또한)를 제어하도록 보드(board)에 설치되는 것으로 디자인되고, 포함한다:

* 위성/우주선의 자세(그리고, 편리하게는, 궤도 또한)를 제어하도록 구성되는(특히, 특정 소프트웨어 코드의 수단들에 의해 구체적으로(specifically) 프로그램된(programmed)) 위성/우주선 자세 제어 유닛(110);

* 위성/우주선 자세 제어 유닛(110)에 연결되고 세 개 이상의 CMG 유닛들, 편리하게는 네 개의 CMG들, 더 편리하게는 본 발명의 제2 측면에 따른 클러스터 구성, 예를 들면 도 4 또는 도 6에 도시된 클러스터 구성을 가지는 네 개의 CMG들을 포함하는 CMG 클러스터(120); 바람직하게는, 상기 CMG 클러스터(120)는 본 발명의 제1 측면에 따른 제한된 짐벌 레볼루션들을 구비한 CMG들을 포함함; 및

* 위성/우주선 자세 센서들(140)(스타 트래커들(star trackers) 및 자이로스코프들(gyroscopes)과 같은)은,

- 위성/우주선의 현재 자세를 나타내는 자세-관련 측정들(attitude-related measurements)을 수행하도록 구성되는, 및

- 또한 수행된 자세-관련 측정들을 나타내는 신호들 및/또는 데이터를 구비한 후방을 제공하도록 위성/우주선 자세 제어 유닛(11)에 연결됨.

또한, 참조 번호(130)에 의해 표시되고 "위성/우주선 다이나믹스"로 명시된 점으로된 블록(dotted block)은, 위성/우주선 자세 센서들(140)이 위성/우주선의 다이나믹 행동(dynamic behavior)에 기초하여 자세-관련 측정들을 수행하는, CMG 클러스터(120)의 작동에 의해 야기된 위성/우주선의 상기 다이나믹 행동을 개념적으로 표현하기(represent)(위성/우주선 다이나믹스 섹터에 널리 공지된 방식(manner)에서, 그래서 위성/우주선 다이나믹스 전문가들에게 잘 알려진) 위해 도 11에 도시된다.

상세하게는, 위성/우주선 자세 제어 유닛(110)은 포함한다:

* 레퍼런스 자세 궤적(reference attitude trajectory)을 생성하도록(produce) 구성되는 온-보드 레퍼런스 발생기(on-board reference generator)(111);

* 위성/우주선 자세 제어기(112)는, 레퍼런스 자세 궤적을 나타내는 신호들 및/또는 데이터를 그것으로부터(therefrom) 수신하도록 온-보드 레퍼런스 발생기(111)에 연결되고, 자세-관련 측정들을 나타내는 신호들 및/또는 데이터를 그것으로부터 수신하도록 위성/우주선 자세 센서들(140)에 또한 연결되고,

- 자세-관련 측정들에 의해 나타낸 위성/우주선의 현재 자세 및 레퍼런스 자세 궤적 사이의 비교(comparison)를 수행,

- 수행된 비교에 기초하여 자세 및 레이트(rate)(또는 속도(velocity)) 오류들을 계산, 및

- 요청된 토크 및 각운동량을 나타내는 토크 및 각운동량 명령들로 자세 및 레이트 오류들을 컨버트(convert)하도록 구성되는;

* 레퍼런스 자세 궤적을 나타내는 신호들 및/또는 데이터를 그것으로부터 수신하도록 온-보드 레퍼런스 발생기(111)에 연결되고, 레퍼런스 자세 궤적에 기초하여, 사용될 CMG 트리플릿을 결정하도록, 즉, 선택하도록 구성되는, CMG 트리플릿 스위칭 모듈(113); 및

* CMG 트리플릿 스티어링 모듈(114)는,

- 토크 및 각운동량 명령들을 그것으로부터 수신하도록 위성/우주선 자세 제어기(112)에 연결되고,

- 선택된 CMG 트리플릿을 나타내는 신호들 및/또는 데이터를 그것으로부터 수신하도록 CMG 트리플릿 스위칭 모듈(113)에 또한 연결되고,

- CMG들의 짐벌들의 현재 각 위치들(angular positions) 및 속도들을 나타내는 원격측정(telemetry) 데이터 및/또는 신호를 그것으로부터 수신하도록 CMG 클러스터(120)에 또한 연결되고,

- 원격측정 데이터 및/또는 신호들에 의해 나타낸 CMG들의 짐벌들의 현재 각 위치들 및 속도들 그리고 토크 및 각운동량 명령들에 기초하여, 선택된 CMG 트리플릿의 짐벌들에 의해 추정되는(to be assumed) 특정 각 위치들 및 속도들을 나타내는 CMG 명령들을 계산하도록 구성되고,

- 선택된 CMG 트리플릿의 짐벌들이 상술한 특정 각 위치들 및 속도들을 추정하고, 그래서 요청된 토크 및 각운동량을 제공하도록 하기 위하여 CMG 명령들을 CMG 클러스터(120)에 제공하도록 또한 구성됨.

더 상세하게는, CMG 트리플릿 스위칭은 제로 각운동량 이행(zero angular momentum transition) 동안 CMG 트리플릿 스위칭 모듈(113)에 의해 자체적으로(autonomously) 수행된다; 사용될 선택된 CMG 트리플릿은 요청된 각운동량 변화의 방향에서의 타원체 바운더리(boundary)로부터의(즉, 특이 영역들로부터의) 거리를 최대화한(maximizing) 것이다. 사용에서, 새로운 메뉴버(maneuver)에 대한 명령이 수신되면, CMG 트리플릿 스위칭 모듈(113)은 미션 요구들(mission needs)에 가장 적합한 CMG 트리플릿을 선택하고, 각 (포괄적인)(generic) 이산 시간 인스턴트 k(discrete time instant k)에서 선택된 CMG 트리플릿에 요청된 전체 각운동량은 요구된 각운동량(위성/우주선 자세 제어기(112)에 의해 계산된) 및 중단된(또는 정지된) CMG의 각운동량 사이의 차이로서 CMG 트리플릿 스티어링 모듈(114)에 의하여 계산된다. 수학적 용어들(mathematical terms)에서, 다음은 결과이다:

,

는 시간 인스턴트 k에서 선택된 CMG 트리플릿에 요청된 전체 각운동량을 표시하고,

는 위성/우주선 자세 제어기(112)에 의해 계산되고 시간 인스턴트 k에서 (모든(whole)) CMG 클러스터(120)에 요청된 전체 각운동량을 표시하고,

는 시간 인스턴트 k에서 중단된 CMG의 각운동량을 표시한다.

그러므로, 각 (포괄적인) 이산 시간 인스턴트 k에서 원하는 짐벌 각속도들(또는 레이트들)은, 앞서 나타낸 식(2)를 인버트함으로써 CMG 트리플릿 스티어링 모듈(114)에 의해 계산되고, 야코비안 행렬은 정방(square)이고 인버트될 수 있다. 특히, 수학적 용어들에서, 다음은 결과이다:

,

는 시간 인스턴트 k에서 선택된 CMG 트리플릿에 요청된 짐벌 각속도들을 표시하고,

는 시간 인스턴트 k에서 중단된 CMG의 무효(null) 짐벌 각속도를 표시하고,

는 시간 인스턴트들 k 및 k-1 사이의 시간 차이를 표시하고,

는 선택된 CMG 트리플릿과 관련된 정방, 인버트되는 야코비안 행렬을 표시한다(앞의 표 1을 참조하여,

는 CMG 트리플릿이 CONF1, CONF2, CONF3 및 CONF4 중에서 선택됨에 따라

,

또는

일 수 있다).

이러한 상태들에서 각운동량으로 짐벌 레이트들을 맵(maps)하는 기능은 미분동형사상(diffeomorphism)이며, 이는 미분가능하고(differentiable) 미분가능한 인버스(inverse)를 갖기 때문이다.

짐벌들의 이니셜 각 구성(initial angular configuration)이 편리하게 선택될 수 있어서, CMG 클러스터(120)의 전체 각운동량이 제로(zero)라는 것에 주목하는 것이 중요하다; 이 상태를 만족하는 여러 짐벌 각도 값들이 있기 때문에, 가장 근접한 특이 구성으로부터의 거리를 최대화한 짐벌 각 구성이 편리하게 선택될 수 있다. 특히, 이 선택은 임의의 트리플릿에 저장된 각운동량이 환경적 장애(environmental disturbances) 및 제어기 오류들을 직접 제어하도록 운동량 타원체의 특이 영역들로부터 충분히 멀다는 것을 보장하기 위하여 편리하게 이루어질 수 있다.

더욱이, 도 4에 도시된 CMG 클러스터(4)를 참조하여, CMG 클러스터 각운동량 엔벨로프 형태(shape)는:

* CMG들(41, 42)의 각운동량 벡터들 H₁ 및 H₂이 회전하는 평면; 및

* CMG들(43, 44)의 각운동량 벡터들 H₃ 및 H₄이 회전하는 평면

사이의 기울기 각도에 엄격히(strictly) 관련된다.

사실, 각운동량 스페이스(angular momentum space)에서의 특이-프리 타원체의 배치(disposition)는 상기 기울기 각도를 변경하여 수정될(varied) 수 있다. 그러므로, 이 특징은 추가적인 유연성(flexibility)을 가지는 것을 허용한다: 시스템은 바람직한 축 또는 방향을 따라서 최대 각운동량 유효성을 도달하기 위하여 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 도 12-14는 CMG들(41, 42)의 각운동량 벡터들 H₁ 및 H₂ 그리고 CMG들(43, 44)의 각운동량 벡터들 H₃ 및 H₄의 회전의 평면들이 45°로 기울어져 있는 경우에서, ZX, ZY 및 YX 평면들에 관련된 CMG 클러스터(4)의 각운동량 엔벨로프를, 각각, 도시한다.

출원인은 본 발명의 여러 테스트들을 수행하였다. 이와 관련하여, 도 15는 출원인에 의해 수행된 제1 테스트 케이스(test case) 결과들을 개략적으로 도시한다, 메뉴버는 주로 피치(pitch) 축에 수행되고 각운동량 변화 요청은 메뉴버를 수행하도록 제어기로부터 선택된 CMG 트리플릿 CONF1의 각운동량 엔벨로프 완전히 내부(totally inside)인 것에서의. 또한, 도 16은 출원인에 의해 수행된 제2 테스트 케이스 결과들을 개략적으로 도시한다, 스테레오-페어 메뉴버(stereo-pair maneuver)은 수행되고 각운동량 변화 요청은 양의 피치 축(positive pitch axis)으로부터 음의 피치 축(negative pitch axis)으로, 그리고 그 반대로 달라지는(varies) 것에서의. 이 제2 테스트 케이스에서 선택은 슬루(slew) 동안 두 개의 다른 CMG 트리플릿들의 사용을 포함한다; CMG 트리플릿 스위칭은 제로 각운동량 이행 동안 CMG 트리플릿 소프트웨어-구현된(software-implemented) 제어 로직에 의해 자체적으로 수행된다. 사용될 선택된 CMG 트리플릿은 요청된 각운동량 변화의 방향에서의 타원체 바운더리로부터의 거리를 최대화한 것이다.

본 발명의 제3 측면에 따른 CMG 어셈블리 제어 로직은 여러 장점들을 가진다. 특히, 이미 앞서 설명된 바와 같이, 내부 특이-프리 존 내부에의 각운동량이 짐벌 각도들의 제한된 변화로 탐색될 수 있음을 보장한다; 가이던스(guidance)의 이 종류는, 본 발명의 제1 측면에 따른 제한된 짐벌 레볼루션들을 구비한 CMG들의 사용을 허용하거나, 또는 오히려 최적으로 매치한다(rather optimally matches).

또한, 상기 CMG 어셈블리 제어 로직은 계산적으로 집약적인 알고리즘들의 사용을 회피하는 간략화된 스티어링 법칙을 이용한다; 그러므로 이것은 위성/우주선 보드에 소프트웨어 실시간 실시(implementation)를 허용한다.

추가적으로, 본 발명의 제3 측면에 따른 CMG 어셈블리 제어 로직은 CMG의 실패의 경우에서 또한 실시간 간략회된 알고리즘을 실시하는 모든(full) 위성/우주선 자세 제어성(controllability)을 보장한다.

본 발명의 제3 측면에 따른 CMG 어셈블리 제어 로직에 관련된 상술한 기술적 장점들을 고려하면, 미리 앞서 설명된 바와 같이, 상기 측면은, 새롭고 독창적인 자세 제어 시스템을 실현하는 것을(심지어 본 발명의 제1 및 제2 측면들에 따른 추가적인 특징들 없이), 그 자체로, 허용한다는 것이 쉽게 이해될 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명의 제3 측면에 따른 CMG 어셈블리 제어 로직이:

* 제한되지 않은(unlimited) 짐벌 레볼루션들을 구비한 CMG들을 포함함; 및/또는

* 본 발명의 제2 측면에 따른 것과 다른 구성을 구비한 CMG 클러스터를 갖는

자세 제어 시스템에서 또한 유리하게 활용될 수 있다는 점을 강조하는 것이 중요하다.

특히, 앞서 설명된 CMG 트리플릿 스위칭 알고리즘은 독립적으로(independently) CMG 유닛들의 수(CMG 유닛들이 세 개 이상인 것으로 제공된) 및 본 발명의 제2 측면에 따른 것으로부터 다른 CMG 구성들에 또한 유리하게 적용될 수 있다.

본 발명은 위성 어플리케이션들에 유리하게 활용될 수 있고, 이는 따라서 증강 우주선 자세 민첩성(augmented spacecraft attitude agility)으로부터 이익을 얻는다:

* 다음의 트랙(Track), 에리어 모드(Area mode), 스트립맵 모드(Stripmap mode) 및 스포트라이트 모드(Spotlight mode)에서와 같이, 하나의 동일한 통로(passage)에서의 제한된(restricted) 영역에 다중-목표 획득들(multi-target acquisitions);

* 고해상도 이미징(high resolution imaging), 하나의 동일한 통로에서의 스테레오-페어 메뉴버들과 같이;

* 빠른 태양 포인팅 획득(fast sun pointing acquisition);

* 충돌 회피(collision avoidance) 및 궤도 수정 메뉴버들을 위한 빠른 리-포인팅(fast re-pointing); 및

* 어플리케이션을 앞으로(forward application) 그리고 데이터 저장(data storing)을 위한 빠른 리포인팅

을 수행하기 위하여.

위의 획득 시나리오는:

* 액티브/패시브 레이더 센서들이 장착된 지구 관측 위성들(Earth observation satellites);

* 광 센서(전정색의(panchromatic), 하이퍼-스펙트럴(hyper-spectral), 다중-스펙트럴(multi-spectral), 적외선의(infrared))가 장착된 지구 관측 위성들;

* 과학적 미션들(scientific missions); 및

* 통신 위성들(telecommunications satellites)

를 적용한다.

또한 위성 과학적 미션들에 관련된 잠재적 사용들은 기구들이 하늘의 다양한 파트들을 향해 빠르게 포인트되는 것을 요구한다.

또한, 잠재적으로 본 발명은 로봇 분야(robotic field)에 또한 유리하게 활용될 수 있다; 예를 들면, CMG "시저드" 커플(CMG "scissored" couple)은 로봇 함스(robotic harms)의 다이렉트 드라이브(direct drive)로서 사용될 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 빠른 로봇 움직임들은 구조적 진동들을 촉발시킬 수 있는(might excite structural vibrations) 저주파 교란(low-frequency disturbances)을 부여하지(impart) 않는다.

앞의 설명으로부터 본 발명의 기술적 장점들은 직접적으로 명백하다. 특히, 본 발명의 단일 측면들의 기술적 장점들을 침해하지 않고, 본 발명의 상술한 세 측면들의 시너지 조합(synergetic combination)이 CMG들의 사용에 관련된 모든 주요 문제들을 극복하는 새롭고 독창적인 자세 제어 시스템을 실현하는 것을 허용한다는 점을 강조하는 것이 중요하고, 특히:

* 더 낮은 복잡성 및, 그래서, 더 낮은 비용들, 및, 동시에, 공지된 자세 제어 시스템들 보다 더 높은 신뢰성 및 안정성; 및 또한

* 향상된 특이 회피 기능들

을 가진다.

EP 1 908 686 A1에 따른 CMG들의 배열들(arrays)에서의 특이 회피에 대한 계층적 전략(hierarchical strategy) 및 US 2003/160132 A1에 따른 다이나믹 불균형 보상 시스템(dynamic unbalance compensation system), US 2011/011982 A1에 따른 CMG 클러스터 및 본 발명 사이의 차이들에 대해서, US 2011/011982 A1, US 2003/160132 A1 및 EP 1 908 686 A1 중 어느 것도 본 발명의 제3 측면에 따른 CMG 어셈블리 제어 로직을 개시하지 않는다는 것을 주목할 가치가 있다. 특히, US 2011/011982 A1가 CMG 배열 내에서 단일 CMG의 독립적인 제어를 할 수 있는 제어 구조를 개시하는 경우 조차, 그럼에도 불구하고 US 2011/011982 A1는:

* 네 개 이상의 CMG들을 포함하는 CMG 클러스터 내에서, 선택되지 않은 CMG(들)이 정지됨을 유지하는 동안 동시에(simultaneously) 작동될 세 개의 CMG들의, 선택; 및

* 선택되지 않은 CMG(들)이 정지됨을 유지하는 동안 단지 세 개의 선택된 CMS는 작동된다는(특히, 동시에 작동된다) 사실

을 알려주거나(teach) 제시하지 않는다는 사실을 강조하는 것이 중요하다.

더 일반적으로, US 2011/011982 A1는 본 발명의 제3 측면에 따른 CMG 어셈블리 제어 로직의 다음의 단계들의 시너지 조합을 알려주거나 제시하지 않는다:

* 선택되지 않은 CMG(들)이 정지됨을 유지하는 동안 동시에 작동될 세 개의 CMG들, 레퍼런스 플랫폼의 자세 궤적에 기초하여, 선택하는 단계;

* CMG 어셈블리에 의해 제공될 전체의 각운동량(overall angular momentum)을, 현재 플랫폼의 자세 및 레퍼런스 플랫폼의 자세 궤적에 기초하여, 계산하는 단계;

* 세 개의 선택된 CMG들에 의해 제공될 트리플릿-관련 각운동량(triplet-related angular momentum)을, 선택되지 않은 CMG(들)의 각운동량 및 CMG 어셈블리에 의해 제공될 전체의 각운동량에 기초하여, 계산하는 단계; 및

* 선택되지 않은 CMG(들)이 정지됨을 유지하는 동안, 이 후방이 상기 계산된 트리플릿-관련 각운동량을 제공하도록 야기하기 위하여 세 개의 선택된 CMG들을 동시에 작동하는 단계.

또한, EP 1 908 686 A1에 따른 CMG들의 배열들에서의 특이 회피에 대한 계층적 전략은, 특이성을 회피하기 위하여 무효 스페이스 메뉴버들(null space maneuvers)을 활용하며, 이에 반하여, 임의의 무효 스페이스 메뉴버를 사용하지 않는, 본 발명의 제3 측면에 따른 CMG 어셈블리 제어 로직으로부터 완전히 다르다는 것을 주목할 가치가 있다.

마지막으로, US 2011/011982 A1, US 2003/160132 A1 및 EP 1 908 686 A1 중 어느 것도 본 발명의 제1 측면에 따른 제한된 짐벌 레볼루션들을 구비한 CMG들의 사용을 개시하지 않는다는 것을 주목하는 것이 중요하다. 이와 관련하여, US 2003/160132 A1의 도 6은 심지어 하나의 전체 레볼루션(full revolution)을 수행할 수 없음으로써, 완전히 회전하지 않는 CMG들을 도시한다는 것을 주목할 가치가 있다. 더 일반적으로, US 2011/011982 A1, US 2003/160132 A1 및 EP 1 908 686 A1 중 어느 것도 CMG의 짐벌에 의해 시계방향 및 반시계방향으로 수행가능한 전체 레볼루션들의 수를 기계적으로 제한하는 플렉서블 케이블의 사용을 제안하거나 알려주지 않는다는 사실을 강조하는 것이 중요하다.

결론적으로, 다양한 수정들 및 변화들은, 모든 본 발명의 범위에 속하는, 청구된 청구항들에 정의된 바로, 본 발명에 이루어 질 수 있다는 것이 명백하다.

Claims

여러 개의 제어 모멘트 자이로스코프들(Control Moment Gyroscopes)(3,41,42,43,44,61,62,63,64)
을 포함하고,
각 제어 모멘트 자이로스코프(3,41,42,43,44,61,62,63,64)가 각각의 짐벌 축에 전체 레볼루션들의 제한된 수를 수행하도록 작동될 수 있게 하기 위하여 기계적으로 제한되는 각각의 짐벌(32)을 가지는 것을 특징으로 하는
제어 모멘트 자이로스코프 어셈블리(4, 6, 120).
제1항에 있어서,
각 제어 모멘트 자이로스코프(3,41,42,43,44,61,62,63,64)는,
각각의 센서들이 장착되고,
상기 각각의 센서들로부터의 신호들을 제공하고 파워 공급을 수신하는 각각의 플렉서블 케이블(33)에 연결되고;
각 제어 모멘트 자이로스코프(3,41,42,43,44,61,62,63,64)는,
상기 각각의 플렉서블 케이블(33)에 연결되어, 상기 각각의 짐벌(32)의 회전은, 후방에 의해 시계방향 및 반시계방향으로 수행가능한 전체 레볼루션들의 수를 기계적으로 제한함으로써 상기 각각의 플렉서블 케이블(33)이 상기 각각의 짐벌(32)에 둥글게 말렸다 펴지게 되도록 야기하는
제어 모멘트 자이로스코프 어셈블리.
제2항에 있어서,
각 제어 모멘트 자이로스코프(3,41,42,43,44,61,62,63,64)는,
* 각각의 케이싱(31); 및
* 상기 각각의 케이싱(31) 내부에 수용되고 각각의 플라이휠 축을 회전하도록 각각의 플라이휠 모터에 의해 작동할 수 있는 플라이휠 -상기 각각의 플라이휠 모터 및 상기 각각의 센서들은 상기 각각의 케이싱(31) 내부에 배열됨-;
을 포함하고,
상기 각 제어 모멘트 자이로스코프(3,41,42,43,44,61,62,63,64)의 각각의 짐벌(32)은,
상기 각각의 플라이휠 모터를 위한 파워 공급을 수신하고 상기 각각의 센서들로부터의 신호들을 제공하도록, 상기 각각의 플렉서블 케이블(33)에, 외부적으로 상기 각각의 케이싱(31)에 연결되는
제어 모멘트 자이로스코프 어셈블리.
자세 제어 유닛(110)에 있어서,
* 후방의 자세를 제어하는 플랫폼에 설치되고; 및
* 상기 플랫폼의 보드에 설치되고 네 개 이상의 제어 모멘트 자이로스코프들(3,41,42,43,44,61,62,63,64)을 포함하는, 제어 모멘트 자이로스코프 어셈블리(4,6, 120)에 연결되도록 디자인 되고,
상기 자세 제어 유닛(110)은,
* 상기 선택되지 않은 자세 모멘트 자이로스코프들(3,41,42,43,44,61,62,63,64)이 정지됨을 유지하는 동안 동시에 작동될 세 개의 자세 모멘트 자이로스코프들(3,41,42,43,44,61,62,63,64)을, 상기 플랫폼의 레퍼런스 자세 궤적에 기초하여, 선택하고;
* 상기 제어 모멘트 자이로스코프 어셈블리(4,6,120)에 의해 제공될 전체의 각운동량을, 상기 플랫폼의 현재 자세 및 상기 레퍼런스 자세 궤적에 기초하여, 계산하고;
* 상기 세 개의 선택된 자세 모멘트 자이로스코프들(3,41,42,43,44,61,62,63,64)에 의해 제공될 트리플릿-관련 각운동량을, 상기 선택되지 않은 자세 모멘트 자이로스코프들(3,41,42,43,44,61,62,63,64)의 각운동량 및 상기 제어 모멘트 자이로스코프 어셈블리(4,6,120)에 의해 제공될 상기 전체의 각운동량에 기초하여, 계산하고; 및
* 상기 선택되지 않은 자세 모멘트 자이로스코프(들)(3,41,42,43,44,61,62,63,64)이 정지됨을 유지하는 동안, 상기 후방이 상기 계산된 트리플릿-관련 각운동량을 제공하도록 야기하기 위하여 상기 세 개의 선택된 자세 모멘트 자이로스코프들(3,41,42,43,44,61,62,63,64)을 동시에 작동하도록 구성되는
자세 제어 유닛(110).
제4항에 있어서,
* 상기 후방이 상기 계산된 트리플릿-관련 각운동량을 제공하도록 상기 세 개의 선택된 제어 모멘트 자이로스코프들(3,41,42,43,44,61,62,63,64)의 짐벌들(32)에 의해 추정되는 새로운 각 위치들 및 속도들을, 상기 제어 모멘트 자이로스코프들(3,41,42,43,44,61,62,63,64)의 짐벌들(32)의 현재 각 위치들 및 속도들, 및 상기 계산된 트리플릿-관련 각운동량에 기초하여, 계산하고; 및
* 상기 세 개의 선택된 제어 모멘트 자이로스코프들(3,41,42,43,44,61,62,63,64)이 상기 계산된 트리플릿-관련 각운동량을 제공하도록 야기함으로써, 상기 짐벌들(32)이 계산된 새로운 각 위치들 및 속도들을 추정하도록 야기하기 위하여 상기 세 개의 선택된 제어 모멘트 자이로스코프들(3,41,42,43,44,61,62,63,64)의 상기 짐벌들(32)을 동시에 작동하는
자세 제어 유닛(110).
자세 제어 시스템(100)에 있어서,
후방의 자세를 제어하는 플랫폼에 설치되고,
다음의 항목들 중 적어도 하나를 포함하는,
* 임의의 제1항 내지 제3항에 청구된 제어 모멘트 자이로스코프 어셈블리(4,6, 120);
* 제4항 또는 제5항에 청구된 자세 제어 유닛(110)
자세 제어 시스템(100).
제6항에 있어서,
임의의 제1항 내지 제3항에 청구된 상기 제어 모멘트 자이로스코프 어셈블리(4, 6, 120) 및 제4항 또는 제5항에 청구된 상기 자세 제어 유닛(110) 모두(both)
를 포함하고,
상기 제어 모멘트 자이로스코프 어셈블리(4, 6, 120)는 네 개 이상의 제어 모멘트 자이로스코프들(3,41,42,43,44,61,62,63,64)을 포함하고,
상기 자세 제어 유닛(110)은 상기 제어 모멘트 자이로스코프 어셈블리(4, 6, 120)에 연결되고 그것의(thereof) 작동을 제어하는
자세 제어 시스템(100).
제6항 또는 제7항에 따른 상기 자세 제어 시스템(100)은,
상기 제어 모멘트 자이로스코프들은 제1 제어 모멘트 자이로스코프들(41,42; 61,62) 및 제2 제어 모멘트 자이로스코프들(43,44; 63,64)을 포함하고; 및
* 상기 제1 제어 모멘트 자이로스코프들(41,42; 61,62)은 하나의 동일한 일직선을 따라서 놓이거나 평행한 짐벌 축들을 가짐;
* 상기 제1 제어 모멘트 자이로스코프들(41,42; 61,62)은 평행한 평면들(planes)에서 또는 하나의 동일한 평면에서 회전 가능한 각운동량 벡터들을 가짐;
* 상기 제2 제어 모멘트 자이로스코프들(43,44; 63,64)은,
- 하나의 상기 동일한 일직선을 따라 놓이거나 평행한, 및
- 상기 제1 제어 모멘트 자이로스코프들(41,42; 61,62)의 짐벌 축들에 평행하지 않는
짐벌 축들을 가짐;
* 상기 제2 제어 모멘트 자이로스코프들(43,44; 63,64)은 평행한 평면들에서 또는 상기 하나의 동일한 평면에서 회전 가능한 각운동량 벡터들을 가짐; 및
* 상기 제1 제어 모멘트 자이로스코프들(41,42; 61,62)의 각운동량 벡터들이 회전 가능한 것에서의 상기 평면(들)은 상기 제2 제어 모멘트 자이로스코프들(43,44; 63,64)의 각운동량 벡터들이 회전 가능한 것에서의 상기 평면(들)을 교차함
인 자세 제어 시스템(100).
제8항에 있어서,
* 상기 제1 제어 모멘트 자이로스코프들(41,42)의 짐벌 축들은 평행함;
* 상기 제1 제어 모멘트 자이로스코프들(41,42)의 각운동량 벡터들은 상기 하나의 동일한 평면에서 회전 가능함;
* 상기 제2 제어 모멘트 자이로스코프들(43,44)의 짐벌 축들은 평행하고 상기 제1 제어 모멘트 자이로스코프들(41,42)의 짐벌 축들의 동일한 평면에 놓임;
* 상기 제2 제어 모멘트 자이로스코프들(43,44)의 각운동량 벡터들은 상기 제1 제어 모멘트 자이로스코프들(41,42)의 각운동량 벡터들이 회전 가능한 상기 평면을 교차하는 상기 하나의 동일한 평면에서 회전 가능함;
* 상기 제1 제어 모멘트 자이로스코프들(41,42)의 각운동량 벡터들이 회전 가능한 상기 평면은, 상기 제2 제어 모멘트 자이로스코프들(43,44)의 각운동량 벡터들이 회전 가능한 평면에, 대하여 기울여지거나, 또는 수직함
인 자세 제어 시스템.
제8항에 있어서,
* 상기 제1 제어 모멘트 자이로스코프들(61,62)의 짐벌 축들은 상기 하나의 동일한 일직선을 따라 놓임;
* 상기 제1 제어 모멘트 자이로스코프들(61, 62)의 각운동량 벡터들은 평행한 평면들에서 회전 가능함;
* 상기 제2 제어 모멘트 자이로스코프들(63, 64)의 짐벌 축들은 상기 놓인 제1 제어 모멘트 자이로스코프들(61,62)의 짐벌 축들을 따라 상기 일직선에 수직하는 상기 하나의 동일한 일직선을 따라 놓임; 및
* 상기 제2 제어 모멘트 자이로스코프들(63,64)의 각운동량 벡터들은 상기 제1 제어 모멘트 자이로스코프들(61, 62)의 각운동량 벡터들이 회전 가능한 평면들에 수직하는 평행한 평면들에서 회전 가능함
인 자세 제어 시스템.
임의의 제6항 내지 제10항에 청구된 상기 자세 제어 시스템(100)이 장착된 스페이스 플랫폼.
제11항에 있어서,
상기 스페이스 플랫폼은 위성 또는 우주선인
스페이스 플랫폼.