JPH02179600A - 任意の形状の回転している空間航行体の安定システム - 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】 〔産業上の利用分野コ この発明は擾乱モーメントにさらされた空間航行体の安
定のためのシステムに関する。

［従来の技術］ 回転安定は地球の周囲の軌道を回る空間航行体の姿勢制
御のための最も簡単な技術である。空間航行体はそれぞ
れ慣性値の特有のモーメントを有する直交する３つの慣
性軸モーメントを有するものとして中心付けられ、した
がって主、または最大軸、最小軸、および中間軸が定め
られる。どの軸を中心とする回転もこの発明によって緩
和された安定を与える。

［発明の解決すべき課題］ 安定でない軸を中心とする空間航行体の回転に代わるも
のとして、または安定を妨げる力にさらされるとき、３
軸のアクチブ制御システムが使用されることができる。

これらのシステムは複雑であり、姿勢の不正確さを生じ
るジャイロドリフトエラーにさらされる。

修正スラスタ−点火が生じる前に予め定められたレベル
に到達するために回転空間航行体の章動制御システムは
典型的に章動を必要とし、したがって比例姿勢制御を行
わない。場合によってはこれは制御の喪失を生じさせる
。

［課題解決のための手段］ この発明によれば、偏平球体、中間形態、および長球（
長軸を中心に回転する）形態を含む各種の形態の空間航
行体に対する改良されたアクチブ安定制御システムが提
供される。

この発明のシステムは、空間航行体の慣性軸の任意の主
モーメントを中心として回転可能である。

この発明の制御システムは少量の推進燃料の消費を必要
とするから、連続的なオンステーション状態よりは主と
して任務の軌道移動状態において有用である。この発明
のシステムは本質的に回転している空間航行体で使用さ
れる２軸制御を提供する。このシステムは空間航行体の
姿勢についての比例制御と等価になるように変調された
デユーティサイクルであるスラスタ−の点火を行うエラ
ー信号を使用する。

この発明のその他の利点は添付図面を参照にした以下の
実施例の説明により当業者には明白であろう。

［実施例］ この発明のシステムの物理的素子を図面を参照に説明し
、さらに続いてシステムの動作理論について説明する。

第１図は概略的に示された空間航行体１０を示し、それ
は所望の軌道位置に空間航行体ｌＯをブーストするため
の主スラスタ−１２を備えている。Ｚ軸を中心として回
転する空間航行体ｌＯの直交する軸が示されている。Ｚ
軸を中心とする回転の安定性を維持するためにこの発明
により制御される多数の制御スラスタ−が示され、それ
らはプラスおよびマイナスＸ軸スラスタ−１４および１
６、プラスおよびマイナスＹ軸スラスタ−１８および２
Ｇを含む。それらの記載から予想されるように、スラス
タ−１４乃至２０は空間航行体の質量中心（Ｃ，Ｍ、）
から変位したベクトルに沿って推力を生成し、したがっ
てそれらのそれぞれの軸を中心とする正および負のモー
メントを生成する。

第２図はこの発明の別の実施例を示し、それは空間航行
体２４の外側の角に移動されたスラスタ−２８、２８，
３０，３２を有することを除いては第１の実施例と同一
である。スラスタ−２６乃至３２は座標軸上に位置せず
（軸が回転されるに拘らず）、図示のように２つの軸に
沿って分解されるモーメントを生成する。第２の実施例
は質量中心からのそれらの推力ベクトルの距離が大きい
ことによりスラスタ−出力が第１図の実施例のものより
大きな制御モーメントを与える利点がある。

第３図は、この発明による安定制御システム４０のグラ
フ的な表示を示す。１対の角速度ジャイロ４２および４
４はそれぞれＸ軸およびＹ軸を中心とするトランスバー
ス角速度（ω）を測定する。ジャイロ４２および４４か
らの出力は正のエラーチャンネル４Ｂおよび４８と、負
のエラーチャンネル５０および５２とに分離される。デ
ユーティサイクル変調器５４はエラーチャンネル４Ｂ乃
至５２に沿ったエラー信号の大きさに比例したデユーテ
ィサイクルを有するパルス幅変調された制御信号を出力
する。この変調はスラスタ−が典型的にオンまたはオフ
状態のみを有するとしても制御スラスタ−による比例制
御モーメントの等価物を与える。制御変調の周波数は内
部タンク中の燃料の振り子運動を誘起しないために空間
航行体ｌＯのスピン周波数の少なくとも数倍であること
が好ましい。変調器５４からの典型的なパルス列出力は
デユーティサイクル変調を示す第４図に示されている。

第４図は継続時間ｔおよび空間航行体１０のスピン周波
数の４倍の周波数を有する全体のパルス周期Ｔを示して
いる。デユーティサイクル変調器５４は図示のように直
接スラスタ−１４乃至２０を制御し、空間航行体ｌＯを
安定させるモーメントを与える。

以下制御システム４０のための動作理論を説明する。３
つの主軸ｘ、ｙ、ｚを中心とする空間航行体ｌＯの慣性
のモーメントをそれぞれｌｘ、Ｉｙ。

１２とし、Ｚをスピン軸とする。またＩ　ｚ　／　Ｉ　
ｘをσ８とし、Ｉｚ／ＩＹをσＶとする。もしσＸおよ
びσＹの両者が１よりもずっと大きいならば、空間航行
体ｌＯは無条件に安定である。σ工およびσ７の値が１
に近接しているが１よりも大きい場合には、空間航行体
１０内の燃料の運動は慣性の交差積により、または主ス
ラスタ−の推力不整列により誘起された動揺角度を悪化
させる可能性があり、条件によっては動揺角度が増幅さ
れて暴走する結果を生じる。σＸおよびσＹの値が１よ
りも小さいと、何等かの安定手段が使用されるにも拘ら
ず空間航行体ｌＯに制動低下による章動不安定が生じる
。σＸが１よりも大きく、一方σＹが１よりも小さいか
、或いはその反対であれば中間モーメント慣性軸を中心
とする回転に対して、この発明のシステムのような有効
な安定手段を使用しなければ動揺角度の急速な発散が生
じる。

オイラーのモーメント方程式は次のように表すことがで
きる。

８（ＩＪＸ　＋ωｚ　（１）Ｙ　　（σｙ　　　１）Ｉ
Ｙ／ＩＸ−ＬＸ／ＩＸ −ω２ωＸ　（σＸ　　　１）　　ｌｘ　／　Ｉｙ　＋
ｓωｙ＝Ｌｖ／Ｌｖ したがって、 Ｌｘ　／　Ｉ　Ｘ　−ＭＸ　−Ｋ（ＬＩＸＬＹ　／ＩＴ
　−Ｍ、　−にω。

したがって、 ここでωＸ、ωＹ、ωＺはそれぞれＸ、Ｙ、Ｚ軸を中心
とする角速度であり、 Ｌｘおよびり、はＸ軸およびＹ軸を中心とする外部モー
メントであり、 Ｍ　ｘ　、　Ｍ　ｖはＸ軸およびＹ軸を中心とする正規
化された外部モーメントであり、したがって、Ｍｘ　−
Ｌｘ　／　Ｉ　ｘ　、　ＭＹ　−Ｌｖ　／　Ｉ　ＹＫは
制御システム４０により供給されたフィードバック利得
であり、 Ｓはラプラスの微分演算子である。

上述のように制御システム４０は角速度ジャイロ４２、
４４により空間航行体１０のトラバース角速度をＤＩ定
し、適当な制御スラスタ−のデユーティサイクル変調に
より比例制御モーメントを生成する。

このフィードバックを有し、または有しないシステムの
性質はオイラーのモーメント方程式により説明される。

フィードバック係数Ｋがゼロ、すなわち制御システム４
０が動作していないとき、決定式は、ｓ２＋（σｘ　　
１）（σｙ　　１）ω２であり、決定式をゼロに等しく
することから生じる特性式の平方根は次のようになる。

Ｓ−±ｊω２　　（σｘ−１）（σＹ−１）空間航行体
ｌＯの特性は３つの場合について検討されることができ
る。σ６．σ、の両者が１より大きいとき（第１の場合
）、エネルギ消費が存在しないとき平方根は虚数である
。エネルギ消費は負の成分を平方根にもたせて空間航行
体１０はダイナミックに安定である。しかしながら小さ
なダイナミック不平衡により導入された燃料変位はさら
に不平衡を生じさせ、σＸまたはσＹのいずれかの値が
１に近付くと状態は静的に不安定になる。

σＸ、σＶの両者が共に１より小さい場合（第２の場合
）平方根はエネルギ消費が存在しないとき虚数である。

しかしながらエネルギ消費は正の成分を平方根にもたせ
て空間航行体１０は他の手段により安定化されなければ
不安定である。σＸが１よりも大きく、σ、が１より小
さい場合（第３の場合）、またはその反対の場合には、
一方の平方根は負であり、他方の平方根は正である。そ
の安定のために何等かの手段が使用されなければ、動揺
は急速に発散する。

制御システム４０により与えられたスラスタ−フィード
バックが空間航行体１ｏを安定化させるために使用され
たときのシステムの特性を考える。最初の２つの場合に
対する特性方程式の平方根は次のとおりである。

ｓ−−に±ｊω２　　（σｘ　　１）（σＹ−１）フィ
ードバック定数には平方根に負の成分を持たせ、それは
それらの場合と関係する不安定を克服するために必要な
大きさを有することができる。

第３の場合には安定性（正の成分を有する平方根がない
）は次のとおりである。

Ｋ２＞（σｘ　　１）（σＹ−１）ω２これは容易に満
足させることができる。

したがって制御システム４０は慣性モーメントのあらゆ
る比率に対して空間航行体１０を安定化させるために使
用されることができる。

以上の説明はこの発明の好ましい実施例を構成するもの
であるが、添付された特許請求の範囲に記載された発明
の技術敵範囲を逸脱することなく種々の変更、変形、変
化が可能であることが認識できるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の第１の実施例の制御スラスタ−を
備えたアクチブ安定システムを含む空間航行体の概略図
である。 第２図は、第１図と同じ概略図であるが、この発明の第
２の実施例の制御スラスタ−の配置を示している。 第３図は、この発明の安定システムのための制御システ
ムのブロック図である。 第４図は、この発明で使用するデユーティサイクル変調
器の出力を示すグラフである。 １０、２４・・・空間航行体、１２・・・主スラスタ−
１４，１６・・・プラス、マイナイＸ軸スラスタ−１８
，２０・・・プラス、マイナイスＹ軸ラスター出願人代
理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転軸を中心に回転安定を与える回転している空
   間航行体用の安定システムにおいて、前記回転軸に対し
   て垂直な第１および第２の互いに直交する軸に沿った運
   動の角速度を検出し、前記角速度に比例するエラー信号
   を生成する測定手段と、 前記第１の軸を中心とする正および負のモーメントを与
   えるための第１の対の制御スラスターと、前記第２の軸
   を中心とする正および負のモーメント運動を与えるため
   の第２の対の制御スラスターと、 前記第１の軸を中心とする前記エラー信号に応答して前
   記第１の対の制御スラスターの一つを点火し、前記第２
   の軸を中心とする前記エラー信号に応答して前記第２の
   対の制御スラスターの一つを点火して空間航行体が安定
   に維持されるように制御する制御手段とを具備している
   回転している空間航行体用の安定システム。
2. （２）前記制御手段はパルス化された推力出力を与える
   ために前記制御スラスターにパルス化された点火信号を
   与える特許請求の範囲第１項記載の安定システム。
3. （３）前記制御手段は前記エラー信号の増加された大き
   さに応答して前記デューティサイクルを増加するために
   前記点火信号のデューティサイクルを調整し、それによ
   つて前記空間航行体の姿勢の比例制御を近似する特許請
   求の範囲第２項記載の安定システム。
4. （４）前記空間航行体は軌道変更のための主スラスター
   を備え、前記各制御スラスターは前記主スラスターの推
   力の方向に作用する推力を生成する特許請求の範囲第１
   項記載の安定システム。
5. （５）前記回転の軸は前記空間航行体の慣性軸の最大モ
   ーメントを中心とする特許請求の範囲第１項記載の安定
   システム。
6. （６）前記回転の軸は前記空間航行体の慣性軸の中間モ
   ーメントを中心とする特許請求の範囲第１項記載の安定
   システム。
7. （７）前記回転の軸は前記空間航行体の慣性軸の最小モ
   ーメントを中心とする特許請求の範囲第１項記載の安定
   システム。
8. （８）前記第１および第２の対のスラスターはそれぞれ
   前記回転軸に平行な方向に推力を生成する特許請求の範
   囲第１項記載の安定システム。
9. （９）前記制御手段は前記第１および第２の軸を中心と
   する空間航行体のトランスバース角速度を測定するため
   の１対の速度ジャイロと、これらの速度ジャイロから信
   号を受信して前記制御スラスターに対するパルス幅変調
   された制御信号を出力するデューティサイクル変調器と
   を具備している特許請求の範囲第１項記載の安定システ
   ム。
10. （１０）前記制御手段は、正および負のエラー信号を発
    生する手段と、前記制御スラスターの対の対応するもの
    に前記エラー信号を導く手段とを具備している特許請求
    の範囲第１項記載の安定システム。
11. （１１）前記負のエラー信号は第１の対のデューティサ
    イクル変調器により負のモーメントを与えるために前記
    制御スラスターに供給され、前記正のエラー信号は第２
    の対のデューティサイクル変調器により正のモーメント
    を与えるために前記制御スラスターに供給される特許請
    求の範囲第１０項記載の安定システム。