JPH0268300A - 太陽捕捉姿勢制御装置 - 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〕 この発明は９人工衛星等の飛しよう体（以下。

衛星と称す。）に搭載され、太陽を自動的に検出・捕捉
し、太陽方向く姿勢を保持するための太陽捕捉姿勢制御
装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第６図は従来の太陽捕捉姿勢制御装置を示す構成図であ
り１図において、（１）は第１の一軸型太陽センサ（以
下、−軸太陽センサ１と称す。）、（２１は第２の一軸
型太隣セ／す（以下、−軸太陽センサスと称す。）、（
３１は第３の一軸型太陽センサ（以下、−軸太陽センサ
３と称す。）、（４１は三軸検出型角速度センサ（以下
、レートジャイロと称す。）、（５）ハモードコントロ
ーラ、（６）ハレギュレータ、（７）はトルク発生用ア
クチュエータ（以下。

アクチュエータと称す。）を示し、また図中の記号ＳＰ
１．ＢＰ２．ＳＰ３はそれぞれの一軸太陽センサの太陽
プレゼンス信号、８１．Ｅ！２．８３はそれぞれの一軸
太陽センサの検出角、ωＧｘ、ωＧＹ　＋ω（）Ｚはレ
ートジャイロの検出する衛星に固定した３つの軸（以下
、ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸と称す。）まわりの角速
度信号、ψＣ２θＣ２ψＣはそれぞれロール軸、ピッチ
軸、ヨー軸まわシの角度誤差信号、ωｃＸ、ωｃＹ、ω
ＣＺはそれぞれロール軸、ピッチ軸、ヨー軸まわシの角
速度誤差信号、　ｒｚ　、　ｒｙ。

ｒ２はそれぞれロール軸、ピッチ軸、ヨー軸まわシの制
御指令信号である。

第７図は太陽方向角を示す図であシ１図において、（８
）は太陽センサヘッド、記号ＭＳ　、　ｙＢ、　ｚ８は
センサ座標系の三つの座標軸、Ｓは太陽ベクトル。

α、βはそれぞれＸｓ軸、Ｙｓ軸方向の太陽方向角を表
す。

第８図は従来の装置における一軸太陽センサの配置を示
す図であり２図において、（９）は衛星本体を表す仮想
球、ａｌは一軸太陽センサ１の視野（以下、視野１と称
す。）、αυは一軸太陽センｆ−２の視野（以下、視野
２と称す。）、αａは一軸太陽センサ３の視野（以下、
視野３と称す。）、信号Ｘ。

Ｙ、Ｚはそれぞれロール軸、ピッチ軸、ヨー軸ヲ表す。

第９図はモードコントローラのロジックを示す図であシ
１図において、α３はＯＲ回路、α脅はＮＯＴ回路、　
（Ｌ！９はＡＮＤ回路、（Ｌｓ−ＣＸＩは第１〜第８０
スイツチ（以下、スイッチ１〜スイツチ８と称す。）。

（財）はゼロ出力回路（以下、ゼロコマンドと称す。）
。

（至）はバイアス値出力回路（以下、バイアスコマンド
と称す。）、（至）は符号反転ゲイン、＠はシグナルセ
レクタを示す。また１図中の記号ＳＰ１　、　ＳＦ３、
ＳＦ３，１３１，８２，８３．　ωＧｘ、ωＧＹ、ωＧ
ｚ。

ψＧ＝θｃ−ψＣ−”ＣＸＩ　　ＪＣＹＩ　　ωｃｚは
第６図と同じものを示し、　　Ｆｌ、ＩＦ２．　　Ｆ３
は内部フラグ、　ＳＩ／２は検出角Ｓ１と８２から作ら
れる合成信号、ωＢはバイアスコマンドの設定するバイ
アス値を表す。

第１０図はレギュレータのロジックを示す図であり９図
において、＠は比例ゲイン、０９は微分ゲイン、（７）
はフィルタを表し、記号ψＣ１θＣ１ψＣ９ωａＸ＝ω
ｃＹ、ωＣＺは第６図と同じものを示す。

次に動作について説明する。

第６図において、−軸太陽センサＮｌ）、−軸太陽セン
サＨ２＋、−軸太陽センサ３（３）はそれぞれ検出角Ｓ
１，８２．Ｂ３及び太陽プレゼンス８Ｐ１　、　ＳＦ３
　。

ＳＦ３を検出し、レートジャイロ（４）は角速度信号ω
ＧＸ、ωＧＹ、ωａＺを検出する。モードコントローラ
（５）は太陽プレゼンス信号ｓｐｔ、ｓｐｚ、ｓｐｓの
オン／オフの組合せに従って検出角ＥＮ、Ｅ？２，１３
３及び角速度信号ωＧＫ、ωＧＹ、ωａＺを変換・加工
して、ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸各軸まわシの角度誤
差信号ψＣ２θＣ９ψ。及び角速度誤差信号ωｃＸ、ω
。Ｙ、ωＣＺを発生する。　これらをもとにレギュレー
タ（６）　ハ、　　ロール軸、ヒツチ軸、ヨー軸各軸ま
わりの制御指令信号ｒｚ　＊　ｒｙ　＋　ｒｚを、アク
チュエータ（７）に対し指令する。アクチュエータ（７
）はロール軸、ピッチ軸、ヨー軸各軸まわりにトルクを
発生するように取付けられておシ、これにより制御が実
施される。

ここで、−軸太陽センサの角度検出を第７図により説明
する。

太陽光が太陽センサヘッド（８）に真正面からあたる時
、太陽ベクトルＳはセンサ座標系のｚｓ軸方向に一致し
ている。太陽光の方向がずれるとそれぞれｘ８軸、Ｙｓ
軸方向に方向角α、βが発生する。

−軸太陽セン？Ｎ１１〜−軸太陽センサ３（３）はいず
れも方向角αのみ検出し、方向角βは検出しない。

検出した方向角αはそれぞれ第６図における検出角１３
１　、　Ｂ２．８３　として出力される。

今、３つの一軸太陽センサは第８図に示すように取付け
である。図において、仮想球（９）の上に示した視野１
ａ値、視野２（Ｉｔ）、視野３αりが各−軸太陽センサ
の太陽光検出範囲に対応し、それぞれ次のように取付け
られている。即ち、視野１α１及び視野２Ｉにおいては
、Ｘ軸と２軸のなす面（以下。

赤道面と称す。）に対し上下の方向が第７図における方
向角αに対応し、視野３α２においては、Ｘ軸とＹ軸の
なす面（以下、子午面と称す。）に対し左右の方向が第
７図における方向角αに対応する。

ここで、視野１α１と視野２αυを合成した視野（以下
１合成視野と称す。）内では、赤道面上下方向の太陽方
向角を検出するため、これをあたかも一つの広角度の一
軸太陽センサの視野と見なすことができる。

従来型太陽捕捉姿勢装置はこの視野関係を利用して太陽
を捕捉する。即ち２合成視野が＋Ｘ軸から−Ｘ！１１１
まで赤道面半周以上にわたっていることを利用してｘｉ
ｌｌｌまわりに衛星を一回転すれば、全天走査により必
ず太陽を発見できる。

太陽を発見しだら方向角αを検出して、太陽が赤道面内
に来たところで衛星の回転を止める。この状態で引続き
Ｙ軸まわりに回転すれば太陽を視野３α４に捕えること
ができる。視野３（１３内において方向角αを検出し、
太陽が子午面上に来たところでＹ＠まわりの回転を止め
、再び衛星をＸ軸まわりに１わせば、以後、太陽を−Ｘ
方向に保持した状態を持つことができる。

これら一連のシーケンスは第９図に示したロジックによ
り実現される。図において、太陽プレゼンス信号ＳＰＹ
、ＳＰ２．ＢＦ２が入力されるとＯＲ回路α３．ＮＯＴ
回路α４．ＡＮＤ回路αりを経て内部フラグＦｌ　、　
Ｆ２．　Ｆ３　が設定され、これら内部フラグの状態に
応じてスイッチＩ　Ｈ〜スイッチ８（至）が開閉される
。

まず、太陽が視野１０ＩＫも視野２αυにも入っていな
い場合、即ち太陽プレゼンス信号ＳＰ１　、　ＢＦ２が
ともに０の場合、内部フラグのうちＦｌのみが１となり
他の２つは０となる。この時、スイッチ１αｅ、スイッ
チ３Ｑ１．スイッチ５ｃＸＪ、スイッチ１（イ）のみ閉
となる。スイッチＩＱｅ、　スイッチ３０騰。

スイッチ５ｃ！１が閉じること【よシゼロコマンド＠と
接続され、これらの信号ラインにはゼロ値が設定される
。またスイッチＴ＠が閉じるとバイアスコマンド（至）
と接続され、この信号ラインにはバイアス値ωＢが設定
される。従って符号反転ゲイン■を経て得られる角度誤
差信号ψＣ２θＣ１ψ０及び角速度誤差信号ωＣＸ＝ω
ｃＹ、ω。２は第（１１式のようになる。

即ち、レギュレータ（６）にはＸ軸まわりの回転制御が
指示される。

次に、太陽が視野１αＱ又は視野２Ｑυに入り、視野３
（［３には入っていない場合、即ち太陽プレゼンス信号
のうちＳＰｌとＳＦ３が１．ＳＦ３が００場合は、内部
フラグのうちＦ２のみが１となり他の２つは０となる。

このとき、スイッチ２Ｑ７１．スイッチ３（１８，スイ
ッチ５翰、スイッチ８＠が閉となる。信号ラインは、ス
イッチ２αηが閉じるとシグナルセレクタ勾に、スイッ
チ３舖及びスイッチ５（イ）が閉じるとゼロコマンド＠
に、スイッチ８（ハ）が閉じるとバイアスコマンド（至
）にそれぞれ接続される。ここに、シグナルセレクタ■
は、視野１α１゜視野２αυのいずれに太陽が入ってい
るかに応じて第＜２）式のように信号を選択する。

従って、角度誤差信号９ｃ、θＣ２ψＣ及び角速度誤差
信号ωｃＸ、ωＯＹ、ωａＺは第（３）式のようになる
。

ｒψＣ−８１／２ 即ち、レギュレータ（６）にはＸ軸及びＺ軸まわりの回
転角を一定に保持しつつ、Ｙ軸まわりの回転制御を行う
よう指示がなされる。

最後に、太陽が視野２（１１１及び視野３０′ＩＪに入
った場合、即ち太陽プレゼンス信号のうちＳＦ３とＢＦ
２が１の場合は、内部フラグのうちＦ３のみが１となり
他の２つはＯとなる。このとき、スイッチ１αｅ、スイ
ッチ４α値、スイッチ６ｃｉ１）、スイッチ１＠が閉と
なる。信号ラインはスイッチ１αＱが閉じるとゼロコマ
ンドＱ壕に、スイッチ４Ｑ９が閉じると検出角Ｓ３に、
スイッチ６Ｑυが閉じるとシグナルセレクタ（５）に、
スイッチ７１２３が閉じるとバイアスコマンド（至）に
それぞれ接続される。従って角度誤差信号ψＣ２θＣ１
ψＣ及び角速度誤差信号ωＣＸ、ωｃｙ−ωａＺは第（
４）式のようになる。

即ち、レギュレータ（６）にはＹ軸、２軸回転角を一定
に保持しつつ、Ｘ軸まわりの回転制御を行うよう指示が
なされる。

なお、レギュレータ（６）の一般的な動作は第１０図に
より次のように説明される。

即ち、比例ゲイン（至）によシ角度誤差信号ψＣ９θｃ
、’ｌ’ｃを、微分ゲイン（至）により角速度誤差信号
ω。ア、ωｃｙ＝ωＣＺをそれぞれ増幅し、フィルタ（
至）にて位相調整を行って制御指令信号ｒｘ　ｒ　ｒｙ
　Ｔ　ｒｚを得る。これをアクチュエータ（７）へ入力
し、制御トルクを発生させる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の太陽捕捉姿勢制御装置は、複数の一軸太陽センサ
を用いて広範な視野を確保しているため。

ミッション機器等、他の衛星搭載機器の視野及び配置に
制約を生じ、またコンポーネントの個数が多いことから
コスト的にも高かった。

この発明は上記のような課題を解消するためになされた
もので、他の衛星搭載機器の視野及び配置に対する制約
が少なく、かつ簡潔な構成でコスト的にも安い太陽捕捉
姿勢制御装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る太陽捕捉姿勢制御装置は、単一の二軸検
出型太陽センサを用い、さらにその視野の幾何学的形状
を最大限活用して太陽捕捉動作を行うことによシ、全体
としてコンポーネントの個数及び視野面積を必要最小限
に抑えたものである。

〔作用〕

この発明における太陽捕捉姿勢制御装置は、単一の二軸
検出型太陽センサを用いて、複数回衛星を回転させるこ
とにより全天走査し、太陽を発見。

捕捉する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図は構成を示す図であり１図において、　＜３１１
は二軸検出型太陽センサ（以下、二軸太陽センサと称す
。）、（至）は座標変換器、　（４１、（５１、（６１
、（７１は第６図と同じである。また記号ｓｐは太陽プ
レゼンス信号、Ｓα、Ｓβはいずれも検出角を表し、ｓ
ｙ。

ＳＺは座標変換後の太陽角（以下９等価太陽角と称すＱ
　　）ｌ　”ＧＸｌ’ＧＹｌ”ＧＺ、ψＣツθＣ９ψＯ
＃”ＯＸｌωα、ωＣＺｒ　ｒｘ＋　ｒｙ＋　ｒｚは第
６図と同じである。

第２図は二軸太陽センサの取付方向を示す図であり９図
（ａ）は見取図１図（ｂ）はセンサ視野方向からの正面
図である。図において、（９）は第８図と同じ。

（至）は二軸太陽センサの視野（以下、視野と称す。）
であり、記号Ａ、Ｅは検出方向最大視野角（以下。

検出視野角と称す。）、ＡＡ、ＢＢは対角方向最大視野
角（以下、対角視野角と称す。）を表し＋ｘｅＹ、Ｚは
第８図と同じである。

第３図は回転動作による天球走査範囲を示す図で１図（
ａ）が１回目１図（ｂ）が２回目の回転を表す。

図において、（９）は第８図と同じ、Ｃ！４は回転によ
り視野が天球を走査する範囲（以下１回転視野と称す。

）であシ、記号Ｘ、Ｙ、Ｚ及びＡＡ、ＢＢは第２図と同
じである。

第４図は座標変換器のロジックを示す図であり。

（至）は加算部、（至）は減算部、＠はゲイ／を示す。

また記号Ｂａ、Ｂβ、　Ｂｙ　、　Ｅ３ｚは第１図と同
じである。

第５図はモードコントローラのロジックを示す図であシ
１図において、α◆、α９　、　ｃ２４　、（２）、（
至）は第９図と同じであり、＠は積分器、＠は比較器、
（４Ｇ〜（至）はスイッチＡ〜スイッチＧである。記号
ＰＹ。

Ｆ２は内部フラグ、香は積分動作を表し、ｓｐ。

ＳＹ　Ｆ　ＳＺ　ｌ　’ＧＸ　ｌ　’ＧＹ　ｌ　”ＧＺ
　ｌψａ−θｃ、ψＣ１’ＣＸｌωＣＹ、ωＯＺは第１
図と同じ、ωＢは第９図と同じである。

次に動作について説明する。

第１図において、二軸太陽センサ６υは太陽プレゼンス
信号ｓｐ及び検出角髄、Ｓβを検出し。

座標検出器（至）は検出角Ｂａ、Ｅｌβを等価太陽角ｓ
ｙ。

８ｚに変換する。また、レートジャイロ（４）は、角速
度信号ωＧＸ、ωＧＹ、ωＧｚを検出する。モードコン
トローラ（５）はこれらの入力信号をもとに状態を判定
し、角度誤差信号ψＣ９θ。、ψＣ及び角速度誤差信号
ωＣＸ、ωｃＹ、ω。２を切換える。レギュレータ（６
）及びアクチュエータ（７）の動作は第６図と全く同様
である。

第２図に示すように、二軸太陽センサＧυは視野（至）
が−Ｘ方向を中心とする方向に取付ける。ここに二軸太
陽センサＧυは第１図における方向角αとβの双方を検
出するものである。ここでは、第２図（１））において
、子午面を右に４５度倒した面に対し上下方向に方向角
αを、赤道面を右に４５度倒した面に対し上下方向に方
向角βを検出するよう取けるものとする。この時、方向
角α、βに対応する検出視野角がＡ及びＢでちゃ、視野
対角方向に測った対角視野角がＡＡ及びＢＢである。視
野（至）の形状を正方形とみなせば、対角視野角ＡＡ及
びＢＢは検出視野角Ａ及びＢのｒ１倍である。

この配置において、Ｙ軸まわりに一回転したときに視野
が天球上を走査する範囲が、第３図（ａ）に示す回転視
野（ロ）である。第３図（ｂ）は引続き２軸まわりに一
回転したときの回転視野である。この２回の回転で全天
を走査するためには制御誤差等を考慮すると、対角視野
角ＡＡ及びＢＢは６０度程度必要である。既存の二軸太
陽セ／ｆは検出視野角４５度程度、対角視野角６０度程
度を有するので、これに適合する。従って、既存のセン
サを使って上記方式による太陽捕捉を行うことは可能で
ある。

座標変換器（至）では、第４図に示すように、加算部（
至）、減算部（至）、ゲイン（９）により、検出角Ｓａ
１日βから等価太陽角Ｂｙ、　Ｂｚが計算される。その
関係は次の第（５）式で表される。

第５図は、第３図の原理を利用して太陽捕捉するための
モードコントローラのロジックである。

まず、太陽が視野（至）にない場合、即ち太陽プレゼン
ス信号ｓｐが０の時、ＮＯＴ回路ａ４にて反転した出力
が積分器（至）をリセットし、以後、積分器（至）はピ
ッチ軸まわシの角速度信号ωＧＹを積分し。

回転角をカウントする。このカウント値が３６０度に達
したかどうか比較器（至）にて判定する。３６０度に達
しないうちは比較器（至）はＯを出し続け、内部フラグ
はＦＹが１．ＦｚがＯとなる。この場合。

スイッチＡ（ト）、スイッチＣ＠、スイッチＩＦＧｉ５
が閉となる。信号ラインはスイッチＡ（４Ｑ、スイッチ
Ｃ働が閉じるとゼロコマンド＠に、スイッチＦ（至）が
閉じるとバイアスコマンド四に接続される。従って、こ
の時の角度誤差信号ψＣ１θＣ１ψＣ及び角速度誤差信
号ωＣＸ−ωＣＹ−ωｃ２は第（６）式で与えられる。

即ち、レギュレータ（６）にはＹ軸まわシの回転制御が
指示される。

太陽プレゼンス信号ＢＰが００まま、積分器（至）によ
るピッチ軸まわりの回転角カウント値が３６０度に達す
ると、比較器（至）は１を出力し、内部フラグはＦＹが
Ｏ，Ｆｚが１となる。この場合、スイッチＡ（イ）、ス
イッチＣ（６）、スイッチＧ（７）が閉となる。信号ラ
インはスイッチＡ（４Ｇ、　スイッチａＬＡ３が閉じる
とゼロコマンド（至）に、スイッチＧ（ａ）が閉じると
バイアスコマンド（至）に接続される。従って。

この時の角度誤差信号ψＣ９θＣ９ψＣ及び角速度誤差
信号ωｃｘ、ωｃｙ−ωＣＺは第（７）式で与えられる
。

即ち、レギュレータ（６）には２軸まわりの回転制御が
指示される。

前述のように、Ｙ軸回転及び２軸回転により必ず全天球
が走査されるから、これらのいずれかの動作の最中に太
陽プレゼンス信号ＢＰが１になる。

その場合、内部フラグはＩＦＹ、ＦＺとも０となり。

太陽プレゼンス信号ｓｐによシスイッチＢ（４０，スイ
ッチＤｆ１３．スイッチＩｌｌが閉となる。信号ライン
はスイッチＢ（４０が閉じると等価太陽角ＳＹ、スイッ
チＤｎ３が閉じると等価太陽角Ｓｚ、スイッチＩＤＩ４
４が閉じるとバイアスコマンド（至）にそれぞれ接続さ
れる。従って、角度誤差信号ψ。、θＣ２ψＣ及び角速
度誤差信号ωｃｘ、ωｃＹ、ωＣＺは第（８）式で与え
られる。

即ち、レギュレータ（６）にはＹ軸、ＺＭまわシの回転
角を保持するとともに、　　Ｘ＠まわりの回転制御を行
うよう指示がなされる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば二軸太陽センサの複数
回回転によシ全天走査を行うようにしたので、搭載機器
の視野・配置の制限を軽くシ、かつ簡潔で低コストの装
置を得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による太陽捕捉制御装置を
示す構成図、第２図（ａ）　、　（ｂ）はこの発明の一
実施例における二軸太陽センサの取付方向を示す図、第
３図はこの発明の一実施例における回転動作による天球
走査範囲を示す図、第４図は座標変換器のロジックを示
す図、第５図はこの発明の一実施例におけるモードコン
トローラのロジックを示す図、第６図は従来の装置の構
成を示す図。 第１図は太陽方向角を示す図、第８図は従来の装置にお
ける一軸太陽センサの配置を示す図、第９図は従来の装
置におけるモードコントローラのロジックを示す図、第
１０図はレギュレータのロジックを示す図であ、９．（
１１は一軸太陽センサ１．（２１は一軸太陽センサ２．
（３）は−軸太陽センサ３．（４）はレートジャイロ、
（５）はモードコントローラ、（６）はレギュレータ、
（７）はアクチュエータ、（８）は太陽センサヘッド、
（９）は仮想球、α・は視野１．（Ｉυは視野２．αり
は視野３．Ｑ３はＯＲ回路、α尋はＮ０７回路、αＳは
ＡＮＤ回路、　（ＩＳはスイッチ１．αηはスイッチ２
．ＱＩはスイッチ３．α優はスイッチ４．（至）はスイ
ッチｓ、ｏｎはスイッチ６、（至）はスイッチＴ。 （ハ）はスイッチ８．＠はゼロコマンド、＠はバイアス
コマンド、（至）は符号反転ゲイン、＠はシグナルセレ
クタ、＠は比例ゲイン、＠は微分ゲイン、Ｏｎはフィル
タ、　ｅ１１＋は二軸太陽センサ、（至）は座標変換器
、３３は視野、（ロ）は回転視野、（至）は加算部、（
至）は減算部、＠はゲイン、＠は積分器、＠は比較器。 （４１はスイッチＡ、（１０はスイッチＢ、（６）はス
イッチＣ，＋４３はスイッチＤ、Ｉ４４はスイッチｚ、
ｈ！９はスイッチＩＰ、　Ｇ４１１９はスイッチＧであ
る。 なお１図中同一あるいは相当部分には同一符号を付して
示しである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 人工衛星等の飛しよう体に搭載され、姿勢を保持あるい
   は変更するための姿勢制御装置において、単一の二軸検
   出型太陽センサ、この太陽センサの検出角を衛星座標系
   に変換する座標変換器、三軸検出型角速度センサ、これ
   らセンサ信号を姿勢状態に応じて自動的に切換えるモー
   ドコントローラ、このモードコントローラにより切換え
   られたセンサ信号をもとに制御指令信号を発生するレギ
   ュレータ、このレギュレータの制御指令信号に追従して
   制御トルクを発生するアクチュエータにより構成され、
   任意の初期姿勢状態から太陽を捕捉することを特徴とす
   る太陽捕捉姿勢制御装置。