JPH04228400A - 極星センサを使用した宇宙船の３軸姿勢制御システム - Google Patents
極星センサを使用した宇宙船の３軸姿勢制御システムInfo
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- JPH04228400A JPH04228400A JP3109535A JP10953591A JPH04228400A JP H04228400 A JPH04228400 A JP H04228400A JP 3109535 A JP3109535 A JP 3109535A JP 10953591 A JP10953591 A JP 10953591A JP H04228400 A JPH04228400 A JP H04228400A
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- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
- B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
- B64G1/36—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using sensors, e.g. sun-sensors, horizon sensors
- B64G1/361—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using sensors, e.g. sun-sensors, horizon sensors using star sensors
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- G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
- G01S3/78—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using electromagnetic waves other than radio waves
- G01S3/782—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
- G01S3/785—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using adjustment of orientation of directivity characteristics of a detector or detector system to give a desired condition of signal derived from that detector or detector system
- G01S3/786—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using adjustment of orientation of directivity characteristics of a detector or detector system to give a desired condition of signal derived from that detector or detector system the desired condition being maintained automatically
- G01S3/7867—Star trackers
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- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
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- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、宇宙船の姿勢制御シス
テムに関し、更に詳しくは、地球センサとともに極星セ
ンサを使用した宇宙船の３軸姿勢制御システムに関する
。
テムに関し、更に詳しくは、地球センサとともに極星セ
ンサを使用した宇宙船の３軸姿勢制御システムに関する
。
【０００２】
【従来の技術】人工衛星または宇宙船は種々の用途に広
く使用されている。例えば、通信用のある用途では、宇
宙船は、宇宙船が回る地球のような天体の表面上の特定
の位置に計器を向けることを要求される。
く使用されている。例えば、通信用のある用途では、宇
宙船は、宇宙船が回る地球のような天体の表面上の特定
の位置に計器を向けることを要求される。
【０００３】地球上の離れた位置間における通信、また
は放送用には、静止衛星が有利である。静止衛星は赤道
軌道にあり、スピン安定化または３軸安定化される。ア
ンテナを特定の位置に向けるように維持するために、ス
ピン安定化衛星は地球を向いているアンテナまたはセン
サが設けられるデスピン・プラットフォームを有するこ
とが必要である。スピン安定化宇宙船は的確に地球を指
し示す動作を維持するように大きな運動量バイアスを必
要とする。
は放送用には、静止衛星が有利である。静止衛星は赤道
軌道にあり、スピン安定化または３軸安定化される。ア
ンテナを特定の位置に向けるように維持するために、ス
ピン安定化衛星は地球を向いているアンテナまたはセン
サが設けられるデスピン・プラットフォームを有するこ
とが必要である。スピン安定化宇宙船は的確に地球を指
し示す動作を維持するように大きな運動量バイアスを必
要とする。
【０００４】３軸安定化宇宙船は１つ以上の姿勢センサ
の制御の下で姿勢を維持するためにロール（横揺れ）、
ピッチ（縦揺れ）およびヨー（偏揺れ）軸に関連して宇
宙船にトルクを与えるトルク発生システムを使用する。 方向を維持するトルク発生は磁気トルク発生器、化学ス
ラスタ、モーメンタムすなわち反動ホイールまたはこれ
らの３つのいずれかを組み合わせたものによって達成さ
れる。
の制御の下で姿勢を維持するためにロール（横揺れ）、
ピッチ（縦揺れ）およびヨー（偏揺れ）軸に関連して宇
宙船にトルクを与えるトルク発生システムを使用する。 方向を維持するトルク発生は磁気トルク発生器、化学ス
ラスタ、モーメンタムすなわち反動ホイールまたはこれ
らの３つのいずれかを組み合わせたものによって達成さ
れる。
【０００５】宇宙船の姿勢は多くのシステムのいずれか
によって測定される。商用通信衛星で使用されている１
つの姿勢検知システムは姿勢制御用に太陽センサととも
に地球地平線センサを必要とする。地球センサはピッチ
およびロール情報を提供し、太陽センサはヨー情報の更
新を考慮した時間情報を提供する。ヨーは太陽センサの
測定が利用できない間に推定されなければならない。こ
れらのセンサはロール軸およびヨー軸の４分の１軌道毎
の交換とともに通常の条件下における宇宙船の安定化に
対する充分な情報を提供する。しかしながら、地平線セ
ンサは地平線を不明瞭にする大気の影響のために正確な
情報を提供しないし、ヨー更新情報は正確な照準を行う
のに充分な制御情報を提供しないかもしれない。運動量
バイアス宇宙船において正確な照準要件が少ない場合に
は、地平線センサのみを必要とし、モーメンタム・ホイ
ールのザイロスコープ結合を使用して、ヨー姿勢を維持
することができる。
によって測定される。商用通信衛星で使用されている１
つの姿勢検知システムは姿勢制御用に太陽センサととも
に地球地平線センサを必要とする。地球センサはピッチ
およびロール情報を提供し、太陽センサはヨー情報の更
新を考慮した時間情報を提供する。ヨーは太陽センサの
測定が利用できない間に推定されなければならない。こ
れらのセンサはロール軸およびヨー軸の４分の１軌道毎
の交換とともに通常の条件下における宇宙船の安定化に
対する充分な情報を提供する。しかしながら、地平線セ
ンサは地平線を不明瞭にする大気の影響のために正確な
情報を提供しないし、ヨー更新情報は正確な照準を行う
のに充分な制御情報を提供しないかもしれない。運動量
バイアス宇宙船において正確な照準要件が少ない場合に
は、地平線センサのみを必要とし、モーメンタム・ホイ
ールのザイロスコープ結合を使用して、ヨー姿勢を維持
することができる。
【０００６】他の姿勢制御システムにおいては、ザイロ
スコープを宇宙船内に取り付けて、角速度情報を得てい
る。ザイロスコープは少なくとも軸受け摩擦によるエラ
ーを受け易いので、周期的に更新することが必要である
。この更新は地球地平線センサおよび太陽センサによっ
て行われるが、これらは上述したようにエラーを受け易
い。ザイロスコープは星センサのシステムによって更新
される。このような星センサのシステムは上空の部分を
観察し、この観察した風景を記憶した星図と一致させる
。このような装置は正確な制御を行うことができるが、
記憶した地図と有意義な比較を行うために星センサはか
なり大きな範囲にわたる星に反応しなければならないの
で非常に高価になる。また、かなり大きな範囲にわたっ
て星を観察する要件はほのかな弱々しい星を検出するた
めにイメージセンサの冷却を必要とするとともに、また
星の相対的等級を比較のために測定できるように充分特
徴付けられた反応特性の線形性または少なくとも反応特
性を必要とする。このような星検知システムの価格は商
用通信衛星用には高すぎるものである。１０年使用可能
な商用通信衛星用に要求されるような長寿命に適したザ
イロスコープは非常に高価である。また、このようなザ
イロスコープの価格は商用通信衛星用には高すぎるもの
である。
スコープを宇宙船内に取り付けて、角速度情報を得てい
る。ザイロスコープは少なくとも軸受け摩擦によるエラ
ーを受け易いので、周期的に更新することが必要である
。この更新は地球地平線センサおよび太陽センサによっ
て行われるが、これらは上述したようにエラーを受け易
い。ザイロスコープは星センサのシステムによって更新
される。このような星センサのシステムは上空の部分を
観察し、この観察した風景を記憶した星図と一致させる
。このような装置は正確な制御を行うことができるが、
記憶した地図と有意義な比較を行うために星センサはか
なり大きな範囲にわたる星に反応しなければならないの
で非常に高価になる。また、かなり大きな範囲にわたっ
て星を観察する要件はほのかな弱々しい星を検出するた
めにイメージセンサの冷却を必要とするとともに、また
星の相対的等級を比較のために測定できるように充分特
徴付けられた反応特性の線形性または少なくとも反応特
性を必要とする。このような星検知システムの価格は商
用通信衛星用には高すぎるものである。１０年使用可能
な商用通信衛星用に要求されるような長寿命に適したザ
イロスコープは非常に高価である。また、このようなザ
イロスコープの価格は商用通信衛星用には高すぎるもの
である。
【０００７】
【発明の概要】赤道軌道にある宇宙船の３軸姿勢制御シ
ステムは宇宙船に取り付けられ、宇宙船のピッチ軸に平
行な照準線を有し、ピッチ軸に対する選択された極星の
２軸位置を表す星信号を発生する極星センサを有してい
る。また、宇宙船はピッチ軸の周りの宇宙船の少なくと
もピッチを表す信号を発生する地球センサを有している
。宇宙船はまた天体暦および軌道位置を表す情報が記憶
されたメモリを有している。記憶された情報が動作の間
宇宙船に送信されたり、またはプログラムされたり、ま
たは両処理が行われる。プロセッサが極星センサ、地球
センサおよび軌道または天体暦情報源に接続され、情報
を処理し、少なくともヨーを表す信号を発生する。プロ
セッサとともに地球センサまたは星センサ、または両者
はロールを表す信号を発生する。トルク発生装置はピッ
チ、ロールおよびヨーを表す信号に応答して、宇宙船に
トルクを与え、所望の姿勢を維持する。本発明の特定の
実施例では、地球センサおよび星センサ／プロセッサの
両方はロールに関する情報を発生し、結合器が両方のロ
ール信号を結合して、合成したロール信号を発生する。
ステムは宇宙船に取り付けられ、宇宙船のピッチ軸に平
行な照準線を有し、ピッチ軸に対する選択された極星の
２軸位置を表す星信号を発生する極星センサを有してい
る。また、宇宙船はピッチ軸の周りの宇宙船の少なくと
もピッチを表す信号を発生する地球センサを有している
。宇宙船はまた天体暦および軌道位置を表す情報が記憶
されたメモリを有している。記憶された情報が動作の間
宇宙船に送信されたり、またはプログラムされたり、ま
たは両処理が行われる。プロセッサが極星センサ、地球
センサおよび軌道または天体暦情報源に接続され、情報
を処理し、少なくともヨーを表す信号を発生する。プロ
セッサとともに地球センサまたは星センサ、または両者
はロールを表す信号を発生する。トルク発生装置はピッ
チ、ロールおよびヨーを表す信号に応答して、宇宙船に
トルクを与え、所望の姿勢を維持する。本発明の特定の
実施例では、地球センサおよび星センサ／プロセッサの
両方はロールに関する情報を発生し、結合器が両方のロ
ール信号を結合して、合成したロール信号を発生する。
【０００８】
【実施例の記載】図１は地球１２の周りの赤道軌道内の
衛星１０の簡略斜視図である。衛星１０は所望の姿勢で
示されており、ピッチ軸、すなわちｚ軸が軌道面に対し
て直角にあり、ロール軸、すなわちｙ軸の方向に動いて
いる。ヨー軸、すなわちｘ軸が地球の中心に向かって示
されている。
衛星１０の簡略斜視図である。衛星１０は所望の姿勢で
示されており、ピッチ軸、すなわちｚ軸が軌道面に対し
て直角にあり、ロール軸、すなわちｙ軸の方向に動いて
いる。ヨー軸、すなわちｘ軸が地球の中心に向かって示
されている。
【０００９】図１に示すように、地球の回転軸１４は宇
宙船１０に取り付けられている星センサ１８の破線１６
として示されている照準線にほぼ平行である。軸１４お
よび照準線１６の両方は宇宙の２０で示す遠方位置を向
いている。この遠方位置は２２で示す選択された極星に
近いが、正確ではない。以下に説明するように、極星は
北または南の極星であるが、好ましくはα小熊座（北極
星）、ＳＡＯ番号３０８が選択される。２４で示す地球
センサ組立体（ＥＳＡ）は宇宙船に取り付けられており
、その照準線は一点鎖線２６で示され、地球に向けられ
ている。ブロック２８で示す制御回路または制御装置は
宇宙船に付設されており、星センサ１８および地球セン
サ組立体２４に接続され（図１には示されていない手段
によって）、宇宙船の方向を決定する。３０、３２およ
び３４で示す相互に直交するトルク発生コイルは制御ブ
ロック２８に（図示しない）手段によって接続され、姿
勢を制御するように宇宙船にトルクを与えるべく励起さ
れる。アンテナ４０が宇宙船に設けられ、地球と通信す
るように地球に向けられている。アンテナ４０は制御ブ
ロック２８に接続され、地上局からの制御指令を受信し
たり、宇宙船の状態に関する情報を地上局に送信する。 回転可能な太陽電池板３６はその回転が星センサ１８の
照準線１６を妨害しないような位置の宇宙船上に取り付
けられている。
宙船１０に取り付けられている星センサ１８の破線１６
として示されている照準線にほぼ平行である。軸１４お
よび照準線１６の両方は宇宙の２０で示す遠方位置を向
いている。この遠方位置は２２で示す選択された極星に
近いが、正確ではない。以下に説明するように、極星は
北または南の極星であるが、好ましくはα小熊座（北極
星）、ＳＡＯ番号３０８が選択される。２４で示す地球
センサ組立体（ＥＳＡ）は宇宙船に取り付けられており
、その照準線は一点鎖線２６で示され、地球に向けられ
ている。ブロック２８で示す制御回路または制御装置は
宇宙船に付設されており、星センサ１８および地球セン
サ組立体２４に接続され（図１には示されていない手段
によって）、宇宙船の方向を決定する。３０、３２およ
び３４で示す相互に直交するトルク発生コイルは制御ブ
ロック２８に（図示しない）手段によって接続され、姿
勢を制御するように宇宙船にトルクを与えるべく励起さ
れる。アンテナ４０が宇宙船に設けられ、地球と通信す
るように地球に向けられている。アンテナ４０は制御ブ
ロック２８に接続され、地上局からの制御指令を受信し
たり、宇宙船の状態に関する情報を地上局に送信する。 回転可能な太陽電池板３６はその回転が星センサ１８の
照準線１６を妨害しないような位置の宇宙船上に取り付
けられている。
【００１０】図１の地球センサ組立体２４は走査型のも
のであり、地球を横切る一対の経路を同時にまたは順次
走査する。地球の地平線を横切る毎に信号が発生する。 各走査の長さすなわち継続時間は地平線を横切る間の時
間によって決定される。図２ａは地球１２、および第１
および第２の走査経路５０および５２を示している。図
示のように、走査経路５０および５２は赤道線５４の上
下の中心にある。この結果、走査経路５０および５２は
それぞれ同じ時間Ｌ１およびＬ２で横切られる。図２ｂ
は宇宙船が図１のｙ軸の周りで回転した場合の状態を示
しており、走査経路５０および５２は赤道線５４から等
しい距離にない。図示のように、走査線５０は時間Ｌ１
で完了し、この時間Ｌ１は走査５２の完了に必要な時間
Ｌ２よりも非常に短い。時間Ｌ１およびＬ２の差がロー
ルを示している。
のであり、地球を横切る一対の経路を同時にまたは順次
走査する。地球の地平線を横切る毎に信号が発生する。 各走査の長さすなわち継続時間は地平線を横切る間の時
間によって決定される。図２ａは地球１２、および第１
および第２の走査経路５０および５２を示している。図
示のように、走査経路５０および５２は赤道線５４の上
下の中心にある。この結果、走査経路５０および５２は
それぞれ同じ時間Ｌ１およびＬ２で横切られる。図２ｂ
は宇宙船が図１のｙ軸の周りで回転した場合の状態を示
しており、走査経路５０および５２は赤道線５４から等
しい距離にない。図示のように、走査線５０は時間Ｌ１
で完了し、この時間Ｌ１は走査５２の完了に必要な時間
Ｌ２よりも非常に短い。時間Ｌ１およびＬ２の差がロー
ルを示している。
【００１１】また、地球センサ組立体２４はピッチを指
示することができる。前述したように、宇宙船が図２ａ
に示すようにロール軸の周りで適当に方向付けられたと
きには、走査５０の完成に必要な時間Ｌ１は走査５２の
完成に必要な時間Ｌ２に等しい。地球センサ組立体の走
査ホイール（図示せず）は、走査ホイールの特定の位置
が図１の照準線２６に対応するように校正される。図２
ａの走査５０および５２が中央点にある瞬間における地
球センサ組立体２４の走査ホイールの照準線の状態の偏
差がピッチ・エラーを示す。このように、地球センサ組
立体はロールおよびピッチ・エラーの両方を指示するた
めに使用できる。このようなセンサはＤ．レイデル出版
社（Ｄ．Ｒｅｉｄｅｌ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏ．
，）によって出版されたジェームズＲ．ワーツ（Ｊａｍ
ｅｓ Ｒ．Ｗｅｒｔｓ） により編集されたテキスト「
宇宙船の姿勢測定および制御（Ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ
Ａｔｔｉｄｕｄｅ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎ
ｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ） 」、第１版、１９８５年の１６
６−１８０ページに記載されている。
示することができる。前述したように、宇宙船が図２ａ
に示すようにロール軸の周りで適当に方向付けられたと
きには、走査５０の完成に必要な時間Ｌ１は走査５２の
完成に必要な時間Ｌ２に等しい。地球センサ組立体の走
査ホイール（図示せず）は、走査ホイールの特定の位置
が図１の照準線２６に対応するように校正される。図２
ａの走査５０および５２が中央点にある瞬間における地
球センサ組立体２４の走査ホイールの照準線の状態の偏
差がピッチ・エラーを示す。このように、地球センサ組
立体はロールおよびピッチ・エラーの両方を指示するた
めに使用できる。このようなセンサはＤ．レイデル出版
社（Ｄ．Ｒｅｉｄｅｌ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏ．
，）によって出版されたジェームズＲ．ワーツ（Ｊａｍ
ｅｓ Ｒ．Ｗｅｒｔｓ） により編集されたテキスト「
宇宙船の姿勢測定および制御（Ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ
Ａｔｔｉｄｕｄｅ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎ
ｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ） 」、第１版、１９８５年の１６
６−１８０ページに記載されている。
【００１２】図３は図１の星センサ１８の簡略構成図で
ある。図３において、星センサ１８は光学組立体３１０
およびその焦点面に設けられているセンサ配列部３１２
を有し、両者は照準線１６上に中心が設けられている。 図３に示すように、極星２２は照準線１６上に中心が設
けられていない。この結果、極星２２からセンサ配列部
３１２に延出している視線３１４は３１６で示す星の画
像をセンサ配列部上に投影している。地球の周りの衛星
の軌道運動の間、照準線１６に対する星２２の見かけ上
の位置は変化し、画像３１６は破線３１８で示す円形の
経路を照準線１６の周りに描く。
ある。図３において、星センサ１８は光学組立体３１０
およびその焦点面に設けられているセンサ配列部３１２
を有し、両者は照準線１６上に中心が設けられている。 図３に示すように、極星２２は照準線１６上に中心が設
けられていない。この結果、極星２２からセンサ配列部
３１２に延出している視線３１４は３１６で示す星の画
像をセンサ配列部上に投影している。地球の周りの衛星
の軌道運動の間、照準線１６に対する星２２の見かけ上
の位置は変化し、画像３１６は破線３１８で示す円形の
経路を照準線１６の周りに描く。
【００１３】以下に説明するように、時々刻々の宇宙船
の軌道位置および天体暦情報を知ることによって図３の
センサ配列部３１２上の画像の予想位置を計算すること
ができる。この計算された位置からの星の画像３１６の
偏差は図３に示すｘおよびｙ方向におけるエラーを示す
。このエラーはロールおよびヨーを表している。特に、
ヨー・エラーは星の画像３１６の実際の位置を画像の計
算位置からｙ方向にずれさせ、ロールエラーは画像をｘ
方向にずれさせている。通常、ロール・エラーとヨー・
エラーが組合わさって発生し、ｘおよびｙ方向の変位を
組み合わせたものが予想される。
の軌道位置および天体暦情報を知ることによって図３の
センサ配列部３１２上の画像の予想位置を計算すること
ができる。この計算された位置からの星の画像３１６の
偏差は図３に示すｘおよびｙ方向におけるエラーを示す
。このエラーはロールおよびヨーを表している。特に、
ヨー・エラーは星の画像３１６の実際の位置を画像の計
算位置からｙ方向にずれさせ、ロールエラーは画像をｘ
方向にずれさせている。通常、ロール・エラーとヨー・
エラーが組合わさって発生し、ｘおよびｙ方向の変位を
組み合わせたものが予想される。
【００１４】星センサ１８は約８８゜より大きい傾きを
もって星を追跡することしか必要でないので、星センサ
１８の視野（ＦＯＶ）は狭い。５゜までの傾きをもって
宇宙船で使用するために北極星を追跡するのに、視野は
少なくとも１６．５゜×１６．５゜必要である。星セン
サは適切な正確さを持っていなければならないし、所望
の正確さを達成するために配列部内に最小の数の画素を
有する最も簡単な装置を有していなければならない。そ
の感度は他の極星でなく、北極星を検知するのに充分な
ものでなければならない。これらの目的は冷却しないＣ
ＣＤ（電荷結合素子）またはＣＩＤ（電荷注入素子）か
らなるセンサで達成される。このようなセンサからなる
配列部はよく知られているものである。図３に示すよう
に、配列部３１２は矩形のＮ×Ｍの配列である。
もって星を追跡することしか必要でないので、星センサ
１８の視野（ＦＯＶ）は狭い。５゜までの傾きをもって
宇宙船で使用するために北極星を追跡するのに、視野は
少なくとも１６．５゜×１６．５゜必要である。星セン
サは適切な正確さを持っていなければならないし、所望
の正確さを達成するために配列部内に最小の数の画素を
有する最も簡単な装置を有していなければならない。そ
の感度は他の極星でなく、北極星を検知するのに充分な
ものでなければならない。これらの目的は冷却しないＣ
ＣＤ（電荷結合素子）またはＣＩＤ（電荷注入素子）か
らなるセンサで達成される。このようなセンサからなる
配列部はよく知られているものである。図３に示すよう
に、配列部３１２は矩形のＮ×Ｍの配列である。
【００１５】都合のよい配列部の大きさは、Ｎ＝５１２
、Ｍ＝５１２であり、静止軌道に対して６．５゜×６．
５゜のＦＯＶを有している。ブロック３２２として示さ
れているプリアンプは、周知のようにセンサ配列部から
のクロック信号に同期したアナログ信号を受信するよう
にセンサ配列部に接続されて図３に示されている。 アナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）３３４はこのア
ナログ信号を対応するディジタル値に変換する。このデ
ィジタル値は並列または直列形式で出力される。配列部
は北極星以外の星に対しては識別し得る信号を発生する
ように充分な感度を有することが要求されるかもしれな
い。応答特性を制限するために、ディジタルしきい値検
出器３３６は出力データ路３３８上の出力信号を予め設
定した等級を超える信号に制限する。この予め設定され
る等級は約計器等級２．５に設定され、北極星はこのし
きい値をはるかに超え、他の極星は充分低い値である。 この結果、等級２．５より大きなレベルで応答する画素
のみが出力を発生する。これは迷光に対する感度を低減
し、放射性障害に対する感度を小さくし、間違って星が
見えないようにする。また、しきい値ブロック３３６は
測定の準備ができたことを飛行コンピュータ（図示せず
）に知らせるための割り込み出力をデータ路３３９に有
している。
、Ｍ＝５１２であり、静止軌道に対して６．５゜×６．
５゜のＦＯＶを有している。ブロック３２２として示さ
れているプリアンプは、周知のようにセンサ配列部から
のクロック信号に同期したアナログ信号を受信するよう
にセンサ配列部に接続されて図３に示されている。 アナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）３３４はこのア
ナログ信号を対応するディジタル値に変換する。このデ
ィジタル値は並列または直列形式で出力される。配列部
は北極星以外の星に対しては識別し得る信号を発生する
ように充分な感度を有することが要求されるかもしれな
い。応答特性を制限するために、ディジタルしきい値検
出器３３６は出力データ路３３８上の出力信号を予め設
定した等級を超える信号に制限する。この予め設定され
る等級は約計器等級２．５に設定され、北極星はこのし
きい値をはるかに超え、他の極星は充分低い値である。 この結果、等級２．５より大きなレベルで応答する画素
のみが出力を発生する。これは迷光に対する感度を低減
し、放射性障害に対する感度を小さくし、間違って星が
見えないようにする。また、しきい値ブロック３３６は
測定の準備ができたことを飛行コンピュータ（図示せず
）に知らせるための割り込み出力をデータ路３３９に有
している。
【００１６】センサの視野は許容可能な軌道の傾斜、星
の傾斜および姿勢エラーによって決定される。北極星は
８９゜より大きな傾斜をもっている。従って、１６．５
゜×１６．５゜の視野は、５゜までの傾斜をもって軌道
内の宇宙船に対する北極星を追跡するのに充分である（
傾斜に対して５゜＋北極星に対して１゜＋姿勢エラーに
対して２．２５゜）。７゜の傾斜は２０．５゜×２０．
５゜のＦＯＶを必要とする。
の傾斜および姿勢エラーによって決定される。北極星は
８９゜より大きな傾斜をもっている。従って、１６．５
゜×１６．５゜の視野は、５゜までの傾斜をもって軌道
内の宇宙船に対する北極星を追跡するのに充分である（
傾斜に対して５゜＋北極星に対して１゜＋姿勢エラーに
対して２．２５゜）。７゜の傾斜は２０．５゜×２０．
５゜のＦＯＶを必要とする。
【００１７】理想的には、センサは全体のＮ×Ｍより小
さな部分の配列部の走査（サブ走査）を行うために、例
えばサブ走査領域の名目上の中心を表す指定された画素
を中心とするＰ×Ｑの画素領域をサブ走査するためにア
ドレス可能であるべきである。３×３または５×５の画
素をサブ走査する場合においては、名目上の中心は実際
の画素のアドレスに対応する。４×４または他の偶数の
場合には、中心はいくらか更に複雑なアドレスを必要と
する仮想点である。一方、ある種の処理は奇数よりも偶
数の場合に更に容易に達成することができ、１６×１６
のサブ走査はアドレスがより複雑であるとしても１７×
１７のサブ走査よりもより好ましいものである。サブ走
査の名目上の中心は、サブ走査の中心近くに北極星の画
像を設定するように軌道位置、所望の姿勢、システムの
ジオメトリ、および天体暦情報に基づいて飛行コンピュ
ータによって設定される。
さな部分の配列部の走査（サブ走査）を行うために、例
えばサブ走査領域の名目上の中心を表す指定された画素
を中心とするＰ×Ｑの画素領域をサブ走査するためにア
ドレス可能であるべきである。３×３または５×５の画
素をサブ走査する場合においては、名目上の中心は実際
の画素のアドレスに対応する。４×４または他の偶数の
場合には、中心はいくらか更に複雑なアドレスを必要と
する仮想点である。一方、ある種の処理は奇数よりも偶
数の場合に更に容易に達成することができ、１６×１６
のサブ走査はアドレスがより複雑であるとしても１７×
１７のサブ走査よりもより好ましいものである。サブ走
査の名目上の中心は、サブ走査の中心近くに北極星の画
像を設定するように軌道位置、所望の姿勢、システムの
ジオメトリ、および天体暦情報に基づいて飛行コンピュ
ータによって設定される。
【００１８】サブ走査を使用することなく、全配列部の
走査が使用される場合には、焦点面の北極星の位置は最
も大きな出力を有する画素を単に捜し求め、その画素を
北極星が映されている画素と定めることによって測定さ
れる。この動作のために、図３の光学系３１０は配列部
の１つの画素に等価な領域上に焦点を合わすように設計
される。この技術の解像度は１画素であり、５１２×５
１２の配列部および５゜の傾斜の場合には、解像度Ｒは
次式によって与えられる。
走査が使用される場合には、焦点面の北極星の位置は最
も大きな出力を有する画素を単に捜し求め、その画素を
北極星が映されている画素と定めることによって測定さ
れる。この動作のために、図３の光学系３１０は配列部
の１つの画素に等価な領域上に焦点を合わすように設計
される。この技術の解像度は１画素であり、５１２×５
１２の配列部および５゜の傾斜の場合には、解像度Ｒは
次式によって与えられる。
【００１９】
Ｒ＝１６．５゜／５１２＝０．０３゜
（１）これ
は静止通信衛星に対してはほぼ充分なものである。
（１）これ
は静止通信衛星に対してはほぼ充分なものである。
【００２０】より大きな指示精度を要望する場合には、
北極星の画像がいくつかの画素を覆うように光学系は北
極星の画像の焦点をぼかすように設計され、配列部は照
明された部分にわたってサブ走査される。それから、重
心の計算が行われる。走査線に沿った強度の重心の計算
は周知であり、例えば米国特許第４９２９８４３号に記
載されている。焦点をぼかされた重心計算法における解
像度Ｒは次式の通りである。
北極星の画像がいくつかの画素を覆うように光学系は北
極星の画像の焦点をぼかすように設計され、配列部は照
明された部分にわたってサブ走査される。それから、重
心の計算が行われる。走査線に沿った強度の重心の計算
は周知であり、例えば米国特許第４９２９８４３号に記
載されている。焦点をぼかされた重心計算法における解
像度Ｒは次式の通りである。
【００２１】
Ｒ＝Ｆｅｉ ／Ｎ
（２）ここにおいて、ｅｉ は約０．０１
であり、Ｆは度数で表した視野の幅である。１６．５゜
×１６．５゜のＦＯＶの場合には、１６５×１６５の画
素配列部で０．００１の解像度が達成され得る。この方
法は上述した非重心方法よりも大きな解像度をより小さ
な配列部で達成するが、更に複雑な信号処理を必要とす
る。
（２）ここにおいて、ｅｉ は約０．０１
であり、Ｆは度数で表した視野の幅である。１６．５゜
×１６．５゜のＦＯＶの場合には、１６５×１６５の画
素配列部で０．００１の解像度が達成され得る。この方
法は上述した非重心方法よりも大きな解像度をより小さ
な配列部で達成するが、更に複雑な信号処理を必要とす
る。
【００２２】更に大きな解像度に対しては、重心計算は
全配列に対して行われる。５１２×５１２の配列部にお
いては、５゜の傾斜の場合の解像度は０．０００３゜と
大きなものである。
全配列に対して行われる。５１２×５１２の配列部にお
いては、５゜の傾斜の場合の解像度は０．０００３゜と
大きなものである。
【００２３】図５は図２で説明した装置によって行われ
る測定から宇宙船のヨーを測定する図１のブロック２８
で行われる信号処理を説明する簡略フローチャートであ
る。図５において、ブロック５１０はヨー測定シーケン
スの開始を示しており、ブロック５１２は現時刻の読み
取りを示している（または、計算が遅れる場合には、星
の測定が行われた時刻）。ブロック５１４は現時刻を２
０００年１月１日（Ｊ２０００）系の正午に変換するこ
とを示している。この変換された時刻は重心ダイナミッ
ク時刻（ＴＤＢ）であり、これは太陽系の重心による天
体暦の時間尺度として使用される。ブロック５１６は座
標時刻ｔ＝ＴＤＢにおける速度および天文単位（ａｕ）
における地球の重心位置のメモリ（すなわち、天文学用
の暦）に記憶された表のデータを読み取ることを示して
いる。ブロック５１８はＪ２０００における極星の赤経
（αｏ ）および赤緯（δｏ ）のメモリからの読み出
しを示している。ブロック５２０は元期Ｊ２０００にお
ける極星の重心方向（ｑ）の計算を示している。
る測定から宇宙船のヨーを測定する図１のブロック２８
で行われる信号処理を説明する簡略フローチャートであ
る。図５において、ブロック５１０はヨー測定シーケン
スの開始を示しており、ブロック５１２は現時刻の読み
取りを示している（または、計算が遅れる場合には、星
の測定が行われた時刻）。ブロック５１４は現時刻を２
０００年１月１日（Ｊ２０００）系の正午に変換するこ
とを示している。この変換された時刻は重心ダイナミッ
ク時刻（ＴＤＢ）であり、これは太陽系の重心による天
体暦の時間尺度として使用される。ブロック５１６は座
標時刻ｔ＝ＴＤＢにおける速度および天文単位（ａｕ）
における地球の重心位置のメモリ（すなわち、天文学用
の暦）に記憶された表のデータを読み取ることを示して
いる。ブロック５１８はＪ２０００における極星の赤経
（αｏ ）および赤緯（δｏ ）のメモリからの読み出
しを示している。ブロック５２０は元期Ｊ２０００にお
ける極星の重心方向（ｑ）の計算を示している。
【００２４】
【数１】
ここにおいて、αｏ およびδｏ は元期Ｊ２０００．
０の赤道および分点に対するＪ２０００．０系における
赤経および赤緯である。
０の赤道および分点に対するＪ２０００．０系における
赤経および赤緯である。
【００２５】ブロック５２２は空間運動ベクトルｍの計
算を示している。
算を示している。
【００２６】
【数２】
ここにおいて、πは視差であり、（μα、μδ）は適当
な運動速度であり、ｖは地球から離れる方向が正で測定
した半径方向速度である。
な運動速度であり、ｖは地球から離れる方向が正で測定
した半径方向速度である。
【００２７】ブロック５２４は測定時における極星の地
心ベクトルＰの計算を示している。
心ベクトルＰの計算を示している。
【００２８】
Ｐ＝ｑ＋Ｔｍ−πＥＢ
（５）ここにおいて、ＴはＪ２０００．０からの
ユリウス世紀における間隔であり、次式によって与えら
れる。
（５）ここにおいて、ＴはＪ２０００．０からの
ユリウス世紀における間隔であり、次式によって与えら
れる。
【００２９】
Ｔ＝（ＪＤ−２４５ １５４５．０）／
３６５２５ （６）ここにおいて、
ＪＤはユリウス日であり、２４５ １５４５は２００
０年に対するユリウス日であり、３６５２５はユリウス
世紀における日数である。
３６５２５ （６）ここにおいて、
ＪＤはユリウス日であり、２４５ １５４５は２００
０年に対するユリウス日であり、３６５２５はユリウス
世紀における日数である。
【００３０】ＪＤは例えば米国政府印刷局によって印刷
された１９８９年の天文暦に記載されているようにＴＤ
Ｂから直接計算することができる。
された１９８９年の天文暦に記載されているようにＴＤ
Ｂから直接計算することができる。
【００３１】ブロック５２６は地球の日心位置Ｅを測定
することを示している。
することを示している。
【００３２】
Ｅ＝ＥＢ −ＳＢ
（７）ここにおいて、ＳＢ は時間ｔ＝
ＴＤＢにおける太陽の重心位置である。
（７）ここにおいて、ＳＢ は時間ｔ＝
ＴＤＢにおける太陽の重心位置である。
【００３３】ブロック５２８は次の単位ベクトルを形成
することを表している。
することを表している。
【００３４】
ｐ＝Ｐ／｜Ｐ｜
（８） ｅ＝Ｅ／｜Ｅ｜
（９）光の偏向に対する補
正がブロック５３０で行われ、補正されたベクトルＰ１
を形成する。
（８） ｅ＝Ｅ／｜Ｅ｜
（９）光の偏向に対する補
正がブロック５３０で行われ、補正されたベクトルＰ１
を形成する。
【００３５】
【数３】
ここにおいて、μ／ｃ２ ＝９．８７×１０−９ａｕで
あり、Ｅ＝｜Ｅ｜である。
あり、Ｅ＝｜Ｅ｜である。
【００３６】相対論効果がブロック５３２で補償される
。
。
【００３７】
【数４】
ここにおいて、Ｖは真空中における光の速度（３×１０
８ ｍ／ｓｅｃ）によって割られた時刻ｔにおける地球
の重心速度ベクトル（ｄＥＢ ／ｄｔ）であり、βは次
式の通りである。
８ ｍ／ｓｅｃ）によって割られた時刻ｔにおける地球
の重心速度ベクトル（ｄＥＢ ／ｄｔ）であり、βは次
式の通りである。
【００３８】
【数５】
歳差運動および章動がブロック５３４で補正され、時間
ｔ＝ＴＢＤでの焦点面における極星の見かけ上の位置を
見つける。
ｔ＝ＴＢＤでの焦点面における極星の見かけ上の位置を
見つける。
【００３９】
ｕＥＣＩ ＝Ｍｐ２
（１３）ここにおいて、ＭはＪ２０００．
０系から測定時の赤道および分点系に変換する３×３変
換マトリックスである。これは日付の地球中心慣性（Ｅ
ＣＩ）系における単位ベクトルを与える。
（１３）ここにおいて、ＭはＪ２０００．
０系から測定時の赤道および分点系に変換する３×３変
換マトリックスである。これは日付の地球中心慣性（Ｅ
ＣＩ）系における単位ベクトルを与える。
【００４０】単位ベクトルｕはブロック５３６において
近焦点系単位ベクトルｕＰＦに変換される。
近焦点系単位ベクトルｕＰＦに変換される。
【００４１】
ｕＰＦ＝ＭＥＣＩ−ＴＯ−ＰＦ ｕＥＣＩ
（１４）ブロック５３８においては、単位
ベクトルμは名目上の宇宙船（地球照準）系に変換され
る。
（１４）ブロック５３８においては、単位
ベクトルμは名目上の宇宙船（地球照準）系に変換され
る。
【００４２】
ｕＥＰ＝ＭＰＦ−ＴＯ−ＥＰｕＰＦ
（１５）仮に、北極星が極に存在し、姿勢
エラーがゼロであったとすると、北極星はセンサの照準
線に沿って現れる。北極星は極に存在せず、姿勢エラー
が発生するので、ｕＥＰの最も大きな成分が照準線に沿
って存在し、焦点面には小さな成分のみが存在する。宇
宙船がその軌道内で動くと、星は図３に示すように焦点
面において円形路を描く。
（１５）仮に、北極星が極に存在し、姿勢
エラーがゼロであったとすると、北極星はセンサの照準
線に沿って現れる。北極星は極に存在せず、姿勢エラー
が発生するので、ｕＥＰの最も大きな成分が照準線に沿
って存在し、焦点面には小さな成分のみが存在する。宇
宙船がその軌道内で動くと、星は図３に示すように焦点
面において円形路を描く。
【００４３】宇宙船のピッチ・エラーは上述したように
焦点面において北極星の画像の位置に見かけ上のエラー
を生ずる。これらは地球センサ組立体（ＥＳＡ）のピッ
チ信号を使用して図５のブロック５４０で補正される。
焦点面において北極星の画像の位置に見かけ上のエラー
を生ずる。これらは地球センサ組立体（ＥＳＡ）のピッ
チ信号を使用して図５のブロック５４０で補正される。
【００４４】
ｕＰＣ＝ＭＥＰ−ＴＯ−ＰＣｕＥＰ
（１６）図６は図３の星センサに関連する
幾何学的関係を示している。図３の構成要素に対応する
図６の構成要素は同じ符号で示されている。図６におい
て、補助座標ｕ、ｖおよびλ、φはセンサ素子からなる
配列部３１２に関連している。補助座標ｕは座標ｘに並
列であり、ｖは座標ｙに並列であるが、これらはレンズ
３１０の焦点距離ｆだけ照準線１６に沿って相互に変移
している。星ベクトル３１４は点６１０において焦点面
（配列部の面）を妨害している。角度φはｙ−ｚ面にお
ける照準線１６と星ベクトル３１４の投影６１２との間
の角度である。角度λは星ベクトル３１４とｙおよびｚ
面との間の角度である。
（１６）図６は図３の星センサに関連する
幾何学的関係を示している。図３の構成要素に対応する
図６の構成要素は同じ符号で示されている。図６におい
て、補助座標ｕ、ｖおよびλ、φはセンサ素子からなる
配列部３１２に関連している。補助座標ｕは座標ｘに並
列であり、ｖは座標ｙに並列であるが、これらはレンズ
３１０の焦点距離ｆだけ照準線１６に沿って相互に変移
している。星ベクトル３１４は点６１０において焦点面
（配列部の面）を妨害している。角度φはｙ−ｚ面にお
ける照準線１６と星ベクトル３１４の投影６１２との間
の角度である。角度λは星ベクトル３１４とｙおよびｚ
面との間の角度である。
【００４５】星センサベクトルは図６の幾何学的配列を
使用して図５のブロック５４２において計算されている
。
使用して図５のブロック５４２において計算されている
。
【００４６】
【数６】
ここにおいて
ｔａｎφ＝ｕ／ｆ
（１８） ｔａｎλ＝（ｖ／ｆ）ｃｏｓ
φ
（１９）ｕおよびｖは焦点面における星の画像の重
心の座標である。測定された単位ベクトルおよび計算さ
れた単位ベクトルは姿勢マトリックスによって関係付け
られる。
（１８） ｔａｎλ＝（ｖ／ｆ）ｃｏｓ
φ
（１９）ｕおよびｖは焦点面における星の画像の重
心の座標である。測定された単位ベクトルおよび計算さ
れた単位ベクトルは姿勢マトリックスによって関係付け
られる。
【００４７】
【数７】
式（２０）はいくつかの方法で姿勢のロールおよびヨー
に対して解かれる。これらの方法の内のいずれかが図５
のブロック５４４で使用される。便宜な方法は式（２０
）に固有の９つの別々の式とともに図１および図２で説
明した地球センサ組立体から測定されたロール姿勢を使
用して、ヨーを求めるものである。例えば、精度の低い
用途においては、
に対して解かれる。これらの方法の内のいずれかが図５
のブロック５４４で使用される。便宜な方法は式（２０
）に固有の９つの別々の式とともに図１および図２で説
明した地球センサ組立体から測定されたロール姿勢を使
用して、ヨーを求めるものである。例えば、精度の低い
用途においては、
【００４８】
【数８】
ロール（θｙ ）およびヨー（θｘ ）に対する解は次
の通りである。
の通りである。
【００４９】
【数９】
図４は種々の極星の特性を表にしたものである。名称Ｓ
ＡＯはスミソニアン天文観測所を示している。表におい
て北極の星は３０８から３９１６の範囲の番号を持って
おり、南極の星は２５８９７０から２５８６６０までの
範囲の番号をもっている。図４に示すように、ＳＡＯ番
号３０８（北極星）は１．６８の計器等級を持っており
、従って計器等級３．０より明るい。そして、極の方向
を向いていて、上述したように約３．０の計器等級より
も明るい星のみを検知することができる極星センサはＳ
ＡＯ番号３０８のみを検知する。これは星識別処理を非
常に簡単化し、低価格となる。ＳＡＯ番号３０８以外の
極星は例えばＳＡＯ番号３０２０または２５８８５７と
して使用される。撮像器の冷却はＳＡＯ番号３０２０を
使用するために必要ではないが、番号３０８および３０
２０の間の明るさの識別および明るさが更に少ない星の
識別が必要となり、これはＳＡＯ番号３０８のみを検知
する場合よりも識別が複雑になる。北極の星および南極
の星の間の選択については、第２５８８５７号および第
２５８６６０号は同じような等級および赤緯を有し、こ
れはセンサを混乱させることがある。極星の最適な選択
はＳＡＯ番号３０８であるが、他の星を使用することも
できる。
ＡＯはスミソニアン天文観測所を示している。表におい
て北極の星は３０８から３９１６の範囲の番号を持って
おり、南極の星は２５８９７０から２５８６６０までの
範囲の番号をもっている。図４に示すように、ＳＡＯ番
号３０８（北極星）は１．６８の計器等級を持っており
、従って計器等級３．０より明るい。そして、極の方向
を向いていて、上述したように約３．０の計器等級より
も明るい星のみを検知することができる極星センサはＳ
ＡＯ番号３０８のみを検知する。これは星識別処理を非
常に簡単化し、低価格となる。ＳＡＯ番号３０８以外の
極星は例えばＳＡＯ番号３０２０または２５８８５７と
して使用される。撮像器の冷却はＳＡＯ番号３０２０を
使用するために必要ではないが、番号３０８および３０
２０の間の明るさの識別および明るさが更に少ない星の
識別が必要となり、これはＳＡＯ番号３０８のみを検知
する場合よりも識別が複雑になる。北極の星および南極
の星の間の選択については、第２５８８５７号および第
２５８６６０号は同じような等級および赤緯を有し、こ
れはセンサを混乱させることがある。極星の最適な選択
はＳＡＯ番号３０８であるが、他の星を使用することも
できる。
【００５０】図５のブロック５４４で計算されたヨー情
報およびピッチおよびロール情報は図１の制御ブロック
２８に利用でき、この制御ブロックは従来の姿勢制御方
法で情報を処理し、３軸姿勢を維持するようにトルク発
生器を動作させる。
報およびピッチおよびロール情報は図１の制御ブロック
２８に利用でき、この制御ブロックは従来の姿勢制御方
法で情報を処理し、３軸姿勢を維持するようにトルク発
生器を動作させる。
【００５１】図３において上述したように、ロール・エ
ラーは極星の画像をｘ方向にずれさせる。図５の方法を
使用して、ヨーを測定し、この場合ピッチがＥＳＡ２４
から知られている場合、星の画像の計算された位置から
のｘの変移はロールを表わす。このように、ロールを表
す信号は星センサ１８からの信号に基づく簡単な計算で
得られる。これらのロール信号は単独でまたはＥＳＡか
らのロール信号とともに使用される。図７はロール信号
を結合する結合装置の構成を示す簡略ブロック図である
。図７において、図１のＥＳＡ２４からのロール信号は
データポート７１０を介して加算サブシステム７１４お
よび７１６の非反転入力ポートに供給される。星センサ
１８から発生するロール信号は加算サブシステム７１４
の反転入力ポートに供給される。大きな雑音成分を含む
差出力は加算サブシステム７１４からフィルタ７１８を
介して加算サブシステム７１６の反転入力ポートに供給
される。結合されたロール信号は加算サブシステム７１
６の出力に現れる。結合ロール信号はいずれかのセンサ
のみの雑音よりも小さな雑音を有している。センサの雑
音特性が同じである場合、フィルタ７１８は周波数の関
数である０．５の一定利得を有する簡単な平均化フィル
タである。ＥＳＡロール信号雑音が主に低い周波数であ
り、星センサロール信号の雑音が主に高い周波数である
場合、フィルタ７１８はローパスフィルタである。更に
複雑な雑音特性の場合、フィルタ７１８はカルマンフィ
ルタのようなものが更に適当である。
ラーは極星の画像をｘ方向にずれさせる。図５の方法を
使用して、ヨーを測定し、この場合ピッチがＥＳＡ２４
から知られている場合、星の画像の計算された位置から
のｘの変移はロールを表わす。このように、ロールを表
す信号は星センサ１８からの信号に基づく簡単な計算で
得られる。これらのロール信号は単独でまたはＥＳＡか
らのロール信号とともに使用される。図７はロール信号
を結合する結合装置の構成を示す簡略ブロック図である
。図７において、図１のＥＳＡ２４からのロール信号は
データポート７１０を介して加算サブシステム７１４お
よび７１６の非反転入力ポートに供給される。星センサ
１８から発生するロール信号は加算サブシステム７１４
の反転入力ポートに供給される。大きな雑音成分を含む
差出力は加算サブシステム７１４からフィルタ７１８を
介して加算サブシステム７１６の反転入力ポートに供給
される。結合されたロール信号は加算サブシステム７１
６の出力に現れる。結合ロール信号はいずれかのセンサ
のみの雑音よりも小さな雑音を有している。センサの雑
音特性が同じである場合、フィルタ７１８は周波数の関
数である０．５の一定利得を有する簡単な平均化フィル
タである。ＥＳＡロール信号雑音が主に低い周波数であ
り、星センサロール信号の雑音が主に高い周波数である
場合、フィルタ７１８はローパスフィルタである。更に
複雑な雑音特性の場合、フィルタ７１８はカルマンフィ
ルタのようなものが更に適当である。
【００５２】本発明の他の実施例または具体例は本技術
分野に専門知識を有する者に明らかであろう。例えば、
磁気トルク発生器について説明したが、反動推進エンジ
ンまたはモーメンタムあるいは反動ホイールを使用して
宇宙船にトルクを与えてもよい。ヨー速度はセンサ出力
を差分し、それを使用し、宇宙船の天体暦を必要とする
ことなくヨー角度を伝播することによって得られる。地
球センサロール出力および極星センサによって引き出さ
れたロール速度を使用して推定される軌道ヨー速度成分
を使用して、引き出した速度を補正することができる。 伝播されたヨー角度は太陽センサのような他のヨーセン
サを使用して周期的に更新される。また、例えば反動推
進エンジンステーション維持動作の間で大きな乱れが存
在する場合に正確な照準を必要とする場合、制御ループ
の安定化のために極星センサによって得られたヨーおよ
びロール速度が使用される。または、正確な照準用途に
おいては、ヨーおよびロールは速度積分ザイロスコープ
を使用して伝播され、極星センサヨーおよびロール測定
を使用して周期的に更新される。これらの測定はザイロ
スコープのバイアスを算出するために使用される。
分野に専門知識を有する者に明らかであろう。例えば、
磁気トルク発生器について説明したが、反動推進エンジ
ンまたはモーメンタムあるいは反動ホイールを使用して
宇宙船にトルクを与えてもよい。ヨー速度はセンサ出力
を差分し、それを使用し、宇宙船の天体暦を必要とする
ことなくヨー角度を伝播することによって得られる。地
球センサロール出力および極星センサによって引き出さ
れたロール速度を使用して推定される軌道ヨー速度成分
を使用して、引き出した速度を補正することができる。 伝播されたヨー角度は太陽センサのような他のヨーセン
サを使用して周期的に更新される。また、例えば反動推
進エンジンステーション維持動作の間で大きな乱れが存
在する場合に正確な照準を必要とする場合、制御ループ
の安定化のために極星センサによって得られたヨーおよ
びロール速度が使用される。または、正確な照準用途に
おいては、ヨーおよびロールは速度積分ザイロスコープ
を使用して伝播され、極星センサヨーおよびロール測定
を使用して周期的に更新される。これらの測定はザイロ
スコープのバイアスを算出するために使用される。
【図１】極星センサおよび地球センサを示す地球の周り
の赤道軌道における宇宙船を示す簡略斜視図である。
の赤道軌道における宇宙船を示す簡略斜視図である。
【図２】図２ａおよび２ｂはピッチおよびロール情報を
発生する図１の地球センサの走査動作を示す図である。
発生する図１の地球センサの走査動作を示す図である。
【図３】図１の極星センサの動作を示す簡略構成図であ
る。
る。
【図４】いくつかの極星の特性を示す表である。
【図５】極星センサおよび地球センサからの情報を処理
して、ロール、ピッチおよびヨーを測定する処理を示す
簡略化されたフローチャートである。
して、ロール、ピッチおよびヨーを測定する処理を示す
簡略化されたフローチャートである。
【図６】図５の計算で使用される座標軸を示す図３の星
センサの簡略構成図である。
センサの簡略構成図である。
【図７】異なる信号源からのロール信号を結合する装置
の簡略ブロック図である。
の簡略ブロック図である。
１０ 衛星
１２ 地球
１８ 星センサ
２２ 極星
２４ 地球センサ
２８ 制御回路
Claims (11)
- 【請求項１】 赤道軌道で動作する宇宙船の３軸姿勢
制御システムであって、前記宇宙船に取り付けられ、宇
宙船のピッチ軸に平行な照準線を有し、前記ピッチ軸に
対して選択された極星の２軸位置を表す星信号を発生す
る極星検知手段と、前記宇宙船に取り付けられ、少なく
とも前記ピッチ軸の周りの宇宙船のピッチを表すピッチ
信号を発生する地球検知手段と、軌道位置および天体暦
情報を表す信号を発生する信号源と、前記極星検知手段
、地球検知手段および信号源に接続され、前記２軸情報
および前記ピッチ信号を処理するとともに、少なくとも
ロールおよびヨー情報を表す信号を発生する処理手段と
、少なくとも前記処理手段に接続され、前記ピッチ、ロ
ールおよびヨーを表す前記信号に応答し、所望の姿勢を
維持するように前記宇宙船にトルクを与えるトルク発生
手段と、を有する３軸姿勢制御システム。 - 【請求項２】 前記地球検知手段は、宇宙船のロール
を表す第２の信号を発生する手段と、少なくとも前記地
球検知手段に接続され、前記地球検知手段からの前記ロ
ールを表す信号を前記極星検知手段から発生するロール
を表す信号と結合する結合手段とを更に有する請求項１
記載のシステム。 - 【請求項３】 前記結合手段は、反転および非反転入
力ポート、および出力ポートを有し、前記反転入力ポー
トは前記星検知手段から発生する前記ロール信号を受信
するように接続され、前記非反転入力ポートは前記地球
検知手段から前記ロール信号を受信するように地球検知
手段に接続され、雑音成分を含む雑音信号を前記出力ポ
ートに発生する第１の加算手段と、反転入力ポートを有
するとともに、前記地球検知手段から前記ロール信号を
受信するように地球検知手段に接続された非反転入力ポ
ートを有する第２の加算手段と、前記第１の加算手段の
出力ポートおよび前記第２の加算手段の反転入力ポート
に接続され、前記雑音信号をろ波して、ろ波された雑音
信号を発生し、前記ろ波された雑音信号を前記第２の加
算手段に供給し、前記ろ波された雑音信号が前記第２の
加算手段において差し引かれて、結合されたロール信号
を発生するフィルタ手段と、を有する請求項２記載のシ
ステム。 - 【請求項４】 少なくともピッチ軸の周りで安定化さ
せられる宇宙船であって、光センサの２次元平面配列部
と、離れた距離にある対象物の焦点を焦点面に合わせる
光学手段と、前記配列部および前記光学手段に接続され
、前記配列部の光センサの中心のセンサが前記ピッチ軸
に平行な照準線上に存在するように前記配列部を前記焦
点面に設ける取り付け手段と、前記配列部に接続され、
前記光センサの中心のセンサからの唯一の極星の偏差を
表す信号を発生する処理手段と、を有する宇宙船。 - 【請求項５】 前記処理手段は宇宙船のロール軸およ
びヨー軸に平行な方向における前記偏差成分をそれぞれ
表す第１および第２の信号として前記信号を発生するよ
うになっている請求項４記載の宇宙船。 - 【請求項６】 前記配列部に接続され、感度を制限す
るしきい値手段を更に有する請求項４記載の宇宙船。 - 【請求項７】 前記しきい値手段は２．５に近い計器
強度に対応する等級で制限するようになっている請求項
６記載の宇宙船。 - 【請求項８】 地球の周りの赤道軌道の宇宙船の姿勢
を制御する方法であって、地球検知組立体を使用して少
なくとも宇宙船のピッチを測定し、軌道面に直角なピッ
チ軸の周りにおける宇宙船のピッチを表すピッチ信号を
発生し、前記ピッチ軸に理想的には直交する面に存在す
る光センサ配列部上に投影された選択された極星の画像
の位置を検知し、この位置の検知は宇宙船のロール軸お
よびヨー軸に平行な成分に分解することができ、星位置
信号を発生し、軌道位置情報および天体暦情報を表す信
号を発生し、前記ピッチ信号、前記星位置信号、および
軌道位置情報および天体暦信号を表す前記信号を処理し
、前記ヨー軸の周りの宇宙船のヨーを表すヨー信号を発
生するステップを有する宇宙船の姿勢制御方法。 - 【請求項９】 少なくとも前記ヨー信号および前記ピ
ッチ信号を処理し、トルク制御信号を発生するステップ
、および前記トルク制御信号の制御の下にトルク発生手
段を動作させ、宇宙船の３軸姿勢を維持するステップを
更に有する請求項８記載の方法。 - 【請求項１０】 前記ピッチ信号、前記星位置信号、
および軌道位置情報および天体暦情報を表す前記信号を
処理し、前記ロール軸の周りの宇宙船のロールを表す信
号を発生するステップを更に有する請求項８記載の方法
。 - 【請求項１１】 前記ピッチ、ロールおよびヨー信号
を処理し、トルク制御信号を発生するステップ、および
前記トルク制御信号の制御の下でトルク発生手段を動作
させ、宇宙船の３軸姿勢を維持するステップを更に有す
る請求項１０記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/511,169 US5107434A (en) | 1990-04-19 | 1990-04-19 | Three-axis spacecraft attitude control using polar star sensor |
| US511169 | 1990-04-19 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04228400A true JPH04228400A (ja) | 1992-08-18 |
Family
ID=24033738
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3109535A Withdrawn JPH04228400A (ja) | 1990-04-19 | 1991-04-16 | 極星センサを使用した宇宙船の３軸姿勢制御システム |
Country Status (4)
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|---|---|
| US (1) | US5107434A (ja) |
| JP (1) | JPH04228400A (ja) |
| DE (1) | DE4112361A1 (ja) |
| FR (1) | FR2661261A1 (ja) |
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1991
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Also Published As
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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