JPH0425440Y2

JPH0425440Y2 -

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Publication number: JPH0425440Y2
Application number: JP1989127114U
Authority: JP
Priority date: 1979-02-28
Filing date: 1989-10-30
Publication date: 1992-06-17
Also published as: JPS55119600A; JPH0271100U; US4325124A; CA1118741A

Description

【考案の詳細な説明】この考案は、静止衛星軌道における人工衛星の
運動量の方向を制御して、該人工衛星の姿勢を制
御する装置に関する。

この種の姿勢制御機構は、人工衛星に作用する
外乱トルクを補償する目的を有する。軌道運行時
に展開する複数枚の太陽電池を支持する太陽パネ
ルアレイを有する人工衛星においては、外乱の原
因は、完全には対称的に伸展した状態に維持され
ていない状態に、変形して展開している太陽パネ
ルアレイに作用する太陽プレツシヤによるトルク
が主たるものである。実際に、太陽パネルアレイ
は、通常、たとえば太陽から熱的プレツシヤーを
受けると内部応力により変形し、これ等の太陽パ
ネルアレイの内部応力に基づいて生じた引張りお
よび曲げトルクが、複数枚の太陽パネルアレイを
非対称に変形させる。

曲げトルクに基づき変形する例として、第１図
に、２枚の太陽パネルアレイＰを展開している人
工衛星Ｓの構造を示す。

２つの太陽パネルアレイ上には、明らかに非対
称の曲がりの在ることに気付くであろう。上述し
た非対称の変形に基づくトルクは補償しなければ
ならず、さもなければ、人工衛星が実質的な率
（ドリフトレート）で軌道からはずれることにな
る。このドリフトレートの代表的な値として、捩
れトルクに基づくもので0.02度／日であり、曲げ
トルクに基づくもので0.2度／日となるものがあ
る。

現在、上記姿勢制御機構は、通常、ローリング
角度、即ち衛星本体ローリングの軸と基準面との
角度、さらに言い替えると姿勢誤差角が予定のし
きい値に達したときに人工衛星に付設した適宜な
推進機構を駆動するようになつている。このよう
な制御機構では、より複雑な装置が必要な制御ル
ープが要求されることになり、また、推進機構を
作動するために多くの燃料消費が要求される。

この考案の目的は、推進機構を制御するための
制御ループを省略して、従来の装置よりも経済的
でありかつより汎用性の高い人工衛星の姿勢制御
装置を提供することにある。

この考案は擾乱トルクを補償する新規な装置を
目的とするもので、この装置は、人工衛星の正し
い姿勢を回復するために、擾乱トルク自体を補償
制御用のトルクとして人為的に利用することを原
理としている。即ち、人工衛星の運動ベクトルを
所望の方向に指向させるべく、太陽パネルアレイ
に対し人為的な不整合を与えることによつて、パ
ネルの変形等に起因する不整合を補償しうるよう
にしている。

またこの考案の目的は軌道上の人工衛星の運動
量ベクトルの方向を太陽帆（solar sailing）のみ
によつて制御することにあり、そのため人工衛星
のローリング角度が所定のしきい値を越えたとき
太陽パネルアレイの形態を制御するために、前以
て定めた時期に太陽パネルアレイの１つを適当に
駆動するように構成するようになつている。

さらに、この考案の制御装置では、１）複雑か
つ高価な装置を必要とせず、また燃料を消費する
ことなく確実に擾乱トルクを修正し、２）上記修
正が、妨害トルクのレベルに最も適合して実行さ
れ、３）擾乱トルクの修正によつて人工衛星の位
置と姿勢を正しく制御することにより人工衛星の
歳差運動における固有の制動力が確保されている
という利点がある。

この考案を説明するにあたり、第２図を参照し
て、人工衛星の姿勢制御の問題点を明らかにする
ことは有用なこととなろう。第２図には、地球Ｅ
の周りの軌道上に、該地球の自転軸と同期して運
行される人工衛星が示される。この第２図の平面
は、Ｙで示される太陽に対応する軌道平面となつ
ている。人工衛星Ｓは、図示するように、北およ
び南と称せられる２つの太陽パネルアレイが配設
されている。この人工衛星Ｓの重心は、２つの座
標系の原点となつている。即ち、地球に対する座
標系（，ψ）および太陽に対する座標系（α，
β）の座標系がある。はヨー（yaω）軸であ
り、この軸ψは、地球の中心を貫通する方向に延
在している。軸Ψは飛行方向の軸、即ちローリン
グ軸を示している。軸βは、太陽光線が軌道平面
に対して投影する方向を示す。軸αは軸βに垂直
となつている。

制御されるパラメータは、運動量ベクトルＭ→で
ある。この運動量ベクトルＭ→の方向は、量αとβ
とによつて定義される。しかしながら、物理的に
利用できる唯一のパラメータはローリング角度量
φである。このように、この考案に係る方法は、
ローリング角度φの検知量に基づいて太陽パネル
アレイの形態を直接に制御するように構成される
ものである。

姿勢制御機構を考慮する場合の状態は以下のよ
うな場合である。当該人工衛星は、それ自体の軌
道上に在り、かつ、太陽パネルアレイの駆動機構
の制御のもとで、太陽パネルアレイが太陽を連続
的に追跡しているものとする。各太陽パネルアレ
イ（太陽電池群）の平面は、軸αに対して角度γ
傾いているとする。

この考案によれば、所定の時間毎に、ローリン
グ角度φが、いわゆる地球検知器（アースセン
サ）により周知の方法で検知され、そして、その
検知値が予め設定されたしきい値を越えると、太
陽パネルアレイの駆動を禁止する制御信号が出力
される。いま、南の太陽パネルアレイの駆動が禁
止され、北の太陽パネルアレイだけが連続的に太
陽を追跡しているとする。太陽パネルアレイの形
態の変化に起因して、非活性状態にある太陽パネ
ルアレイの角度γが変化し、かつ、運動量ベクト
ルＭ→が以下のように歳差角度をなしている。

α＝PAd／ω₀Ｈ［（１＋Υ）γ−（１＋Υ／２）sin
γ− Υ／６sin3γ］ β＝PAd／ω₀ＨΥ（２／３−１／２cosγ −１／６cos3γ）ここで、Ｐ＝太陽熱の強さ（太陽圧）Ａ＝太陽に対して露出されている太陽パネルア
レイの面積ｄ＝人工衛星の重心と、各太陽パネルアレイ上
の太陽圧の中心との間の距離 Υ＝太陽熱の反射係数Ｈ＝人工衛星の回転モーメントの角運動量このように、南の太陽パネルアレイの駆動を禁
止することにより、太陽の位置に関して相対的に
南の太陽パネルアレイの配向を変化させる制御ト
ルクが惹起され、よつて、当該太陽パネルアレイ
の角度γが変化する。この南の太陽パネルアレイ
の駆動を禁止することは、予め定められた期間維
持され、その期間の終わりに南の太陽パネルアレ
イの角度γが予め決められた値に到着する。そし
て、南の太陽パネルアレイの駆動が再び開始さ
れ、よつて、南の太陽パネルアレイは規定の位置
を再び獲得し、このことは数分間で行なわれる。

第３図は、南の太陽パネルアレイの種々のアレ
イ角度γに対する歳差角度の値を示す。この図に
おいて、角度γが約27°であれば、歳差角度αと
βは、同じ値となつていることが分かるであろ
う。上述した禁止期間は、好ましくは、太陽パネ
ルアレイの傾き角度γが27°に到達まで継続され
ることになろう。そして公知の時間後、即ち静止
衛星軌道においては108分後にこの値（27°）に達
する。

上述したと同様にして、４つの象限の各象限に
おけるローリング角度の補償をすべく制御が行な
われ、これ等各象限における制御技術をＡ，Ｂ，
Ｃ，Ｄと称する。Ａ制御技術は、上述したごとく
である。Ｂ制御技術はＡ制御技術に類似したもの
であるが、このＢ制御技術は北の太陽パネルアレ
イに適用されるものである。Ｃ制御技術は、南の
太陽パネルアレイの傾き角度が−27°となるまで、
該南の太陽パネルアレイを駆動するものであり、
この場合、南の太陽パネルアレイの駆動が予め決
められた時間中禁止され、かつ、該南の太陽パネ
ルアレイの駆動が、最終的には再び開始される。
Ｄ制御技術は、Ｃ制御技術に類似したものである
が、このＤ制御技術は北の太陽パネルアレイに対
して適用されるものである。これ等４つの制御技
術を、第４図のグラフで示す。人工衛星の姿勢を
修正するために、どの形式の制御技術を最も適切
に選択するかは、当該人工衛星の軌道上の位置如
何にかかつており、また、上記選択は、１日にお
ける上述した制御を行う時刻さらには、上記制御
の読み出しを行う際のローリング角度の極性に依
存している。

上記ローリング軸は、公知のごとく、24時間当
たり１回地球の周りを走査し、それ故に、確実な
制御技術を実施し得るために、代表例として、４
回の人工衛星のローリング角度の読み取りが、そ
れぞれ、次のような時に行なわれる。４時、９
時、15時および21時。第２図には、３時における
人工衛星Ｓの位置が示される。上述したような代
表的な制御技術が実行される他の３つの位置が、
９，１５および２１で示される。

この考案に係る装置における制御は、通常は人
工衛星船に装着された制御用の論理ユニツトによ
つて行なわれる。上記論理ユニツト（詳細を後記
する）は各24時間毎に、上述したように割り当て
られた時刻に、地球検知手段等により検知される
ローリング角度が、上記しきい値φtを越えるか
どうかを検査する。このローリング角度が上記し
きい値を越えていると検知されると、論理ユニツ
トは、適宜な制御技術を開始して人工衛星の姿勢
を修正すべく制御信号Ucを発生する。上述した
各時刻毎に、上記ローリング角度が決定されて、
履行すべく適当な修正技術が十分に明瞭に決定さ
れる。上記ローリング角度のしきい値に対する偏
差値が、正符号および／または負符号の値である
かが考慮される。

下表には、上記ローリング角度の偏差値の符号
に応じて、１日のうち各別の時に上記した制御論
理ユニツトに適用できる適当な修正制御技術が示
される。

読み出し時刻 φ＞φt φ＜−φt ３時ＢＡ９時ＤＣ 15時ＡＢ 21時ＣＤ上記表を読むことは全く容易である。

たとえば、15時においては、ローリング角度が
正方向にしきい値φtを越えているときには、Ａ
制御技術だけが人工衛星の姿勢を修正する。しか
し、ローリング角度が負方向にしきい値φtを越
えているときには、Ｂ制御技術だけが、上記人工
衛星の姿勢を修正し得る。

上記制御用の論理ユニツトは、上述した所定の
時毎にローリング角度の信号を処理するように作
動し、かつ、この読み取り時刻に応じて該論理ユ
ニツトは適正な制御信号Ucを生成する。この制
御信号Ucは、第５図に示すように構成される制
御ループで用いられる。四角の枠中に示されるＭ
は、太陽パネルアレイを駆動する駆動モータ、ダ
イオードＤは、該駆動モータＭの駆動特性が一方
向性となるようにするためのもの、そして、四角
の枠中に示されるSSは、ソーラセンサ（太陽熱
の放射方向を検知する、周知の太陽検知器）で、
太陽パネルアレイと協働するものである。さら
に、この制御ループは掛算器１０を備えている。
制御用の論理ユニツトからの制御信号Ucは、３
種類の状態を呈する。即ち、０，レベル＋Ｕ，お
よびレベル−Ｕである。信号γは、太陽パネルア
レイの傾き角度を表わし、信号Uγは太陽パネル
アレイの傾き角度γに対するソーラセンサSSか
ら生成される信号である。信号のレベル＋Ｕは、
角度γが27°となつたときに相当する大きさのも
ので、信号のレベル−Ｕは、角度γが−27°とな
つたときに相当する大きさのものである。

制御信号Ucが０であるときには、信号γとUγ
はほぼ零であり、モータＭは停止する。制御信号
Ucがレベル＋Ｕであるときには、信号UγがUc
と等しくなるまでモータＭは太陽パネルアレイを
駆動し、そして、このモータＭは数分後に停止す
る。これと反対に、信号Ucが０あるいは−Ｕ状
態に切り換わるとき、モータＭの駆動が停止さ
れ、そして、太陽パネルアレイの傾き角γが、静
止衛星軌道上において毎時15度の割合で人工衛星
の軌道上での運行速度に応じて変化し、上記傾き
角γが、108分後に、値27°に到達する。

第６図は、この考案に係る制御用の論理ユニツ
トの一例の電気回路図である。

この図面において、１は比較器で、この比較器
１は、上記アースセンサから信号Uφを受けて、
この信号Uφを、予め決められたローリング角度
のしきい値を表わすしきい値信号Uφtと比較す
る。この比較器１は、上記信号Uφがしきい値信
号Uφtを越えるときに、偏差信号Udを発生する。
２は24時間カウンタで、このカウンタ２の入力端
子CKに信号が印加されて、このカウンタ２は計
時動作を行い、予め決められた時、たとえば、上
述したように、３，９，15および21時に、このカ
ウンタ２はイネーブル（enable）信号を出力す
る。各イネーブル信号は、符号Q₃，Q₉，Q₁₅およ
びQ₂₁で示される。このカウンタ２のリセツト入
力は、符号RSで示される。そして、このカウン
タ２は24時間の計時を完了する毎にリセツトされ
る。４個の論理手段として作用するアンドゲート
３１〜３４は、共通して偏差信号Udを受け入れ
るとともに、各別にイネーブル信号Q₁〜Q₄を受
け入れることにより、動作するようになつてい
る。このように、各読み出し時には、ただ１つの
アンドゲートがイネーブル（作動状態にするこ
と。）されるようにして、フリツプフロツプを用
いた４個の制御器４１と４４のうち、イネーブル
とされたアンドゲートに対応する１つの制御器が
駆動されるようになつている。各制御器は、それ
ぞれ、人工衛星の太陽パネルアレイの形態を変化
させるべく１つの太陽パネルアレイの駆動機構を
起動する機能を有する。２つの制御器４１と４２
は、南の太陽パネルアレイの駆動機構を作動する
ように接続され、他の２つの制御器４３と４４
は、北の太陽パネルアレイの駆動機構を作動する
ように接続されている。各一対の制御器は、それ
ぞれ、これ等と共働する出力回路を備えている。
一方の出力回路はゲート１１１〜１１３と、制御
器４１と４２と共働するトランジスタ１１４〜１
１５とを備えている。他方の出力回路は、他の一
対の制御器４３と４４と共働するようになつてお
り、この出力回路は、ゲート１２１〜１２３と、
トランジスタ１２４〜１２５とを備えている。

各出力回路における一対のトランジスタ１１４
と１１５、および１２４と１２５は、それぞれ、
対応する出力線１０１および１０２に、上述した
修正制御技術に応じて要求される状態を示す制御
信号Ucを出力するようになつている。出力線１
０１と１０２は、それぞれ、第５図に示されるよ
うな制御ループと接続されている：上述した実施
例におけるように、出力線１０１は南の太陽パネ
ルアレイに対する制御ループに組み合わされ、他
方の出力線１０２は北の太陽パネルアレイに対す
る制御ループに組み合わされている。

４個のオアゲート５１〜５４は、各読み出し時
に、必ず、３つの制御器をデイスエーブル
（disabie.不作動状態とすること。）とするよう
に、接続されている。

６はカウンタで、このカウンタ６は、上述した
各制御技術にそれぞれ対応した期間を計時するよ
うに接続されたゲート７と共働するようになつて
いる。線６１上には、たとえば、トランジタ１５
１と１２４を同時にオフとするために、ハイレベ
ルの信号が５分間出力され、よつて、この信号に
対応する太陽パネルアレイは、その傾き角度が−
27°となるまで駆動される（第１象限における制
御技術ＣまたはＤに該当する。）一方、線６２上
には、たとえば、ハイレベルの信号が113分間
（上述したように、静止衛星軌道上においては、
原理上、108分間で十分ではある。）出力される。
さらに、上記ゲート７は、上述した制御技術Ａお
よびＢを禁止する信号を線７１に生じるように接
続され、上述したように、対応する太陽パネルア
レイの傾き角が27°となるようにする。オアゲー
ト８は、各制御技術の実行の開始時に、カウンタ
６をリセツトするように、該カウンタ６と接続さ
れている。

上記構成の制御装置は、至点において最大の外
乱トルクを補償するには十分である１日当り４種
の制御技術を実行するように機能する。しかしな
がら、１つの制御技術を実行するのに必要な時間
は、太陽パネルアレイを正規の位置に復元するに
要する時間を含めても、わずか２時間であり、し
たがつて、この考案に係る制御技術は、１日当り
12回の制御技術の実行を行えるように機能し得
る。

この場合、反対の作用をする制御技術（たとえ
ば、制御技術および制御技術）を除き、前日に実
行した制御技術を再び実行する方式で毎日の制御
プログラムの実行を開始するのが適当である。こ
のようなプログラムの実行を行うには、上記制御
用の論理ユニツトに具備されているメモリに、上
記種々の制御技術を記録することが必要である。

第７図は、記憶装置を備えた制御用の論理ユニ
ツトの回路図を示す。この第７図の回路は、基本
的には、記憶装置を形成する部分１３１〜１４５
が追加されていることを除いて、第６図の回路と
同様の回路である。

アツプ／ダウン・カウンタ１３１〜１３４は、
上記制御技術情報を記憶するように設けられてい
る。アツプ／ダウン・カウンタ１３１〜１３４は
記憶手段を構成する。カウンタ１３１と１３３
は、参照時間０時にて転送パルスQ₀を受け取る
ように設けられている。カウンタ１３２と１３４
は、アンドゲート３１〜３４から、直接的に、オ
アゲート１３５〜１３８を介して、負荷されるよ
うになつている。各カウンタ１３２，１３４は、
それぞれ、比較器１３９，１４０と共働するよう
に接続されている。１４１〜１４５は、上述した
制御器４１〜４４を連続して制御するための遂次
制御機構を形成している。なお第６図と第７図に
おいて、CKは時間信号であり、順次的な複数の
時間信号を発生する信号発生装置（図示せず）か
ら印加される。

上記構成の制御用の論理ユニツトは、当該技術
の熟練者にとつては容易に理解できるように種々
の回路構成を使用することにより構成し得るもの
であり、また、この論理ユニツトは、この考案に
係る装置を操作するために必要である制御および
指令を遂行するプロセツサにより制御され得るも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、飛行中における人工衛星の展開され
た太陽パネルアレイに惹起される代表的な変形を
説明するための外観図、第２図は、人工衛星の姿
勢制御装置に関する問題点を明確にするための座
標系における人工衛星の軌道平面図、第３図は、
人工衛星の太陽パネルアレイの種々の傾きに対す
る歳差角度を示すグラフ、第４図は、この考案の
方法による種々の制御技術を説明するためのグラ
フ、第５図は、この考案の装置によつて制御され
る制御ループの回路図、第６図と第７図は、それ
ぞれ、この考案の制御装置に適用される具体的な
制御用の論理回路図である。１……比較器、２……カウンタ、６……カウン
タ、７……ゲート、８……オアゲート、１０……
掛算器、３１〜３４……アンドゲート、４１〜４
４……制御器、５１〜５４……オアゲート、６１
……出力線、６２……出力線、７１……出力線、
１０１，１０２……出力線、１１１〜１１３……
ゲート、１１４，１１５……トランジスタ、１２
１〜１２３……ゲート、１２４，１２５……トラ
ンジスタ、１３１〜１３４……記憶装置用のアツ
プ／ダウン・カウンタ、１３５〜１３８……オア
ゲート、１３９，１４０……比較器、１４１〜１
４５……遂次制御機構、Ｓ……人工衛星、Ｐ……
太陽パネルアレイ、Ｍ→……運動用ベクトル、Ｍ…
…太陽パネルアレイの駆動用モータ、SS……ソ
ーラセンサ、Uc……制御信号、Uγ……駆動信
号、γ……傾き角度。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】静止衛星軌道上での人工衛星の姿勢を制御する
装置であつて、人工衛星は太陽電池を支持するた
めのピツチ軸の回りに回転可能でかつ人工衛星本
体を間にして互いに反対向きに伸張する少なくと
も１対の太陽パネルアレイを備え、この太陽パネ
ルアレイは人工衛星の軌道配置において展開され
た状態で太陽を追跡するように駆動されるように
なつており、上記人工衛星のローリング角度を検知して、予
め定められた比較タイミングに該ローリング角度
を予め定められたしきい値と比較する手段と、予
め定められた出力時間毎に、上記ローリング角度
がしきい値を越えたときに偏差信号を出力する手
段と、上記偏差信号に応じて上記１対の太陽パネ
ルアレイの１つの太陽パネルアレイの太陽追跡の
動きを止めるとともに、所定の期間が経過した後
に該太陽パネルアレイの太陽追跡の動きを再び可
能にする手段とを有し、太陽パネルのみによつて
姿勢制御をするようにした人工衛星の姿勢制御装
置。