JPH05240655A - ３軸安定宇宙船および太陽捕捉方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、アンテナ等の付属装置からの反射
の影響を受けない３軸本体安定宇宙船における天体サー
チおよび捕捉方法を得ることを目的とする。 【構成】 第１および第３の垂直軸ｘ，ｚと一線にある
ｘｚ平面の角度部分内の天体の整列を検出するための第
１のセンサ20および第２のセンサ30，40を有し、天体が
第１の軸ｘと一線にある平面の角度部分内に存在するま
で第１および第３の軸に垂直な第２の軸ｙを中心として
第１のセンサ20を回転させ、天体が第１の軸ｘと一線に
ある平面の角度部分内に存在する時にセンサ位置検出器
に関する第１のセンサの位置を検知し、天体が第３の軸
ｚと一線にある平面の角度部分内に存在するまで第１の
軸ｘに垂直な第３の軸ｚを中心として第２のセンサ30，
40を回転させ、天体が第３の軸ｚと一線にある平面の角
度部分内に存在する時にセンサ位置検出器に関する第２
のセンサの位置を検知することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、３軸安定宇宙船および
明るいあるいは暗いボディの方法に関し、特に狭い視野
の太陽センサを利用する宇宙船の太陽捕捉方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の太陽捕捉方法では、宇宙船制御シ
ステムが宇宙船の回転を止めることができ、太陽が通常
±３０°乃至±６０°のセンサの視野内に存在するよう
に十分に広くなければならない四角形の視野をそれぞれ
有する３個のセンサを使用している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような広い視野を
有するセンサについての大きな問題は、アンテナあるい
は太陽電池アレイのような宇宙船付属器から反射される
太陽光を受入けることである。本発明は、そのような反
射の影響を受けない狭い視野のセンサを使用する太陽捕
捉方法を開発することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の太陽サーチおよ
び捕捉方法は、３つの簡単なスリットタイプの太陽セン
サと共に検知する３軸ジャイロ速度および積分速度を利
用し、その１つは別の宇宙船機能に使用されることもで
きる。センサの１つは宇宙船のｘｚ平面に整列された検
知平面を有し、ｘ軸を含んでおり、図２に示されるよう
な宇宙船に取付けられている。その他２つのセンサは、
宇宙船のｘｙ平面に整列され、ｘ軸を含み、ｘ軸に対し
て対称的である検知平面をそれぞれ有する。

【０００５】この方法は、任意の姿勢および本体速度か
ら開始し、ジャイロ速度センサの限界まで行われ、ｘ軸
と太陽の入射線との整列を目標とする。宇宙船はｙ軸を
中心として回転し、ｘおよびｚ速度は、太陽がｘｙ平面
に整列されるまでゼロにされる。最初の整列後、太陽の
角度はｙ軸ジャイロ速度測定値を積分することによって
時間内に検知され、伝播される。位置および速度の制御
論理回路は、太陽の入射線とｘｙ平面の整列に宇宙船を
戻すように動作される。センサ視野のオーバーシュート
は全く取るに足らない。上記過程は、太陽がｘ軸と整列
されるまでｚ軸を中心に回転するために繰り返される。
さらに、本発明の目的、特徴および利点は、次の説明の
考察および添付図面と共に特許請求の範囲から明白にさ
れるであろう。

【０００６】

【実施例】本発明の捕捉方法は地球軌道衛星の太陽捕捉
について示され、説明されるが、この方法は軌道上ある
いは恒星間の空間を通って移動する宇宙船によって任意
の明るさまたは暗さの天体の捕捉にも適用できる。好ま
しい実施例において、その方法は図１のａ，ｂおよびｃ
に示される太陽センサ10のような３つの太陽センサを使
用する。センサ10は、太陽の光が太陽電池に入射すると
きに小さい電流を出力する２つの太陽電池11を含む。ハ
ウジング12は太陽電池を囲み、センサの視野を定める１
対の狭いスリット14を含む。狭いスリットは、センサの
視野を生ずる。狭いスリットは１方向において狭い視野
を生ずる。１方向で狭い視野を形成することによって、
センサ内の反射光を受入れる機会は劇的に減少され、宇
宙船のセンサの位置における宇宙船設計者の広い許容範
囲を与える。

【０００７】従来の技術は、太陽がセンサ視野を出るこ
となしに宇宙船推力エンジンが宇宙船の回転を止めるこ
とを可能にするのに十分に広い視野のセンサの使用を与
える。±６０°乃至±３０°の典型的なセンサ視野が使
用されている。本発明の方法は、太陽の入射線がセンサ
視野をオーバーシュートすることを許容することによっ
てさらに狭いセンサ視野が利用できる。視野が狭いほ
ど、反射光を良く避ける。最小角度が宇宙船における視
野の適切な整列を保証するために維持されなければなら
ない。好ましい実施例において、角Ａとして示される狭
い方向における視野の角度の幅は、±１．５°程度に小
さい。しかしながら、本発明の方法はもっと広い視野が
使用されることができる。

【０００８】矢印13によって図１のａにビークル回転の
方向として示される狭い方向において、センサは、太陽
がセンサ視野内にある限り宇宙船の回転角度におおよそ
比例したアナログ信号を供給する。センサ10に関して、
この比例信号は２つの出力の合計によって割算された２
つの太陽電池の出力の差として得られる。太陽の存在の
信号は、２つの出力の合計によって得られる。センサ
は、位置に対応する平坦なゼロの位置を有し、それにお
ける太陽の光は両方の太陽電池に等しく受光され、比例
出力信号をゼロにする。

【０００９】図２を参照すると、ボディ19を有する宇宙
船18は、センサ10のような３つのセンサ 20,30および40
を有している。センサのゼロの位置は、それぞれファン
ビーム 21,31および41として示される検知平面を形成す
る。宇宙船はヨー軸を中心とする反対のトルクを生成す
るために位置される推力エンジン 60Aおよび 60B、およ
びロール軸およびピッチ軸を中心にした交差結合したト
ルクを生成するための宇宙船の角に位置された推力エン
ジン 62A,62B,62Cおよび 62Dを設けられている。付加的
な推力エンジンは、冗長性をもつ宇宙船制御を生成する
ための既知の形式に加えられる。宇宙船制御装置64は、
以下に記載される操縦のための推力エンジンを指令する
のに使用のためにセンサ 20,30および40からの入力を受
信する。制御装置はまた宇宙船の姿勢変化を測定する。

【００１０】図示のように本発明の変調方法は、ロール
軸16の太陽の入射線の捕捉を最高にするようにする。ロ
ール軸は本発明を説明するために選択されたが、その方
法が太陽に向いた宇宙船の所望の位置を志向するために
使用され、宇宙船の位置に関する３つの直交軸を定める
ことが理解されるであろう。宇宙船のセンサの実際の位
置は重要ではない。視野の方向のみが重要である。

【００１１】センサ20は、ロール軸上にセンサ視野72の
中央が位置され、ボアサイトを有し、ロール／ヨー面に
配置されるゼロ位置検知面21を有して宇宙船18に位置さ
れている。その他２つのセンサ 30,40はロール／ピッチ
面のゼロ位置検知面31および41を有するが、幅“Ｂ”が
拡大された視野（図１）の半分よりも僅かに小さい角度
“Ｃ”によってロール軸から対称的にオフセットされ
る。これは、センサ30および40の各視野32および42がロ
ール軸16を含むことを保証する。その他の整列形態は、
サーチアルゴリズムがサーチする軸に対して変えられる
影響によって可能である。全部の３つのセンサ視野は太
陽に最後に指向される軸を含み、センサ30および40の拡
大された視野はセンサ20の視野の狭い方向に志向され
る。視野32および42がロール／ピッチ面の±４５°乃至
±８０°の範囲を含むことが好ましい。 本発明の捕捉
方法は、宇宙船の単球体50に関連して図３に示されてい
る。捕捉方法の適した最初の状態は任意の姿勢を含み、
ジャイロ領域および宇宙船構造と同じ高さのボディーレ
ートを許容する。第１のステップはすべての軸を中心と
するボディレートをゼロにすることであり、周期はレー
トがゼロ近くに達することを許容される。レートにおけ
るしきい値試験は、次のステップに移る状態として組み
込まれる。ボディレートがゼロとされた後に、位置54に
おいて宇宙船に入射する太陽の入射線53により太陽52に
よって示される最初の太陽の位置を仮定する。

【００１２】次のステップは、ロールおよびヨージャイ
ロレートの両者がゼロに制御され、通常毎秒０．７５°
の走査レートが予め決められた方向のピッチ軸に命令さ
れるピッチ捕捉である。選択された方向は、具体的では
ない。センサ30および40は、太陽の存在を検出するため
に監視される。太陽がセンサ30あるいは40のどちらかの
検知面 31,41において検出されるとき、宇宙船のピッチ
軸角度の位置は太陽の入射線に関して初期化される。宇
宙船のピッチ軸角度の位置は、ピッチジャイロレートの
測定を積分することによって時間内に伝播される。制御
装置64における位置およびレート制御アルゴリズムは、
宇宙船を太陽センサのゼロ位置に戻すピッチにおいて動
作され、太陽の入射線はセンサ30および40の視野の中央
にあり、センサの比例出力はゼロであり、太陽の存在が
示される。太陽電池からの比例出力信号は、宇宙船が視
野の角度にかかわらず幅の狭い視野の中央に保持される
ことを可能にする。これは、ロール／ピッチ面と整列さ
れる太陽の入射線によってピッチ太陽捕捉を完全にす
る。

【００１３】宇宙船が積分ジャイロ基準値を使用する太
陽センサのゼロの位置に戻るように制御されるため、ピ
ッチ角度が狭い太陽センサ視野32あるいは42を超えるこ
とに問題はない。ピッチボディレートがゼロとされた
後、比例太陽センサピッチ測定はピッチ位置の更新を続
けるために使用され、それによってジャイロドリフトが
避けられる。上記ステップ中、太陽の入射線は開始位置
54から図３に示される位置56への通路を移動する。宇宙
船が太陽センサ 30,40の狭い視野の方向に垂直に回転し
ているので、ピッチ回転は太陽がセンサ視野に存在して
いる間は止められない。位置56を超えたセンサの超過
（オーバーシュート）は位置57に至る破線によって示さ
れるように生じ、その後宇宙船制御装置は、太陽の入射
線が狭い方向におけるセンサ30の視野の中央に整列され
るセンサ30のゼロ位置に宇宙船を戻す。

【００１４】十分な時間が完全な１回転のために割当て
られた後の上記ステップ中のピッチにおいて太陽が検出
されない場合、これは太陽がプラスあるいはマイナスの
ピッチ軸のどちらかに最初に近付き、センサ30および40
が極端なプラスおよびマイナスのピッチ軸でこれらの極
地領域をカバーしないので検出されないことを示す。こ
れらの領域は、“鍵穴”領域と呼ばれる。プラスあるい
はマイナスのピッチ軸付近の最初の太陽の位置を補正す
るために、ヨー角度の調整は数度のマージンをプラスし
た鍵穴の角度の幅に振幅が等しくなるように指令され
る。良好な設計の実行は過度のエネルギ消費を避けるた
めに約±２０°に鍵穴を維持するが、±４５°と同じ大
きさの鍵穴は容易に許容される。ヨー調整は、処理ステ
ップでの第２の試みがピッチ太陽捕捉における成功を保
証するように太陽から離れて鍵穴を移動するのに十分で
ある。

【００１５】ピッチ軸の極地領域の鍵穴は、捕捉方法を
簡単にするために必要である。センサ30および40の視野
がピッチ軸を含むか、ピッチ軸に近接する場合、および
太陽がピッチ軸に最初に近接した場合、宇宙船位置にか
かわらず太陽はセンサによって検出できる。異なったさ
らに複雑なサーチアルゴリズムは太陽捕捉を達成するた
めに必要とされる。

【００１６】太陽がピッチにおいて得られた後、センサ
30あるいは40からの太陽センサ姿勢データを利用するピ
ッチ制御法則によってセンサ30あるいは40の視野内に保
持される。一方、毎秒０．２５°乃至０．７５°のヨー
走査レートは、太陽の方を向くセンサ20のゼロ位置検知
面21をもたらすように指令される。太陽の入射線は、図
３におけるポイント56からポイント58への通路を移動す
る。ヨー走査の適当な方向は、太陽が先行するステップ
中のセンサ30あるいはセンサ40において得られるかどう
かを観察することによって決定される。

【００１７】太陽が両センサにおいて最初に得られた場
合に、不適当な選択の可能性がある。これは、太陽がロ
ール軸付近にあり、それらの視野の重複のために両セン
サ30および40によって検知される場合に生ずる。この場
合において、捕捉方法は単にヨー走査を選択し開始させ
る。選択が正しいか、あるいは選択が不正確であること
を示しているセンサ30あるいは40の１つの端部を走査さ
れる場合に、太陽はヨーにおいて得られる。不正確な選
択が示されると、ヨー走査の方向は逆になり、太陽に向
けてセンサ20を走査させる。ヨー太陽捕捉の最終的な捕
獲は、重要性のないセンサ20の視野22の一時的な超過を
有するピッチにおける方法と同じ方法で実行されてい
る。

【００１８】捕捉方法を実行するための論理は、宇宙船
に搭載される制御装置64あるいは地上から遠隔測定法に
基づいて指令が実時間の宇宙船へ伝送される。好ましい
実施例において、太陽捕捉が自主的な開始を完全にする
ように、全捕捉方法は宇宙船に搭載され実行される。

【００１９】好ましい実施例において、ピッチ走査は停
止され、ヨー鍵穴調整が実行される。しかしながら、ヨ
ー調整は振幅が小さい場合、走査中のピッチによって実
行される。全体の論理回路を簡単にする１つの選択は、
小さい部分、すなわちピッチ走査の１回転の四分の一よ
りも小さい部分において完全にされ、視線方向の太陽の
入射線から鍵穴の領域の移動を保証するためにほぼ同じ
ピッチ角度の各回転で実行されるヨー調整の一部分を実
行するという論理を実行することである。

【００２０】図示の実施例において、センサ20は軌道動
作の転送のために使用され、このような動作のために志
向される。センサ20の広角視野は、軌道動作の転送に必
要である。センサ20が太陽捕捉専用に使用され、あるい
はその他の方法が軌道動作の転送のために開発される場
合、ロール／ピッチ面の太陽捕捉が最初に達成されるの
でロール／ヨー面の広角視野を有することはセンサ20に
必要ではない。ロール軸における整列を保証することに
対してのみ十分に大きい両方向における小さい視野が必
要とされる。

【００２１】本発明の方法の利点は、３軸安定宇宙船に
よる太陽捕捉が１方向において比較的狭い視野を有する
３つの太陽センサを使用して達成されることである。こ
れは、太陽センサに入る反射光の量を減少し、アンテナ
あるいは太陽電池アレイのような大きな反射付属器を有
する宇宙船のセンサの配置において宇宙船設計者に広い
許容範囲を与える。この方法は、狭い視野センサにより
太陽捕捉を達成する３スリット型の太陽センサと共に検
知する３軸ジャイロ速度および積分速度を利用する。

【００２２】本発明が上記された実際の構成あるいは方
法には限定されず、様々な変化および変更が特許請求の
範囲に定められるような本発明の技術的範囲内から逸脱
することなしに行われることは理解される。このような
変更の１つは、１対の太陽電池の出力によって定められ
るゼロ位置に代って、検知面を定める単一の光感知素子
かのら測定された出力を使用する太陽センサの使用であ
る。別の可能な変更は、捕捉が最高点に達するように使
用されるヨー軸を中心とする任意の回転方向を有するロ
ール／ピッチ面の単一の太陽センサの使用である。これ
が可能である場合、付加的な燃料は誤った方向のｙ軸を
中心とする最初の回転を補正するために使用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を実行するための宇宙船で使用さ
れる太陽センサの正面図、平面図および端面図。

【図２】宇宙船に取付けられている太陽センサの検知面
の方位を示している斜視図。

【図３】本発明の方法を示すために使用される太陽セン
サの視野を含んでいる宇宙船単球体。

【符号の説明】

10,20,30,40 …センサ，18…宇宙船。

フロントページの続き (72)発明者 マイク・ダブリュ・トルマソフ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90603、ホイティアー、ミキンダ・コート 15988 (72)発明者 トーマス・デー・フェーバー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91367、ウッドランド・ヒルズ、カルバー ト・ストリート 23346

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１および第３の垂直軸と一線にある平
   面の角度部分内の天体の整列を検出するための第１のセ
   ンサおよび第２のセンサを有する３軸本体安定宇宙船用
   の天体サーチおよび捕捉方法において、 天体が第１の軸と一線にある平面の角度部分内に存在す
   るまで第１および第３の軸に垂直な第２の軸を中心とし
   て第１のセンサを回転させ、 天体が第１の軸と一線にある平面の角度部分内に存在す
   る時にセンサ位置検出器に関する第１のセンサの位置を
   検知し、 天体が第３の軸と一線にある平面の角度部分内に存在す
   るまで第１の軸に垂直な第３の軸を中心として第２のセ
   ンサを回転させ、 天体が第３の軸と一線にある平面の角度部分内に存在す
   る時にセンサ位置検出器に関する第２のセンサの位置を
   検知することを特徴とする３軸本体安定宇宙船の天体サ
   ーチおよび捕捉方法。