JPH0569760B2

JPH0569760B2 -

Info

Publication number: JPH0569760B2
Application number: JP59170234A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Nakagawa; Yoichi Kawakami; Masao Sato; Shunji Manabe
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; NTT Inc
Priority date: 1984-08-15
Filing date: 1984-08-15
Publication date: 1993-10-01
Also published as: JPS6150896A

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の技術分野〕この発明は、定常運用時の人工衛星の姿勢制御
装置に関するものである。〔従来技術〕従来、この種の制御装置としては、第１図に示
すようなバイアスモーメンタム方式と、第２図に
示すようなゼロモーメンタム方式がある。１は地
球センサ、２は地球センサ電子回路、３はヨーセ
ンサ、４はヨーセンサ電子回路、５は姿勢制御装
置、８，１０，１２が、それぞれロール、ピツ
チ、ヨーホイール、７，９，１１がそれぞれ、ロ
ール、ピツチ、ヨーホイール駆動回路である。第１図のバイアスモーメンタム方式では、衛星
の姿勢角のうち、ロール角とピツチ角は、地球セ
ンサ１で検出するが、ヨー角の検出用センサは必
要としない。ピツチホイール１０には、大きなバ
イアスモーメンタムが蓄積されており、ピツチ角
の制御はピツチホイール１０の回転速度を変化さ
せることによつて行なわれる。ロール角の制御
は、ヨーホイール１２を回転させ、ヨーホイール
モーメンタムとピツチホイールのバイアスモーメ
ンタムとの合成モーメンタムの反作用により行な
われる。ヨー角の制御は、ピツチホイールのバイ
アスモーメンタムによるジヤイロ剛性と人工衛星
の軌道運動カツプリングによるロール／ヨー変換
を利用して、ロール角を制御することにより、受
動的に行なわれる。第２図のゼロモーメンタム方式では、人工衛星
の姿勢角の３成分を常時必要とし、そのうちロー
ル角とピツチ角は、地球センサ１で検出され、ヨ
ー角はヨーセンサ３で検出される。ロール角の制
御はロールホイール８の回転速度を変化させるこ
とによつて行われ、また、ピツチ角、ヨー角の制
御は、それぞれ、ピツチホイール１０、ヨーホイ
ール１２の回転速度を変化させることにより行な
われる。両方式において、姿勢制御装置５は、それぞれ
のホイールに適切な回転速度を与えるための、制
御指令を与える。バイアスモーメンタム方式では、ヨー角の制御
は角運動保存則による受動的なものであり、精度
を上げるには、大きなピツチホイール１０が必要
となり、姿勢制御方式全体の重量が増大してしま
うという欠点を持つ。ゼロモーメンタム方式では、ヨー角を常時検出
するヨーセンサ３が必要となるが、現段階では精
度が良く、軽量で信頼性の高いヨーセンサ３は存
在しない。〔発明の概要〕この発明は、かかる問題を改善するためのもの
であり、外乱モーメンタムを推定し、これを前も
つて補償することにより、制御精度が高く、軽量
で、信頼性の高い人工衛星の姿勢制御装置を提案
するものである。〔発明の実施例〕第３図は、この発明による人工衛星の姿勢制御
装置の一実施例の全体構成図である。この実施例
は、第３図から明らかなように、人工衛星の姿勢
角のうち、ロール角、ピツチ角を検出する地球セ
ンサ１及びその電子回路２と、ヨー角を検出する
太陽センサ３、及びその電子回路４から入力され
た信号により、人工衛星の姿勢角、及び姿勢角の
変化率を、目標の姿勢角、及び姿勢角の変化率へ
到達するように、ロールホイール８、ピツチホイ
ール９、ヨーホイール１０の回転速度を変化させ
るためにそれぞれのホイールの駆動回路７，８，
９を、搭載計算機６の処理能力を用いて、姿勢制
御装置５を制御するように構成されている。第４図は、第３図における姿勢制御装置５と、
搭載計算機６の処理機能構成図である。ホイール
制御装置１５は、ホイール１４に適切な回転速度
を与えるための制御指令をホイール駆動回路１３
に与える。ここで、ホイール駆動回路１３は、第
３図のロールホイール駆動回路７、ピツチホイー
ル駆動回路９、ヨーホイール駆動回路１１を代表
し、ホイール１４は、第３図のロールホイール
８、ピツチホイール１０、ヨーホイール１２を代
表する。ホイールモーメンタム検出装置１６によ
りホイールのモーメンタムが検出され、一定の値
を越えると、アンローデイング制御装置１７によ
り、不用のモーメンタムが放出される。アンロー
デイング実施時のモーメンタム放出量は、アンロ
ーデイングモーメンタム推定装置１８により、推
定される。同時に、アンローデイング実施時の過
渡応答を押えるようにホイール制御装置１５を制
御する、アンローデイングモーメンタム放出量が
得られたならば、各時刻の外乱モーメンタムが外
乱モーメンタム推定装置により、推定される。こ
の外乱モーメンタムを補償するようにホイールを
駆動すれば、人工衛星の姿勢角誤差を小さくする
ことができる。尚、第４図で、ホイール制御装置１５、ホイー
ルモーメンタム検出装置１６、アンローデイング
制御装置１７は、第３図の姿勢制御装置５を構成
し、アンローデイングモーメンタム推定装置１
８、外乱モーメンタム推定装置１９は、第３図の
搭載計算機６を構成する。次に、前記実施例の動作を説明する。第３図、第４図において、ピツチホイール１０
は、ほゞ一定の回転速度で回転しているため、一
定のバイアスモーメンタムが蓄積されている。そ
の結果、角運動量保存則により、人工衛星は、一
定の姿勢状態を維持しようとする。そこで、ピツ
チ角に誤差がある場合には、地球センサ１によつ
て検出され、地球センサ電子回路２を通して、姿
勢制御装置５により、ピツチホイール駆動回路９
が制御され、その結果、ピツチホイール１０の回
転速度が変化し、その角運動量の反作用によつ
て、ピツチ角の誤差が零になるように制御され
る。ロール角に誤差がある場合には、地球センサ１
によつて検出され、地球センサ電子回路２を通し
て、姿勢制御装置５により、ヨーホイール駆動回
路１１が制御され、その結果、ヨーホイール１２
の回転速度が変化し、その角運動量の反作用によ
つて、ロール角の誤差が零になるように制御され
る。ヨー角に誤差があり、太陽センサ３によりヨー
角が検出される場合には、太陽センサ電子回路４
を通して、姿勢制御装置５により、ロールホイー
ル駆動回路７が制御され、その結果、ロールホイ
ール８の回転速度が変化し、その角運動量の反作
用によつて、ヨー角の誤差が零になるように制御
される。しかしながら、太陽センサ３をヨーセン
サとして用いるとき、ヨー角を常に検出すること
はできない。第６図は、太陽センサの可視域３
１，３２、不可視域３３，３４を示したものであ
り、人工衛星の静止軌道２１を北極方向から描い
たものである。地球２０と太陽３０の位置関係に
より、太陽センサの不可視域３３，３４では、ヨ
ー角を検出することができない。人工衛星のロール軸回りの外乱トルクはモーメ
ンタムとして蓄積されて、ピツチホイールのバイ
アスモーメンタムと合成されて、人工衛星をヨー
軸まわりに回転させ、ヨー角誤差を生じる。ここで、ヨー角誤差は、次のように表わされ
る。 ψ＝H_X−h_X／h_B ……(1) ただし、ψはヨー角誤差、H_Xは外乱による衛
星モーメンタム、h_Xはロールホイールのモーメン
タム、h_Bはピツチホイールのバイアスモーメンタ
ムである。太陽センサがヨー角を検出する場合は、h_Xを
H_Xに一致させることにより、ヨー角誤差を零に
することができるが、太陽センサがヨー角を検出
できない場合には、H_Xに充分近い外乱による衛
星モーメンタム推定値Ｈ∧_Xに等しくロールホイー
ルのモーメンタムh_Xを制御する。このときヨー角
誤差は、 ψ＝H_X−H^_X／h_B ……(2) と表わされる。外乱モーメンタム推定装置１９は衛星に蓄積さ
れた外乱モーメンタム推定値H^_XH^_Zを求めるため
のものである。ここで、H^_Xはロール軸まわりの
外乱モーメンタム推定値であり、H^_Zはヨー軸ま
わりの外乱モーメンタム推定値である。 H^_X，H^_Zは、近似的に軌道周期を基本調波とす
るフーリエ級数で表わすことができる。即ち、 H^_X＝a_x0＋_o 〓^k=1 （a_xkcoskω_pt＋b_xksinkω_pt）＋_o 〓^k=1 （c_xktcoskω_pt＋d_xktsinkω_pt） ……(3) H^_Z＝a_z0＋_o 〓^k=1 （a_zkcoskω_pt＋b_zksinω_pt）＋_o 〓^k=1 （c_zktcoskω_pt＋d_zktsinkω_pt） ……(4) ただし、定数項、振動項だけでなく、発散項が
必要となる。また、ω_pは軌道角速度、｛a_xi｝，
｛a_zi｝，｛b_xi｝，｛b_zi｝，（ｉ＝０，１，２……）
，
｛c_xj｝，｛c_zj｝，｛d_xj｝，｛d_zj｝，（ｊ＝１，２，
……）
はフーリエ係数である。太陽センサが可視域にあるときは、ホイールモ
ーメンタムh_X，h_Zは、それぞれ衛星モーメンタム
H_X，H_Zに等しいことから、幾つかのh_X，h_Zを測
定することにより、フーリエ係数を推定すること
ができる。 (3)，(4)式により、測定されたホイールモーメン
タムと推定されるフーリエ係数の間には、次のよ
うな線形関係が存在する。Ｈ〜＝Cx^＋ε ……(5) 但し、Ｈは測定されたホイールモーメンタムベ
クトル、x^は推定されるフーリエ係数ベクトル、
Ｃはホイールモーメンタムとフーリエ係数との間
の係数マトリツクス、εはノイズである。推定手法として、ノイズεの二乗を最小とする
最小二乗法によれば、フーリエ係数ベクトルは X^＝（C^TＣ）^-1C^TＨ〜 ……(6) と推定される。但し、Ｔは転置行列、−１は逆行
列を意味する。フーリエ係数Ｘが推定されると、(3)，(4)式によ
り、外乱モーメンタムの推定値H^_X，H^_Zが求めら
れる。外乱モーメンタム推定装置１９により、外乱モ
ーメンタム推定値H^_X，H^_Zが得られたならば、こ
られをホイール制御装置１５に、常時挿入して、
フイードフオワード制御を行う。外乱モーメンタ
ムが精度良く推定されるならば、ホイール制御装
置１５の負荷を軽減することができる。また、外
乱モーメンタム推定装置１９の動作により、太陽
センサ不可視域でのヨー角制御を精度良く行うこ
とができる。ホイール１４は周期的外乱トルクを吸収して、
人工衛星の姿勢状態を目標の姿勢状態に保つこと
ができるが、永年的外乱トルクに対しては、ホイ
ール速度が上昇して制御不能になることがある。
そのため、ホイールモーメンタム検出装置１６で
常時ホイール１４のモーメンタムを監視し、一定
値を越えた場合は、アンローデイング制御装置１
７によつて、ホイール１４に蓄積された不要な角
運動量を放出する必要がある。このとき、その反
作用によつて人工衛星に有害な姿勢誤差が生じる
が、この姿勢誤差を小さくするには、アンローデ
イングされたモーメンタムをフイードフオワード
信号としてホイール制御系に加え、実効的なホイ
ールモーメンタムコマンドを小さくすることが効
果的である。この機能を果すものが、アンローデ
イングモーメンタム推定装置１８である。また、外乱モーメンタム推定装置１９におい
て、アンローデイングによるモーメンタム変化量
を考えなければ、外乱モーメンタムを正しく推定
することができない。即ち、アンローデイングモーメンタム推定装置
１８は、上記二つの機能を果すために、アンロー
デイングにより外界へ放出したモーメンタムを推
定するものである。第５図は、アンローデイングモーメンタム推定
装置１８の動作説明図である。第５図イの衛星の
蓄積モーメンタムは外乱トルクによつて漸増、ま
たは漸減する。このとき、ホイールモーメンタム
ニは、衛星の蓄積モーメンタムイと、ほゞ等し
い。またアンローデイングモーメンタム推定値ホ
は、前回までの累積アンローデイングモーメンタ
ムを保持している。いま、時刻t₁にてアンローデイングが実施され
たとする。アンローデイングスラスタトルクロは
t_poの間だけトルクを発生させる。この過渡応答
を押えるため、アンローデイングスラスタトルク
ロが生じさせるモーメンタムと等価なアンローデ
イングモーメンタムを、ホイールトルクバイアス
ハとして加える。アンローデイングスラスタトル
クに較べてホイールトルクバイアスは小さいた
め、t₁からt₂までホイールトルクバイアスを加え
続ける必要がある。時刻t₂でのアンローデイングモーメンタム推定
値H^_UM ²は、次のように表示ことができる。 H^_UM ²＝C⁰ _I［H^⁰ _UM＋C^I ₀∫^t1 _t1 ^+t _po T_C dt］……(7
) ここで、C⁰ _Iは慣性座標系から軌道座標系への変
換行列であり、C^I ₀はその逆行列である。H⁰ _UMは前
回までの累積アンローデイングモーメンタム推定
値、t₁はアンローデイング実施時、t_poはアンロー
デイングスラスタオンタイム、T_Cはアンローデ
イングスラスタ推力レベルである。アンローデイ
ングモーメンタムは予測値であるため、時刻t₂で
は、ホイールモーメンタムニは、衛星の蓄積モー
メンタムイと一致せず、若干の過度応答を生じ
る。 (7)式は予測値であるから、実際にアンローデイ
ング前後のモーメンタムの変化量を測定して、ア
ンローデイングモーメンタム推定値とする必要が
ある。時刻t₃には、t₂で生じた過度応答が収つている
とすると、時刻t₃からt₄までにホイールモーメン
タムニをＮ回測定して、その平均をアンローデイ
ング後のホイールモーメンタムとする。即ち、時刻t₄でのアンローデイングモーメンタ
ム推定値H^_UM ⁴は、次のように表すことができる。

〔発明の効果〕

このように、この発明によれば制御精度が高く
かつ軽量、高信頼性の人工衛星の姿勢制御を行な
うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の姿勢制御装置の一実施例である
バイアスモーメンタム方式の全体構成図、第２図
は、同じくゼロモーメンタム方式の全体構成図、
第３図は、この発明による人工衛星の姿勢制御装
置の一実施例の全体構成図、第４図は、第３図に
おける姿勢制御装置と搭載計算機の処理機能構成
図、第５図は、アンローデイングモーメンタム推
定機構の動作説明図、第６図は、太陽センサの不
可視域、及びホイールモーメンタム測定軌道位置
説明図である。図中、１は、地球センサ、２は同電子回路、３
は太陽センサ、又はヨーセンサ、４は同電子回
路、５は姿勢制御装置、６は搭載計算機、８はロ
ールホイール、７は同駆動回路、１０はピツチホ
イール、９は同駆動回路、１２はヨーホイール、
１１は同駆動回路、１５はホイール制御装置、１
６はホイールモーメンタム検出装置、１７はアン
ローデイング制御装置、１８はアンローデイング
モーメンタム推定装置、１９は外乱モーメンタム
推定装置である。なお、図中同一あるいは相当部
分には同一符号を付して示してある。

Claims

【特許請求の範囲】１人工衛星の姿勢角を検出する地球センサ、太
陽センサ、及びそれぞれに対応する電子回路と、
前記地球センサ、太陽センサの出力信号を入力と
して、人工衛星の姿勢角、及び姿勢角変化率を目
標の姿勢角、及び姿勢角変化率へ到達するように
ロールホイール、ピツチホイール、ヨーホイール
の回転速度を変化させるためのホイールの駆動回
路を制御するホイール制御装置と、上記ホイール
のモーメンタムを検出するホイールモーメンタム
検出装置と、上記ホイールモーメンタム検出装置
で検出されたホイールのモーメンタムが一定値を
越えた場合、ホイールに蓄積された不要なモーメ
ンタムを放出するアンローデイング制御装置と、
上記アンローデイングされたモーメンタム放出量
を推定し、かつアンローデイングされたモーメン
タムを上記ホイール制御装置へ与えるアンローデイン
グモーメンタム推定装置と、上記アンローデイン
グモーメンタム推定装置によりアンローデイング
モーメンタム放出量が得られたとき、アンローデ
イングによるモーメンタム変化量推定値により補
正した外乱モーメンタム推定値を上記ホイール制
御装置へ与える外乱モーメンタム推定装置とを具
備したことを特徴とする人工衛星の姿勢制御装
置。２外乱モーメンタム推定装置を地上局の計算機
に受け持たせ、人工衛星に実時間処理のための送
受信器を備えたことを特徴とする、特許請求の範
囲第１項記載の人工衛星の姿勢制御装置。