JPH0820269B2 - ３軸安定宇宙船の天体探索および捕捉方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、３軸安定宇宙船の天体
探索および捕捉方法に関し、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
ステムは通常±３０°乃至±６０°の四角形の視野を有
するそれぞれ有する３個のセンサを使用しており、それ
は宇宙船の回転を止めたとき、実際に回転がすぐに止ま
らないために太陽がセンサの視野から外れないように十
分に広くなければならないためにそのような広い視野が
必要とされている。

【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、そのような広い
視野はアンテナあるいは太陽電池アレイのパネルのよう
な宇宙船付属機器から反射される太陽光が入射して誤動
作を生じることである。本発明の目的は、そのような反
射光の影響を受けない狭い視野のセンサを使用して、し
かも確実に太陽等の天体を捕捉することのできる太陽等
の天体の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】本発明は、それぞれ異な
った視野を有する第１のセンサおよび第２のセンサを有
する３軸安定宇宙船における天体探索および捕捉方法に
おいて、第１のセンサおよび第２のセンサは天体を検出
するためにそれぞれ前記３軸の中の互いに垂直な第１お
よび第２の軸によって定められた平面および第１および
第３の軸によって定められた平面の所定の角度範囲内に
指向方向が制限された幅の狭い視野を有し、天体が第１
の軸と第２の軸とにより定められた平面の前記所定の角
度範囲内の前記第１のセンサの視野内に位置するまで第
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
センサの視野を回転させ、天体が第１のセンサの視野内
に位置したときの第２の軸の角度位置を最初の設定角度
位置として宇宙船の第２の軸の角度位置を初期化し、そ
の後この初期化された第２の軸の角度位置を第２の軸の
回転速度測定からの計算によって時間経過にしたがって
修正し、天体が第１の軸と第２の軸とにより定められた
平面の前記所定の角度部分内の第１のセンサの視野内に
あるときの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の軸と第１の軸とによって定め
られた平面の前記所定の角度範囲内の前記第２のセンサ
の視野内に位置するまで第１の軸に垂直な第３の軸を中
心として第２のセンサの視野を回転させ、天体が第２の
センサの視野内に位置したときの第３の軸の角度位置を
最初の設定角度位置として宇宙船の第３の軸の角度位置
を初期化し、その後この初期化された第３の軸の角度位
置を第３の軸の回転速度測定からの計算によって時間経
過にしたがって修正し、天体が第１の軸と第３の軸とに
より定められた平面の前記所定の角度部分内である第２
のセンサの視野内にあるときの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。

【０００５】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、説明されているが、これは例示として
記載したものであり、本発明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を捕捉する場合にも適用することが
できる。

【０００７】実施例においては、図１の（ａ），（ｂ）
および（ｃ）に示される太陽センサ10のような太陽セン
サを３個使用する。センサ10は、太陽の光が太陽電池に
入射するときに小電流を出力する２個の太陽電池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
ンサの視野を定める。狭いスリットはスリットを横断す
る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、センサに周囲の機器等からの反
射光が入射する機会は劇的に減少され、宇宙船のセンサ
の位置について宇宙船設計者に広い許容範囲を与える。

【０００８】従来の技術では、宇宙船推力エンジンが宇
宙船の回転を一時的に止めても太陽がセンサ視野から出
て捕捉できなくなることがないようにするために十分に
広い視野のセンサを使用している。例えば典型的には±
６０°×±３０°の方形のセンサ視野が使用されてい
る。本発明の方法では、非常に狭いセンサ視野が利用さ
れ、しかも、太陽の入射線がセンサの回転でセンサ視野
を横切って行過ぎる（オーバーシュートする）ことがあ
っても確実に太陽を捕捉することができる。センサの視
野が狭いほど、宇宙船の付属機器等による反射光を避け
る効果は大きくなる。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、図１の（ａ）で角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
と広い視野の場合にも使用されることができる。

【０００９】矢印13によって図１の（ａ）に宇宙船の回
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ほぼ
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。太陽の存在を
示す信号は、２つの出力の合計によって得られる。セン
サは、太陽光が両方の太陽電池に等しく受光される位置
に対応する平坦なゼロの位置を有し、そこにおいては比
例出力信号はゼロである。

【００１０】図２を参照すると、宇宙船本体19を有する
宇宙船18は、図１に示されたセンサ10と同様の３個のセ
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60
A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コー
ナー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。通常行われているように宇宙船制御
に冗長性を持たせるために付加的な推力エンジンが設け
られている。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。

【００１１】図示のようにこの実施例で示された捕捉方
法では、ロール軸16の太陽の入射線の捕捉を最高にする
ことを意図している。ロール軸ｘ，16は本発明を説明す
るための単なる例示として選択されたものであり、太陽
に向いた宇宙船の所望の位置を指示する宇宙船の位置に
関する３つの直交軸を定めるような任意の軸が選択でき
ることを理解すべきである。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。

【００１２】センサ20はボアサイトを有して宇宙船18に
位置されており、ロール軸上にセンサ視野22の広いほう
の角度範囲の中央が位置され、ロール軸とヨー軸で定め
られた平面に配置されるゼロ位置検知面21を有してい
る。他の２つのセンサ 30,40はロール軸とピッチ軸で定
められた平面にあるゼロ位置検知面31および41を有する
が、その視野の広いほうの角度幅の中心線はロール軸に
対して上下に対称的に視野の広いほうの角度幅“Ｂ”
（図１）の半分よりも僅かに小さい角度“Ｃ”の方向を
向いている。したがって、センサ30および40の各視野32
および42は確実にロール軸16を含んでいる。探索アルゴ
リズムが探索する軸に対して変えられることによってそ
の他の軸に対する整列形態も可能である。全部の３個の
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の視野の広い角度の方向はセンサ20の視野の
狭い角度の方向である。視野32および42が軸とピッチ軸
で定められた平面の±４５°乃至±８０°の範囲を含む
ことが好ましい。

【００１３】本発明の捕捉方法は、宇宙船の単位球体50
に関連して図３に示されている。捕捉方法として適応性
のある最初の状態は任意の姿勢、およびジャイロ範囲お
よび宇宙船構造が許容する大きさの宇宙船本体回転速度
を含んでいる。第１のステップはすべての軸を中心とす
る宇宙船本体の回転速度をゼロにすることであり、周期
は回転速度がゼロ近くに達することを許容される。回転
速度におけるしきい値試験は、次のステップに進むため
の条件として行われる。宇宙船本体の回転速度がゼロと
された後に、太陽52によって示される最初の太陽の位置
で宇宙船に入射する太陽の入射線53が位置54に入射する
と仮定する。

【００１４】次のステップはピッチ捕捉であり、ロール
およびヨージャイロ両軸の回転速度がゼロに制御され、
通常毎秒０．７５°の走査速度が予め決められた方向で
ピッチ軸に対して命令される。回転方向をどちらの方向
に選択するかは重要なことではない。センサ30および40
は太陽の存在を検出するために監視する。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、その宇宙船のピッチ軸角度の位置は太陽の入
射線に関する最初の位置として設定される。すなわちピ
ッチ軸角度はこの角度位置で初期化される。この宇宙船
のピッチ軸の角度位置は、その後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と共に修正される。
制御装置64における位置および回転速度制御アルゴリズ
ムは、宇宙船を太陽センサのゼロ位置に戻すピッチにお
いて付勢され、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
船が視野の角度幅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。これはピッチ軸に関する太
陽捕捉を完全にし、太陽の入射線はロール軸とピッチ軸
で定められた平面と確実に整列される。

【００１５】宇宙船は積分ジャイロ基準値を使用して太
陽センサのゼロの位置に戻るように制御されるため、狭
い太陽センサの視野32あるいは42をピッチ角度が超えて
行き過ぎる（オーバーシュートする）ことに問題はな
い。宇宙船本体のピッチ軸の回転速度がゼロとされた
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。上記ステップ中において、太陽の入射方向
は図３に示される開始位置54から位置56へ図示された経
路で移動する。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。

【００１６】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に最初に太陽が位置している
場合にそれを補正するために、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°程度の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。

【００１７】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
太陽の方向がピッチ軸に対して最初に平行に近い場合、
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探索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。

【００１８】太陽がピッチ軸を含むセンサ30あるいは40
の視野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°のヨー軸走査回転速度は、
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における位置
56から位置58への通路を移動する。ヨー軸走査に対する
適当な方向は、太陽が先行するステップ中にセンサ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。

【００１９】太陽が両センサにおいて最初に検出された
場合には、不正確な選択が生じる可能性がある。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。選択が正しい場合、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の一方
の端部を走査しない場合に、太陽はヨー軸において捕捉
される。不正確な選択が示されると、ヨー軸走査の方向
は逆になり、太陽に向けてセンサ20を走査させる。ヨー
軸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の一時的な行き過ぎを有し、ピッチ軸について説
明したのと同じ方法で実行される。

【００２０】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。

【００２１】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
ー調整の振幅が小さい場合には、ピッチ軸についての走
査中に実行されてもよい。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。

【００２２】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方
向が制御される。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。

【００２３】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。

【００２４】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
ール軸とピッチ軸で定められた平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
誤った方向のピッチ軸ｙ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 (56)参考文献 特開 平１−182719（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−82912（ＪＰ，Ａ) 特公 平１−33400（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれ異なった視野を有する第１のセ
   ンサおよび第２のセンサを有する３軸安定宇宙船用の天
   体探索および捕捉方法において、前記第１のセンサおよび第２のセンサは天体を検出する
   ためにそれぞれ前記３軸の中の互いに垂直な第１および
   第２の軸によって定められた平面および第１および第３
   の軸によって定められた平面の所定の角度範囲内に指向
   方向が制限された幅の狭い視野を有し、 天体が第１の軸と第２の軸とにより定められた平面の前
   記所定の角度範囲内の前記第１のセンサの視野内に位置
   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のセンサの視野を回転させ、天体が第１のセンサの視野内に位置したときの第２の軸
   の角度位置を最初の設定角度位置として宇宙船の第２の
   軸の角度位置を初期化し、 その後この初期化された第２の軸の角度位置を第２の軸
   の回転速度測定からの計算によって時間経過にしたがっ
   て修正し、 天体が第１の軸と第２の軸とにより定められた平面の前
   記所定の角度部分内の第１のセンサの視野内にあるとき
   の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の軸と第１の軸とによって定められた平面の
   前記所定の角度範囲内の前記第２のセンサの視野内に位
   置するまで第１の軸に垂直な第３の軸を中心として第２
   のセンサの視野を回転させ、天体が第２のセンサの視野内に位置したときの第３の軸
   の角度位置を最初の設定角度位置として宇宙船の第３の
   軸の角度位置を初期化し、 その後この初期化された第３の軸の角度位置を第３の軸
   の回転速度測定からの計算によって時間経過にしたがっ
   て修正し、 天体が第１の軸と第３の軸とにより定められた平面の前
   記所定の角度部分内である第２のセンサの視野内にある
   ときの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軸安定宇宙船の天体探索お
   よび捕捉方法。