JPS6130499A - 人工衛星の姿勢制御装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は地球磁場を用いて人工衛星に蓄積された角運
動量を減少爆ぜる人工衛星の姿勢制御装置に関するもの
である。

〔従来技術〕

第１図は従来の人工衛星の姿勢制御装置を示す図であゃ
９図において、（１）は人工衛星本体、（２）は人工衛
星本体（１１に固定された回転軸を持つホイール、（３
）は人工衛星本体＋１１に固定された磁気モーメント発
生器、（４）は人工衛星本体（１）の姿勢角誤差を検出
する姿勢角検出器、（５）は人工衛星本体（１）に固定
された磁気検出器、（６）は人工衛星本体（１）に固定
されたＹ軸（ロール軸ともいう）、（７１は人工衛星本
体ｆｌ＋に固定爆れたＹ軸（ピッチ軸ともいう）。

（８）は人工衛星本体（１）に固定された２軸（ヨー軸
ともいう）である。

三軸姿勢制御とは９人工衛星本体（１）に固定ちれた直
交座標であるＹ軸、Ｙ軸、Ｚ軸がそれぞれ人工衛星の進
行方向、軌道面に垂直な方向、地球中心方向と一致する
ように制御することをいい、上記３方向の誤差を各方向
まわりの回転角で表わしたものを姿勢角というつ 人工衛星には種々の外乱トルクが働くのでその姿勢角は
絶えず変化しているが、この変化量全姿勢角検出器で測
定し、この大′＠芒に応じてホイールの回転数を変えて
やれば、加減速の際生じる反作用トルクにより衛星の姿
勢を正しい方向に向くように即ち三軸姿勢制御すること
ができる。

このようにして、姿勢角検出器（４）とホイール（２）
を使えば三軸姿勢制御が実現されるが１人工衛星に加わ
った外乱トルクのために増大する人工衛星の角運動量は
ホイール回転数を増加烙ゼホイール角運動量として蓄積
でれることになる。

し力）シ、ホイールには物理的に最高回転数が決まって
いるため、三軸姿勢制御が保持されるようホイールの回
転数が最高回転数を越えないようにしなければならない
。このためにはホイールの回転数が減少するような向き
の外部トルクを人工衛星本体（１１に加えてやれはよい
。この外部トルクを加える操作全アンローディングとい
う。

地球磁場を利用してアンローディングを行なう場合には
磁気モーメント発生器（３）のコイルに電流を流子こと
により発生する磁気モーメントと地球磁場との干渉で発
生する外部トルクを使う。

通常は次式で示されるような制御則で磁気モーメントを
発生芒ゼており、外部トルクは次式で示される関係式で
あられ芒れる６ Ｍ＝ＫＢＸ１（・・・・・（１） Ｔ　＝　Ｍ　Ｘ　Ｂ　　　　　　　　　　　　　　、、
・・−、＋２１糖ｆｉ１式、第（２）式において１Ｍけ
磁気モーメント発生器（３）の発生する磁気モーメント
のＹ軸、Ｙ＠。

２軸取分乃）らなるベクトル、Ｂは磁気検出器（５）の
検出する地球磁場の強度のＹ軸、Ｙ軸、２軸成分力Ｓら
なるベクトル、Ｈはホイール＋２１の回転により蓄積き
れているホイール角運動量のＹ軸、Ｙ軸。

２軸成分力１らなるベクトル、Ｔは磁気モーメントと地
球＠場との干渉で発生する外部トルクのＹ軸。

Ｙ軸、２軸成分からなるベクトル、Ｘ印の演算はベクト
ル外＆、Ｋｉｄ発生磁気モーメント制御ゲイン行列であ
る。

ところで、アンローディングはホイール回転数が物理的
な最高回転数を越える即ち回転数が飽和することを避け
ることが目的でおる力）ら２人工衛星に働く外乱トルク
の周期的な成分にもとづくホイール回転数の周期的な変
化は、それがホイール回転数の飽和を引き越こ了もので
力けれはその周期的変化を特に減少芒ぜる必要はない。

しかるに、第（１１式で記述嘔れる制御則では、制御を
行なう各時点でのホイール角運動量Ｈに比例した磁気モ
ーメントＭゲ発生させるため、上記の特に減少芒ぜる必
要のない周期的なホイール角運動量変化音も減少させる
ように制御則が働いてしまう。このため、制御に必要な
電力を無駄に消費ａ−ｔｒる欠点と、必要以上に大きな
磁気モーメントを発生する大容量の磁気モーメント発生
器（３１を備えなければならないという欠点があった。

〔発明の概要〕

この発明は上記のような従来のものの欠点を改善するた
めにな芒れたもので、ホイールの角運動量と発生する磁
気モーメントの微分量との重み付き二乗和の時間積分を
最小に了るように磁気モーメント発生器全制御する手段
を設けて効率のよいアンローディング全可能とする人工
衛星の姿勢制御装＃を提供するものである。

〔発明の実施例〕

以下図面に従ってこの発明の特徴とする人工衛星の姿勢
制御装置を説明する。

第２図は、Ｃの発明の一笑施例會示すもので。

第２図において（１１は人工衛星本体、（６）は人工衛
星本体（１）に固定されたＹ軸（ロール軸ともいう）。

（７）は人工衛星本体（１）に固定されたＹ軸（ピッチ
軸ともいう）、（８）は人工衛星本体（１１に固定され
た２軸（ヨー軸ともいう）ｉ９１はロールホイール、　
０１はピッチホイール、　（ｌＩ＋はヨーホイール、α
２はロール磁気モーメント発生器、（１３はピッチ磁気
モーメント発生器、（１４１ｉ、ｌ：ヨー磁気モーメン
ト発生器、任９は第１の姿勢角検出器である地球センサ
、αｅは第２の姿勢角検出器である太陽センサ、ａ７）
は演算器を含むホイール制御計算用テータ処理器、（Ｌ
＆は演算器を含む磁気モーメント発生器制御計算用デー
夕処理器、α９はロール磁気検出器、＠はピッチ磁気検
出器、　ａｔ＋はヨー磁気検出器である。第３図は第２
図の構成機器間の信号の流れを示すものである。

人工衛星の三軸姿勢制御は、姿勢角検出器（Ｉ阻（ｌｅ
の検出信号をホイール制御計算用データ処理器ａ７１に
入力し、比例微分制御則によりロールホイール（９）、
ピッチホイール（１１，ヨーホイール＋１１１の駆動信
号を計算しロールホイール（９）、ピッチホイール舖、
ヨーホイールａＩＩの回転数全制御することにより実行
できる。このようにして人工衛星が三軸姿勢制御されて
いる時、ホイール角運動量は外乱トルクと磁気モーメン
ト発生器による制御トルクの作用により次の微分方程式
で表わされる挙動をする。

口＋ΩＸ　Ｈ＝　Ｔ１　＋　Ｔ２　　　　　　　　　　
　・・・・・・（３）第（３’＋式において、Ｈはロー
ルホイール（９）、ピッチホイールａ東　　ヨーホイー
ルａｈの回転により蓄積されているホイール角運動量の
Ｘ軸、Ｙ軸、２軸取分からなるベクトル、Ωは人工衛星
本体ｉｌ＋の角速度のＸ軸、Ｙ軸、２軸取分からなるベ
クトルで。

三軸姿勢制御が実行されている時は、Ｙ軸成分が軌道角
速度の大きさで、Ｘ軸、２軸取分は零であル定数ベクト
ルに一致しているーＴ１　　はロール磁気モーメント発
生器（１２，ピッチ磁気モーメント発生器（Ｉ３．ヨー
磁気モーメント発生器Ｉによって発生された磁気モーメ
ントと地球磁場との干渉によシ発生する制御トルクのＸ
軸、Ｙ軸、２軸取分からなるベクトル、　　Ｔ２　ｉｊ
外乱トルクのＸ軸、Ｙ軸。

２軸取分からなるベクトルである。

制御トルクＴ１　　は前述の第（２）式を使うと９次の
ように表わされる。

ＴＩ　＝Ｍ　Ｘ　Ｂ　　　　　　　　　　　　　　　・
・・・・・（４）第（４）式において、　　ＭＪｄロー
ル磁気磁気モー１允気モーメント発生器Ｉの発生する磁
気モーメントのＸ軸，Ｙ軸，２軸取分からなるベクトル
、Ｂはロール磁気検出器（ＩＩ，　　ピッチ磁気検出器
■，ヨー磁気検出器（２ｎ’を用いて事前に軌道複数回
にわたって検出した地球磁場の強度ヲ磁気モーメント発
生器制御計算用データ処理器α秒の中で平均して求めた
地球磁場の強度のＸ軸，Ｙ軸，２軸取分からなるベクト
ルである。

第（３）式，第（４）式を整理する，と次の線型微分方
程式が容易に導き出せる。

Ｈ＝ＡＨ−１−ＣＭ＋Ｔ２　　　　　　　　　　　・・
・・・・（５）第（５）式において，Ａ及びＣはいずれ
も３行３列行列でアク、行列の要素は定数及び人工衛星
の軌道周期ＴＯ　　の周期関数からなる。

ここで１次の式で示芒れるようにホイール角運動量Ｈと
発生磁気モーメン）Ｍの微分量ｉとの重み付き二乗和の
時間積分ｔＪとおく。

第（６１式において，ｔｏ　はアンローディングを開始
する時刻．ＱおよびＲはいずれも３行３列定数行列でか
つ止定対称行列とテる。

アンローティングは．可能な限り小さな磁気モーメント
を発生芒セ，ホイール角運動量の変動幅をホイー　ル最
高回転数力）ら定まる上限角運動量以内に保つことがで
きれは最も好ましい。このためには９行列ＱおよびＲに
適切な重み付けを行ない第（６）式の評価関数Ｊを最小
にするように発生磁気モーメントＭ′ｔ−制御すればよ
い。

なお、第（６）式の右辺で発生磁気モーメン）Ｍのかわ
りにその微分量Ｍ全周いて重み付き二乗和の時間積分Ｊ
を最小にすることにより，第（５）式の外乱トルクＴ２
　に対するホイール角運動量Ｈのオフセット（零点から
の一定のすれ）を減少させることが可能になる。

第（６）式の評価関数Ｊを最小にする最小値問題は。

第（５）式が可制御である時解けて制御量としての発生
磁気モーメン）Ｍは次式の微分方程式の解として表わさ
れる。

女＝　［Ｉ　Ｈ＋に２　Ｍ　　　　　　　　　　　　　
・・・・・・（７）第（７）式において，　　ｘｌ　　
およびに２　は３行３列行列で，　　Ａ，　　Ｏ，　　
ＱおよびＲから導き出されるため要素は人工衛星の軌道
周期Ｔｏ　　の周期関数と々る。

従って，ロール磁気検出器α９，ピッチ磁気検出器（至
）、ヨー磁気検出器ｃｅｎｔ用いて事前に軌道複数回に
わたって検出した地球磁場の強度を平均して磁気モーメ
ント発生器制御計算用データ処理器餞の中に記憶させて
おいた地球磁場強度ベクトルにモトづいて、磁気モーメ
ント発生器制御計算用データ処理器錦の記憶素子に行１
列ｘ１．　Ｋ２　の軌道周期ＴＯ分の履歴を格納してお
き、ロールホイール（９）、ピッチホイールＱ（１，ヨ
ーホイール（ｔＩ＋の回転数から求められるホイール角
運動量Ｈに対して、第（７）式の行列微分方程式の計算
を演算器の中で処理することにより、ロール磁気モーメ
ント発生器（Ｌ３゜ピッチ磁気モーメント発生器０．ヨ
ー磁気モーメント発生器Ｉの駆動信号を算出することが
できる。

この駆動信号により、ロール磁気モーメント発生器α２
．ピッチ磁気モーメント発生器０．ヨー磁気モーメント
発生器（１４′ｆ、制御することにより、第（６）式の
評価関数Ｊｉ最小にすることができる。

〔発明の効果〕

以上述べたようにこの発明によれは、磁気検出器と磁気
モーメント発生器と演算器全台む磁気モーメント発生器
制御計算用データ処理器を用いることにより、ホイール
角運動量と発生磁気モーメントの微分量との重み付き二
乗和の時間積分を最小にするように地球磁場と発生磁気
モーメントの干渉ヲ用いてアンローディングすることが
でき。

磁気モーメント発生器に必要な電力の節約と磁気モーメ
ント発生器の容量の不必要な増加を抑えることが可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の人工衛星の姿勢制御装置を説明するため
の図、第２図はこの発明による人工衛星の姿勢制御装置
を説明するための図、１ｉ１１４３図は第２図に示す構
成機器間の接続および信号の流れを示す図である。 図中、（ｌ）は人工衛星本体、（ｚｌはホイール、（３
）は磁気モーメント発生器、（４）は姿勢角検出器、（
５）は磁気検出器、（６）はＹ軸、（７）はＹ軸、（８
）はＹ軸、（９）はロールホイール、α〔はピッチホイ
ール、　ａｈはヨーホイール、　＜１２はロール磁気モ
ーメント発生器。 （１３はピッチ磁気モーメント発生器、　（１４１！−
ｔヨー磁気モーメント発生器、（１９は地球センサ、　
（ＩＳは太陽センサ、＋１７１．０秒はデータ処理器、
（１９はロール磁気検出器、■はピッチ磁気検出器、Ｑ
ｌｌはヨー磁気検出器である。 なお１図中同一あるいは相当部分には同一符号を付して
示しである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 人工衛星の三軸まわりの姿勢角誤差を検出する姿勢角検
   出器と、三軸まわりの地球磁場の強度を検出する磁気検
   出器と、三軸まわりに回転トルクを発生する複数のホイ
   ールと、三軸まわりに磁気モーメントを発生する磁気モ
   ーメント発生器と、上記姿勢角検出器の出力信号をもと
   にして上記複数のホイールの駆動信号を発生し、その駆
   動信号により複数のホイールの回転を制御するための手
   段と、上記複数のホイールが有する人工衛星本体に相対
   的な角運動量の大きさと上記磁気検出器の出力信号とを
   用いて、発生磁気モーメント量を計算し、外乱トルクに
   よつて蓄積される角運動量を減少させるように上記磁気
   モーメント発生器を制御する手段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。