JPS62166199A - 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】 〔産業上の利用分野〕 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
ａｔを減少させる人工衛星の姿勢制御装置に関するもの
である。

〔従来の技術〕

第３図は従来の人工衛星の姿勢制御装置を示す図であり
１図において、　（１１に２人工衛星本体、　（１１０
２人工衛星本体Ｔｌｌに固定された回転軸を持つホイー
ル、　（１９は人工衛星本体（１１に固定された磁気モ
ーメント発生器、＠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、０υは人工衛星本体（１）に
固定された磁気検出器、　＋２１＆″ｓ人工衛星本体（
１）に固定されたＸ軸（ロール軸ともいう）、＋３１に
’！人工衛星本体（１）に固定されたＹ軸（ピッチ軸と
もいう）。

（４１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１人工衛星本体（１）に固定された直
交座標であるＸ軸、　ＹＩｉ＝Ｉｉ１．　２４Ｊがそｎ
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。

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、この変化量を姿勢角検出器で測
定しこの大きさに応じてホイールの回転数を変えてやれ
ば、加減速の除虫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■とホイール珀を使えば
三軸姿勢制御が実現されるが９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
回転数を増加させ、ホイール角運動量として蓄積される
ことになる。しかし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
ば艮い。この外部トルクを加える操作をアンローディン
グという。

地球磁場を利用してアンローディングを行う場合には磁
気モーメント発生器（１１のコイルに電流を流すことに
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。

通常に２次の（１）式で示されるような制御則で磁気モ
ーメントを発生させており、外部トルクは次の（２）式
で示される関係式であられされる。

Ｍ＝Ｋ（、ＢＸＨ）　　　　　　　　　ｆｉｌＴ　＝　
Ｍ　Ｘ　Ｂ　　　　　　　　　　　　＋２１（１）式、
（２）式において、Ｍｋｊ磁気磁気モーメント発生器α
９牛 軸成分からなるベクトル、Ｂは磁気検出器Ｑ１Ｊの検出
する地球磁場の強度のＸ軸．Ｙ軸，Ｚ＠酸成分ラナルベ
クトル．Ｈはホイールα梯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！ｌＩＩ収分からな
るベクトル、Ｔは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のＸ軸。

Ｙ軸．２軸成分からなるベクトル、には制御ゲイン行列
，Ｘ印の演算はベクトル外積でりる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

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
ることが目的であるから０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起こすものでな
ければその周期的変化を特に減少させる必要はない。

しかるに、第（１１式で記述される制御則では．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を発生させるため．上記の特に減少させる必
要のない周期的なホイール角運動量変化をも減少させる
ように制御則が働いてしまう。このため、制御に必要な
電力を必要以上に消費するという問題点と，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ａ９を備えなければならないという問題点があ
った。

この発明は．かかる問題点を解決するためになされたも
ので．第（１）式の右辺にさらにホイール角運ｗＪ量の
積分関数の項を加えて．効率がよくかつ信頼性のある磁
気によるアンローディングを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明にかかわる人工衛星の姿勢制御装＆は姿勢角検
出器のデータに基づきホイールを駆動して人工衛星の姿
勢を制御しつつ．外乱によって蓄積されるホイール角運
動量を人工衛星番こ搭載した磁気モーメント発生器と地
球磁場との干渉による外部トルクを使って減少させるよ
うにするものである。

〔作用〕

この発明においては．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
最小にするように磁気モーメント発生器を制御する制御
則と従来の第（１）式で表わされる制御則を混付併用す
ることにより．アンローディングに必要な発生磁気モー
メントを減少させるとともに，既に笑証されている制御
則でホイールの山気アンローディングを可能にする。

〔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１図はこの発明の一実施例を示すもので、第１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Ｘ軸（ロール軸ともいう）。

（３）は人工衛星本体（１１に固定されたＹ軸（ピッチ
軸ともい５　）　、　（４１は人工衛星本体（１）に固
定された２軸（ヨー軸ともいう）、（５１）″Ｓロール
ホイール、（６）はピッチホイール、　（７１に２ヨー
ホイール、　（８１に！ロール磁気モーフット発生器、
（９）はピッチ磁気モーメント発生器、（１１はヨー磁
気モーメント発生器、αＤは第１の姿勢角検出器である
地球センサ、住２は第２の姿勢角検出器である太陽セン
サ、０３＆ゴ演算器を含むホイール制御計算用データ処
理器、α４は演算器を含む磁気モーメント発生器制御計
算用データ処理器、αりはロール磁気検出器、（１ｅは
ピッチ磁気検出器、住ηはヨー磁気検出器でおる。

第２図は第１図の構成機器間の信号の流れを示すもので
める。

人工衛星の三軸姿勢制御は、姿勢角検出器住り。

α２の検出信号をホイール制御計算用データ処理器αＪ
に入力し、比例微分制御則によりロールホイール（５）
、ピッチホイール（６）、ヨーホイール（７）の駆動信
号を計算し、ロールホイール（５）、ビッチホイーＡ１
６１．　　ヨーホイール（７）の回転数を制御すること
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。

Ｈ＋ΩＸＨ＝ＴＩ＋Ｔ２　　　　　　　（３）第（３１
式において、Ｈはロールホイール（５１，ピッチホイー
ル（６）、ヨーホイール（７）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軸成分からなる
ベクトル、Ωは人工衛星本体（１）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７ｊＸ笑
行さｎている時は、Ｙ＠酸成分軌道角速度の大きさで、
Ｘ軸、　ｚｒｑｎは零である定数ベクトルに一致してい
る。Ｔ１はロール磁気モーメント発生器（８）、ピッチ
磁気モーメント発生器〈９）、ヨー磁気モーメント発生
器ａ１によって発生された磁気モーメントと地球磁場と
の干渉により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は外乱トルクの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＝ＭＸＢ　　　　　　　　　　　　（４）第（４１
式において１Ｍはロール磁気モーメント発生器（８１，
ピッチ磁気モーメント発生器（９）、ヨー磁気モーメン
ト発生器αＣの発生する磁気モーメントのＸ軸、Ｙ軸、
ＺｎＰ２分からなるベクトル、Ｂはロール磁気検出器（
へ）、ピッチ磁気検出器μ０．ヨー磁気検出器αη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
度を磁気モーメント発生器制御計算用データ処理器α４
の中で平均して求めた地球磁場の強度のＸ￥ｉｌｌ、　
Ｙ軸、２軸取分からなるベクトルである。

第（３）式、第（４１式を整理すると久の線型微分方程
式が容易に導き出せる。

Ｈ＝ＡＨ＋０Ｍ　　＋　Ｔ２　　　　　　　　　　　　
ｆ５１第（５１式において、Ａ及びＣはいずちも３行３
列行列であり１行列の要素は定数及び人工衛星の軌道周
期’ｒ（、ＩＺ）周期関数からなる。

ここで１次の式で示されるようにホイール角運動量Ｈと
発生磁気モーメントＭの微分ｉｉＭとの重み付き二乗和
の時間積分をＪとおく。

第（６）式において、　　ｔｏはアンローディングを開
始する時刻、Ｑ及びＲはいずれも３行３列定数行列でか
つ圧定対称行列とする。

アンローディングは、出来る限り小さな磁気モーメント
を発生させ、ホイール角運動量の変動幅をホイール最高
回転数から定まる上限角運動量以内に保つことができれ
ば最も好ましい。このためには９行列Ｑ及びＲに適切な
重み付けを行ない第（６）式の評ｆｌｆｆｉ関数Ｊを最
小にするように発生磁気モーメントＭを制御すれば良い
。

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ｉΩを用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（５１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
一定のずれ〕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（
５１式が可制御である侍所けて制御量としての発生磁気
モーメントＭｌは次式の微分方程式の解として表わされ
る。

Ｍ１＝　Ｋ４Ｈ十に２Ｍ１（７１ 第（７）式において、　　Ｋｌおよびに２は３行３列行
列で、Ａ、Ｃ，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ＴＱの周期関数となる。

従って、ロール磁気検出器（至）、ピッチ磁気検出器（
１［１，ヨー磁気検出器αη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（１４１の中に記
憶させておいた地球磁場強度ベクトルにもとづいて、磁
・気モーメント発生器制御計算用データ処理器α尋の記
憶素子ｌこ行列ＫＩ　＊　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（５）、ピッチホイー
ル（６）、ヨーホイール（７）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
程式を計算してＭｌを求めることにより、第（１）式と
組合せて１発生磁気モーメントＭを次式で定める。

Ｍ＝λＫ（ＢＸＨ）＋（１−λ）Ｍｌ（８１第（８）式
において、λは０以上１以下の実数であり、第（１）式
の制御則と第（７）式の制御則の混合併用比を規定する
。

第（８１式の計算を磁気モーメント発生器制御計算用デ
ータ処理器α４の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（８）、ピッチ磁気モーメン
ト発生器（９）、ヨー磁気モーメント発生器α〔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（８）、ピッチ磁気モーメント
発生器（９）、ヨー磁気モーメント発生器α値を制御す
ることにより１発生磁気モーメントを減少させるととも
に従来の磁気アンローディングを兼ねた制御が可能にな
る。

〔発明の効果〕

以上述べたようにこの発明によれば、磁気モーメント発
生器と演算器を含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制御則と従来の制
御則との混合併用による磁気アンローディングが可能に
なり、磁気モーメント発生器の必要電力の減少と容量の
不必要な増加の抑制及び従来の実証された制御則使用に
よる信頼性の増加という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による人工衛星の姿勢制御装置を説明
する几めの図、第２図は第１図に示す構成機器間の接続
および信号の流ｎを示す図、第３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である。 図ＩＣオイテ、　＜１０”！人工衛星本体、　（２１１
Ｓ　）１．　＋３１はＹ軸、（４）はｚ軸、（５）はロ
ールホイール、（６）はピッチホイール、（７）はヨー
ホイール、（８）はロール磁気モーメント発生器、（９
）はピッチ磁気モーメント発生器、　Ｑｌはヨー磁気モ
ーメント発生器、αυは地球センサ、ａのは太陽センサ
、αＪ、ｏ←ｔデータ処理器、αＳはロール磁気検出器
、　（ＩＥＱはピッチ磁気検出ｉ、　（ｌηはヨー磁気
検出器、α秒はホイール、ａ９は磁気モーメント発生器
、囚は姿勢角検出器、　ａｌｌは磁気検出器である。 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
   よっ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。