JP2001270499A - スラスタ増強による磁気トルク発生器制御 - Google Patents

スラスタ増強による磁気トルク発生器制御

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JP2001270499A JP2001036610A JP2001036610A JP2001270499A JP 2001270499 A JP2001270499 A JP 2001270499A JP 2001036610 A JP2001036610 A JP 2001036610A JP 2001036610 A JP2001036610 A JP 2001036610A JP 2001270499 A JP2001270499 A JP 2001270499A
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yaw
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torque generator
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Thomas J Holmes
ジェイ． ホームズ トーマス
David Cielaszyk
シーラズィック デイビッド
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    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】人工衛星におけるヨー及びロールの偏倚を制御
する装置及び方法の提供。 【解決手段】衛星上の制御モジュールは該出力入力を受
信し、最小ヨー角誤差及びロールスラスタ噴射ヨー角制
御器ゲインと、最小ヨー角誤差及びロールスラスタ噴射
ヨー角運動量制御器ゲインとを該出力信号に合成して指
令信号を生成する。この場合、該指令信号が不感帯内に
ある時に該磁気トルク発生器の動作を指令してロール角
運動量を変化せしめるか、又は前記不感帯の閾値が越え
られた時に磁気トルク発生器及びロールスラスタの動作
を指令してロール角運動量を変化せしめる。これらを行
うことによりヨー姿勢及びヨー偏倚が制御される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】本発明は軌道周回する衛星の制御に関
し、特に太陽輻射圧トルク及びスラスタ噴射を原因とす
る衛星のヨー及びロールの偏倚（excursion）の制御に
関し、とりわけ衛星に与えられる外部トルクが予期され
る以上である場合に太陽輻射圧トルクに対する磁気トル
ク発生器の統御能力をスラスタの利用により増強するこ
とに関する。
【０００２】
【従来の技術】人工通信衛星の如き地球を軌道周回する
衛星にはピッチ角、ヨー角及びロール角の過剰な動きを
最小限とする方向制御が求められる。この過剰な動きは
衛星の適正な軌道への保持に影響を与え、地上の受信局
に送信される信号の受領を保証する適正な方向への指向
化に干渉を与えるはずである。多様なシステムが衛星に
備えられ、かかる制御がモーメンタムホイール、スラス
タ、磁気トルク発生器、ヨー軸とロール軸とピッチ軸と
の各センサを用いてなされる。例えば、１つのかかる制
御システムは、設定されたヨー軸方向を漂動（ドリフ
ト）から守るために角運動量バイアスを用いる。しか
し、衛星は定常的に太陽輻射圧トルク及びスラスタ噴射
の如き、ヨー軸の所望方向からの変動及び方向許容範囲
を越えた変動の原因となる因子からの外乱を被る。この
問題に対処する現行のアプローチは、ヨー軸センサと磁
気トルク発生器との組み合わせを用いて所望のヨー軸方
向を維持することである。
【０００３】あいにく地球磁場には変動が存在し、事
実、地球磁場は場合によっては消失し、磁気トルク発生
器の効果を弱める或いは全体として無効にする場合さえ
ある。更に衛星には磁気トルク発生器の能力に影響を与
える外乱が通常存在する。例えば、磁気トルク発生器と
太陽輻射圧トルク及びＢ場（B-Field）、即ち地球磁場
との間では反作用があることが知られている。既知のシ
ステムの他の欠点としては、衛星によりマヌーバが実行
された時に衛星が太陽輻射圧トルク或いはＢ場異常とし
てコンピュータにより検出されるトルク外乱を通常被る
ことである。オンボードコンピュータの指令に基づく磁
気トルク発生器の過剰な修正動作を避けるために、磁気
トルク発生器を一時的に停止するか、或いは何回か延長
期間に亘ってこれを停止することが通常必要となる。
【０００４】本発明が想到され実施化されたのは、かか
る技術状況の知見によるものである。本発明により実施
される動作及び展開概念は、上記に示された全ての装置
とは異なるものである。
【０００５】
【発明の概要】本発明は、磁気トルク発生器、ロールス
ラスタ、モーメンタムホイール、ホイール制御器、地球
センサ、及びデジタル積分レートアセンブリ（ＤＩＲ
Ａ）を含む搭載構成品を有する衛星におけるヨー及びロ
ールの偏倚を制御する装置及び方法に関する。衛星上の
観測モジュールは、該地球センサからのバイアス分を含
まないロール各誤差と、該ホイール速度から測定される
ヨー角運動量、該ホイール制御器から指令されるヨー及
びピッチ角運動量出力とからなる情報を含む入力を受信
して、ヨー角推定量、ヨー角運動量推定量及びトルク外
乱推定量の指標となる出力信号を発生する。衛星上の制
御モジュールは、該出力信号を受信して、最小ヨー角誤
差及びロールスラスタ噴射ヨー角制御器ゲインと、最小
ヨー角誤差及びロールスラスタ噴射ヨー角運動量制御器
ゲインとを該出力信号に合成して指令信号を生成し、該
指令信号が不感帯内にある時に磁気トルク発生器の動作
を指令してロール角運動量を変化せしめるか、又は不感
帯の閾値が越えられた時に磁気トルク発生器及びロール
スラスタの動作を指令してロール角運動量を変化せしめ
る。これらを行うことにより、ヨー姿勢及びヨー偏倚が
制御される。
【０００６】本発明の主要な特徴は、磁気トルク発生器
及びスラスタが同時にアクティブ制御される衛星制御シ
ステムを提供することである。既知の従来技術を越える
本発明によるシステムの利点は次の諸点を含む。 （１）本システムは予期される角運動量外乱より大きい
角運動量を統御する。 （２）本システムは磁気トルク発生器の機能不全による
各運動量を統御する。
【０００７】（３）本システムは磁気嵐の間を通して角
運動量を統御する。 （４）本システムはスラスタアンロードの間を通して動
作できる。 （５）本システムは東西静止保持マヌーバの間を通して
動作できる。 （６）本システムは南北静止保持マヌーバの間を通して
動作できる。 （７）本システムは燃料揺動による角運動量シフトの間
を通して動作できる。
【０００８】（８）本システムは初期の軌道上での気体
排出イベントの間を通して動作できる。 （９）本システムは環境を緩和する上でスラスタを噴射
するだけである。 （１０）本システムは操作者の介入無しにスラスタを噴
射する。 （１１）本システムは磁気トルク発生器によりホイール
速度流出 (run off)を統御する。
【０００９】本発明のその他及び更なる特徴、優位性及
び利点が以降の図面と共に得られる引き続く記載におい
て明らかとなる。前述の概要及び引き続く詳細な説明は
例示的且つ説明のためのものであり本発明を制限するも
のではないことは理解されるべきである。組み込まれ且
つ本発明の一部をなす添付の図面は本発明の実施例の１
つを示し、本記載と共に一般技術用語にて本発明の原理
を説明するものである。ここで、同じ参照番号は同じ構
成要素を参照している。
【００１０】
【実施例の詳細な説明】ここで図面を参照すると、最初
に図１は本発明を実施する地球周回する衛星２０を概略
示している。通信衛星の如き地球周回衛星と、地上観測
により監視及び指令が行われるオンボードシステムとが
備えられ、Ｘ（ロール）軸、Ｙ（ピッチ）軸及びＺ（ヨ
ー）軸廻りに各々関するピッチ角、ロール角及びヨー角
において衛星の方向制御がなされる。これらのオンボー
ドシステムは、衛星を適正な軌道に維持し、地球設営の
受信局に向けて送信される信号の受領を最大化する所望
の方向に衛星を方向制御する。通常のシステムは、方向
検出部品と、磁気トルク発生器２２、２４、モーメンタ
ムホイール２６、２８、３０及びスラスタ３２、３４を
含む方向調整手段とを含み、これらは太陽輻射圧トル
ク、スラスタ噴射、燃料移動及びその他からの外力を原
因とする望ましくない角運動量を改める又はアンロード
する。
【００１１】図２は、本発明の方法、即ちスラスタ制御
により磁気トルク発生器を増強するプロセスを示してい
るフロー図である。その入力は以下の通りである。 （１）ｈｚｃ：ホイール制御ループからのｈｚコマンド （２）ｈｚ：ホイール速度から導かれるホイールにおけ
るヨー角運動量 （３）ｈｙ：ホイール速度から導かれるホイールにおけ
るピッチ角運動量 （４）ロール角誤差：ジャイロ、地球センサ又はスター
トラッカー（star tracker）からの衛星ロール角誤差 （５）ヨー角速度：入手可能な場合のジャイロからの衛
星ヨー角速度 （６）トルク：太陽輻射圧トルク発生器と、スラスタ噴
射及び磁気トルク発生器出力からの予測応答とからの合
計トルク 本発明によるシステムを実現する１つの例は以下のよう
に実行される。即ち、観測器モジュールが上記の入力に
より修正される衛星の運動方程式を用いて衛星のヨー角
及びその角運動量を推定する。観測器モジュールにおい
て用いられる線形化された衛星運動方程式は以下のよう
に記述される。
【００１２】
【数４】
【００１３】ここで技術用語は以下の表１のように定義
される。
【００１４】
【表１】
【００１５】制御器（図２）が衛星運動方程式により確
立される推定量に１組の安定化されたゲインを適用して
トルク発生器及びスラスタからのデマンドを供する。ノ
ーマル運用の下では、トルク発生器は衛星の角運動量を
維持し、スラスタに対するデマンドが適正な修正を求め
る信号の不感帯内にあるので該スラスタはアイドル状態
にあって何ら噴射コマンドは発効されない。
【００１６】しかし、異常状態の下では、アンロードデ
マンドが不感帯の閾値を越え、該スラスタ噴射が該衛星
の角運動量をトルク発生器が動作不能なノミナル（nomi
nal）の運用条件内に戻す。該トルク発生器は、観測モ
ジュールがアンロードを捕捉することからこれらスラス
タ噴射の際にでさえ動作を継続する。これは軌道マヌー
バは観測手段が停止されることを要求しないことであ
り，これは観測手段がスラスタの継続的なアクティビテ
ィを考慮にいれるからである。通常、ジャイロはマヌー
バ間において利用可能であり、予測されるスラスタ動作
に修正を与える。ジャイロは、又、磁気トルク発生器が
マヌーバに続く残余燃料の揺動による角運動量の変換時
の間も動作を継続することを可能とする。従来技術は磁
気トルク発生器の動作が姿勢変更マヌーバに続く２日間
迄は遮断されるべきことを通常要求する。本発明は、角
運動量統御がマヌーバ後も同時に継続することを可能と
する。
【００１７】ここで、「不感帯」の用語は単純な一定閾
値に比べた姿勢角を意味するが、この定義はまたより複
雑な形態を含む。例えば、姿勢角が照合される代わり
に、姿勢角及び姿勢角速度の重み付け二乗和の値が照合
され得る。他の例では、単純な一定閾値をシュミットト
リガの場合の如きより複雑な閾値で置き換えられる。本
発明による好ましい実施例が詳細に開示された。本明細
書及び添付の請求項の記載により示された本発明の範囲
から逸脱することなく多様な他の改変が図示の実施例に
対してなされ得ることは当業者により理解されるべきで
ある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する地球周回衛星を概略示してい
る斜視図である。
【図２】本発明の方法、即ちスラスタ制御により磁気ト
ルク発生器を増強する方法を概略示しているフロー図で
ある。
【符号の説明】
２０ 衛星 ２２、２４ 磁気トルク発生器 ２６、２８、３０ モーメンタムホイール ３２、３４ スラスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デイビッド シーラズィック アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94043 マウンテンビュー ボニーストリ ート 191

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】磁気トルク発生器、ロールスラスタ、モー
    メンタムホイール、ホイール制御器、地球センサ、及び
    デジタル積分レートアセンブリ（ＤＩＲＡ）を含む搭載
    構成品を有する衛星におけるヨー及びロール偏倚を制御
    する装置であって、 前記地球センサからのロール角誤差と前記ホイール速度
    から測定されるヨー角運動量とからなる情報を含む入力
    を受信する衛星上の観測手段と、 前記入力の信号を受信して指令信号を発生する制御手段
    であり、前記指令信号が不感帯内にある時に前記磁気ト
    ルク発生器の動作を指令して前記ロール角運動量を変化
    せしめるか、又は前記不感帯の閾値が越えられた時に前
    記磁気トルク発生器及び前記ロールスラスタの動作を指
    令してロール角運動量を変化せしめることによりヨー姿
    勢及びヨー偏倚を制御する衛星上の制御手段と、 を含むことを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の装置であって、前記観測
    手段が、前記ＤＩＲＡからのヨー角速度の指標となる情
    報が入手可能な場合にこれを含む入力を受信する手段を
    更に含むことを特徴とする装置。
  3. 【請求項３】請求項１に記載の装置であって、ロール角
    及びヨー角運動量変化の指標となる前記入力を前記観測
    手段に提供する手段を含み、 前記入力が、太陽輻射圧トルクと、スラスタ噴射及び磁
    気トルク発生器出力からの予測応答とに起因するロール
    角及びヨー角運動量の変化の指標であることを特徴とす
    る装置。
  4. 【請求項４】請求項１に記載の装置であって、前記観測
    手段が次に示す衛星の運動方程式を用いた修正を施して
    前記出力信号を提供し、該用語が表１において定義され
    ることを特徴とする装置。 【数１】
  5. 【請求項５】磁気トルク発生器、ロールスラスタ、モー
    メンタムホイール、ホイール制御器、地球センサ、及び
    デジタル積分レートアセンブリ（ＤＩＲＡ）を含む搭載
    構成品を有する衛星におけるヨー及びロール偏倚を制御
    する方法であって、 前記地球センサからのロール角誤差と前記ホイール速度
    からのヨー角及びピッチ角運動量とからなる情報を含む
    入力信号を受信するステップと、 前記入力信号から指令信号を生成するステップであり、
    前記指令信号が不感帯内にある時に前記磁気トルク発生
    器の動作を指令してロール角運動量を変化せしめるか、
    又は前記不感帯の閾値が越えられた時に前記磁気トルク
    発生器及び前記ロールスラスタの動作を指令してロール
    角運動量を変化せしめることによりヨー姿勢及びヨー偏
    倚を制御するステップと、 を含むことを特徴とする方法。
  6. 【請求項６】請求項５に記載の方法であって、前記入力
    信号が前記ＤＩＲＡからのヨー角速度の指標となる情報
    が入手可能な場合にこれを含む信号を含むことを特徴と
    する方法。
  7. 【請求項７】請求項５に記載の方法であって、 前記入力が、太陽輻射圧トルクと、スラスタ噴射及び磁
    気トルク発生器の出力からの予測応答とに起因するロー
    ル軸及びヨー角運動量を変化の指標となる情報を含むこ
    とを特徴とする方法。
  8. 【請求項８】請求項５に記載の方法であって、前記入力
    信号が次に示す衛星の運動方程式を用いて修正を施し、
    該用語が表１において定義されることを特徴とする方
    法。 【数２】
  9. 【請求項９】磁気トルク発生器、ロールスラスタ、モー
    メンタムホイール、ホイール制御器、地球センサ、及び
    デジタル積分レートアセンブリ（ＤＩＲＡ）を含む搭載
    構成品を有する衛星におけるヨー及びロール偏倚を制御
    するシステムであって、 太陽輻射圧トルク又はスラスタ噴射に起因するロール及
    びヨー角運動量変化の指標となる入力信号を発生する前
    記衛星上の手段と、 前記地球センサからのバイアス分を含まないロール角誤
    差と、前記ホイール速度から測定されるヨー角及びピッ
    チ角運動量とからなる情報を含む前記入力信号を受信す
    る衛星上の観測手段と、 前記入力信号を受信して指令信号を生成する制御手段で
    あり、前記指令信号が不感帯内にある時に前記磁気トル
    ク発生器の動作を指令してロール角運動量を変化せしめ
    るか、又は前記不感帯の閾値が越えられた時に前記磁気
    トルク発生器及び前記ロールスラスタの動作を指令して
    ロール角運動量を変化せしめることにより、ヨー姿勢及
    びヨー偏倚を制御する衛星上の制御器手段と、 を含むことを特徴とするシステム。
  10. 【請求項１０】請求項９に記載のシステムであって、前
    記観測手段が次に示す衛星の運動方程式を用いた修正を
    施して前記出力信号を提供し、該用語が表１において定
    義されることを特徴とするシステム。 【数３】
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