JPH035360B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、ピツチ軸およびスピン軸と平行に
角運動量バイアスの与えられた軌道周回人工衛星
の姿勢制御装置に関するものであり、特に閉ルー
プ・サーボ制御系によつて地球磁場と相互に作用
して上記人工衛星のロール軸を中心とする回転を
生じさせる制御トルクを発生させて、ロール軸お
よびヨー軸を中心とする姿勢のずれを修正するこ
とのできる姿勢制御装置に関するものである。 従来の技術の説明 安定化された軌道を回る人工衛星は、その軌道
に対する所望の方向あるいは位置からずれを生じ
たとき、その姿勢ずれを修正するための手段を必
要とする。 スピンによつて姿勢が安定化された人工衛星に
磁気的にトルクを与えることは知られている。こ
れらの磁気的にトルクを与える方式は、コイルあ
るいは電磁石のようなトルク発生手段（以下では
磁気的トルク発生手段と称す）による磁場を用い
て地球の磁場と相互作用を行なわせ、トルクを発
生させ、これがこの技術分野で知られているよう
に、トルクを与える時間とトルク発生のための磁
束の量に比例して人工衛星の基準軸の位置を修正
する。既知の方式は、所望の磁気的トルク付与動
作を行なわせるために地上から制御指令信号を人
工衛星に伝達させることが必要である。周知方式
の１つ、すなわち、米国航空宇宙局（NASA）
によつて運用されているタイロス（TIROS）の
名で知られる一連の人工衛星では、人工衛星に搭
載されている時計が予めセツト（設定）されたス
ケジユール（時間表）にしたがつて、人工衛星の
打上げ前に予想される姿勢誤差に応じて磁気的ト
ルク付与装置の動作を制御するための時間信号を
発生する。 別の周知方式では、人工衛星の姿勢を表わす信
号を発生する感知装置がその人工衛星に備えられ
ている。この感知器の信号情報が処理されて地上
局へ伝達され、つぎにこの地上局は生じているか
もしれない異常を修正するために、人工衛星の運
動を指示するための所要の指令すなわち制御信号
を与える。この姿勢を変更するための指令信号
は、所要のトルクを与えるために、姿勢制御装置
のどれかを働かせることができる。ここに述べた
これらの方式はいずれもこの分野では「開ルー
プ」制御方式として知られている。 上に述べたような開ループ制御方式に伴う問題
は、人工衛星の位置に対して地球の磁場が適切な
位置関係をとる軌道部分に人工衛星があるときに
修正指令信号を有効状態にしなければならないと
いう点にある。与えられたあるいは知られている
姿勢誤差を修正するために、適切な磁気トルクを
働かせるためには、トルク付与装置によつて与え
られる制御トルクの位相が地球の磁場極性と適切
な位相関係にある必要がある。これまでこのよう
な磁気トルク付与動作を行なわせるための方法
は、制御ループ中に地上局の指令を必要とした。
このような開ループ方式の不利な点は、制御ルー
プを構成する要素の１つである地上局において人
工衛星からの信号を解読し、適切でかつタイムリ
ーな指令信号を与えなければならないにも拘ら
ず、地上局員による修正動作の遅れが存在するこ
とである。この遅れによつて、もし人工衛星が地
球磁場内の適切な位置をとつたとしたときにはし
ばしば行ない得るような良好な姿勢修正を得るこ
とが困難となる可能性がある。また姿勢修正に従
事する局員を持つ地上局の運用費用も開ループ制
御方式にとつて不利な点である。 この発明による軌道周回人工衛星の姿勢制御装
置は、一例として後程詳細に説明する実施例につ
いて言えば、ピツチ軸３およびスピン軸１２と平
行に角運動量ベクトルＨが与えられており、その
角運動量ベクトルが軌道面に対する法線と一致す
るように維持されるべき人工衛星の姿勢を制御す
るものである。そして、この発明による軌道周回
人工衛星は、選ばれた所望の姿勢からの当該人工
衛星のロール軸２を中心とする姿勢のずれすなわ
ちロール誤差および選ばれた姿勢からの当該人工
衛星のヨー軸１を中心とする姿勢のずれすなわち
ヨー誤差の双方を修正することのできる自動閉ル
ープ・サーボ制御系（第２図の回路全体）を有し
ている。ここで、人工衛星が上記の所望の姿勢に
あるときは、上記ロール軸２は人工衛星の軌道速
度ベクトル２３ａと一致し、ヨー軸１は基準鉛直
線となる地方垂直線（（local vertisal）、以下で
は基準鉛直線と称す）２２ａと一致している。 上記自動閉ループ・サーボ制御系はロール誤差
感知回路（第２図の２２，２４乃至３４，３６）
からの信号を受信し、上記ロール誤差感知回路は
上記選ばれた所望の姿勢からの上記ロール軸を中
心とする人工衛星の地球に対する角度のずれすな
わちロール誤差を表わす誤差信号５２を生成する
ための信号３８，４０を発生する。また、上記自
動閉ループ・サーボ制御系は、地球磁場７８と相
互に作用して当該人工衛星の上記ロール誤差２を
中心とする回転を与える制御トルクを発生させる
磁気がダイポールを発生させるための磁気トルク
発生器９４を具備している。 この発明による人工衛星の制御装置は、さらに
ヨー軸１を所望の基準鉛直線２２ａに向かうよう
にするために、前述のロール誤差のみからなる誤
差信号に応答して上記磁気トルク発生器９４を付
勢する付勢回路５４，５８，５９等を具備してい
る。 以下、図示の実施例を参照しつつこの発明を詳
細に説明する。 第１ａ図において、１０は任意適当なあるいは
所望の形状の宇宙船あるいは人工衛星のような物
体（宇宙航行体）である。質量の中心から３本の
互い直交する軸１，２および３が伸びており、こ
れらはそれぞれいわゆるヨー（yaw）軸、ロール
（roll）軸、ピツチ（pitch）軸に相当するもので
ある。 ピツチ軸３は、人工衛星１０が正しい姿勢を保
つてその意図された使命を果たしつつあるとき、
総角運動量ベクトルＨと同一線上にあるものと仮
定した当該人工衛星１０の軸として定義される。
ピツチ軸３はスピン軸１２と平行であり、このス
ピン軸１２を中心として運動量論（momentum
wheel）１４が回転させられている。符号上の慣
習は、第１ａ図に示されるピツチ軸は正であり、
角運動量ベクトルＨの正の方向にある。この分野
での普通の習慣にしたがつて、この人工衛星１０
が保持する上記の角運動量は、ピツチ軸３を中心
とし、角速度ω₃を表わす矢印１６の方向に沿つ
て図示のようにこの人工衛星１０を当該ピツチ軸
のまわりに時計回りに自転させることと等価であ
る。ヨー軸とロール軸は互いに垂直であり、かつ
ピツチ軸と直交している。通常の習慣にしたがつ
て定義され、また以下で用いられるこの軸系は、
１−２−３の順に、右回りである。ここでは、と
きとして軸３がピツチ軸またはスピン（自動）軸
とも呼ばれることに注意すべきである。軸３は運
動量輪１４の軸１２と平行である。 運動の法則にしたがつて、この人工衛星１０
は、質量の中心２０の第１の（並進
translational）運動と、その質量中心２０のまわ
りの人工衛星１０の第２の運動を持つている。質
量中心２０のまわりの運動はωで表わされ、これ
は習慣的に角速度ベクトルと呼ばれ、人工衛星１
０の回転させられる中心となる線に沿つて質量中
心２０を通つて示される。このベクトルの長さ
は、これを中心として回転する人工衛星１０の角
速度の大きさに比例する。角速度ベクトルにつけ
た矢印１６の頭は、図示のように、その線を中心
とする回転の向きすなわちこの場合は時計回りの
向きを示す。ヨー軸１、ロール軸２につけた矢印
１８，１７の頭も同様に各軸を中心とする回転の
向きを示す。 この発明の１つの実施例の説明の目的で、角運
動量ベクトルＨは、ピツチ軸３と同一線上にある
ものとする。さらに、このピツチ軸は人工衛星の
軌道面に垂直である。 角運動量を持つた状態で軌道を回る人工衛星
は、第２図に示すように、地上局からの制御指令
を必要としない閉ループ・サーボ制御系内の通常
の磁気トルク発生器すなわちトルク付与装置９
４、感知器２２，２４、および両者の間を結合す
る電子回路を含むこの発明による自動制御手段を
用いて、角運動量ベクトルＨ（第１図）で定義さ
れる方向が軌道法線と１線となるように向きを制
御することができる。 次に第１ｂ図に、この発明の１つの形態を理解
するための説明に用いられる幾つかのパラメータ
の線図が示されている。第１ａ図について上述さ
れた軸１，２および３は第１ｂ図においてもそれ
ぞれ対応する位置をもつて示され、これらの軸が
前述の軸と同じものであることが理解されよう。
基準鉛直線ベクトル２２ａの方向は、人工衛星の
ヨー軸１の向きを与えるための所望の基準方向と
同一線上にある。ベクトル２４ａは、この人工衛
星の軌道面に垂直の方向を示す。ベクトル２６ａ
は、人工衛星が軌道座標２２ａ，２４ａおよび２
３ａに対してヨー軸を中心とする角Ψ（psi）の回
転とロール軸を中心とする角φ（phi）の回転を持
ち、ピツチ軸を中心とする回転を持たない場合の
ヨー軸の位置を表わしている。ベクトル２８ａは
同様に、ヨー軸を中心とする角Ψの回転とロール
軸を中心とする角φの回転を持ちピツチ軸を中心
とする回転を持たないときのロール軸の位置を表
わす。いくつかのベクトルと方向によつて示され
ているこれらの角は、次のように定義される。 θ_pは人工衛星のピツチ誤差であり、ピツチ軸と
基準鉛直線２２ａで形成される平面とヨー軸との
間の角と定義される。 φは人工衛星のロール角であり、軌道に対する
法線２４ａと速度ベクトル２３ａで形成される平
面とピツチ軸との間の角と定義される。 Ψは人工衛星ヨー角であり、ピツチ軸３と基準
鉛直線２２ａで定義される平面と軌道法線２４ａ
との間の角と定義される。 この発明で行なわれることは、スピンしている
人工衛星の性質に依存するもので、この人工衛星
は本質的にジヤイロスコープである。ジヤイロス
コープ的に姿勢が安定された人工衛星の性質の１
つは、故意にトルクが与えられなければ、空間に
おけるそのスピン軸の方向が動けないということ
である。 スピンによつて方向が定められた人工衛星は、
慣性空間（見掛けの相対位置が変らない恒星を基
準とする標準座標）に関して一定の姿勢を保つて
地球を中心とする軌道を周回するから、軌道を周
回する間にロール誤差とヨー誤差とが正弦曲線的
に相互に交替し、軌道の1/4周回毎に上記ロール
誤差とヨー誤差とは完全に入れ替わる。従つて、
ロール誤差のみを検出して、検出されたロール誤
差の大きさ、方向に基いてそのロール誤差を修正
することにより、基準鉛直線２２ａに沿つて地球
の方向を向いていて最も測定困難なヨー軸の誤
差、つまりヨー誤差を直接測定することなく、最
終的には人工衛星の姿勢をそのピツチ軸（スピン
軸）が所定の方向（例えば軌道面に垂直な方向）
を向くように修正することができる。 この発明では、ロール誤差が、以下で述べるよ
うに閉ループ・サーボ制御系の制御入力パラメー
タとして利用される。 第２図は、この発明を示す目的で選ばれた閉ル
ープ・サーボ制御回路のブロツク線図である。人
工衛星１０の運動量輪（モーメンタムホイールす
なわちフライホイール）１４上に適当に設けられ
た１対の感知器２２と２４は、運動量輪１４上に
取付けられていて、回転による走査ごとに地球の
表面を見るために、好ましくは赤外線の範囲にあ
る光エネルギーに応答するように方向付けされて
いる。 人工衛星１０は、ここに示されているような２
重スピン（dual−spin）型のものでも、あるいは
図示されていないが、この分野では周知のスピニ
ング（spinning）型のものでもよい。スピニンン
グ型の人工衛星に対しては、人工衛星の姿勢を感
知するために感知器が適当に取付けられる。 感知器２２，２４からの信号出力は前置増幅器
２６と２８によつて増幅されて波形３０と３２と
なり、これらが、１対のしきい検出器３４と３６
へ与えられる。しきい検出器３４，３６で発生さ
れる出力信号は波形３８と４０で示されている。
信号３８と４０が地球時（earth time）検出器
４２と４４へ与えられる。地球時検出器４２と４
４は、それぞれの感知器が地球を見ている時間を
決定する。任意の適当な積分器または計数器がこ
の機能を果たす。この地球を見ている時間を表わ
す信号は、それぞれの検出器４２と４４の出力部
に形成されるパルス４６と４８によつて表わされ
る。パルス４６と４８が誤差検出器５０を備える
論理検出器回路に与えられる。これによつて感知
器２２と２４の出力信号の差からロール誤差を表
わすパルス５２が発生される。 姿勢感知器は、この分野で周知の任意の適当な
方法で配置することができる。代表的なものとし
て、人工衛星が正しい姿勢を保つているとき、１
対の感知器が基準鉛直線２２を挟んで60゜をなす
「Ｖ」字形態で地表を眺め、この感知器の光学軸
が地平線から地表線まで地球１１１上に描く線１
１０と１１２が第３ｂ図に示されたものとなるよ
うに配置されている。運動量輪にとりつけられた
第１感知器と第２感知器の軸は第３ａ図に示され
るように円錐１１４と１１６を描き、これに対し
て関係付けて人工衛星の軸が示されている。第３
ｂ図の点１１８は地球表面上への人工衛星の投影
であつて、時として天底（nadir）Ｎとも呼ばれ
る。 ロール誤差が存在しないときは、各感知器によ
る地球上の走査線１１０，１１２は上述の第３ｂ
図に示すように天底Ｎを中心として対象で、地球
１１１の走査時間は等しくなる。ロール誤差が存
在すると、各感知器による地球上の走査線１１
０，１１２は第３ｃ図に示すように天底Ｎを中心
として左右いずれかの方向にずれ、地球１１１の
走査時間は異なる。後程、第４図でさらに詳しく
説明するように走査線１１１と１１２の地球１１
１を走査している時間差を検出することによりロ
ール誤差が検出される。 地球感知器２２と２４で検出される姿勢誤差
は、ロール軸２と軌道法線２４ａで形成される平
面と角運動量ベクトルＨ（前述のように角運動量
ベクトルＨはピツチ軸と同一線上にある）との間
の角度φ（第１ｂ図）を表わしている。ロールと
は、前述のように、速度ベクトル（第１ｂ図の２
３ａ）と軌道法線２４ａで形成される平面に関す
る人工衛星のロール軸の回転であることに注意す
べきである。第２図の波形５２のパルス持続時間
を測るために在来の構成をもつ計数器５４が設け
られている。たとえば、計数器５４は256KHzの
周波数（率）でクロツクパルスを発生しているク
ロツク５６のサイクル数を計数する。この計数値
は軌道法線２４ａに対する角運動量ベクトルＨの
ずれの大きさに正比例する。時間差が零である
か、この計数値がオーバフロー検出器５８によつ
て決定される特定の限界内にあるとき、トルク付
与装置９４はカツトオフ（cut−off）または消勢
される。トルク付与装置９４は一般にコイルまた
はループ状に巻回された電磁石からなる。 オーバフロー検出器５８は在来の一定パルス数
の度数計であつて、いつぱいになつたとき、論理
回路５９への入力の１つとなる１つの出力パルス
を発生する。検出器５０によつて誤差が決定され
ると、ピツチ軸３（第１ａ，１ｂ図）に平行に列
べられたトルク付与装置９４が付勢されて、以下
に述べるように人工衛星が地球磁場の適当な領域
内にあれば所要のトルク発生のためにピツチ軸方
向の磁束Ｍを発生させる。予め定められた最小値
より誤差が大きければ、電磁石を流れる電流の向
きは２つのパラメータによつて決定される。第１
のパラメータは誤差の向きであつて、これは誤差
感知器５１によつてどちらの感知器の出力が他方
より先行するかを示し、これがロール誤差の向き
を示す。誤差感知器５１は信号４６と４８を比較
する適当な位相検波器として働き、信号４６と４
８のどちらが先行するかを検出することにより、
上記のロール誤差の向きを示す。 第２のパラメータは上記誤差が検出された軌道
上の位置に関するものである。すなわち、人工衛
星１０が後程説明する第６図の領域７４にあると
き所定の方向のロール誤差が検出されると、例え
ば第６図の矢印８０に示す制御トルク・ベクトル
８０が発生される。人工衛星が軌道上を進行して
領域７６に達するまでに上記ロール誤差が領域７
４の中で修正されなければ、引続き姿勢制御操作
を続けなければならないが、この場合は人工衛星
１０は領域７６にあるから発生される制御トル
ク・ベクトルの方向を反転させなければならな
い。このため、人工衛星１０が領域７６にあると
きは、地球磁場ベクトル７８に対する人工衛星の
速度ベクトルの方向は、人工衛星が領域７４にあ
るときの速度ベクトルの方向と地球磁場ベクトル
７８の方向との関係と逆になる。その結果、ロー
ル誤差が０になる方向にロール軸を中心として人
工衛星を回転させるための局部発生磁束（ダイポ
ール）の方向を逆転させる必要がある。このダイ
ポールの方向（＋あるいは−）はクロツク９０ま
たは磁力計９６から得られる情報、すなわち上記
第２のパラメータに基く情報によつて決定され
る。 上記の点を第６図によつてさらに具体的に説明
する。第６図には、所要のロール誤差修正トルク
を与えるのに充分な大きさの地球磁場の得られる
軌道７２上の領域７４，７６を示している。これ
らの領域は地球の赤道面の近傍にある。 地球磁場ベクトル７８は、軌道面内にあるロー
ル誤差の修正運動を生じさせるために発生される
制御トルク・ベクトル８０と直交関係にある。逆
向きの修正は、図に示されたベクトル８０と逆向
きの制御トルクによつて行なわれる。人工衛星が
その軌道上を進むにしたがつて、例えば最も判り
易い形で云えば、人工衛星が地球の北極上を通過
するときそうであるように、基準鉛直線に対する
地球磁場の方向が変化するから、発生される制御
トルク・ベクトル８０の方向、特にロール誤差修
正用制御トルク・ベクトルの主成分が基準鉛直線
に沿うか否かを判断する必要がある。 人工衛星に搭載されている制御回路は、地球の
磁場が受入れ得る方向範囲内にあるかどうかを決
定する。この磁場条件の決定は２つの方法のうち
の何れかで行なうことができる。１つの方法は、
人工衛星が地球の赤道または軌道内のある既知の
基準によつて規定される平面と交叉するときリセ
ツトされるように構成された計数器とクロツクの
利用である。このような情報は、軌道上の人工衛
星の位置に対する地球の磁場に関する先験的な
（ａ priori）知識を必要とする。 地球の磁場の向きの決定のための第２の方法
は、人工衛星内に設けられた磁力計を利用するこ
とである。この分野で知られているように、磁力
は軌道上の人工衛星に対する地球磁場の方向と強
さを測定する。 先験的知識に基づく既知のデータによるにして
も、あるいは磁力計の直接表示によるにしても、
このようにして決定された情報を用いて、いつト
ルク付与装置を付勢すべきかということと共に、
前述のように所要のトルクの形成されるべき方向
が決定できる。 先験的知識を利用する方法に対しては、クロツ
ク９０が論理回路５９へ制御信号を与えて検出器
５８からの信号を適当な極性でゲートさせ、適切
な極性の磁束でトルク付与装置９４を付勢する。
地球磁場を直接感知する方法に対しては、クロツ
ク９０ではなく磁力計９２を介して論理回路５９
へ供給する。もし誤差が表示されれば、トルク装
置は所要のトルクを発生する。 第４図に１対の感知器２２，２４によつて発生
された代表的な一連の波形が示されている。波形
３０は第１感知器（第２図の２２）によつて発生
されたものであり、波形３２は第２感知器（第２
図の２４）によるものである。地球から空への不
連続性３３，３５，３７，３９の現われる部分で
波形上にしきいレベルが示されている。人工衛星
のロール軸を中心とする回転誤差つまりロール誤
差が０であると、感知器２２，２４が地球を走査
するときの走査線１１０，１１２は第３ｂ図に示
すように天底Ｎを中心として対称になり、波形３
０，３２の各不連続性３３と３７，３５と３９は
第４図ａに示すように同時に発生し、従つて波形
３０の不連続性３３と３５との間の時間と、波形
３２の不連続性３７と３９との間の時間は等しく
なる。ところがロール軸を中心とする回転誤差つ
まりロール誤差が存在すると、感知器２２，２４
が地球を走査するときの走査線１１０，１１２は
第３ｃ図に示すように天底Ｎを中心として非対称
になつて、走査線１１０が地球を走査する時間と
走査線１１２が地球を走査する時間は異なる。そ
れによつて、第４図ｂに示すように第１感知器に
よる波形３０の不連続性３３は第２感知器による
波形３２の不連続性３７よりも先に現われ、波形
３０の不連続性３３と３５との間の時間（第１感
知器２２が地球を見る時間T₁）は波形３２の不
連続性３７と３９との間の時間（第２感知器２４
が地球を見る時間T₂）と異なる。存在するロー
ル誤差の大きさを決定するために、上記の各「地
球を見る時間T₁、T₂」は地球時検出器４２，４
４によつて測定され、その時間に相当する持続時
間をもつた信号４６，４８が発生される。信号４
６と４８の持続時間は誤差検出器５０によつて比
較され、両信号の持続時間の差、従つてロール誤
差の大きさに対応する長さをもつた信号５２が発
生される。誤差感知器５１は誤差の方向を表わす
信号を発生する。 誤差検出器５０からの信号は計数器５４を動作
させてクロツク５６からのパルスを計数させ、そ
の出力をさらにオーバフロー検出器５８に加えて
ロール誤差が修正を要する大きさであるか否かを
判別する。ロール誤差が、修正を必要とする大き
さであるときは、オーバーフロー検出器５８はオ
ーバーフロー信号を発生し、このオーバーフロー
検出器を論理回路５９に対して修正命令信号とし
て供給する。論理回路５９はこの修正命令信号と
誤差検出器５１から供給される誤差の方向を表わ
す信号とを組合わせてトルク付与装置９４に対し
て＋トルクまたは−トルクを発生させるための信
号電流を供給する。トルク付与装置９４によつて
発生される磁気ダイポールまたは磁束は人工衛星
のピツチ軸と整列した方向であり、この磁気ダイ
ポールまたは磁束と地球磁場７８との相互作用に
よりロール誤差を減少させるための基準鉛直線方
向の制御トルクを発生させる。 次の表は、赤道面に対して84゜傾斜した200海里
（約370Km）の軌道上における人工衛星に対するこ
の発明による閉ループ・サーボ制御系の制御境界
条件を要約して示す。

【表】 この表によつて、人工衛星の進行方向に向つ
て見てロール軸の時計回りの回転を正とする、し
たがつて反時計回りの回転を負の誤差とする場合
に、ある＋ロール誤差に対して、軌道が黄道面と
交わる昇交点から測つて真近点離角の152゜から
208゜の間にある軌道部分について負の磁束場を形
成する電流を用いて磁気ダイポールを励磁するこ
とを示している。 軌道の同じ部分における負のロール誤差の修正
には正の磁束が必要である。332゜から28゜までの
軌道角にあつては、正のロール誤差に対しては正
のダイポール修正が、負の誤差に対しては負のダ
イポール修正が必要である。他の軌道に対する同
様の制御法則の表は、この分野の専門家にとつて
明らかであろう。 第５図はロール誤差あるいはヨー誤差があると
きのピツチ軸のずれを示す図である。同心円６
２，６４，６６，６８，７０は、ロール誤差ある
いはヨー誤差の存在するときに、ピツチ軸の延長
線が軌道面に平行な任意の子午面と交わる点の軌
跡を示したもので、中心点を示す軌道法線６０
（紙面から突出する方向にある）頂点とする円錐
の底面と円周となる。そして各同心円の半径距離
は、上記軌道法線６０とピツチ軸間のずれの角
1゜、2゜…5゜としてプロツトされている。ロール誤
差は、軌道法線６０と運動量ベクトルＨとの間の
角によつて定義され、ベクトルＨは章動
（nutation）が存在しないと仮定したときのピツ
チ軸３を一致する。 第５図中の曲線で示される軌跡は、４つの代表
的な真近点離角の各々から磁気トルク付与作用に
よつてロール誤差またはヨー誤差が修正されると
きのピツチ軸の動きの経路を示している。 次に第５図と第６図を参照して姿勢制御のプロ
セスを詳しく説明する。 (イ) 人工衛星が第６図の第１トルク作用領域７４
の中央部、すなわち赤道上の位置ｊにあると
き、例えば第５図の位置のｊ点で示すように
3゜の純ロール誤差が存在すると仮定すると、こ
の人工衛星が領域７４にある間はロール誤差は
終始検出されて修正されるが、位置ｊからｋに
移動するに従つて残存するロール誤差は徐々に
ヨー誤差に変化される。人工衛星が領域７４の
終端の位置ｋに達したときは、第５図の曲線６
１のｋ点で示すようにロール誤差成分の他にヨ
ー誤差成分も現われる。第５図から明らかなよ
うに、ｋ点におけるロール誤差成分（横軸）、
ヨー誤差成分は共に2゜以下である。人工衛星が
領域７４から去ると、トルク付与装置９４（第
２図）は動作を停止するから姿勢の修正は行な
われない。人工衛星が第６図の位置ｋよりｌ，
ａ，ｂ，ｃの間にあるときは、誤差の検出も姿
勢制御も行なわれないので、その間の姿勢誤差
の変化は第５図には示されていない。人工衛星
が第２トルク作用領域７６の始点の位置ｃに達
したときの姿勢誤差は、人工衛星が位置ｋにあ
つたときの姿勢誤差と慣性空間に関して同じで
あるから、このときの姿勢誤差は第５図のｋ点
と同じｃ点で表わすことができる。人工衛星が
領域７６の位置ｃから赤道上の位置ｄへと移動
する間、ヨー誤差は徐々にロール誤差に変換さ
れ、このロール誤差は検出されて修正されるか
ら、姿勢誤差は第５図の曲線６３に示すように
修正され、人工衛星が第６図の位置ｄに達した
ときは、第５図のｄ点で示すようにピツチ軸が
正しい方向６０（例えば軌道面に垂直な方向）
を指すように修正される。 (ロ) 人工衛星１０が第１トルク作用領域７４の位
置ｊにあるとき、第５図の位置のｊ点で示す
ように5゜の純ヨー誤差が存在する場合は、次の
ようにして姿勢制御される。この発明の姿勢制
御方式ではヨー誤差は検出されないから、人工
衛星が位置ｊにあるときは上記ヨー誤差は検出
されず、従つて姿勢の修正もされない。人工衛
星が位置ｋに近づくにつれてヨー誤差は徐々に
ロール誤差に変換されるから、このロール誤差
成分のみが検出されて修正される。人工衛星が
位置ｋに達したとき、第５図の曲線６１′のｋ
点で示すようにヨー誤差成分の他にロール誤差
成分も現われる。ｋ点におけるヨー誤差成分
（縦軸）は4゜以下、ロール誤差成分（横軸）は
2゜以下である。人工衛星が領域７４から去る
と、(イ)の場合と同様にトルク付与装置９４は動
作を停止するから姿勢の修正は行なわれない。
人工衛星が第６図の位置ｋよりｌ，ａ，ｂ，ｃ
の間にあるときは、誤差の検出も姿勢制御も行
なわれないので、その間の姿勢誤差の変化は第
５図には示されていない。人工衛星が第２トル
ク作用領域７６の始点の位置ｃに達したときの
姿勢誤差は、人工衛星が位置ｋにあつたときの
姿勢誤差と慣性空間に関して同じであるから、
そのときの姿勢誤差を第６図の曲線６１′のｋ
点と同じ位置のｃ点で表わすことができる。人
工衛星が領域７６のｃ点から赤道上の位置ｄへ
と移動する間、ロール誤差は徐々にヨー誤差に
変換されるが、なおロール誤差成分は存在する
から、そのロール誤差成分は検出されて修正さ
れる。そして、人工衛星が領域７６の赤道上の
ｄ点に達したときはロール誤差は存在せず、約
2゜のヨー成分のみが存在する。つまり、人工衛
星が位置ｊからｄまで地球を1/2周回する間に、
5゜あつたヨー誤差が2゜にまで減少したことにな
る。人工衛星が領域７６の位置ｄから位置ｅへ
移動するにつれて位置ｄのヨー誤差は徐々にロ
ール誤差に変換されるから、ロール誤差成分の
みが検出されて修正される。人工衛星が位置ｅ
に達したときの誤差の状態を第５図の曲線６
３′のｅ点で示す。人工衛星が位置ｅよりｆ，
ｇ，ｈを経てｉに達するまでの間は誤差の検出
も姿勢制御も行なわれないので、その間の姿勢
誤差の変化は第５図には示されていない。人工
衛星が位置ｉに達したときの姿勢誤差は、人工
衛星が位置ｅにあつたときの姿勢誤差と慣性空
間に関して同じであるから、そのときの姿勢誤
差を第６図の曲線６３′のｅ点と同じｉ点で表
わす。人工衛星が領域７４のｉ点からｊ点を経
てｋ点に移動する間にロール誤差成分が検出さ
れて修正され、最終的には姿勢誤差は第５図の
曲線６３′のｋ点で示すように、ピツチ軸が例
えば軌道面と垂直な方向６０を指すように修正
される。 (ハ) 人工衛星が第６図の位置ｊにあるとき、第５
図ので示すようにと逆方向の純ロール誤差
が存在するとき、で示すようにと逆方向の
純ヨー誤差が存在するときも、前記(イ)、(ロ)で説
明したプロセスと同様のプロセスを経てロール
誤差成分のみが検出され、姿勢誤差が修正され
る。 (ニ) 人工衛星が第６図の位置ｊにあるとき、ヨー
誤差とロール誤差の双方が存在するときは、
(イ)、(ロ)と同様に終始ロール誤差成分のみを検出
して修正することにより、最終的には人工衛星
のロール誤差、ヨー誤差の双方が修正される。
これは人工衛星が位置ｊにあるとき、例えば第
５図の曲線６１あるいは６１′のｋ、ｃ点で表
わされる姿勢誤差（これはロール誤差、ヨー誤
差の双方の成分を含んでいる）が存在すると仮
定したときに、この誤差が曲線６３あるいは６
３′を経て修正されるのと同様である。 以上のように、この発明は人工衛星の姿勢制御
装置では、人工衛星が軌道を周回する間にロール
誤差とヨー誤差とが正弦波的に交替するから、こ
れを利用して、終始ロール誤差成分のみを検出し
てそのロール誤差成分が０になるように修正する
ことにより、最終的には人工衛星の姿勢をそのピ
ツチ軸が例えば軌道面と垂直になる正しい方向を
向くように修正することができる。 以上では、円形の高傾度の軌道で動作する人工
衛星についてこの発明を説明したが、この発明の
方式の利用は円形軌道あるいは特定の傾度を持つ
軌道にのみ限定されるものでないことが理解され
るべきである。高傾度軌道は、地球の極軸と軌道
法線との間の角がだいたい直角であるものであ
る。このような軌道によつて、軌道を回る人工衛
星は地球の磁場の最も強い部分を通りぬける。低
傾度軌道によつて、人工衛星は一般に地球の磁場
の弱いがしかしなお利用できる強さの磁場部分を
通りぬける。本質的に必要な条件は、人工衛星が
感知し得る強さの地球磁場を通りぬけることので
きる高度をもつた軌道に沿つて運行することだけ
である。この分野で知られている最も低い利用可
能な軌道から、地球に同期した（geo−
synchronous地球の自転に同期した地上から静止
して見える）赤道面に一致する軌道まで高度の増
加するものの任意のものについて、この発明にし
たがつてロールとヨーの誤差修正のための磁気ト
ルク方式が利用できる。 同期的低傾度軌道においては、この発明による
閉ループ・サーボ制御系は、軌道を回る期間全部
を通じて、すなわち連続的に利用できる。しかし
速度ベクトルに沿つてトルク作用をするダイポー
ルを生成させるようにトルク付与装置の磁気ダイ
ポールが方向付けされなければならない。このト
ルク作用ダイポールが軌道面に直角な主磁場と作
用しあう。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は人工衛星の３軸を角運動量ベクトル
と速度ベクトルとに関係付けて示す要領図、第１
ｂ図は軌道法線と関係付けた３軸を示す線図、第
２図はこの発明の１つの形を示す閉ループ・ロー
ル制御方式のブロツク線図、第３ａ図は２重スピ
ン人工衛星のスピンする運動量輪にとり付けられ
た地平線感知器の光学軸の描く円錐を示す線図、
第３ｂ図および第３ｃ図は２個の感知器の光学軸
が地球上に描く軌跡を示す図で、第３ｂ図はロー
ル誤差が存在しないときの図、第３ｃ図はロール
誤差が存在するときの図、第４図ａ，ｂは人工衛
星の姿勢決定のための感知器と検出器の出力を示
す波形図、第５図はロール／ヨー制御の下にある
ピツチ軸の軌跡の曲線図、第６図はトルク作用の
ための領域を示す線図である。 第１ａ図で、１０……人工衛星を表わす物体、
２０……物体１０の質量の中心、１……ヨー軸、
２……ロール軸、３……ピツチ軸、１４……ピツ
チ軸と一致する軸１２の方向に角運動量を持つ運
動量輪。第２図において、２２，２４……運動量
輪１４に取付けられた感知器、２６，２８……前
置増幅器、３４，３６……しきい検出器、４２，
４４……地球時検出器、５０……誤差検知器、５
１……誤差感知器（先行信号を検出する）であつ
て、これらがロール誤差感知手段を構成する。５
６……クロツク信号発生器、５４……計数器、５
８……オーバーフロー検出器、５９……機能組合
せ論理回路、９０……クロツク、９４……磁気ト
ルク付与装置、９６……磁力計であつて、誤差信
号５２に応動して磁気トルク付与装置９４の付勢
を制御する手段を構成する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 人工衛星のピツチ軸およびスピン軸と平行に
   角運動量バイアスが与えられており、その角運動
   量のベクトルが上記人工衛星の軌道面に対する法
   線と一致するように維持されるべき、地球の周囲
   を軌道を描いて回る軌道周回人工衛星の姿勢制御
   装置であつて、 選ばれた所望の姿勢からの上記人工衛星のロー
   ル軸を中心とする姿勢のずれおよび選ばれた所望
   の姿勢からの上記人工衛星のヨー軸を中心とする
   姿勢のずれの双方を修正することのできる自動閉
   ループ・サーボ制御系を有し、上記所望の姿勢に
   おいては上記ロール軸は上記人工衛星の軌道速度
   ベクトルと一致し、また上記ヨー軸は基準鉛直線
   と一致し、 上記自動閉ループ・サーボ制御系は、上記選ば
   れた所望の姿勢からの上記ロール軸を中心とする
   上記人工衛星の地球に対する角度のずれを表わす
   ロール誤差信号を発生するロール誤差感知回路か
   らの信号を受信し、 上記自動閉ループ・サーボ制御系は、地球磁場
   と相互に作用して上記人工衛星の上記ロール軸を
   中心とする回転を生じさせる制御トルクを発生さ
   せる磁気ダイポールを生じさせるための磁気トル
   ク発生器を有し、 さらに、上記人工衛星の上記ヨー軸を上記所望
   の基準鉛直線に向うようにするために、上記ロー
   ル誤差信号のみからなる誤差信号に応答して上記
   磁気トルク発生器を付勢する付勢回路を有する、
   上記軌道周回人工衛星の姿勢制御装置。