JPH04308906A - 近赤道軌道内の３軸安定衛星用の姿勢制御システム - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、３軸を中心にして安定
化された赤道又は近赤道（１０度未満の傾斜）軌道にお
ける機上運動モーメントを伴う衛星の能動的横揺れ、片
揺れ制御に関する。

【０００２】

【従来の技術】機上運動モーメントを伴う３軸安定衛星
つまり、その合成運動モーメントがつねにゼロでない値
をもち従ってジャイロ安定化効果を生成するような単数
又は複数の運動量ホイールを含む衛星のための姿勢制御
システムとしては、さまざまなものが知られている。

【０００３】例えば、文書ＦＲ−２５２２，６１４（国
立宇宙研究センタの　Ｍｏｕｉｌｈａｙｒａｔ他）は、
太陽に向かうよう安定化されたプラットフォーム及び、
地球を基準として安定化された状態にとどまるようこの
プラットフォームとの関係において南北軸を中心にして
回転すべく取付けられたペイロードを含む衛星に関する
。姿勢補正トルクを生成するために、プラットフォーム
は、軸が南北軸に対し垂直な運動量ホイールと反動ホイ
ールの形をしたアクチュエータを含んでいる。その回転
速度は、太陽及び恒星センサにより提供されるプラット
フォームの姿勢についての情報に従って制御される。プ
ラットフォームとの関係におけるペイロードの回転は、
太陽及び恒星センサと連動しない地上センサの出力に従
って制御される。

【０００４】文書ＦＲ−２，６３７，５６５号（アエロ
スパシャル社のＭＡＵＴＥ）は、地上、太陽及び恒星セ
ンサからの信号を用いて反動ホイール、運動量ホイール
又はスラスタのいずれかでありうるアクチュエータを制
御するような静止衛星のための姿勢制御システムを記述
している。さまざまなオペレーションモードを表わす数
多くの処理ラインが並列に具備される。

【０００５】文書ＦＲ−２，３１９，１５０（ＲＣＡ社
のＭＵＨＬＦＥＬＤＥＲ及びＳＣＨＭＩＤＴ）は、片揺
れにおけるあらゆる姿勢測定を無しですませることを必
要条件とする、縦揺れ軸上で方向づけされた固定運動モ
ーメントを伴う同期軌道内の衛星に関する。横揺れ姿勢
のみが（地平線センサを用いて）測定され、地磁界と相
互作用する横揺れ−片揺れ平面内の磁気コイルを用いて
、横揺れにおける姿勢が一定の閾値を上回る量だけ誤っ
ている場合に（２進トリガー）姿勢補正が加えられる。

【０００６】文書ＦＲ−２，４９８，１５５（ＲＣＡ社
の　ＭＵＨＬＦＥＬＤＥＲ，　ＰＨＩＬＩＰＳ及びＢＡ
ＬＳＮＩＫ）は、衛星の章動周期に従って決定される磁
気を源とする補正トルクの生成に時間的遅延を導入する
先行文書に対する一改良を記述している。 文書ＵＳ−４，２９４，４２０（ＭＡＴＲＡ社のＢＲＯ
ＱＵＥＴ）は、縦揺れ軸を含む平面においてＶ字構成で
２つの運動ホイールを有しその回転が地上センサによっ
て供給された横揺れ及び縦揺れにおける姿勢測定に従っ
て制御されるような衛星を記述している。運動モーメン
トは１自由度で方向づけされうる。姿勢は、ジャイロ技
術を用いて短期で受動手段により、又できれば長期補正
のためスラスタ又は磁気コイルの使用により補正された
形で、片揺れにおいて安定化される。

【０００７】文書ＵＳ−４，５２１，８５５（ＦＯＲＤ
　ＡＥＲＯＳＰＡＣＥ社のＬＥＨＮＥＲ及びＬＥＢＳＯ
ＣＫ）は、明示的に恒星センサを不用にし、縦揺れ／片
揺れ平面内で方向づけされうる運動モーメントを用いる
衛星の横揺れ−片揺れ制御に関する。横揺れにおける姿
勢のみが測定される：高速横揺れループは、ホイールの
速度における変動を決定し、低速片揺れループ（ＬＵＥ
ＮＢＥＲＧＥＲタイプの）は、片揺れ軸上の単一の磁気
コイルを制御する。

【０００８】「静止衛星の姿勢制御のための磁気トルク
付与」という題で１９７７年１０月３日から６日までオ
ランダの　Ｎｏｏｒｄｗｉｊｋで開かれたＡＯＣＳ会議
の議事録ＥＳＡＳＰ−１２８，１９７７年１１月、　ｐ
ｐ１０３〜１１０　（ＬＡＣＯＭＢＥ．Ｊ．Ｌ）　の中
で公表された論文は、Ｖ字構成の２つのホイールを用い
る３軸安定地同期衛星用の磁気横揺れ−片揺れ制御シス
テムの設計方法を記述しており、スラスタと共に用いた
既知のＷＨＥＣＯＮ制御方法に基づく法則に従って機上
磁気双極子を生成することを提案している。この目的の
ため、コイルの軸は４５度に近い角度αだけ片揺れ軸に
対しオフセットされており、生成された磁気双極子の係
数は、地上センサにより測定された横揺れ角度によって
決定される。

【０００９】「近赤道軌道内の運動量偏向衛星の磁気姿
勢制御」という題でＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｕｉｄａ
ｎｃｅ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，　　第２巻；　ｎｏ
．４　　１９７９年７月８日、ｐ３３４〜３３８　（Ｇ
ＯＥＬＰ．Ｌ．及びＲＡＪＡＲＡＭ　Ｓ．）　に公表さ
れた論文は、固定運動モーメントをもつ３軸安定衛星の
ための閉ループ横揺れ／片揺れ磁気制御システムを記述
している。地上センサにより測定された横揺れの誤差は
、軌道角周波数での成分及び章動角周波数での成分とい
う２つの成分を与えるためろ過される。このとき、横揺
れ軸上の磁気コイルは、その磁気双極子がこれら２つの
成分の線形関数となるように活化され、短期及び長期の
姿勢制御を同時に提供する。

【００１０】「宇宙船の姿勢制御のための先進反動ホイ
ール調節装置」という題で　Ａｃｔａ　Ａｓｔｒｏｎａ
ｕｔｉｃａ，　第９巻、　Ｎｏ．１２，１９８２年，ｐ
６９７−７０２（土屋Ｋ，井上Ｍ，ワカスキＮ，及び山
口Ｔ．著）に公表された論文は、縦揺れ運動ホイールと
片揺れ反動ホイールをもつ衛星の場合における短期横揺
れ／片揺れ制御のための原法則を記述している。このシ
ステムにおいては、反動ホイール制御法則は、地球セン
サにより測定された横揺れ角度及び最小二次Ｌｕｅｎｂ
ｅｒｇｅｒセンサを用いて推定された横揺れ及び片揺れ
角速度に対し近代的状態可変制御技術を提供している。 唯一の姿勢測定は、地球センサによって提供される。

【００１１】最後に、「Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｕｉ
ｄａｎｃｅ，　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　Ｄｙｎａｍｉ
ｃｓ　」，　第１２巻、　ｎｏ．５，１９８９年９月〜
１０月ｐ７５６〜７５７に公表された論文である「旋回
運動ホイールを用いた章動減衰」の中でＨＵＢＥＲＴ及
びＢＲＵＮＯは、ピボット上の運動ホイールを用いて方
向づけされうる運動モーメントを有する衛星用の縦揺れ
軸の章動を減衰させるための（又は短期横揺れ／片揺れ
制御のための）システムについて記述している。横揺れ
軸に対して平行な軸を中心にした旋回は、横揺れ角速度
の正負符号の変化を検知する非線形論理により制御され
るパルスモータによって起動される。この速度は、レー
トジャイロを用いて測定されるか又は、地球センサによ
り測定された横揺れ角度を微分することにより計算され
る。得られた信号は次に、衛星章動角周波数にセンタリ
ングされた帯域フィルタによってろ過される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、時間
的に持続性を有し、コスト又は質量の面で過度のペナル
ティの無い、上述の解決法に比べて改良された性能を提
供することにある。本発明は、片揺れ及び横揺れにおい
て非常に精確で例えば０．０２゜以内であり、質量がさ
ほど大きくなく、コストが適切でかつ単純で、しかもエ
ネルギを多く消費せず（特に燃料の形で）、従って将来
の光通信衛星又は第２世代の直接ＴＶ放送衛星の指向の
特殊な必要条件を満たすような、赤道又は近赤道軌道内
における機上運動モーメントを伴う３軸安定衛星の姿勢
制御に関する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、赤道又は近赤
道軌道内の３軸安定衛星のための横揺れ／片揺れ姿勢制
御システムであって、該システムは −北極星を検出するように用いられる恒星センサ及び地
球センサを含む横揺れ、片揺れ及び縦揺れにおける衛星
の姿勢を検知するための装置； −縦揺れ軸に沿って支配的な成分とつねにゼロでない値
を有する運動モーメントを伴うシステム及び横揺れ／片
揺れ平面に対して少なくともほぼ平行に配置された磁気
双極子発生器システム、及び一組のバックアップアクチ
ュエータを含む多重要素アクチュエータ装置、−該姿勢
検知装置と該アクチュエータ装置の間に接続されたプロ
セッサ回路であって、該プロセッサ回路は：・検知装置
からの測定値に基づいて横揺れ及び片揺れ姿勢角度及び
角速度を推定するための状態推定装置及び推定された角
度及び角速度の値からアクチュエータ装置の要素のうち
の少なくともいくつかに対し分配論理装置により供給さ
れた設定点信号を決定するための予備選択ゲイン制御装
置を含む短期横揺れ／片揺れ制御ループ、および ・該検知装置からの測定値に基づいて横揺れ及び片揺れ
角度および外乱トルクの横揺れ及び片揺れ軸に沿っての
成分を推定するための状態推定装置及び、分配論理装置
を介して磁気双極子発生器システムに印加されるべき双
極子信号を決定するための制御装置、および該制御装置
と並列であって、制御信号を該１組のバックアップアク
チュエータに送るように用いられるバックアップシステ
ムを含む、長期横揺れ／片揺れ制御ループを備えたプロ
セッサ回路；とを具備する横揺れ／片揺れ姿勢制御シス
テムから構成されるものである。

【００１４】本発明の好ましい特徴に従うと、−アクチ
ュエータ装置の運動モーメントシステムは、固定運動モ
ーメントを有する。 −短期制御ループの制御装置により供給された設定点信
号は磁気コイルに対して適用され、長期制御ループの制
御装置によって決定された双極子はこの設定点信号に加
えられる； −アクチュエータ装置の運動モーメントシステムは、横
揺れ軸に対し少なくともほぼ平行である１本の軸を中心
にして１自由度を有する方向づけ可能な運動モーメント
を有する。 −方向づけ可能な運動モーメントシステムは、長期制御
ループに対して速度信号を供給する回転速度計を含む。

【００１５】本発明の対象である衛星は、つねに非ゼロ
値を有しその支配的成分が縦揺れ軸上で方向づけされて
いるような運動モーメントを有する。この非ゼロ運動モ
ーメントは、固定されることも（ケース１）又横揺れ軸
近くの１本の軸を中心にして１自由度をもって方向づけ
されることも（ケース２）できる。固定運動モーメント
は、例えばその回転軸が縦揺れ軸に近い運動量ホイール
によって生成されうる。方向づけ可能な運動モーメント
は、例えば、縦揺れ運動量ホイールと片揺れ反動ホイー
ル、又は縦揺れ軸を中心としたＶ字構成の２つのホイー
ルと横揺れ／片揺れ平面内の反動ホイール（例えば片揺
れ軸上）、又は縦揺れ−片揺れ平面に対しほぼ横方向の
ピボット上に載置された単一の運動量ホイール（このと
きピボットには有利にも１つのアクチュエータ例えば電
動パルスモータ及び位置センサが具備されている）を用
いて生成されうる。

【００１６】この衛星は、その軸が好ましくは直交し横
揺れ／片揺れ平面の近くにあるか又はこの平面内に含ま
れているような磁気コイルの形の２つの磁気カップラを
具備し、さらに、特に横揺れ及び片揺れ軸を中心とした
トルクを生成することのできるスラスタといったその他
のアクチュエータを含んでいる。横揺れ及び縦揺れにお
ける姿勢の誤差は、地上センサ例えば赤外線センサなど
を用いて測定され、一方縦揺れは、北極星をつねに検知
できるような（この星は地理的北極から約１度のところ
にある）光電子感度及び約２×（軌道勾配＋３゜）の視
野を有する恒星センサを用いて決定される。

【００１７】衛星（これはすでに説明したように、通信
衛星であっても、遠隔探知衛星であっても又科学実験衛
星であってもよい）の通常のオペレーションモードにお
いては、姿勢制御システムは、横揺れ及び片揺れ角度の
みならずその導関数をも割当てられた選択的に可変的な
範囲内に保つことによってペイロード（アンテナ、光学
計器、レーダなど）を指向するということが理解できる
ことだろう。

【００１８】これを達成するために、適切な制御論理装
置は同時に、地球センサ及び恒星センサからの角度測定
値及び、必要とあらば付随する回転速度計で測定された
ホイール回転速度を処理し、これらのホイールに対する
設定点運動モーメント（又はトルク）、及び磁気コイル
のための制御双極子（又は電流）或いは又該当する場合
にはその他のアクチュエータのための制御信号を規定す
る。

【００１９】横揺れ及び片揺れにおける誤差を自動的に
補正するための本発明に従ったシステムは、かくして、
短期及び長期で作動する。縦揺れ制御は本発明の一部を
成すものではなく、例えば主として東西軌道制御用のス
ラスタといった非飽和化アクチュエータ及び運動量ホイ
ールを用いるあらゆる適切な既知の手段によって実行さ
れうる。

【００２０】標準的に２つの制御ループが用いられる：
すなわち、 −横揺れ及び片揺れの角速度を減速し、一般に短期横揺
れ／片揺れ制御を提供することを目的とする高速ループ
；固定運動モーメントを伴う衛星の場合、制御はコイル
により提供され、一方可変運動モーメントを伴う衛星の
場合、アクチュエータは運動／反動ホイールである；−
磁気コイルにより生成された双極子を変化させること又
はその他のタイプのアクチュエータを適切に制御するこ
とにより、長期制御機能を表わす擾乱トルクが衛星の姿
勢に対し及ぼす影響を補償するための低速ループ。

【００２１】実際には、これらのループを実行する論理
は、恒常又は可変ゲイン又は付随するメモリユニット内
にプログラムされた計数逓減率を用いるコンピュータな
どの手段によって衛星の機上で実行される。もう１つの
代替的方法は、センサ測定値を処理し地上からアクチュ
エータを制御することである。文書ＦＲ−２，５２２，
６１４及びＦＲ−２，６３７，５６５に比べると、本発
明は、地球及び北極星センサを用いた短期及び長期横揺
れ／片揺れ制御のために磁気コイルと組合わせて運動及
び／又は反動ホイールの使用を最適化するという利点を
有している。

【００２２】固定運動モーメントに関する文書ＦＲ−２
，３１９，１５０及びＦＲ−２，４９８，１５５と比較
すると、本発明は、ろ過され単数又は複数の閾値と比較
された横揺れ角度に従ってではなく、地球及び北極星セ
ンサによって測定された横揺れ及び片揺れ角度に従って
線形的な方法で及び同様に状態オブザーバを用いて推定
された横揺れ及び片揺れ角速度にも従ってコイルを制御
することによって、章動を減衰することを提案している
。これは、特に、減速し角度をリセットする比率、及び
残留誤差の最小限にすることに関して制御性能を大幅に
改善する。

【００２３】資料ＵＳ−４，５２１，８５５（方向づけ
可能な運動モーメント）と比較して、本発明は、地球及
び北極星センサを用いた横揺れ及び片揺れの組合せ測定
に基づく低速ループによって、この米国特許ＵＳＰ．Ｎ
ｏ．４５２１，８５５のシステムの横揺れにおける０．
０２゜及び片揺れにおける０．１゜に比べ各軸について
標準的に０．０２゜より優れた横揺れ及び片揺れにおけ
る匹敵する衛星の指向性能（妨害されない磁界）を確保
するという事実を含む、複数の利点を有している。従っ
て本発明により達成される性能は、固定又は方向づけ可
能の機上運動量モーメントを伴う３軸上で安定化された
、レーザービームを用いた近代的な光通信衛星及び第２
世代の直接ＴＶ放送衛星さらには遠隔探知衛星（例えば
気象衛星）の微細指向必要条件に特に適している。

【００２４】資料ＵＳ−４，５２１，８５５に比較して
、本発明は、急速横揺れ／片揺れ制御ループのための全
く異なる性能の改善された方法を提案し、さらに（特に
太陽フレアの間に起こるような）磁界の重大な擾乱又は
機能不良の際にコイルをバックアップすることを目的と
する、単純化された論理に基づくスラスタといったその
他のアクチュエータの制御を提供する。

【００２５】文書ＵＳ−４，２９４，４２０（方向づけ
可能な運動量モーメント）と比較して、本発明は、北極
星センサを用いた片揺れの検知及び横揺れ及び片揺れの
角速度の推定によって区別され、このことは、短期及び
長期の両方において地心方向のまわりを指向する上での
性能を著しく改善する。方向づけ可能な運動モーメント
の場合においては、本発明は、横揺れ／片揺れ平面内の
いずれの方向ででも（ちょうど４５度は除く）双極子を
生成することのできる２つの有利には直交したコイルの
使用によって、及び、横揺れに従ってのみならず北極星
センサにより計算された片揺れ及び制御論理によって機
上で実時間で推定された擾乱に従ったコイル双極子の計
算によって、ＬＡＣＯＭＢＥの論文と区別される。この
ため、標準的な０．１５゜から０．０２゜まで片揺れ性
能を改善することが可能となる。

【００２６】上述のＧＯＥＬ及びＲＡＪＡＲＡＭの参考
文献と同様に、縦揺れにおける固定運動モーメントを伴
う衛星の場合、本発明は、横揺れ及び片揺れの短期及び
長期制御のために磁気制御を提案する。短期制御のため
には、横揺れ角のろ過は、推定された横揺れ及び片揺れ
角度及び角速度に基づく状態可変技術によって置換され
、長期制御については、地球及び北極星センサによる測
定を用いた推定された姿勢角度及び擾乱に基づく状態可
変技術によって置換される。従って、章動減衰及び擾乱
トルクの補償性能は、０．１５゜に比べて標準的に０．
０２゜へと著しく改善される。

【００２７】ツチヤその他による論文にあるように、方
向づけ可能な運動モーメントの場合、本発明の高速ルー
プは状態可変制御技術及び横揺れ及び片揺れ角速度の推
定を使用するが、用いられる推定装置は、地球及び北極
星センサにより測定された横揺れ及び片揺れを処理する
完全な４次推定装置である。これは、非最小Ｌｕｅｎｂ
ｅｒｇｅｒオブザーバ（ＩＥＥＥ会報第５８号、　ｎｏ
．１１，１９７０年１１月、ｐ１８０３〜１８１１）に
公表された「状態可変概念を用いた調節器論理の合成」
）であっても、又漸近ゲインＫＡＬＭＡＮフィルタ（「
宇宙船の姿勢検定及び制御」ＷＥＲＴＺ（編集者），Ｒ
ｅｉｅｄｅｌＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙ，
　オランダ、１９７７年）であってもよい。 これは、センサ測定ノイズをろ過し、制御性能を同時に
改善する。

【００２８】さらに、本発明は、片揺れにおける運動モ
ーメントが１つの運動量ホイールと１つの反動ホイール
の組合せによって又はＶ字構成の２つのホイールと１つ
の反動ホイールによって或いは又旋回運動ホイールによ
って変化させられる場合を含む、さまざまな方向づけ可
能な運動モーメントの態様を提供する。従来の寺崎タイ
プの制御（１９６７年８月カリフォルニア州Ｅｌ　Ｓｅ
ｇｕｎｄｏの　ＡＥＲＯＳＰＡＣＥ社での２重スピン宇
宙船の姿勢安定化及び制御に関するシンポジウムの議事
録に公表された「宇宙船の指向のための２重反動ホイー
ル制御」）が短期横揺れ／片揺れ制御に適用されている
ＵＳ−４，５２１，８５５に比較すると、横揺れ及び片
揺れ角速度に適用された推定及び状態可変技術によって
、本発明の高速ループ（方向づけ可能な運動モーメント
）は、これらの速度をより速くゼロにリセットし、従っ
て衛星の縦揺れ軸の章動の減衰を改善する。

【００２９】最後に、ＨＵＢＥＲＴ及びＢＲＵＮＯによ
る論文（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｕｉｄａｎｃｅ，　
Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ，　第１２
巻、　Ｎｏ．５，１９８９年９月−１０月、ｐ７５６〜
７５７に公表されている「旋回可能な運動量ホイールを
用いた章動減衰」）と比較すると、本発明は、旋回運動
ホイールを伴う衛星の場合、地球及び北極星センサによ
り測定された横揺れ及び片揺れの角度ならびに状態オブ
ザーバによって推定された横揺れ及び片揺れの角速度の
関数として凝線形制御を使用する。こうしてセンサの測
定ノイズはろ過され、章動減衰時間及び指向ならびに短
期横揺れ／片揺れ安定残留誤差に関し、優れたとは言わ
ないまでも比較しうるほどの性能が提供される。

【００３０】結論としては、本発明の独創性は、近赤道
軌道内の３軸安定衛星について、固定運動モーメント衛
星の場合には２つの磁気コイル又は方向づけ可能な運動
モーメントの３軸安定衛星の場合には運動量ホイール及
び／又は反動ホイール及び２つのコイルと結びつけた状
態で地球センサと結びつけられた北極星センサを用いた
、短期及び長期横揺れ／片揺れ制御システムを提案する
という点にある、ということができる。

【００３１】本発明の目的、特徴及び利点は、添付図面
を参照して制限的意味のない例を用いて示された以下の
説明から明らかになることだろう。

【００３２】

【実施例】地球のまわりの軌道内の衛星は全て、例えば
Ｘｉ　が春分点Ｖの方に向けられＺｉ　が地理的北に向
けられＹｉ　が三面体を補完している状態で、慣性空間
との関係において固定された軸をもつ基準直接正規直交
フレームＸｉ　，Ｙｉ　，Ｚｉ　を有する。

【００３３】衛星の質量の中心にあるいわゆる局所的基
準軌道フレームＸ０，Ｙ０　，Ｚ０　は、地球の中心の
方に向いたＺ０　、軌道平面に対する負の垂直線に平行
なＹ０　及び三面体を補完し軌道内で線形速度ベクトル
と同じ側に向けられているＸ０　を有する。図１は、近
赤道（標準的には１０゜以下の傾き）の地上軌道内の衛
星の場合における基準フレーム（Ｘｉ　Ｙｉ　Ｚｉ　）
及び（Ｘ０　Ｙ０　Ｚ０　）の幾何を示す。

【００３４】衛星は、衛星と関連づけられた基準フレー
ムＸＹＺを「基準」の基準フレームＸ０　Ｙ０　Ｚ０　
にできるかぎり近づいた状態に維持することにより、３
軸上で安定化されている（ここから「３軸安定衛星」と
いう表現が出ている）。３つの角度ファイφ、シータθ
及びプサイψは、例えば図２に示されているような基準
フレームＸ０　Ｙ０　Ｚ０　との関係における衛星の基
準フレームＸＹＺの瞬間的位置を規定している。

【００３５】標準的な用語法及び規約は以下のとおりで
ある： −φは、横揺れ角度と呼ばれ基準軸Ｘ０　を中心とする
指向誤差を表わす； −θは、縦揺れ角度と呼ばれ、基準軸Ｙ０　を中心とす
る指向誤差を表わす； −ψは、片揺れ角度と呼ばれ、基準軸Ｚ０　を中心とし
た指向誤差を表わす； −Ｘは、横揺れ軸と呼ばれる； −Ｙは、縦揺れ軸と呼ばれる； −Ｚは、片揺れ軸と呼ばれる。

【００３６】本発明が適用される衛星は、つねに非ゼロ
値をもつ縦揺れ軸を中心とした機上運動モーメントを伴
う３軸安定衛星である。この場合、縦揺れ軸を中心とし
た動きは、互いに結合されている横揺れ及び片揺れの動
きから切り離されていることがわかる。本記述の残りの
部分は、短期及び長期での横揺れ及び片揺れ軸を中心と
した動きの制御のみに関するものであり、固定した縦揺
れ運動モーメント（ケース１）及び衛星の横揺れ／片揺
れ平面近く又はこの平面内に含まれている軸を中心にし
て方向づけできる縦揺れ運動モーメント（ケース２）の
場合を考慮している。

【００３７】図３は、固定運動モーメントを伴う衛星１
０を示す；その一般構造は従来のとおりでありここでは
詳述しない；この例においてこれは縦揺れ軸を中心とし
て回転する運動ホイール１１を含んでいる。図４、図５
及び図６は、方向づけ可能な運動モーメントを伴う衛星
２０，３０及び４０を示す。

【００３８】図４の衛星２０は、軸が片揺れ軸に沿って
方向づけされた反動ホイール２２と縦揺れ運動量ホイー
ル２１を含む。図５の衛星３０は、同じ角度βで縦揺れ
軸Ｙに対して対称に配置された２つの運動量ホイール３
１及び３２及び有利には、その軸が横揺れ−片揺れ平面
内でこの例では片揺れ軸Ｚに平行になっていてしかも２
つの運動量ホイールのいずれかが万一故障した場合に用
いられる１つの反動ホイール３３を含んでいる。さらに
、３つのホイールの回転軸は、縦揺れ／片揺れ平面に対
して角度αだけオフセットされた共通の子午面近く又は
この子午面の中にある（この例においては、図を明確に
するためα＝０である）。

【００３９】図６の衛星４０は、横揺れ−片揺れ平面に
対して平行な旋回軸上、この例では横揺れ軸近くに、載
置された単一の運動量ホイール４１を含んでいる。旋回
運動ホイールの幾何形状は、それが縦揺れにおいて支配
的成分を又横揺れ／片揺れ平面好ましくは片揺れ軸近く
に通常さらに低く可変的な成分を有する運動モーメント
を生成するようなものである。例えば、ピボットは、電
動モータ４２及び角位置センサ４３の備わったサポート
を用いて実現されうる。

【００４０】衛星１０，２０，３０及び４０（固定又は
方向づけ可能のいずれの運動モーメントかに関わらず）
、は、同様に、２つの磁気コイル１４，２４，３４，４
４及び１５，２５，３５，４５も含んでいる。磁気コイ
ルはコアを有しているか又は有しておらず、その軸は互
いに直角にあり、衛星の縦揺れ／片揺れ平面（ＸＺ平面
）内又はこの平面の近くのいずれかに配置されている。

【００４１】衛星の軌道位置に地磁界Ｂがある状態で２
つのコイルにより生成された磁気双極子Ｍ１及びＭ２の
交叉点は、Ｍ１及びＭ２の合成ベクトルＭとベクトルＢ
のベクトル積によりＬＡＰＬＡＣＥ（アンペールの法則
）の法則に従って定められた磁気制御トルクを生み出す
。従ってこのトルクは、衛星の横揺れ及び片揺れ軸上に
成分をもつ。

【００４２】衛星は、横揺れ及び／又は片揺れ軸を中心
として（特に図５の場合ではＶ字構成の運動量ホイール
の平面に対する垂直線を中心にして）トルクを生成する
ことのできる少なくとも２つのスラスタ１６，２６，３
６，４６及び１７，２７，３７，４７といったその他の
アクチュエータを有する。これらは、例えば軌道制御の
ために用いられるスラスタである。これらのアクチュエ
ータは、磁界が重大な擾乱を受けた場合又はコイルの機
能不良の場合に引き継ぐバックアップ論理によって制御
されている。

【００４３】最後に、横揺れ及び縦揺れ衛星指向誤差は
、好ましくは衛星の片揺れ軸Ｚ近くに光学軸Ｚｔ　があ
る地球センサ１８，２８，３８，４８により検知され、
片揺れ誤差は、好ましくは縦揺れ軸Ｙの近くただし反対
方向にその光学軸Ｚｐ　をもちその視野は充分に広く標
準的には２×（軌道傾斜＋３゜）であり衛星の軌道上の
全ての点で北極星を追跡調査するのに適切な感度を有す
る北極星センサ１９，２９，３９又は４９を用いて決定
される。

【００４４】図７は、図３からの固定運動モーメント衛
星の場合における磁気コイル及びスラスタ及び姿勢誤差
を検出するための地球及び北極星センサに基づく横揺れ
／片揺れ制御のブロックダイヤグラムである。図８乃至
図１０は、図４乃至図６からの衛星の場合におけるホイ
ール、磁気コイル及びスラスタ及び地球及び北極星セン
サに基づく、横揺れ／片揺れ制御のブロックダイヤグラ
ムを示す。

【００４５】図１１は、地上センサによる横揺れ及び縦
揺れ角度の直接測定の幾何を示す。図１２は、恒星セン
サの基準フレームＸｐ　，Ｙｐ　及びＺｐ　内の北極星
方向ベクトルの測定原理を示す。Ｘｐ　及びＹｐ　軸が
それぞれ衛星のＸ軸及びＹ軸に対し平行で姿勢角度φ，
θ及びψが小さい（１゜未満）であるような実際の状況
においては、衛星の横揺れφ及び片揺れψの姿勢誤差は
、以下の形の近似方程式によりセンサからの測定値αｘ
及びαｙから導き出される： ＜φ＝αｘ−Ｐｚ０，ψ＝αｙ＋Ｐｘ０＞なお式中、Ｐ
ｘ０及びＰｚ０は、（衛星の瞬間的軌道位置及び慣性空
間内の星の位置により異なる）局所的軌道基準フレーム
内の衛星−北極星単位ベクトルの成分である。

【００４６】本発明に従った姿勢制御システムのさまざ
まな部分は、それぞれ図１３乃至１６及び図１７乃至２
０に詳細に示されている短期制御ループ及び長期制御ル
ープによって相互接続されている。短期制御ループの主
たる目的は、横揺れ軸Ｘと片揺れ軸Ｚを中心とした角速
度をゼロまで低減し、横揺れ及び片揺れ角度を規定の範
囲内まで戻すことにより、衛星の縦揺れ軸Ｙの章動を減
衰することにある。それぞれ衛星１０，２０，３０又は
４０のためのこのループ５０，６０，７０又は８０は、
状態推定装置及び恒常又は可変ゲイン制御装置に基づく
短期横揺れ／片揺れ制御論理を含む。

【００４７】例えば非最小Ｌｕｅｎｂｅｒｇｅｒタイプ
（ＩＥＥＥ会報第５８号、　ｎｏ．１１，１９７０年１
１月　　ｐ１８０３〜１８１１で公表された「空間−可
変概念において用いられる調節器論理の合成」を参照）
のものであるか又は、漸近ゲインＫＡＬＭＡＮフィルタ
（Ｒｅｉｄｅｌ出版社、オランダ、１９７７年のＷＥＲ
ＴＺ（編集者）の「宇宙船の姿勢決定及び制御」を参照
）である状態推定装置フィルタ５１，６１，７１、又は
８１は、地球及び北極星センサにより提供された測定値
から、衛星の横揺れ及び片揺れ角度及び横揺れ及び片揺
れ角速度の実時間推定値を提供する。

【００４８】このとき、予備選択ゲインタイプのもので
ある制御装置５２，６２，７２又は８２（例えばＪＡＣ
ＱＵＯＴの「近代デジタル制御システム」、　Ｍａｒｃ
ｅｌ　ＤｅｃｋｅｒＩｎｃ，　ニューヨーク及びバーゼ
ル、１９８１年を参照）が、固定運動モーメント衛星の
場合には磁気コイルにより（ケース１）又方向づけ可能
運動モーメントの衛星の場合には運動ホイール及び／又
は反動ホイールにより（ケース２）生成されるべき片揺
れトルクＵｃ　を決定する。

【００４９】固定運動モーメント衛星の場合（図１３）
、制御トルクは、衛星上のコイルのレイアウトの幾何形
状に基づき、例えば「宇宙船の姿勢決定及び制御」ＷＥ
ＲＴＺ（編集者），Ｒｅｉｄｅｌ出版上、オランダ、１
９７７年に記述されている傾斜双極子モデルといった地
磁界の機上モデルを用いる分布マトリクス５３を用いて
、コイルのための制御磁気双極子Ｍ１ｃ１及びＭ１ｃ２
に変換される。

【００５０】方向づけ可能な運動モーメント衛星の場合
には、制御トルクは、例えば比例−積分タイプのもので
ある補正装置６３，７３又は８３（ＪＡＣＱＵＯＴ　Ｒ
ａｙｍｏｎｄ　Ｇ．「近代デジタル制御システム）　Ｍ
ａｒｃｅｌＤｅｃｋｅｒ　Ｉｎｃ，　ニューヨーク及び
バーゼル、１９８１年、参照）により、図４における反
動ホイールのため又は図５における運動ホイールのため
又は図６におけるこれらのうちの１つと反動ホイール又
は旋回ホイールのための設定点運動モーメントＨｚｃへ
と変換される。

【００５１】信号は、分配論理装置５３，６４，７４又
は８４によりそれぞれのアクチュエータに対して印加さ
れる。長期制御ループの目的は、特に、低い高度での空
力トルク及び重力勾配又は高い高度での太陽輻射圧力ト
ルクといった外部擾乱トルクの効果にも関わらず規定の
範囲内（例えば横揺れ角度については±０．０７゜、片
揺れ角度については±０．０７゜）に横揺れ角度φと片
揺れ角度ψを保つことにある。

【００５２】この目的を達成するため、固定運動モーメ
ント衛星（図１７、ループ９０）の場合、地球及び北極
星センサからの情報は、コイルの磁気双極子を制御しス
ラスタといったその他のアクチュエータを活化させる長
期横揺れ／片揺れ制御論理９１によって処理される。こ
の論理は、例えば、衛星の横揺れ及び片揺れ誤差ならび
に擾乱の成分特に最高２次までのフーリエ級数展開の第
１項を実時間で推定するためセンサからの測定値を用い
る漸近ゲインＫＡＬＭＡＮフィルタ（上を参照）といっ
た状態オブザーバ９３を含む。

【００５３】方向づけ可能な運動モーメント衛星の場合
（図１８乃至２０ループ１００，１１０又は１２０）、
地球及び北極星センサからの情報及びホイールにとりつ
けられた回転速度計（さらには旋回ホイールの位置セン
サ）により提供された情報は、横揺れ及び片揺れコイル
の磁気双極子を制御するか或いは又スラスタといったそ
の他のアクチュエータを活化させるため、長期横揺れ／
片揺れ制御論理１０１，１１１又は１２１によって処理
される。

【００５４】この場合、ホイールと結びつけられた回転
速度計は、その回転速度の連続測定を提供し、旋回ホイ
ールの回転速度計及び位置センサは、ピボットの角速度
及び角位置を検知する。各々のケースにおいて、出力信
号は、特にＹ軸及びＺ軸のまわりの合成運動モーメント
のそれぞれの成分Ｈｙｍ及びＨｚｍを決定するためホイ
ールの幾何形状に基づく単純な数学式によって処理され
る。

【００５５】このとき状態推定装置１０３，１１３又は
１２３はセンサの測定値のみならず上述のパラメータＨ
ｙｍ及びＨｚｍをも用いて、衛星の横揺れ及び片揺れ誤
差及び擾乱の成分特に２次調和までのフーリエ級数展開
を実時間で推定する。最後に、衛星が固定又は方向づけ
可能な運動モーメントのいずれのものであるかにかかわ
らず、制御装置９４，１０４，１１４又は１２４（上を
参照）は、上で推定されたパラメータに従って姿勢をリ
セットするのに必要なトルクを計算し、次に、モデル９
５，１０５，１１５又は１２５を用いて、制御装置は、
固定運動モーメント衛星についてのＭ２ｃ１及びＭ２ｃ
２又は方向づけ可能運動モーメント衛星についてのＭ１
ｃ　及びＭ２ｃ　といった２つのコイルの必要される磁
気双極子を決定する。

【００５６】コイルにより生成された双極子と地磁界と
の相互作用は、長期にわたり衛星の横揺れ及び片揺れ誤
差を擾乱にかかわらず指向仕様の範囲内に維持するとい
う効果をもつ横揺れ及び片揺れ軸を中心とした制御トル
クを生み出す。同様に、コイルに影響を及ぼす破局的な
故障又はコイルの飽和制御を必要とし又は例えば横揺れ
及び／又は片揺れ角度が劣化したり仕様から外れる恐れ
があることを仮定するような磁界の重大な擾乱が発生し
た場合、バックアップ論理９６，１０６，１１６又は１
２６がコイルを無動力化し、横揺れ及び／又は片揺れ誤
差を許容範囲内に維持するべくスラスタといった利用可
能なその他のアクチュエータを制御する。

【００５７】当然のことながら、上述の説明は制限的な
意味の無い一例として示されているにすぎず、当業者は
本発明の範囲から逸脱することなくこれに対する数多く
の変形態様を実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】慣性基準フレーム（Ｘｉ　，Ｙｉ　，Ｚｉ　）
及び局所的軌道基準フレーム（Ｘ０　，Ｙ０　，Ｚ０　
）の概念を示す図である。

【図２】横揺れ、縦揺れ及び片揺れの概念を示す図であ
る。

【図３】衛星（固定運動モーメント）の機上の本発明に
従った姿勢制御システムの概略図である。

【図４】縦揺れ運動量ホイール及び片揺れ反動ホイール
により生成される方位決定可能な運動モーメントの場合
の、類似の概略図である。

【図５】Ｖ字形構成の２つの運動量ホイールと１つの反
動ホイールにより生成される方位決定可能な運動モーメ
ントの場合の類似の概略図である。

【図６】枢軸式運動量ホイールにより生成される方位決
定可能な運動モーメントの場合の類似の概略図である。

【図７】図３の衛星の横揺れ／片揺れ姿勢制御システム
の全体的ブロック図である。

【図８】図４の衛星の横揺れ／片揺れ姿勢制御システム
の全体的ブロック図である。

【図９】図５の衛星の横揺れ／片揺れ姿勢制御システム
の全体的ブロック図である。

【図１０】図６の衛星の横揺れ／片揺れ姿勢制御システ
ムの全体的ブロック図である。

【図１１】地平線センサの測定原理を示す図である。

【図１２】北極星を指向する恒星センサの測定原理を示
す図である。

【図１３】図７の短期横揺れ／片揺れ制御ループのブロ
ック図である。

【図１４】図８の短期横揺れ／片揺れ制御ループのブロ
ック図である。

【図１５】図９の短期横揺れ／片揺れ制御ループのブロ
ック図である。

【図１６】図１０の短期横揺れ／片揺れ制御ループのブ
ロック図である。

【図１７】図７の長期横揺れ／片揺れ制御ループのブロ
ック図である。

【図１８】図８の長期横揺れ／片揺れ制御ループのブロ
ック図である。

【図１９】図９の長期横揺れ／片揺れ制御ループのブロ
ック図である。

【図２０】図１０の長期横揺れ／片揺れ制御ループのブ
ロック図である。

【符号の説明】

１１；２１，２２；３１，３２；４１…運動量ホイール
１４，１５…磁気コイル １６，１７；２６，２７；３６，３７；４６，４７…横
揺れ／片揺れ姿勢制御スラスタ １８，２８，３８，４８…地上センサ １９，２９，３９，４９…恒星センサ ３３…反動ホイール ４３…角位置センサ ５０，６０，７０，８０…短期横揺れ／片揺れ制御ルー
プ ５１，６１，７１，８１，９３，１０３，１１３，１２
３…状態推定装置 ５３，６４，７４，８４…分配論理装置５２，６２，７
２，８２…予備選択ゲイン制御装置９０，１００，１１
０，１２０…長期横揺れ／片揺れ制御ループ

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　赤道又は近赤道軌道内の３軸安定衛星
   のための横揺れ／片揺れ姿勢制御システムであって、該
   システムは −北極星を検出するように用いられる恒星センサ（１９
   ，２９，３９，４９）及び地球センサ（１８，２８，３
   ８，４８）を含む横揺れ、片揺れ及び縦揺れにおける衛
   星の姿勢を検知するための装置； −縦揺れ軸に沿って支配的な成分とつねにゼロでない値
   を有する運動モーメントを伴うシステム（１１；２１，
   ２２；３１，３２，３３；４１）及び横揺れ／片揺れ平
   面に対して少なくともほぼ平行に配置された磁気双極子
   発生器システム（１４，１５；２４，２５；３４，３５
   ；４４，４５）、及び一組のバックアップアクチュエー
   タ（１６，１７；２６，２７；３６，３７；４６，４７
   ）を含む多重要素アクチュエータ装置、−該姿勢検知装
   置と該アクチュエータ装置の間に接続されたプロセッサ
   回路であって、該プロセッサ回路は：・検知装置からの
   測定値に基づいて横揺れ及び片揺れ姿勢角度及び角速度
   を推定するための状態推定装置（５１，６１，７１，８
   １）及び推定された角度及び角速度の値からアクチュエ
   ータ装置の要素のうちの少なくともいくつかに対し分配
   論理装置（５３，６４，７４，８４）により供給された
   設定点信号を決定するための予備選択ゲイン制御装置（
   ５２，６２，７２，８２）を含む短期横揺れ／片揺れ制
   御ループ（５０，６０，７０，８０）および ・該検知装置からの測定値に基づいて、横揺れ及び片揺
   れ角度および外部擾乱トルクの横揺れ及び片揺れ軸に沿
   っての成分を推定するための状態推定装置（９３，１０
   ３，１１３，１２３）及び、分配論理装置を介して磁気
   双極子発生器システムに印加されるべき双極子信号を決
   定するための制御装置（９４，１０４，１１４，１２４
   ）、および該制御装置と並列であって、制御信号を該１
   組のバックアップアクチュエータに送るように用いられ
   るバックアップシステム（９６，１０６，１１６，１２
   ６）を含む、長期横揺れ／片揺れ制御ループ（９０，１
   ００，１１０，１２０）、を備えたプロセッサ回路；と
   を具備する横揺れ／片揺れ姿勢制御システム。
2. 【請求項２】　　該アクチュエータ装置の運動モーメン
   トシステムは、固定運動モーメントを有することを特徴
   とする、請求項１に記載のシステム。
3. 【請求項３】　　該固定運動モーメントシステムは、縦
   揺れ軸に対し少なくともほぼ平行な軸をもつ運動量ホイ
   ール（１１）を含むことを特徴とする、請求項２に記載
   のシステム。
4. 【請求項４】　　短期制御ループ（５０）の制御装置（
   ５２）により供給された設定点信号は磁気コイル（１４
   ，１５）に印加され、長期制御ループの制御装置により
   決定された双極子は上記設定点信号に付加されることを
   特徴とする、請求項２又は請求項３に記載のシステム。
5. 【請求項５】　　アクチュエータ装置の運動モーメント
   システムは、横揺れ軸に対し少なくともほぼ平行な１本
   の軸を中心に１自由度をもつ方向づけ可能な運動モーメ
   ントを有することを特徴とする、請求項１に記載のシス
   テム。
6. 【請求項６】　　前記運動モーメントシステムは、少な
   くとも縦揺れ軸の近くにその軸をもつ運動量ホイール（
   ２１）及び少なくとも片揺れ軸の近くにその軸をもつ反
   動ホイール（２２）を具備することを特徴とする、請求
   項５に記載のシステム。
7. 【請求項７】　　前記運動モーメントシステムは、運動
   量ホイールの軸の平面と横揺れ／片揺れ平面との交叉点
   近くに軸をもつ反動ホイール（３３）及び、縦揺れ軸を
   中心にして配置された２つの運動量ホイール（３１，３
   ２）とを具備することを特徴とする、請求項５に記載の
   システム。
8. 【請求項８】　　前記運動モーメントシステムは、縦揺
   れにおいて支配的成分を有し横揺れ／片揺れにおいて可
   変的成分を有する運動モーメントを生成することができ
   、単軸ピボット上に載置された運動量ホイール（４１）
   を具備することを特徴とする、請求項５に記載のシステ
   ム。
9. 【請求項９】　　前記枢軸式運動量ホイールの傾きはア
   クチュエータにより制御され、前記枢軸式運動量ホイー
   ルは、ピボットと係続され長期制御ループに対し信号を
   供給する角位置センサ（４３）を有することを特徴とす
   る、請求項８に記載のシステム。
10. 【請求項１０】　　方向づけ可能な運動モーメントシス
    テムは、長期制御ループに速度信号を供給する回転速度
    計を具備することを特徴とする、請求項５乃至９のいず
    れか１項に記載のシステム。
11. 【請求項１１】　　磁気双極子発生器システムは、横揺
    れ／片揺れ平面に対して少なくともほぼ平行な軸を伴う
    ２つの磁気コイルを含むことを特徴とする、請求項１乃
    至１０のいずれか１項に記載のシステム。
12. 【請求項１２】　　磁気コイルの軸は直交していること
    を特徴とする請求項１１に記載のシステム。
13. 【請求項１３】　　磁気コイルはそれぞれ横揺れ及び片
    揺れ軸に平行に方向づけされていることを特徴とする、
    請求項１２に記載のシステム。
14. 【請求項１４】　　短期制御ループ状態推定装置はＬＵ
    ＥＮＢＥＲＧＥＲ非最小オブザーバであることを特徴と
    する、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のシステ
    ム。
15. 【請求項１５】　　短期制御ループ状態推定装置は、漸
    近線状ゲイン・カルマンフィルタであることを特徴とす
    る、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のシステム
    。
16. 【請求項１６】　　長期制御ループ状態推定装置は、カ
    ルマンフィルタであることを特徴とする、請求項１乃至
    １５のいずれか１項に記載のシステム。
17. 【請求項１７】　　該１組のバックアップアクチュエー
    タは横揺れ及び片揺れ姿勢制御スラスタ（１６，１７；
    ２６，２７；３６，３７；４６，４７）を具備すること
    を特徴とする、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載
    のシステム。