JP5556782B2 - Satellite attitude control device - Google Patents
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Description
この発明は、人工衛星に搭載されたCMG(コントロールモーメントジャイロ)を用いて姿勢制御を行う人工衛星の姿勢制御装置に関するものである。 The present invention relates to an attitude control device for an artificial satellite that performs attitude control using a CMG (Control Moment Gyro) mounted on the artificial satellite.
従来の単一ジンバルCMG(CMGはコントロールモーメントジャイロの略称)を複数台用いた人工衛星の姿勢制御装置では、人工衛星の姿勢制御を行う際に必要となる姿勢制御トルクをCMGのジンバル角速度に変換する。この変換には、CMGのジンバル角速度と姿勢制御トルクを関係づけるヤコビ行列の逆行列が用いられる。 In the attitude control device for satellites that uses multiple conventional single gimbal CMGs (CMG is an abbreviation for control moment gyro), the attitude control torque required to control the attitude of the satellite is converted to the CMG gimbal angular velocity. To do. This conversion uses an inverse Jacobian matrix that relates the CMG gimbal angular velocity and the attitude control torque.
この際、姿勢制御トルクからCMGのジンバル角速度が求められなくなる状況が存在し、これは一般にCMGの特異状態と呼ばれる。この角速度が求められなくなる状況を避けるために、ヤコビ行列の逆行列を求めるにあたって、CMGが特異状態にあっても近似的な逆行列を求めることができるように工夫をしている(例えば特許文献1参照)。 At this time, there is a situation where the CMG gimbal angular velocity cannot be obtained from the attitude control torque, and this is generally called a CMG singular state. In order to avoid the situation in which the angular velocity cannot be obtained, the inverse matrix of the Jacobian matrix is obtained so that an approximate inverse matrix can be obtained even when the CMG is in a singular state (for example, Patent Documents). 1).
特許文献1に記載のように、人工衛星の姿勢制御を行うにあたっては、CMGが特異状態になって、CMGのジンバル角速度と人工衛星の姿勢制御トルクとを関係づけるヤコビ行列の逆行列を求められないことが問題となる。この問題は、以下のように表すことができる。
As described in
人工衛星の姿勢制御トルクをτ、CMGのジンバル角をθ、ジンバル角速度をdθ/dtとするときに、姿勢制御トルクτとジンバル角速度dθ/dtの間には次の関係が成り立つ(式(1))。
ここでτは3次元のベクトル、dθ/dtはのCMG数をnとすればn次元のベクトルであり、Aは両者を関係づける3×n次の行列であり、ヤコビ行列と呼ばれる。
When the attitude control torque of the satellite is τ, the CMG gimbal angle is θ, and the gimbal angular velocity is dθ / dt, the following relationship holds between the attitude control torque τ and the gimbal angular velocity dθ / dt (Equation (1 )).
Here, τ is a three-dimensional vector, dθ / dt is an n-dimensional vector when the number of CMGs is n, and A is a 3 × n-order matrix that relates the two and is called a Jacobian matrix.
人工衛星のフィードバック姿勢制御を行うにあたっては、姿勢制御トルクτからCMGのジンバル角速度dθ/dtを求める必要があり、ヤコビ行列Aのランクが3であれば以下のように求めることができる(式(2))。
ここで右肩添字のTは転置、−1は逆行列をとる操作を示す(以下同様)。
When performing feedback attitude control of an artificial satellite, it is necessary to obtain the CMG gimbal angular velocity dθ / dt from the attitude control torque τ. If the rank of the Jacobian matrix A is 3, it can be obtained as follows (formula ( 2)).
Here, the right subscript T indicates transposition, and -1 indicates the operation of taking the inverse matrix (the same applies hereinafter).
しかしこのヤコビ行列AのランクはCMGのジンバル角によって変化する。とくにCMGが特異と呼ばれる状態ではヤコビ行列Aのランクが2以下になって、上式の逆行列を求めることができない。このことはCMGが特異に近い状態であっても同様であり、具体的にはヤコビ行列Aの条件数が10以上であると、上式の逆行列を求めることはできても、その値が過大になって、ジンバル角速度dθ/dtの値も過大になり支障を生じる。 However, the rank of the Jacobian matrix A varies depending on the CMG gimbal angle. In particular, when the CMG is called singular, the rank of the Jacobian matrix A becomes 2 or less, and the inverse matrix of the above equation cannot be obtained. This is the same even when the CMG is nearly singular. Specifically, if the condition number of the Jacobian matrix A is 10 or more, the inverse matrix of the above equation can be obtained, but the value is When it becomes excessive, the value of the gimbal angular velocity dθ / dt also becomes excessive, causing trouble.
このような特異に近い状態も含めてCMGの特異状態と呼ぶと、CMGの特異状態はしばしば出現する状態であり、CMGを用いる人工衛星の姿勢制御系の大きな技術的課題であり、その対処法がつねに問題となっている。 CMG singular states, including those close to singularities, are a state where CMG singular states often appear, which is a major technical issue in the attitude control system of satellites using CMG. Has always been a problem.
実際、CMGの特異状態において、ヤコビ行列の逆行列を近似的に求めるために、さまざまな工夫が試みられてきた。その中で代表的な方法のひとつは、上述の特許文献1に記載されている方法である。この方法によれば、姿勢制御トルクτからCMGのジンバル角速度dθ/dtをつぎのように求める(式(3))。
In fact, various attempts have been made to approximate the inverse of the Jacobian matrix in the singular state of CMG. One of the typical methods is the method described in
ここでκはCMGが特異状態になっても逆行列を求められるようにする任意の正定数であり、Iは単位行列、またPはCMGが特異状態を回避できるように微小擾乱を与える行列であり、つぎの形で表される。
Here, κ is an arbitrary positive constant that allows an inverse matrix to be obtained even when CMG is in a singular state, I is a unit matrix, and P is a matrix that gives a minute disturbance so that CMG can avoid a singular state. Yes, with the following form:
ここでεi(t)(i=1、2、3)は、時変の微小擾乱を与える項であり、CMGが特異状態にとどまるのを回避する働きをもつ。εi(t)は、例えば次式(5)で与えられる。
Here, ε i (t) (i = 1, 2, 3) is a term giving a time-varying minute disturbance, and has a function of avoiding CMG staying in a singular state. ε i (t) is given by, for example, the following equation (5).
この方法では、定数κと行列Pを従来のヤコビ行列に加えることによって、CMGが特異状態になったときに、ジンバル角速度dθ/dtが発散するのを防ぐとともに、CMGが特異状態にとどまるのを回避している。 In this method, the constant κ and the matrix P are added to the conventional Jacobian matrix to prevent the gimbal angular velocity dθ / dt from diverging when the CMG enters the singular state, and to prevent the CMG from remaining in the singular state. It is avoiding.
これらは、CMGの特異状態において一定の効果を発揮するが、計算の中にκやεiのように任意に設定することのできる定数が含まれており、その与え方によって効果も異なったものとなるが、与え方の明確な指針はなく、試行錯誤的に決定される。 These have a certain effect in the singular state of CMG, but constants that can be arbitrarily set like κ and ε i are included in the calculation, and the effect also varies depending on how to give it However, there is no clear guidance on how to give it, and it is determined on a trial and error basis.
また、κによってCMGの特異状態におけるジンバル角速度dθ/dtの発散は防ぐことができるが、実現される姿勢制御トルクτが姿勢制御系から与えられる姿勢制御トルクと大きく異なる可能性がある。さらに、εiによってCMGが特異状態にとどまるのを回避する効果は期待できるが、つねに有効であるという保証はなく、εiを用いても特異状態にとどまる状況もありうる。 Further, κ can prevent the gimbal angular velocity dθ / dt from diverging in the singular state of the CMG, but the posture control torque τ to be realized may be significantly different from the posture control torque applied from the posture control system. Furthermore, an effect of avoiding CMG from staying in a singular state by ε i can be expected, but there is no guarantee that it is always effective, and there may be a situation where ε i is used to stay in a singular state.
以上述べたように、このような人工衛星の姿勢制御装置にあっては、CMGが特異状態にあるときに、精度よくかつ確実に特異状態を回避するように、人工衛星の姿勢制御トルクτからCMGのジンバル角速度dθ/dtを求める手段を提供するものではない。 As described above, in such an attitude control device for an artificial satellite, when the CMG is in a singular state, from the attitude control torque τ of the artificial satellite so as to avoid the singular state accurately and reliably. It does not provide a means for obtaining the CMG gimbal angular velocity dθ / dt.
また、任意に設定することのできるパラメータが多く、それらは人工衛星の慣性モーメントやCMGのもつ角運動量、CMGのジンバル角速度の上限値などを考慮して試行錯誤的に決定する必要があり、効果的に適用するためには多くの事前の検証を必要とするなどの問題点もあった。 In addition, there are many parameters that can be set arbitrarily, and they must be determined by trial and error in consideration of the moment of inertia of the satellite, the angular momentum of the CMG, the upper limit of the CMG gimbal angular velocity, etc. In order to apply this method, there were problems such as requiring many prior verifications.
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、CMGが特異状態にあっても姿勢制御トルクからジンバル角速度を、確実にかつ精度よく求めることのできる人工衛星の姿勢制御装置を得ることを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and the attitude of an artificial satellite that can reliably and accurately determine the gimbal angular velocity from the attitude control torque even when the CMG is in a singular state. The purpose is to obtain a control device.
本発明に係る人工衛星の姿勢制御装置は、ロータ軸の回りを回転するロータと、当該ロータ軸に直交するジンバル軸の回りに上記ロータを回転させるジンバルとを有し、人工衛星に搭載された複数台のCMGと、当該CMGの上記ジンバルの回転を制御するジンバル制御部と、人工衛星の姿勢を制御する姿勢制御部と、姿勢制御部の出力である姿勢制御トルクをCMGのジンバル角速度に分解するステアリング制御部と、を備え、当該ステアリング制御部において、上記CMGが特異状態に近い場合には、人工衛星の微小角運動量変化と上記CMGの微小ジンバル角変化の関係から、CMGの微小ジンバル角変化を求め、求めたCMGの微小ジンバル角変化から得られるCMGのジンバル角速度をステアリング制御部の出力とするようにしたものである。 An attitude control device for an artificial satellite according to the present invention includes a rotor that rotates around a rotor axis, and a gimbal that rotates the rotor around a gimbal axis orthogonal to the rotor axis, and is mounted on the artificial satellite. Multiple CMGs, a gimbal control unit that controls the rotation of the gimbal of the CMG, an attitude control unit that controls the attitude of the satellite, and the attitude control torque that is the output of the attitude control unit is decomposed into CMG gimbal angular velocities The steering control unit, and in the steering control unit, when the CMG is close to a singular state, the CMG's micro gimbal angle is calculated from the relationship between the satellite's micro angular momentum change and the CMG's micro gimbal angle change. The change is obtained, and the CMG gimbal angular velocity obtained from the obtained minute change of the CMG gimbal angle is used as the output of the steering control unit.
この発明によれば、複数台のCMGにおいて、CMGが特異状態にあっても、微小角運動量変化と微小ジンバル角変化の間の非線形関係に基づいて微小ジンバル角変化の解を求めるようにしたので、確実に微小ジンバル角変化の解を求めることができる。またCMGが特異状態にあってもジンバル角の変化を最小限に抑えることができ、かつ、CMGが特異状態にとどまることも自然に回避できる、といった従来にない顕著な効果を奏するものである。 According to this invention, in a plurality of CMGs, even when the CMG is in a singular state, the solution of the minute gimbal angle change is obtained based on the nonlinear relationship between the minute angular momentum change and the minute gimbal angle change. Thus, it is possible to reliably obtain a solution for the minute gimbal angle change. In addition, even if the CMG is in a singular state, the change in the gimbal angle can be minimized, and it is possible to naturally avoid that the CMG stays in the singular state.
実施の形態1.
図1は本発明において用いる人工衛星の姿勢制御用アクチュエータである単一ジンバルCMGの概念図である。CMGはスピン軸回りに高速で回転するホイールとそのホイールの回転軸を回転させるためのジンバル軸から構成される。ホイールの高速回転によりスピン軸回りに一定量の角運動量を有するが、その角運動量の向きをジンバル軸回りに回転させることにより人工衛星本体に大きな反作用トルクが働き、このトルクを姿勢制御に利用する。
FIG. 1 is a conceptual diagram of a single gimbal CMG that is an attitude control actuator for an artificial satellite used in the present invention. The CMG is composed of a wheel that rotates at high speed around the spin axis and a gimbal shaft that rotates the rotation axis of the wheel. The wheel has a certain amount of angular momentum around the spin axis due to high-speed rotation of the wheel, but by rotating the direction of the angular momentum around the gimbal axis, a large reaction torque acts on the satellite body, and this torque is used for attitude control .
図2はこのCMGを人工衛星に複数台配置する場合の一例を示す。CMGは通常、この図のように4台程度が人工衛星に配置され、これらの複数台のCMGを協調して動作させることで人工衛星の姿勢制御を実現する。図2の場合は、各CMGが四角錐の底辺に配置されることからピラミッド配置と呼ばれ、CMGの典型的な配置例の一つである。 FIG. 2 shows an example in which a plurality of CMGs are arranged on an artificial satellite. Usually, about 4 CMGs are arranged on the artificial satellite as shown in this figure, and the attitude control of the artificial satellite is realized by operating these CMGs in cooperation. In the case of FIG. 2, each CMG is arranged at the bottom of the quadrangular pyramid, so it is called a pyramid arrangement, and is one of typical arrangement examples of the CMG.
図3は本発明における人工衛星の姿勢制御装置のブロック図の一例を示すものである。人工衛星の姿勢目標値2が与えられると、姿勢制御部3では、姿勢目標値2と人工衛星の姿勢角との偏差から、人工衛星の姿勢角を姿勢目標値2に近づけるようにフィードバック制御を行う。この姿勢制御部3の出力として人工衛星の姿勢制御トルクが得られるが、この姿勢制御トルクを実現するためにはCMGのジンバル角の動きによって人工衛星本体に所望の反作用トルクが働くようにする必要がある。このためにCMGのジンバル角の角速度、角度の目標値を与えるのがステアリング制御部4であり、本発明はこのステアリング制御部4に係るものである。
FIG. 3 shows an example of a block diagram of an attitude control device for an artificial satellite according to the present invention. When the
人工衛星の姿勢制御トルクτ(3次のベクトル)とCMGのジンバル角速度dθ/dt(n次のベクトル)との間にはつぎの線形関係がある。ただしヤコビ行列はジンバル角θの関数となるので、それを明示するために以下ではA(θ)と表す。
The following linear relationship exists between the attitude control torque τ (third-order vector) of the artificial satellite and the CMG gimbal angular velocity dθ / dt (n-order vector). However, since the Jacobian matrix is a function of the gimbal angle θ, it will be expressed as A (θ) below in order to clarify it.
上式(6)において、CMGが特異状態にあるときには、ヤコビ行列A(θ)のランクが2以下になるので、姿勢制御トルクτを実現するようなジンバル角速度dθ/dtを求めることができない。 In the above equation (6), when the CMG is in a singular state, the Jacobian matrix A (θ) has a rank of 2 or less, and thus the gimbal angular velocity dθ / dt that realizes the attitude control torque τ cannot be obtained.
一方、CMG全体のもつ角運動量をhとすれば、hもジンバル角θの関数h(θ)となり、上式を次式で表すこともできる。
On the other hand, if the angular momentum of the entire CMG is h, h is also a function h (θ) of the gimbal angle θ, and the above equation can also be expressed by the following equation.
ここで姿勢制御トルクτが一定と見なされる短い時間を微小時間Δtとする。微小時間Δtの間隔は姿勢制御系の帯域によって異なるが、ほぼ0.2〜0.3秒程度の値と考えることができる。この微小時間Δtの間のジンバル角変化をΔθとすれば、次式(8)が得られる。
Here, a short time during which the attitude control torque τ is regarded as constant is defined as a minute time Δt. The interval of the minute time Δt varies depending on the band of the attitude control system, but can be considered as a value of about 0.2 to 0.3 seconds. If the gimbal angle change during this minute time Δt is Δθ, the following equation (8) is obtained.
本発明では、CMGが特異状態にあって、姿勢制御トルクτからジンバル角速度dθ/dtを決定できないときに、上式に基づいてジンバル角度の微小変化分Δθを決定するものである。 In the present invention, when the CMG is in a singular state and the gimbal angular velocity dθ / dt cannot be determined from the attitude control torque τ, the minute change Δθ of the gimbal angle is determined based on the above equation.
これを図4のフローチャートに基づいてさらに詳しく説明する。上式はΔθに対する非線形の方程式なので、通常はこれを解析的に解くことはできない。しかし、時間を上式のΔtまで延ばすことによって得られるこの非線形関係を用いると、線形関係では省略されていた2次以上の微小項の影響も含まれることになるので、線形関係では解の得られない場合にも解を得ることが可能になる。 This will be described in more detail based on the flowchart of FIG. Since the above equation is a nonlinear equation with respect to Δθ, it cannot usually be solved analytically. However, if this nonlinear relationship obtained by extending the time to Δt in the above equation is used, the influence of second-order or higher-order microterms omitted in the linear relationship is included. It is possible to obtain a solution even if it is not possible.
この解を繰り返し計算で得ることにすると、まず解Δθの適当な近似値を設定する必要がある。これがS1にあたる。この近似値をΔθiとおくと、次式(9)によって角運動量誤差Δherrを求めることができる。
If this solution is obtained by repeated calculation, it is necessary to first set an appropriate approximate value of the solution Δθ. This is S1. If this approximate value is Δθ i , the angular momentum error Δh err can be obtained by the following equation (9).
上式の計算を行うのがS2にあたる。このΔherrの大きさを0(ゼロ)と見なすことができれば、このときのΔθiをΔθの解として採用することができる。また、このΔherrの大きさを0(ゼロ)と見なすことができない場合には、Δθiの値を更新して、この値をより小さくするようにする必要がある。この判断を行うのがS3である。 The calculation of the above equation corresponds to S2. If the magnitude of Δh err can be regarded as 0 (zero), Δθ i at this time can be adopted as a solution for Δθ. Further, when the magnitude of Δh err cannot be regarded as 0 (zero), it is necessary to update the value of Δθ i to make this value smaller. It is S3 that makes this determination.
仮にΔherrが十分に小さくはなく、更新の必要がある場合には、
の状態に近づけるようなΔθiを、Δθの更新値Δθi+1として用いる。この更新を行うのがS4である。Δherrの大きさが十分に小さくなるまで、この更新を繰り返すことにより、十分な精度を有するジンバル角の変化量Δθが得られる。こうしてΔθが得られれば、ジンバル角速度dθ/dtは
として求めることができる。
If Δh err is not small enough and needs to be updated,
Δθ i that approaches the state of is used as the updated value Δθ i + 1 of Δθ. It is S4 that performs this update. By repeating this update until Δh err becomes sufficiently small, a change amount Δθ of the gimbal angle having sufficient accuracy can be obtained. If Δθ is obtained in this way, the gimbal angular velocity dθ / dt is
Can be obtained as
このように、ステアリング制御部4において、従来の姿勢制御トルクτとジンバル角速度dθ/dtの関係ではなく、姿勢制御トルクに微小時間をかけたτΔtと微小ジンバル角変化Δθの間の、Δθの2次以上の項も含む関係を用いるようにしたので、2次以上の項の効果によって、Δθの1次だけを含む線形関係では解の得られない場合にもΔθの解を求めることができ、CMGが特異状態にあっても、CMGのジンバル角が発散することのない、信頼性の高い人工衛星の姿勢制御装置を構成できる。
As described above, in the
実施の形態2.
図5は本発明の実施の形態2に係るジンバル角の微小変化量の近似値を求めるフローチャートである。h(θ+Δθ)をテイラー級数展開することによってτΔtは次式(12)で近似できる。
ここでH(θ)はヘッセ行列と呼ばれ、各成分を3次のベクトルとするようなn×n行列となる。
FIG. 5 is a flowchart for obtaining an approximate value of the minute change amount of the gimbal angle according to the second embodiment of the present invention. τΔt can be approximated by the following equation (12) by expanding the Taylor series of h (θ + Δθ).
Here, H (θ) is called a Hessian matrix, and becomes an n × n matrix in which each component is a third-order vector.
上式の右辺第1項は通常の姿勢制御トルクτとジンバル角速度dθ/dtの線形関係を表しており、右辺第2項が2次の非線形項を表している。この関係が図5のS6にあたる。実施の形態2においては、この関係をもとに、この関係を満たすΔθの値を導く方法を以下に示す。この関係は、n次のベクトルであるΔθの2次項を含む非線形な関係なので、2次ではあるが解を解析的に与えることは容易ではない。 The first term on the right side of the above equation represents the linear relationship between the normal attitude control torque τ and the gimbal angular velocity dθ / dt, and the second term on the right side represents the second-order nonlinear term. This relationship corresponds to S6 in FIG. In the second embodiment, a method of deriving a value of Δθ that satisfies this relationship based on this relationship will be described below. Since this relationship is a non-linear relationship including a second-order term of Δθ that is an n-th order vector, it is not easy to analytically give a solution although it is a second order.
そこで、この場合にも解を繰り返し計算で求めることにして、最初にΔθのの近似値を初期値として与える。これが図5のS7にあたる。この場合の近似値はΔθ=0(ゼロ)、または、適当な微小量を設定しておけばよい。つぎにこの近似値をΔθiとして、次式によって角運動量誤差Δherrを求める。
上式の計算を行うのがS8にあたる。
Therefore, also in this case, the solution is obtained by repeated calculation, and an approximate value of Δθ is first given as an initial value. This corresponds to S7 in FIG. The approximate value in this case may be set to Δθ = 0 (zero) or an appropriate minute amount. Next, an angular momentum error Δh err is obtained by the following equation using this approximate value as Δθ i .
The calculation of the above equation corresponds to S8.
このΔherrの大きさを0(ゼロ)と見なすことができれば、このときのΔθiをΔθの解として採用することができる。また、このΔherrの大きさを0(ゼロ)と見なすことができない場合には、Δθiの値を更新して、この値をより小さくするようにする必要がある。この判断を行うのがS9である。 If the magnitude of Δh err can be regarded as 0 (zero), Δθ i at this time can be adopted as a solution for Δθ. Further, when the magnitude of Δh err cannot be regarded as 0 (zero), it is necessary to update the value of Δθ i to make this value smaller. This determination is made in S9.
かりにΔherrが十分に小さくはなく、更新の必要がある場合には、Δθの更新値Δθi+1を次式(14)で求める。
ただし記号†は擬似逆行列を表す。この更新を行うのがS10である。
If Δh err is not sufficiently small and needs to be updated, an updated value Δθ i + 1 of Δθ is obtained by the following equation (14).
The symbol † represents a pseudo inverse matrix. This update is performed in S10.
Δherrの大きさが十分に小さくなるまで、この更新を繰り返すことにより、Δθの2次の項を含む関係に対して、十分な精度を有するジンバル角の変化量Δθが得られる。この場合、対象とする方程式は2次の非線形項しか含んでいないので、一般の非線形の場合に比べれば解を得ることは容易である。 By repeating this update until the magnitude of Δh err becomes sufficiently small, a change amount Δθ of the gimbal angle having sufficient accuracy can be obtained for the relation including the quadratic term of Δθ. In this case, since the target equation includes only a second-order nonlinear term, it is easier to obtain a solution than a general nonlinear case.
この方法は、Δherr=0(ゼロ)を実現するようなΔθを近似的に求めることになるので、図4のフローチャートを実行する過程において用いれば、最終的な、2次以上の非線形を含む方程式の解を効率的に求めることができる。 Since this method approximately obtains Δθ that realizes Δh err = 0 (zero), if it is used in the process of executing the flowchart of FIG. 4, it includes a final second-order nonlinearity. The solution of the equation can be obtained efficiently.
具体的には、図4のフローチャートのS1およびS4においてΔherr=0(ゼロ)を実現するΔθの近似値が必要であり、そのステップにおいて図5のフローチャートを実行する。その結果、本来の目的である、τΔt=h(θ+Δθ)−h(θ)を満たすΔθを短時間で得ることが可能になる。 Specifically, an approximate value of Δθ that realizes Δh err = 0 (zero) is required in S1 and S4 of the flowchart of FIG. 4, and the flowchart of FIG. 5 is executed at that step. As a result, Δθ satisfying τΔt = h (θ + Δθ) −h (θ), which is the original purpose, can be obtained in a short time.
以上のように、実施の形態2に係る発明では、求める方程式をΔθの2次までの項に限定し、その範囲でΔθの解を求めるようにしたので、この結果を用いれば、本来のΔθの3次以上の項を含む方程式の解も効率的に求めることができ、CMGが特異状態にあってもジンバル角速度の解を短時間で確実に求めることができる。 As described above, in the invention according to the second embodiment, the equation to be obtained is limited to the terms up to the second order of Δθ, and the solution of Δθ is obtained within that range. It is also possible to efficiently obtain a solution of an equation including a third-order term, and to reliably obtain a solution of the gimbal angular velocity in a short time even when the CMG is in a singular state.
実施の形態3.
図6は本発明の実施の形態3に係るジンバル角の微小変化量の近似値を求めるフローチャートである。前述したように、h(θ+Δθ)をテイラー級数展開することによってτΔtは次式(15)で近似できる。
ここで上式はn次元ベクトルΔθに関する3個の連立方程式である。
FIG. 6 is a flowchart for obtaining an approximate value of the minute change amount of the gimbal angle according to the third embodiment of the present invention. As described above, τΔt can be approximated by the following equation (15) by developing Taylor series of h (θ + Δθ).
Here, the above equation is three simultaneous equations concerning the n-dimensional vector Δθ.
この関係を図6のS12に示すが、これは図5のS6と同じものである。通常、この方程式はΔθの各成分が連立した複雑な2次方程式となるので、容易に解くことはできず、実装性の面からは、図5のように繰り返し計算を用いるのが一般的方法となる。 This relationship is shown in S12 of FIG. 6, which is the same as S6 of FIG. Normally, this equation is a complex quadratic equation in which each component of Δθ is coupled, and therefore cannot be easily solved. From the viewpoint of mounting, it is a general method to use iterative calculation as shown in FIG. It becomes.
しかし、高次の代数方程式を解くことにすれば、上式を解析的に扱うこともできる。上式は3成分を有するので、上式を満たすのに必要なΔθの成分は3つとなる。これをΔθにおける従属変数ΔθDとする。それに対して、Δθの残りの(n−3)個の成分は独立に値を設定しうる成分となるので、これを独立変数ΔθIとする。このステップがS13にあたる。この独立変数ΔθIについては任意に値を設定できるが、たとえば0(ゼロ)を設定しておけばよい。この値を設定する部分がS14である。 However, if the higher-order algebraic equations are solved, the above equation can be treated analytically. Since the above equation has three components, there are three components of Δθ necessary to satisfy the above equation. This is defined as a dependent variable Δθ D in Δθ. On the other hand, since the remaining (n-3) components of Δθ are components whose values can be set independently, this is set as an independent variable Δθ I. This step corresponds to S13. A value can be arbitrarily set for this independent variable Δθ I , but for example, 0 (zero) may be set. The part where this value is set is S14.
このとき、グレブナー基底(例えば、野呂 正行、横山 和弘著、「グレブナー基底の計算 基礎篇」、東京大学出版会、2003年参照)のような解計算を単純化する数学的手段を用いることにより、S12に示す3個の連立方程式の解計算は、以下の3個の代数方程式を解くことに帰着できる。1個はΔθDのある1成分に対する8次の代数方程式である。残りの2個は、ΔθDの残りの2成分に対する1次の代数方程式である。ここで後者の残りの2個の代数方程式の解計算では、前者の8次の代数方程式の解が用いられる。 At this time, by using mathematical means to simplify solution calculation such as Gröbner basis (for example, Masayuki Noro, Kazuhiro Yokoyama, “Gröbner basis calculation basics”, The University of Tokyo Press, 2003) The solution calculation of the three simultaneous equations shown in S12 can be reduced to solving the following three algebraic equations. One is an 8th-order algebraic equation for one component of Δθ D. The remaining two are first-order algebraic equations for the remaining two components of Δθ D. Here, in the solution calculation of the remaining two algebraic equations, the solution of the former 8th-order algebraic equation is used.
したがって、この3個の代数方程式を解くことにすれば、繰り返し計算を用いないでも解を求めることが可能になる。このステップがS15である。こうして、Δθに関する解は得られるが、ΔθIの値の設定によってΔθDの解も異なるものとなるので、解を評価して、それが満足のいくものであるかどうかを判断する。これを行うステップがS16である。これは、たとえばΔθの解の大きさ(Δθのノルム)で評価すればよい。 Therefore, if these three algebraic equations are solved, a solution can be obtained without using iterative calculation. This step is S15. Thus, although a solution for Δθ is obtained, the solution for Δθ D also varies depending on the setting of the value of Δθ I , so the solution is evaluated to determine whether it is satisfactory. The step for doing this is S16. This may be evaluated by, for example, the magnitude of the solution of Δθ (norm of Δθ).
もしも、解が望ましくない場合には、Δθの解の大きさが小さくなるようにΔθIの値を更新することになるが、これを行うステップがS17になる。ただし、この方法ではS12に示す方程式を満たす解析解が得られるので、ΔθIの値の更新は必ずしも必要ではない。例えば、ΔθIの初期値によって得られるΔθの解の大きさが満足のいくものであれば、ステップS17は省略することができる。 If the solution is not desirable, the value of Δθ I is updated so that the size of the solution of Δθ is reduced, but the step of doing this is S17. However, with this method, an analytical solution that satisfies the equation shown in S12 can be obtained, so that the value of Δθ I need not be updated. For example, if the size of the solution of [Delta] [theta] obtained by the initial value of [Delta] [theta] I have satisfactory step S17 can be omitted.
以上のように、実施の形態3に係る発明では、求める方程式をΔθの2次までの項に限定し、その範囲でΔθの解析解を求めるようにしたので、繰り返し計算を用いることなく、CMGが特異状態にあってもジンバル角速度の解を短時間で確実に求めることができる。 As described above, in the invention according to the third embodiment, the equation to be obtained is limited to terms up to the second order of Δθ, and an analytical solution for Δθ is obtained within that range, so that CMG is not used without iterative calculation. Even in a singular state, a solution for the gimbal angular velocity can be obtained reliably in a short time.
実施の形態4.
つぎに実施の形態4に係る姿勢制御装置の動作について説明する。CMGが特異状態にあるときに、人工衛星の姿勢制御トルクを微小時間Δtで積分した微小角運動量変化を実現するような、CMGのジンバル角変化Δθを求めると、CMGが通過困難な特異状態にある場合には、Δθの値が必ずしも微小ではない状況が発生しうる。この場合、Δt間でこのΔθを実現することになるので、Δθ/Δtの大きさが過大になり、ジンバル角速度がハードウェアの上限値を超えてしまう可能性がある。このような状況に対処するために、ジンバル角の微小変化Δθの大きさ|Δθ|に閾値δを設けて、|Δθ|>δの場合には、次式(16)でΔθを修正する。
Next, the operation of the attitude control device according to the fourth embodiment will be described. When the CMG is in a singular state, the CMG gimbal angle change Δθ that realizes a minute angular momentum change that integrates the attitude control torque of the artificial satellite with a minute time Δt is found to be a singular state in which the CMG is difficult to pass. In some cases, a situation may occur in which the value of Δθ is not necessarily minute. In this case, since this Δθ is realized between Δt, the magnitude of Δθ / Δt becomes excessive, and the gimbal angular velocity may exceed the upper limit value of the hardware. In order to cope with such a situation, a threshold value δ is provided for the magnitude | Δθ | of the minute change Δθ of the gimbal angle. If | Δθ |> δ, Δθ is corrected by the following equation (16).
このΔφをΔθの代わりに用いると、結果的に実現される姿勢制御トルクτも修正を受ける。これは特異状態において回避しづらいトルクの向きを避けることになり、結果的に特異状態をスムーズに回避することにつながる。 When this Δφ is used instead of Δθ, the resultant attitude control torque τ is also corrected. This avoids the direction of torque that is difficult to avoid in the singular state, and as a result, the singular state is smoothly avoided.
以上のように、実施の形態4に係る発明では、CMGが特異状態にあるときに、人工衛星の微小角運動量変化(姿勢制御トルクτを一定と見なせる微小時間Δtにおける、角運動量の変化)からCMGのジンバル角変化を求め、その大きさがある閾値を超える場合には、その大きさを閾値で制限するようにしたので、実現される姿勢制御トルクも特異状態を回避するように修正を受け、CMGが通過困難な特異状態にあっても自然に特異状態を回避することが可能になる。なお、ここではCMGのジンバル角変化をベクトルとしてとらえ、その大きさを制限するようにしたが、各CMGのジンバル角変化に対して閾値を設定するようにしても、同様の効果を得ることができる。 As described above, in the invention according to the fourth embodiment, when the CMG is in a singular state, from the minute angular momentum change of the artificial satellite (change in angular momentum during the minute time Δt in which the attitude control torque τ can be regarded as constant). The CMG gimbal angle change is obtained, and when the magnitude exceeds a certain threshold value, the magnitude is limited by the threshold value, so the attitude control torque to be realized is also modified to avoid a singular state. Even if the CMG is in a singular state where passage is difficult, it is possible to avoid the singular state naturally. Here, the CMG gimbal angle change is regarded as a vector and its size is limited, but the same effect can be obtained even if a threshold is set for each CMG gimbal angle change. it can.
1 CMG、2 姿勢目標値、3 姿勢制御部、4 ステアリング制御部、5 ジンバル制御部、6 CMGジンバルダイナミクス、7 衛星姿勢ダイナミクス。 1 CMG, 2 attitude target values, 3 attitude control units, 4 steering control units, 5 gimbal control units, 6 CMG gimbal dynamics, 7 satellite attitude dynamics.
Claims (4)
当該CMGの上記ジンバルの回転を制御するジンバル制御部と、
人工衛星の姿勢を制御する姿勢制御部と、
姿勢制御部の出力である姿勢制御トルクをCMGのジンバル角速度に分解するステアリング制御部と、を備え、
当該ステアリング制御部において、上記CMGが特異状態に近い場合には、人工衛星の微小角運動量変化と上記CMGの微小ジンバル角変化の関係から、CMGの微小ジンバル角変化を求め、求めたCMGの微小ジンバル角変化から得られるCMGのジンバル角速度をステアリング制御部の出力とすることを特徴とする人工衛星の姿勢制御装置。 A rotor that rotates around the rotor axis, and a gimbal that rotates the rotor around a gimbal axis orthogonal to the rotor axis, and a plurality of CMGs mounted on an artificial satellite;
A gimbal control unit for controlling rotation of the gimbal of the CMG;
An attitude control unit for controlling the attitude of the artificial satellite;
A steering control unit that decomposes the attitude control torque, which is an output of the attitude control unit, into a CMG gimbal angular velocity,
In the steering control unit, when the CMG is close to a singular state, the CMG minute gimbal angle change is obtained from the relationship between the minute angular momentum change of the artificial satellite and the minute gimbal angle change of the CMG. A satellite attitude control device characterized in that the CMG gimbal angular velocity obtained from the change in gimbal angle is used as the output of the steering control unit.
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