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JPS6147760B2 - - Google Patents
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JPS6147760B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6147760B2
JPS6147760B2 JP55131238A JP13123880A JPS6147760B2 JP S6147760 B2 JPS6147760 B2 JP S6147760B2 JP 55131238 A JP55131238 A JP 55131238A JP 13123880 A JP13123880 A JP 13123880A JP S6147760 B2 JPS6147760 B2 JP S6147760B2
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JP
Japan
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axis
satellite
angular velocity
yaw
roll angle
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JP55131238A
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Japanese (ja)
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JPS5755300A (en
Inventor
Masao Inoe
Kazuo Tsucha
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明はリアクシヨンホイールを有するバイ
アスモーメンタイム衛星において、ヨー角信号を
使わずにリアクシヨンホイールを駆動させる三軸
衛星姿勢制御装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a three-axis satellite attitude control device for driving a reaction wheel without using a yaw angle signal in a bias moment time satellite having a reaction wheel.

三軸衛星とは衛星に固定された3つの座標軸X
(ロール軸)、Y(ピツチ軸)、Z(ヨー軸)がそ
れぞれ進行方向、軌道面と垂直な方向、地球の中
心方向と一致するように制御されている人工衛星
のことをいう。そして、各軸X,Y,Zまわりの
回転角度を姿勢角といい、それぞれロール角、ピ
ツチ角、ヨー角と呼ぶ。
A three-axis satellite has three coordinate axes fixed to the satellite.
An artificial satellite that is controlled so that its (roll axis), Y (pitch axis), and Z (yaw axis) are aligned with the direction of travel, the direction perpendicular to the orbital plane, and the direction toward the center of the earth, respectively. The rotation angles around the respective axes X, Y, and Z are called attitude angles, and are called roll angles, pitch angles, and yaw angles, respectively.

通常、三軸衛星姿勢制御装置は第1図に示すよ
うに構成されている。
Usually, a three-axis satellite attitude control system is configured as shown in FIG.

図において、1はロール角とピツチ角とを検出
する地球センサ、2はモーメンタムホイール、3
はリアクシヨンホイール、4はこの2つのホイー
ル2,3を駆動する制御装置である。なお、図
中、X,Y,Zの座標軸はそれぞれロール軸、ピ
ツチ軸、ヨー軸を示す。
In the figure, 1 is an earth sensor that detects the roll angle and pitch angle, 2 is a momentum wheel, and 3 is a momentum wheel.
is a reaction wheel, and 4 is a control device that drives these two wheels 2 and 3. In the figure, the X, Y, and Z coordinate axes indicate the roll axis, pitch axis, and yaw axis, respectively.

第1図において、モーメンタムホイール2はピ
ツチ軸へ大きな角運動量を与えて、外乱トルクに
対する姿勢変動を小さくする働きを持つと同時
に、地球センサ1で検出されたピツチ角誤差を零
にするようにホイールの回転が制御されるように
構成されている。またリアクシヨンホイール3は
同様に地球センサ1によつて検出されたロール角
誤差を零にするようにホイールの回転が制御され
るように構成されている。以上の構成を動作とし
て図に表わしたのが第2図である。特にバイアス
モーメンタム方式の三軸衛星では、ロール運動と
ヨー運動とがモーメンタムホイールの角動量のた
めに強く連成しているので、ロール角を制御して
おけば観測困難なヨー角を検出しなくても間接的
にヨー角が制御されるという利点がある。
In FIG. 1, the momentum wheel 2 has the function of giving a large angular momentum to the pitch axis to reduce posture fluctuations due to disturbance torque, and at the same time, the momentum wheel 2 is designed to reduce the pitch angle error detected by the earth sensor 1 to zero. The rotation is controlled. Similarly, the reaction wheel 3 is configured such that the rotation of the wheel is controlled so as to make the roll angle error detected by the earth sensor 1 zero. FIG. 2 shows the above configuration as an operation. In particular, in a bias momentum three-axis satellite, the roll motion and yaw motion are strongly coupled due to the angular motion of the momentum wheel, so if the roll angle is controlled, the yaw angle, which is difficult to observe, will not be detected. The advantage is that the yaw angle can be controlled indirectly.

このような構成の三軸衛星では、検出したピツ
チ角とロール角信号をフイルタを通して位相を変
え、このフイルタからの出力に比例したトルクで
各々のホイールを回転させるように制御装置4が
働く。ここでピツチ制御回路は通常の位相進み回
路で特に問題はないが、ロール制御回路は系の安
定化のため非最小回路になる。非最小位相回路と
は出力の位相が入力よりも180度以上遅れる特性
をもつフイルターの一種である。従来この回路の
伝達関数は、例えばK1−TS/1+TSというよ
うな形で 表わされ、正の実数極をもつ形のものであつた。
In a three-axis satellite having such a configuration, the control device 4 operates to change the phase of the detected pitch angle and roll angle signals through a filter, and rotate each wheel with a torque proportional to the output from the filter. Here, the pitch control circuit is a normal phase advance circuit and there is no particular problem, but the roll control circuit is a non-minimum circuit in order to stabilize the system. A non-minimum phase circuit is a type of filter that has the characteristic that the output phase lags the input phase by 180 degrees or more. Conventionally, the transfer function of this circuit has been expressed in the form, for example, K1- T2S /1+ T1S , and has a positive real number pole.

しかし、このような回路の場合には、系の減衰
率を安定に上げることが困難であり、また、第2
図のように制御方式がロール角設定値とロール角
信号との差だけを入力としたものであるため、設
定値を変えた際には過度的に逆応答するなど好ま
しくない特性をもつていた。
However, in the case of such a circuit, it is difficult to stably increase the attenuation rate of the system, and the second
As shown in the figure, since the control method only takes as input the difference between the roll angle setting value and the roll angle signal, it has undesirable characteristics such as an excessively reverse response when the setting value is changed. .

この発明は以上のような従来のものの欠点をな
くすためになされたもので、ロール角信号とリア
クシヨンホイールの駆動トルク信号とから衛星の
ダイナミツクスを考慮してヨー角速度を推定する
観測器を構成し、推定されたヨー角速度をロール
角信号と合わせてリアクシヨンホイールへフイー
ドバツクすることによつて衛星の減衰特性と設定
値入力に対する過渡応答特性とを改善することを
目的とするものである。
This invention was made in order to eliminate the drawbacks of the conventional systems as described above, and consists of an observation device that estimates the yaw angular velocity from the roll angle signal and the drive torque signal of the reaction wheel, taking into account the dynamics of the satellite. However, by feeding back the estimated yaw angular velocity together with the roll angle signal to the reaction wheel, the purpose is to improve the damping characteristics of the satellite and the transient response characteristics to set value input.

このようなロール角制御装置のブロツク図を第
3図に示す。この図におけるヨー角速度推定観測
器5は地球センサ1から出力される人工衛星10
のロール角信号とリアクシヨンホイール3のリア
クシヨンホイール駆動信号とを入力して、ヨー角
速度を推定するためのものである。推定されたヨ
ー角速度はロール角の、ロール角設定値との誤差
信号との適当な線形結合になつてリアクシヨンホ
イール駆動回路41へフイードバツクされる。こ
こで観測器5からの出力は系のフイードバツク特
性根を変化させないことが知られているので、増
巾器1,6及び増巾器2,7の値はヨー角速度が
直接わかつているときに決められる増巾器と同じ
ものが使用できる。ここでゲイン1、ゲイン2と
は第4図の増巾率を区別して記したものであり、
増巾器を意味するものであるが、増巾率を示すも
のではない。
A block diagram of such a roll angle control device is shown in FIG. In this figure, the yaw angular velocity estimation observation device 5 is an artificial satellite 10 output from the earth sensor 1.
This is for estimating the yaw angular velocity by inputting the roll angle signal of and the reaction wheel drive signal of the reaction wheel 3. The estimated yaw angular velocity is fed back to the reaction wheel drive circuit 41 as a suitable linear combination of the roll angle and the roll angle set value error signal. Here, it is known that the output from the observer 5 does not change the feedback characteristic root of the system, so the values of the amplifiers 1 and 6 and the amplifiers 2 and 7 are determined when the yaw angular velocity is directly known. You can use the same amplifier that is specified. Here, gain 1 and gain 2 are written to distinguish the amplification rates in Fig. 4,
It means an amplification device, but it does not indicate an amplification rate.

観測器5は人工衛星の入力である駆動トルクμ
と出力であるロール角φとを人工衛星の力学的特
性を使つて電気的に処理することによつて観測不
可能なヨー角Ψの変化率推定値Ψを求めるための
ものである。
Observer 5 receives the driving torque μ which is the input of the artificial satellite.
This is to obtain an estimated rate of change Ψ of the unobservable yaw angle Ψ by electrically processing the output roll angle Ψ using the mechanical characteristics of the artificial satellite.

近似的に衛星の短周期運動特性は3次微分方程
式で記述されるが、この観測器も最低2次の微分
方程式となり(1)式で表わすことができる。
Approximately, the short-period motion characteristics of the satellite are described by a third-order differential equation, but this observation device is also a differential equation of at least second order, and can be expressed by equation (1).

ただしφ,Ψはロール角速度、ヨー角速度の推
定値Z1,Z2は観測器の状態変数、l1,l2は観測器
の固有値を求めるのに使われるパラメータであ
る。
Here, φ and Ψ are roll angular velocities, estimated values of yaw angular velocities Z 1 and Z 2 are state variables of the observer, and l 1 and l 2 are parameters used to obtain the eigenvalues of the observer.

なお(1)式では衛星のニユーテーシヨン周期が1
ラジアン毎秒のものと想定してある。なお、ここ
でΨは観測器の出力を示し、ヨー角速度の推定値
である。またφ,Ψ,μはラプラス変換した値、
しない値を区別せずに用いたものである。観測器
5の固有値は通常ニユーテーシヨン角速度の2倍
程度の負の実数となるように選べば良い。このよ
うにして、増巾器1,6、増巾器2,7を適当に
与えれば、衛星の減衰率や特性振動数の範囲をか
なり広くとることができる。また第3図で示して
いるようにロール角設定値入力が直接に、制御入
力として加えられているために、逆応答などの不
自然な特性を除去することができる。上述した観
測器5により、衛星のダイナミツクスを利用して
ヨー角速度をはじめて正確に推定し得る。この推
定されたヨー角速度を用いてリアクシヨンホイー
ルの駆動トルクを制御することにより、衛星の減
衰特性と過渡応答特性を改善することができる。
In addition, in equation (1), the nutrition period of the satellite is 1.
It is assumed to be in radians per second. Note that here, Ψ indicates the output of the observation device and is the estimated value of the yaw angular velocity. Also, φ, Ψ, μ are Laplace transformed values,
The values that do not exist are used without distinction. The eigenvalue of the observation device 5 should normally be selected to be a negative real number about twice the nutrition angular velocity. In this way, by appropriately providing the amplifiers 1 and 6 and the amplifiers 2 and 7, it is possible to considerably widen the range of the damping rate and characteristic frequency of the satellite. Furthermore, as shown in FIG. 3, since the roll angle setting value input is directly applied as a control input, unnatural characteristics such as reverse response can be eliminated. With the above-mentioned observation device 5, the yaw angular velocity can be accurately estimated for the first time using the dynamics of the satellite. By controlling the drive torque of the reaction wheel using this estimated yaw angular velocity, the damping characteristics and transient response characteristics of the satellite can be improved.

なお、上述の実施例では、リアクシヨンホイー
ル回転軸がヨー軸と平行な場合のものを示した
が、第4図に示すように、ヨー軸Zに対してオフ
セツト角αを持つているリアクシヨンホイールの
場合でも観測器のパラメータを変化させるだけで
同様の効果がある。リアクシヨンホイール軸はピ
ツチ軸と平行でなければ任意の方向に取り付けて
よい。またリアクシヨンホイール駆動回路は人工
衛星の内部に設けられている。また、第5図に示
すように、2つのホイール回転軸をピツチ軸Yか
らヨー軸Zの正負方向へ傾けたオフセツト角βを
有するホイール構成を持ち、2つの回転ベクトル
の和でモーメンタムホイールの働きを、また、差
でリアクシヨンホイールの働きをさせるようにし
た複合型モーメンタムホイールをもつ衛星がある
が、このような方式の衛星は本質的に第1図のも
のと等価であるから全く同一の観測器を適用する
ことができる。
In the above embodiment, the reaction wheel rotation axis is parallel to the yaw axis, but as shown in FIG. In the case of wheels, a similar effect can be obtained by simply changing the parameters of the observation device. The reaction wheel axis may be mounted in any direction as long as it is not parallel to the pitch axis. The reaction wheel drive circuit is also installed inside the satellite. In addition, as shown in Fig. 5, the wheel has a wheel configuration in which the two wheel rotation axes are tilted from the pitch axis Y to the positive and negative directions of the yaw axis Z, with an offset angle β, and the momentum wheel function is determined by the sum of the two rotation vectors. There are also satellites with a composite momentum wheel that functions as a reaction wheel, but satellites with this type of system are essentially equivalent to the one in Figure 1, so they are exactly the same. Observers can be applied.

以上のようにこの発明によれば、リアクシヨン
ホイール駆動回路にヨー角速度推定観測器を使用
しているため同じホイール構成の衛星の運動特性
を著しく向上させることが可能である。
As described above, according to the present invention, since the yaw angular velocity estimation and observation device is used in the reaction wheel drive circuit, it is possible to significantly improve the motion characteristics of a satellite having the same wheel configuration.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は通常のバイアスモーメンタム三軸衛星
の制御装置構成図、第2図は従来の制御方式のブ
ロツク図、第3図はこの発明によるヨー角速度推
定観測器を使つた衛星の姿勢制御方式のブロツク
図、第4図および第5図はそれぞれ異つた方式の
三軸衛星の制御装置の構成図である。 図において、1は地球センサ、2はモーメンタ
ムホイール、3はリアクシヨンホイール、4はホ
イール駆動制御装置、41はリアクシヨンホイー
ル駆動回路、5はヨー角速度推定観測器、6は増
巾器1、7は増巾器2、8は複合型モーメンタム
ホイールを示す。なお、図中同一符号は各々同一
または相当部分を示す。
Figure 1 is a configuration diagram of a control system for a normal bias momentum three-axis satellite, Figure 2 is a block diagram of a conventional control system, and Figure 3 is a diagram of a satellite attitude control system using a yaw angular velocity estimation observation device according to the present invention. The block diagrams, FIGS. 4 and 5, are configuration diagrams of three-axis satellite control devices of different types. In the figure, 1 is an earth sensor, 2 is a momentum wheel, 3 is a reaction wheel, 4 is a wheel drive control device, 41 is a reaction wheel drive circuit, 5 is a yaw angular velocity estimation observation device, 6 is an amplifier 1, 7 The amplifiers 2 and 8 are composite momentum wheels. Note that the same reference numerals in the figures indicate the same or corresponding parts.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 人工衛星に固定されたロール軸、ピツチ軸及
びヨー軸がそれぞれ人工衛星の進行方向、軌道面
と垂直な方向、及び地球の中心方向と一致するよ
うに制御される三軸衛星姿勢制御装置において、
上記ロール軸及びピツチ軸まわりの姿勢を示すロ
ール角を検出する地球センサと、検出されたロー
ル角が設定値となるように駆動トルクが制御され
るリアクシヨンホイールと、上記駆動トルクと上
記ロール角とから上記ヨー軸まわりのヨー角速度
を推定するヨー角速度観測器と、推定されたヨー
角速度信号と上記ロール角の、上記設定値との誤
差信号とを加え合せた信号により上記リアクシヨ
ンホイールの駆動トルクを制御するリアクシヨン
ホイール駆動回路とを備えた三軸衛星姿勢制御装
置。
1 In a three-axis satellite attitude control system in which the roll axis, pitch axis, and yaw axis fixed to the satellite are controlled so that they coincide with the direction of travel of the satellite, the direction perpendicular to the orbital plane, and the direction of the center of the earth, respectively. ,
an earth sensor that detects a roll angle indicating the attitude around the roll axis and the pitch axis; a reaction wheel whose driving torque is controlled so that the detected roll angle becomes a set value; and the driving torque and the roll angle. A yaw angular velocity observation device that estimates the yaw angular velocity around the yaw axis from the yaw angular velocity, and a signal that is the sum of the estimated yaw angular velocity signal and an error signal between the roll angle and the set value drives the reaction wheel. A three-axis satellite attitude control system equipped with a reaction wheel drive circuit that controls torque.
JP55131238A 1980-09-20 1980-09-20 Triaxial satellite attitude controller Granted JPS5755300A (en)

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JP55131238A JPS5755300A (en) 1980-09-20 1980-09-20 Triaxial satellite attitude controller

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JPS5755300A JPS5755300A (en) 1982-04-02
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3017820U (en) * 1994-12-08 1995-11-07 株式会社大紅 Device for removing mud adhering to wheels

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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JP3017820U (en) * 1994-12-08 1995-11-07 株式会社大紅 Device for removing mud adhering to wheels

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