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JPH0470198B2 - - Google Patents
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JPH0470198B2 - - Google Patents

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Publication number
JPH0470198B2
JPH0470198B2 JP60056987A JP5698785A JPH0470198B2 JP H0470198 B2 JPH0470198 B2 JP H0470198B2 JP 60056987 A JP60056987 A JP 60056987A JP 5698785 A JP5698785 A JP 5698785A JP H0470198 B2 JPH0470198 B2 JP H0470198B2
Authority
JP
Japan
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satellite
attitude
earth
roll
axis
Prior art date
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JP60056987A
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JPS61215200A (ja
Inventor
Norimasa Yoshida
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、静止軌道に打上げられる地球指向
型の人工衛星の姿勢制御装置に関するものであ
る。
〔従来の技術〕
第4図は地球センサを用いた従来の地球指向型
人工衛星(以下、単に衛星という)の姿勢制御装
置を説明するためのブロツク図である。第4図に
おいて、1は目標姿勢である地球中心方向(ピツ
チ角θまたはロール角φ=0)、2は衛星の姿勢
(ピツチ角θまたはロール角φ)であり、地球セ
ンサ3によつて衛星の姿勢2が検出された後、そ
の出力4がコントローラ5に負帰還されて、ホイ
ール、スラスタ等のアクチユエータ6の駆動信号
に変換され、衛星のダイナミツクス7を通して最
終的に衛星の姿勢2が0になるように制御が行な
われる。
第5図は衛星姿勢の基準軸及び姿勢を表わす3
つのオイラー角(ピツチ、ロール及びヨー角)を
説明するための図である。第5図において、13
は軌道面、14は地球、15は衛星、16は軌道
面垂直方向、21は衛星から見た地球中心方向、
22は16と21に直交する軌道面内の方向、2
3〜25は衛星本体に固定された座標軸であつ
て、23がY軸(ピツチ軸)、24はX軸(ロー
ル軸)、25はZ軸(ヨー軸)である。また22,
16,21とX、Y、Z軸の間の座標回転を定義
するのが3つのオイラー角であつて、Y軸、X軸
及びZ軸の回りの回転角をそれぞれピツチ角θ2
6、ロール角φ27、及びヨー角ψ28と称す
る。ただし、以下ではθ、φ、ψは微小角である
ことを仮定するので、座標回転の順序はここでは
問わない。
さて、第5図において、地球センサは原理上衛
星から見た地球中心方向21を基準にした2軸回
りの姿勢角θ及びφを検出するので、地球センサ
の出力信号を基準にしてθ及びφの姿勢制御を行
うと衛星のZ軸25は常に地球中心方向21に向
けられる。換言すれば、衛星のY軸は地球中心方
向21と常に90°の角度をなすように制御される。
さらに、衛星のヨー角ψ28も別途能動的または
受動的に制御されることが通例であるから、結局
衛星のY軸23は、姿勢センサ誤差、制御誤差が
ない理想状態において、軌道面に垂直な方向16
に保持されることになる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
静止軌道上にある地球指向型の人工衛星は、通
信・放送用アンテナ、観測カメラ等の搭載ミツシ
ヨン機器を常に地球上の目標地域に指向させるこ
とをその姿勢制御の主たる目的としている。
しかしながら、従来の姿勢制御装置において
は、静止衛星の軌道が赤道面からずれる(すなわ
ち、軌道傾斜角を有する)と、衛星の軌道運動に
伴なつて軌道周期(=1日周期)の南北方向の指
向変動を発生するという問題点があつた。
第6図及び第7図は上に述べた問題点を詳細に
説明する図である。第6図において、12は赤道
面、13は軌道面、29は軌道傾斜面、30は昇
交点(軌道が赤道面を南から北へよぎる点)の方
向、19は衛星に搭載されたミツシヨン機器31
の指向方向、20は目標指向地点の緯線である。
また、図中A、B、C、Dは緯度引数η(昇交点
方向30から軌道面内で測つた衛星15の位相
角)がそれぞれ0°、90°、180°、270°のときの19
と地表との交点であつて、静止衛星では衛星の軌
道角速度と地球の自転角速度が相等しいところか
ら、これらの点A、B、C、Dは地球上のほぼ同
一経線上の地点を表わしている。第6図からわか
るように、衛星の軌道運動に伴つて、搭載ミツシ
ヨン機器の指向地点は目標指向地点に対して軌道
周期(=1日周期)で南北方向にずれる。
第7図はこのようにして発生する南北方向の指
向誤差の時間波形を示したもので、二次以上の微
小項を無視すれば、南北方向の指向誤差eNSは次
式により表わされる。
eNS=asioη ……(1) ここに、aはeNSの日変動の振幅、ηは前述の
緯度引数であつて、任意の時刻tにおいて近似的
に次式により計算される。
η=ω0(t−t0)=ω0t+b ……(2) ただし、ω0は軌道角速度、t0は昇交点を通過す
る時刻、b(=−ω0t0)はt=0におけるηの値
(以後、初期位相角と呼ぶ)である。指向変動の
振幅aについては、軌道傾斜角i30に比例す
る。すなわち、 a=ki ……(3) ここで、kは目標指向地点の緯度δに依存する
定数であつて、δ=30°Nに対してk≒0.14
(deg/deg)である。
以上の説明から明らかなように、衛星の軌道面
が赤道面から傾くと、軌道傾斜角に比例した振幅
の正弦波状の南北方向の指向誤差が発生する。し
たがつて、衛星に要求される指向制度が高い程、
軌道傾斜角によつて発生する指向誤差を小さくす
るために、軌道傾斜角の許容範囲を小さく押える
必要があり、そのために南北方向の軌道保持制御
を頻繁に実施しなければならない等の問題点があ
つた。
この発明は、かかる問題点を解決するためにな
されたものであり、衛星の軌道が赤道面から傾い
ても南北方向の指向誤差を発生させないことを目
的としたものである。
〔問題点を解決するための手段〕
この発明に係る人工衛星の姿勢制御装置は、軌
道周期で変化する正弦波状の信号を発生する信号
発生器を設け、その信号発生器の出力と地球セン
サのロール出力との加算信号をコントローラの基
準入力としたものである。
〔作用〕
この発明においては、地球センサのロール出力
を直接姿勢制御系のコントロールの基準入力とす
ることによつて衛星のロール姿勢を零に保持する
場合に発生する南北方向の指向変動と同一の振幅
で逆相の正弦波状信号を信号発生器により発生
し、この信号と地球センサのロール出力の加算信
号をコントローラの基準入力とすることにより、
軌道傾斜角が零でない場合でも南北方向の指向変
動を発生しないような正弦波状に変化するロール
姿勢を実現するものである。
〔実施例〕
以下、第1図〜第3図に示す一実施例によつて
この発明を具体的に説明する。
第1図はこの発明による衛星の姿勢制御装置
(ロール系)のブロツク図である。衛星のピツチ
系に対しては従来の装置(第4図)を使用する。
また、ヨー系については、Y軸(ピツチ軸)回り
にバイアス角運動量をもたせて、力学的なロー
ル/ヨー・カツプリングによりヨーセンサを用い
ないで受動的に制御する方式(いわゆるバイア
ス・モーメンタム方式)を想定する。
第1図において、1〜7は上記従来装置と全く
同一のものであり、8は地上からのコマンド入力
(振幅aと初期位相角b)、9は正弦波状の信号1
0を発生するこの発明による信号発生器である。
正弦波状の信号10と地球センサのロール出力φ
4との加算出力11がコントローラ5に負帰還さ
れる。コントローラはアクチユエータ6を駆動
し、衛星の姿勢ダイナミクス7を介して最終的に
加算出力11が0になるように制御が行なわれ
る。その結果、衛星の姿勢(ロール角φ)2は、
地球センサ誤差、制御誤差(外乱トルクの影響を
含む)等を除いて、信号発生器9から出力される
正弦波状信号10と同一振幅で逆相の時間変動波
形となる。すなわち、 φ=−asio(ω0t+b)=−asioη ……(4) 第2図は、第1図に示す一実施例により実現さ
れる衛星の慣性空間及び地球に対する姿勢を示す
説明図である。第2図において、12は赤道面、
13は軌道面、14は地球、15はη=90°、
270°における衛星(昇交点通過後、6時間、18時
間後に対応)、16は軌道面垂直方向、17は衛
星のY軸(ピツチ軸)である。第1図に示す実施
例によれば、Y軸と衛星から見た地球中心方向と
のなす角(=90°+φ)が正弦波状に変化し、か
つY軸回りのバイアス角運動量によつてヨー姿勢
が受動的に制御されるので、衛星の軌道上位置に
依らず慣性空間に対して不変のY軸姿勢が実現さ
れる。したがつてY軸17と軌道面垂直方向16
のなす角18は不変であり、その大きさは正弦波
状信号10(第1図)の振幅aに等しい。そこ
で、この振幅aを、ロール系に従来の姿勢制御装
置を使用したときに発生する南北方向の指向誤差
の振幅a(第7図参照)に等しく選べば、第2図
に示すように、衛星搭載ミツシヨン機器の指向方
向19を目標とする地球上の同一緯線20上の地
点に向けることができる。
第3図は、第2図と対応して、この実施例によ
り得られる衛星のロール姿勢φ、信号発生器の出
力及び南北方向の指向誤差eNSの時間波形を示し
た説明図である。第3図と第7図を比較すれば明
らかなように、この実施例によれば軌道傾斜角が
零でなくても(二次以上の微小項を除いて)、常
に、 eNS=0 ……(5) とすることができる。
なお、上記実施例においては、信号発生器で使
用する定数のうち振幅a及び初期位相角bを地上
からのコマンド入力とし、軌道角速度ω0につい
ては内部定数としたが、a、b、ω0のうちすべ
てまたは任意の一部をコマンド入力としたり、コ
マンド入力を全く省略してすべて内部で設定する
ことも可能である。またa、bの代わりに、(3)式
または(2)式に従つてiまたはt0を用いてもよい。
a、bの値は実際には軌道周期に比べて緩やかで
はあるが時間変化する量であるから、時々更新す
る必要がある。しかし、a、bの両方または一方
の時間変化をモデル化してオンボードで発生させ
れば、地上からのコマンドの頻度を上記実施例よ
りも少なくすることができる。
さらに、上記実施例では、Y軸(ピツチ軸)回
りにバイアス角運動量をもたせて受動的にヨー姿
勢制御を行う方式を想定したが、ヨー姿勢を推定
ないし別途設けたヨーセンサにより検出して、ヨ
ー系のコントローラ及びアクチユエータによつて
能動的に制御するような方式(3自由度コントロ
ールド・バイアス・モーメンタム方式またはゼ
ロ・モーメンタム方式)に対しても、この発明は
適用可能である。後者の場合には、衛星のY軸姿
勢は慣性空間に対して不変とはならず、正弦波状
に変化するが、ロール姿勢角、信号発生器出力及
び南北方向の指向誤差についての第7図に示す関
係はそのまま成立する。
〔発明の効果〕
以上のように、この発明によれば静止軌道上に
ある地球指向型の人工衛星において、軌道面が赤
道面から傾いても地球センサを使用する従来の姿
勢制御装置において発生する南北方向の指向誤差
を抑止することができるという効果がある。した
がつて、南北方向の指向誤差を劣化させることな
く、軌道傾斜角の許容範囲を広くとることができ
るという効果も有する。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明による姿勢制御装置(ロール
系)の一実施例を示すブロツク図、第2図は第1
図に示す実施例により実現される衛星の姿勢の説
明図、第3図は上記実施例の効果を示す説明図、
第4図は地球センサを用いた従来の姿勢制御装置
(ピツチ系及びロール系)のブロツク図、第5図
は衛星の姿勢の定義を説明するための図、第6図
は従来の姿勢制御装置により実現される衛星の姿
勢の説明図、第7図は従来の姿勢制御装置の問題
点を説明する図である。 図中、1は目標姿勢(ピツチ角θまたはロール
角φ=0)、2は衛星の姿勢(ピツチ角θまたは
ロール角φ)、3は地球センサ、4は地球センサ
出力(ピツチまたはロール)、5はコントローラ、
6はアクチユエータ、7は衛星の姿勢ダイナミク
ス、8は地上からのコマンド入力、9は信号発生
器、10は正弦波状信号、11は10と4の加算
信号、12は赤道面、13は軌道面、14は地
球、15は人工衛星、16は軌道面垂直方向、1
7は衛星のY軸(ピツチ軸)、18は16と17
のなす角、19は衛星搭載ミツシヨン機器の指向
方向、20は地表上の目標指向地点が属する緯
線、21は衛星から見た地球中心方向、22は1
6と21に直交する方向、23は衛星のY軸(ピ
ツチ軸)、24は衛星のX軸(ロール軸)、25は
衛星のZ軸(ヨー軸)、26はピツチ角θ、27
はロール角φ、28はヨー角ψ、29は軌道傾斜
角、30は昇交点方向、31は衛星搭載のミツシ
ヨン機器である。なお、図中同一符号は同一また
は相当部分を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 人工衛星に設けられた地球センサにより人工
    衛星の姿勢を検出し、その検出結果に基づいてア
    クチユエータを作動せしめて人工衛星の地球に対
    する姿勢を制御する装置において、軌道周期で変
    化する正弦波状の信号を発生する信号発生器を設
    け、この信号発生器の出力と地球センサのロール
    出力との加算信号を姿勢制御系の基準入力とする
    とともに、上記信号発生器の出力信号の振幅と位
    相を、地球センサのロール出力を直接姿勢制御系
    の基準入力とすることによつてロール姿勢を常に
    零に保持しようとした場合に零でない軌道傾斜角
    によつて発生する軌道周期で正弦波状に変化する
    南北方向の指向変動と同一の振幅及び逆相に調整
    することによつて、人工衛星のロール姿勢を軌道
    傾斜角が零でない場合でも南北方向の指向変動が
    発生しないように正弦波状に変化させるように構
    成したことを特徴とする人工衛星の姿勢制御装
    置。
JP60056987A 1985-03-20 1985-03-20 人工衛星の姿勢制御装置 Granted JPS61215200A (ja)

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Publication Number Publication Date
JPS61215200A JPS61215200A (ja) 1986-09-24
JPH0470198B2 true JPH0470198B2 (ja) 1992-11-10

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