(57)【要約】  ａ）各々が、主軸において等しい慣性を持つ同心に配置される１対のリング、２つの自由度（スピン及び章動）のみを許容するようにリングを支えるための機械的手段、及び章動速度ベクトルに垂直の予め定められた方角に応じて合成トルクベクトルを生成するために、等しくかつ反対のスピン及び章動速度をリングに与えかつ対応するリングの章動完全回転を可能にする、リングの寸法に応じて両方のリングの内部空間またはその外部に配置されリングを動かす機能を果たす電気機械的手段を含む、必要に応じて１つ、２つまたは３つの機械的サブシステム、及びｂ）人工衛星の回転を１、２または三軸で制御するためにプログラムされたマイクロプロセッサカードで構成され、１つ、２つまたは３つの機械的サブシステムを同時に制御する能力を持ちかつ人工衛星のメインコンピュータと通信する能力を持つ、制御サブシステム、から成る、人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータ。
2009528217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータであって、
ａ）必要に応じて１つ、２つまたは３つの機械的サブシステムであって、その各々が、
ａ1）その主軸において等しい慣性を有する、同心に配列される１対のリングと、
ａ2）２つの自由度すなわちスピン及び章動のみを許容するように前記リングを支えるための機械的手段と、
ａ3）章動速度ベクトルに垂直の予め定められた方角に従った合成トルクベクトルを生成するために、等しくかつ反対のスピン及び章動速度を前記リングに与え、かつ対応するリングの章動完全回転を可能にする、前記リングの寸法に応じて前記２つのリングの内部空間にまたはその外部に配置され前記リングを動かす機能を果たす電気機械的手段と、
を備える、機械的サブシステムと、
ｂ）前記人工衛星の回転を単軸、二軸または三軸制御するためにプログラムされたマイクロプロセッサカードで構成され、１つ、２つまたは３つの機械的サブシステムを同時に制御する能力を持ち、かつ前記人工衛星のメインコンピュータと通信する能力を持つ制御サブシステムと、
を備えることを特徴とする、人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータ。
【請求項２】
前記機械的サブシステムの各々によって生成されるトルクベクトルが固定的初期方角、周期的方向及び制御可能なトルクモジュールを有し、他の機械的サブシステムのベクトルが加算されて、前記制御サブシステムによって制御可能な固定的な方角、周期的方向及びトルクモジュールを持つ単一の合成トルクを生成することを特徴とする、請求項１に記載の人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータ。
【請求項３】
前記機械的サブシステムが、ＣＰＵに命令される通りにトルクを生成するために前記２つのリングの方位を定めるために前記２つのリングを個別に章動回転させるための電気機械的手段を備えることを特徴とする、以上の請求項のいずれか一項に記載の人工衛星の姿勢を制御するためのジャイロアクチュエータ。
【請求項４】
前記制御サブシステムが、前記機械的サブシステムの他に最高２つの回転自由度を持つ数個の回転フレームを制御する能力を持ち、前記回転フレームが前記回転を行うために独自の電気機械的手段を持ち、前記フレームに前記機械的サブシステムが個別に連結されることを特徴とする、請求項１に記載の人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータ。
【請求項５】
単一の機械的サブシステムを用いて、前記人工衛星の姿勢を単軸制御するために空間における固定的方角に応じて制御可能な方向、方角及びモジュールを持つインパルスの形式で前記合成トルクベクトルが生成されることを特徴とする、請求項１及び２に記載の人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータ。
【請求項６】
単一の機械的サブシステムを用いて、前記人工衛星の姿勢を二軸制御するために１つの平面上において選択される任意の方角に応じて制御可能な方向、方角及びモジュールを持つインパルスの形式で前記合成トルクベクトルが生成されることを特徴とする、請求項１、２及び３に記載の人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータ。
【請求項７】
２つの機械的サブシステムを用いて、人工衛星の姿勢を二軸制御するために１つの平面上において選択される任意の方角に応じて制御可能な方向、方角及びモジュールを持つインパルスの形式で前記合成トルクベクトルが生成されることを特徴とする、請求項１及び２に記載の人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータ。
【請求項８】
１つの自由度を持つ回転フレームによって支えられる単一の機械的サブシステムを含み、人工衛星の姿勢を三軸制御するために空間において選択される任意の方角に応じて制御可能な方向、方角及びモジュールのインパルスの形式で前記合成トルクベクトルが生成されることを特徴とする、請求項１、２、３及び４に記載の人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータ。
【請求項９】
前記機械的サブシステムが２つの自由度を持つ回転フレームによって支えられて、人工衛星の姿勢を三軸制御するために空間において選択される任意の方角に応じて制御可能な方向、方角及びモジュールを持つインパルスの形式で前記ベクトルが生成されることを特徴とする、請求項１、２及び４に記載の人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータ。
【請求項１０】
請求項３に記載の能力を持つ機械的サブシステムと前記能力を備えない他の機械的サブシステムとを組み合わせて、人工衛星の姿勢を三軸制御するために空間において選択される任意の方角に応じて制御可能な方向、方角及びモジュールを持つインパルスの形式で前記合成トルクベクトルが生成されることを特徴とする、請求項１及び２に記載の人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータ。
【請求項１１】
請求項３に記載の能力を持たない３つの機械的サブシステムを組み合わせて、人工衛星の姿勢の三軸制御のために空間において選択される任意の方角に応じて制御可能な方向、方角及びモジュールのインパルスの形式で合成トルクベクトルが生成されることを特徴とする、請求項１及び２に記載の人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータ。
【請求項１２】
１つ、２つまたは３つの機械的サブシステムを同時に制御する能力を持ち、人工衛星のメインコンピュータと通信する能力を持つ単軸、二軸または三軸で人工衛星の回転を制御するための制御サブシステムが、該アクチュエータの数個のセンサを電子的に読み取るための能力及び姿勢の操作を行うために必要な姿勢変更命令を受け取りかつ実行される姿勢操作に関する情報を送る能力を有し、前述の能力の他に前記人工衛星を初期姿勢位置から別の最終的目標姿勢にするための能力を有するソフトウェアを含むマイクロプロセッサカードで構成され、このために
ａ）該ジャイロアクチュエータの外部の、ただし前記人工衛星内に搭載されるセンサを読み取ることによって前記人工衛星の現在姿勢を認識するステップと、
ｂ）場合に応じて単軸、二軸または三軸の回転を含む前記人工衛星の新しい目標姿勢に関する命令を受け取るステップと、
ｃ）制御対象の前記リングについて要求される章動位置及びスピン速度を計算するステップと、
ｄ）操作を開始するためにスピン運動及び章動運動を実行するための命令を前記電気機械的手段に対して発するステップと、
ｅ）前記人工衛星の前記センサを読み取ることによって前記人工衛星の動きを受け取るステップと、
ｆ）前記人工衛星の前記動きを止めて前記人工衛星に前記目標姿勢を取らせておくために前記リングに要求される新しい章動位置及びスピン速度を計算するステップと、
ｇ）前記操作を終了するために前記スピン運動及び章動運動を実施するための命令を前記電気機械的手段に対して発するステップと、
ｈ）前記センサの読み取りによって、前記人工衛星に得られた新しい姿勢と前記目標姿勢の差が許容角誤差未満であることを確認するステップと、
を実行する、ことを特徴とする、請求項１に記載の人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、その応用に関して宇宙分野に関係し、後に明らかにするように制御、機械学、電子工学及び電子学の工学分野を利用する。
【背景技術】
【０００２】
宇宙分野において、内部角運動量の変動による制御に基づく３つのタイプの古典的装置がすでに開発されている。これらの３つのタイプのうちよく利用されている２つの装置は、リアクションホイールアセンブリ（Ｒｅａｃｔｉｏｎ  Ｗｈｅｅｌ  Ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ）及びモメンタムホイールアセンブリ（ＭＷＡ）である。これらは実用に際し三軸制御のあらゆるタイプの人工衛星に万能的に応用される。しかし、機動的な人工衛星にとってはこれらのメカニズムは不十分である。通常、４つのホイールが使用され、３つは三軸制御のために不可欠な形式のものであり、四番目のホイールは予備である。リアクションホイールとモメンタムホイールとの間の主要な相違はスピンの公称回転速度である。リアクションホイールの場合、スピンの公称角速度の値はゼロであり、摂動トルクの存在に反応して加速する。このようなスピンの加速は仮想反動トルクを生じ、これが摂動を補償する。摂動が維持される場合、加速が維持されなければならず、ホイールは機械的に許容可能な最大速度に達する（飽和）可能性がある。飽和を解除するためには、実際の外部トルク（放出モーメント）を利用する必要がある。この種のトルクは磁気トルクまたはマイクロロケットのように他のアクチュエータによって生成される。
【０００３】
モメンタムホイールは高い公称回転角速度で回転して、摂動トルクが現れた場合にはこれを補償するためにまたは人工衛星の操作を行うためにスピン速度に多少の変化が生じる。モメンタムホイールの典型的な特徴の１つは、スピンを変動させる必要なくスピン軸に対して平行に人工衛星の軸を安定させるその能力である。この能力は、ホイールが人工衛星自体によって構成されるジャイロスコープの回転子として作用して、衛星に回転の安定性を与えることに基づいている。
【０００４】
リアクションホイールもモメンタムホイールも非常に低いレベル（１０分の数Ｎｍまたは数Ｎｍ）の制御トルクを生じ、その回転速度の限界によって非常に急速に飽和する傾向を持つ（これはスピンにおいてのみ言える）。このために、マイクロロケットによって生じるトルクによって飽和解除するために、人工衛星は比較的大きい体積の推進器を備える必要がある。
【０００５】
この種の装置に言及している特許は沢山ある。例えば、米国特許第００５８２６８２９Ａ号及び米国特許第００５９３１４２１Ａ号に示されている。
【０００６】
第三のタイプの制御は、前の２つのタイプほど一般的ではないが、コントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）によって構成される。コントロールモーメントジャイロは高いレベルのトルクを生じることができるが、このトルクの制御の難しさ及び大きい重量及び体積という難点がある。
【０００７】
装置の例として米国特許第００６１３５３９２Ａ号がある。
【０００８】
このような技術状況に対して、同じくジャイロトルクの応用に基づく先端的ジャイロアクチュエータは、既存のＣＭＧを備える制御システムよりずっと小さい重量及び体積並びに操作制御におけるより大きな便宜を与えるようにジャイロ要素を配置するという特徴を持ち、ＲＭＡ及びＭＷＡを上回る規模の様々な程度のトルクを与える。
【０００９】
競合システムに対する上述の利点は、先端的ジャイロアクチュエータの機械的サブシステムの特有の２つの特徴の組合せによって、すなわち、スピン回転と章動回転の組合せ（この組合せは、単なるスピン運動（ＲＷＡ及びＭＷＡに特有）の場合より非常に高いジャイロトルクを与える）、及び２つの同心リングから成る回転要素の形態（２つのディスクを持つＣＭＧと異なり体積及び質量を大幅に減少させ、リングに対する制御の能力はより万能的である）の組合せである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、これを搭載する宇宙ステーション（人工衛星）の姿勢制御（方位制御）を可能にするジャイロアクチュエータに関する。この姿勢制御を可能にするために、運動量保存則が応用される。従って、外部トルク作用には依存しない。
【００１１】
姿勢制御は宇宙工学においては絶対的に必要である。なぜなら、姿勢制御は接舷装置の方位定め及び操作の実行を可能にするからである。
【００１２】
本発明の新規性は、基本的にリアクションホイールアセンブリ、モメンタムホイールアセンブリ及びコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）である現在使用されているものと比べて非常に小さい重量及び体積の機械装置を用いて非常に高いトルクを生成する能力がある点にある。
【００１３】
本発明の目的に最も近い先行製品は、特許第ＰＣＴ／ＥＳ０２／００４８２号において説明されている。本発明は、本発明を宇宙環境においてその能力を発揮するために特に適するものにする一連の発明的相違を有する。
【００１４】
ジャイロアクチュエータと呼ばれるメカニズムと比較した場合の基本的な相違として下記のことを挙げることができる：
１．先端的ジャイロアクチュエータは１つまたはいくつかの機械的サブシステム及び１つの制御サブシステムで構成される。特許第ＰＣＴ／ＥＳ０２／００４８２号のメカニズムは完全に機械的なシステムである。
２．先端的ジャイロアクチュエータの各機械的サブシステムは同心の２つのリングからのみ構成され、２つのリングはそれぞれのスピン回転及び章動回転の調整された動きによって既知の方角の、パルスモードのかつ交互の方向のトルクベクトルを生じる。各機械的サブシステムによって生成されるトルクのベクトル結合は合成トルクを生成し、これが宇宙ステーションの姿勢を制御するために利用される。このトルクは、配置される機械的サブシステムの数に応じて、単一の方角に、１つの平面上の任意の方角にまたは空間における任意の方角に生成される。特許第ＰＣＴ／ＥＳ０２／００４８２号のメカニズムは、全て同心の２対のリングによって構成され、その制御されたスピン運動及び章動運動によって一定モジュールの、一定方向の、かつ一方角のみの不変方角のトルクを生じる。モジュールが一定であるようにするために、トルクインバータと呼ばれる付加的な機械装置を有する。
３．宇宙ステーションの回転操作を可能にするための先端的ジャイロアクチュエータは、これが搭載されるステーションを加速するためにトルクパルスによって生じる角インパルスを利用し、パルスの作用が終了するときその回転が一定であるようにし、その後、前のとは反対の符号の別のトルクパルスを発生して、宇宙ステーションが完全に停止するまでステーションの減速（制動）を生じる。これは、特許第ＰＣＴ／ＥＳ０２／００４８２号のメカニズムに想定される機能ではない。なぜなら、このメカニズムの機能はトルクのパルスではなく時間的に永続的な一定のトルクを放出するためのものである。
４．先端的ジャイロアクチュエータの単一の機械的サブシステムは、スピン及び章動の調整された回転が生成される前に、リングの章動の方位を事前に定めることによって、１つの平面上の任意の方角のトルクベクトルを生成する能力を持つ。この操作は制御サブシステムからの制御を受ける。制御サブシステムはリングの事前位置を定める電気機械的手段に対する必要な命令を実行する。特許第ＰＣＴ／ＥＳ０２／００４８２号のメカニズムはこのような能力を想定していない。一定のトルクベクトル生成の方角は固定軸で実現される。
５．１つの平面上の任意の方角のトルクベクトルを生成する能力を有するジャイロアクチュエータの各機械的サブシステムは、そのリングが完全な章動回転を実現できるようにする機械的構造を有する。特許第ＰＣＴ／ＥＳ０２／００４８２号のメカニズムはその機能にこの能力を想定していない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
先端的ジャイロアクチュエータ（ＡＧＡ）は２つの異なる部分すなわち制御サブシステム及び機械的サブシステムの複合体に基づくシステムである。機械的サブシステムの数に関しては最小で１つ、最大で３つである。
【００１６】
先端的ジャイロアクチュエータの目的は宇宙ステーションの姿勢制御である。すなわち、当初初期方位にあるステーションの最終的な空間方位を定められるようにすることである。
【００１７】
初期方位から最終方位への移行は、先端的ジャイロアクチュエータの機械的サブシステムによる宇宙ステーション内でのトルク（モーメント）の生成によって実現される。このトルクは時間により変動し、パルスの形式を持つ。
【００１８】
各機械的サブシステムはそれぞれのトルクを生成し、それぞれのトルクの開始、形式及び持続長さは、制御サブシステムによって予測され算定される全てのトルクの結合ベクトルが宇宙ステーションを操作することができるように制御サブシステムによって制御されて、宇宙ステーションが初期方位から最終方位へ移行できるようにする。
【００１９】
制御サブシステムは人工衛星のメインコンピュータから宇宙ステーションの新しい方位に関する要求を受け取る。このような変更を可能にする命令を発するために、人工衛星が備えるセンサ（星座、磁気など）によって人工衛星の現在方位を読み取り、各機械的サブシステムのリングの位置及びもし回転していれば回転速度も読み取る。
【００２０】
次に、マイクロプロセッサカードに組み込まれる制御ソフトウェアを実行することによって、制御サブシステムは、操作に合わせて章動の初期位置及びスピン及び章動の回転速度を生成するために、各機械的サブシステムのリングに作用する電気機械的要素に電気信号を与えることによって制御サブシステムが利用する機械的サブシステムに関する命令を実行する。
【００２１】
機械的サブシステムの作用の結果として人工衛星が操作されるとき、制御サブシステムは宇宙ステーションのセンサから届く位置を読み取る。求められる方位位置（目標姿勢）に達したら、制御ソフトウェアによって事前に計算された命令を電気機械装置へ送り、電気機械装置は、宇宙ステーションを制動し停止するために適した合成トルクを発生させることによって宇宙ステーションを制動し停止するために機械的サブシステムのリングの回転に作用する。
【００２２】
機械的サブシステムは下記の要素から構成される：
・ 全ての機械的要素を支えかつ機械的サブシステムを宇宙ステーションにしっかりと固定して発生するトルクを適切に伝導できるようにする機能を果たす構造的支持
・ それぞれ数個の台によって支えられる２つの同心リング。台はこれが支えるリングのスピン回転を可能にし、また台は章動回転する能力を持つ。従って、台が章動回転するときリングは台と一緒に回転するので、リングは同時にスピン回転と章動回転をすることができる（２つの自由度）。
・ ２つの台を支える章動軸。台は章動回転するためにこの軸の周りを回転する。
・ 電気機械的要素、通常は電気モーター。例えば、リングをスピン回転させるための１台または２台のモーター（この場合、各リングのスピンは電子的に制御される）及び台（従ってリング）を章動回転させるための１台または２台のモーター。章動のために２台のモーターが使用される場合、１つの平面上の任意の方角にトルクベクトルの方位を定めるために２つのリングの方位を事前に定めることができる。
・ モーターの回転をリング（スピン）及び台（章動）に伝えるための機械的要素
【００２３】
これらの要素の結合的機能は、他の機械的サブシステムのトルクと結合して、宇宙ステーションを動かす能力を持つトルクを生成する。
【００２４】
この機械的機能は、章動及びスピンの電気機械的要素が制御サブシステムから適切な電気信号を受け取り、信号がそれぞれの電気モーターの回転に変換されることから成る。機械的伝達要素はモーターから回転を受け取って、台（章動）及びリング（スピン）に直接回転を伝える。
【００２５】
その結果、リングのトルクは章動及びスピンの結合回転を生じる。この結合は各リングにおける対称的回転から成る。回転としては、それぞれプラス及びマイナスのスピン（マイナスのスピンを以後逆スピンと呼ぶ）及びそれぞれプラス及びマイナスの章動（マイナスの章動を以後逆章動と呼ぶ）がある。
【００２６】
次に、リングのスピン運動及び章動運動の結果としてなぜジャイロトルクが生じるかについて説明する。
【００２７】
力学の法則から、ある１点に対するある動体の角運動量Ｈの時間に対する変動は、前記動体に加えられた前記点に対するモーメントまたはトルクＮに等しい。すなわち、
【数１】
2009528217.tif 000003
【００２８】
図１には、速度ωで回転するフレームに据え付けられる運動量Ｈのディスクによって表されるジャイロスコープ複合体の基本概念が示されている。運動量Ｈは下記の式で表される：
【数２】
2009528217.tif 000004
【００２９】
ここで、Ｉ及びωはそれぞれディスクの慣性モーメント及び軸回転（スピン）速度である。
【００３０】
この速度はディスクの運動量の変動を引き起こす。運動量は静止状態において下記の値を持つ：
【数３】
2009528217.tif 000005
また、数式１に従ってディスクは下記のトルクを加えられたかのように行動することになる：
【数３ａ】
2009528217.tif 000006
【００３１】
このトルクは同じ値のしかし反対の方向の別のトルクを人工衛星に対して生じる。これをＮと呼ぶ。
【数４】
2009528217.tif 000007
【００３２】
このトルクは図１に示される方角及び方向を有し、人工衛星へのジャイロスコープ複合体の固定に作用し、下記の角加速で人工衛星を回転させる：
【数５】
2009528217.tif 000008
ここで、δは人工衛星の角位置であり、Ｉsはその慣性モーメントであり、両方とも人工衛星の重心を通過するＮに平行の軸に関係する。
【００３３】
この「ジャイロスコープ複合体」が組み込まれる物体の動きの制御に応用される際のこの複合体の基本的な不利点は、生成されるジャイロモーメントＮがΩに直交する平面上でこの同じ速度で回転することである。すなわち、制御された形式で作用するモーメントを得るためには、Ｈ、Ωの値及びジャイロ要素の数及び配置の総合的戦略を展開する必要がある。この戦略は通常非常に複雑になり、特異なゾーン、大きな質量、ギリギリの信頼性など重大な問題を引き起こす。
【００３４】
問題は、先端的ジャイロアクチュエータの機械的サブシステムを使用することで激減する。このメカニズムは基本的に２つの同心リングで構成され、その各々が、それぞれψ、−ψのスピン速度でその軸の周りを回転する。これらのリングはさらにそれぞれ共通直径の周りの角速度θ、−θ（章動）に従う。図２には、２つのリングについてこれらの速度の比較的な方角及び値が示されている。各リングは、従って、ディスクについて前に定義したように「ジャイロスコープ複合体」を構成する。
【００３５】
これによって、静止状態において、特許第ＰＣＴ／ＥＳ０２／００４８２号において立証されるとおり、衛星に対する下記のトルクが得られる：
【数６】
2009528217.tif 000009
【００３６】
トルクの方角は一定である（図２の軸Ｙ）が、その方向はリングの回転の半サイクルごとに変動する。問題は激減するが、完全になくなるわけではない。予め決められた行動、速度及び姿勢を得るためには、以下に示すように先端的ジャイロアクチュエータの機械的サブシステムの設備の適切な機能及び配置が必要である。
【００３７】
章動速度θが一定であれば、基本の機械的サブシステムによって生成されるトルクは数式６に従って正弦波形の変動様式を持ち、従って、人工衛星の角加速も正弦波形の変動様式を持つので、数式５に従ってトルクに比例する。
【００３８】
図３においては、章動角度ゼロはＸＹ平面のリングの位置に対応し、角度θはリング（ａ）の角度に対応する。この条件で、この図において、人工衛星に通信される速度（加速の積分）は正弦波形並びに人工衛星が回転した角度（速度の積分）を持つことが示されている。リングが連続的に回転すると、章動位置がゼロのリングから始まって人工衛星の回転の平均角度は無（ゼロ）となる。
【００３９】
次に、回転を開始した後、π／２以下の角度に達したときリングが停止する場合、人工衛星は停止時に達した値の一定速度で回転し続ける。ある一定時間の後に人工衛星が停止して、リングを反対方向に回転させる場合、人工衛星は、リングの停止時に与えられた速度及び一定速度で経過した時間に従って角度を増減する。従って到達する角位置はリングの様々な停止位置に応じて図４に示される形を取る。
【００４０】
章動運動の初期位置がθ0＝０とは異なるとすると、図３及び４とは異なる人工衛星のトルク及び動きが得られる。例えば、θ0＝−π／２だとすると、図５及び６に示される値が得られる。これらの値は図３及び４の値の倍である（図６の座標軸から分かる）が、人工衛星にスプリアス反動トルクが現れることがなくこの条件で章動を開始することは非常に複雑になるので、通常初期条件としてθ0＝０が使われる。
【００４１】
トルクのモジュールが一定である必要はなく、数式６に従ってまた関数θ（ｔ）に従って様々な形を取ることができる。θ（ｔ）が一定である場合、トルクの変動は正弦波形である。
【００４２】
既述の通り、単一の機械的サブシステムによって図２のＯＹの方角だけでなくＺＹ平面の任意の方角のトルクを生成することができる。この重要な特異性について次に説明する。
【００４３】
図７は図２の場合と同様に回転する２つのリングを表しているが、その二分軸（ｂｉｓｅｃｔｒｉｚ）が角度α回転しかつその軸ＹがＹ’になるように最初にリングの章動回転が最初に微分式に移動している。永久的な形体においては、この二分軸は一定に維持され、生成されるジャイロトルクはこの場合Ｙ’の方角を持ち、図３に関して指摘したように交互にその方向を変え続ける。
【００４４】
１つの平面上におけるトルクの方角は、制御システムの制御を受ける２つの機械的サブシステムを利用することによって得ることができ、各機械的サブシステムはこの平面上において直交する慣性軸の各々の上に方角成分を与える。当然、この解決法は図７に示されるものよりずっと重く（２倍）、大きい体積になるが、用途によっては、他の動機（例えば、信頼性のための冗長性）によりこれが必要とされるかも知れない。この代替案においては、図２及び７のＯＹ及びＯＺ上にその活動軸を持つ２つの機械的サブシステムによって与えられるトルクは、下記の関係を満たさなければならない：
【数７】
2009528217.tif 000010
【００４５】
次に、宇宙ステーションの三軸制御の可能性を検討するために、図８について考える。この図においては、原点をＯとする座標系ＸＹＺが示されており、この座標系に２つの機械的サブシステム（図示されず）がある。軸ＯＸは初期状態において機械的サブシステムのうちの１つによって生成されるジャイロトルクの方角に対応する（図２と同様）。軸ＯＹは同じ初期条件で他方の機械的サブシステムによって生成されるジャイロトルクの方角に対応する。
【００４６】
ここで、空間における方角ＯＮを角度γ及びα（センサによって得られる）によって示されるトルクに要求される方角として定義すると、ＸＺ及びＹＺ平面上におけるその成分は、下記の通りそれぞれ角度γ及びαの関数である角度αxz及びαyzによって定義される方角ＯＮxz及びＯＮyzである：
【数８】
2009528217.tif 000011
【数９】
2009528217.tif 000012
【００４７】
その方角ＯＮに応じてトルクＮを得ようとすると、リングのトルクの方角（二分軸）を方角ＯＸから角度αxz回してトルクＮxzを生じるだけでよい。このトルクはＮyと合成され、合成方角は、ＮxzおよびＮyのモジュールがγとαとの間の下記の関係を満たすときは常に求められる方角ＯＮを得る：
【数１０ａ】
2009528217.tif 000013
【００４８】
初期方角ＯＹのリングの軸を角度αyz回転させ、そのモーメントＮyzをＮxと合成することによって同様の効果を得ることができる。この場合、この２つのトルクの間で維持しなければならない関係は下記の通りである：
【数１０ｂ】
2009528217.tif 000014
【００４９】
これらの関係を確立するために、必要に応じて、数式６に従ってトルクを変動させるために章動及び（または）スピンの速度が調整される。トルクの方角を変動させる機械的サブシステムの選択はそれぞれの場合に応じて行われる。
【００５０】
空間において任意の方角ＯＮのトルクを得るための可能な別の解決法が図９に示される方法である。この場合、サーボモーターを備える２つの自由度を持つ回転フレームに取り付けられた単一の機械的サブシステムを利用する。先端的ジャイロアクチュエータの制御サブシステムはサーボモーターも制御する。初期状態において、リングのトルクＮｙは軸ＯＹの方角を持つ。機械的サブシステムが角度γ及びαによって示される方角のトルクＮを与えるようとする場合、機械的サブシステム複合体全体が軸Ｚの周りで角度γ回転し、その後その二分軸が角度α回転する。この解決法は明らかに２つの機械的サブシステムを持つ図８の解決法より単純であるが、フレームのサーボモーターがフレームを動かすために必要なトルクの他にジャイロトルクを人工衛星に伝えなければならないので、重くなる可能性がある。
【００５１】
二軸制御の第二の解決法について述べたのと同様に、空間におけるトルクの方角は３つの機械的サブシステムを利用し、各サブシステムがそれぞれの初期軸上の方角成分を与えることによって得ることができる。当然、この解決法は、２つの機械的サブシステムしか必要としない図８の解決法に比べて重くかつ体積が大きくなる。この場合、３つの機械的サブシステムの活動軸は図８の軸ＯＸ、ＯＹ、ＯＺに従った方角を向いている。生成される３つのトルクＮx、Ｎy及びＮzの合成方角が方角ＯＮ上にあるためには、下記の関係を満たさなければならない：
【数１１】
2009528217.tif 000015
【数１２】
2009528217.tif 000016
【００５２】
そのために、各機械的サブシステムのスピン及び（または）章動の値が適切に調整されなければならない。
【００５３】
このように、先端的ジャイロアクチュエータは宇宙ステーションの単軸だけでなく二軸及び三軸制御のためにも考えられたシステムであり、開放または閉鎖ループで様々な程度の複雑さで操作を行えるようにするためにステーションを制御することができるが、本明細書においては開放ループで基本的な空間操作における作動形式が説明されている。
【００５４】
宇宙に応用する際の基本的要件は、定められた最大時間より短い時間内に所定の正確さで人工衛星の決められた角位置を得ることである。
【００５５】
このために、人工衛星に加えられるトルクは決められた時間戦略に対応しなければならない。通常、トルクが所定の値のモジュールを持つ必要はなく、要求される機能を果たすために充分な高さであれば良い。従って、先端的ジャイロアクチュエータは、すでに検討済みの概念に従って２つの基本的形式で機能することができる。
【００５６】
１つは不連続形式である。すなわち、人工衛星に一定角速度を伝えるために機械的サブシステムのリングを回転させ、半サイクルが終了する前にリングを止める。
【００５７】
もう１つは連続様式であり、連続的にリングを回転させておき、初期状態に応じて人工衛星において異なる角位置を得る。
【００５８】
２つの形式は図３、４、５及び６に示されている。
【００５９】
通常、下に示されるように上述の２つの基本的形式を組み合わせて用いて衛星の角位置を変動させる。
【００６０】
リングが初期位置θ0＝０（図２を参照）に静止し、人工衛星が静止しているとき、人工衛星を可能な限り短い時間である角度回転させるとする。
【００６１】
図３には、機械的サブシステムのリングが連続的に動くときの人工衛星の速度が、初期条件がゼロの場合下記の通りであることが示されている：
【数１３】
2009528217.tif 000017
【００６２】
θ＝９０°の場合得られる人工衛星の最大速度は下記の通りである：
【数１４】
2009528217.tif 000018
【００６３】
制御サブシステムは、人工衛星が静止している状態δ＝０で現在位置δ0＝０から出発して達成したい人工衛星のδrを認識する。
【００６４】
機械的サブシステムのリングは、章動初期位置θ0＝０で、一定スピン速度で回転している。
【００６５】
制御サブシステムはδr及び章動モーターのトルクを認識して操作の最小時間を決定する。この時間は下記の通り３つの時間の合計から得られる：
【数１５】
2009528217.tif 000019
【００６６】
値ｔ1は最大インパルスを与えるための時間であり、最大インパルスは最大加速によるリングの０からπ／２までの回転であり、最大加速は、モーター−リング複合体において得られる最大章動のトルクが分かりモーター−減速機複合体によって課せられるθmaxの可能な限度を考慮に入れると得られる。
【００６７】
時間ｔ3は前のインパルスと反対のしかし同じモジュールのインパルスを与えることによって衛星を制動するために必要な時間である。このために、π／２から（０まで第一のインパルスのために送られた場所）リングを閉じるよう命令が発せられる。
【００６８】
リングを開くときのモーター−リング複合体の行動はこれを閉じるときと全く同じというわけではないので、このｔ3はｔ1に等しいと見なされない。
【００６９】
最後に、時間ｔ2は、人工衛星の回転が要求されるδr、すなわち、
【数１６】
2009528217.tif 000020
であるために必要な時間である。
【００７０】
第一の加数は、ｔ1と一緒に導出できる初期インパルス中の回転である。
【００７１】
δ3の値は、加速のときと制動のときのメカニズムの行動が異なるので等しくはないが、δ1と類似する形式で制動について得られる。
【００７２】
角度δ2は数式１６から得られ、初期インパルスを分析すると人工衛星の最大速度δmaxが得られるので、下記の通りｔ2を得ることができる：
【数１７】
2009528217.tif 000021
【００７３】
ＡＧＡのマイクロコンピュータにおいて算定されたｔ1、ｔ2及びｔ3を用いて、下に示される時にシステムは下記の命令を与える：
モーターの最大トルクの状態でθ0＝０からリングの開放
Ｔ0＝ｔ0＝０
９０°でリングの停止。人工衛星はその最大回転速度で打ち上げられる。
Ｔ1＝ｔ1
原点にリングを戻すための命令。これにより人工衛星は減速する。
Ｔ2＝ｔ1＋ｔ2
リング及び人工衛星の停止
Ｔ3＝ｔ1＋ｔ2＋ｔ3
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】スピン速度ω及び章動回転Ωで回転するディスクに関する物理的な運動量保存則の物理的原理の図である。Ｈは運動量であり、Ｎは生成されるトルクである。（ＣＳ）人工衛星本体。
【図２】ＹＺ平面上に投影された等しい慣性Ｉを持つ２つの同心リング（説明においてはＡＧＡと名づけられている）に関する、生成されたトルク（Ｎy）のスピン（ψ）及び章動（θ）の回転速度の図である。
【数１８】
2009528217.tif 000022
本発明の内容の略図。
【図３】角度θ＝０°からθ＝２・πまでリングが章動回転し始めるときの、宇宙ステーションの回転δ、その速度δ’及びその加速δ”を示すグラフである。ステーションがその回転を開始し、減速して角位置δ＝０に戻ることが分かる。
【数１９】
2009528217.tif 000023
θ0＝０の場合の人工衛星のトルク、速度及び角位置の変動。
【図４】リングの章動回転θが開始されるとき及びサイクル完了（θ＝２・π）前にこの回転が停止するときの宇宙ステーションの回転を表すグラフである。ステーションの回転δはこの場合停止されない。３つの操作すなわちリングがθ＝π／２、θ＝π／３及びθ＝π／４で停止するときの曲線が示されている。  人工衛星の位置δの変動（θ0＝０及び様々な値のリングの停止角度）
【図５】図３と同様であるが、章動がθ0＝０ではなくθ0＝−π／２から開始される場合のグラフである。
【数２０】
2009528217.tif 000024
θ0＝−π／２の場合の人工衛星のトルク、速度及び角位置の変動。
【図６】図４と同様であるが、章動がθ0＝０ではなくθ0＝−π／２から開始される場合のグラフである。これが達する角位置はθ＝０から起動する場合（図４の場合）の２倍である。  人工衛星の位置の変動δ（θ＝−π／２及び様々な値のリングの停止角度の場合）
【図７】章動の二分軸（傾斜線α）がゼロではないＹＺ平面上のリングの投影図である。２つのリングの間で章動二分軸を変動できることは、この方角に加わるトルクが現れるとき人工衛星を二軸制御するために役立つ。  １つの平面においてトルクのために要求される方角の取得（人工衛星に対して固定的な単一のＳＭ）。
【図８】２つの機械的サブシステムのリングより発生するトルクの結合を示している。リングのうち１つは、２つのリングの章動の初期二分軸の方位を定めることができ、トルクＮXZを生成する。この能力を持たないもう一方のリングはトルクＮyを生成する。両方のトルクの結合は、宇宙ステーションに必要とされるＯＮの方角のトルクＮを生成するので、宇宙ステーションを三軸で制御することができる。  空間におけるトルクのために必要な方角の取得（人工衛星に対して固定的な２つのＳＭ）。
【図９】サーボモーター（Ｓ−１）（Ｓ−２）を利用して、フレームの方位を事前に定めることによって自身のベクトルＮの方位を定めることができる、２つの自由度を持つフレームに導入される機械的サブシステム。  空間におけるトルクのために必要な方角の取得（人工衛星に対して可動的な単一のＳＭ）。
【図１０】ステーション自体に固定される単一の機械的サブシステムによる宇宙ステーションの単軸制御図。  人工衛星の単軸制御図（人工衛星に対して固定的な単一ＡＧＡによる）。
【図１１】リングの章動二分軸の方位を事前に定めることができるステーション自体に固定される単一の機械的サブシステムによる宇宙ステーションの二軸制御図。  人工衛星の二軸制御図（人工衛星に対して固定的な単一のＡＧＡによる）
【図１２】リングの章動二分軸の方位を事前に定める能力を持たない、ステーション自体に固定される２つの機械的サブシステムによる宇宙ステーションの二軸制御図。  人工衛星の二軸制御図（人工衛星に対して固定的な２つのＡＧＡによる）。
【図１３】ステーション自体の中に組み立てられる２つの自由度を持つフレームに固定される単一の機械的サブシステムによる宇宙ステーションの三軸制御図。  人工衛星の三軸制御図（人工衛星に対して可動的な単一のＡＧＡによる）。
【図１４】ステーション自体に固定される２つの機械的サブシステム（１つはリングの章動二分軸の方位を事前に定めることができ、他方はこの能力を持たない）による宇宙ステーションの三軸制御図。  人工衛星の三軸制御図（人工衛星に対して固定的な２つのＡＧＡによる）。
【図１５】ステーション自体に固定される３つの機械的サブシステム（そのどれもリングの章動二分軸の方位を事前に定める能力を持たない）による宇宙ステーションの三軸制御図。  人工衛星の三軸制御図（人工衛星に対して固定的な３つのＡＧＡによる）。
【図１】
2009528217.tif 000025
【図２】
2009528217.tif 000026
【図３】
2009528217.tif 000027
【図４】
2009528217.tif 000028
【図５】
2009528217.tif 000029
【図６】
2009528217.tif 000030
【図７】
2009528217.tif 000031
【図８】
2009528217.tif 000032
【図９】
2009528217.tif 000033
【図１０】
2009528217.tif 000034
【図１１】
2009528217.tif 000035
【図１２】
2009528217.tif 000036
【図１３】
2009528217.tif 000037
【図１４】
2009528217.tif 000038
【図１５】
2009528217.tif 000039
【手続補正書】
【提出日】平成19年9月28日(2007.9.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工衛星の姿勢を一軸制御するために空間において固定的な方角に従って前記人工衛星に伝えられるジャイロトルクを生成する、人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータであって、
ａ）下記の要素によって構成される機械的サブシステム（ＳＭ）と、
ａ1）全ての機械的及び電気機械的コンポーネントを支えかつ該ＳＭを宇宙ステーションにしっかりと固定して発生するトルクを適切に伝導できるようにする機能を果たす構造的支持
ａ2）それぞれ１つの台によって支えられる２つの同心リング。前記台はこれが支えるリングのスピン回転を可能にし、また前記台は章動回転（スピン軸に垂直の軸で）する能力を持つ。従って、前記台が章動回転するとき該リングは前記台と一緒に回転するので、該リングは同時にスピン回転と章動回転をすることができる。
前記２つのリングは等しい主慣性極モーメント（スピン）を有する。
ａ3）前記２つの台を支える章動軸。前記台は章動回転するためにこの軸の周りを回転する。
ａ4）電気機械的要素、通常は電気モーター。例えば、各リングごとに等しい値だが反対方向のスピン回転を生成するための１台または２台のモーター及び各台ごとに等しい値だが反対方向の台（従ってリング）の章動回転を生成するための１台または２台のモーター。前記２つのリングについて上に述べるスピン運動及び章動運動によって生成されるジャイロトルクは結合されて、１つのトルクを生成し、これが人工衛星に伝えられる。そのベクトルは空間において固定的方角を有し、その方向は周期的に変化する。この方角は前記リングの平面が一致するとき章動の平面に直交する平面を前記リングの平面で切り取ったものに一致する。章動速度が運動の始めから常に同じ方角及びモジュールを持つが異なる方向を持つとき、前記章動の平面は空間において一定に持続される。この方角は、章動回転する前記２つのリングの前記平面によって形成される角度の二等分線とも一致する。
生成される前記トルクベクトルが一定の方角を持つとき、前記トルクに平行の軸で人工衛星を制御することができる。
ａ5）前記モーターの回転を前記リング（スピン）及び前記台（章動）に伝えるための機械的要素
ｂ）下記の要素によって構成される電子複合体（ＣＥ）と、
ｂ1）前記人工衛星によって供給されるエネルギーからの前記スピン及び章動用モーターの給電を調整するための電気及び電子的要素
ｂ2）内部的にプログラムされるまたは前記人工衛星のプロセッサから発せられる姿勢の信号から前記リングの開放、停止及び閉鎖の時期を計算しかつ前記リングのスピン回転及び章動回転用モーターに対して該当の命令を生成しこれを送信するために必要なソフトウェアを含むマイクロプロセッサを含む、前記モーターの制御用の電子的要素
を備えることを特徴とする、人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータ。
【請求項２】
前記人工衛星に固定される請求項１−ａ）に記載の２つの機械的サブシステムを備え、各機械的サブシステムのトルクベクトルによって形成される平面内で選択される任意の方角に従って制御可能な方向、方角及びモジュールのインパルスの形式で両方のトルクベクトルの結合トルクベクトルを生成することを特徴とし、これによって、前記付加的機械的サブシステムのたえに拡張された請求項１−ｂ）に記載の電子複合体を用いて前記平面の２軸において人工衛星の姿勢を制御できるようにする、人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータ。
【請求項３】
人工衛星に固定される請求項１−ａ）に記載の３つの機械的サブシステムを備え、空間において選択される任意の方角に従って制御可能な方向、方角及びモジュールのインパルスの形式で３つのトルクの合成トルクを生成することを特徴とし、これによって、前記２つの付加的機械的サブシステムのために拡張された請求項１−ｂ）の電子複合体を用いて人工衛星の姿勢を三軸制御できるようにする、人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータ。
【請求項４】
各リングの章動運動を生成する前記電気機械的要素が相互に独立し、それによって章動運動中その平面の二等分線が機能拡張されたソフトウェアを含む請求項１−ｂ）に記載の電子複合体により命令される章動軸に垂直の平面内の任意の方角と一致するように前記リングの位置を定めることができることを特徴とし、このようにして、生成されるトルクベクトルが前記平面において選択される任意の方角を持つことができ、それによって、単一の機械的サブシステムによって前記人工衛星の姿勢を二軸制御できるようにする、請求項１に記載の人工衛星の姿勢を制御するためのジャイロアクチュエータ。
【請求項５】
前記人工衛星に固定される請求項４に記載の２つの機械的サブシステムを備え、空間において選択される任意の方角に従って制御可能な方向、方角及びモジュールのインパルスの形式で両方のトルクベクトルの合成トルクベクトルを生成することを特徴とし、それによって、請求項４に記載の新規機能及び付加的ＳＭのために拡張された請求項１−ｂ）に記載の電子複合体を用いて２つの機械的サブシステムによって人工衛星の姿勢を三軸制御できるようにする、人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータ。
【請求項６】
請求項１に記載の機械的サブシステムを備えるが、フレーム１を介して人工衛星に結合され、前記機械的サブシステムが１つの軸を介して前記フレームに結合され、前記フレームが１台または２台の配向モーター１によって前記軸の周りで回転することができることを特徴とし、前記フレーム１が１台または２台の配向モーター２によって章動軸及び前記リングの平面の角度の二等分線によって形成される平面に垂直の軸の周りで前記人工衛星に対して相対的に回転でき、このようにして、前記機械的サブシステムによって生成されるトルクベクトルの方角を空間における任意の方角に従って定めることができるので、前記フレーム１に付加的な２つの自由度を与え、これによって、フレーム１の付加的な配向モーター１及び２のために拡張された請求項１−ｂ）に記載の電子複合体を用いて、単一の機械的サブシステム、前記フレーム１並びに前記配向モーター１及び２によって前記人工衛星の姿勢を三軸制御できるようにする、人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータ。
【請求項７】
人工衛星の回転を単軸、二軸または三軸制御するために前記電子複合体の代わりに制御サブシステムを備え、前記制御サブシステムが、該アクチュエータの前記電気モーターへの給電を調節するため、前記人工衛星のメインコンピュータと通信するため、前記人工衛星の数個の姿勢センサを電子的に読み取るため、前記人工衛星の操作を行うために必要な命令を受け取るため、前記操作のために必要な前記人工衛星の姿勢の変更をもたらすトルクを生成するための命令を前記電気モーターに対して発するため及び前記操作の実施中リング及びモーターの状態に関する情報を送るため、に必要なマイクロプロセッサ及び電子コンポーネントを備えることを特徴とし、該アクチュエータの前記制御サブシステムが前記のことを実施するためのソフトウェアを含み、基本的操作が前記人工衛星を初期姿勢位置から別の最終目標位置（時間により変動する可能性がある）へ回転させることであり、そのために閉鎖ループで、
ａ）該ジャイロアクチュエータの外部の、ただし前記人工衛星内に搭載されるセンサを読み取ることによって前記人工衛星の現在姿勢を認識するステップと、
ｂ）通常前記人工衛星の中央プロセッサから発せられる前記人工衛星の新しい目標姿勢に関する命令を受け取るステップと、
ｃ）制御対象の前記リングについて要求される章動位置及びスピン速度を計算するステップと、
ｄ）操作を実施するためにスピン運動及び章動運動を実行するための命令を前記電気機械的手段に対して発するステップと、
ｅ）前記人工衛星の前記センサを読み取ることによって前記人工衛星の動き及び瞬間的姿勢を受け取り、目標として求められるものとの誤差を決定するステップと、
ｆ）前記目標に対する誤差を排除するために前記リングに求められる新しい章動位置及びスピン速度を計算するステップと、
ｇ）前記目標に対する前記誤差を排除するためにスピン運動及び章動運動を実施するための命令を前記電気機械的要素に対して発するステップと、
ｈ）前記目標に対する前記誤差が設定される限度未満になるまでステップａ）からｇ）までを繰り返すステップと、
を実行する、請求項１から６に記載の人工衛星を制御するためのジャイロアクチュエータ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、その応用に関して宇宙分野に関係し、後に明らかにするように制御、機械学、電子工学及び電子学の工学分野を利用する。
【背景技術】
【０００２】
宇宙分野において、内部角運動量の変動による制御に基づく３つのタイプの古典的装置がすでに開発されている。これらの３つのタイプのうちよく利用されている２つの装置は、リアクションホイールアセンブリ（Ｒｅａｃｔｉｏｎ  Ｗｈｅｅｌ  Ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ）及びモメンタムホイールアセンブリ（ＭＷＡ）である。これらは実用に際し三軸制御のあらゆるタイプの人工衛星に万能的に応用される。しかし、機動的な人工衛星にとってはこれらのメカニズムは不十分である。通常、４つのホイールが使用され、３つは三軸制御のために不可欠な形式のものであり、四番目のホイールは予備である。リアクションホイールとモメンタムホイールとの間の主要な相違はスピンの公称回転速度である。リアクションホイールの場合、スピンの公称角速度の値はゼロであり、摂動トルクの存在に反応して加速する。このようなスピンの加速は仮想反動トルクを生じ、これが摂動を補償する。摂動が維持される場合、加速が維持されなければならず、ホイールは機械的に許容可能な最大速度に達する（飽和）可能性がある。飽和を解除するためには、実際の外部トルク（放出モーメント）を利用する必要がある。この種のトルクは磁気トルクまたはマイクロロケットのように他のアクチュエータによって生成される。
【０００３】
モメンタムホイールは高い公称回転角速度で回転して、摂動トルクが現れた場合にはこれを補償するためにまたは人工衛星の操作を行うためにスピン速度に多少の変化が生じる。モメンタムホイールの典型的な特徴の１つは、スピンを変動させる必要なくスピン軸に対して平行に人工衛星の軸を安定させるその能力である。この能力は、ホイールが人工衛星自体によって構成されるジャイロスコープの回転子として作用して、衛星に回転の安定性を与えることに基づいている。
【０００４】
リアクションホイールもモメンタムホイールも非常に低いレベル（１０分の数Ｎｍまたは数Ｎｍ）の制御トルクを生じ、その回転速度の限界によって非常に急速に飽和する傾向を持つ（これはスピンにおいてのみ言える）。このために、マイクロロケットによって生じるトルクによって飽和解除するために、人工衛星は比較的大きい体積の推進器を備える必要がある。
【０００５】
この種の装置に言及している特許は沢山ある。例えば、米国特許第００５８２６８２９Ａ号及び米国特許第００５９３１４２１Ａ号に示されている。
【０００６】
第三のタイプの制御は、前の２つのタイプほど一般的ではないが、コントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）によって構成される。コントロールモーメントジャイロは高いレベルのトルクを生じることができるが、このトルクの制御の難しさ及び大きい重量及び体積という難点がある。
【０００７】
装置の例として米国特許第００６１３５３９２Ａ号がある。
【０００８】
このような技術状況に対して、同じくジャイロトルクの応用に基づく先端的ジャイロアクチュエータは、既存のＣＭＧを備える制御システムよりずっと小さい重量及び体積並びに操作制御におけるより大きな便宜を与えるようにジャイロ要素を配置するという特徴を持ち、ＲＭＡ及びＭＷＡを上回る規模の様々な程度のトルクを与える。
【０００９】
競合システムに対する上述の利点は、先端的ジャイロアクチュエータの機械的サブシステムの特有の２つの特徴の組合せによって、すなわち、スピン回転と章動回転の組合せ（この組合せは、単なるスピン運動（ＲＷＡ及びＭＷＡに特有）の場合より非常に高いジャイロトルクを与える）、及び２つの同心リングから成る回転要素の形態（２つのディスクを持つＣＭＧと異なり体積及び質量を大幅に減少させ、リングに対する制御の能力はより万能的である）の組合せである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、これを搭載する宇宙ステーション（人工衛星）の姿勢制御（方位制御）を可能にするジャイロアクチュエータに関する。この姿勢制御を可能にするために、運動量保存則が応用される。従って、外部トルク作用には依存しない。
【００１１】
姿勢制御は宇宙工学においては絶対的に必要である。なぜなら、姿勢制御は接舷装置の方位定め及び操作の実行を可能にするからである。
【００１２】
本発明の新規性は、基本的にリアクションホイールアセンブリ、モメンタムホイールアセンブリ及びコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）である現在使用されているものと比べて非常に小さい重量及び体積の機械装置を用いて非常に高いトルクを生成する能力がある点にある。
【００１３】
本発明の目的に最も近い先行製品は、特許第ＰＣＴ／ＥＳ０２／００４８２号において説明されている。本発明は、本発明を宇宙環境においてその能力を発揮するために特に適するものにする一連の発明的相違を有する。
【００１４】
ジャイロアクチュエータと呼ばれるメカニズムと比較した場合の基本的な相違として下記のことを挙げることができる：
１．先端的ジャイロアクチュエータは１つまたはいくつかの機械的サブシステム及び１つの制御サブシステムで構成される。特許第ＰＣＴ／ＥＳ０２／００４８２号のメカニズムは完全に機械的なシステムである。
２．先端的ジャイロアクチュエータの各機械的サブシステムは同心の２つのリングからのみ構成され、２つのリングはそれぞれのスピン回転及び章動回転の調整された動きによって既知の方角の、パルスモードのかつ交互の方向のトルクベクトルを生じる。各機械的サブシステムによって生成されるトルクのベクトル結合は合成トルクを生成し、これが宇宙ステーションの姿勢を制御するために利用される。このトルクは、利用される機械的サブシステムの数に応じて、単一の方角に、１つの平面上の任意の方角にまたは空間における任意の方角に生成される。特許第ＰＣＴ／ＥＳ０２／００４８２号のメカニズムは、全て同心の２対のリングによって構成され、その制御されたスピン運動及び章動運動によって一定モジュールの、一定方向の、かつ一方角のみの不変方角のトルクを生じる。モジュールが一定であるようにするために、トルクインバータと呼ばれる付加的な機械装置を有する。
３．宇宙ステーションの回転操作を可能にするための先端的ジャイロアクチュエータは、これが搭載されるステーションを加速するためにトルクパルスによって生じる角インパルスを利用し、パルスの作用が終了するときその回転が一定であるようにし、その後、前のとは反対の符号の別のトルクパルスを発生して、宇宙ステーションが完全に停止するまでステーションの減速（制動）を生じる。これは、特許第ＰＣＴ／ＥＳ０２／００４８２号のメカニズムに想定される機能ではない。なぜなら、このメカニズムの機能はトルクのパルスではなく時間的に永続的な一定のトルクを放出するためのものである。
４．先端的ジャイロアクチュエータの単一の機械的サブシステムは、スピン及び章動の調整された回転が生成される前に、リングの章動の方位を事前に定めることによって、１つの平面上の任意の方角のトルクベクトルを生成する能力を持つ。この操作は制御サブシステムからの制御を受ける。制御サブシステムはリングの事前位置を定める電気機械的手段に対する必要な命令を実行する。特許第ＰＣＴ／ＥＳ０２／００４８２号のメカニズムはこのような能力を想定していない。一定のトルクベクトル生成の方角は固定軸で実現される。
５．１つの平面上の任意の方角のトルクベクトルを生成する能力を有するジャイロアクチュエータの各機械的サブシステムは、そのリングが完全な章動回転を実現できるようにする機械的構造を有する。特許第ＰＣＴ／ＥＳ０２／００４８２号のメカニズムはその機能にこの能力を想定していない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
先端的ジャイロアクチュエータ（ＡＧＡ）は２つの異なる部分すなわち制御サブシステム及び機械的サブシステムの複合体に基づくシステムである。機械的サブシステムの数に関しては最小で１つ、最大で３つである。
【００１６】
先端的ジャイロアクチュエータの目的は宇宙ステーションの姿勢制御である。すなわち、当初初期方位にあるステーションの最終的な空間方位を定められるようにすることである。
【００１７】
初期方位から最終方位への移行は、先端的ジャイロアクチュエータの機械的サブシステムによる宇宙ステーション内でのトルク（モーメント）の生成によって実現される。このトルクは時間により変動し、周期的特性を持つ。
【００１８】
各機械的サブシステムはそれぞれのトルクを生成し、それぞれのトルクの開始、形式及び持続長さは、制御サブシステムによって予測され算定される全てのトルクの結合ベクトルが宇宙ステーションを操作することができるように制御サブシステムによって制御されて、宇宙ステーションが初期方位から最終方位へ移行できるようにする。
【００１９】
制御サブシステムは人工衛星のメインコンピュータから宇宙ステーションの新しい方位に関する要求を受け取る。このような変更を可能にする命令を発するために、人工衛星のセンサ（星座、磁気など）によって測定されそのプロセッサによって送信された人工衛星の現在方位を読み取る。また、各機械的サブシステムのリングの位置及び回転速度も読み取る。
【００２０】
次に、マイクロプロセッサカードに組み込まれる制御ソフトウェアを実行することによって、制御サブシステムは、操作に合わせて章動の初期位置及びスピン及び章動の回転速度を生成するために、各機械的サブシステムのリングに作用する電気機械的要素に電気信号を与えることによって制御サブシステムが利用する機械的サブシステムに関する命令を実行する。
【００２１】
機械的サブシステムの作用の結果として人工衛星が操作されるとき、制御サブシステムは宇宙ステーションのセンサから届く位置を読み取る。求められる方位位置（目標姿勢）に達したら、制御ソフトウェアによって事前に計算された命令を電気機械装置へ送り、電気機械装置は、宇宙ステーションを制動し静止するために適した合成トルクを発生させることによって宇宙ステーションを制動し停止するために機械的サブシステムのリングの回転に作用する。
【００２２】
このステップは、閉鎖ループでも実施される。この場合、制御システムは、人工衛星のセンサによって姿勢が測定されるごとにこれを読み取り、これを目標位置と比較し、差（誤差）を用いて人工衛星が誤差をゼロにするまで操作を続けるように章動及びスピンの命令を生成する。
【００２３】
機械的サブシステムは下記の要素から構成される：
ａ）全ての機械的及び電気機械的コンポーネントを支えかつＳＭ（機械的サブシステム）を宇宙ステーションにしっかりと固定して発生するトルクを適切に伝導できるようにする機能を果たす構造的支持
ｂ）それぞれ１つの台によって支えられる２つの同心リング。台はこれが支えるリングのスピン回転を可能にし、また台は章動回転（スピン軸に垂直の軸で）する能力を持つ。従って、台が章動回転するときリングは台と一緒に回転するので、リングは同時にスピン回転と章動回転をすることができる。
２つのリングは等しい主慣性極モーメント（スピン）を有する。
ｃ）２つの台を支える章動軸。台は章動回転するためにこの軸の周りを回転する。
ｄ）電気機械的要素、通常は電気モーター。例えば、各リングごとに等しい値だが反対方向のスピン回転を生成するための１台または２台のモーター及び各台ごとに等しい値だが反対方向の台（従ってリング）の章動回転を生成するための１台または２台のモーター。２つのリングについて上に述べるスピン運動及び章動運動によって生成されるジャイロトルクは結合されて、１つのトルクを生成し、これが人工衛星に伝えられる。そのベクトルは空間において固定的方角を有し、その方向は周期的に変化する。この方角はリングの平面が一致するとき章動の平面に直交する平面をリングの平面で切り取ったものに一致する。章動速度が運動の始めから常に同じ方角及びモジュールを持つが異なる方向を持つとき、章動の平面は空間において一定に持続される。この方角は、章動回転する２つのリングの平面によって形成される角度の二等分線とも一致する。
生成されるトルクベクトルが一定の方角を持つとき、トルクに平行の軸で人工衛星を制御することができる。
ｅ）モーターの回転をリング（スピン）及び台（章動）に伝えるための機械的要素
【００２４】
これらの要素の結合的機能は、他の機械的サブシステムのトルクと結合して、宇宙ステーションを動かす能力を持つトルクを生成する。
【００２５】
この機械的機能は、章動及びスピンの電気機械的要素が制御サブシステムから適切な電気信号を受け取り、信号がそれぞれの電気モーターの回転に変換されることから成る。機械的伝達要素はモーターから回転を受け取って、台（章動）及びリング（スピン）に直接回転を伝える。
【００２６】
その結果、リングのトルクは章動及びスピンの結合回転を生じる。この結合は各リングにおける対称的回転から成る。回転としては、それぞれプラス及びマイナスのスピン（マイナスのスピンを以後逆スピンと呼ぶ）及びそれぞれプラス及びマイナスの章動（マイナスの章動を以後逆章動と呼ぶ）がある。
【００２７】
次に、リングのスピン運動及び章動運動の結果としてなぜジャイロトルクが生じるかについて説明する。
【００２８】
力学の法則から、ある１点に対するある動体の角運動量Ｈの時間に対する変動は、前記動体に加えられた前記点に対するモーメントまたはトルクＮに等しい。すなわち、
【数１】
2009528217.tif 000040
【００２９】
図１には、速度ωで回転する台に据え付けられる運動量Ｈのディスクによって表されるジャイロスコープ複合体の基本概念が示されている。運動量Ｈは下記の式で表される：
【数２】
2009528217.tif 000041
【００３０】
ここで、Ｉ及びωはそれぞれディスクの慣性モーメント及び軸回転（スピン）速度である。
【００３１】
この速度はディスクの運動量の変動を引き起こす。運動量は静止状態において下記の値を持つ：
【数３】
2009528217.tif 000042
また、数式１に従ってディスクは下記のトルクを加えられたかのように行動することになる：
【数３ａ】
2009528217.tif 000043
【００３２】
このトルクは同じ値のしかし反対の方向の別のトルクの人工衛星に対する作用と等しい動きを人工衛星に生じる。この別のトルクをＮと呼ぶ。
【数４】
2009528217.tif 000044
従って、実質外部トルクはないので、アクチュエータを持つ衛星システムの全体運動量の変動はゼロとなる。
【００３３】
このトルクは図１に示される方角及び方向を有し、人工衛星へのジャイロスコープ複合体の固定に作用し、下記の角加速で人工衛星を回転させる：
【数５】
2009528217.tif 000045
ここで、δは人工衛星の角位置であり、Ｉsはその慣性モーメントであり、両方とも人工衛星の重心を通過するＮに平行の軸に関係する。
【００３４】
この「ジャイロスコープ複合体」が組み込まれる物体の動きの制御に応用される際のこの複合体の基本的な不利点は、生成されるジャイロモーメントＮがΩに直交する平面上でこの同じ速度で回転することである。すなわち、制御された形式で作用するモーメントを得るためには、Ｈ、Ωの値及びジャイロ要素の数及び配置の総合的戦略を展開する必要がある。この戦略は通常非常に複雑になり、特異なゾーン、大きな質量、ギリギリの信頼性など重大な問題を引き起こす。
【００３５】
問題は、先端的ジャイロアクチュエータの機械的サブシステムを使用することで激減する。このメカニズムは基本的に２つの同心リングで構成され、その各々が、それぞれψ、−ψのスピン速度でその軸の周りを回転する。これらのリングはさらにそれぞれ共通直径の周りの角速度θ、−θ（章動）に従う。図２には、２つのリングについてこれらの速度の比較的な方角及び値が示されている。各リングは、従って、ディスクについて前に定義したように「ジャイロスコープ複合体」を構成する。
【００３６】
これによって、静止状態において、特許第ＰＣＴ／ＥＳ０２／００４８２号において立証されるとおり、逓増的値の衛星に対するトルク（方向の符号を含むベクトルのモジュール）が得られる：
【数６】
2009528217.tif 000046
【００３７】
トルクの方角は一定である（図２の軸Ｙ）が、その方向はリングの回転の半サイクルごとに変動する。問題は激減するが、完全になくなるわけではない。予め決められた行動、速度及び姿勢を得るためには、以下に示すように先端的ジャイロアクチュエータの機械的サブシステムの設備の適切な機能及び配置が必要である。
【００３８】
章動速度θが一定であれば、基本の機械的サブシステムによって生成されるトルクは数式６に従って正弦波形の変動様式を持ち、従って、人工衛星の角加速も正弦波形の変動様式を持つので、数式５に従ってトルクに比例する。
【００３９】
図３においては、章動角度ゼロはＸＹ平面上の両方のリングの位置に対応し、角度θはリング（ａ）の角度に対応する。この条件で、この図において、人工衛星に通信される速度（加速の積分）は正弦波形並びに人工衛星が回転した角度（速度の積分）を持つことが示されている。リングの章動位置ゼロから始まってリングが連続的に回転すると、人工衛星の回転の平均角度は無（ゼロ）となる。
【００４０】
次に、回転を開始した後、π／２以下の角度に達したときリングが停止する場合、人工衛星は停止時に達した値の一定速度で回転し続ける。ある一定時間の後に人工衛星が停止して、リングを反対方向に回転させる場合と、人工衛星は、リングの停止時に与えられた速度及び一定速度で経過した時間に従って角度を増減する。従って到達する角位置はリングの様々な停止位置に応じて図４に示される形を取る。
【００４１】
章動運動の初期位置がθ0＝０とは異なるとすると、図３及び４とは異なる人工衛星のトルク及び動きが得られる。例えば、θ0＝−π／２だとすると、図５及び６に示される値が得られる。これらの値は図３及び４の値の倍である（図６の座標軸から分かる）が、人工衛星にスプリアス反動トルクが現れることがなくこの条件で章動を開始することは非常に複雑になるので、通常初期条件としてθ0＝０が使われる。
【００４２】
トルクのモジュールが一定である必要はなく、数式６に従ってまた関数θ（ｔ）に従って様々な形を取ることができる。θ（ｔ）が一定である場合、トルクの変動は正弦波形である。
【００４３】
既述の通り、単一の機械的サブシステムによって図２のＯＹの方角だけでなくＺＹ平面の任意の方角のトルクを生成することができる。この重要な特異性について次に説明する。
【００４４】
図７は図２の場合と同様に回転する２つのリングを表しているが、その二分軸（ｂｉｓｅｃｔｒｉｚ）が角度α回転しかつその軸ＹがＹ’になるように最初にリングの章動回転が最初に微分式に移動している。永久的な形体においては、この二分軸は一定に維持され、生成されるジャイロトルクはこの場合Ｙ’の方角を持ち、図３に関して指摘したように交互にその方向を変え続ける。
【００４５】
１つの平面上におけるトルクの方角は、制御システムの制御を受ける２つの機械的サブシステムを利用することによって得ることができ、各機械的サブシステムはこの平面上において直交する慣性軸の各々の上に方角成分を与える。当然、この解決法は図７に示されるものよりずっと重く（２倍）、大きい体積になるが、用途によっては、他の動機（例えば、信頼性のための冗長性）によりこれが必要とされるかも知れない。この代替案においては、図２及び７のＯＹ及びＯＺ上にその活動軸を持つ２つの機械的サブシステムによって与えられるトルクは、下記の関係を満たさなければならない：
【数７】
2009528217.tif 000047
【００４６】
次に、宇宙ステーションの三軸制御の可能性を検討するために、図８について考える。この図においては、原点をＯとする座標系ＸＹＺが示されており、この座標系に２つの機械的サブシステム（図示されず）がある。軸ＯＸは初期状態において機械的サブシステムのうちの１つによって生成されるジャイロトルクの方角に対応する（図２と同様）。軸ＯＹは同じ初期条件で他方の機械的サブシステムによって生成されるジャイロトルクの方角に対応する。
【００４７】
ここで、空間における方角ＯＮを角度γ及びα（センサによって得られる）によって示されるトルクに要求される方角として定義すると、ＸＺ及びＹＺ平面上におけるその成分は、下記の通りそれぞれ角度γ及びαの関数である角度αxz及びαyzによって定義される方角ＯＮxz及びＯＮyzである：
【数８】
2009528217.tif 000048
【数９】
2009528217.tif 000049
【００４８】
その方角ＯＮに応じてトルクＮを得ようとすると、リングのトルクの方角（二分軸）を方角ＯＸから角度αxz回してトルクＮxzを生じるだけでよい。このトルクはＮyと合成され、合成方角は、ＮxzおよびＮyの逓増的値がγとαとの間の下記の関係を満たすときは常に求められる方角ＯＮを得る：
【数１０ａ】
2009528217.tif 000050
【００４９】
初期方角ＯＹのリングの軸を角度αyz回転させ、そのモーメントＮyzをＮxと合成することによって同様の効果を得ることができる。この場合、この２つのトルクの間で維持しなければならない関係は下記の通りである：
【数１０ｂ】
2009528217.tif 000051
【００５０】
これらの関係を確立するために、必要に応じて、数式６に従ってトルクを変動させるために章動及び（または）スピンの速度が調整される。トルクの方角を変動させる機械的サブシステムの選択はそれぞれの場合に応じて行われる。
【００５１】
空間において任意の方角ＯＮのトルクを得るための可能な別の解決法が図９に示される方法である。この場合、サーボモーターを備える２つの自由度を持つ回転フレームに取り付けられた単一の機械的サブシステムを利用する。先端的ジャイロアクチュエータの制御サブシステムはサーボモーターも制御する。初期状態において、リングのトルクＮｙは軸ＯＹの方角を持つ。機械的サブシステムが角度γ及びαによって示される方角のトルクＮを与えるようとする場合、機械的サブシステム複合体全体が軸Ｚの周りで角度γ回転し、その後その二分軸が角度α回転する。この解決法は明らかに２つの機械的サブシステムを持つ図８の解決法より単純であるが、フレームのサーボモーターがフレームを動かすために必要なトルクの他にジャイロトルクを人工衛星に伝えなければならないので、重くなる可能性がある。
【００５２】
二軸制御の第二の解決法について述べたのと同様に、空間におけるトルクの方角は３つの機械的サブシステムを利用し、各サブシステムがそれぞれの初期軸上の方角成分を与えることによって得ることができる。当然、この解決法は、２つの機械的サブシステムしか必要としない図８の解決法に比べて重くかつ体積が大きくなる。この場合、３つの機械的サブシステムの活動軸は図８の軸ＯＸ、ＯＹ、ＯＺに従った方角を向いている。生成される３つのトルクＮx、Ｎy及びＮzの合成方角が方角ＯＮ上にあるためには、下記の関係を満たさなければならない：
【数１１】
2009528217.tif 000052
【数１２】
2009528217.tif 000053
【００５３】
そのために、各機械的サブシステムのスピン及び（または）章動の値が適切に調整されなければならない。
【００５４】
このように、先端的ジャイロアクチュエータは宇宙ステーションの単軸だけでなく二軸及び三軸制御のためにも考えられたシステムであり、開放または閉鎖ループで様々な程度の複雑さで操作を行えるようにするためにステーションを制御することができるが、本明細書においては開放ループで基本的な空間操作における作動形式が説明されている。
【００５５】
宇宙に応用する際の基本的要件は、定められた最大時間より短い時間内に所定の正確さで人工衛星の決められた角位置を得ることである。
【００５６】
このために、人工衛星に加えられるトルクは決められた時間戦略に対応しなければならない。通常、トルクが所定の値のモジュールを持つ必要はなく、要求される機能を果たすために充分な高さであれば良い。従って、先端的ジャイロアクチュエータは、すでに検討済みの概念に従って２つの基本的形式で機能することができる。
【００５７】
１つは不連続形式である。すなわち、人工衛星に一定角速度を伝えるために機械的サブシステムのリングを回転させ、半サイクルが終了する前にリングを止める。
【００５８】
もう１つは連続様式であり、連続的にリングを回転させておき、初期状態に応じて人工衛星において異なる角位置を得る。
【００５９】
２つの形式は図３、４、５及び６に示されている。
【００６０】
通常、開放ループ制御の場合、下に示されるように上述の２つの基本的形式を組み合わせて用いて衛星の角位置を変動させる。閉鎖ループに場合に関しては図１０から１５において説明される。
【００６１】
リングが初期位置θ0＝０（図２を参照）に静止し、人工衛星が静止しているとき、人工衛星を可能な限り短い時間である角度回転させるとする。
【００６２】
図３には、機械的サブシステムのリングが連続的に動くときの人工衛星の速度が、初期条件がゼロの場合下記の通りであることが示されている：
【数１３】
2009528217.tif 000054
【００６３】
θ＝９０°の場合得られる人工衛星の最大速度は下記の通りである：
【数１４】
2009528217.tif 000055
【００６４】
制御サブシステムは、人工衛星が静止している状態δ＝０で現在位置δ0＝０から出発して達成したい人工衛星のδrを認識する。
【００６５】
機械的サブシステムのリングは、章動初期位置θ0＝０で、一定スピン速度で回転している。
【００６６】
制御サブシステムはδr及び章動モーターのトルクを認識して操作の最小時間を決定する。この時間は下記の通り３つの時間の合計から得られる：
【数１５】
2009528217.tif 000056
【００６７】
値ｔ1は最大インパルスを与えるための時間であり、最大インパルスは最大加速によるリングの０からπ／２までの回転であり、最大加速は、モーター−リング複合体において得られる最大章動のトルクが分かりモーター−減速機複合体によって課せられるθmaxの可能な限度を考慮に入れると得られる。
【００６８】
時間ｔ3は前のインパルスと反対のしかし同じモジュールのインパルスを与えることによって衛星を制動するために必要な時間である。このために、π／２から（０まで第一のインパルスのために送られた場所）リングを閉じるよう命令が発せられる。
【００６９】
リングを開くときのモーター−リング複合体の行動はこれを閉じるときと全く同じというわけではないので、このｔ3はｔ1に等しいと見なされない。
【００７０】
最後に、時間ｔ2は、人工衛星の回転が要求されるδr、すなわち、
【数１６】
2009528217.tif 000057
であるために必要な時間である。
【００７１】
第一の加数は、ｔ1と一緒に導出できる初期インパルス中の回転である。
【００７２】
δ3の値は、加速のときと制動のときのメカニズムの行動が異なるので等しくはないが、δ1と類似する形式で制動について得られる。
【００７３】
角度δ2は数式１６から得られ、初期インパルスを分析すると人工衛星の最大速度δmaxが得られるので、下記の通りｔ2を得ることができる：
【数１７】
2009528217.tif 000058
【００７４】
ＡＧＡのマイクロコンピュータにおいて算定されたｔ1、ｔ2及びｔ3を用いて、下に示される時にシステムは下記の命令を与える：
モーターの最大トルクの状態でθ0＝０からリングの開放
Ｔ0＝ｔ0＝０
９０°でリングの停止。人工衛星はその最大回転速度で打ち上げられる。
Ｔ1＝ｔ1
原点にリングを戻すための命令。これにより人工衛星は減速する。
Ｔ2＝ｔ1＋ｔ2
リング及び人工衛星の停止
Ｔ3＝ｔ1＋ｔ2＋ｔ3
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】スピン速度ω及び章動回転Ωで回転するディスクに関する物理的な運動量保存則の物理的原理の図である。Ｈは運動量であり、Ｎは生成されるトルクである。（ＣＳ）人工衛星本体。
【図２】ＹＺ平面上に投影された等しい慣性極モーメントＩを持つ２つの同心リング（説明においてはＡＧＡと名づけられている）に関する、生成されたトルク（Ｎy）のスピン（ψ）及び章動（θ）の回転速度の図である。
【数１８】
2009528217.tif 000059
本発明の内容の略図。
【図３】角度θ＝０°からθ＝２・πまでリングが章動回転し始めるときの、宇宙ステーションの回転δ、その速度δ’及びその加速δ”を示すグラフである。ステーションがその回転を開始し、減速して角位置δ＝０に戻ることが分かる。
【数１９】
2009528217.tif 000060
θ0＝０の場合の人工衛星のトルク、速度及び角位置の変動。
【図４】リングの章動回転θが開始されるとき及びサイクル完了（θ＝２・π）前にこの回転が停止するときの宇宙ステーションの回転を表すグラフである。ステーションの回転δはこの場合停止されない。３つの操作すなわちリングがθ＝π／２、θ＝π／３及びθ＝π／４で停止するときの曲線が示されている。  人工衛星の位置δの変動（θ0＝０及び様々な値のリングの停止角度）
【図５】図３と同様であるが、章動がθ0＝０ではなくθ0＝−π／２から開始される場合のグラフである。
【数２０】
2009528217.tif 000061
θ0＝−π／２の場合の人工衛星のトルク、速度及び角位置の変動。
【図６】図４と同様であるが、章動がθ0＝０ではなくθ0＝−π／２から開始される場合のグラフである。これが達する角位置はθ＝０から起動する場合（図４の場合）の２倍である。  人工衛星の位置の変動δ（θ＝−π／２及び様々な値のリングの停止角度の場合）
【図７】章動の二分軸の傾斜αがゼロではない値を取ることができるＹＺ平面上のリングの投影図である。２つのリングの間で章動二分軸を変動できることは、この方角に加わるトルクが現れるとき人工衛星を二軸制御するために役立つ。  １つの平面においてトルクのために要求される方角の取得（人工衛星に対して固定的な単一のＳＭ）。
【図８】２つの機械的サブシステムのリングより発生するトルクの結合を示している。リングのうち１つは、２つのリングの章動の初期二分軸の方位を定めることができ、トルクＮXZを生成する。この能力を持たないもう一方のリングはトルクＮyを生成する。両方のトルクの結合は、宇宙ステーションに必要とされるＯＮの方角のトルクＮを生成するので、宇宙ステーションを三軸で制御することができる。  空間におけるトルクのために必要な方角の取得（人工衛星に対して固定的な２つのＳＭ）。
【図９】サーボモーター（Ｓ−１）（Ｓ−２）を利用して、フレームの方位を事前に定めることによって人工衛星を三軸制御するために空間における自身のベクトルＮの方位を定めることができる、２つの自由度を持つフレームに導入される、章動二分軸を回転させる能力を持たない機械的サブシステム。  空間におけるトルクのために必要な方角の取得（人工衛星に対して可動的な単一の機械的サブシステム）。
【図１０】ステーション自体に固定される、章動二分軸を回転させる能力を持たない単一の機械的サブシステムによる宇宙ステーションの単軸制御図。  人工衛星の単軸制御図（人工衛星に対して固定的な単一ＡＧＡによる）。
【図１１】リングの章動二分軸の方位を定めることができるステーション自体に固定される単一の機械的サブシステムによる宇宙ステーションの二軸制御図。  人工衛星の二軸制御図（人工衛星に対して固定的な単一のＡＧＡによる）
【図１２】リングの章動二分軸の方位を事前に定める能力を持たない、ステーション自体に固定される、章動二分軸を回転させる能力を持たない２つの機械的サブシステムによる宇宙ステーションの二軸制御図。  人工衛星の二軸制御図（人工衛星に対して固定的な２つのＡＧＡによる）。
【図１３】ステーション自体の中に組み立てられる２つの自由度を持つフレームに固定される、章動二分軸を回転させる能力を持たない単一の機械的サブシステムによる宇宙ステーションの三軸制御図。  人工衛星の三軸制御図（人工衛星に対して可動的な単一のＡＧＡによる）。
【図１４】ステーション自体に固定される２つの機械的サブシステム（１つはリングの章動二分軸の方位を事前に定めることができ、他方はこの能力を持たない）による宇宙ステーションの三軸制御図。  人工衛星の三軸制御図（人工衛星に対して固定的な２つのＡＧＡによる）。
【図１５】ステーション自体に固定される３つの機械的サブシステム（そのどれもリングの章動二分軸の方位を事前に定める能力を持たない）による宇宙ステーションの三軸制御図。  人工衛星の三軸制御図（人工衛星に対して固定的な３つのＡＧＡによる）。
【国際調査報告】
2009528217.tif 000062
2009528217.tif 000063
2009528217.tif 000064
2009528217.tif 000065
2009528217.tif 000066
2009528217.tif 000067