(57)【要約】【課題】  人工衛星に搭載するスラスタが故障したときに、残存している全てのスラスタを利用して軌道及び姿勢の制御を可能とする、最小のスラスタ本数で実現するスラスタ配置設計を得る。【解決手段】  最適スラスタ配置設計部２００が、与えられたスラスタ本数において最適なスラスタ配置を出力し、制御性能判定部３００は、最適スラスタ配置設計部２００が出力した最適スラスタ配置が、スラスタ故障時においても十分な軌道及び姿勢制御性能を有しているかを判定し、性能が不十分であれば、スラスタ本数増分部４００がスラスタ本数を増加させ、再度最適スラスタ配置設計部２００により最適スラスタ配置を得て、制御性能判定部３００で十分な制御性能を有していると判定されるまで、繰り返し評価を行う。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力されるスラスタ本数に基づいて、スラスタの搭載位置および出力方向を示すスラスタ配置を求める最適スラスタ配置設計処理と、
上記最適スラスタ配置設計処理により求められたスラスタ配置が、スラスタ故障時においても十分な軌道制御及び姿勢制御性能を有しているか否かを判定する制御性能判定処理と、
上記制御性能判定処理による判定の結果、性能が不十分であると判定された場合、スラスタ本数を増加させるスラスタ本数増分処理と、
上記スラスタ本数増分処理によって増加したスラスタ本数に基づいて、再び上記最適スラスタ配置設計処理を行った後、上記制御性能判定処理にて、上記最適スラスタ配置設計処理により得られたスラスタ配置がスラスタ故障時においても十分な軌道制御及び姿勢制御性能を有していると判定されるまで、上記最適スラスタ配置設計処理、制御性能判定処理、及びスラスタ本数増分処理を、繰り返し処理する、
ことを特徴とした人工衛星のスラスタ配置決定方法。
【請求項２】
上記最適スラスタ配置設計処理は、予め設定された全てのスラスタの故障想定ケースについて、スラスタ配置がスラスタの要求性能を満足する度合いを示す評価関数の値を求める評価関数出力処理を備え、
評価関数出力処理は、スラスタ配置を初期値から順次変更して評価関数の値を求め、その変更前後において求めた評価関数の値の差分が収束した場合に、そのスラスタ配置を最適なスラスタ配置として出力することを特徴とした請求項１記載の人工衛星のスラスタ配置決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、人工衛星の軌道及び姿勢を制御するために搭載されるスラスタについて、その配置の最適設計を可能とするスラスタ配置決定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星は、軌道及び姿勢を制御するために、その外部に複数のスラスタを搭載している。このとき、スラスタが一つでも故障すると、軌道又は姿勢の制御が不可能となる可能性がある。そのため、スラスタの故障に備え、同一構成のスラスタ群を二系統（Ａ系統及びＢ系統）搭載することが一般的である。また、各系統のスラスタ配置は、各系統単体で軌道及び姿勢の制御が可能であるように設計される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２７８８９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような二系統のスラスタ群を搭載する設計には、使用されないスラスタが存在して無駄が多いという問題点がある。すなわち、スラスタに故障が発生していないときにＡ系統を用いるとすると、Ｂ系統のスラスタは一切使用されない。また、Ａ系統のスラスタに故障が発生したときには、Ｂ系統を用いるように切り替えられるが、この際にＡ系統の故障せずに残っているスラスタは使用されない。
【０００５】
加えて、ロケットによって宇宙空間へと打ち上げられるという人工衛星の特性上、極力軽量であることが求められるので、二系統のスラスタ群を搭載することによる重量増加という問題点も存在する。
【０００６】
この発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、使用されないスラスタの数を減らし、スラスタ群の重量増加を抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明による人工衛星のスラスタ配置決定方法は、入力されるスラスタ本数に基づいて、スラスタの搭載位置および出力方向を示すスラスタ配置を求める最適スラスタ配置設計処理と、上記最適スラスタ配置設計処理により求められたスラスタ配置が、スラスタ故障時においても十分な軌道制御及び姿勢制御性能を有しているか否かを判定する制御性能判定処理と、上記制御性能判定処理による判定の結果、性能が不十分であると判定された場合、スラスタ本数を増加させるスラスタ本数増分処理と、上記スラスタ本数増分処理によって増加したスラスタ本数に基づいて、再び上記最適スラスタ配置設計処理を行った後、上記制御性能判定処理にて、上記最適スラスタ配置設計処理により得られたスラスタ配置がスラスタ故障時においても十分な軌道制御及び姿勢制御性能を有していると判定されるまで、上記最適スラスタ配置設計処理、制御性能判定処理、及びスラスタ本数増分処理を、繰り返し処理することを特徴としたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、最小のスラスタ本数で、故障発生時にも十分な軌道及び姿勢の制御性能を得ることの可能なスラスタ配置を設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る実施の形態１による人工衛星のスラスタ配置決定方法の処理手順を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態１による最適スラスタ配置設計部の処理手順を示す図である。
【図３】本発明に係る実施の形態１によるスラスタ配置の評価関数出力部の処理手順を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
本発明に係る実施の形態１による人工衛星のスラスタ配置決定方法は、人工衛星に一系統のみスラスタを搭載しながら、スラスタが故障したときに残存している全てのスラスタを利用して、軌道及び姿勢の制御を可能とするための、スラスタ配置を求めるものである。また、スラスタ群は、無故障時の冗長性を持たせることで、スラスタ配置の設計に依存して冗長なスラスタの数量が増し、重量が増加しないように、スラスタの故障発生時に、軌道及び姿勢の制御機能を維持することが可能であって、かつ冗長なスラスタの数量を最小とする最適なスラスタ配置を得ることを特徴とする。以下、実施の形態１による人工衛星のスラスタ配置決定方法について、図を用いて説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係る実施の形態１による人工衛星のスラスタ配置決定方法の処理手順を示す図である。図２は、実施の形態１による最適スラスタ配置設計部の処理手順を示す図である。図３は、実施の形態１によるスラスタ配置の評価関数出力部の処理手順を示す図である。図において、人工衛星のスラスタ配置決定方法の処理手順は、初期スラスタ本数設定部１００と、最適スラスタ配置設計部２００と、制御性能判定部３００の各処理手順から構成される。初期スラスタ本数設定部１００と、最適スラスタ配置設計部２００と、制御性能判定部３００は、それぞれ計算機上に実装されたソフトウェアから構成される。
なお、スラスタ配置とは、人工衛星の構体に対する、スラスタの搭載位置及び搭載方向を示す。
【００１２】
次に、図１に沿って、実施の形態１による人工衛星のスラスタ配置決定方法の動作について説明する。
まず、初期スラスタ本数設定部１００は、スラスタ配置の最適設計値の初期値として与える、スラスタ本数を出力する。
【００１３】
次に、最適スラスタ配置設計部２００は、初期スラスタ本数設定部１００から与えられたスラスタ本数の元で、最適なスラスタ配置を計算し、出力する。ここで言う最適なスラスタ配置とは、スラスタ故障時における人工衛星の軌道及び姿勢の制御性能の低下が、最小となるスラスタ配置である。
【００１４】
制御性能判定部３００は、最適スラスタ配置設計部２００が出力した最適スラスタ配置に基づいて、与えられたスラスタ本数分のスラスタ群が、スラスタ故障時においても十分な軌道及び姿勢制御性能を有しているか否かを判定する。
このとき、性能が不十分と判定された場合は、スラスタ本数が不足しているために故障時に十分な性能を持てないと判断できるので、スラスタ本数増分部４００が、最適スラスタ配置設計部２００に、スラスタ本数を１本増やすように増加分のスラスタ本数を入力する。
【００１５】
最適スラスタ配置設計部２００は、１本増加したスラスタ本数が与えられると、スラスタ本数を１本増やした場合の最適スラスタ配置を計算し、出力する。制御性能判定部３００は、最適スラスタ配置設計部２００から出力された最適スラスタ配置に基づいて、与えられたスラスタ本数分のスラスタ群が、十分な制御性能を有しているか否かを判定する。
【００１６】
以降、制御性能判定部３００にて、十分な制御性能を有していると判定されるまで、スラスタ本数を１本増やし、最適スラスタ配置を出力する操作を繰り返す。
以上の動作により、最小のスラスタ本数で、スラスタの故障発生時にも十分な軌道及び姿勢の制御性能を持つことができるスラスタ配置を設計することが可能となる。
【００１７】
次に、図２について、与えられたスラスタ本数を元に、最適なスラスタ配置を出力する最適スラスタ配置設計部２００の処理動作について説明する。
最適スラスタ配置設計部２００の処理は、初期スラスタ配置設定部２１０と、スラスタ配置の評価関数出力部２２０と、評価関数の収束判定部２３０と、スラスタ配置変更部２４０の各処理によって構成される。
【００１８】
初期スラスタ配置設定部２１０は、与えられたスラスタ本数の元で、スラスタ配置の初期値として用いる適当なスラスタ配置を出力する。このスラスタ配置は、与えられたスラスタ本数分の全てのスラスタの配置を与える。
初期スラスタ配置設定部２１０は、予め人工衛星のスラスタ搭載可能範囲を与える幾何学的な形状情報が設定入力されており、このスラスタ搭載可能範囲に基づいて、予め決められたルールベースに従い、適当なスラスタ配置を初期値として求める。
或いは、初期スラスタ配置設定部２１０は、ユーザがスラスタ配置の初期値として用いる適当なスラスタ配置を入力装置から入力しても良い。
【００１９】
スラスタ配置の評価関数出力部２２０は、初期スラスタ配置設定部２１０が出力したスラスタ配置が持つ軌道及び姿勢の制御性能を評価する評価関数の値を出力する。
ここでの評価関数は、故障が発生していないとき及び故障発生想定下の全ケースを考慮した値を出力する。
【００２０】
スラスタ配置の評価関数出力部２２０において、１回目に評価関数が出力されたときには、評価関数の収束判定部２３０は非収束と判定して、スラスタ配置変更部２４０でスラスタ本数を変えないままスラスタ配置を変化させる。
スラスタ配置変更部２４０は、予め人工衛星のスラスタ搭載可能範囲を与える幾何学的な形状情報が設定入力されており、このスラスタ搭載可能範囲と初期スラスタ配置設定部２１０に初期値として与えられた適当なスラスタ配置に基づいて、予め決められたルールベースに従い、初期位置から移動させたスラスタ配置を求める。
或いは、スラスタ配置変更部２４０は、ユーザが変更後のスラスタ配置を入力装置から入力しても良い。
【００２１】
スラスタ配置変更部２４０にて変化させた後の新しいスラスタ配置は、スラスタ配置の評価関数出力部２２０に入力され、そこで新しいスラスタ配置の評価関数を得る。
評価関数の収束判定部２３０では、新しい評価関数と１回前の評価関数との差が閾値より小さくなって、その差が収束しているか否かを判定する。
【００２２】
この判定の結果、収束していないときは、スラスタ配置変更部２４０にて再びスラスタ配置を変更し、スラスタ配置の評価関数出力部２２０にて評価関数の計算を行う動作を繰り返す。
この動作を繰り返すことにより、評価関数の収束判定部２３０にて、収束したと判定されたときには、与えられたスラスタ本数下でスラスタ配置変更部２４０によって得られた最適なスラスタ配置が、最適スラスタ配置設計部２００から出力されることとなる。
【００２３】
次に、図３について、スラスタ配置の評価関数出力部２２０の処理動作について説明する。スラスタ配置の評価関数出力部２２０の処理は、評価関数計算部２２１、故障想定ケースの計算済判定部２２２、故障想定スラスタ配置作成部２２３の各処理によって構成されている。
【００２４】
スラスタ配置の評価関数出力部２２０の動作を以下に述べる。
まず、評価関数計算部２２１が、スラスタ配置の評価関数出力部２２０に入力されたスラスタ配置の評価関数を計算し、出力する。
ここで言う評価関数とは、入力されたスラスタ配置が、スラスタに要求される軌道及び姿勢制御の性能を満足する度合いを評価するものであり、例えば並進３軸方向の最大推力、最大加速度、最大速度や、回転３軸方向の最大トルク、最大角加速度、角速度や、並進３軸方向及び回転３軸方向の推力及びトルクの独立依存性などの各性能指標の加重平均と、軌道及び姿勢制御性能を満たす所望の要求性能指標の加重平均との比を求めることで求められるものである。
なお、評価関数計算部２２１は、ユーザが何らかの計算機シミュレータを用いて、別に計算した評価関数を、設定入力できるようなものであっても良い。
【００２５】
故障想定ケースの計算済判定部２２２は、スラスタ配置の評価関数出力部２２０に入力されたスラスタ配置に対して、ユーザが事前に設定した故障想定ケースの全てについて評価関数を計算済であるか否かを判定する。
例えば、８つのスラスタを使用する場合は、何れか１つのスラスタが故障した場合の８通りの想定ケースと、何れか２つのスラスタが同時故障した場合の２８通りの想定ケースの、全部で３６通りの故障想定ケースについて、評価関数をそれぞれ計算する。
【００２６】
評価関数を未計算（計算未済）のケースがある場合には、故障想定スラスタ配置作成部２２３において故障を想定したときのスラスタ配置を作成し、評価関数計算部２２１で新しいスラスタ配置の評価関数を計算する。
勿論、１回目の計算では、事前に設定した何れの故障想定ケースについても評価関数が計算されていないので、故障想定ケースの計算済判定部２２２は計算未済と判定することとなる。
【００２７】
以上の動作を、故障想定ケースの計算済判定部２２２で全ケースが計算済と判定されるまで繰り返す。
これらの動作により、スラスタ配置の評価関数出力部２２０は、故障が発生していないとき及び全ての故障発生想定ケースについての評価関数を出力することとなる。
【００２８】
以上説明した通り、実施の形態１による人工衛星のスラスタ配置決定方法は、入力されるスラスタ本数に基づいて、スラスタの搭載位置および出力方向を示すスラスタ配置を求める最適スラスタ配置設計部２００の処理と、上記最適スラスタ配置設計部２００により求められたスラスタ配置が、スラスタ故障時においても十分な軌道制御及び姿勢制御性能を有しているか否かを判定する制御性能判定部３００の処理と、上記制御性能判定部３００の判定の結果、性能が不十分であると判定された場合、スラスタ本数を増加させるスラスタ本数増分部４００の処理と、上記スラスタ本数増分部４００の処理によって増加したスラスタ本数に基づいて、再び上記最適スラスタ配置設計部２００の処理を行った後、上記制御性能判定部３００の処理にて、上記最適スラスタ配置設計部２００の処理により得られたスラスタ配置が、スラスタ故障時においても十分な軌道制御及び姿勢制御性能を有していると判定されるまで、上記最適スラスタ配置設計部２００、制御性能判定部３００、及びスラスタ本数増分部４００の各処理を、繰り返し処理するものである。
【００２９】
また、最適スラスタ配置設計部２００の処理は、予め設定された全てのスラスタの故障想定ケースについて、スラスタ配置がスラスタの要求性能を満足する度合いを示す評価関数の値を求めるスラスタ配置の評価関数出力部２２０の処理を有し、スラスタ配置の評価関数出力部２２０では、スラスタ配置を初期値から順次変更し、その変更前後における評価関数の値の差分が、所定の閾値以下となって収束した場合に、その収束時のスラスタ配置を最適なスラスタ配置として出力することを特徴とする。
【００３０】
これによって、スラスタが故障したときに残存している全てのスラスタを利用して、最小のスラスタ本数で軌道及び姿勢の制御を可能とする最適スラスタ配置を得ることができる。また、求めたスラスタ配置が、スラスタ系に求められる軌道及び姿勢の制御性能をどの程度満足しているかについても、定量的に評価する方法を供することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１００  初期スラスタ本数設定部、２００  最適スラスタ配置設計部、２１０  初期スラスタ配置設定部、２２０  スラスタ配置の評価関数出力部、２２１  評価関数計算部、２２２  故障想定ケースの計算済判定部、２２３  故障想定スラスタ配置作成部、２３０  評価関数の収束判定部、２４０  スラスタ配置変更部、３００  制御性能判定部、４００  スラスタ本数増分部。
【図１】
2011255859.tif 000003
【図２】
2011255859.tif 000004
【図３】
2011255859.tif 000005