(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコントロールモーメントジャイロを用いて人工衛星の姿勢制御を行う姿勢制御装置であって、
前記人工衛星の姿勢変更の開始時刻及び終了時刻における姿勢角及び姿勢角速度の境界条件を設定する姿勢境界条件設定部と、
前記姿勢境界条件設定部が設定した前記境界条件を満たし、前記コントロールモーメントジャイロのジンバルに対する駆動能力を発揮して前記人工衛星の回転を加速する加速区間と、前記ジンバルのジンバル角が一定であり前記人工衛星の回転が定速である一定区間と、前記コントロールモーメントジャイロの前記ジンバルに対する前記駆動能力を発揮して前記人工衛星の回転を減速する減速区間と、を前記ジンバル毎に設けることを前提条件とした前記コントロールモーメントジャイロのジンバル角軌道を求めるジンバル角軌道計算部と、
を備える姿勢制御装置。
【請求項２】
前記駆動能力は、前記ジンバル毎の定格能力である、
請求項１に記載の姿勢制御装置。
【請求項３】
前記駆動能力は、前記ジンバル毎の定格能力に予め定めた比率を乗算した駆動能力である、
請求項１に記載の姿勢制御装置。
【請求項４】
前記駆動能力は、前記ジンバル毎のジンバル角速度、ジンバル角加速度、ジンバル角加加速度の少なくともいずれか１つの上限を規定する定格能力である、
請求項１に記載の姿勢制御装置。
【請求項５】
前記駆動能力は、前記ジンバル毎のジンバル角速度、ジンバル角加速度、ジンバル角加加速度の少なくともいずれか１つの上限を規定する定格能力に予め定めた比率を乗算した駆動能力である、
請求項１に記載の姿勢制御装置。
【請求項６】
前記ジンバル角軌道計算部は、
前記駆動能力がジンバル角速度、角加速度および角加加速度に寄与する第１駆動パターンと、
前記駆動能力がシンバル角加速度および角加加速度に寄与する第２駆動パターンと、
前記駆動能力がジンバル角加加速度に寄与する第３駆動パターンと、の３パターンのいずれか１つのパターンで決定した前記加速区間及び前記減速期間を設けることを前記条件とする、
請求項１から５のいずれか１項に記載の姿勢制御装置。
【請求項７】
前記ジンバル角軌道計算部は、前記開始時刻における前記ジンバル角と前記一定区間の一定の前記ジンバル角との差の大きさに応じて、前記３パターンから前記１つのパターンを選択する、
請求項６に記載の姿勢制御装置。
【請求項８】
前記ジンバル角軌道計算部は、前記一定区間の前記ジンバル角の大きさに応じて各々の前記ジンバル角軌道の終端時刻を決定し、姿勢変更の前記開始時刻及び前記終了時刻における前記姿勢角及び前記姿勢角速度を満たすように前記ジンバル角軌道を決定する、
請求項１から７のいずれか１項に記載の姿勢制御装置。
【請求項９】
複数のコントロールモーメントジャイロによって姿勢を変える人工衛星と、前記人工衛星に姿勢制御用の情報を送信する地上局とからなり、前記人工衛星の姿勢制御を行う姿勢制御システムであって、
前記地上局は、
前記人工衛星の姿勢変更の開始時刻及び終了時刻における姿勢角及び姿勢角速度の境界条件を設定する姿勢境界条件設定部と、
前記姿勢境界条件設定部が設定した前記境界条件を満たし、前記コントロールモーメントジャイロのジンバルに対する駆動能力を発揮して前記人工衛星の回転を加速する加速区間と、前記ジンバルのジンバル角が一定であり前記人工衛星の回転が定速である一定区間と、前記コントロールモーメントジャイロの前記ジンバルに対する前記駆動能力を発揮して前記人工衛星の回転を減速する減速区間と、を前記ジンバル毎に設けることを前提条件とした前記コントロールモーメントジャイロのジンバル角軌道を求め、前記ジンバル角軌道を示すジンバル角軌道パラメータを計算するジンバル角軌道計算部と、
前記ジンバル角軌道パラメータを送信する送信部とを備え、
前記人工衛星は、
前記ジンバル角軌道パラメータを受信する受信部と、
前記ジンバル角軌道パラメータに基づき前記前提条件から前記ジンバル角軌道を再現し、再現した前記ジンバル角軌道によって前記コントロールモーメントジャイロの前記ジンバルを制御する制御部とを備える、
姿勢制御システム。
【請求項１０】
前記ジンバル角軌道計算部は、
前記駆動能力がジンバル角速度、角加速度および角加加速度に寄与する第１駆動パターンと、
前記駆動能力がシンバル角加速度および角加加速度に寄与する第２駆動パターンと、
前記駆動能力がジンバル角加加速度に寄与する第３駆動パターンと、の３パターンのいずれか１つのパターンで決定した前記加速区間及び前記減速期間を設けることを前記前提条件とする、
請求項９に記載の姿勢制御システム。
【請求項１１】
前記ジンバル角軌道計算部は、前記開始時刻における前記ジンバル角と前記一定区間の一定の前記ジンバル角との差の大きさに応じて、前記３パターンから前記１つのパターンを選択する、
請求項１０に記載の姿勢制御システム。
【請求項１２】
前記駆動能力は、前記ジンバル毎の定格能力である、
請求項９から１１のいずれか１項に記載の姿勢制御システム。
【請求項１３】
前記駆動能力は、前記ジンバル毎の定格能力に予め定めた比率を乗算した駆動能力である、
請求項９から１１のいずれか１項に記載の姿勢制御システム。
【請求項１４】
前記送信部は、前記駆動能力の情報を送信し、
前記受信部は、前記駆動能力の情報を受信し、
前記制御部は、前記受信部で受信した前記駆動能力及びジンバル角軌道パラメータを用いて前記ジンバル角軌道を再現する、
請求項１２又は１３に記載の姿勢制御システム。
【請求項１５】
前記人工衛星は、時々刻々計測した前記人工衛星の位置、速度、姿勢角及び姿勢角速度を含む情報に基づいて、衛星姿勢境界条件を設定する衛星姿勢境界条件設定部を更に備え、
前記制御部は、前記地上局から受信した前記駆動能力および前記ジンバル角軌道パラメータに基づいて前記ジンバル角軌道を再現し、再現した前記ジンバル角軌道の前記ジンバル角軌道パラメータを初期値として繰り返し計算を行うことによって、前記衛星姿勢境界条件を満足する前記ジンバル角軌道を算出する、
請求項１４に記載の姿勢制御システム。
【請求項１６】
前記ジンバル角軌道計算部は、前記一定区間の前記ジンバル角の大きさに応じて各々の前記ジンバル角軌道の終端時刻を決定し、姿勢変更の前記開始時刻及び前記終了時刻における前記姿勢角及び前記姿勢角速度を満たすように前記ジンバル角軌道を決定する、
請求項９から１５のいずれか１項に記載の姿勢制御システム。
【請求項１７】
複数のコントロールモーメントジャイロによって姿勢を変える人工衛星に姿勢制御用の情報を送信して前記人工衛星の姿勢制御を行う地上局であって、
前記人工衛星の姿勢変更の開始時刻及び終了時刻における姿勢角及び姿勢角速度の境界条件を設定する姿勢境界条件設定部と、
前記姿勢境界条件設定部が設定した前記境界条件を満たし、前記コントロールモーメントジャイロのジンバルに対する駆動能力を発揮して前記人工衛星の回転を加速する加速区間と、前記ジンバルのジンバル角が一定であり前記人工衛星の回転が定速である一定区間と、前記コントロールモーメントジャイロの前記ジンバルに対する前記駆動能力を発揮して前記人工衛星の回転を減速する減速区間と、を前記ジンバル毎に設けることを前提条件とした前記コントロールモーメントジャイロのジンバル角軌道を求め、前記ジンバル角軌道を示すジンバル角軌道パラメータを計算するジンバル角軌道計算部と、
前記ジンバル角軌道パラメータを送信する送信部と、
を備える地上局。
【請求項１８】
複数のコントロールモーメントジャイロによって姿勢を変える人工衛星であって、
前記人工衛星の姿勢変更の開始時刻及び終了時刻における姿勢角及び姿勢角速度の境界条件を満たし、前記コントロールモーメントジャイロのジンバルに対する駆動能力を発揮して前記人工衛星の回転を加速する加速区間と、前記ジンバルのジンバル角が一定であり前記人工衛星の回転が定速である一定区間と、前記コントロールモーメントジャイロの前記ジンバルに対する前記駆動能力を発揮して前記人工衛星の回転を減速する減速区間と、を前記ジンバル毎に設けることを前提条件として求められた前記コントロールモーメントジャイロのジンバル角軌道を示すジンバル角軌道パラメータを受信する受信部と、
前記ジンバル角軌道パラメータに基づき前記前提条件から前記ジンバル角軌道を再現し、求めた前記ジンバル角軌道によって前記コントロールモーメントジャイロの前記ジンバルを制御する制御部と、
を備える人工衛星。
【請求項１９】
複数のコントロールモーメントジャイロを用いて人工衛星の姿勢制御を行う姿勢制御方法であって、
前記人工衛星の姿勢変更の開始時刻及び終了時刻における姿勢角及び姿勢角速度の境界条件を設定する姿勢境界条件設定ステップと、
前記姿勢境界条件設定ステップで設定した前記境界条件を満たし、前記コントロールモーメントジャイロのジンバルに対する駆動能力を発揮して前記人工衛星の回転を加速する加速区間と、前記ジンバルのジンバル角が一定であり前記人工衛星の回転が定速である一定区間と、前記コントロールモーメントジャイロの前記ジンバルに対する前記駆動能力を発揮して前記人工衛星の回転を減速する減速区間と、を前記ジンバル毎に設けることを前提条件とした前記コントロールモーメントジャイロのジンバル角軌道を求めるジンバル角軌道計算ステップと、
を有する姿勢制御方法。
【請求項２０】
複数のコントロールモーメントジャイロを用いて人工衛星の姿勢制御を行うコンピュータを、
前記人工衛星の姿勢変更の開始時刻及び終了時刻における姿勢角及び姿勢角速度の境界条件を設定する姿勢境界条件設定部、
前記姿勢境界条件設定部が設定した前記境界条件を満たし、前記コントロールモーメントジャイロのジンバルに対する駆動能力を発揮して前記人工衛星の回転を加速する加速区間と、前記ジンバルのジンバル角が一定であり前記人工衛星の回転が定速である一定区間と、前記コントロールモーメントジャイロの前記ジンバルに対する前記駆動能力を発揮して前記人工衛星の回転を減速する減速区間と、を前記ジンバル毎に設けることを前提条件とした前記コントロールモーメントジャイロのジンバル角軌道を求めるジンバル角軌道計算部、
として機能させる姿勢制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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姿勢制御装置、姿勢制御システム、地上局、人工衛星、姿勢制御方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星の姿勢を変更するために、３台以上のコントロールモーメントジャイロ（Control Moment Gyros: 以下ＣＭＧと呼ぶ）を用いた姿勢制御装置がしばしば利用される。従来は、高速な姿勢制御を実現するために、ＣＭＧのジンバル角軌道及び人工衛星の姿勢軌道を予め計画し、それに基づいて姿勢制御を行っていた（例えば特許文献１）。【０００３】
特許文献１に記載の姿勢制御装置において、ジンバル角軌道は、加速区間、一定区間、減速区間から構成されている。そして、一定区間のジンバル角は、指定された時間に指定された姿勢と姿勢角速度を満たすように、人工衛星に備えた計算機が、ニュートン法に基づく繰り返し演算を行って算出すると説明している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０１４０４１３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような姿勢制御装置は、ジンバル角軌道の一定区間の両端の時刻（即ち、加速区間の終了時刻及び減速区間の開始時刻）が、全てのＣＭＧのジンバル角軌道について同一となっている。これにより、加速区間および減速区間において、ジンバル角の変更量が小さいＣＭＧもジンバル角の変更量が最大のＣＭＧに合わせて駆動されることになるため、加速区間および減速区間の時間が、ＣＭＧによっては必要以上に長くなる場合がある。この場合、人工衛星の姿勢角速度が最大値に達するまでの時間が長くなり、姿勢変更時間の増大につながるという問題があった。【０００６】
また、指定された時刻に指定された姿勢および姿勢角速度を満たすように、繰り返し演算によって一定区間のジンバル角を算出しているが、繰り返し演算は処理負荷が大きい。よって、人工衛星に搭載された計算機を用いてジンバル角軌道を算出する場合、計算の収束にかかる時間が長くなる場合があった。このような場合、例えば地球観測衛星においては、地表面の観測に充てる時間が少なくなり、観測回数が低下するという問題があった。【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、人工衛星に搭載された計算機の負荷を軽減し、短時間の姿勢変更を実現する姿勢制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の姿勢制御装置は、複数のコントロールモーメントジャイロを用いて人工衛星の姿勢制御を行う姿勢制御装置であって、人工衛星の姿勢変更の開始時刻及び終了時刻における姿勢角及び姿勢角速度の境界条件を設定する姿勢境界条件設定部と、姿勢境界条件設定部が設定した境界条件を満たし、コントロールモーメントジャイロのジンバルに対する駆動能力を発揮して人工衛星の回転を加速する加速区間と、ジンバルのジンバル角が一定であり人工衛星の回転が定速である一定区間と、コントロールモーメントジャイロのジンバルに対する駆動能力を発揮して人工衛星の回転を減速する減速区間と、をジンバル毎に設けることを前提条件としたコントロールモーメントジャイロのジンバル角軌道を求めるジンバル角軌道計算部と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、人工衛星に搭載された計算機の負荷を軽減し、短時間の姿勢変更を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る姿勢制御システムの構成を示すブロック図
【図２】ＣＭＧの概念図
【図３】人工衛星にＣＭＧを複数台配置した構成例
【図４】地上局の姿勢制御に関する部分を示した機能ブロック図
【図５】人工衛星の姿勢制御に関する部分を示した機能ブロック図
【図６】ジンバル角軌道計算処理を示すフローチャート
【図７】ジンバル角軌道計算処理の一部を示すフローチャート
【図８】従来の軌道計算方式で算出したジンバル角軌道を示した図
【図９】実施の形態１に係る計算処理で算出したジンバル角軌道を示した図
【図１０Ａ】衛星の姿勢角の時間履歴を示した図。
【図１０Ｂ】衛星の姿勢角速度の時間履歴を示した図。
【図１１】姿勢制御による姿勢角速度の時間履歴を示した図。
【図１２】本発明の実施の形態２に係る人工衛星の姿勢制御に関する部分を示した機能ブロック図
【図１３】本発明の実施の形態３に係るジンバル角軌道計算処理を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る姿勢制御システム１の構成を図１に示す。本実施の形態に係る姿勢制御システム１は、図１に示すように、互いに無線通信する人工衛星１１と地上局２１からなる。
【００１２】
人工衛星１１は、人工衛星の姿勢を制御する姿勢制御装置である複数のＣＭＧ（コントロールモーメントジャイロ：Control Moment Gyros）１１１と、人工衛星１１の姿勢角及び角速度を検出する姿勢角・角速度センサ１１２と、を備える。また、人工衛星１１は、衛星プロセッサ１１３と、衛星メモリ１１４と、地上局２１と情報の送受信を行う衛星送受信機１１５を備える。
【００１３】
地上局２１は、地上局プロセッサ２１３と、地上局メモリ２１４と、人工衛星１１と情報の送受信を行う地上局送受信機２１５を備える。
【００１４】
図２は人工衛星１１の姿勢制御用アクチュエータである単一のジンバル軸を備えたＣＭＧ１１１の概念図である。ＣＭＧ１１１は、高速で回転するホイール１１１１の回転軸であるスピン軸と、ホイール１１１１の回転軸を回転させるためのジンバル軸と、を有している。ホイール１１１１は、高速回転によりスピン軸回りに一定量の角運動量を持つ。このホイール１１１１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衛星本体に大きな反作用トルクが働き、このトルクを利用して姿勢制御を行う。
【００１５】
図３はＣＭＧ１１１を人工衛星１１に複数台配置する場合の構成例を示す。通常、ＣＭＧ１１１は図３に示すように４台あるいはそれ以上の台数が人工衛星１１内に配置されている。これらの複数台のＣＭＧ１１１を協調して動作させることで人工衛星１１の姿勢制御を実現する。図３に示す配置は、各ＣＭＧ１１１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、ＣＭＧ１１１の典型的な配置例の一つである。
【００１６】
なお、ＣＭＧの台数は、少なくとも３台以上を設けることが多い。ただし、これに限らず、例えば、他の姿勢制御装置と併用することで台数を少なくできる。また、１軸周り回転の制御が不要であれば２台で構成できる。本発明は、このように少ない台数のＣＭＧ構成にも適用可能である。
【００１７】
姿勢角・角速度センサ１１２は、人工衛星１１の姿勢角及び角速度を検出するセンサであり、従来方式の任意のセンサから構成される。
【００１８】
衛星プロセッサ１１３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）、又は他の任意の演算処理装置から構成される。衛星プロセッサ１１３は、衛星メモリ１１４に記憶されているプログラムを読み出して実行することにより、ジンバル角軌道再計算部１１３１、姿勢軌道計算部１１３２、姿勢制御部１１３３、ステアリング部１１３４、及びジンバル制御部１１３５の各機能部として機能する。
【００１９】
衛星メモリ１１４は、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭといった、不揮発性または揮発性の半導体メモリや、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤといった任意の記憶装置から構成される。
【００２０】
衛星メモリ１１４は、衛星プロセッサ１１３の各機能部で算出・決定される各種データを記憶する。具体的には、ジンバル軌道再計算部１１３１で計算し決定されるジンバル角・角速度目標値、姿勢軌道計算部１１３２で設定される衛星姿勢角・角速度目標値を記憶する。また、姿勢制御部１１３３で決定されるフィードバック姿勢制御トルク、ステアリング部１１３４で算出される各ＣＭＧ１１１のフィードバックジンバル角・角速度、ジンバル制御部１１３５で算出されるジンバル制御トルクを記憶する。
【００２１】
さらに、衛星メモリ１１４は衛星送受信機１１５で受信したジンバル角軌道パラメータを記憶する。また、衛星メモリ１１４は、ＣＭＧ１１１による姿勢制御のために衛星プロセッサ１１３で実行するプログラムを記憶する。
【００２２】
衛星送受信機１１５は、姿勢角・角速度センサ１１２が計測した姿勢角・角速度と、人工衛星１１の他のセンサが取得した衛星位置・速度とを地上局２１に送信し、地上局２１からジンバル角軌道パラメータを含む制御データを受信する。
【００２３】
地上局プロセッサ２１３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）、又は他の任意の演算処理装置から構成される。地上局プロセッサ２１３は、地上局メモリ２１４に記憶されているプログラムを読み出して実行することにより、姿勢境界条件設定部２１３１、ジンバル角軌道計算部２１３２の各機能部として機能する。
【００２４】
地上局メモリ２１４は、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭといった不揮発性または揮発性の半導体メモリや、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤといった任意の記憶装置から構成される。
【００２５】
地上局メモリ２１４は、地上局プロセッサ２１３の姿勢境界条件設定部２１３１で決定される姿勢境界条件、ジンバル角軌道計算部２１３２で算出されるジンバル角軌道パラメータを記憶する。また、地上局メモリ２１４は、姿勢境界条件の算出及びジンバル角軌道の計算の地上局プロセッサ２１３で実行するプログラムを記憶する。
【００２６】
地上局送受信機２１５は、人工衛星１１が送信する、人工衛星１１が取得した衛星位置、速度、姿勢角、角速度を含む各種データを受信し、ジンバル角軌道計算部２１３２で算出されるジンバル角軌道パラメータを含む制御データを送信する。
【００２７】
以上のように構成された姿勢制御システム１の動作について図４、５を用いて説明する。図４は、地上局２１の姿勢制御に関する部分を示した機能ブロック図であり、図５は、人工衛星１１の姿勢制御に関する部分を示した機能ブロック図である。
【００２８】
まず、図４に示す地上局２１において、地上局送受信機２１５は人工衛星１１から人工衛星１１の位置・速度・姿勢角・姿勢角速度を受信する。地上局プロセッサ２１３の姿勢境界条件設定部２１３１は、地上局送受信機２１５が受信した位置・速度・姿勢角・姿勢角速度の情報をもとに、姿勢変更を開始する開始時刻及び姿勢変更を終了する終了時刻の人工衛星１１の姿勢角・角速度についての境界条件を設定する。
【００２９】
地上局２１のジンバル角軌道計算部２１３２は、姿勢境界条件設定部２１３１で計算された境界条件を満たし且つ短時間で姿勢を変更するためのジンバル角軌道を計算し、このジンバル角軌道を表現するジンバル角軌道パラメータを計算する。
【００３０】
姿勢を変更するためのジンバル角軌道を計算するには、ＣＭＧ１１１のジンバルに対する駆動能力を発揮して人工衛星１１の回転を加速および減速することを前提条件として、ジンバル角軌道を求める。具体的には、前提条件は、各ＣＭＧ１１１がジンバルに対する駆動能力を発揮して人工衛星１１の回転を加速する加速区間と、ジンバル角が一定であり人工衛星１１の回転が定速である一定区間と、各ＣＭＧ１１１がジンバルに対する駆動能力を発揮して人工衛星１１の回転を減速する減速区間と、をジンバルごとに設けるように設定する。
【００３１】
そして、ジンバル角軌道計算部２１３２が得たジンバル角軌道パラメータを地上局送受信機２１５に出力する。地上局送受信機２１５はジンバル角軌道パラメータを人工衛星１１へ送信する。ここで、ジンバルに対する駆動能力は、ジンバル角を変化させる際の、ジンバル角速度、ジンバル角加速度、ジンバル角加加速度の少なくともいずれか１つの上限を規定するものであり、ジンバル毎の定格能力であってもよい。または、ジンバルに対する駆動能力は、ジンバル毎の定格能力に予め定めた比率を乗算した値でもよい。
【００３２】
図５に示した人工衛星１１において、衛星送受信機１１５はジンバル角軌道パラメータを受信し、それをジンバル角軌道再計算部１１３１へ出力する。ジンバル角軌道再計算部１１３１は、入力されたジンバル角軌道パラメータに基づき、ジンバル角軌道計算部２１３２で設定した前提条件からジンバル角軌道を再現して、ジンバル角・角速度の目標値を計算する。
【００３３】
姿勢軌道計算部１１３２は、ジンバル角軌道再計算部１１３１が計算したジンバル角・角速度の目標値から衛星姿勢角・角速度の目標値を算出する。姿勢制御部１１３３は、衛星姿勢角・角速度の目標値と、姿勢角・角速度センサ１１２から得られる衛星姿勢角・角速度の実測値と、の偏差からフィードバック姿勢制御トルクを計算する。
【００３４】
ステアリング部１１３４は、姿勢制御部１１３３が計算したフィードバック姿勢制御トルクから、それぞれのＣＭＧ１１１のフィードバックジンバル角・角速度を算出する。
【００３５】
ジンバル制御部１１３５は、ステアリング部１１３４が算出したフィードバックジンバル角・角速度と、ジンバル角軌道再計算部１１３１が計算したジンバル角・角速度の目標値を加え合わせたものを、ジンバル角・角速度指令値として算出する。ジンバル制御部１１３５は、得られたジンバル角・角速度指令値で各ＣＭＧ１１１を駆動させる。具体的には、ジンバル角・角速度指令値に対して各ＣＭＧ１１１から得られる現在のジンバル角・角速度をフィードバックして、ジンバル制御トルクを算出して各ＣＭＧ１１１に出力する。
【００３６】
各ＣＭＧ１１１は、ジンバル制御部１１３５が算出したジンバル制御トルクで駆動し、その反作用トルクが人工衛星１１の姿勢に寄与する。これにより、衛星姿勢角・角速度が目標値となるように人工衛星１１の姿勢制御がなされる。そして、姿勢角・角速度センサ１１２が検出する姿勢角・角速度は、人工衛星１１の他のセンサが取得する衛星位置・速度と共に、衛星送受信機１１５から地上局２１に送信される。
【００３７】
以上説明した姿勢制御システム１の動作の中で、地上局２１のジンバル角軌道計算部２１３２について、図６、図７を用いて詳細に説明する。図６は、ジンバル角軌道計算処理を示すフローチャートであり、図７は、図６の処理の一部を詳細に示したフローチャートである。
【００３８】
ジンバル角軌道計算部２１３２が計算するジンバル角軌道は、加速区間、一定区間、減速区間から構成される。加速区間はジンバル角を始端値から一定値まで増加させる区間であり、一定区間はジンバル角を一定に保つ区間であり、減速区間はジンバル角を一定値から終端値まで減少させる区間である。
【００３９】
ジンバル角軌道計算部２１３２は、ジンバルごとに、加速区間、一定区間及び減速区間を求める。この際、ジンバル角軌道計算部２１３２は、加速区間では、各ＣＭＧ１１１がジンバルに対する駆動能力を発揮して人工衛星１１の回転を加速させ、一定区間では、ジンバル角を一定にして人工衛星１１を等速に回転させ、減速区間では、各ＣＭＧ１１１がジンバルに対する駆動能力を発揮して人工衛星１１の回転を減速させるように条件設定して、ジンバル角軌道を求める。したがって、ジンバル角軌道計算部２１３２で計算される加速区間、一定区間、減速区間は、ジンバルごとに求まり、一定区間の一定のジンバル角も、ジンバルごとに求まる。
【００４０】
なお、各ＣＭＧ１１１のジンバルに対する駆動能力は、各ＣＭＧ１１１の定格能力でもよいし、予め設定された比率を各ＣＭＧ１１１の定格能力に乗じた値でもよい。駆動能力を定格能力とすると、最も姿勢変更する時間が少なくなる。また、駆動能力を定格能力に予め設定された比率を乗じた能力とすると、省エネルギーとしながら、姿勢変更する時間を削減することができる。
【００４１】
ジンバル角軌道計算部２１３２は、姿勢境界条件設定部２１３１より、姿勢変更開始時刻と姿勢変更終了時刻における人工衛星１１の姿勢角及び姿勢角速度に関する境界条件を取得し、これに基づき姿勢変更開始時刻のジンバル角θ０ｉと終了時刻のジンバル角θｆｉを定める（記号ｉはｉ番目のＣＭＧを表す）（ステップＳ１０１）。
【００４２】
ジンバル角軌道計算部２１３２は、次に姿勢変更時間τを設定する（ステップＳ１０２）。ここで、姿勢変更時間τとは、開始時刻と終了時刻の姿勢の境界条件が与えられた時、それらの境界条件を満たすように姿勢を変更するために必要な時間である。姿勢変更時間τは、ＣＭＧ１１１の角運動量包絡面の大きさと人工衛星１１の慣性モーメントから見積もることが可能である。具体的には、開始時刻の姿勢に対する終了時刻の姿勢をオイラー軸まわりの角度φの回転で表現するとき、以下の式（１）で見積もることができる。
【００４３】
【数１】
0006556371.tif 000002
【００４４】
ジンバル角軌道計算部２１３２は、次に、一定区間のジンバル角θｃｉを走査して（ステップＳ１０３）、ステップＳ１０２で設定した姿勢変更時間τに対して、姿勢の境界条件を満たすようなジンバル角θｃｉが存在するかどうか判定を行う（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０３の詳細の処理は後述する。
【００４５】
ステップＳ１０４において姿勢の境界条件を満たすジンバル角が存在しない場合には（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、時間τでの姿勢変更は不可能であるため、姿勢変更時間τをτよりも大きな値τ＋Δτに再設定し（ステップＳ１０５）、ステップＳ１０３へ戻る。
【００４６】
一方、ステップＳ１０４において、姿勢の境界条件を満たすようなジンバル角θｃｉが存在する場合には（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、ステップＳ１０６に進む。ジンバル角の走査が１回目であり、τが最短であることが判定できない場合には（ステップＳ１０６：Ｎｏ）、姿勢変更時間を更に短くできる可能性があるため、姿勢変更時間τを現時点のτよりも小さな値τ−Δτに再設定し（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０３に戻る。
【００４７】
ステップＳ１０３からステップＳ１０７を複数回繰り返すことで、τが最短であることを判定可能な場合には（ステップＳ１０６：Ｙｅｓ）、その時のτの値を最短の姿勢変更時間として決定する（ステップＳ１０８）。
【００４８】
次に図６のステップＳ１０３の内部の動作について具体的に説明する。
【００４９】
ジンバル角軌道計算部２１３２は、まず、ステップＳ２０１において、ジンバル角軌道の一定区間のジンバル角θｃｉを設定する（記号ｉはｉ番目のＣＭＧ１１１を表す）。次にステップＳ２０２では、それぞれのＣＭＧ１１１について、姿勢変更開始時刻のジンバル角θ０ｉから一定区間のジンバル角θｃｉまで駆動するためのジンバル角軌道の時間変化を、ジンバルの駆動能力まで発揮することを条件にして計算する。これにより加速区間のジンバル角軌道を得る（ステップＳ２０２）。ここで、ジンバルの駆動能力は、各ジンバルの定格能力であってもよいし、予め設定された比率を各ジンバルの定格能力に乗じた能力であってもよい。
【００５０】
また、減速区間のジンバル角軌道についても同様に、一定区間のジンバル角θｃｉから終了時刻におけるジンバル角θｆｉまでのジンバル角軌道を、ジンバルの駆動能力を上限まで発揮することを条件にして計算する（ステップＳ２０２）。なお、姿勢変更開始時刻と終了時刻のジンバル角は、ステップＳ１０１で姿勢角・姿勢角速度の境界条件から求めたものである。
【００５１】
ジンバル角軌道計算部２１３２は、次にステップＳ２０２で定まるジンバル角軌道に沿った人工衛星１１の姿勢角速度を姿勢変更開始時刻から終了時刻まで積分し、終了時刻における姿勢角を算出する（ステップＳ２０３）。そして、ステップＳ２０３で計算した終了時刻における姿勢角・角速度が目標値と一致するかを判定する（ステップＳ２０４）。一致しないと判定した場合には（ステップＳ２０４：Ｎｏ）、θｃｉの走査が終了していないか判定する（ステップＳ２０５）。走査が終了していない場合には（ステップＳ２０５：Ｎｏ）、一定区間のジンバル角θｃｉをθｃｉ＋Δθｃｉに再設定して（ステップＳ２０６）ステップＳ２０２に戻る。
【００５２】
一方、終了時刻における姿勢角・角速度が目標値と一致した場合には（ステップＳ２０４：Ｙｅｓ）、その時のジンバル角θｃｉを出力し、図６のステップＳ１０４で姿勢の境界条件を満たす一定区間のジンバル角θｃｉが存在すると判定し（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、ステップＳ１０６に進む。ステップＳ２０５で走査が終了したと判定した場合には（ステップＳ２０５：Ｙｅｓ）、図６のステップＳ１０４で姿勢の境界条件を満たす一定区間のジンバル角θｃｉが存在しないと判定し（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、ステップＳ１０５に進む。
【００５３】
ここで、ジンバル角θｃｉの変更量Δθｃｉは、Ｎｅｗｔｏｎ法を利用して求めることができる。
【００５４】
次に、ステップＳ２０２における加速・減速区間のジンバル角軌道の計算方法について説明する。各ＣＭＧ１１１は、加速区間及び減速区間で、ジンバルの駆動制約を逸脱しない範囲で、各ＣＭＧ１１１の駆動能力を発揮させた状態でジンバルを駆動する。これにより、それぞれのＣＭＧ１１１について、加速区間及び減速区間の時間を最小とすることができる。
【００５５】
ジンバルの駆動制約としては、例えばジンバルの角速度制約、角加速度制約、角加加速度制約（ジャーク制約）が挙げられる。よって、各ＣＭＧ１１１は、これらの駆動制約を逸脱しない範囲で、角速度、角加速度及び角加加速度の少なくともいずれか１つに寄与する駆動能力を上限まで発揮した状態でジンバルを駆動する。
【００５６】
ここで、姿勢変更の開始時刻のジンバル角をθ０ｉ、一定区間のジンバル角をθｃｉと表し、θ０ｉとθｃｉの差をΔθｉ＝θｃｉ−θ０ｉとする。
【００５７】
角速度制約、角加速度制約、角加加速度制約の３つの制約を考慮する場合、ジンバル角をθ０ｉからθｃｉまで駆動する時間τａｉを、Δθｉの大きさに応じて、以下の３通りのケース１〜３のいずれかで計算する。この計算において、ジンバルを駆動する際の角速度、角加速度、角加加速度の上限値を式（２）のように表す。
【００５８】
【数２】
0006556371.tif 000003
【００５９】
ジンバルを駆動する際の制約として、角速度、角加速度、角加加速度の絶対値がそれぞれ式（２）で表した上限値よりも小さくなるようにジンバルを駆動する必要がある。
【００６０】
＜ケース１＞
式（３）が成り立つ場合
【００６１】
【数３】
0006556371.tif 000004
【００６２】
このケース１では、最短時間でジンバル角をθ０ｉからθｃｉまで駆動させるために、ジンバル角速度、角加速度、角加加速度の全てが駆動中に上限に達するような駆動を行う。つまり、ジンバル角速度、角加速度、角加加速度にそれぞれ寄与する駆動能力を上限まで発揮した駆動パターンでジンバルを駆動する。このとき、加速区間におけるジンバル角速度の時間履歴は、台形状の履歴であり、台形の上辺部分における角速度が式（４）に表した値となる。
【００６３】
【数４】
0006556371.tif 000005
【００６４】
また、ジンバル角加速度の時間履歴は台形状のパターンを２個組み合わせた履歴をとり、台形の上辺部分における角加速度が式（５）に表した２値のうちいずれかの値を取る。
【００６５】
【数５】
0006556371.tif 000006
【００６６】
ジンバル角加加速度の時間履歴は、式（６）に表した３値のうちいずれかの値を取る。
【００６７】
【数６】
0006556371.tif 000007
【００６８】
ケース１では、上記のようにジンバルを駆動することで、ｉ番目のＣＭＧ１１１の加速区間の時間τａｉが以下の式（７）で与えられる。
【００６９】
【数７】
0006556371.tif 000008
【００７０】
＜ケース２＞
式（８）が成り立つ場合
【００７１】
【数８】
0006556371.tif 000009
【００７２】
このケースでは、最短時間でジンバル角をθ０ｉからθｃｉまで駆動させるために、ジンバル角加速度と角加加速度が駆動中に上限に達するような駆動を行う。つまり、ジンバル角加速度と角加加速度にそれぞれ寄与する駆動能力を上限まで発揮した駆動パターンでジンバルを駆動する。このとき、加速区間におけるジンバル角速度の時間履歴は、三角形状の履歴であり、ジンバル角速度の最大値は式（４）の値に達しない。
【００７３】
また、ジンバル角加速度の時間履歴は台形状のパターンを２個組み合わせた履歴となり、台形の上辺部分における角加速度が式（５）の２値となる。ジンバル角加加速度の時間履歴は、式（６）の３値のいずれかの値をとる。ケース２では、上記のようにジンバルを駆動することで、ｉ番目のＣＭＧ１１１の加速区間の時間τａｉが以下の式（９）で与えられる。
【００７４】
【数９】
0006556371.tif 000010
【００７５】
＜ケース３＞
式（１０）が成り立つ場合
【００７６】
【数１０】
0006556371.tif 000011
【００７７】
このケースでは、最短時間でジンバル角をθ０ｉからθｃｉまで駆動させるために、ジンバル角の角加加速度が駆動中に上限に達するような駆動を行う。つまり、ジンバル角の角加加速度に寄与する駆動能力を上限まで発揮した駆動パターンでジンバルを駆動する。このとき、加速区間におけるジンバル角速度の時間履歴は、三角形状の履歴であり、ジンバル角速度の最大値は式（４）の値に達しない。
【００７８】
また、ジンバル角加速度の時間履歴は三角形状のパターンを２個並べた履歴をとり、角加速度の最大値および最小値は式（５）の２値のいずれにも達しない。ジンバル角加加速度の時間履歴は、式（１１）に表した２値のうちいずれかの値を取る。
【００７９】
【数１１】
0006556371.tif 000012
【００８０】
ケース３では、上記のようにジンバルを駆動することで、ｉ番目のＣＭＧ１１１の加速区間の時間τａｉが以下の式（１２）で与えられる。
【００８１】
【数１２】
0006556371.tif 000013
【００８２】
以上で述べたケース１からケース３のいずれかの方法によって、姿勢変更の開始時刻におけるジンバル角θ０ｉと一定区間のジンバル角θｃｉが与えられたとき、ジンバルの駆動制約を満たしつつ、加速区間の時間を最小とするジンバル角軌道を得ることができる。
【００８３】
また同様にして、一定区間のジンバル角θｃｉと姿勢変更の終了時刻におけるジンバル角θｆｉが与えられたとき、ジンバルの駆動制約を満たしつつ、減速区間の時間を最小とするジンバル角軌道を得ることができる。ｉ番目のＣＭＧ１１１の減速区間の時間をτｄｉとする。一般にＣＭＧ１１１毎にθ０ｉ，θｃｉ，θｆｉは異なるので、τａｉとτｄｉもＣＭＧ１１１毎に異なる値をとることになる。
【００８４】
以上説明した方法で、ジンバル角軌道計算部２１３２が演算を実行することにより、姿勢の境界条件を満たしつつ、短時間の姿勢変更を可能とするジンバル角軌道を得ることができる。ここで、ジンバル角軌道を表現するために必要な量は、θ０ｉ，θｃｉ，θｆｉおよびτである。従って、θ０ｉ，θｃｉ，θｆｉおよびτをジンバル角軌道パラメータとして、地上局２１は、地上局送受信機２１５を経由して人口衛星１１に送信する。
【００８５】
人工衛星１１は衛星送受信機１１５でジンバル角軌道パラメータを受信し、ジンバル角軌道再計算部１１３１でこのパラメータを用いてジンバル角軌道を再計算する。これにより、人工衛星１１側では繰り返し計算を行うことなく、姿勢の境界条件をみたすジンバル角軌道を得ることができる。
【００８６】
このようにして得られるジンバル角軌道は、全てのＣＭＧ１１１について、ジンバルの特定の駆動能力を上限まで発揮していることが特徴である。これにより、衛星の姿勢角速度が最大値に達するまでの時間を、従来のような全てのＣＭＧ１１１についてジンバル角軌道の一定区間が同一である軌道計算方式と比較して短縮できる。すなわち、姿勢変更時間を短縮することが可能となる。
【００８７】
なお、地上局送受信機２１５から衛星送受信機１１５に送信されるデータ列の具体例は、ＣＭＧ１１１の搭載台数が４台の場合、ジンバル角軌道パラメータとして、τ，θ０１，θｃ１，θｆ１，θ０２，θｃ２，θｆ２，θ０３，θｃ３，θｆ３，θ０４，θｃ４，θｆ４の１３個の変数の並びからなるデータ列である。
【００８８】
また、人工衛星１１側と地上局２１側でジンバルの特定の駆動能力の値を共有する必要があるため、地上局送受信機２１５から衛星送受信機１１５に送信されるデータ列は、上記の１３個の変数に加えて、式（２）に示した角速度、角加速度、角加加速度の上限値の３個の変数も含む。
【００８９】
次に、衛星送受信機１１５から地上局送受信機２１５に送信されるデータ列の具体例は、基準座標系における衛星の位置のｘ成分、ｙ成分、ｚ成分、速度のｘ成分、ｙ成分、ｚ成分、基準座標系に対する衛星固定座標系のロール角、ピッチ角、ヨー角、ロール角速度、ピッチ角速度、ヨー角速度、ロール角加速度、ピッチ角加速度、ヨー角加速度である。位置速度を表現するための基準座標系としては、例えば地球中心慣性座標系が挙げられ、姿勢角・姿勢角速度を表現するための基準座標系としては例えば軌道固定座標系が挙げられるが、基準座標系としてこれら以外の座標系を用いても良いことは言うまでもない。
【００９０】
図８は、従来の軌道計算方式で算出したジンバル角軌道の例である。図８では、６台のＣＭＧ１１１のジンバル角（Gimbal Angles）の軌道が描かれており、全てのＣＭＧ１１１について、一定区間の両端の時刻は同一である。一方、図９は本実施の形態におけるジンバル角軌道計算部２１３２の計算処理によって得られるジンバル角軌道の例である。ジンバル角軌道の加速区間および減速区間の時間はＣＭＧ１１１毎に異なっており、一定区間の両端の時刻もＣＭＧ１１１毎に異なっている。これは、それぞれのＣＭＧ１１１について、加速区間および減速区間の時間が最小となるようにジンバルを駆動しているためである。
【００９１】
図１０Ａは、従来例と本実施の形態のそれぞれの方式でジンバル角軌道を算出し、姿勢変更を行った場合の姿勢角（Attitude Angle）の時間履歴の比較である。実線Ｌ１が本発明の姿勢角履歴であり、点線Ｌ２が従来例の姿勢角履歴である。従来例と比較すると、本発明の方が姿勢角が速やかに立ち上がっており、姿勢変更時間は１０％短縮できている。
【００９２】
図１０Ｂは、従来例と本実施の形態のそれぞれの方式における人工衛星１１の姿勢角速度（Body Rate）の時間履歴を比較したものである。実線Ｌ３が本実施の形態の姿勢角速度の履歴であり、点線Ｌ４が従来例の姿勢角速度の履歴である。両者を比較すると、本実施の形態の方が従来例よりも早く最大姿勢角速度に達していることが分かる。これは、本実施の形態の特徴である、各々のジンバルの特定の駆動能力を上限まで発揮し、加速区間の時間を最小としていることによる効果である。
【００９３】
図１１は、図１０Ｂで示した本実施の形態と従来例の姿勢角速度の履歴の違いを模式的に表したものである。上図の点線Ｌ５が従来例の姿勢角速度を模式的に表したものであり、下図の実線Ｌ６が本発明の姿勢角速度を模式的に表したものである。
【００９４】
姿勢角速度を時間積分すると姿勢角になるため、姿勢角速度と時間軸で囲まれた台形の面積が姿勢変更角度を表す。点線Ｌ５と時間軸で囲まれた台形の面積と、実線Ｌ６と時間軸で囲まれた台形の面積は同じであるため、両者は同じ角度だけ姿勢角を変更している。しかしながら、実線Ｌ６は姿勢角速度が零から最大値に達するまでの時間、および姿勢角速度が最大値から零に減速する時間が短くなるため、姿勢変更に要する時間が従来例と比較して短くなる。
【００９５】
以上より、実施の形態１の構成の姿勢制御システム１は、人工衛星１１側で計算負荷をかけることなく、短時間で姿勢を目標値に変更することが可能となるという顕著な効果を得る。
【００９６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、姿勢制御システム１は、地上局２１のジンバル角軌道計算部２１３２が、姿勢変更の開始時刻におけるジンバル角θ０ｉと一定区間のジンバル角θｃｉとに基づいて、ジンバルの駆動制約を満たす範囲内で、加速区間の時間を最小とするジンバル角軌道を計算し、また、一定区間のジンバル角θｃｉと姿勢変更の終了時刻におけるジンバル角θｆｉに基づいて、ジンバルの駆動制約を満たす範囲内で、減速区間の時間を最小とするジンバル角軌道を計算する。そして、得られたθ０ｉ，θｃｉ，θｆｉおよびτをジンバル角軌道パラメータとして、地上局送受信機２１５を経由して人口衛星１１に送信し、ＣＭＧ１１１をジンバル角軌道パラメータに基づいて制御することとした。これにより、人工衛星１１側で計算負荷をかけることなく、短時間で人工衛星１１の姿勢を目標値に変更することが可能になる。
【００９７】
なお、本実施の形態において、人工衛星１１と地上局２１とで構成される姿勢制御システムについて説明したが、人工衛星１１に搭載する姿勢制御装置で同様の姿勢制御を実行してもよい。この場合は、人工衛星１１は、複数のＣＭＧ１１１と、姿勢角・角速度センサ１１２と、衛星プロセッサ１１３と、衛星メモリ１１４と、を備える。衛星プロセッサ１１３は、姿勢境界条件設定部２１３１、ジンバル角軌道計算部２１３２、姿勢軌道計算部１１３２、姿勢制御部１１３３、ステアリング部１１３４、およびジンバル制御部１１３５の各機能部として機能する。
【００９８】
この人工衛星１１に搭載する姿勢制御装置と、本実施の形態の人工衛星１１と地上局２１とからなる姿勢制御システム１との違いは、ジンバル角軌道計算部２１３２で計算したジンバル角・角速度の目標値を人工衛星１１で使用できるので、ジンバル角軌道再計算部１１３１が不要であることである。
【００９９】
すなわち、姿勢軌道計算部１１３２は、ジンバル角軌道計算部２１３２で計算したジンバル角・角速度の目標値から、衛星姿勢角・角速度の目標値を算出して、フィードバック姿勢制御トルクを計算する。ステアリング部１１３４およびジンバル制御部１１３５は、上述のように、フィードバックジンバル角・角速度を算出し、ジンバル角・角速度指令値を算出する。このように構成することで、人工衛星１１に搭載する姿勢制御装置は、ジンバルの能力を効率よく用いて短時間に姿勢制御することができる。
【０１００】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る姿勢制御システム１は、実施の形態１と同様の構成からなるが、衛星プロセッサ１１３の処理が一部異なる。本実施の形態２に係る人工衛星１１の機能ブロック図を図１２に示す。
【０１０１】
本実施の形態に係る衛星プロセッサ１１３は、実施の形態１に係る衛星プロセッサ１１３が実現する機能部に加えて、衛星姿勢境界条件設定部１１３６を更に有する。ジンバル角軌道再計算部１１３１は、衛星姿勢境界条件設定部１１３６から入力される境界条件を用いて、地上局２１のジンバル角軌道計画部２１３２と同様に繰り返し計算を行う。
【０１０２】
本実施の形態において、衛星姿勢境界条件設定部１１３６を人工衛星１１側にも設けることにより、人工衛星１１で時々刻々得られる人工衛星１１の位置・速度、姿勢角・角速度に基づいて境界条件を設定することができる。この境界条件をもとにジンバル角軌道を計画するため、より高精度な人工衛星１１の姿勢制御が可能となる。
【０１０３】
以上のように構成された姿勢制御システム１の動作について説明する。人工衛星１１の姿勢角・角速度センサ１１２から出力される人工衛星１１の姿勢角・角速度及び他のセンサから出力される位置・速度の計測値は、衛星送受信機１１５を経て地上局２１に送信される。
【０１０４】
そして、地上局２１は、実施の形態１と同様の処理を実行し、ジンバル角軌道計算部２１３２が計算して得たジンバル角軌道パラメータを、地上局送受信機２１５から人工衛星１１へ送信する。
【０１０５】
一方、衛星姿勢境界条件設定部１１３６では、地上局２１の姿勢境界条件設定部２１３１と同様にして姿勢変更の境界条件を設定する。ここで、地上局２１と人工衛星１１の時計の時刻差や、地上局２１と人工衛星１１での軌道決定結果のずれにより、姿勢境界条件設定部２１３１の出力する境界条件と、衛星姿勢境界条件設定部１１３６の出力する境界条件は、わずかにずれることになる。衛星姿勢境界条件設定部１１３６で設定した境界条件は、ジンバル角軌道再計算部１１３１に出力される。
【０１０６】
また、衛星送受信機１１５で受信したジンバル角軌道パラメータもジンバル角軌道再計算部１１３１に渡される。ジンバル角軌道再計画部１１３１は、地上局２１から送られてきたジンバル角軌道パラメータを初期値として、衛星姿勢境界条件設定部１１３６で設定した境界条件を満たすようなジンバル角軌道を再計画する処理を実行する。ジンバル角軌道再計算部１１３１で得られたジンバル角・角速度の目標値は、実施の形態１と同様にして人工衛星１１及びＣＭＧ１１１の制御に用いられる。
【０１０７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、姿勢制御システム１は、人工衛星１１のジンバル角軌道再計算部１１３１が、地上側で算出したジンバル角軌道パラメータを初期値として、人工衛星１１の衛星姿勢境界条件設定部１１３６で設定した境界条件を満たすようなジンバル角軌道を再計算することとした。これにより、少ない反復回数でより適切なジンバル角軌道を得ることができ、人工衛星１１で設定した境界条件を満たすような姿勢変更を、短時間で実現することができる。
【０１０８】
実施の形態３．
実施の形態１では、全てのＣＭＧ１１１のジンバル角軌道の終端時刻が同じであると仮定していた。しかしながら、人工衛星１１のミッションによっては姿勢変更終了後の整定時間をできるだけ短くすることが求められる。このような場合は、全てのジンバル角軌道の終端時刻を同一とするのでははく、各々のジンバル角軌道の終端時刻を分散させる方が整定時間を短縮する上で有効である。
【０１０９】
図１３は実施の形態３に係るジンバル角軌道計算処理を示すフローチャートである。本実施の形態３では、ジンバル角軌道計算部２１３２が、実施の形態１と同様のジンバル角軌道計算処理のステップＳ１０８まで実行した後、一定区間のジンバル角θｃｉの大きさに応じて、各々のジンバル角軌道の終端時刻を以下の式（１３）のように修正する（ステップＳ１０９）。
【０１１０】
【数１３】
0006556371.tif 000014
【０１１１】
ここで、τは実施の形態１の方法で得られた姿勢変更時間であり、δｔｉはｉ番目のＣＭＧ１１１のジンバル角軌道の終端時刻の修正量である。修正量δｔｉを決定する際、実施の形態１の方法で得られた一定区間のジンバル角が最大のＣＭＧ１１１についてはδｔｉ＞０となるように最大の修正量δｔｉを決定し、一定区間のジンバル角が最小のＣＭＧ１１１についてはδｔｉ＜０となるように最小の修正量δｔｉを決定する。その他のＣＭＧ１１１に関しては、一定区間のジンバル角の大きさに応じて、上記の最大の修正量と最小の修正量の値を線形補間することによって決定する。
【０１１２】
ジンバル角軌道計算部２１３２は、各々のＣＭＧ１１１のジンバル角軌道の終端時刻を上記の方法で決定した時刻に固定し、それに基づいて一定区間のジンバル角θｃｉを再度走査する（ステップＳ１１０）。具体的には、図７に示す処理と同様に、姿勢変更の境界条件を満たすように再度繰り返し計算を行う。このようにして得られる各々のジンバル角軌道の一定区間のジンバル角をθ’ｃｉに決定する（ステップＳ１１１）。
【０１１３】
以上のようにして得られる各々のジンバル角軌道の終端時刻ｔｆｉをジンバル角軌道パラメータに追加し、地上局２１から送信する。例えばＣＭＧ１１１の搭載台数が４台の場合、ジンバル角軌道パラメータとして、τ，θ０１，θ’ｃ１，θｆ１，θ０２，θ’ｃ２，θｆ２，θ０３，θ’ｃ３，θｆ３，θ０４，θ’ｃ４，θｆ４の１３個の変数、ｔｆ１，ｔｆ２，ｔｆ３，ｔｆ４の４個の変数、及び、ジンバル角速度、ジンバル角加速度、ジンバル角加加速度の上限値の３個の変数を合わせた，計２０個の変数を送信する。
【０１１４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、姿勢制御システム１は、ジンバル角軌道計算部２１３２が、一定区間のジンバル角の大きさに応じて各々のジンバル角軌道の終端時刻を決定し、姿勢変更の開始時刻及び終了時刻における姿勢角及び姿勢角速度を満たすようにジンバル角軌道を計算するようにした。これにより、人工衛星１１の姿勢変更終了後に必要な整定時間を短縮させることが可能となる。
【０１１５】
このように本発明は、複数のコントロールモーメントジャイロを用いて人工衛星の姿勢制御を行う姿勢制御システムにおいて、姿勢変更の開始時刻及び終了時刻における姿勢角及び姿勢角速度の境界条件を設定し、設定した境界条件を満たし、コントロールモーメントジャイロのジンバルに対する駆動能力を発揮して人工衛星の回転を加速する加速区間と、ジンバル角が一定であり人工衛星の回転が定速である一定区間と、コントロールモーメントジャイロのジンバルに対する駆動能力を発揮して人工衛星の回転を減速する減速区間と、をジンバル毎に設けることを前提条件としたジンバル角軌道を求めることとした。これにより、人工衛星に搭載された計算機の負荷を軽減し、短時間の姿勢変更を実現することが可能となる。
【０１１６】
なお、本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
【０１１７】
例えば、上記実施の形態においては、衛星プロセッサ１１３が、ジンバル角軌道再計算部１１３１、姿勢軌道計算部１１３２、姿勢制御部１１３３、ステアリング部１１３４、ジンバル制御部１１３５、衛星姿勢境界条件設定部１１３６の各機能部として動作し、地上局プロセッサ２１３が、姿勢境界条件設定部２１３１、ジンバル角軌道計算部２１３２として機能するとしたが、これらの機能部の全部又は一部をプロセッサ以外の他のハードウェアで実現してもよい。例えば、上記機能部の全部又は一部を、単一回路、複合回路、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらの組み合わせで実現してもよい。
【０１１８】
また、衛星プロセッサ１１３、地上局プロセッサ２１３が実行した処理のプログラムを、既存のコンピュータで実行させることにより、当該コンピュータを本発明に係る人工衛星１１、地上局２１の演算処理部として機能させることも可能である。
【０１１９】
このようなプログラムの配布方法は任意であり、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read-Only Memory）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＭＯ（Magneto Optical Disc）、メモリカード、又は他のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して配布してもよいし、インターネットや他の通信ネットワークを介して配布してもよい。
【０１２０】
本出願は、２０１６年９月９日に出願された、日本国特許出願特願２０１６−１７６３４６号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願２０１６−１７６３４６号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。
【符号の説明】
【０１２１】
１  姿勢制御システム、１１  人工衛星、１１１  ＣＭＧ、１１２  姿勢角・角速度センサ、１１３  衛星プロセッサ、１１４  衛星メモリ、１１５  衛星送受信機、２１  地上局、２１３  地上局プロセッサ、２１４  地上局メモリ、２１５  地上局送受信機、１１１１  ホイール、１１３１  ジンバル角軌道再計算部、１１３２  姿勢軌道計算部、１１３３  姿勢制御部、１１３４  ステアリング部、１１３５  ジンバル制御部、１１３６  衛星姿勢境界条件設定部、２１３１  姿勢境界条件設定部、２１３２  ジンバル角軌道計算部。
【図１】
0006556371.tif 000015
【図２】
0006556371.tif 000016
【図３】
0006556371.tif 000017
【図４】
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【図５】
0006556371.tif 000019
【図６】
0006556371.tif 000020
【図７】
0006556371.tif 000021
【図８】
0006556371.tif 000022
【図９】
0006556371.tif 000023
【図１０Ａ】
0006556371.tif 000024
【図１０Ｂ】
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【図１１】
0006556371.tif 000026
【図１２】
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【図１３】
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