(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧＥＯ衛星制御システムに適用される最適化情報融合に基づくメニュー型設計方法であって、
長寿命ＧＥＯ衛星制御システムのために４つの長寿命慣性姿勢センサ・ジャイロスコープを構成するステップ（１）であって、前記４つのジャイロスコープの内３つが、カルマン・フィルタリングのために構成され、前記４つのジャイロスコープの内他の１つが、コールド・バックアップのために構成され、通常動作中に前記ジャイロスコープの各々によって出力される測定値が、３本の軸に沿った姿勢角度成分と姿勢角速度成分とを含む、ステップ（１）と、
ハードウェアに対するメニュー型設計要件にしたがって、ユーザによって要求されたセンサを構成するステップ（２）であって、要求姿勢測定精度で三軸姿勢を測定することができるセンサが、長寿命ＧＥＯ衛星制御システムのために構成され、前記長寿命慣性姿勢センサ・ジャイロスコープおよび三軸姿勢を測定することができる前記センサが、衛星搭載コンピュータのアプリケーション・ソフトウェアによって組み合わされて、３種類のカルマン・フィルタを形成し、各カルマン・フィルタが、独立して姿勢を決定し、姿勢測定冗長情報を取得し、較正を自律的に実行し、前記ジャイロスコープの角速度一定ドリフト補償を自律的に実行することができる、ステップ（２）と、
構成されたセンサに基づいて、前記衛星搭載コンピュータのアプリケーション・ソフトウェアにおける２／３ハードウェア構成表、主動作状態表、バックアップ動作状態表、およびヘルス・ワードを埋め、前記衛星搭載コンピュータのアプリケーション・ソフトウェアによって、初期化時に、ステップ（２）において取得された前記カルマン・フィルタを自律的にソートする、ステップ（３）と、
光学姿勢センサが太陽光または月光による干渉を受けること、短期間の内に影になるまたは他の障害の響を受けること、あるいは長寿命慣性姿勢センサ・ジャイロスコープの１つが故障することを含む障害を、前記衛星搭載コンピュータのアプリケーション・ソフトウェアにおけるＦＤＩＲモジュールが検出した場合、前記ＦＤＩＲモジュールによって、前記障害に対応する警報を自律的に生成し、現在選択されているカルマン・フィルタによって、低減次数フィルタリングを自律的に実行し、設定時間期間内に前記障害が解消されない場合、前記ＦＤＩＲモジュールによって、自律再編成を実施し、前記制御システムの姿勢決定動作を確保するために、マクロ命令シーケンスを発行する、ステップ（４）と、
を含む、メニュー型設計方法。
【請求項２】
請求項１に記載のＧＥＯ衛星制御システムに適用される最適化情報融合に基づくメニュー型設計方法において、ステップ（２）において構成された、要求姿勢測定精度で三軸姿勢を測定可能な前記センサが、慣性姿勢センサ、光学姿勢センサ、および三軸姿勢を測定することができる他の種類のセンサを含み、前記光学姿勢センサが、星センサ、地球センサ、および太陽センサを含む、メニュー型設計方法。
【請求項３】
請求項２に記載のＧＥＯ衛星制御システムに適用される最適化情報融合に基づくメニュー型設計方法において、前記３種類のカルマン・フィルタが、ステップ（３）において、前記星センサと組み合わせた前記３つの慣性姿勢センサ・ジャイロスコープ、前記地球センサおよび前記太陽センサと組み合わせた前記３つの慣性姿勢センサ・ジャイロスコープ、および三軸姿勢を測定することができる他の種類のセンサと組み合わせた前記３つの慣性姿勢センサ・ジャイロスコープという順序で、ソートされる、メニュー型設計方法。
【請求項４】
請求項３に記載のＧＥＯ衛星制御システムに適用される最適化情報融合に基づくメニュー型設計方法において、ステップ（４）において自律再編成を実行するステップが、コールド・バックアップのために構成された健全性センサを自律的に起動するか、または次のレイヤのフィルタを起動するステップを含む、メニュー型設計方法。
【請求項５】
請求項４に記載のＧＥＯ衛星制御システムに適用される最適化情報融合に基づくメニュー型設計方法において、前記次のレイヤのフィルタを起動するステップが、前記３種類のカルマン・フィルタがソートされた順序で、前記カルマン・フィルタを選択するステップを含む、メニュー型設計方法。
【請求項６】
請求項１に記載のＧＥＯ衛星制御システムに適用される最適化情報融合に基づくメニュー型設計方法において、前記長寿命が１５年以上の寿命を示す、メニュー型設計方法。
【請求項７】
請求項１に記載のＧＥＯ衛星制御システムに適用される最適化情報融合に基づくメニュー型設計方法において、ステップ（１）において、前記長寿命ＧＥＯ衛星制御システムのための４つの長寿命慣性姿勢センサ・ジャイロスコープが、ピラミッド形レイアウトに構成され、衛星体座標系の３本の軸の内任意の１本が対称軸として指定され、前記４つのジャイロスコープの各々の測定軸が、前記対称軸に対して角度θをなす、メニュー型設計方法。
【請求項８】
請求項７に記載のＧＥＯ衛星制御システムに適用される最適化情報融合に基づくメニュー型設計方法において、前記角度θが任意の値を取る、メニュー型設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]  本願は、"MENU-TYPE DESIGN METHOD FOR GEO SATELLITE CONTROL SYSTEM BASED ON OPTIMIZED INFORMATION INTEGRATION"（最適化情報統合に基づくＧＥＯ衛星制御システムのためのメニュー型設計方法）と題し、２０１５年１０月３０日に中国国家知的所有権庁に出願された中国特許出願第２０１５１０７２９４８８．６号に対する優先権を主張する。この特許出願をここで引用したことにより、その内容全体が本願にも含まれるものとする。
分野
[0002]  本開示は、宇宙船制御の技術分野に関し、特に、ＧＥＯ衛星制御システムに適用される、最適化情報融合(fusion)に基づくメニュー型設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0003]  静止地球軌道（ＧＥＯ）衛星は中および低軌道衛星よりも遙かに高いコストをかけて打ち上げられ配備される(position)ので、ＧＥＯ衛星の耐用年数を長くすることが必要である。現在では、ＧＥＯ衛星は、一般に、１５年よりも長い耐用年数を有し、このために、衛星搭載コンピュータの抗放射線性能が強く要請される。加えて、衛星搭載コンピュータは、一般に、信頼性を確保するために定格値よりも低い周波数で動作する。しかしながら、衛星搭載コンピュータの計算能力も低下する。姿勢決定および姿勢制御における精度(precision)を高め、フィルタリングおよび制御におけるサンプリング期間を短縮するために、長寿命ＧＥＯ衛星コンピュータは、中および低軌道衛星搭載コンピュータよりも大きな負荷で動作する。したがって、コストがかかる抗放射線高性能チップが、長寿命ＧＥＯ衛星コンピュータの肝要なコンポーネントとなる。
【０００３】
[0004]  情報融合は、複数のセンサまたは変換器からの測定データを多段階および多面的に処理するプロセスである。複数のサブフィルタを主フィルタと組み合わせて使用する連合カルマン・フィルタリング(federal Kalman filtering)に基づく情報融合方式が、情報融合に関するいくつかの論文において提案されている。しかしながら、この情報融合方式が適するのは、耐用年数が３から５年の中および低軌道宇宙船におけるコンピュータだけである。この情報融合方式が長寿命ＧＥＯ衛星に適用されると、長寿命ＧＥＯ衛星に過剰な負荷がかかるおそれがある。加えて、ＧＥＯ衛星では、全ての冗長姿勢センサが同時に動作するとバックアップが増大し、その結果費用対性能比が低下し、負荷対乾燥重量比(load-to-dry weight ratio)（負荷重量の衛星の乾燥重量に対する比率）が低下する。加えて、同じ構成では、全ての冗長姿勢センサが並行して動作する場合、故障率が上昇し、信頼性が低下する。
【０００４】
[0005]  目下のところ、大抵の場合、長寿命ＧＥＯ衛星プラットフォーム用の制御システムのソフトウェア設計が、開発の進展に影響を及ぼす弱点となっている。したがって、ＧＥＯ衛星用の情報融合をどのようにして実現するかに関する問題に取り組むことが急務となっており、センサおよびジャイロスコープを組み合わせることによって情報融合の最適化をどのように達成するかが、解決すべき緊急の課題となっている。
【０００５】
[0006]  目下のところ、この分野における研究を扱う論文や特許は存在しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
[0007]  本開示によって解決しようとする技術的問題は、ＧＥＯ衛星制御システムに適用される最適化情報融合に基づくメニュー型設計方法を提案することであり、これによって従来の技術における欠点を克服することができる。本開示によれば、長寿命慣性姿勢センサ・ジャイロスコープを最大限利用し適度な冗長性を有する情報融合を、衛星搭載自律ＦＤＩＲ（障害検出、分離、および再編成）ソフトウェアと組み合わせて、メニュー型設計を有するソフトウェア制御システムを実現し、これによって、高い費用対性能比、高い負荷対乾燥重量比、および高い信頼性を確保し、開発サイクルを大幅に短縮することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
[0008]  本開示にしたがって、以下の技術的解決手段を提供する。
[0009]  ＧＥＯ衛星制御システムに適用される最適化情報融合に基づくメニュー型設計方法を提供する。この方法は、
長寿命ＧＥＯ衛星制御システムのために４つの長寿命慣性姿勢センサ・ジャイロスコープを構成するステップ（１）であって、４つの長寿命慣性姿勢センサ・ジャイロスコープがピラミッド型レイアウトに構成され、４つのジャイロスコープの内３つが、カルマン・フィルタリングのために構成され、４つのジャイロスコープの内他の１つが、コールド・バックアップのために構成され、通常動作中にジャイロスコープの各々によって出力される測定値が、３本の軸に沿った姿勢角度成分と姿勢角速度成分とを含む、ステップ（１）と、
ハードウェアに対するメニュー型設計要件にしたがって、ユーザによって要求されたセンサを構成するステップで（２）あって、光学姿勢センサ、星センサ、地球センサ、太陽センサ、および要求姿勢測定精度で三軸姿勢を測定することができる他の種類のセンサが、長寿命ＧＥＯ衛星制御システムのために構成され、長寿命慣性姿勢センサ・ジャイロスコープ、ならびに光学姿勢センサ、星センサ、地球センサ、太陽センサ、および要求姿勢測定精度で三軸姿勢を測定することができる他の種類のセンサが、衛星搭載コンピュータのアプリケーション・ソフトウェアによって組み合わされて、３種類のカルマン・フィルタを形成し、各カルマン・フィルタが、独立して姿勢を決定し、姿勢測定冗長情報を取得し、較正を自律的に実行し、ジャイロスコープの角速度一定ドリフト補償を自律的に実行する、ステップ（２）と、
構成されたセンサに基づいて、衛星搭載コンピュータのアプリケーション・ソフトウェアにおける２／３(two out of three)ハードウェア構成表、主動作状態表、バックアップ動作状態表、およびヘルス・ワードを埋め、衛星搭載コンピュータのアプリケーション・ソフトウェアによって、初期化時に、ステップ（２）において取得された３種類のカルマン・フィルタを、光学姿勢星センサと組み合わせた３つの慣性姿勢センサ・ジャイロスコープ、地球センサおよび太陽センサと組み合わせた３つの慣性姿勢センサ・ジャイロスコープ、ならびに三軸姿勢を測定することができる他の種類のセンサと組み合わせた３つの慣性姿勢センサ・ジャイロスコープという順序で、自律的にソートするステップ（３）と、
光学姿勢センサが太陽光または月光による干渉を受けること、短期間の内に影になるまたは他の障害の影響を受けること、あるいは長寿命慣性姿勢センサ・ジャイロスコープの１つが故障することを含む障害を、衛星搭載コンピュータのアプリケーション・ソフトウェアにおけるＦＤＩＲモジュールが検出した場合、ＦＤＩＲモジュールによって、障害に対応する警報を自律的に生成し、現在選択されているカルマン・フィルタによって、低減次数フィルタリングを自律的に実行し、設定時間期間内に障害が解消されない場合、ＦＤＩＲモジュールによって、自律再編成（コールド・バックアップまたは次のレイヤのフィルタを起動するために構成された健全性センサを自律的に起動することを含む）を実施し、制御システムの姿勢決定動作を確保するために、マクロ命令シーケンスを発行する、ステップ（４）とを含む。
【０００８】
[0010]  本開示は、従来の技術と比較すると、以下の有益な効果を有する。
[0011]  （１）長寿命（１５年よりも長い）ＧＥＯ衛星制御システムに適用される最適化情報融合に基づくメニュー型設計方法によって、長寿命慣性姿勢センサ・ジャイロスコープを最大限利用し適度な冗長性を有する情報融合を、衛星搭載自律ＦＤＩＲ（障害検出、分離、および再編成）モジュールと組み合わせて、メニュー型設計による制御システムを実現する。本開示は、長寿命傾斜同期軌道衛星ならびに長寿命中および低軌道宇宙船に応用することができる。本開示は、高い多様性および産業応用可能性を有し、国内外においてこの分野におけるギャップを埋める。本開示による技術的解決手段は、世界において先頭位置にあり、国際的な競争力がある。
【０００９】
[0012]  （２）本開示によれば、長寿命慣性姿勢センサ・ジャイロスコープはピラミッド型レイアウトに配列される。ジャイロスコープの各々の測定値は、３本の軸に沿った姿勢角度成分および姿勢角速度成分を含む。したがって、低減次数フィルタリングを自律的に実行する３種類のカルマン・フィルタの能力を改善することによって、費用対性能比、負荷対乾燥重量比、およびＧＥＯ衛星プラットフォームの信頼性を高め、開発サイクルを大幅に短縮する。加えて、ＧＥＯ衛星コンピュータにかかる負荷が低減され、したがって、ＧＥＯ衛星コンピュータにおけるチップに対する要件も減少する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本開示による方法のフローチャートである。
【図２】図２は、本開示によるピラミッド型レイアウトの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[0015]  以下に添付図面を参照して、本開示による動作原理および動作プロセスについて更に説明する。
[0016]  図１に示すように、ＧＥＯ衛星制御システムに適用される最適化情報融合に基づくメニュー型設計方法は、以下のステップ（１）から（４）を含む。
【００１２】
[0017]  ステップ（１）において、長寿命ＧＥＯ衛星制御システムのために、４つの長寿命慣性姿勢センサ・ジャイロスコープを構成する。４つの長寿命慣性姿勢センサ・ジャイロスコープは、ピラミッド型レイアウトに構成し、４つのジャイロスコープの内３つをカルマン・フィルタリング用に構成し、４つのジャイロスコープの内他の１つをコールド・バックアップ(cold backup)用に構成する。通常動作中にこれらのジャイロスコープの各々によって出力される測定値は、３本の軸に沿った姿勢角度成分および姿勢角速度成分を含む。
【００１３】
[0018]  図２に示すように、４つのジャイロスコープ（Ａ１、Ａ２、Ａ３、およびＡ４）を対称ピラミッド型レイアウトに配列する。ここで、衛星体座標系の３本の軸の内任意の１本を対称軸として指定し、ジャイロスコープの各々の測定軸を、対称軸に対して角度θ（任意の値とすることができる）とする。対称軸以外の衛星体座標系の３本の軸の２本によって形成される平面における、これら２本の軸に関する各ジャイロスコープの測定軸の投射角は、４５°となる。
【００１４】
[0019]  ステップ（２）において、ハードウェアに対するメニュー型設計要件にしたがって、ユーザによって要求されるセンサを構成する。光学姿勢センサ、星センサ、地球センサ、太陽センサ、および要求姿勢測定精度で三軸姿勢を測定することができる他の種類のセンサ（無線周波数センサ、４つのアンテナを有し、軌道および姿勢を自律的に決定する、ナビゲーション衛星システムに基づく受信機のような）を、長寿命ＧＥＯ衛星制御システムのために構成する。衛星搭載コンピュータのアプリケーション・ソフトウェアによって、長寿命慣性姿勢センサ・ジャイロスコープおよび光学姿勢センサ、星センサ、地球センサ、太陽センサ、ならびに三軸姿勢を測定することができる他の種類のセンサを組み合わせて、三種類のカルマン・フィルタを形成する。これらのカルマン・フィルタの各々は、独立して姿勢を決定し、姿勢測定冗長情報を取得し、自律的に較正を実行し、ジャイロスコープの角速度定数ドリフト補償を自律的に実行することができる。
【００１５】
[0020]  ステップ（３）において、構成したセンサに基づいて、衛生搭載コンピュータのアプリケーション・ソフトウェアにおける２／３ハードウェア構成表、主動作状態表、バックアップ動作状態表、およびヘルス・ワード(health word)を埋める。衛星搭載コンピュータのアプリケーション・ソフトウェアは、初期化時に、光学姿勢星センサと組み合わせた３つの慣性姿勢センサ・ジャイロスコープ、地球センサおよび太陽センサと組み合わせた３つの慣性姿勢センサ・ジャイロスコープ、および三軸姿勢を測定することができる他の種類のセンサと組み合わせた３つの慣性姿勢センサ・ジャイロスコープという順序で、ステップ（２）において取得した３つの種類のカルマン・フィルタを自律的にソートする（ソートされるセンサは、ユーザの要求に基づいて選択される）。
【００１６】
[0021]  ステップ（４）において、光学姿勢センサが太陽光または月光による干渉を受けること、短期間の内に影になることまたは他の障害の響を受けること、あるいは長寿命慣性姿勢センサ・ジャイロスコープの１つが故障することを含む障害を、衛星搭載コンピュータのソフトウェア・アプリケーションにおけるＦＤＩＲモジュールが検出した場合、ＦＤＩＲモジュールは、この障害に対応する警報を自律的に生成し、現在選択されているカルマン・フィルタは自律的に低減次数フィルタリング(reduced-order filtering)を実行する。設定時間期間内に障害が解消されない場合、ＦＤＩＲモジュールは、自律再編成（コールド・バックアップまたは次のレイヤのフィルタを起動するように構成された健全性センサ(health sensor)を自律的に起動することを含む）を実現し、制御システムの姿勢決定動作を確保するために、マクロ命令シーケンスを発行する。ジャイロスコープの小さなランダム・ドリフトは、小さなパルス等量(small pulse equivalency)、および再編成のために許容される長時間間隔に対応する。次のレイヤのフィルタの起動が、姿勢決定および姿勢制御動作に及ぼす影響は小さい。何故なら、初期姿勢決定における誤差は小さく、フィルタリングは急速に集束するからである。
【００１７】
[0022]  一般に、姿勢決定および姿勢制御に高い精度が要求されるＧＥＯ衛星には、星センサが設けられる(configured with)。したがって、ジャイロスコープおよび星センサを含む１つのカルマン・フィルタが最初の選択となる。性能に対する異なるユーザからの異なる要求に基づいて、本メニュー型設計方法によって、ＧＥＯ衛星制御システムに合わせて、姿勢センサを構成することができる。姿勢制御性能に対するユーザの要求が低い場合、ハードウェア構成が星センサを含まなくてもよく、ジャイロスコープ、地球センサ、および太陽センサを含む１つのカルマン・フィルタを、第１選択肢として自律的に設定することができる。この場合、姿勢決定および姿勢制御における精度は、星センサによって個別に姿勢が決定される場合よりも低くない、即ち、高くすることができる。即ち、衛星搭載コンピュータのアプリケーションにおける２／３ハードウェア構成表、主動作状態表、バックアップ動作状態表、およびヘルス・ワードは、実際の構成に基づいて埋められる。選択可能である１つ１つのカルマン・フィルタは、衛星搭載コンピュータを起動し初期化した後に自律的にソートされる。しかしながら、地上遠隔制御は、カルマン・フィルタをソートする順序を変更し、どのカルマン・フィルタを最初のレイヤのカルマン・フィルタにするか決定することを優先する。
【００１８】
[0023]  本開示の説明において、詳細に記載されない内容は、宇宙分野における当業者には周知なことである。
【図１】
0006542991.tif 000002
【図２】
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