(57)【要約】      （修正有）【課題】宇宙船においてコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）を作動させるためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】ＣＭＧ１０６は、スピンモータ１２４と、該スピンモータに結合されてスピン軸の周りを回転するように構成されたＣＭＧロータ１１４とを含む。電源からの電力は、ＣＭＧロータをスピン軸の周りに回転させるようにスピンモータに供給される。電源がスピンモータに十分な電力を供給することができるかどうかに関して判断を行う。電源がスピンモータに十分な電力を供給することができない場合、スピンモータは、ＣＭＧモータにより回転されて電力を生成し該電力を電源に供給する。【選択図】図１
2008285144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙船姿勢制御システム（１００）において、
ジンバル速度コマンドを選択的に供給するように構成された姿勢制御器（１０４）と、
ジンバル軸（１３４）の周りを回転するように構成された制御モーメントジャイロ（ＣＭＧ）（１０６）と、
を備え、
前記ＣＭＧ（１０６）が、前記ジンバル速度コマンドを受け取るように結合され、前記コマンドを受け取ると前記ジンバル軸（１３４）の周りを指令ジンバル速度で回転するように構成されており、
前記ＣＭＧ（１０６）が、
回転可能に取り付けられ、前記ジンバル軸（１３４）に垂直なスピン軸（１３２）の周りを回転するように構成されＣＭＧロータ（１１４）と、
前記ＣＭＧロータ（１１４）に結合されて選択的に通電及び通電解除されるように適合されたスピンモ−タ（１２４）と、
を含み、前記スピンモ−タ（１２４）が、通電時には前記ＣＭＧロータ（１１４）を前記スピン軸（１３２）の周りに回転させ、通電解除時には前記ＣＭＧロータ（１１４）により回転されて電力を生成して少なくとも前記姿勢制御器（１０４）に電力を供給するように構成されている、
ことを特徴とする宇宙船姿勢制御システム（１００）。
【請求項２】
コントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）（１０６）において、
ジンバル軸（１３４）の周りを回転するように構成されたジンバルフレーム（１１６）と、
前記ジンバルフレーム（１１６）に回転可能に結合されて、前記ジンバル軸（１３４）に垂直なスピン軸（１３２）の周りを回転するように構成されたＣＭＧロータ（１１４）と、
前記ＣＭＧロータ（１１４）に結合され且つ選択的に通電及び通電解除されるように適合され、通電時には前記ＣＭＧロータ（１１４）を前記スピン軸（１３２）の周りに回転させ、通電解除時には前記ＣＭＧロータ（１１４）により回転されて電力を生成して少なくとも前記姿勢制御器（１０４）に電力を供給するように構成されているスピンモータ（１２４）と、
前記スピンモータ（１２４）に結合され、（ｉ）前記スピンモータ（１２４）を選択的に通電し、（ｉｉ）前記スピンモータ（１２４）により生成される電力を選択的に受け取り且つ供給するように動作可能なスピンモータ制御器（１２６）と、
を備えるコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）（１０６）。
【請求項３】
宇宙船（２０８）においてコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）（１０６）を作動させる方法であって、前記（ＣＭＧ）（１０６）が、スピンモータ（１２４）と、前記スピンモータ（１２４）に結合されてスピン軸（１３２）の周りを回転するように構成されたＣＭＧロータ（１１４）とを含み、
前記方法が、
前記ＣＭＧロータ（１１４）を前記スピン軸（１３２）の周りで回転させるために電源から前記スピンモータ（１２４）に電力を供給する段階と、
前記電源が前記スピンモータ（１２４）に十分な電力を供給することができるかどうかを判断する段階と、
前記電源が前記スピンモータ（１２４）に十分な電力を供給することができない場合、前記ＣＭＧロータ（１１４）により前記スピンモータ（１２４）を回転させて電力を生成し、該電力を前記電源に供給する段階と、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、衛星及び他の宇宙ビークルに関し、より詳細には、このようなビークルのための自己出力姿勢制御システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの宇宙船における姿勢制御は、１つまたはそれ以上のコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）を使用して実施している。ＣＭＧは、ジンバルフレームに回転可能に取り付けられた回転フライホール、すなわちロータを含むことができるトルク発生機構である。スピンモータは、ロータに結合することができ、ロータを実質的に一定の回転速度でスピン軸の周りに回転させるよう通電し制御することができる。ジンバルフレームは、スピン軸に垂直な１つ又はそれ以上のジンバル軸の周りに回転可能に取り付けることができる。更に、１つ又はそれ以上のアクチュエータをジンバルフレームに結合することができ、ジンバル速度コマンドに応答してジンバル軸の１つ又はそれ以上の周りにジンバルフレームを回転させることができる。ジンバルフレームをジンバル軸の１つ又はそれ以上の周りに一定の速度で回転させることにより、宇宙船の姿勢制御を行うためのトルクを宇宙船構体内に発生させることができる。
【０００３】
上述のものなどの典型的なＣＭＧ実装の姿勢制御システムは、一般に安全で信頼性があり堅牢であるが、これらのシステムは潜在的な欠点を示す場合がある。例えば、先のジンバル速度コマンドがＣＭＧに送出された結果として宇宙船が運動しており、ＣＭＧスピンモータ又は宇宙船姿勢制御システム内の種々の他の構成要素もしくはサブシステムに電力が使用できなくなった場合、ＣＭＧ及びこれに付随して宇宙船は、好ましくない機械的応力を受ける可能性がある。これらの応力は、衛星構体速度からのジャイロ作用に起因してＣＭＧのジンバルが急激で且つ無制御の運動によってもたらされる場合がある。
【０００４】
従って、ＣＭＧスピンモータに対しての予想しない電力損失から生ずる可能性のある望ましくない機械的応力を軽減又は回避するシステム及び方法についての要求がある。本発明は、少なくともこの要求に対処する。
【０００５】
【特許文献１】米国特許１１／３９４，０３７号公報
【発明の開示】
【０００６】
１つの実施形態において、及び単に一例として、宇宙船姿勢制御システムは、姿勢制御器及びコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）を含む。姿勢制御器は、ジンバル速度コマンドを選択的に供給するように構成されている。ＣＭＧは、ジンバル軸の周りを回転するように構成され、ジンバル速度コマンドを受け取るように結合され、ジンバル速度コマンドを受け取ると、ジンバル軸の周りを指令ジンバル速度で回転するように構成されている。ＣＭＧは、ＣＭＧロータ及びスピンモータを含む。ＣＭＧロータは、回転可能に取り付けられ、ジンバル軸に垂直なスピン軸の周りを回転するように構成されている。スピンモータは、ＣＭＧロータに結合されて選択的に通電及び通電解除されるよう適合されている。スピンモータは、通電時にはＣＭＧロータをスピン軸の周りに回転させ、通電解除時にはＣＭＧロータにより回転されて電力を生成して少なくとも姿勢制御器に該電力を供給するように構成されている。
【０００７】
他の例示的な実施形態において、コントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）は、ジンバルフレーム、ＣＭＧロータ、スピンモータ、及びスピンモータ制御器を含む。ジンルフレームは、ジンバル軸の周りを回転するように構成されている。ＣＭＧロータは、ジンルフレームに回転可能に結合されて、ジンバル軸に垂直なスピン軸の周りを回転するように構成されている。スピンモータは、ＣＭＧロータに結合され且つ選択的に通電及び通電解除されるように適合されている。スピンモータは、通電時にＣＭＧロータをスピン軸の周りに回転させ、通電解除時にＣＭＧロータにより回転されて電力を生成するように構成される。スピンモータ制御器は、スピンモータに結合されて該スピンモータを選択的に通電し、スピンモータにより生成される電力を選択的に受け取り且つ供給するように動作可能である。
【０００８】
更に別の例示的なの実施形態において、スピンモータと該スピンモータに結合されてスピンモータ軸の周りを回転するように構成されたＣＭＧロータとを含むコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）を宇宙船内で作動させる方法は、ＣＭＧロータをスピン軸の周りに回転させるために電源からスピンモータに電力を供給する段階を含む。電源がスピンモータに十分な電力を供給できないかどうかに関して判断を行う。電源がスピンモータに十分な電力を供給できない場合、ＣＭＧロータによりスピンモータを回転させて電力を生成し該電力を電源に供給する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
ここで、本発明の実施形態を以下の図面を参照しながら説明する。各図面では同じ数字は同じ要素を表す。
以下の詳細な説明は、本質的に単に例証に過ぎず、本発明或いは本発明の応用及び使用を限定するものではない。更に、前述の技術分野、背景、発明の開示又は以下の詳細な説明で示されるどのような明示的又は暗示的な理論によって拘束されるものではない。
【００１０】
最初に図１を参照すると、宇宙船姿勢制御システム１００の実施形態の簡略ブロック図が示されている。システム１００は、宇宙船制御部１０２、姿勢制御部１０４及び複数のコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）１０６を含む。更に先に進む前に、明確にし、図示及び説明を容易にするために単一のＣＭＧだけが示されている点を留意されたい。しかしながら、システム１００は、３つ又はそれ以上のＣＭＧを含むことができる点は理解されるであろう。
【００１１】
再度システム１００の説明に戻り、宇宙船制御部１０２は、例えば、地上局又は図示していない搭載自動操縦装置から所望の宇宙船姿勢を示すデータを受信するように構成される。宇宙船制御部１０２は、受信データに応答して適切な姿勢（すなわちトルク）コマンドを姿勢制御部１０４に供給する。姿勢制御部１０４は、トルクコマンドに応答して、宇宙船内において適切な姿勢外乱を誘起するようにＣＭＧ１０６の作動を適切に制御することにより、宇宙船姿勢を制御する。１つ又はそれ以上の姿勢センサ１０８及び１つ又はそれ以上の速度センサ１１２のような１つ又はそれ以上の宇宙船動的センサは、宇宙船姿勢及び姿勢の変化率をそれぞれ検知して、これらを表すフィードバック信号を姿勢制御部１０４にフィードバック伝送する。
【００１２】
ＣＭＧ１０６は、他のＣＭＧ１０６と共に用いて、宇宙船の姿勢を制御することができる。図示の実施形態において、ＣＭＧ１０６は、ロータ１１４、ジンバルフレーム１１６、１つ又はそれ以上のジンバルアクチュエータ１１８、ジンバル制御器１２２、スピンモータ１２４及びモータ制御器１２６を含む。ＣＭＧロータ１１４は、例えば複数の軸受組立体１２８を介してジンバルフレーム１１６上に回転可能に支持されて、スピン軸１３２の周りを回転するように構成される。ジンバルフレーム１１６は、スピン軸１３２に垂直な１つ又はそれ以上のジンバル軸１３４の周りに回転可能に支持される。ジンバル制御器１１８は、姿勢制御部１０４からジンバル速度コマンドを受信し、これに応答してジンバルアクチュエータ１１８を選択的に通電する。ジンバルアクチュエータ１１８は、通電時には、ジンバルフレーム１１６をジンバル軸１３４に沿って指令速度で移動させる。例えばジンバルフレーム１１６の位置及び速度を検知することができる図示していない１つ又はそれ以上のセンサは、ジンバル制御器１１８に位置及び速度フィードバック信号を供給するために含むことができる。
【００１３】
スピンモータ１２４は、ＣＭＧロータ１１４に結合されて、選択的に通電及び通電解除されるよう適合される。スピンモータ１２４は、通電されるとスピン軸１３２の周りにＣＭＧロータ１１４を回転させ、通電解除されるとＣＭＧロータ１１４により回転されて電力を発生するように構成されている。典型的には、スピンモータ１２４は、スピンモータ制御器１２６により通電され、その回転速度（すなわちＣＭＧロータ１１４の回転速度）が該スピンモータ制御器１２６により制御される。より具体的には、スピンモータ制御器１２６は、スピンモータ１２４と、例えば電力分配バス１３６のような電源との間に結合される。モータ制御器１２６は、電力分配バス１３６が図示していない電源から適切に通電されたときに、スピンモータ１２４を通電してその回転速度を制御するように構成される。逆に、電力分配バス１３６が図示しない電源から適切に通電されない場合には、スピンモータ制御器１２６は、スピンモータ１２４を通電しないことになる。代わりに、モータ制御器１２６は、スピンモータ１２４により生成される電力を受け取って調整し、この電力の少なくとも一部を電力分配バス１３６に供給する。スピンモータ１２４は、限定ではないが種々のタイプのＤＣ及びＡＣモータ設計を含む、現在公知の又は将来開発される多数のモータ設計の内のいずれか１つとすることができることは理解されるであろう。しかしながら、スピンモータ１２４は、永久磁石ブラシレスＤＣモータであるのが好ましい。
【００１４】
図１でも示すように、システム１００は、運動減衰制御部１３８を含むのが好ましい。図示の実施形態においては、運動減衰制御部１３８は、姿勢制御部１０４内に実施される。しかしながら、これは単なる例示に過ぎず、運動減衰制御部１３８はスタンドアロン装置として、又は他の構成要素もしくはサブシステム内に物理的に実施することができることは理解されるであろう。運動減衰制御部１３８は、それがどこでどのように物理的に実施されても、姿勢制御部１０４により供給されるジンバル速度コマンドを受け取るように結合され、ジンバル速度コマンドが有効か又は無効かを判断するよう動作可能である。ジンバル速度コマンドが有効であると判断された場合には、運動減衰制御部１３８により、ジンバル速度コマンドをジンバル制御器１２２に渡すことができるようになる。反対に、ジンバル速度コマンドが、無効である（これには、利用可能でない、中断されている、又はこれらの組み合わが含まれる）と判断された場合には、運動減衰制御部１３８は、修正された（すなわち「合成の」）ジンバル速度コマンドをジンバル制御器１２２に選択的に供給する。これらの修正ジンバル速度コマンドは、宇宙船が所定の静止状態に維持されるか、その静止状態に達するまで回転を漸次的に減少させるようにする。運動減衰制御部１３８は、種々に構成することができ、多数の方法の内のいずれか１つを使用して上述の機能を実施することができる点は理解されるであろう。運動減衰制御部１３８の幾つかの例示的構成及びこれにより実施される例示的な方法は、２００６年３月２９日に出願され本出願の譲受人に譲渡された名称「Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｍｏｔｉｏｎ  Ｄａｍｐｉｎｇ（衛星の能動的運動減衰）」の米国特許出願第１１／３９４，０３７号において開示されている。
【００１５】
宇宙船制御部１０２、姿勢制御部１０４、モータ制御器１２６及び運動減衰制御部１３８はすべて電気で駆動される。図示の実施形態においては、各々が電力分配バス１３６に結合され、これから電力を受け取る。ジンバルアクチュエータ１１８及びスピンモータ１２４はまた、ジンバル制御器１２２及びモータ制御器１２６をそれぞれ介して電力分配バス１３６から選択的に通電される。電力分配バス１３６で障害が発生した場合、又は電力分配バス１３６に電力を供給する図示していない電源が、作動不能となるか、利用できなくなるか、或いは十分な電力が供給できなくなった場合には、ジンバルアクチュエータ１１８及びスピンモータ１２４を通電する電力は利用できなくなることは理解されるであろう。上述したように、このような事象は、ＣＭＧ１０６及び宇宙船に望ましくない機械的応力を受けさせる場合がある。しかしながら、同様に上述したように、スピンモータ１２４は、通電されずにＣＭＧロータ１１４により回転される場合に発電機として作動し電力を発生するように構成されている。スピンモータ１２４は、ＣＭＧロータ１１４に保存された回転エネルギーが消失するまで電力を発生し続け、ＣＭＧロータ１１４は、もはや十分な速度でスピンモータ１２４を回転させることができなくなる。更に、モータ制御器１２６は、スピンモータ１２４により生成される電力を受け取り、この電力の少なくとも一部を電力分配バス１３６に供給するように構成することができる点に留意されたい。図示していない別の装置は、スピンモータ１２４により生成される電力を電力分配バス１３６に伝送するように構成することができる点は理解されるであろう。
【００１６】
上記のことから、ＣＭＧロータ１１４がスピンモータ１２４を十分な速度で回転させることができる間は、姿勢制御部１０４、ジンバル制御器１２２及び運動減衰制御部１３８は通電及び動作が維持される点は理解することができる。ジンバル制御器１２２はまた、ジンバルアクチュエータ１１８を選択的に通電させることができる。更に、このような事象が生じた場合、姿勢制御部１０４及び／又は運動減衰制御部１３８は、適切なジンバル速度コマンドをジンバル制御器１２２に自動的に供給し、宇宙船の運動が順序立って減少させる点は理解されるであろう。姿勢制御部１０４は、電力の損失又は低減の前に送出された最新の有効な速度コマンドを保持するように構成することができ、或いは、所定の予め記憶されたコマンドを取り出し送出するように構成することができる。
【００１７】
ここで図２を参照すると、システム１００により実施される例示的な方法がフローチャートで示されており、これを説明する。図示の方法２００は、電力分配バス１３６上の電力が利用可能であるか、及び／又はＣＭＧロータ１１４に保存された回転エネルギーを使用して電力を電力分配バス１３６に供給するのに十分であるかどうかを判断する１つの例示的な方法を示している。図示の実施形態によれば、システム１００は、電力分配バス１３６が十分な電力を供給することができるかどうかに関して連続して判断する（２０２）。この判断は、多数の技術の内のいずれか１つを使用して行うことができるが、図示の実施形態では、電力分配バス１３６の電圧が所定の電圧の大きさを上回るかどうかに関して判断する。また、多数の構成要素、デバイス又はサブシステムの内のいずれか１つをこの判断を行うように構成することができる点は理解されるであろう。図１に示される実施形態において、モータ制御器１２６は、この判断を行うように構成されている。
【００１８】
いずれの構成要素、デバイス、又はサブシステムが判断しても、電力分配バス電圧が所定の大きさを上回る場合には、モータ制御器１２４は、電力分配バス１３６によりスピンモータ１２４を通電し（２０４）、一定の回転速度でＣＭＧロータ１１４を回転させるようにスピンモータを制御する（２０６）。システム１００はまた、宇宙船の通常の姿勢制御を実施する（２０８）。すなわち、姿勢制御部１０４は、宇宙船制御部１０２からのコマンドに応答し、宇宙船内の適切な姿勢外乱を誘起させるようにＣＭＧ１０６の作動を制御する。通常の姿勢制御を実施している（２０８）間、ジンバル制御器１２２に供給されるジンバル速度コマンドが無効であると運動減衰制御部１３８が判断した場合には、運動減衰制御部１３８は、修正ジンバル速度コマンドをジンバルアクチュエータ１１８に供給する。
【００１９】
同様に図２に示すように、電力分配バス電圧が所定の大きさを上回らない場合には、モータ制御器１２６は、もはやスピンモータ１２４を起動させてＣＭＧロータ１１４を回転させることはしない。代わりに、スピンモータ１２４は、ＣＭＧロータ１１４により回転される（２１２）。スピンモータ１２４が回転すると電力を発生し、この電力をモータ制御器１２６が電力分配バス１３６に供給する（２１４）。上述のように、モータ制御器１２６は、スピンモータ１２４によって生成される電力を整流し（必要な場合）調節するよう更に構成することができる。システム１００はまた、宇宙船の運動減衰制御を実施し、宇宙船が所定の静止状態に維持されるか、その静止状態に達するまで漸次的に回転を減少させるようにするのが好ましい（２１６）。
【００２０】
上記の詳細な説明においては、少なくとも１つの例示的な実施形態が提示されたが、膨大な数の変形形態が存在することを理解すべきである。また、この１つ又は複数の例示的な実施形態は実施例に過ぎず、本発明の範囲、適用可能性又は構成をどのようにも制限するものではないことを理解されたい。むしろ、上述の詳細な説明は、１つ又は複数の例示的な実施形態を実施するための好都合なロードマップを当業者に提供することになる。添付の請求項及びその法律上の均等物に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、各要素の機能及び構成において種々の変更を行い得ることは理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態による宇宙船姿勢制御システムの一部を示す機能ブロック図である。
【図２】図１のシステムの例示的作動方法をフローチャート形式で示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１００  宇宙船姿勢制御システム
１０２  宇宙船制御部
１０４  姿勢制御部
１０６  コントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）
１０８  姿勢センサ
１１２  速度センサ
１１４  ＣＭＧロータ
１１６  ジンバルフレーム
１１８  ジンバルアクチュエータ
１２２  ジンバル制御器
１２４  スピンモータ
１２６  モータ制御器
１２８  軸受組立体
１３２  スピン軸
１３４  ジンバル軸
１３６  電力分配バス
１３８  運動減衰制御部
【図１】
2008285144.tif 000003
【図２】
2008285144.tif 000004
【外国語明細書】
2008285144000001.pdf