(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゼロモーメンタムのビークル姿勢制御を行うための少なくとも２つのモーメンタムホイール（１２５Ａ、１２５ｎ）を有する第１姿勢制御モジュール（１２０）であって、各モーメンタムホイールが、ビークル（１００）の３つの軸のうちの２つに沿って前記モーメンタムホイールを枢動させる限定移動２軸ジンバル（１２６）を備えている、第１姿勢制御モジュールと、
前記少なくとも２つのモーメンタムホイールの制御軸と共通の少なくとも１つの制御軸に沿ってビークル姿勢制御を行うためにピラミッド型に配置された複数のリアクションホイール（１３２Ａ、１３２ｍ）を有する第２姿勢制御モジュール（１３０）と、
前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールに接続されたコントローラであって、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールの動作を調整して、前記ビークルの３つの軸（ＶＣ）のうちの少なくとも１つにおいて前記ビークルを回転させるように構成されている、コントローラ（１４０）と、
を備える、二段ビークル姿勢制御システム（１１０）。
【請求項２】
前記コントローラは、
前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールを組み合わせて動作させること、あるいは
前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールを個別に動作させること、あるいは
前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールを所定のシーケンスで動作させること、
のうちの少なくとも１つを行うように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記少なくとも２つのモーメンタムホイールは、前記ビークルの３つの軸のうちの少なくとも２つに沿ってゼロモーメンタムのビークル姿勢制御を行うように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記限定移動２軸ジンバルは、少なくとも２つのアクチュエータと、モーメンタムホイールプラットフォーム（１２１）と、ベース（３００）と、を含み、前記モーメンタムホイールは、前記モーメンタムホイールプラットフォームに取り付けられており、前記少なくとも２つのアクチュエータは、前記モーメンタムホイールプラットフォームと前記ベースとの間の相対運動を行わせるように構成されており、前記限定移動２軸ジンバルの移動は、前記少なくとも２つのアクチュエータの移動量による制限または前記ベースの制限構造体による制限のうちの少なくとも１つの制限を受け、
前記少なくとも２つのアクチュエータの寸法は、前記限定移動２軸ジンバルの角速度ベクトルと、前記モーメンタムホイールの角運動量ベクトルとのクロス積に実質的に等しいトルクレベルを実現するように設定されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記少なくとも２つのモーメンタムホイールの各々の角運動量ベクトルは、前記ビークルの共通軸に沿って配置されており、前記ピラミッド型の配置においては、前記リアクションホイールが前記ビークルの前記共通軸に向かって傾斜するように配向されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記少なくとも２つのモーメンタムホイールの前記制御軸と共通の前記少なくとも１つの制御軸は、前記ビークルの走査軸である、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
ビークル（１００）の姿勢を制御するための方法であって、
第１姿勢制御モジュール（１２０）及び第２姿勢制御モジュール（１３０）の動作を制御して、前記ビークルの３つの軸（ＶＣ）の少なくとも１つにおいて前記ビークルを回転させ、前記第１姿勢制御モジュールの動作を制御するに際しては、限定移動２軸ジンバル（１２６）を用いて、前記ビークルの前記３つの軸のうちの２つに沿って各モーメンタムホイールを枢動させる構成であって、
前記第１姿勢制御モジュールは、第１レベルの俊敏性で、ゼロモーメンタムのビークル姿勢制御を行うモーメンタムホイールモジュールであり、前記第２姿勢制御モジュールは、第２レベルの俊敏性で、前記モーメンタムホイールの制御軸と共通の少なくとも１つの制御軸に沿ってビークル姿勢制御を行うピラミッド型リアクションホイールモジュール（１３１）であり、前記第１レベルの俊敏性は、前記第２レベルの俊敏性よりも高く設定されている、方法。
【請求項８】
前記ビークルを配向させるために必要な角加速度の所定値に応じて、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールの動作を階層的に調整すること、あるいは
前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールを組み合わせて動作させること、あるいは
前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールを個別に制御すること、あるいは
前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールを所定のシーケンスで制御すること、のうち少なくとも１つを行う、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記モーメンタムホイールモジュールにおける各モーメンタムホイールの角運動量ベクトルは、前記ビークルの走査軸に沿って配置されており、前記ピラミッド型リアクションホイールモジュールの各リアクションホイールは、前記ビークルの前記走査軸へ向かって傾斜している、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１姿勢制御モジュール及び第２姿勢制御モジュールの動作を制御することにより、第１角度視野内の点の間で前記ビークルを移動させるための第１レベルの角加速度を発生させるとともに、前記第１角度視野とは異なる第２角度視野へ前記ビークルを配向させるための第２レベルの角加速度を発生させる構成であって、前記第２レベルの角加速度は、前記第１レベルの角加速度よりも小さく設定されている、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２レベルの角加速度により、最大３軸において前記ビークルが移動し、前記第１レベルの角加速度により、２軸において前記ビークルが移動する、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概してビークルの姿勢制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、低重力環境におけるビークルの姿勢制御は、例えば、推進力、コントロールモーメントジャイロスコープ、リアクションホイール、及びモーメンタムホイールプラットフォームなどを用いて行われる。推進力を用いた姿勢制御は、精度が粗い。そのため、精密指向システムを有するビークルの位置決めを行うに際して、小さい角度視野（例えば、関心領域）内における複数の点の間で、精密指向システムを大きな横方向角加速度で移動させることや、別の関心領域にビークルを再配置及び再配向するために、俊敏性を低下させた状態で精密指向システムを大きな角度で最大３軸について移動させることには、推進力による制御は、一般に不適切である。コントロールモーメントジャイロスコープは、俊敏性に優れており、効率的なトルク及び運動量を提供することができる。しかしながら、コントロールモーメントジャイロスコープは高価である。リアクションホイールは、３軸において一様な制御を行う一方、１つの軸において効率的に偏りを持たせることもできる。しかしながら、リアクションホイールを動作させるには、大きな電力が必要である。また、２軸において高いトルク及び運動量が求められる場合には、複数のリアクションホイールが必要となるが、リアクションホイールの数を増やすと、これらがピラミッド型に配置されて用いられたときに、かえって効率が悪くなると考えられる。最大２の自由度（例えば、傾斜動作）を有するモーメンタムホイールプラットフォームは、２軸において高い加速度が得られるが、運動量の蓄積は、プラットフォームの角移動による制限及びホイール寸法による制限を受ける。
【発明の概要】
【０００３】
したがって、上述した課題に対処するよう意図されたシステム及び方法が有用であろう。
【０００４】
本開示の一例は、二段ビークル姿勢制御システムに関する。当該システムは、ゼロモーメンタムのビークル姿勢制御を行うために設けられた少なくとも２つのモーメンタムホイールを有する第１姿勢制御モジュールを含み、各モーメンタムホイールは、限定移動２軸ジンバルを備える。更に上記システムは、前記少なくとも２つのモーメンタムホイールの制御軸と共通の少なくとも１つの制御軸に沿ってビークル姿勢制御を行うためにピラミッド型に配置されたリアクションホイールを有する第２姿勢制御モジュールと、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールに接続されるとともに、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールの動作を調整して、ビークルの３つの軸のうち少なくとも１つにおいて前記ビークルを回転させるように構成されているコントローラと、を含む。
【０００５】
本開示の一例は、ビークルの姿勢を制御するための方法に関する。当該方法は、第１姿勢制御モジュール及び第２姿勢制御モジュールの動作を制御して、前記ビークルの３つの軸の少なくとも１つにおいて前記ビークルを回転させる。前記第１姿勢制御モジュールの動作を制御するに際しては、限定移動２軸ジンバルを用いて、前記ビークルの前記３つの軸のうち２つに沿って各モーメンタムホイールを枢動させる。前記第１姿勢制御モジュールは、第１レベルの俊敏性で、ゼロモーメンタムのビークル姿勢制御を行うモーメンタムホイールモジュールであり、前記第２姿勢制御モジュールは、第２レベルの俊敏性で、前記モーメンタムホイールの制御軸と共通の少なくとも１つの制御軸に沿ってビークル姿勢制御を行うピラミッド型リアクションホイールモジュールである。前記第１レベルの俊敏性は、前記第２レベルの俊敏性よりも高い。
【０００６】
本開示の一例は、二段ビークル姿勢制御システムに関する。当該システムは、ゼロモーメンタムのビークル姿勢制御を行うために設けられた少なくとも２つのモーメンタムホイールを有する第１姿勢制御モジュールを含む。各モーメンタムホイールは、ビークルの３つの軸のうち２つに沿って前記モーメンタムホイールを枢動させる限定移動２軸ジンバルを備える。更に上記システムは、前記少なくとも２つのモーメンタムホイールの制御軸と共通の少なくとも１つの制御軸に沿ってビークル姿勢制御を行うために、ピラミッド型に配置されたリアクションホイールを有する第２姿勢制御モジュールと、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールに接続されているコントローラと、を含む。前記コントローラは、前記少なくとも２つのモーメンタムホイールが、前記リアクションホイールに対してゼロモーメンタム操舵の増強を行うように、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールの動作を調整して、前記ビークルの３つの軸のうち少なくとも１つにおいて前記ビークルを回転させるように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
一般的な文言による開示例の説明は以上のとおりである。次に、添付の図面について言及する。これらの図面は、必ずしも正確な縮尺にしたがっておらず、また、いくつかの図面において、同一または同様の部品を同じ参照符号で示している。
【０００８】
【図１】本開示の一態様による、デュアルアジリティ(dual agility)姿勢制御システムを示すブロック図である。
【図２】本開示の一態様による、デュアルアジリティ姿勢制御システムを組み入れたビークルを示す概略図である。
【図３Ａ．３Ｂ】本開示の一態様による、デュアルアジリティ姿勢制御システムの一部を示す概略図である。
【図４】本開示の一態様による、デュアルアジリティ姿勢制御システムを示す概略図である。
【図５】本開示の一態様による、デュアルアジリティ姿勢制御システムのための階層制御方式を示す概略図である。
【図６】本開示の一態様による、図５の階層制御方式の一部を示す概略図である。
【図７】本開示の一態様による、デュアルアジリティ姿勢制御システムの制御方法を示す概略図である。
【図８】本開示の一態様による、方法を示すフロー図である。
【図９】宇宙飛行体の製造及び保守方法を示すフロー図である。
【図１０】分散配置されたビークルシステムを含む宇宙飛行体を示す概略図である。
【０００９】
上述したブロック図において、様々な要素及び／又は部品を繋ぐ実線がある場合、それらは、機械的、電気的、流体的、光学的、電磁気的、その他の結合、及び／又は、これらの組み合わせからなる結合を表す。本明細書で用いる「結合」とは、直接的又は間接的に結び付いていることを意味する。例えば、部材Ａは、部材Ｂと直接に関連付けられていてもよいし、例えば、他の部材Ｃを介して、間接的に関連付けられてもよい。ブロック図に示した以外の結合も存在しうる。様々な要素及び／又は部品を繋ぐ破線(dashed line)がある場合、これらは、機能及び目的の面で、実線で表したものに類似する結合を表す。ただし、破線で表した結合は、選択的に設けられるもの、或いは、本開示の代替的な態様又は任意の態様に関するものである。同様に、破線で表した要素及び/又は部品がある場合、これらは、本開示の代替的な態様又は任意の態様に関するものである。外的な要素（environmental elements）がある場合、これらは、点線(dotted line)で表されている。
【００１０】
上述したブロック図における各ブロックは、動作及び／又はその一部を表す場合もある。様々なブロックを繋ぐ線は、動作又はその一部の特定の順序又は従属関係を暗示するものではない。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の説明においては、開示される概念が十分に理解されるように、多くの具体的な詳細事項を提示しているが、本開示はこれらの詳細事項の一部又は全てが欠けていても実施可能である。他の例では、既知の装置及び/又は処理についての詳細を省いているが、これは本開示が不必要に曖昧になることを避けるためである。いくつかの概念については特定の例に関連させて説明しているが、これらの例は本開示を限定することを意図するものではない。
【００１２】
本明細書において、「一例」又は「一態様」という場合は、その例又は態様に関連して説明する１つ又は複数の特徴、構造、又は特性が、少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。本明細書の様々な箇所で用いられる「一例」又は「一態様」という用語は、同じ例又は態様を指す場合もあるし、そうでない場合もある。
【００１３】
特に明記しない限り、本明細書における「第１」、「第２」、「第３」等の用語は、単に標識として用いられており、これらの用語で言及している要素に対して、順序、位置、又は階層的な要件を課すものではない。また、例えば「第２」の要素について言及することは、「第１」又は番号の小さい要素、及び／又は、「第３」又は番号の大きい要素の存在を要件とするものでも排除するものでもない。
【００１４】
図１及び２に示すように、以下で説明する本発明の種々の態様によれば、デュアルアジリティ姿勢制御システム１１０が提供され、これはまた二段ビークル姿勢制御システム（dual stage vehicle attitude control system）１１０とも称される。同システムによれば、ビークル１００の姿勢制御が可能である。ビークルは、例えば、低重力環境で操作される精密指向システム(precision pointing system)を有したものであり、その姿勢制御には、第１関心領域２００などの小さい角度視野内における点Ｐ１〜Ｐ３の間を移動すべく、大きな横方向の角加速度すなわち高い俊敏性が求められる。さらには、相対的に低い俊敏性を以って、最大３軸において大きい角度を移動することにより、小さい角度視野を有する他の関心領域２１０にビークル１００を再配置及び再配向させることが求められる。ここで、他の関心領域とは、例えば、上記第１関心領域とは別の第２関心領域であり、１つ又は複数の点Ｐ４〜Ｐ６の観測が行われる領域である。
【００１５】
図１に示すように、デュアルアジリティ姿勢制御システム１００の実施態様によれば、コントロールモーメントジャイロスコープに代わるコスト効率の高いシステムとして、リアクションホイールアレイと２つ以上のモーメンタムホイールプラットフォームを組み合わせた複合又はデュアルアジリティ指向システムが提供される。これによれば、例えば、ピラミッド型のリアクションホイール、及び、モーメンタムホイールプラットフォームのゼロモーメンタム操舵システム（zero-momentum steering system）の利点及び制約を交換することにより、ビークルの動きについて同じ自由度を有する従来の姿勢制御システムと比較して、要求される平均電力が少なく、運動量蓄積装置の数も少ない姿勢制御システムが提供される。デュアルアジリティ姿勢制御システム１００は、例えば、第１姿勢制御モジュール１２０と、第２姿勢制御モジュール１３０と、有線又は無線により第１姿勢制御モジュール１２０及び第２姿勢制御モジュール１３０に接続された制御モジュール１４０とを含む。制御モジュール１４０は、少なくとも１つのプロセッサ１４１及び少なくとも１つのメモリ１４２を含み、これらは、非一時的な(non-transitory)プログラミングに基づき、本明細書で説明される態様で、第１姿勢制御モジュール１２０及び第２姿勢制御モジュール１３０を制御する。例えば、制御モジュール１４０は、第１姿勢制御モジュール１２０及び第２姿勢制御モジュール１３０の動作を相互に調整して、ビークル１００の３つの軸Ｘ、Ｙ、Ｚの少なくとも１つにおいてビークルを回転させるように構成されている。一態様において、制御モジュール１４０は、ビークル１００のコントローラ１０１と一体化している。他の態様においては、制御モジュール１４０は、ビークル１００のコントローラ１０１のサブシステムであり、本明細書で説明しているように、ビークル１００の姿勢を変化させるために、コントローラ１０１からナビゲーション／指向に関する命令を受信する。
【００１６】
第１姿勢制御モジュール１２０は、推進剤を用いない姿勢制御モジュールであり、２つ以上のモーメンタムホイールプラットフォーム１２１Ａ〜１２１ｎを有するモーメンタムホイールアセンブリ１２９を含む。モーメンタムホイールプラットフォーム１２１の各々は、ジンバルプラットフォーム１２６に取り付けられたモーメンタムホイール１２５と、モーメンタムホイールの回転速度、及び、ジンバルプラットフォーム１２６の角度位置を計測するための２つ以上のセンサ１２７とを含む。ジンバルプラットフォーム１２６は、ベース部３００と、可動部３１０とを含む。可動部３１０は、ベース部３００に対して揺動可能に取り付けられており、ベース部３００に対して、Ｘ軸及びＹ軸を基準としこれらの軸に沿って傾斜する。一態様において、この傾斜は、例えば、枢動又は回転によるものである。一態様において、ベース部３００及び可動部３１０は、例えば、２軸ジンバルを形成する。他の態様において、２軸ジンバルプラットフォーム１２６は、例えば、Ｘ軸及びＹ軸の両方の独立した制御を実行する任意の構成を有する。一態様において、ジンバルのＸ軸及びＹ軸は、それぞれビークル座標系ＶＣ（図２及び４）のＸ軸及びＹ軸にそれぞれ対応している。他の態様においては、ジンバルの座標系は、所定の空間配向となるように設定されるが、ビークル１００の座標系ＶＣとは異なる。ベース部は、アクチュエータ３１５Ｘ、３１５Ｙを含む。これらのアクチュエータは、可動部３１０の角度位置θ、可動部３１０のＸ軸及びＹ軸に沿う角速度ωx、ωy、及び、Ｘ軸及びＹ軸に沿う可動部の加速度を制御するために、Ｘ軸及びＹ軸のそれぞれに沿って可動部３１０を枢動させる。なお、Ｘ軸及びＹ軸に沿うジンバルプラットフォーム１２６の移動量は、それぞれのアクチュエータ３１５Ｘ、３１５Ｙの移動量又は動き量、及び／又は、制限構造体により制限される。制限構造体としては、例えば、ジンバルプラットフォーム１２６のベース３００や、当該ベース３００に取り付けられるか、或いは、これから突出しているストッパなどがある。一態様において、ジンバルプラットフォーム１２６の移動量とは、例えば、それぞれの軸を中心とした限定的な回転であり、ジンバルプラットフォームは、Ｘ軸及びＹ軸を中心として無制限に回転することができない。一態様において、アクチュエータ３１５Ｘ、３１５Ｙは、Ｘ軸及びＹ軸に沿って最大約１０°までジンバルプラットフォームを枢動又は回転させる。他の態様において、アクチュエータ３１５Ｘ、３１５Ｙは、１０°を超えてジンバルプラットフォームを枢動又は回転させる。更に他の態様において、Ｘ軸に沿うジンバルプラットフォームの枢動量は、Ｙ軸に沿うジンバルプラットフォームの枢動量とは異なる。各軸Ｘ、Ｙについてのアクチュエータ３１５Ｘ、３１５Ｙの寸法あるいは出力は、例えば、交差軸アクチュエータ３１５Ｘ、３１５Ｙにより生成されるトルクに応じて設定される。例えば、Ｘ軸に沿って角速度ωxを生じさせるべく、Ｘ軸周りにトルクがかけられている場合、交差軸Ｙ周りのトルクが生ずる（以下の式２参照）。交差軸アクチュエータは、この例ではＹ軸アクチュエータであるが、交差軸Ｙ周りのトルクに抵抗しうるように寸法が設定される。同様に、Ｙ軸に沿って角速度ωｙを生じさせるべく、Ｙ軸周りにトルクがかけられている場合には、交差軸Ｘ周りのトルクが発生する（以下の式１参照）。交差軸アクチュエータは、この例ではＸ軸アクチュエータであるが、交差軸Ｘ周りのトルクに抵抗しうるように寸法が設定される。一態様において、アクチュエータ３１５Ｘ、３１５Ｙの寸法は、ジンバルプラットフォーム１２６の角速度ベクトルとモーメンタムホイール１２５の角運動量ベクトルＨとのクロス積に等しいトルクレベルを実現するように決定される。一態様において、アクチュエータ３１５Ｘ、３１５Ｙは、ボイスコイル／リニアアクチュエータである。他の態様においては、アクチュエータ３１５Ｘ、３１５Ｙは、移動範囲が制限された回転アクチュエータであり、例を挙げれば、ギア駆動の直流アクチュエータ（例えば、ギア付き回転駆動装置）、ボールねじアクチュエータ、ステッピングモーターアクチュエータ、又は、Ｘ軸及びＹ軸に沿って可動部３１０を枢動可能な他の線形／回転駆動システムなどである。可動部３１０は、駆動モータ３３０を含んでおり、同モータに対し、Ｚ軸を中心として回転するモーメンタムホイール１２５が取り付けられている。各モーメンタムホイール１２５によりビークル１００に作用する、Ｘ軸及びＹ軸に沿うトルクＴｘ、Ｔｙは、以下の式により規定される。なお、これらの式においては、明瞭化のために二次の項を無視している。
Ｔx ＝ ωy X Ｈ                                                    [１］
Ｔy ＝ −ωx X Ｈ                                                  [２]
ここで、Ｈは、それぞれのモーメンタムホイール１２５の角運動量ベクトルである。上記の式から分かるように、各モーメンタムホイール１２５によりビークル１００に作用するトルクは、ジンバルプラットフォーム１２６の角速度ωx、ωyの関数である。
【００１７】
図３Ｂ及び４も参照すると、一態様において、２つのモーメンタムホイールプラットフォーム１２１Ａ、１２１Ｂが、ビークル１００内に背中合わせで(back to back)配置されている。一態様において、背中合わせの配置として、例えば、互いに並置されていてもよいし、あるいはＺ軸などのビークル１００の共通軸に沿って一直線に位置合わせされていてもよい。一態様において、正味ゼロモーメンタムは、２つのモーメンタムホイールプラットフォーム１２１Ａ、１２１Ｂの角運動量ベクトルＨが、大きさが等しく互いに反対向きとなる場合であり、モーメンタムホイールの角度が公称ジンバル角θであるとすると、角運動量ベクトルＨはＺ軸に平行である。他の態様においては、正味ゼロモーメンタムを実現するために、２つよりも多い数のモーメンタムホイールプラットフォーム１２１Ａ〜１２１ｎがビークル１００内に配置される。これらのモーメンタムホイールプラットフォームは、複数のペアが構成され、かつ各ペアの２つのプラットフォームが互いに対抗するように配置される。すなわち、それぞれのペアは、ビークルのフレームに対して回転する任意の軸に沿うように配置されるが、各ペア毎のモーメンタムホイールプラットフォーム同士は、互いに位置合わせされる。速度が等しく且つ反対向きであるモーメンタムホイールプラットフォーム１２１Ａ〜１２１ｎ、例えば２つのモーメンタムホイールプラットフォーム１２１Ａ、１２１Ｂに関し、ビークル１００に作用するトルクＴx、Ｔｙは、以下の式で表される。
Ｔx ＝ ２*Ｈ*ωy                                                 [３］
Ｔy ＝ −２*Ｈ*ωx                                               [４］
ここで、正味モーメンタムベクトルは、以下の式で表される。
Ｈnet ＝ ２*Ｈ*sin(θ)                                           [５］
【００１８】
図４に示す構成（例えば２つのモーメンタムホイールプラットフォーム１２１Ａ、１２１Ｂが、ビークル１００内に背中合わせで配置されている）においては、２つのモーメンタムホイール１２１Ａ、１２１Ｂは、Ｘ軸及びＹ軸に沿う高トルクを発生させる。ただし、ビークル１００の運動量を変化させる、当該モーメンタムホイールプラットフォーム１２１Ａ〜１２１ｎの運動量能力は、モーメンタムホイールプラットフォーム１２１Ａ〜１２１ｎの空間的な姿勢変化によるものであり、ジンバルプラットフォーム１２６の角度変化量（例えば角度θ）により制限される。
【００１９】
図１及び図４を参照すると、第２姿勢制御モジュール１３０は、推進剤を用いない姿勢制御モジュールであって、リアクションホイールアセンブリ１３１を含んでいる。リアクションホイールアセンブリ１３１は、１つ又は複数のリアクションホイール１３２Ａ〜１３２ｍと、各リアクションホイール１３２Ａ〜１３２ｍの回転速度を計測するように構成された１つ又は複数のセンサ１３５とを含む。一態様において、リアクションホイールアセンブリ１３１は、４つのリアクションホイール１３２Ａ〜１３２Ｄを含んでいるが、他の態様においては、リアクションホイールアセンブリ１３１は、４つよりも多いか、或いは少ない数のリアクションホイールを含む。一態様において、リアクションホイール１３２Ａ〜１３２ｍの数は、モーメンタムホイール１２１Ａ〜１２１ｎの数とは異なる。他の態様において、複数のモーメンタムホイール１２１Ａ〜１２１ｎの組が用いられる場合には、リアクションホイール１３２Ａ〜１３２ｍの数は、モーメンタムホイール１２１Ａ〜１２１ｎの数と等しいこともある。この態様において、リアクションホイール１３２Ａ〜１３２Ｄは、ビークル１００内において、リアクションホイール１３２Ａ〜１３２Ｄの軸及びトルクベクトルＴ１〜Ｔ４が、リアクションホイールアセンブリ座標系ＲＷＣのＺ軸に向かって傾斜又は角度をなすように配向されている。一態様においては、この座標系ＲＷＣは、ビークル座標系ＶＣと一致している。リアクションホイールアセンブリ１３１によりＺ軸に沿って作用するトルクは、それぞれのリアクションホイール１３２Ａ〜１３２ＤがＺ軸に向かって傾斜する角度αに依存する。リアクションホイールアセンブリ座標系ＲＷＣ（及び、ビークル座標系ＶＣがリアクションホイールアセンブリ座標系ＲＷＣと一致している場合のビークル１００）のＸ軸及びＹ軸に沿うトルクは、リアクションホイールアセンブリにあまり影響がない。これは、リアクションホイールアセンブリ１３１によりビークル１００に作用するゲインがＸ軸及びＹ軸の両方で共有されるからである。一態様においては、デュアルアジリティ姿勢制御システム１１０が単一の軸を走査する場合、リアクションホイール座標系ＲＷＣのＺ軸は、ビークル１００の走査軸（例えば、Ｚ軸）と一致するように配向されている。また、リアクションホイール１３２Ａ〜１３２ｍの寸法及び数、並びに、これらの角度αは、例えば、ビークル１１０の俊敏性の要求に基づいて決定される。デュアルアジリティ姿勢制御システム１１０が複数の軸、例えば、２つの軸を走査する場合、リアクションホイールアセンブリ１３１のＸ軸及びＹ軸は、ビークル１００の走査軸に沿って配向されており、リアクションホイール１３２Ａ〜１３２ｍの寸法及び数、並びに、これらの角度αは、例えば、ビークル１１０の俊敏性の要求に基づいて決定される。
【００２０】
図１及び図２を再び参照すると、開示される実施形態の一態様によれば、第１姿勢制御モジュール１２０の寸法は、第１関心領域２００、第２関心領域２１０、…、第ｎ番目の関心領域（例えば、小さい角度視野内の点Ｐ１〜Ｐ３、Ｐ４〜６の間でビークルを移動させるための、大きな横方向の角加速度すなわち高い俊敏性が求められる領域）内において、ビークル１００が所定の加速度を実現するように決められる。一態様において、第２姿勢制御モジュール１３０の寸法は、中程度俊敏性領域内、すなわち、第１関心領域２００、第２関心領域２１０、…、第ｎ番目の関心領域それぞれの間の領域において、ビークル１００が所定の加速度を持つように決められており、これにより、関心領域２００、２１０の間でビークル１００を再配置及び再配向させるために、相対的に低下した俊敏性を以って、最大３軸において大きい角度でビークル１００を移動させることができる。上述したように、一態様において、リアクションホイールアセンブリ１３１は、ビークル１００内において、リアクションホイール座標系ＲＷＣのＺ軸が、ビークル座標系ＶＣ（又は、例えば、モーメンタムホイール１２５の回転軸）と一致するように配向されている。その際、リアクションホイールアセンブリ１３１は、関心領域２００、２１０の間でビークル１００を再配向するために当該ビークル１００に所定の俊敏性を付与しうる。また、リアクションホイールアセンブリ１３１の横方向の速度能力により、ジンバルプラットフォーム１２６が大きい角度で変位する必要性が低減される。一態様においては、本明細書で説明したように、ビークル１００は、第１姿勢制御モジュール１２０及び第２姿勢制御モジュール１３０を個々に操作することにより制御されるが、他の態様においては、ビークル１００は、第１姿勢制御モジュール１２０及び第２姿勢制御モジュール１３０を同時に操作することにより制御される。例えば、第２姿勢制御モジュール１３０は、概して、第１姿勢制御モジュール１２０よりも低い横加速能力を有するが、第２姿勢制御モジュール１３０の大きさは、典型的には、第１姿勢制御モジュール１２０により実現される横方向の加速に加えて、有効な横方向の加速を提供するのに十分なものである。一態様において、高い俊敏性を有する第１姿勢制御モジュールのジンバルプラットフォーム１２６は、高い加速度を実現する。しかしながら、一態様において最大移動率を達成することにおいては、第２姿勢制御モジュール１３０は、より優れた性能を提供する。一例として、加速度を制限してビークル１００を旋回又は移動するために、第１姿勢制御モジュール１２０は、単独、或いは、第２姿勢制御モジュール１３０と組み合わせて用いられるが、この場合には、最大移動率は達成されない。一態様において、第２姿勢制御モジュール１３０は、単独、或いは、第１姿勢制御モジュール１２０との組み合わせにより、２つのジンバルプラットフォーム軸に対する法線軸に沿って、中程度の俊敏性（加速度）を実現する。一態様において、上記法線軸用に寸法が決められた第２姿勢制御モジュール１３０は、角度α（図５を参照）が９０°でない限り、ジンバルプラットフォーム１２６の２つの軸、この例では、Ｘ軸及��Ｙ軸に沿う残余制御能力（residual control capability）を実現する。一態様において、第１姿勢制御モジュール１２０は、ジンバルプラットフォーム１２６の２つの軸に沿う俊敏性（例えば、加速度）能力を実現するが、その際、ジンバルプラットフォーム１２６の２つの軸における第２姿勢制御モジュール１３０の残余制御能力により、第１姿勢制御モジュール１２０に対する姿勢制御の要件が低減される。一態様において、第１姿勢制御モジュール１２０は、モーメンタムホイールプラットフォームを含み、モーメンタムホイール軸は、例えば、ビークルのＺ軸（又は、それ以外の軸）に沿って並んでいる。この態様において、第２姿勢制御モジュール１３０の寸法は、Ｚ軸、又は、例えば、モーメンタムホイールが並んでいる軸に沿って、ビークルに必要な俊敏性を与えられるように決定されている。
【００２１】
図１及び図４〜８を参照すると、制御モジュール１４０は、例えば、コントローラなどの命令７００、又は、遠隔地上制御（remote ground based control）により、第１姿勢制御モジュール１２０及び第２姿勢制御モジュール１３０の組み合わせを介して、ビークル１００を制御するように構成されている（図８のブロック８００）。制御モジュール１４０は、第１姿勢制御モジュール１２０及び第２姿勢制御モジュール１３０の動作を制御して、ビークル１００の３つの軸Ｘ、Ｙ、Ｚのうち少なくとも１つに沿ってビークル１００を回転又は配向させる。一態様において、制御モジュール１４０のプロセッサ１４１により、コントローラ１０１の命令７００から、命令ビークルトルクτｘｃｍｄ、τｙｃｍｄ、τｚｃｍｄが生成される（図８、ブロック８１０）。制御モジュール１４０は、個々のアクチュエータ（例えば、個々のリアクションホイール１３２Ａ〜１３２ｍ及びモーメンタムホイールプラットフォーム１２１Ａ〜１２１ｎ）に対する命令ビークルトルクτｘｃｍｄ、τｙｃｍｄ、τｚｃｍｄのトルク分配が階層的である階層的分配の法則／方式に従って、第１姿勢制御モジュール１２０及び第２姿勢制御モジュール１３０を制御する（図８、ブロック８２０）。例えば、制御モジュール１４０は、第１姿勢制御モジュール１２０と第２姿勢制御モジュール１３０との間で命令ビークルトルクτｘｃｍｄ、τｙｃｍｄ、τｚｃｍｄを時間と共に変化させて分配する。この時間と共に変化する分配は、アプリケーションに依存しており、例えば、一態様において、上述した角度が小さく俊敏性が高い領域では、第１姿勢制御モジュール１２０が優先される（例えば、第１姿勢制御モジュール１２０は、ビークル１００を最大所定速度に到達させるか、或いは、再配向するように当該ビークルを加速させるために、第２姿勢制御モジュール１３０よりもビークル加速度が高い）。一態様においては、リアクションホイールアセンブリ１３１に対してビークルトルクを副分配するために、制御モジュール１４０は、各リアクションホイールに対して、例えば、リアクションホイール命令τＲＷＡ１、τＲＷＡ２、…、τＲＷＡｎなどの、トルク成分τｘｃｍｄ、τｙｃｍｄ、τｚｃｍｄを含む命令ビークルトルクＴｃｍｄを分配する。一態様においては、制御モジュール１４０は、例えば、成分τｘＲＷＡ、τｙＲＷＡ、τｚＲＷＡを含む所定の正味リアクションホイール付与トルクＴＲＷＡを生成するための、一定の最小ユークリッドノルムＬ2分布（constant minimum Euclidean norm L2 distribution）、ゼロ空間操舵（例えば、ビークル１００に対して正味制御トルクが存在しない）、及び、最大値ノルムＬ∞モーメンタム包絡ファセット依存分布（maximum value norm L∞ momentum envelope facet dependent distribution）のうち１つ又は複数を用いて、命令ビークルトルクＴｃｍｄを分配する。例示的なリアクションホイールシステムは、２００９年８月にイリノイ州のシカゴで開催された国際会議AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference10-13においてMarkley et al.により発表された「Maximum Torque and Momentum Envelopes for Reaction Wheel Arrays」に記載されている。他の態様において、リアクションホイールアセンブリ１３１のビークルトルク副分配は、任意の所定態様で行われる。
【００２２】
一態様において、モーメンタムホイールアセンブリ１２９に対してビークルトルクを再分配するために、制御モジュール１４０は、命令ビークルトルクＴｃｍｄを、速度命令：
0006792965.tif 000002
に変換して、モーメンタムホイールプラットフォーム１２１Ａ〜１２１ｎの各組に分配する。例えば、２つのモーメンタムホイールプラットフォーム１２１Ａ、１２１Ｂが設けられている場合、制御モジュール１４０は、命令ビークルトルクＴｃｍｄを、２つ（例えば、各モーメンタムホイールプラットフォームに対して１つ）の２軸ジンバル角速度命令に変換して分配する。一態様において、図６を参照すると、命令ビークルトルクＴｃｍｄは、例えば、以下の式により規定される。
【数１】
0006792965.tif 000003
この式から、以下のように速度命令を求めることができる。
【数２】
0006792965.tif 000004
【００２３】
一態様においては、式[６]及び[７]において、各ジンバルプラットフォーム１２６の角度θ１は、等しく、互いに反対向きである。同様に、式[６]及び[７]において、各ジンバルプラットフォーム１２６の角度θ２は、等しく、互いに反対向きである。他の態様において、角度θ１及びθ２は、互いに異なっていてもよい。本明細書に記載されている式は、例示的なものであって、式[６]及び[７]のトルク／速度命令は、本発明の態様から逸脱することなく、同様の式を用いて同様のやり方で導き出すことができる。一態様において、各ジンバルプラットフォーム１２６は、２軸ジンバル角速度命令：
0006792965.tif 000005
を２軸ジンバルトルク命令に変換するコントローラ１２６Ｃを含み、これらのトルク命令は、次に、（成分τｘＭＷＡ、τｙＭＷＡ、τｚＭＷＡを含む）正味モーメンタムホイール付与トルクＴＭＷＡを生成するための、ジンバルプラットフォーム１２６のアクチュエータ３１５Ｘ、３１５Ｙ用の等価な力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４に変換される。
【００２４】
引き続き図１及び図４〜７を参照すると、正味リアクションホイール付与トルクＴＲＷＡ及び正味モーメンタムホイール付与トルクＴＭＷＡを合計することにより、成分τｘ、τｙ、τｚを含む付与ビークルトルクＴが生成される（図８、ブロック８３０）。このトルクＴをビークル１００に付与すると、ビークルの移動速度、及び、ビークルの姿勢変化が生じる。一態様において、モーメンタムホイールアセンブリ１２９は、ピラミッド型のリアクションホイールアセンブリ１３１に対してゼロモーメンタム操舵の増強を行う。例えば、モーメンタムホイールアセンブリ１２９の寸法は、一態様において、所定のビークル移動速度を実現するために、リアクションホイールアセンブリ１３１により行われる操舵を最大限に増強させるように決定される。これにより、自身で所定のビークル移動速度を実現するリアクションホイールアセンブリと比較すると、リアクションホイールアセンブリ１３１の寸法をより小さくすることができる。他の態様において、モーメンタムホイールアセンブリ１２９の寸法は、自身で所定のビークル移動速度を実現するリアクションホイールアセンブリと比較すると、所定のリアクションホイールアセンブリ１３１の構成（例えば、寸法、配置、及び／又はリアクションホイールの数）に対して最大限のビークル移動速度を実現するように決定される。他の態様において、コントローラ１０１及び制御モジュール１４０のうち１つ又は複数は、リアクションホイールアセンブリ１３１に蓄積された運動量が、モーメンタムホイールアセンブリ１２９により不飽和化される（例えば、吸収される）ように、第１姿勢制御モジュール１２０及び第２姿勢制御モジュール１３０を制御する。これにより、リアクションホイールが回転する角速度が最大速度であるか、或いは、最大速度に近づいたときに、当該リアクションホイールが回転する角速度を低減させることができる。一態様において、モーメンタムホイールアセンブリ１２９は、ビークルとの間で運動量を授受する運動量保存装置として用いることができる。他の態様において、運動量は、リアクションホイールアセンブリ１３１との間においても授受することができる。一態様において、ビークル１００は、ビークル移動速度及びビークル姿勢を感知及び推定するための１つ又は複数の姿勢センサ７１５を含む。一態様において、１つ又は複数の姿勢センサ７１５は、ビークル移動速度及びビークル姿勢を推定するためのプロセッサ７０１を含み、他の態様において、コントローラ１０１及び制御モジュール１４０のうち１つ又は複数は、ビークル移動速度及びビークル姿勢を推定するためのセンサから信号を受信する。コントローラ１０１及び制御モジュール１４０のうち１つ又は複数、例えば、制御モジュール１４０のプロセッサ１４１は、ビークル１００が所望の移動速度及び／又はビークル姿勢を達成するまで、例えば、制御ループにおいて、トルク命令を更に生成するためにセンサ信号、又は、推定されたビークル移動速度及びビークル姿勢を受信する。所望の移動速度を生成するため、及び／又は、所定の姿勢でビークル１００を位置決めするために、制御モジュール１４０は、一態様において、第１姿勢制御モジュール１２０及び第２姿勢制御モジュール１３０を組み合わせて制御する。他の態様において、制御モジュール１４０は、第１姿勢制御モジュール１２０及び第２姿勢制御モジュール１３０を個別に制御する。更に他の態様において、制御モジュール１４０は、第１姿勢制御モジュール１２０及び第２姿勢制御モジュール１３０を所定のシーケンスで制御する。
【００２５】
本明細書に記載する方法の工程を説明する開示および図面は、これらの工程が行われる順序を必ずしも決定するものではない。むしろ、１つの例示的な順序が示されてはいるが、これらの工程の順序は適宜変更可能であると理解されるべきである。したがって、工程のいくつかは、異なる順序で行ったり、同時に行ったりすることが可能である。さらに、本開示のいくつかの態様においては、本明細書に記載されている全ての工程を行う必要はない。
【００２６】
本開示の例は、図９に示す宇宙飛行体の製造及び保守方法９００並びに図１０に示す宇宙飛行体１００２に当てはめて説明することができる。生産開始前の工程として、例示的な方法９００は、宇宙飛行体１００２の仕様決定及び設計９０４と、材料調達９０６とを含む。生産中の工程としては、宇宙飛行体１００２の部品及び小組立品の製造９０８及びシステムインテグレーション９１０が行われる。その後、宇宙飛行体１００２は、認可及び納品９１２の工程を経て、使用９１２に入る。顧客による使用中は、宇宙飛行体１００２は、定例の整備及び保守９１６のスケジュールに組み込まれる（これは、改良、再構成、改修なども含みうる）。
【００２７】
例示的な方法９００の各工程は、システムインテグレーター、第三者、及び/又はオペレータ(例えば顧客)によって実行又は実施することができる。説明のために言及すると、システムインテグレーターは、宇宙飛行体メーカー及び主要システム下請業者をいくつ含んでいてもよいが、これに限定されない。第三者は、売主、下請業者、供給業者をいくつ含んでいてもよいが、これに限定されない。オペレーターは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス組織などであってもよい。
【００２８】
図１０に示すように、例示的な方法９００によって製造される宇宙飛行体１００２は、複数の高水準システムと内装１０２２とを備えた機体１０１８を含む。宇宙飛行体内に分散配置された高水準システムの例としては、推進系１０２４、電力系１０２６、油圧系１０２８、及び、環境系１０３０のうちの１つ又は複数が挙げられる。また、その他のシステムをいくつ含んでもよい。航空宇宙産業に用いた場合を例として示したが、本発明の原理は、例えば、海事産業などの他の産業に適用してもよい。
【００２９】
本明細書において図示又は説明したシステム及び方法は、製造及び保守方法９００の任意の１つ又は複数の段階において用いることができる。例えば、部品及び小組立製造工程９０８に対応する部品又は小組立品は、宇宙飛行体１００２の使用中に製造される部品又は小組立品と同様の方法で製造されてもよい。また、システム、方法、又は、これらを組み合わせた１つ又は複数の態様を、製造工程９０８及び９１０で用いることによって、例えば、宇宙飛行体１００２の組み立て速度を大幅に速めたりコストを削減したりすることができる。同様に、システム又は方法の実施形態、又は、それらの組み合わせの１つ又は複数の態様を、例えば、限定するものではないが、宇宙飛行体１００２の使用中、例えば、操作が行われている間や、整備及び保守９１６の間に用いてもよい。
【００３０】
更に、本開示は、以下の付記による例を含む。
【００３１】
付記１．二段ビークル姿勢制御システムは、以下を含む：ゼロモーメンタムのビークル姿勢制御を行うための少なくとも２つのモーメンタムホイールを有する第１姿勢制御モジュールであって、各モーメンタムホイールがビークルの３つの軸のうちの２つに沿って前記モーメンタムホイールを枢動させる限定移動２軸ジンバルを備えている、第１姿勢制御モジュールと；ピラミッド型に配置された複数のリアクションホイールを有する第２姿勢制御モジュールであって、前記少なくとも２つのモーメンタムホイールの制御軸と共通の少なくとも１つの制御軸に沿ってビークル姿勢制御を行うように構成された、第２姿勢制御モジュールと；前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールに接続されるコントローラであって、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールの動作を調整することにより、前記ビークルの３つの軸のうち少なくとも１つにおいて前記ビークルを回転させるように構成されている、コントローラ。
【００３２】
付記２．前記コントローラは、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールを組み合わせて動作させるように構成されている、付記１に記載の二段ビークル姿勢制御システム。
【００３３】
付記３．前記コントローラは、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールを個別に動作させるように構成されている、付記１に記載の二段ビークル姿勢制御システム。
【００３４】
付記４．前記コントローラは、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールを所定のシーケンスで動作させるように構成されている、付記１に記載の二段ビークル姿勢制御システム。
【００３５】
付記５．前記少なくとも２つのモーメンタムホイールは、前記ビークルの３つの軸のうち少なくとも２つに沿ってゼロモーメンタムのビークル姿勢制御を行うように設けられている、付記１に記載の二段ビークル姿勢制御システム。
【００３６】
付記６．前記限定移動２軸ジンバルは、少なくとも２つのアクチュエータと、モーメンタムホイールプラットフォームと、ベースと、を含み、前記モーメンタムホイールは、前記モーメンタムホイールプラットフォームに取り付けられており、前記少なくとも２つのアクチュエータは、前記モーメンタムホイールプラットフォームと前記ベースとの間の相対運動を行わせ、前記限定移動ジンバルの移動は、前記少なくとも２つのアクチュエータの移動量、及び、前記ベースの制限構造体のうち１つ又は複数により制限される、付記１に記載の二段ビークル姿勢制御システム。
【００３７】
付記７．前記少なくとも２つのアクチュエータの寸法は、前記限定移動２軸ジンバルの角速度ベクトルと、前記モーメンタムホイールの角運動量ベクトルとのクロス積に実質的に等しいトルクレベルを実現するように設定されている、付記６に記載の二段ビークル姿勢制御システム。
【００３８】
付記８．前記少なくとも２つのモーメンタムホイールの各々の角運動量ベクトルは、前記ビークルの共通軸に沿って配置されており、前記ピラミッド型の配置においては、前記リアクションホイールが、前記ビークルの前記共通軸に向かって傾斜するように配向されている、付記１に記載の二段ビークル姿勢制御システム。
【００３９】
付記９．前記少なくとも２つのモーメンタムホイールの前記制御軸と共通の前記少なくとも１つの制御軸は、前記ビークルの走査軸である、付記１に記載の二段ビークル姿勢制御システム。
【００４０】
付記１０．ビークルの姿勢を制御するための方法は、以下を含む：第１姿勢制御モジュール及び第２姿勢制御モジュールの動作を制御して、前記ビークルの３つの軸の少なくとも１つにおいて前記ビークルを回転させ、前記第１姿勢制御モジュールの動作を制御するに際しては、限定移動２軸ジンバルを用いて、前記ビークルの前記３つの軸のうち２つに沿って各モーメンタムホイールを枢動させる。前記第１姿勢制御モジュールは、第１レベルの俊敏性で、ゼロモーメンタムのビークル姿勢制御を行うモーメンタムホイールモジュールである。前記第２姿勢制御モジュールは、第２レベルの俊敏性で、前記モーメンタムホイールの制御軸と共通の少なくとも１つの制御軸に沿ってビークル姿勢制御を行うピラミッド型リアクションホイールモジュールである。前記第１レベルの俊敏性は、前記第２レベルの俊敏性よりも高い。
【００４１】
付記１１．前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールの動作は、前記ビークルを配向させるために必要な角加速度の所定値に応じて階層的に調整される、付記１０に記載の方法。
【００４２】
付記１２．前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールは組み合わせて制御される、付記１０に記載の方法。
【００４３】
付記１３．前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールは個別に制御される、付記１０に記載の方法。
【００４４】
付記１４．前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールは、所定のシーケンスで制御される、付記１０に記載の方法。
【００４５】
付記１５．前記モーメンタムホイールモジュールにおける各モーメンタムホイールの角運動量ベクトルは、前記ビークルの走査軸に沿って配置されており、前記ピラミッド型リアクションホイールモジュールの各リアクションホイールは、前記ビークルの前記走査軸へ向かって傾斜している、付記１０に記載の方法。
【００４６】
付記１６．前記第１姿勢制御モジュール及び第２姿勢制御モジュールの動作を制御することにより、第１角度視野内の複数の点の間で前記ビークルを移動させるための第１レベルの角加速度を生じさせるとともに、前記第１角度視野とは異なる第２角度視野へ前記ビークルを配向させるための第２レベルの角加速度を生じさせる構成において、前記第２レベルの角加速度は、前記第１レベルの角加速度よりも小さい、付記１０に記載の方法。
【００４７】
付記１７．前記第２レベルの角加速度により、最大３軸において前記ビークルが移動し、前記第１レベルの角加速度により、２軸において前記ビークルが移動する、付記１６に記載の方法。
【００４８】
付記１８．二段ビークル姿勢制御システムは、以下を含む：ゼロモーメンタムのビークル姿勢制御を行うための少なくとも２つのモーメンタムホイールを有する第１姿勢制御モジュールであって、各モーメンタムホイールがビークルの３つの軸のうちの２つに沿って前記モーメンタムホイールを枢動させる限定移動２軸ジンバルを備えている、第１姿勢制御モジュールと；前記少なくとも２つのモーメンタムホイールの制御軸と共通の少なくとも１つの制御軸に沿ってビークル姿勢制御を行うために、ピラミッド型に配置された複数のリアクションホイールを有する第２姿勢制御モジュールと；前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールに接続されているコントローラであって、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールの動作を調整することにより、前記ビークルの３つの軸のうちの少なくとも１つにおいて前記ビークルを回転させ、前記少なくとも２つのモーメンタムホイールが、前記リアクションホイールに対してゼロモーメンタム操舵の増強を行うように構成されている、コントローラ。
【００４９】
付記１９．前記コントローラは、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールを組み合わせて動作させるように構成されている、付記１８に記載の二段ビークル姿勢制御システム。
【００５０】
付記２０．前記コントローラは、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールを個別に動作させるように構成されている、付記１８に記載の二段ビークル姿勢制御システム。
【００５１】
付記２１．前記コントローラは、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールを所定のシーケンスで動作させるように構成されている、付記１８に記載の二段ビークル姿勢制御システム。
【００５２】
付記２２．前記限定移動２軸ジンバルは、少なくとも２つのアクチュエータと、モーメンタムホイールプラットフォームと、ベースと、を含み、前記モーメンタムホイールは、前記モーメンタムホイールプラットフォームに取り付けられており、前記少なくとも２つのアクチュエータは、前記モーメンタムホイールプラットフォームと前記ベースとの間の相対運動を行わせ、前記限定移動ジンバルの移動は、前記少なくとも２つのアクチュエータの移動量、及び、前記ベースの制限構造体のうち１つ又は複数により制限される、付記１８に記載の二段ビークル姿勢制御システム。
【００５３】
付記２３．前記少なくとも２つのアクチュエータの寸法は、前記限定移動２軸ジンバルの角速度ベクトルと、前記モーメンタムホイールの角運動量ベクトルとのクロス積に実質的に等しいトルクレベルを実現するように設定されている、付記２２に記載の二段ビークル姿勢制御システム。
【００５４】
付記２４．前記モーメンタムホイールの各々の角運動量ベクトルは、前記ビークルの走査軸に沿って配置されており、前記ピラミッド型の配置においては、前記リアクションホイールが、前記ビークルの前記走査軸に向かって傾斜するように配向されている、付記１８に記載の二段ビークル姿勢制御システム。
【００５５】
明細書に開示されたシステム及び方法の様々な例及び態様は、種々の部品、特徴、及び、機能を含む。なお、本明細書に開示されているシステム及び方法の様々な例及び態様は、本明細書に開示されているシステム及び方法の他の例及び他の態様における部品、特徴、および機能を、どのような組み合わせで含んでいてもよく、このような可能性の全ては、本開示の精神及び範囲に含まれるものとする。
【００５６】
本開示に関連する当業者が上述の記載及び関連図面の教示による利点を念頭におけば、本明細書に記載された開示について多くの変形及び他の態様が予測可能であろう。
【００５７】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、二段ビークル姿勢制御システムは、ゼロモーメンタムのビークル姿勢制御を行うための少なくとも２つのモーメンタムホイールを有する第１姿勢制御モジュールを含む。各モーメンタムホイールは、限定移動２軸ジンバルを備える。上記二段ビークル姿勢制御システムは、更に、前記少なくとも２つのモーメンタムホイールの制御軸と共通の少なくとも１つの制御軸に沿ってビークル姿勢制御を行うために、ピラミッド型に配置された複数のリアクションホイールを有する第２姿勢制御モジュールと、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールに接続されるとともに、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールの動作を調整して、ビークルの３つの軸のうち少なくとも１つにおいて前記ビークルを回転させるように構成されているコントローラと、を含む。
【００５８】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記コントローラは、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールを組み合わせて動作させる。
【００５９】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記コントローラは、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールを個別に動作させるように構成されている。
【００６０】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記コントローラは、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールを所定のシーケンスで動作させるように構成されている。
【００６１】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記少なくとも２つのモーメンタムホイールは、前記ビークルの３つの軸のうち少なくとも２つに沿ってゼロモーメンタムのビークル姿勢制御を行うために設けられている。
【００６２】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記限定移動２軸ジンバルは、少なくとも２つのアクチュエータと、モーメンタムホイールプラットフォームと、ベースと、を含み、前記モーメンタムホイールは、前記モーメンタムホイールプラットフォームに取り付けられており、前記少なくとも２つのアクチュエータは、前記モーメンタムホイールプラットフォームと前記ベースとの間の相対運動を行わせ、前記限定移動ジンバルの移動は、前記少なくとも２つのアクチュエータの移動量、及び、前記ベースの制限構造体のうち１つ又は複数により制限される。
【００６３】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記少なくとも２つのアクチュエータの寸法は、前記限定移動２軸ジンバルの角速度ベクトルと、前記モーメンタムホイールの角運動量ベクトルとのクロス積に実質的に等しいトルクレベルを実現するように決定される。
【００６４】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記少なくとも２つのモーメンタムホイールの各々の角運動量ベクトルは、前記ビークルの共通軸に沿って配置されており、前記ピラミッド型の配置においては、前記リアクションホイールが、前記ビークルの前記共通軸に向かって傾斜するように配向されている。
【００６５】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記少なくとも２つのモーメンタムホイールの前記制御軸と共通の前記少なくとも１つの制御軸は、前記ビークルの走査軸である。
【００６６】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、ビークルの姿勢を制御するための方法においては、第１姿勢制御モジュール及び第２姿勢制御モジュールの動作を制御して、前記ビークルの３つの軸の少なくとも１つにおいて前記ビークルを回転させる。前記第１姿勢制御モジュールの動作を制御するに際しては、限定移動２軸ジンバルを用いて、前記ビークルの前記３つの軸のうち２つに沿って各モーメンタムホイールを枢動させる。前記第１姿勢制御モジュールは、第１レベルの俊敏性で、ゼロモーメンタムのビークル姿勢制御を行うモーメンタムホイールモジュールである。前記第２姿勢制御モジュールは、第２レベルの俊敏性で、前記モーメンタムホイールの制御軸と共通の少なくとも１つの制御軸に沿ってビークル姿勢制御を行うピラミッド型リアクションホイールモジュールである。前記第１レベルの俊敏性は、前記第２レベルの俊敏性よりも高い。
【００６７】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールの動作は、前記ビークルを配向させるために必要な角加速度の所定値に応じて階層的に調整される。
【００６８】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールは組み合わせて制御される。
【００６９】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールは個別に制御される。
【００７０】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールは、所定のシーケンスで制御される。
【００７１】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記第１姿勢制御モジュールの動作を制御するに際しては、限定移動２軸ジンバルを用いて、前記ビークルの前記３つの軸のうち２つに沿って各モーメンタムホイールを枢動させる。
【００７２】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記モーメンタムホイールモジュールにおける各モーメンタムホイールの角運動量ベクトルは、前記ビークルの走査軸に沿って配置されており、前記ピラミッド型リアクションホイールモジュールの各リアクションホイールは、前記ビークルの前記走査へ向かって傾斜している。
【００７３】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記第１姿勢制御モジュール及び第２姿勢制御モジュールの動作を制御することにより、第１角度視野内の点の間で前記ビークルを移動させるための第１レベルの角加速度が発生するとともに、前記第１角度視野とは異なる第２角度視野へ前記ビークルを配向させるための第２レベルの角加速度が発生し、前記第２レベルの角加速度は、前記第１レベルの角加速度よりも低い。
【００７４】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記第２レベルの角加速度により、最大３軸において前記ビークルが移動し、前記第１レベルの角加速度により、２軸において前記ビークルが移動する。
【００７５】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、二段ビークル姿勢制御システムは、ゼロモーメンタムのビークル姿勢制御を行うために設けられた少なくとも２つのモーメンタムホイールを有する第１姿勢制御モジュールを含む。各モーメンタムホイールは、ビークルの３つの軸のうち２つに沿って前記モーメンタムホイールを枢動する限定移動２軸ジンバルを備える。上記二段ビークル姿勢制御システムは、更に、前記少なくとも２つのモーメンタムホイールの制御軸と共通の少なくとも１つの制御軸に沿ってビークル姿勢制御を行うために、ピラミッド型に配置された複数のリアクションホイールを有する第２姿勢制御モジュールと、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールに接続されているコントローラと、を含み、前記コントローラは、前記少なくとも２つのモーメンタムホイールが、前記リアクションホイールに対してゼロモーメンタム操舵の増強を行うように、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールの動作を調整して、前記ビークルの３つの軸のうち少なくとも１つにおいて前記ビークルを回転させるように構成されている。
【００７６】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記コントローラは、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールを組み合わせて動作させる。
【００７７】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記コントローラは、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールを個別に動作させるように構成されている。
【００７８】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記コントローラは、前記第１姿勢制御モジュール及び前記第２姿勢制御モジュールを所定のシーケンスで動作させるように構成されている。
【００７９】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記限定移動２軸ジンバルは、少なくとも２つのアクチュエータと、モーメンタムホイールプラットフォームと、ベースと、を含み、前記モーメンタムホイールは、前記モーメンタムホイールプラットフォームに取り付けられており、前記少なくとも２つのアクチュエータは、前記モーメンタムホイールプラットフォームと前記ベースとの間の相対運動を行わせ、前記限定移動ジンバルの移動は、前記少なくとも２つのアクチュエータにより生じる移動量、及び、前記ベースの制限構造体のうち１つ又は複数により制限される。
【００８０】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記少なくとも２つのアクチュエータの寸法は、前記限定移動２軸ジンバルの角速度ベクトルと、前記モーメンタムホイールの角運動量ベクトルとのクロス積に実質的に等しいトルクレベルを実現するように決定される。
【００８１】
本開示の１つ又は複数の態様によれば、前記モーメンタムホイールの各々の角運動量ベクトルは、前記ビークルの走査軸に沿って配置されており、前記ピラミッド型の配置においては、前記リアクションホイールが、前記ビークルの前記走査軸に向かって傾斜するように配向されている。
【００８２】
したがって、本開示は、開示される特定の実施形態に限定されるべきではなく、その変形及び他の実施形態も、添付の請求の範囲に含まれると理解されたい。さらに、上述の説明及び関連図面は、特定の要素及び/又は機能の例示的組み合わせに関する例示的実施形態を記載しているが、添付する請求の範囲から逸脱することなく、異なる要素及び/又は機能の組み合わせを用いることが可能であることを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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