(57)【要約】【課題】従来の技術を人工衛星に適用する場合、目標位置への誘導は人工衛星の軌道高度変更などの軌道制御により実施する必要があり、相対位置関係だけでは誘導制御方法が決定できないという課題があった。また３機以上の空間航行体で編隊飛行する場合にはそれぞれの相対位置を個別に実施すると、誘導制御が複雑になるという課題があった。【解決手段】この発明は位置計測手段とデータ送信手段を具備するマスター衛星と、位置計測手段と上記マスター衛星の送信するデータを受信する受信手段と軌道制御する手段を具備するスレーブ衛星により構成し、マスター衛星が自機とスレーブ衛星の目標位置を計算する手段を具備し、マスター衛星が与える目標位置座標に追従するようスレーブ衛星の軌道制御をするものである。【選択図】        図１
2004210032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスター衛星と１機ないし複数機のスレーブ衛星により構成される編隊飛行衛星であって、上記マスター衛星が自機の位置計測手段と、自機及びスレーブ衛星の飛翔目標位置を計算する計算手段と、計算結果を含むデータを伝送する送信手段を具備し、かつ上記スレーブ衛星が自機の位置計測手段と上記マスター衛星の送信するデータを受信する受信手段と軌道制御手段を具備しており、マスター衛星の具備する計算手段が与える飛翔目標位置座標に追従するよう軌道制御手段によりスレーブ衛星を軌道制御することを特徴とする編隊飛行衛星。
【請求項２】
マスター衛星と１機ないし複数機のスレーブ衛星により構成される編隊飛行衛星であって、上記マスター衛星が自機の位置計測手段と、自機とスレーブ衛星の飛翔目標位置及び飛翔目標位置に追随するための自機とスレーブ衛星それぞれの軌道制御手段の実行方法を計算する計算手段と、計算結果を含むデータを伝送する送信手段と、スレーブ衛星から送信される位置情報を含むデータを受信する受信手段を具備し、かつ上記スレーブ衛星が自機の位置計測手段と、上記マスター衛星の送信するデータを受信する受信手段と、自機の位置座標を含むデータを送信する送信手段と、軌道制御手段を具備しており、マスター衛星の具備する計算手段が与える軌道制御手段の実行方法によりスレーブ衛星を軌道制御することを特徴とする編隊飛行衛星。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は例えば太陽発電衛星群のように複数の衛星により形成される幾何学的形状が地上から見て理想的な状態を維持するように飛行する編隊飛行衛星に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
空間航行体を編隊飛行するための従来の技術として、航空機を自動的に編隊飛行させるために該航空機に搭載される飛行制御装置であって、他機（編隊を組む相手である他の航空機）と自機との相対位置を計測し、相対位置データを生成する相対位置測定手段と、該相対位置データに基づき該自機を誘導して自動操縦し、該相対位置を所定の範囲に制御する誘導制御装置とを有することを特徴とする編隊飛行制御装置などが知られていた（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１３９３９６号公報（第2図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術を人工衛星に適用する場合、目標位置への誘導は人工衛星の軌道高度変更などの軌道制御により実施する必要があり、相対位置関係だけでは誘導制御方法が決定できないという課題があった。また３機以上の空間航行体で編隊飛行する場合にはそれぞれの相対位置を個別に実施すると、誘導制御が複雑になるという課題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は位置計測手段とデータ送信手段を具備するマスター衛星と、位置計測手段と上記マスター衛星の送信するデータを受信する受信手段と軌道制御する手段を具備するスレーブ衛星により構成し、マスター衛星が自機とスレーブ衛星の目標位置を計算する手段を具備し、マスター衛星が与える目標位置座標に追従するようスレーブ衛星の軌道制御をするものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示す図であり、図においてマスター衛星１は自機の位置を計測するＧＰＳ測位装置などの位置計測手段３と、自機及びスレーブ機２の飛翔目標位置を計算する計算手段４と、計算結果を含むデータを伝送する送信手段５を具備しており、一方スレーブ衛星２は自機の位置計測手段３と上記マスター衛星１の送信するデータを受信する受信手段６と、自機の軌道を変更するスラスタやイオンエンジンなどの軌道制御手段７を具備しており、スレーブ衛星２はマスター衛星１の具備する計算手段４が与える飛翔目標位置座標に追従するよう軌道制御手段７により軌道制御するものである。
【０００７】
図２は地球から見てこの発明による編隊飛行衛星が形成する幾何学形状を示す図であり、図２において１，２，３は図１と同様であり、スレーブ衛星２が第１のスレーブ衛星２ａから第４のスレーブ衛星２ｄまでの４機で構成される例である。また８は衛星の位置を代表する点、１２は各衛星の位置を代表する点８同士を結び付けた幾何学形状である。
【０００８】
図２においては幾何学形状がアルファベットの「F」を構成する例を示している。太陽発電衛星のように集光機能やエネルギー伝送機能などの個別の役割を果たす複数衛星の集合体が編隊衛星群として特定の幾何学形状を維持することにより大エネルギーを地上伝送するといった単一の機能を果たす場合には、図２における「F」形状のような衛星同士の相対位置を維持しながら飛翔する必要がある。
【０００９】
次に図３を用いて複数衛星相互の速度ベクトルを制御する方法を説明する。図においてマスター衛星１、第１のスレーブ衛星２ａ、及び第２のスレーブ衛星２ｂは地球９の回りを軌道１０の如く半時計回りに周回しており、マスター衛星１を基準としてスレーブ衛星２ａの相対速度ベクトル１１ａは軌道高度１０ｂがマスター衛星１の軌道高度１０ｂよりも低いため進行方向に対して速度が大きくなり、逆にスレーブ衛星２ｂの相対速度ベクトル１１ｂは軌道高度１０ｃがマスター衛星１の軌道高度１０ｂよりも高いため進行方向に対して速度が小さくなる方向となる。  従って地球から見た幾何学形状を１定に維持するためには、第１のスレーブ衛星２ａでは軌道高度を高くするようスラスタなど軌道制御手段を働かせればよく、第２のスレーブ衛星２ｂでは軌道高度を低くするようスラスタなど軌道制御手段を働かせればよい。
【００１０】
この際もしも従来航空機などで知られている方法で第１のスレーブ衛星２ａの軌道制御を行うと、速度ベクトル１１ａの反対方向に加速度を与えるように軌道制御手段を働かせることになるが、その結果衛星は失速し、軌道高度１０ｂが更に低下するため所望の相対位置や速度で衛星を軌道制御することが困難になる。このようにこの発明は従来の技術だけでは実現しえなかった新しい課題として、人工衛星による編隊飛行を可能とすることを目的としている。
【００１１】
次に位置計測手段及び飛翔目標位置を与える方法について図４を用いて説明する。米国の構築したＧＰＳ測位システムは、地球中心を原点（０，０，０）とし、地球自転と共に回転するＷＧＳ８４と呼ばれる地球固定座標系１４を採用している。マスター衛星１の位置座標を地球固定座標系１４の位置座標(ｘ１,ｙ１、ｚ１)１３ａとし、スレーブ衛星２の位置座標を地球固定座標系１４の位置座標(ｘ２,ｙ２、ｚ２)１３ｂとすれば、地球上の任意の地点から見た編隊飛行衛星の形成する幾何学形状は位置座標１３ａと位置座標１３ｂの相対関係を維持管理することにより所望の形状を維持可能となる。
【００１２】
例えば赤道上空を地球自転と同速度で飛翔する静止衛星の場合、位置座標１３ａ、位置座標１３ｂ、及び座標原点（０，０，０）で形成される３角形形状が維持されるように軌道制御すれば、地表の任意の地点から見た幾何学形状が一定に維持できる。
【００１３】
マスター衛星１は地球固定座標系１４における自機の飛翔位置に対して、スレーブ衛星２をどの位置に配備すれば、地球からみた幾何学形状を所望の状態に形成できるかを計算する手段を具備しているので、スレーブ衛星２の目標飛翔位置を自機との相対位置として計算する。宇宙空間では大気抵抗による軌道外乱要因がないため、航空機に比較して軌道予測が容易かつ精度が高いため、マスター衛星１が任意の時刻における自機の飛翔位置を予測すると共に、スレーブ衛星２の同時刻における目標飛翔位置を計算しても、十分な精度で軌道制御によりこれに追随させることが可能となる。
【００１４】
このようにこの発明では宇宙空間という特殊な条件で飛翔する人工衛星に編隊飛行技術を適用することにより、従来の技術では採用しえなかったスレーブ衛星２の目標飛翔位置設定方法を実現するという特徴を持つ。
【００１５】
次に複数のスレーブ衛星を伴う編隊飛行衛星について図２を用いて説明する。図２の如く２機以上のスレーブ衛星を伴い編隊飛行する場合に、もしも従来技術による編隊飛行方法を適用すると、マスター衛星１は第２のスレーブ衛星２ａから第４のスレーブ衛星２dまでのそれぞれの衛星との相対位置関係を維持すると同時に更に第２のスレーブ衛星２ａは第３のスレーブ衛星２ｃと第４のスレーブ衛星２dとも相対位置関係を維持する必要があり、相互の位置制御が非常に複雑になるという課題が発生する。これに対してこの発明による編隊飛行衛星では全ての衛星の特定時刻における目標飛翔位置をマスター衛星１が計算して各スレーブ衛星２に送信するので、制御が簡略かつ安全である。
【００１６】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２を示す図であり、図においてマスター衛星１は自機の位置を計測するＧＰＳ測位装置などの位置計測手段３と、自機及びスレーブ機２の飛翔目標位置を計算する計算手段４と、計算結果を含むデータを伝送する送信手段５と、スレーブ衛星２から送信される位置情報を含むデータを受信する受信手段６を具備しており、一方スレーブ衛星２は自機の位置計測手段３と自機の位置座標を含むデータを送信する送信手段５と、上記マスター衛星１の送信するデータを受信する受信手段６と、自機の軌道を変更するスラスタやイオンエンジンなどの軌道制御手段７を具備しており、かつマスター衛星１が具備する計算手段４として、自機とスレーブ衛星２の現在飛翔位置と飛翔目標位置及び飛翔目標位置に追随するための自機とスレーブ衛星それぞれの軌道制御手段７の実行方法を計算する計算手段を具備し、計算手段４が与える軌道制御手段７の実行方法によりスレーブ衛星２を軌道制御するものである。
【００１７】
次に図３を用いて自機とスレーブ衛星それぞれの軌道制御手段７の実行方法を計算する計算手段について説明する。マスター衛星１の地球固定座標系における位置座標を（ｘ1、ｙ1、ｚ1）、スレーブ衛星２aの位置座標を（ｘ2、ｙ2、ｚ2）として、スレーブ衛星２ａがマスター衛星１との相対距離Ｌ1を維持して目標位置を設定して飛翔している場合の例を示すと、
(ｘ1−ｘ2)2＋(ｙ1−ｙ2)2＋(ｚ1−ｚ2)2＞Ｌ１2
の場合はスレーブ衛星2ａがマスター衛星１に近づくように軌道制御する必要がある。ここでマスター衛星1の地心からの軌道高度Ｈ1とスレーブ衛星2ａの地心からの軌道高度Ｈ2はそれぞれ
ｘ12＋ｙ12＋ｚ12＝Ｈ12
ｘ22＋ｙ22＋ｚ22＝Ｈ22
なる関係を満足するので、半時計回りに飛翔している図３の例において相対距離を近づけるためには、進行方向に対してスレーブ衛星2ａの相対速度を減速する必要がある。このためには
Ｈ1＜Ｈ2
を満足すればよいので、
ｘ12＋ｙ12＋ｚ12＜ｘ22＋ｙ22＋ｚ22
の条件を満足するようにスレーブ衛星2ａの目標位置座標を計算し、これを実現する具体的方法として、スレーブ衛星2ａの具備する制御手段であるスラスタを地心方向に向かって噴射する司令を与えることで実現する。
【００１８】
マスター衛星１は上述の如く各スレーブ衛星２が送信する地球固定座標系における飛翔位置情報を受信することにより各衛星の軌道高度を計算可能であり、更に宇宙空間では実施の形態１で説明した如く軌道推定精度が高いので、スレーブ衛星２の軌道制御方法をマスター衛星１側で設定しても精度のよい制御が可能である。
【００１９】
マスター衛星とスレーブ衛星の相対位置ないし相対速度の制御は実施の形態１において図３を用いて説明した如く、相互の軌道高度に依存して設定する必要があるため、マスター衛星１が一括して自機及びスレーブ衛星の軌道制御手段の動作方法を決めた方が編隊飛行衛星全体の制御が容易になる。
【００２０】
なお実施の形態１においてもスレーブ衛星２の位置情報を送信する手段を具備し、マスター衛星１が受信する手段を具備してスレーブ衛星位置情報をフィードバック制御して軌道制御を実施可能であることは言うまでもない。またマスター衛星１の具備する計算手段の実行内容を地上設備が代行し、地上からのコマンド処理によりスレーブ衛星を軌道制御しても同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、複数の衛星により形成される幾何学的形状が地上から見て理想的な状態を維持するように編隊飛行可能になるという効果がある。また宇宙空間では大気抵抗の影響を無視できるので、航空機に比較して軌道予測が簡便かつ高精度であるため、マスター衛星が一括してスレーブ衛星を含む目標位置ないしその誘導制御方法を計算可能であり、容易に編隊飛行可能となるという効果がある。更に３機以上の衛星で構成する編隊飛行を簡便に誘導制御できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による編隊飛行衛星を示す図でるあ。
【図２】この発明の実施の形態１が形成する幾何学形状を示す図である。
【図３】編隊飛行衛星する衛星同士の相対速度ベクトルを示す図である。
【図４】位置計測手段及び飛翔目標位置を与える方法を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２を示す図でるあ。
【符号の説明】
１  マスター衛星、  ２  スレーブ衛星、  ３  位置計測手段、  ４  計算手段、  ５  送信手段、  ６  受信手段、  ７  軌道制御手段、  ８  衛星の位置を代表する点、  ９  地球、  １０  衛星の軌道、  １１  マスター衛星に対するスレーブ衛星の相対速度ベクトル、  １２  地球から見た編隊衛星の形成する幾何学形状、  １３  衛星飛翔位置座標、  １４  地球固定座標系。
【図１】
2004210032.tif 000003
【図２】
2004210032.tif 000004
【図３】
2004210032.tif 000005
【図４】
2004210032.tif 000006
【図５】
2004210032.tif 000007