(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
衛星本体と、
衛星本体に取り付けられた太陽電池パドルと、
太陽電池パドルを一軸回転させるための駆動装置と、
衛星本体に対する太陽電池パドルの回転角指令値を生成し、衛星本体に対する太陽電池パドルの回転角を算出し、当該回転角指令値に回転角が追従するように駆動装置を制御する制御部と、
を備え、
上記制御部は、太陽電池パドルによる電力の供給が不要となる場合は、太陽電池パドルの受ける大気抵抗を軽減する回転角へ制御し、
太陽電池パドルによる電力の供給が必要となる場合は、軌道半周回未満の充電で衛星全体の電力収支が成立するか否かを判定し、衛星全体の電力収支が成立する場合は必要な充電時間の間、太陽電池パドルの受光面が太陽と正対するように大気抵抗を軽減する回転角から太陽電池パドルを逆回転させる、または衛星全体の電力収支が成立しない場合は太陽電池パドルを順回転させる、
太陽電池パドル制御装置。
【請求項２】
上記制御部は、衛星の軌道位置を決定するためのＧＰＳ受信機と、衛星時刻情報から慣性系に対する太陽方向を算出する計算機と、慣性系に対する姿勢角を検出する恒星センサに基づいて、衛星座標系に対する太陽方向を算出し、算出した太陽方向と太陽電池パドルの受光面の法線とのなす角から太陽電池パドルを逆回転させる回転角を算出する請求項１記載の太陽電池パドル制御装置。
【請求項３】
上記制御部は、特定の軌道位置を基準に、次の軌道１周回当たりの衛星イベントの消費電力を算出し、算出した消費電力に基づき次の軌道１周回のバッテリ蓄放電収支を満足するために必要な充電期間を算出し、
当該充電期間に、太陽電池パドルの受光面を太陽と正対するように太陽電池パドルを回転し、
当該充電期間以外において、太陽電池パドルが受ける大気抵抗を最小化するように回転角を保持するように回転角指令値を設定する請求項１記載の人工衛星。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、人工衛星における太陽電池パドルの回転を制御する太陽電池パドル制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星に搭載された太陽電池パドルは、太陽光のエネルギを電気エネルギに変換して、衛星システムに電力を供給する。太陽電池パドルは、複数の太陽電池セルを取り付けた構体パネルと、構体パネルを一軸駆動回転可能に衛星本体に取付ける駆動機構から構成される。
【０００３】
地球を観測する人工衛星は、光学観測機器やアンテナ等の観測センサを常に地球に向けておく必要がある。一方、太陽電池パドルは電力を発生するため太陽の方向を向けておく必要があり、駆動機構は太陽電池パドルを所定の回転軸回りに回転する。これにより太陽電池パドルは、受光面が太陽に正対するよう指向し、所要電力を確保することができる。通常の人工衛星は、地球の日照日陰領域に関わらずパドルを一定回転させ、太陽を常に追尾している。
【０００４】
また、太陽電池パドルは、宇宙環境下における放射線および太陽電池セル面に付着するコンタミネーションにより、人工衛星のミッション期間を通じてその電力発生能力に経年劣化を生じる。このため太陽電池パドルの経年劣化を考慮して、ミッション末期の最小発生電力が人工衛星の最大消費電力以上となるように設計されている。
【０００５】
このような人工衛星は、ミッション初期には太陽電池セルの劣化度合いが小さく、また日照中常に太陽電池パドルが太陽を指向している。このため太陽電池パドルの発生電力に余剰電力が発生している。以上のことから従来の人工衛星は、余剰電力を散逸させるためシャント機構と、発生電力および消費電力の収支を管理する電力制御器が設けられている。
【０００６】
上記に関連して特許文献１においては、シャント電流を検出し太陽電池パドルのパドル回転角を必要に応じて太陽を正対する角度から逸らすことで、パドル発生電力を抑制制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６０−１９１９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の人工衛星は、太陽電池パドルと太陽が正対するようにパドルを追尾制御しているため常に発生可能な最大となる電力が生じる。またミッション末期の最小発生電力が人工衛星の最大消費電力以上となるように設計されている。このことから、結果として多くの余剰電力が発生し、シャント機構によりその電力が失われている。
【０００９】
また人工衛星は、宇宙環境下に僅かに存在する大気の抵抗を受けるため、人工衛星の軌道高度が低下する。大気抵抗は人工衛星の進行方向に射影した面積に比例し、太陽電池パドルが人工衛星全体に占める射影面積は大きい。それに伴い太陽電池パドルが大気抵抗を受ける割合も大きいため、大型の太陽電池パドルを搭載した人工衛星は軌道高度低下の影響が大きく、軌道高度を保持するために多くの推進薬を搭載する必要がある。このため人工衛星の重量増加の一因となる問題がある。
【００１０】
この発明は係る課題を解決するために成されたものであって、太陽電池パドルによる人工衛星の運用に必要な発生電力を損なうことなく、太陽電池パドルが受ける大気抵抗の影響を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明による太陽電池パドル制御装置は、衛星本体と、衛星本体に取り付けられた太陽電池パドルと、太陽電池パドルを一軸回転させるための駆動装置と、衛星本体に対する太陽電池パドルの回転角指令値を生成し、衛星本体に対する太陽電池パドルの回転角を算出し、当該回転角指令値に回転角が追従するように駆動装置を制御する制御部と、を備え、上記制御部は、太陽電池パドルによる電力の供給が不要となる場合は、太陽電池パドルの受ける大気抵抗を軽減する回転角へ制御し、さらに軌道半周回未満の充電で衛星全体の電力収支が成立するか否かを判定し、衛星全体の電力収支が成立する場合は必要な充電時間の間、太陽電池パドルの受光面が太陽と正対するように大気抵抗を軽減する回転角から太陽電池パドルを逆回転させる、または衛星全体の電力収支が成立しない場合は太陽電池パドルを順回転させるものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明による太陽電池パドル制御装置は、大気抵抗が低減するように太陽電池パドルの回転角を制御することにより、搭載推薬を軽減することができるとともに、人工衛星全体の質量を軽減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１による人工衛星の構成を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１による従来の人工衛星のパドル制御の運用形態を示す図である。
【図３】実施の形態１による大気抵抗を低減する太陽電池パドル制御装置の構成図である。
【図４】実施の形態１による大気抵抗を低減するための太陽電池パドルの制御装置の処理フローを示す図である。
【図５】実施の形態１による順回転の場合のパドル制御の運用形態を示す図である。
【図６】実施の形態１による逆回転の場合のパドル制御の運用形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１による人工衛星の構成を示す斜視図である。図において、人工衛星は、衛星本体１と、観測センサおよび通信アンテナ２と、太陽電池パドル３と、パドル駆動装置４と、シャント５を備えて構成される。観測センサおよび通信アンテナ２は、別体の観測センサと通信アンテナがそれぞれ衛星本体１に固定されて取り付けられている。また、人工衛星は進行方向７に向かって移動する。
【００１５】
太陽電池パドル３は、一軸周りに自在に回転するように、パドル駆動装置４を介して衛星本体１に支持されている。パドル駆動装置４は衛星本体１の内部に収納されている。また、太陽電池パドル３の片方の面は、電力を発生させる太陽電池セルが取り付けられている。太陽電池パドル３のパドル駆動装置４は、例えば回転軸が進行方向に対してキャントしたものであっても良い。また、衛星本体１に対して太陽電池パドルは片翼（１枚）でも両翼（２枚）でも良い。
【００１６】
ここで、理解を促進するために、比較例として従来の人工衛星のパドル制御を説明する。図２は、比較例として示す従来の人工衛星のパドル制御の運用形態を例示する図である。図２において、人工衛星は衛星本体１に取り付けた観測センサ２を地球１００に向けている。人工衛星は、地球１００を中心として衛星軌道面６を通る周回軌道に沿って、地球１００を周回する。図２の例では、人工衛星は進行方向７に向かって移動する。また、太陽１０１に対して地球１００の反対側にある軌道位置をＡ点と定義し、それを基準に進行方向７に向かって位相が９０°進むごとにＢ点、Ｃ点、Ｄ点とする。
【００１７】
また、人工衛星がＤ点に位置するとき、太陽電池パドル３の受光面が太陽と正対するパドル回転角を０°と定義する。太陽電池パドル３の受光面が太陽と常に正対するようにパドルを回転させる向きを順回転とし、その反対を逆回転とする。
【００１８】
従来のパドル制御は、太陽電池パドルの受光面が太陽と常に正対するようにパドル制御が行われており、クロック・レートと呼ばれる軌道周回角速度にほぼ一致する角速度で太陽電池パドルが順回転するよう太陽追尾制御される。地球の日照日陰領域に関わらずパドルを回転させ、太陽を常に追尾している。
【００１９】
上記に加えて、従来のパドル制御には、一定の太陽電池パドルの回転角を保持するホールド制御、パドル駆動機構の出力可能な最大回転レートで太陽電池パドルを回転させるスルー制御が存在する。
【００２０】
従来のパドル制御において、太陽電池パドルが受ける大気抵抗に着目すると、人工衛星の進行方向に対して射影した面積に比例し、軌道位置Ｄ点とＢ点でパドル角０°と１８０°となり、太陽電池パドルが受ける大気抵抗が最大となる。一方、軌道位置Ａ点とＣ点ではパドル角９０°と２７０°となり、太陽電池パドルの進行方向に対して射影した面積が最小となり、大気抵抗も最小となる。
【００２１】
次に、実施の形態１による大気抵抗を低減した太陽電池パドル３の制御系の構成および動作について説明する。図３は、太陽電池パドル３の回転を制御する実施の形態１による太陽電池パドル制御装置の構成を示す図である。実施の形態１による太陽電池パドル制御装置は、計算機（制御部）１０と、パドル駆動回路１１から構成される。計算機１０は、ＧＰＳ受信機１５と、恒星センサ１６と、太陽モデル１７と、電力制御器１２に接続される。ＧＰＳ受信機１５と恒星センサ１６と電力制御器１２は、衛星本体１に取りつけられている。パドル駆動回路１１はパドル駆動装置４の内部に設けられている。
【００２２】
計算機１０は、衛星本体１に搭載される各衛星機器から衛星イベント情報１８を受ける。パドル駆動回路１１は、太陽電池パドル３を回転させる。太陽電池パドル３は太陽電池セルで発生した電力を、シャント４を通過して衛星本体１に供給し、シャント４は余剰電力を散逸させる。電力制御器１２は、人工衛星に搭載された各衛星機器における衛星負荷１３と、バッテリ１４に電力を供給する。シャント４は電力制御器１２に接続される。衛星イベント情報１８は、衛星に搭載される観測センサ２によるミッション観測イベント、ミッション観測データの伝送通信処理イベント、衛星本体１の姿勢マヌーバ等の各種イベントの発生情報を示している。
【００２３】
図３において、ＧＰＳ受信機１５はＧＰＳ信号を観測して人工衛星の軌道位置を計測し、恒星センサ１６は衛星の姿勢角を計測し、太陽モデル１７は衛星時刻より太陽方向を算出し、それら各種情報を計算機１０に出力する。また、計算機１０から出力された太陽電池パドル３のパドル角度指示値は、パドル駆動回路１１に出力される。
【００２４】
パドル駆動回路１１は、計算機１０からのパドル角度指示値に基づいて、太陽電池パドル３が所定の回転角になるように制御する。太陽電池パドル３の太陽電池セルに太陽光が照射されると電力Ｐｓが発生し、発生した電力Ｐｓはシャント４から電力制御器１２に供給される。電力制御器１２は、シャント４を経由した電力Ｐａを、計算機１０、衛星本体１の衛星負荷１３およびバッテリ１４に供給する。電力制御器１２は、衛星負荷１３の負荷状態とバッテリ１４の充放電状態を管理する。電力制御器１２は、衛星負荷１３により消費している電力Ｐｌとバッテリ１４の充放電状況（満充電から現在の充電電力を差し引いた電力）と太陽電池パドル３で発生した電力をモニタする。電力制御器１２は、バッテリ１４の充放電状況に基づいてバッテリ１４の充電に必要な電力を求め、太陽電池パドル３で発生した電力Ｐｓから衛星負荷１３の電力Ｐｌとバッテリ１４の充電に必要な電力Ｐｂを引いた人工衛星の余剰電力（Ｐｓ−Ｐｌ−Ｐｂ）を算出する。ここでＰａ＝Ｐ１＋Ｐｂである。電力制御器１２は、算出した人工衛星の余剰電力に基づいて、シャント４にて余剰電力を散逸させるようにシャント４に指令を送り、シャント４が電力Ｐｓｈ（＝Ｐｓ−Ｐａ）を消費して、人工衛星の余剰電力を制御する。さらに計算機１０は、電力制御器１２からバッテリ１４の充放電状況と、観測機器の使用有無、ミッション観測データの通信等の衛星イベント情報１８を入力する機能が備えられている。
【００２５】
図４は、大気抵抗を低減するための太陽電池パドル３の制御アルゴリズムフローを示す。判定処理３０は、上記計算機１０において電力制御器１２からバッテリ１４の充放電状況と、観測機器の使用有無、ミッションデータの通信等の衛星イベント情報１８から、特定の軌道位置を基準に将来の１周回の消費電力を推定する。また、推定した将来の１周回の消費電力をもとに、将来の１周回のバッテリ１４が放電する電力（放電電力）と充電する電力（充電電力）が一致するために必要な発生電力時間の目標値を算出する。これによって、次の軌道１周回のバッテリ蓄放電収支を満足するために必要な充電時間を算出し、電力発生時間の目標値が軌道半周回未満の充電時間で電力収支が成立するか否かを判定する。
なお、電力収支が成立するとは、バッテリ１４の充電電力と放電電力が一致する状態である。
【００２６】
判定処理３０にて、電力発生時間の目標値が軌道半周回未満の充電時間で電力収支が成立する場合は、電力収支を成立する所定の軌道位置において、太陽電池パドル３を追尾制御・ホールド制御し、その間をスルー逆回転３１で結合させる。このとき、太陽電池パドル３の受光面を太陽と正対するように太陽電池パドル３を最大駆動レートで回転させて制御する。
【００２７】
一方、判定処理３０にて、電力発生時間の目標値が軌道半周回未満の充電時間で電力収支が成立せず、電力発生を軌道半周回以上発生させる必要がある場合は、さらに判定処理３２にて日照中常に太陽電池パドル３を太陽と正対させ電力を発生する必要がないかを判定する。判定処理３２の結果、日照中常に太陽電池パドル３を太陽と正対させ電力を発生する必要がない場合は、必要な電力発生時間に応じた軌道位置において、太陽電池パドル３を追尾制御・ホールド制御し、その間をスルー順回転制御３３で結合する。
【００２８】
それ以外は地球の日照日陰の境界にて追尾制御・ホールド制御を切替え、その間、スルー順順回転制御３４を実施する。このとき、太陽電池パドル３の受光面を太陽と正対するように太陽電池パドル３を最大駆動レートで回転させて制御する。この際、いずれも太陽電池パドル３の回転角をホールドする際は、大気抵抗を最小化する太陽電池パドル３のパドル制御角を保持し、太陽電池パドル３が受ける大気抵抗を低減させる。
【００２９】
上記スルー順回転とスルー逆回転の違いを、図を用いて説明する。図５はスルー順回転の場合の太陽電池パドル３のパドル制御の運用形態を示し、図６はスルー逆回転の場合のパドル制御の運用形態を示す。
【００３０】
図５は、電力発生を軌道半周回以上発生させる必要があることから、日照における、Ａ点−Ｂ点間の所定の軌道位置から、Ｄ点−Ａ点間の所定の軌道位置で、太陽電池パドル３は太陽追尾制御で発生電力を確保する。
Ｄ点からＢ点の間の軌道位置に対しては、計算機１０において電力収支を満足する軌道位置に対して、太陽電池パドル３を太陽追尾制御からスルー順回転制御、ホールド制御、スルー順回転制御、最後に元の太陽追尾制御の順に制御する。
この時、パドルホールド制御時のパドル回転角は９０°となり、太陽電池パドル３が受ける大気抵抗の影響が最も小さくなる。さらに、太陽電池パドル３をスルーさせる回転角はスルー順回転の場合９０°未満となり、逆回転の場合と比べ短時間にスルーさせることができ、大気抵抗の低減につながる。
【００３１】
また、日照中常に太陽電池パドル３を太陽と正対させ電力を発生する必要がある場合でも、日陰中の大気抵抗を低減することを目的に、日照日陰の境界をパドルスルー順回転制御と太陽追尾制御を切替える軌道位置として設定することで、太陽電池パドル３が受ける大気抵抗を低減することが可能となる。
【００３２】
一方、図６では、電力発生時間が軌道半周回未満の電力発生で電力収支が成立することから、Ｄ点からＢ点の間では電力発生とは無関係に、太陽電池パドル３が受ける大気抵抗を最小化するようにパドルホールド制御で太陽電池パドル３の回転角を維持する。
また、Ｂ点からＤ点の間にかけては、電力収支を成り立たせる軌道位置に対して、太陽電池パドル３をホールド制御からスルー逆回転制御、太陽追尾制御、スルー逆回転制御、ホールド制御の順に制御し、太陽追尾制御の間に発生電力を得る。
この場合におけるパドルホールド制御時のパドル回転角は２７０°となる。さらに太陽電池パドル３をスルーさせる回転角は逆回転の場合９０°未満となり、スルー順回転の場合と比べ短時間にスルーすることが可能となる。
【００３３】
この実施の形態１による大気抵抗を低減するパドル制御は、衛星イベント情報から、将来の１周回の消費電力を推定した上で、それに必要な発生電力は必ず確保するように太陽電池パドル３のパドル制御が計画される。このため人工衛星の電力収支は必ず成立する。また、日照中常に太陽電池パドル３を太陽に正対するように追尾制御する場合においても適用可能である。また、大気抵抗の低減により搭載推薬を軽減することができ、衛星全体の質量を軽減することが可能となり、さらに人工衛星のミッション期間を延ばすことが可能となる。また、大気抵抗による軌道降下も低減されることから、高精度の軌道保持が可能となる。
【００３４】
以上説明した通り、実施の形態１による太陽電池パドル制御装置は、衛星本体１と、衛星本体１に取り付けられた太陽電池パドル３と、太陽電池パドル３を一軸回転させるための駆動装置４と、衛星本体１に対する太陽電池パドル３の回転角指令値を生成し、衛星本体１に対する太陽電池パドル３の回転角を算出し、当該回転角指令値に回転角が追従するように駆動装置４を制御する計算機（制御部）１０とを備え、計算機（制御部）１０は、太陽電池パドル３による電力の供給が不要となる場合は、太陽電池パドル３の受ける大気抵抗を軽減する回転角へ制御し、さらに軌道半周回未満の充電で衛星全体の電力収支が成立するか否かを判定し、衛星全体の電力収支が成立する場合は必要な充電時間の間、太陽電池パドル３の受光面が太陽と正対するように大気抵抗を軽減する回転角から太陽電池パドル３を逆回転させる、ことを特徴とする。
【００３５】
また、計算機（制御部）１０は、衛星の軌道位置を決定するためのＧＰＳ受信機１５と、衛星時刻情報から慣性系に対する太陽方向を算出する計算機（制御部）１０と、慣性系に対する姿勢角を検出する恒星センサ１６に基づいて、衛星座標系に対する太陽方向を算出し、算出した太陽方向と太陽電池パドル３の受光面の法線とのなす角から太陽電池パドル３を逆回転させる回転角を算出する。
【００３６】
また、計算機（制御部）１０は、特定の軌道位置を基準に、次の軌道１周回当たりの衛星イベントの消費電力を算出し、算出した消費電力に基づき次の軌道１周回のバッテリ１４の蓄放電収支を満足するために必要な充電期間を算出し、当該充電期間に、太陽電池パドルの受光面を太陽と正対するように太陽電池パドル３を回転し、当該充電期間以外において、太陽電池パドル３が受ける大気抵抗を最小化するように回転角を保持し、当該２つの期間は太陽電池パドル３を最大駆動レートで回転させるように回転角指令値を設定する。
【００３７】
これにより、大気抵抗が低減されることにより、搭載推薬を軽減することができるとともに、人工衛星全体の質量を軽減することが可能となる。もしくは、人工衛星のミッション期間を延ばすことが可能となる。さらに、大気抵抗による軌道降下も低減されることから高精度の軌道保持が可能となる。
【符号の説明】
【００３８】
１  衛星本体、２  観測センサ、３  太陽電池パドル、４  パドル駆動装置、５  シャント、６  衛星軌道面、７  進行方向、１０  計算機（制御部）、１１  パドル駆動回路、１２  電力制御器、１３  衛星負荷、１４  バッテリ、１５  ＧＰＳ受信機、１６  恒星センサ、１７  太陽モデル、１８  衛星イベント情報、３０  判定部処理、３１  パドルスルー逆回転制御、３２  判定処理、３３  パドルスルー順回転（要求位置で切替）、３４  パドルスルー順回転（日照日陰の境界で切替）、１００  地球、１０１  太陽。
【図１】
0006323367.tif 000002
【図２】
0006323367.tif 000003
【図３】
0006323367.tif 000004
【図４】
0006323367.tif 000005
【図５】
0006323367.tif 000006
【図６】
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