(57)【要約】【課題】１軸回転系で構成される指向機器において、移動体あるいは指向対象が必ずしも規則的な運動を行わない場合であっても、指向対象が指向機器の視野から外れないように、最適な指向状態を維持することのできる指向制御装置を得る。【解決手段】位置および姿勢が変化する衛星と、衛星に搭載されて所定の指向対象を指向する指向機器５と、指向機器５を所定の１軸まわりに回転可能に支持するとともに、指向機器５を回転動作させる駆動装置４と、駆動軸方向ベクトルと指向対象方向ベクトルとが成す平面と、指向機器５の指向方向ベクトルとの成す角度が０に近接するように、駆動装置４を制御する。【選択図】        図２
2005001580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置および姿勢が変化する移動体と、
前記移動体に搭載され、所定の指向対象を指向する指向機器と、
前記指向機器を所定の１軸まわりに回転可能に支持するとともに、前記指向機器を回転動作させる駆動装置と、
前記所定の１軸と前記所定の指向対象の存在方向とが成す平面と、前記指向機器の指向方向との成す角度が０に近接するように、前記駆動装置を制御する駆動制御装置と、
を具備したことを特徴とする指向制御装置。
【請求項２】
前記駆動制御装置は、前記所定の１軸と前記所定の指向対象の存在方向に基づいて、前記指向機器における指向方向の最適回転角を演算することを特徴とする請求項１に記載の指向制御装置。
【請求項３】
上記移動体は衛星であり、上記指向機器は太陽電池パドルであることを特徴とする請求項１に記載の指向制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
衛星や航空機などの移動体に搭載された所定の１軸の回転自由度を持つ指向機器を、所定の指向対象に指向させるための指向制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動体に搭載された１軸回転系の例として、衛星に搭載された太陽電池パドルが知られている。太陽電池パドルは、太陽へ指向させることによって発生電力を確保するように制御される。
【０００３】
このような制御装置の一例として、太陽電池パドルの駆動パターンを太陽センサの検出情報に基づいて算出し、指向制御を行う従来技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−８７３９７号公報
【０００５】
通常、指向機器を任意の方向へ指向させるには、２自由度以上の回転自由度を持つことが必要である。このため、１軸回転系（１自由度）では指向可能な範囲が限定される。しかし、移動体に対する指向対象の方向の範囲が限定される場合には１軸回転系が用いられるので、移動体あるいは指向対象は固定されているかあるパターンに従って規則的に移動・回転していなければならない。その場合は、指向機器をあらかじめ定められたパターンで駆動することにより、指向対象の方向へ指向させることが可能である。
【０００６】
例えば、衛星に搭載された太陽電池パドルについては、指向対象である太陽の位置は固定されており、移動体である衛星は地球を中心にして規則的に運動しているため、太陽電池パドルはあらかじめ定められた駆動パターンに従って制御される。その一例として、太陽同期軌道を周回する地球指向型衛星の太陽電池パドルでは、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回転するよう制御される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、移動体あるいは指向対象が必ずしも規則的な運動を行わない場合、所定のパターンに従って駆動される１軸回転系では、指向機器を指向対象へ追従させることができず、指向機器の視野（指向機器に対する指向対象の方向の許容範囲）から、指向対象が逸脱するという問題があった。
【０００８】
また、この問題へ対処するため、移動体や指向対象の運動を狭い範囲に制約するか、指向機器の視野を広げるという方法が考えられる。しかし、移動体として衛星を対象とする場合、例えば、衛星の運動制御を行うために複雑な処理を行う制御装置が必要になったり、指向機器の大型化に繋がって、衛星の機器構成上デメリットが大きかった。
【０００９】
この発明は、係る課題を解決するために為されたものであり、１軸回転系で構成される指向機器において、移動体あるいは指向対象が必ずしも規則的な運動を行わない場合であっても、指向対象が指向機器の視野から外れないように、最適な指向状態を維持することのできる指向制御装置を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明による指向制御装置は、位置および姿勢が変化する移動体と、前記移動体に搭載され、所定の指向対象を指向する指向機器と、前記指向機器を所定の１軸まわりに回転可能に支持するとともに、前記指向機器を回転動作させる駆動装置と、前記所定の１軸と前記所定の指向対象の存在方向とが成す平面と、前記指向機器の指向方向との成す角度が０に近接するように、前記駆動装置を制御する駆動制御装置と、を具備したものである。
【００１１】
【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における指向機器５を搭載した移動体１と指向対象２を示すものである。図１において、移動体１は本体部３に指向機器５が駆動装置４を介して接続されて構成される。駆動装置４は、本体部３に固定されて、指向機器５を駆動軸方向ベクトル６の周りに回転可能に支持するための所定の回転軸（回転自由度１）を有している。また、駆動装置４は、後述のアクチュエータ（１７）を有しており、後述の目標回転角に基いて指向機器５を回転させることにより、指向対象２が指向機器５の視野内に存在するように、指向機器５を指向制御する。
【００１２】
このとき、指向機器５に固有の指向方向ベクトル７を、駆動軸方向ベクトル６のまわりに回転させる。これにより、指向方向ベクトル７と、駆動軸方向ベクトル６と指向対象方向ベクトル８で成る平面との成す角度が、０へ近接するように指向制御される。指向方向ベクトル７は、予め指向機器５の視野内に固定されており、指向機器５の視野が指向対象２を指向するように設定させておくことが望ましい方向を指すベクトルである。例えば、指向機器５がアンテナやカメラである場合は、指向方向ベクトル７を指向機器５の視野中心に設定する。また、指向機器５が太陽電池パネルである場合は、指向方向ベクトル７を太陽電池パネルの太陽光受光面に垂直な方向に設定する。
【００１３】
駆動装置４の指向制御は、次のような方法で実現される。ここでは、例えば、衛星（本体部３に相当）に搭載された太陽電池パドル（指向機器５に相当）の指向制御を行う場合を例として説明する。
【００１４】
図２は、最適な指向状態を維持するための指向制御を実現する、この実施の形態１による駆動制御装置の物理的・論理的構成部を示すものである。データ出力部５０は、本体部３に設けられた図示しない太陽センサ、地球センサ、ポテンショメータおよび姿勢角度検出センサ（例えば、ジャイロ）に接続され、これら各種センサの出力データをセンサ・データ１５として出力する。センサ・データ１５は、例えば本体部３に搭載された、図示しない太陽センサ、地球センサ、ポテンショメータおよび姿勢角度検出センサ（例えば、ジャイロ）から、衛星に対する太陽の存在する方向、衛星に対する地球の存在する方向、および慣性系に対する衛星の姿勢角度を示すデータとして出力される。また、データ出力部５０は、本体部３の図示しないメモリに接続され、メモリに格納された衛星の軌道データを出力する。指向対象検出部９、本体部位置／姿勢検出部１０、指向対象相対方向演算部１２は、搭載された計算機内に処理プロセッサや処理プログラムとして構成される。
【００１５】
指向対象検出部９は、センサ・データ１５を用いて、衛星に対する指向対象２の位置または方向を検出する。例えば、指向機器５が太陽電池パドルである場合は、太陽センサの出力（センサ・データ１５）に基いて、衛星（本体部３）に設定された基準座標系に対する太陽（指向対象２）の方向を示す方向情報を算出し、出力する。本体部位置／姿勢検出部１０は、地球センサおよび姿勢角度検出センサの出力（センサ・データ１５）に基いて、本体部３の（基準座標系の）姿勢情報を算出し、出力する。また、姿勢検出部１０は、モデル・データ１６を用いて、本体部３の（基準座標系の）位置情報を検出し、出力する。
【００１６】
指向対象相対方向演算部１２は、指向対象検出部９および本体部位置／姿勢検出部１０から出力される、方向情報、位置情報および姿勢情報に基づいて、慣性空間座標系における、本体部３に対する指向対象２の存在する方向すなわち指向対象方向ベクトル８を計算する。例えば、衛星（本体部３に相当）に搭載された太陽電池パドル（指向機器５に相当）の指向制御を行う場合は、指向方向ベクトル７が太陽電池パドルの太陽電池の配列された平面における法線方向となる。この際、太陽電池の配列された平面の、指向対象方向ベクトル８の方向への射影が太陽電池パドルの実質的な視野となる。
【００１７】
図３は、駆動装置目標回転角演算部１３、駆動制御演算部１４、および駆動装置４を用いた、指向機器５の指向制御のための制御系の構成を示す図である。駆動装置目標回転角演算部１３は、計算された指向方向ベクトル８と駆動軸方向ベクトル６との関係から、指向機器５の最適回転角２３を計算する（算出式の詳細は後述で説明する）。また、駆動装置目標回転角演算部１３は、最適回転角２３に基づいて、駆動装置４の目標回転角２４を計算する。
【００１８】
一方、駆動装置４の回転角２６（例えば、指向機器５の回転角変位）は、センサ・データ１５やモデル・データ１６を用いて、駆動部回転角検出部１１において検出される。例えば太陽電池パドルについては、搭載計算機である駆動部回転角検出部１１が、センサ・データ１５として出力されるポテンショメータの出力から、パドル駆動機構である駆動装置４の回転角（検出回転角２７）、すなわち指向機器５の回転角に応じた回転角を検出する。なお、駆動装置４と指向機器５の速比が一対一であれば、駆動装置４と指向機器５の回転角は一致する。
【００１９】
駆動制御演算部１４では、駆動部回転角検出部１１からの検出回転角２７と、駆動装置目標回転角演算部１３からの目標回転角２４とに基いて、角度偏差を無くすように、駆動装置４を駆動するための制御入力２５を算出し、制御入力２５を駆動装置４を構成するアクチュエータ１７へ出力する。アクチュエータ１７は、駆動制御演算部１４からの制御入力２５に従って、指向機器５を回転駆動し、駆動装置４は所定の制御動作を行って、回転角２６を出力する。この回転角変位は、上述したようにポテンショメータのセンサ・データ１５の検出回転角２７として検出される。
【００２０】
図４は、指向機器５の最適回転角２３を計算する際の幾何学的関係を示すものである。指向基準方向ベクトル１８は、指向機器５が基準状態（例えば回転角０°の状態）にあるときの、指向方向ベクトル７の方向である。最適回転角２３は、指向基準方向ベクトル１８を駆動軸方向ベクトル６に垂直な平面２０に正射影したベクトル２１と、指向対象方向ベクトル８を平面２０に正射影したベクトル２２との成す角であり、次式の関係が成立する角度である。
【００２１】
【数１】
2005001580.tif 000003
【００２２】
ここで、指向機器５が最適回転角２３と一致する状態にあるとき、指向ベクトル７は、所定の回転軸（１軸）である駆動軸方向ベクトル６と、所定の指向対象の存在方向である指向対象方向ベクトル８とを含む平面１９に、含まれる。また、一致しない場合は、指向機器５が最適回転角２３と一致するように、駆動軸方向ベクトル６と指向対象方向ベクトル８とが成す平面と、指向機器５の指向方向ベクトル７との成す角度が０に近接するように、駆動装置４を制御する。
【００２３】
これによって、例えば、この発明を衛星の太陽電池パドルの指向制御に適用すれば、衛星が軌道制御や天体観測を行うために姿勢を変化させるとき、太陽電池パドルの発生電力の低下を最小限に抑えることができる。つまり、従来のように太陽電池パドルを駆動パターンに従って駆動し続けたり、あるいは停止させたりすると、衛星の姿勢変動により、太陽電池パドルへの太陽光の入射角が大きくなるため発生電力が低下するが、この発明を用いれば、太陽電池パドルは太陽光の入射角が、常に最小となるように最適な回転角度に制御されるよう、指向機器が最適な指向状態に維持される。
【００２４】
この実施の形態による指向制御装置を用いれば、移動体や指向対象が不規則に運動する場合であっても、その限定される範囲を拡大することができ、指向機器の視野を広げる範囲を縮小することができる。あるいは、それらの制約を排除できる可能性もある。
【００２５】
したがって、衛星や航空機、自動車などの移動体上で１軸まわりに回転するアンテナや太陽電池パドル、カメラなどの指向機器を最適な指向状態に維持することができ、移動体が予測不可能な移動・回転をする場合でも、指向対象が指向機器の視野から外れる可能性を小さくすることができる。
【００２６】
また、移動体や指向対象が規則的なパターンに従って運動する場合についても、同じ制御装置により最適な指向状態を実現することが可能であり、移動体や指向対象の運動によって制御装置を切り換えることが不要となる。
【００２７】
実施の形態２．
本体部３は、人工衛星、自動車、航空機など位置や姿勢が変化するすべての移動体を含む。駆動装置４は、１軸まわりに回転する機能をもつもので、モータにより駆動されるような機械的に回転するものに限らず、フェーズドアレイアンテナのような電気的に回転することが可能なものも含む。指向部５はアンテナ、太陽電池パドル、カメラなどその装置の機能を働かせるためにある対象を指向させる必要のあるすべての機器を含む。
【００２８】
実施の形態３．
指向機器５の最適回転角２３は、図４の幾何学的関係を満たしていれば良く、その算出方法には規定されない。また、駆動装置目標角度演算部１３で計算される駆動装置４の目標回転角２４は、最適回転角２３に一致する角度に限らず、最適回転角２３に基づいて計画される駆動パターン等から求められる角度も含む。例えば、将来のある基準時刻において、駆動装置４が最適回転角２３となるよう、基準時刻までの目標回転角の履歴をあらかじめ規定しておき、各時刻における目標回転角２４は、その履歴に基づいて求めることも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
この発明は以上詳細に説明したように、衛星や航空機、自動車などの移動体上で１軸まわりに回転するアンテナや太陽電池パドル、カメラなどの指向機器を、最適な指向状態に維持することができ、移動体が予測不可能な移動・回転をする場合でも指向対象が指向機器の視野から外れる可能性を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】１軸まわりに回転する指向機器が搭載された移動体と指向対象を示す概念図である。
【図２】実施の形態１による指向制御装置の構成図である。
【図３】駆動装置の制御系の構成図である。
【図４】指向機器の最適回転角を幾何学的に示す図である。
【符号の説明】
１    移動体、２    指向対象、３    本体部、４    駆動装置、５    指向機器、６    駆動軸方向ベクトル、７    指向方向ベクトル、８    指向対象方向ベクトル、９    指向対象検出部、１０  本体部位置／姿勢検出部、１１  駆動装置回転角検出部、１２  指向対象方向演算部、１３  駆動装置目標回転角演算部、１４  駆動制御演算部、１５  センサ・データ、１６  モデル・データ、１７  アクチュエータ、１８  指向基準方向ベクトル、２０  駆動軸に垂直な平面、２１  指向基準方向ベクトルの正射影、２２  指向対象方向ベクトルの正射影、２３  最適回転角、２４  目標回転角、２５  制御入力、２６  回転角、２７検出回転角。
【図１】
2005001580.tif 000004
【図２】
2005001580.tif 000005
【図３】
2005001580.tif 000006
【図４】
2005001580.tif 000007