(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙空間のターゲットへ向けてランデブ宇宙機の飛行状態を計測・算出するセンサ、誘導制御装置および通常用スラスタ群を駆使しながら接近飛行するランデブ宇宙機が、飛行中の異常事態の発生時にターゲットとの衝突回避を行うための衝突回避装置において、
衝突回避用の並進推力成分を有し、且つ並進推力軸に直交する２本の座標軸回りの姿勢制御トルクを同時に発生することのできる４本以上のスラスタから構成される衝突回避用スラスタ群と、
上記センサおよび誘導制御装置の信号に基づき衝突の危険発生有無を判定する異常判定回路と、
上記異常判定回路から衝突の危険発生有無の情報を受けて、上記通常用スラスタ群が故障と判断した場合には、上記通常用スラスタ群を停止させるとともに、上記衝突回避用スラスタ群に対し、並進推力ベクトルを保持しつつ衝突回避噴射を行い、並進推力と回転トルクを発生させる動作を実施させる回避動作指令回路と、から構成され、
上記衝突回避用スラスタ群の各スラスタは、上記宇宙機の重心に対しスラスタ作用線が所定の距離離れて異なる位置に配置され、駆動もしくは非駆動の駆動命令を受け独立に並進推力軸方向に推力を発生し、駆動状態の上記スラスタにおける上記所定の距離とスラスタ推力との積に基づいて、上記宇宙機に対し並進推力と同時に姿勢制御トルクを発生することを特徴とする自動衝突回避装置。
【請求項２】
宇宙空間のターゲットへ向けてランデブ宇宙機の飛行状態を計測・算出するセンサ、誘導制御装置および通常用スラスタ群を駆使しながら接近飛行するランデブ宇宙機が、飛行中の異常事態の発生時にターゲットとの衝突回避を行うための衝突回避装置において、
衝突回避用の並進推力成分を有し、且つ推力軸に直交する１本の第２の座標軸回りの姿勢制御トルクを同時に発生することのできる２本以上のスラスタから成る第１スラスタ群と、これら両軸に直交する第３の座標軸回りの姿勢制御を独立に実施する２本以上のスラスタから成る第２スラスタ群とを有した衝突回避用スラスタ群と、
上記センサや誘導制御装置の信号に基づき衝突の危険発生有無を判定する異常判定回路と、
上記異常判定回路から衝突の危険発生有無の情報を受けて、上記通常用スラスタ群が故障と判断した場合には、上記通常用スラスタ群を停止させるとともに、上記衝突回避用スラスタ群に対し、並進推力ベクトルを保持しつつ衝突回避噴射を行い、並進推力と回転トルクを発生させる動作を実施させる回避動作指令回路と、
から構成され、
上記第１スラスタ群の各スラスタは、上記並進推進方向に推力を発生するように、上記宇宙機の重心に対しスラスタ作用線が上記第２座標軸方向に所定の距離離れて異なる位置に配置され、
上記第２スラスタ群の各スラスタは、上記第３座標軸方向に推力を発生するように、上記宇宙機の重心に対しスラスタ作用線が上記第３座標軸方向に所定の距離離れて異なる位置に配置され、
上記衝突回避用スラスタ群の各スラスタは、駆動もしくは非駆動の駆動命令を受け独立に推力を発生し、駆動状態の上記スラスタにおける上記所定の距離とスラスタ推力との積に基づいて、上記宇宙機に対し並進推力と同時に姿勢制御トルクを発生することを特徴とする自動衝突回避装置。
【請求項３】
宇宙空間のターゲットへ向けてランデブ宇宙機の飛行状態を計測・算出するセンサ、誘導制御装置および通常用スラスタ群を駆使しながら接近飛行するランデブ宇宙機が、飛行中の異常事態の発生時にターゲットとの衝突回避を行うための衝突回避装置において、
衝突回避用の並進推力成分を有する１本以上の第１スラスタと、上記第１スラスタに直交するとともに互いに直交する第２、第３の座標軸回りの姿勢制御を独立に実施する４本以上のスラスタから成る第２スラスタ群を有した衝突回避用スラスタ群と、
上記センサおよび誘導制御装置の信号に基づき衝突の危険発生有無を判定する異常判定回路と、
上記異常判定回路から衝突の危険発生有無の情報を受けて、上記通常用スラスタ群が故障と判断した場合には、上記通常用スラスタ群を停止させるとともに、上記衝突回避用スラスタ群に対し、並進推力ベクトルを保持しつつ衝突回避噴射を行い、並進推力と回転トルクを発生させる動作を実施させる回避動作指令回路と、
から構成され、
上記第１スラスタは、上記並進推進方向に推力を発生し、
上記第２スラスタ群は、上記第２の座標軸方向に推力を発生し、上記宇宙機の重心に対しスラスタ作用線が所定の距離離れて異なる位置に配置された少なくとも２つのスラスタと、上記第３の座標軸方向に推力を発生し、上記宇宙機の重心に対しスラスタ作用線が所定の距離離れて異なる位置に配置された少なくとも２つのスラスタとを有し、
上記衝突回避用スラスタ群の各スラスタは、駆動もしくは非駆動の駆動命令を受け独立に推力を発生し、上記第１スラスタにより上記宇宙機に対し並進推力を発生するとともに、上記第２スラスタ群の駆動状態のスラスタにおける上記所定の距離とスラスタ推力との積に基づいて上記宇宙機に対し姿勢制御トルクを発生することを特徴とすることを特徴とする自動衝突回避装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、宇宙空間のターゲットへ向けてセンサ、誘導制御装置、スラスタ等を駆使しながら接近飛行するランデブ宇宙機が、飛行中の異常事態の発生時にターゲットとの衝突回避を行うための衝突回避装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来のランデブ宇宙機における衝突回避装置、及び関連機器の構成を示すものである。図において１はターゲットとの相対位置、姿勢、加速度等のランデブ宇宙機の飛行状態を計測・算出するための航法センサ装置（以下、センサと称す。）、２は誘導制御装置、３は３次元空間での並進力及び３軸回転トルクを発生するためのスラスタ群（以下通常用スラスタ群と称す。）を駆動するための回路（以下、通常用スラスタドライバと称す。）、４は通常用スラスタ群、５は衝突回避装置、６は異常判定回路、７は回避動作指令回路、１６は通常用スラスタと同等機能を有する予備のスラスタ群（以下、冗長用スラスタ群と称する。）を駆動するための回路（以下、冗長用スラスタドライバと称す。）、１７は通常用スラスタ群と同構成の冗長用スラスタ群を示す。
【０００３】
以上のような従来の機器構成において、衝突回避装置５を含む各機器は次のように動作する。即ち、正常飛行時においてはセンサ１からの計測信号に基づき誘導制御装置２が３次元空間での位置制御及び３軸姿勢制御に関する合計６自由度の所要制御力を計算し、各スラスタ毎の駆動命令を発生する。通常用スラスタドライバ３は上記駆動命令を受け、通常用スラスタ群４を駆動する。この一連の動作によってターゲットへのランデブ飛行が実施されるが、この間万一構成機器の故障、例えばセンサ１出力の途絶やスラスタ誤噴射等の異常動作が発生すると、正常なランデブ飛行が行われず、最悪の場合はチェイサ宇宙機とターゲットの衝突に至る可能性がある。
【０００４】
これを避けるため飛行中、衝突回避装置５内においては、センサ１から出力される相対位置、姿勢、加速度等の飛行状態のモニタ信号の中から誘導制御装置２が指定した信号を異常判定回路６が選択し、この信号或いはこの信号から算出した値を異常判定回路６内に予め設定された基準値と比較することにより、例えば機器故障、姿勢誤差の超過、予定軌道からの逸脱等の異常有無の判断を繰り返し実行する。異常が発見されると発生事象は回避動作指令回路７に通知され、回避動作指令回路７は発生した異常事象の内容と、誘導制御装置２から供給される衝突危険性を示す尺度、例えばターゲット迄の到達予測時間に基づいて取るべき方策を判断し、判断結果を衝突回避動作指令として誘導制御装置２に伝達する。
【０００５】
ここでターゲット到達迄の時間余裕が無い時段階で、スラスタが故障又は故障可能性ありと回避動作指令回路７が判断した場合には、これを冗長系に切換えて衝突回避噴射を実施せよとの指令が誘導制御装置２に与えられる。これに基づき誘導制御装置２は、衝突回避噴射及びこの間の姿勢保持を行うための６自由度所要制御力を計算し、各スラスタ毎の駆動命令を冗長用スラスタドライバ１６に対し入力する。この結果、冗長用スラスタ群１７が駆動して、最終的に衝突回避噴射が実施される。
【０００６】
ここに衝突回避噴射方向と回避軌道の関係は“数１”により示される。“数１”はいわゆるＨＩＬＬの方程式と呼ばれるものでターゲットを座標原点に、Ｘ軸をターゲット軌道進行方向、Ｚ軸を地球中心方向にとった場合のターゲットに対するランデブ宇宙機の相対位置関係を示す運動方程式である。（Ｙ軸、即ち周回軌道面に対して面外方向の運動は衝突回避上の支配的ダイナミックスではないため省略した。）“数１”の解を図示すると例えば図６のようになる。図６において１５はランデブ宇宙機１８はターゲットであり、座標Ｘ，Ｚは“数１”と同じである。図示のように衝突回避噴射により軌道周回方向に推力を与えた場合は、ランデブ宇宙機１５はターゲット１８の上方を通過し後方に遠ざかる。軌道周回方向と逆方向に推力を与えた場合はターゲット１８の下方を通って前方に遠ざかる。
【０００７】
【数１】
0003867315.tif 000002
【０００８】
衝突回避は上記原理を応用したもので、安全に衝突回避できるよう回避動作指令回路７にてターゲットとの相対位置、相対速度に応じて噴射方向と噴射時間を適切に設定した上で実施する。ここで推力が所定の設定とおりに印加されることが衝突を回避する上での不可欠の条件であり、このためランデブ宇宙機は通常、通常用スラスタ群４の故障に備えて冗長用スラスタ群１７を装備している。これらスラスタ群の配置例を図７に示す。図のように、ランデブ用のスラスタ群は３次元並進力と３軸回転トルクを発生させるために多数のスラスタを複雑に配置した構成となっている。
【０００９】
なお、衝突回避のための他の方法として冗長用スラスタ群１７を用意する代わりに通常用スラスタ群４の中に故障スラスタのみを分離して、残りのスラスタの組合せにより衝突回避のための並進推力と回転トルクを発生させる方式（以下、再構成方式と称す。）がある。これは“数２”で示されるスラスタ組合せ数に対応して処理できるソフトウェアロジックを用いる方式である。即ち、図５において誘導制御装置２の中に、任意のスラスタを除外して必要な並進力と回転トルクを発生させるソフトウェアロジックを予め用意しておき、衝突回避装置５にて特定された故障スラスタを除外した組合せにより衝突回避噴射及び姿勢制御を実施するための指令を通常用スラスタドライバ３に対して発生するものである。
【００１０】
【数２】
0003867315.tif 000003
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術では、上記のように通常用スラスタ群４と同等な、３次元並進力と３軸回転トルク発生機能を持つ冗長用スラスタ群１７を用いて衝突回避噴射とその間の姿勢制御を実施するため、ランデブ宇宙とターゲットの安全確保という目的に対して、過剰機能を持ち構成的にも複雑でコスト的に割高であるという問題点があった。
【００１２】
逆にこれを避けようとして故障スラスタのみを分離して通常用スラスタ群の中の任意のスラスタを除外したスラスタ組合せで実施しようとすると、“数２”にて示したとおり組合せ数が膨大となり、これを処理するソフトウェアの規模やその検証に要するコストが増大するという問題点があった。
【００１３】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、衝突回避のための必要最小限の機能を有した通常用スラスタ群とは独立のスラスタ群（以下、回避用スラスタ群と称す。）を用いることにより、簡素なスラスタ構成で且つソフトウェアへの負担の少ない方式を得ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる自動衝突回避装置は、宇宙空間のターゲットへ向けてランデブ宇宙機の飛行状態を計測・算出するセンサ、誘導制御装置および通常用スラスタ群を駆使しながら接近飛行するランデブ宇宙機が、飛行中の異常事態の発生時にターゲットとの衝突回避を行うための衝突回避装置において、
衝突回避用の並進推力成分を有し、且つ並進推力軸に直交する２本の座標軸回りの姿勢制御トルクを同時に発生することのできる４本以上の衝突回避用スラスタ群と、
上記センサおよび誘導制御装置の信号に基づき衝突の危険発生有無を判定する異常判定回路と、
上記異常判定回路から衝突の危険発生有無の情報を受けて、上記通常用スラスタ群が故障と判断した場合には、上記通常用スラスタ群を停止させるとともに、上記衝突回避用スラスタ群に対し、並進推力ベクトルを保持しつつ衝突回避噴射を行い、並進推力と回転トルクを発生させる動作を実施させる回避動作指令回路と、
から構成されたものである。
【００１５】
この発明に係わる自動衝突回避装置は、宇宙空間のターゲットへ向けてランデブ宇宙機の飛行状態を計測・算出するセンサ、誘導制御装置および通常用スラスタ群を駆使しながら接近飛行するランデブ宇宙機が、飛行中の異常事態の発生時にターゲットとの衝突回避を行うための衝突回避装置において、
衝突回避用の並進推力成分を有し、且つ推力軸に直交する１本の座標軸回りの姿勢制御トルクを同時に発生することのできる２本以上の衝突回避用スラスタ群と、
これら両軸に直交する第３軸回りの姿勢制御を独立に実施する２本以上の衝突回避用スラスタ群と、
上記センサや誘導制御装置の信号に基づき衝突の危険発生有無を判定する異常判定回路と、
上記異常判定回路から衝突の危険発生有無の情報を受けて、上記通常用スラスタ群が故障と判断した場合には、上記通常用スラスタ群を停止させるとともに、上記衝突回避用スラスタ群に対し、並進推力ベクトルを保持しつつ衝突回避噴射を行い、並進推力と回転トルクを発生させる動作を実施させる回避動作指令回路と、
から構成されたものである。
【００１６】
この発明に係わる自動衝突回避装置は、宇宙空間のターゲットへ向けてランデブ宇宙機の飛行状態を計測・算出するセンサ、誘導制御装置および通常用スラスタ群を駆使しながら接近飛行するランデブ宇宙機が、飛行中の異常事態の発生時にターゲットとの衝突回避を行うための衝突回避装置において、
衝突回避用の並進推力成分を有する１本以上の衝突回避用スラスタ群と、
上記衝突回避用スラスタ群に直交する２本の座標軸回りの姿勢制御を独立に実施する４本以上の衝突回避用スラスタ群と、
上記センサおよび誘導制御装置の信号に基づき衝突の危険発生有無を判定する異常判定回路と、
上記異常判定回路から衝突の危険発生有無の情報を受けて、上記通常用スラスタ群が故障と判断した場合には、上記通常用スラスタ群を停止させるとともに、上記衝突回避用スラスタ群に対し、並進推力ベクトルを保持しつつ衝突回避噴射を行い、並進推力と回転トルクを発生させる動作を実施させる回避動作指令回路と、
から構成されたものである。
【００１７】
【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の構成を示すものである。図において、１から４は従来の一実施形態を示す図５と同一であり、５はこの発明の衝突回避装置、６は異常判定回路、７は回避動作指令回路、８は回避用スラスタドライバ、９は回避用スラスタ群を示す。
【００１８】
図２は実施の形態１における回避用スラスタ群９の配置を示すものである。図において１０は第１スラスタ、１１は第２スラスタ、１３は第４スラスタ、１５はランデブ宇宙機を示す。
【００１９】
以上のような本発明の実施の形態１において、衝突回避装置５を含む各機器は次のように動作する。即ち、正常飛行時においては従来の技術と全く同様に、センサ１から計測信号に基づき誘導制御装置２が３次元空間での位置制御及び３軸姿勢制御に関する合計６自由度の所要制御力を計算し、各スラスタ毎の駆動命令を発生する。通常用スラスタドライバ３はこれを受け、通常用スラスタ群４を駆動する。この正常飛行の間、衝突回避装置５内においては、センサ１から出力される相対位置、姿勢、加速度等の飛行状態のモニタ信号の中から誘導制御装置２が指定した信号を異常判定回路６が選択し、この信号或いはこの信号から算出した値を異常判定回路６内に予め設定された基準値と比較することにより、例えば機器故障、姿勢誤差の超過、予定軌道から逸脱等の異常有無の判断を繰り返し実行する。
【００２０】
異常が発見されると発生事象は回避動作指令回路７に通知され、回避動作指令回路７は発生した異常事象の内容と、誘導制御装置２から供給される衝突危険性を示す尺度、例えばターゲット迄の到達予測時間に基づいて取るべき方策を判断し、判断結果を衝突回避動作指令として誘導制御装置２に伝達する。
【００２１】
ここでターゲット到達迄の時間余裕が無い時段階で、スラスタが故障又は故障可能性ありと回避動作指令回路７が判断した場合には、通常スラスタドライバ３への駆動命令を停止せよとの指令が誘導制御装置２に与えられ、通常用スラスタ群４の使用が停止される。一方回避動作指令回路７は自身の発生する衝突回避動作指令に基づき、“数３”に対応した噴射指令を回避用スラスタドライバ８に対して発生する。“数３”は図２のスラスタ配置において第１スラスタ１０〜第４スラスタ１３を用いて並進推力を、第１スラスタ１０又は第３スラスタ１２を用いてＹ軸まわりトルクを、第２スラスタ１１又は第４スラスタ１３を用いてＺ軸まわりトルクをさせる命令式を表すもので、これに基づいて回避動作指令回路８が回避用スラスタ群９を駆動することにより、推力軸を保持しながら衝突回避噴射が実施される。
【００２２】
【数３】
0003867315.tif 000004
【００２３】
ところで上記発明の実施の形態１では、衝突回避噴射と並進推力軸に直交する２本の座標軸回りの姿勢制御トルクの発生を４本の回避用スラスタ群を用いて行ったが、同様の機能をこれ以上の本数のスラスタ群を用いて実現することも当然可能である。
【００２４】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２の構成図は実施の形態１と全く同一の図１である。
【００２５】
図４は実施の形態２における回避用スラスタ群９の配置を示すものである。図において１０は第１スラスタ、１１は第２スラスタ、１３は第４スラスタ、１５はランデブ宇宙を示す。
【００２６】
実施の形態２における動作は、スラスタに異常が発生した場合に回避動作指令回路７から回避用スラスタドライバ８に対して“数４”に基づく衝突回避噴射実施指令を発生すること以外は実施の形態１と全く同様である。
“数４”は図３のスラスタ配置において第１スラスタ１０と第３スラスタ１２を用いて並進推力を、第１スラスタ１０又は第３スラスタ１２を用いてＹ軸まわりトルクを、第２スラスタ１１又は第４スラスタ１３を用いてＺ軸まわりトルクをさせる命令式を表すもので、これに基づいて回避動作指令回路７が回避用スラスタ群９を駆動することにより、推力軸を保持しながらの衝突回避噴射が実施される。
【００２７】
【数４】
0003867315.tif 000005
【００２８】
上記発明の実施の形態２では、衝突回避噴射と並進推力軸に直交する１本の座標軸回りの姿勢制御トルクの発生を２本のスラスタが受け持ち、これら両軸に直交する第３軸回りの姿勢制御トルクの発生を独立した２本のスラスタが受け持つ形の回避用スラスタ群を用いて行ったが、同様の機能をこれ以上の本数のスラスタ群を用いて実現することも当然可能である。
【００２９】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３の構成図は実施の形態１と全く同一の図１である。
【００３０】
図５は実施の形態３における回避用スラスタ群９の配置を示すものである。図において１０は第１スラスタ、１１は第２スラスタ、１３は第４スラスタ、１４は第５スラスタ、１５はランデブ宇宙機を示す。
【００３１】
実施の形態３における動作は、スラスタに異常が発生した場合に回避動作指令回路７から回避用スラスタドライバ８に対して“数５”に基づく衝突回避噴射実施指令を発生すること以外は実施の形態１と全く同様である。“数５”は図４のスラスタ配置において第５スラスタ１４を用いて並進推力を、第１スラスタ１０又は第３スラスタ１２を用いてＹ軸まわりトルクを、第２スラスタ１１又は第４スラスタ１３を用いてＺ軸まわりトルクをさせる命令式を表すもので、これに基づいて回避動作指令回路８が回避用スラスタ群９を駆動することにより、推力軸を保持しながらの衝突回避噴射が実施される。
【００３２】
【数５】
0003867315.tif 000006
【００３３】
上記発明の実施の形態３では、衝突回避噴射の発生を１本のスラスタが受け持ち、並進推力軸に直交する１本の座標軸回りの姿勢制御トルクの発生を独立した４本のスラスタが受け持つ形の回避用スラスタ群を用いて行ったが、同様の機能をこれ以上の本数のスラスタ群を用いて実現することも当然可能である。
【００３４】
ところで、実施の形態１から実施の形態３においては１系統の通常用スラスタ群の異常に対して回避用スラスタ群を用いることとしたが、より多重の安全性を要求されるターゲットへの飛行において通常用スラスタ群と同等のスラスタ群を複数装備し、これら全てに異常が発生した時に回避用スラスタ群を用いる方式、或いは通常用スラスタ群を１系統、回避用スラスタ群を複数系統装備しておいて、回避用スラスタ群に切換えた後に異常が重なった場合にもさらなる回避用スラスタ群を切換える方式についても、上記発明により実現できることは言うまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明による自動衝突回避装置によれば、衝突回避噴射とその間の推力軸方向の保持を必要最小限のスラスタで実施できるため、宇宙ステーションや各種の軌道上施設へ接近飛行するランデブ宇宙機を安全且つ簡潔な構成で実現する上で極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１を示す構成図である。
【図２】  この発明の実施の形態１におけるスラスタ配置図である。
【図３】  この発明の実施の形態２におけるスラスタ配置図である。
【図４】  この発明の実施の形態３におけるスラスタ配置図である。
【図５】  従来の装置を示す構成図である。
【図６】  衝突回避噴射方向と回避軌道の関係を示す図である。
【図７】  従来の装置の一実施形態におけるスラスタ配置例を示す図である。
【符号の説明】
１  センサ、２  誘導制御装置、３  通常用スラスタドライバ、４  通常用スラスタ群、５  衝突回避装置、６  異常判定回路、７  回避動作指令回路、８  回避用スラスタドライバ、９  回避用スラスタ群、１０  第１スラスタ、１１  第２スラスタ、１２  第３スラスタ、１３  第４スラスタ、１４  第５スラスタ、１５  ランデブ宇宙機、１６  冗長用スラスタドライバ、１７  冗長用スラスタ群、１８  ターゲット。
【図１】
0003867315.tif 000007
【図２】
0003867315.tif 000008
【図３】
0003867315.tif 000009
【図４】
0003867315.tif 000010
【図５】
0003867315.tif 000011
【図６】
0003867315.tif 000012
【図７】
0003867315.tif 000013