(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工衛星本体に設けられ、前記人工衛星本体の姿勢制御を行うための少なくとも４個のホイールと、
前記人工衛星本体の姿勢角と姿勢角速度と姿勢角加速度の目標値を生成する姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部と、
前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部の目標値出力に基づいて、前記人工衛星本体の姿勢変更を行うための姿勢制御トルクを生成する姿勢制御トルク生成部と、
前記人工衛星本体の姿勢角および姿勢角速度を、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部の目標値出力に近づけるようにフィードバック制御を行う姿勢制御演算部と、
前記姿勢制御トルク生成部から出力される前記姿勢制御トルクに、前記姿勢制御演算部から出力されるフィードバック制御トルクを加えて得られる補償された姿勢制御トルクと、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部から出力される前記姿勢角加速度目標値とから、前記ホイールを駆動させるための駆動トルクを生成するホイールトルク生成部と  を備え、
前記ホイールトルク生成部が、
補償された前記姿勢制御トルクを、前記ホイールの駆動トルクから前記姿勢制御トルクへ変換するための変換行列の列空間へ射影する射影演算部と、
前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部から出力される前記姿勢角加速度目標値に基づいて、前記変換行列の零空間を張る基底に関する成分を要素とする自由パラメータベクトルを決定するパラメータ決定部と、
前記自由パラメータベクトルを用いて、前記変換行列の零空間におけるホイールトルク成分を決定する直交射影演算部と  を備え、
前記パラメータ決定部における前記自由パラメータベクトルが前記姿勢角加速度目標値に対して線形に変化するとともに、前記自由パラメータベクトルがホイール配置と姿勢変更に伴う他軸干渉要素から決定される姿勢角加速度を最大化する最適基底に比例して変化する  ことを特徴とする人工衛星の姿勢制御装置。
【請求項２】
前記パラメータ決定部における自由パラメータベクトルが、ホイール配置と姿勢変更に伴う他軸干渉要素と人工衛星に作用する外乱要素とから決定される姿勢角加速度を最大化する最適基底に比例して変化する  ことを特徴とする請求項１に記載の人工衛星の姿勢制御装置。
【請求項３】
人工衛星本体に設けられ、前記人工衛星本体の姿勢制御を行うための少なくとも５個のホイールと、
前記人工衛星本体の姿勢角と姿勢角速度と姿勢角加速度の目標値を生成する姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部と、
前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部の目標値出力に基づいて、前記人工衛星本体の姿勢変更を行うための姿勢制御トルクを生成する姿勢制御トルク生成部と、
前記人工衛星本体の姿勢角および姿勢角速度を、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部の目標値出力に近づけるようにフィードバック制御を行う姿勢制御演算部と、
前記姿勢制御トルク生成部から出力される前記姿勢制御トルクに、前記姿勢制御演算部から出力されるフィードバック制御トルクを加えて得られる補償された姿勢制御トルクと、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部から出力される前記姿勢角加速度目標値とから、前記ホイールを駆動させるための駆動トルクを生成するホイールトルク生成部と  を備え、
前記ホイールトルク生成部が、
補償された前記姿勢制御トルクを、前記ホイールの駆動トルクから前記姿勢制御トルクへ変換するための変換行列の列空間へ射影する射影演算部と、
前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部から出力される前記姿勢角加速度目標値に基づいて、前記変換行列の零空間を張る基底に関する成分を要素とする自由パラメータベクトルを決定するパラメータ決定部と、
前記自由パラメータベクトルを用いて、前記変換行列の零空間におけるホイールトルク成分を決定する直交射影演算部と  を備え、
前記パラメータ決定部における自由パラメータベクトルが前記姿勢角加速度目標値のノルムに対して線形に変化するとともに、前記自由パラメータベクトルがホイール配置と姿勢変更に伴う他軸干渉要素から決定される姿勢角加速度を最大化する最適基底の線形結合量に比例して変化する  ことを特徴とする人工衛星の姿勢制御装置。
【請求項４】
前記パラメータ決定部における自由パラメータベクトルが、ホイール配置と姿勢変更に伴う他軸干渉要素と人工衛星に作用する外乱要素とから決定される姿勢角加速度を最大化する最適基底の線形結合量に比例して変化する  ことを特徴とする請求項３に記載の人工衛星の姿勢制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は人工衛星の姿勢制御装置に関し、特に、姿勢を制御するためのアクチュエータとしてホイールを備えた人工衛星において、ホイールを駆動して姿勢制御を行うための人工衛星の姿勢制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
３軸姿勢制御を行う人工衛星では、姿勢制御のためのアクチュエータとして４個以上のホイールが自立冗長系を構成して搭載される。自立冗長系とは、仮に４つのホイールのどれか１つが故障しても残りの３つのホイールを用いた姿勢制御が可能なように構成されているものをいう。このような人工衛星において、より高速に姿勢変更を行うためには、搭載したホイールの出力トルクの制約の下で、冗長なホイールを用いて出力されるトルクの上界をより大きくとって衛星の姿勢角加速度を大きく設定できるようなホイールトルク生成部が備えられていることが望ましい。
【０００３】
従来の人工衛星の姿勢制御装置について図面を参照しながら説明する。図５は、例えば、特開２００１−２５３３９９号公報に示された従来の人工衛星の姿勢制御装置に設けられたホイールトルク生成部の構成を示したブロック図である。図５において、１１１は、人工衛星本体が姿勢変更を行うための姿勢制御トルクの値からホイールの駆動トルクを生成するホイールトルク生成部、１１２は、姿勢トルクが入力されて、当該姿勢トルクを各ホイールの駆動トルクに分配するためのトルク分配則部、１１３は、各ホイールに対して付加的なトルクを生成する付加トルク生成部、１１４は、付加トルク生成部１１３から出力される付加トルクが人工衛星本体の姿勢制御トルクには影響を与えないようにする射影演算部である。付加トルク生成部１１３には、各ホイールの駆動トルクの大きさを最大駆動トルクと比較するトルク比較部１１５と、各ホイールの駆動トルクが一部で最大駆動トルクを超えるような事態が生じた場合に駆動トルクの再分配制御を行うトルク再分配部１１６とが、設けられている。
【０００４】
動作について説明する。従来の人工衛星の姿勢制御装置におけるホイールトルク生成部１１１は、上述したように、トルク分配則部１１２と付加トルク生成部１１３と射影演算部１１４とから構成される。ここで付加トルク生成部１１３はトルク比較部１１５とトルク再分配部１１６から構成され、トルク分配則部１１２で求めたホイール駆動トルクを最大駆動トルクと比較し、ホイール駆動トルクが最大駆動トルクを越える事態が生じた場合には、付加トルクを生成して駆動トルクの再分配を行うようにして、衛星の姿勢角加速度をより大きく設定できるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の人工衛星の姿勢制御装置においては、トルク分配則部１１２における分配則は、ホイールの配置のみから決定されていたが、衛星主軸と衛星駆動軸がずれている場合、姿勢制御には駆動軸以外の他軸にも制御トルクが必要となる。その結果、ホイール配置のみから決定した分配則では、この他軸の姿勢制御を受け持つホイール駆動トルクが飽和をきたし、それに制約されて衛星姿勢角加速度を大きくすることができないという問題点があった。
【０００６】
また、従来の人工衛星の姿勢制御装置においては、トルク分配則部１１２で求めたホイール駆動トルクが最大駆動トルクを越えた場合に、付加トルク生成部１１３において付加トルクが生成されるように構成されているが、この付加トルクの生成においては姿勢制御の観点から連続性を満たすように生成する必要があり、生成方法が複雑になるという問題点があった。また、上記公報においては、このような連続性を満たす具体的な付加トルク生成方法について言及されていない。
【０００７】
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、ホイール駆動トルクの飽和を抑えるような姿勢制御トルクの分配を行う、人工衛星の姿勢制御装置を得ることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、人工衛星本体に設けられ、前記人工衛星本体の姿勢制御を行うための少なくとも４個のホイールと、前記人工衛星本体の姿勢角と姿勢角速度と姿勢角加速度の目標値を生成する姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部と、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部の目標値出力に基づいて、前記人工衛星本体の姿勢変更を行うための姿勢制御トルクを生成する姿勢制御トルク生成部と、前記人工衛星本体の姿勢角および姿勢角速度を、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部の目標値出力に近づけるようにフィードバック制御を行う姿勢制御演算部と、前記姿勢制御トルク生成部から出力される前記姿勢制御トルクに、前記姿勢制御演算部から出力されるフィードバック制御トルクを加えて得られる補償された姿勢制御トルクと、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部から出力される前記姿勢角加速度目標値とから、前記ホイールを駆動させるための駆動トルクを生成するホイールトルク生成部とを備え、前記ホイールトルク生成部が、補償された前記姿勢制御トルクを、前記ホイールの駆動トルクから前記姿勢制御トルクへ変換するための変換行列の列空間へ射影する射影演算部と、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部から出力される前記姿勢角加速度目標値に基づいて、前記変換行列の零空間を張る基底に関する成分を要素とする自由パラメータベクトルを決定するパラメータ決定部と、前記自由パラメータベクトルを用いて、前記変換行列の零空間におけるホイールトルク成分を決定する直交射影演算部とを備え、前記パラメータ決定部における前記自由パラメータベクトルが前記姿勢角加速度目標値に対して線形に変化するとともに、前記自由パラメータベクトルがホイール配置と姿勢変更に伴う他軸干渉要素から決定される姿勢角加速度を最大化する最適基底に比例して変化する人工衛星の姿勢制御装置である。
【０００９】
また、前記パラメータ決定部における自由パラメータベクトルが、ホイール配置と姿勢変更に伴う他軸干渉要素と人工衛星に作用する外乱要素とから決定される姿勢角加速度を最大化する最適基底に比例して変化する。
【００１０】
また、この発明は、人工衛星本体に設けられ、前記人工衛星本体の姿勢制御を行うための少なくとも５個のホイールと、前記人工衛星本体の姿勢角と姿勢角速度と姿勢角加速度の目標値を生成する姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部と、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部の目標値出力に基づいて、前記人工衛星本体の姿勢変更を行うための姿勢制御トルクを生成する姿勢制御トルク生成部と、前記人工衛星本体の姿勢角および姿勢角速度を、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部の目標値出力に近づけるようにフィードバック制御を行う姿勢制御演算部と、前記姿勢制御トルク生成部から出力される前記姿勢制御トルクに、前記姿勢制御演算部から出力されるフィードバック制御トルクを加えて得られる補償された姿勢制御トルクと、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部から出力される前記姿勢角加速度目標値とから、前記ホイールを駆動させるための駆動トルクを生成するホイールトルク生成部とを備え、前記ホイールトルク生成部が、補償された前記姿勢制御トルクを、前記ホイールの駆動トルクから前記姿勢制御トルクへ変換するための変換行列の列空間へ射影する射影演算部と、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部から出力される前記姿勢角加速度目標値に基づいて、前記変換行列の零空間を張る基底に関する成分を要素とする自由パラメータベクトルを決定するパラメータ決定部と、前記自由パラメータベクトルを用いて、前記変換行列の零空間におけるホイールトルク成分を決定する直交射影演算部とを備え、前記パラメータ決定部における自由パラメータベクトルが前記姿勢角加速度目標値のノルムに対して線形に変化するとともに、前記自由パラメータベクトルがホイール配置と姿勢変更に伴う他軸干渉要素から決定される姿勢角加速度を最大化する最適基底の線形結合量に比例して変化する人工衛星の姿勢制御装置である。
【００１１】
また、前記パラメータ決定部における自由パラメータベクトルが、ホイール配置と姿勢変更に伴う他軸干渉要素と人工衛星に作用する外乱要素とから決定される姿勢角加速度を最大化する最適基底の線形結合量に比例して変化する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明に係る人工衛星の姿勢制御装置について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢制御装置の構成を示したブロック図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１３】
図１において、１は人工衛星本体の慣性モーメントや後述するホイールの最大出力トルク、最大出力角運動量などの情報に基づいて人工衛星本体の姿勢角と姿勢角速度と姿勢角加速度の目標値を生成する姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部、２は姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部１の出力から人工衛星本体の姿勢変更を行うための姿勢制御トルクを生成してフィードフォワード制御を行う姿勢制御トルク生成部、３は、人工衛星本体の検出された実際の姿勢角、姿勢角速度と姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部１からの出力との差に基づいて、人工衛星本体の姿勢角、姿勢角速度を姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部１の出力に近づけるようにフィードバック制御を行う姿勢制御演算部、４は、姿勢制御トルク生成部２のフィードフォワード制御出力と姿勢制御演算部３のフィードバック制御出力の和として得られたフィードバック補償された姿勢制御トルクと姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部１の姿勢角加速度目標値とからホイールの駆動トルクを生成して、当該駆動トルクによりホイールを駆動させるホイールトルク生成部、５は人工衛星本体の姿勢制御を行うためのアクチュエータであるホイール、６は人工衛星本体である。なお、本実施の形態においては、ホイール５は、少なくとも４個以上設けられているものとする。
【００１４】
また、図２は、図１に示したホイールトルク生成部４の内部構成を示すブロック図である。図２において、４１は、ホイール駆動トルクから人工衛星本体６の姿勢制御トルクへの変換行列の列空間へ姿勢制御トルクを射影し、各ホイールへ分配する射影演算部、４２は、ホイール駆動トルクから人工衛星本体６の姿勢制御トルクへの変換行列の零空間へ射影する直交射影演算部、４３は前記零空間に付随する自由パラメータベクトルを決定するパラメータ決定部である。パラメータ決定部４３はさらに後述する２つのブロック４３１，４３２に分けられる。４３１は、姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部１の姿勢角加速度目標値から後述する自由パラメータベクトルの最適基底に関する成分を求める基底成分演算部、４３２は基底成分演算部４３１で求めた基底成分を自由パラメータベクトルの最適基底に乗じて自由パラメータベクトルを決定する基底ベクトル演算部である。
【００１５】
次にこの実施の形態１に係る人工衛星の姿勢制御装置の動作について図面を参照しながら説明する。姿勢制御トルク生成部２のフィードフォワード制御出力と姿勢制御演算部３のフィードバック制御出力の和として、人工衛星本体６の姿勢変更を行うのに必要な姿勢制御トルクが得られると、この姿勢制御トルクをアクチュエータであるホイール５において実現するために、求められた姿勢制御トルクを各ホイールの駆動トルクに分配する必要がある。
【００１６】
いま、ホイール５として自立冗長構成されたＮ個（Ｎ≧４）のホイールを用いる場合を考える。人工衛星本体６の各軸姿勢制御トルクをまとめてベクトル表記でＴｂ（３次元列ベクトル）、ホイール５の各軸駆動トルクをまとめてベクトル表記でＴｗ（Ｎ次元列ベクトル）とする。すなわち、
【００１７】
【数１】
0003881258.tif 000002
【００１８】
ここで上付き添え字Ｔはベクトルあるいは行列の転置を表す。
【００１９】
姿勢制御トルクＴｂとホイール駆動トルクＴｗの間には次の関係が成立している。
【００２０】
【数２】
0003881258.tif 000003
【００２１】
ここで、Ｗｓは（３×Ｎ）次元の横長の行列であり、その要素は人工衛星本体６の姿勢制御軸とホイール５の駆動軸の幾何学的関係から一意に決定される。
【００２２】
姿勢制御トルクＴｂが与えられてホイール駆動トルクＴｗを求める場合、（２）式は３個の拘束条件となるため、Ｎ個のホイールを利用する場合には（Ｎ−３）個の冗長な自由度が残っている。
【００２３】
通常、（２）式からホイール駆動トルクＴｗを求めるためには、以下の（３）式の関係を用いる場合が多い。
【００２４】
【数３】
0003881258.tif 000004
【００２５】
ここでＷｓ＋はＷｓの擬似逆行列の一つで、今の場合、冗長自由度を有するため一意には決定されないが、典型的な一例として次のように与えられる。
【００２６】
【数４】
0003881258.tif 000005
【００２７】
（４）式で表される行列は姿勢制御トルクＴｂをＷｓの列空間へ射影する射影行列であり、一般にＷｓ＋はＷｓに基づいて構成されるため、それはホイール５の幾何学的配置のみから決定される行列である。人工衛星本体６の姿勢制御トルクを用いて（３）式の射影演算を行うのが、ホイールトルク生成部４における射影演算部４１の働きである。
【００２８】
より一般的には、姿勢制御トルクＴｂからホイール駆動トルクＴｗへの変換は、（２）式の逆をとって次のように表すことができる。
【００２９】
【数５】
0003881258.tif 000006
【００３０】
ここで、ＥＮはＮ×Ｎ次元の単位行列、ξは任意のＮ個の自由パラメータから構成されるＮ次元ベクトルである。（５）式右辺において新たに付加された第２項のＮ次元ベクトル（ＥＮ−ＷＳ＋ＷＳ）ξは、Ｗｓの零空間に属する任意のベクトルであるが、実際にはその自由度は（Ｎ−３）で与えられるため、このベクトルの存在する空間は（Ｎ―３）個の独立な基底と（Ｎ−３）個の自由パラメータで張ることができる。そのような（Ｎ−３）個の独立な基底は例えばＮ×Ｎ行列（ＥＮ−Ｗｓ＋Ｗｓ）をＱＲ分解することにより得ることができる。
【００３１】
そこで（５）式を次のように書き直す。
【００３２】
【数６】
0003881258.tif 000007
【００３３】
ここで、
【数７】
0003881258.tif 000008
は上述した（Ｎ−３）個の独立な基底でその列が構成されるＮ×（Ｎ−３）次元行列、ηは（Ｎ−３）個の自由パラメータから構成される（Ｎ−３）次元ベクトルである。
【数８】
0003881258.tif 000009
は、Ｗｓの零空間への射影行列で、この零空間はＷｓの列空間と直交しているため直交射影行列と呼ぶ。
【００３４】
後述するように（６）式における自由パラメータベクトルηを適切に設定することで、ホイール５の駆動トルク飽和を抑制しながら人工衛星本体６の姿勢角加速度を最大とすることができる。
【００３５】
ここで（６）式における自由パラメータベクトルηを決定するのがホイールトルク生成部４におけるパラメータ決定部４３の働きであり、このパラメータベクトルηを用いて（６）式右辺第２項の直交射影を行うのが直交射影演算部４２の働きである。各ホイールの駆動トルクは（６）式右辺第１項（（３）式で求めた駆動トルク）と（６）式右辺第２項の和で与えられる。
【００３６】
いま、人工衛星本体６をその第１軸（ロール軸）まわりに姿勢変更させる場合を考える。この時、衛星姿勢制御トルクは近似的に次のように表される。
【００３７】
【数９】
0003881258.tif 000010
【００３８】
ここで、Ｉｍｎは人工衛星本体６の慣性行列における第（ｍ，ｎ）成分、ｄ/ｄｔ（ω１）は人工衛星本体６の第１軸まわりの姿勢角加速度である。（７）式から分かるように、姿勢変更においては、慣性行列要素Ｉ１２、Ｉ１３を介して、姿勢変更軸以外の軸にも姿勢制御トルクを必要とする。（７）式を（６）式に代入して整理すると次の関係式を得る。
【００３９】
【数１０】
0003881258.tif 000011
【００４０】
したがって姿勢角加速度を最大とするためには、（８）式の拘束条件の下で姿勢角加速度ｄ/ｄｔ（ω１）を最大とするような自由パラメータベクトルηを決定すればよい。ここで拘束条件（８）式は、変数ｄ/ｄｔ（ω１）、Ｔｗ、ηに関して線形であるため、この問題は線形計画問題として定式化される。問題の定式化は次に記述する通りである。
【００４１】
拘束条件（８）式の下で姿勢角加速度ｄ/ｄｔ（ω１）を最大とする自由パラメータベクトルηを求めよ。ただしホイール駆動トルクＴｗに関しては、その上下限がホイールトルク上下限値により拘束されている。
【００４２】
この問題は、例えば市販の汎用数値解析プログラムＭＡＴＬＡＢの最適化ツールボックス等を用いて容易に解くことができる。こうして求めた最大姿勢角加速度ｄ/ｄｔ（ω１）と、その時の自由パラメータベクトルηをそれぞれｄ/ｄｔ（ω１，ｍａｘ）、ηｍａｘで表す。以下ではηｍａｘを自由パラメータベクトルηの最適基底と呼ぶ。これらを用いて（６）式における自由パラメータベクトルηを次のように決定する。
【００４３】
【数１１】
0003881258.tif 000012
【００４４】
ここで、ｄ/ｄｔ（ω１（ｒｅｆ））は姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部１で生成した姿勢角加速度目標値である。
【００４５】
（９）式における係数αを決定するのがパラメータ決定部４３における基底成分演算部４３１の働きであり、この係数αを最適基底ηｍａｘに乗じて自由パラメータベクトルηを決定するのが基底ベクトル演算部４３２の働きである。
【００４６】
以上のように、本実施の形態においては、パラメータ決定部４３における自由パラメータである係数αを、人工衛星本体６の姿勢角加速度目標値に対して線形に変化させるので、姿勢角加速度目標値が零の場合には自由パラメータηは零となり、姿勢制御トルクの分配は、ホイール配置のみから決定される通常の擬似逆行列のみを用いた（３）式と一致する。これは、従来の分配と同じである。また、姿勢角加速度目標値が大きな領域で、より大きな姿勢制御トルクが必要となる場合には、自由パラメータベクトルηの値はホイール配置と他軸干渉要素から決定される。その結果、姿勢角加速度目標値が大きくなるにしたがって、自由パラメータベクトルηは前述の最適基底ηｍａｘに近づくように最適に調整され、ホイール駆動トルクの飽和を極力抑えるような姿勢制御トルクの分配が行われることになる。
【００４７】
このように、パラメータ決定部４３における自由パラメータベクトルηを、ホイール配置と他軸干渉要素から決定される最適基底に比例して変化させるので、例えば衛星慣性主軸と衛星駆動軸のずれにより駆動軸以外の軸に姿勢制御トルクが必要となる場合においても、ホイール駆動トルクの飽和を極力抑えるような姿勢制御トルクの分配が行われることになる。
【００４８】
これにより人工衛星本体６において、より大きな姿勢角加速度を実現することができるとともに、姿勢変更に要する時間を短縮することができる。
【００４９】
また、このように自由パラメータベクトルηを決定すると、ηの連続性が保証されるため、ホイールに分配される駆動トルクの連続性も保証される。
【００５０】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る人工衛星の姿勢制御装置について図面を参照しながら説明する。実施の形態２に係る人工衛星の姿勢制御装置の全体の構成については、上述の図１と同様であるため、図１を参照し、ここでは、その説明を省略する。なお、本実施の形態においては、ホイール５は、少なくとも５個以上設けられているものとし、この点が上述の実施の形態１と異なる。
【００５１】
図３は、この発明の実施の形態２に係る人工衛星の姿勢制御装置のホイールトルク生成部４の内部の構成を示すブロック図である。図３において、４１はホイール駆動トルクから人工衛星本体の姿勢制御トルクへの変換行列の列空間へ姿勢制御トルクを射影し各ホイールへ分配する射影演算部、４２はホイール駆動トルクから人工衛星本体の姿勢制御トルクへの変換行列の零空間へ射影する直交射影演算部、４４は前記零空間に付随する自由パラメータベクトルを決定するパラメータ決定部である。パラメータ決定部４４はさらに後述する３つのブロックに分けられる。４４１は姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部１の姿勢角加速度目標値から後述する自由パラメータベクトルの最適基底を求める最適基底演算部、４４２は自由パラメータベクトルの最適基底に関する成分を求める基底成分演算部、４４３は基底成分演算部４４２で求めた基底成分を最適基底演算部４４１で求めた最適基底に乗じて自由パラメータベクトルを決定する基底ベクトル演算部である。
【００５２】
次に、この実施の形態２に係る人工衛星の姿勢制御装置の動作について図面を参照しながら説明する。但し、ホイールトルク生成部４以外の動作については実施の形態１と同じため、ここでは説明を省略する。
【００５３】
いま、ホイール５として自立冗長構成されたＮ個（Ｎ≧５）のホイールを用いる場合を考える。人工衛星本体６の各軸姿勢制御トルクをまとめてベクトル表記でＴｂ（３次元列ベクトル）、ホイール５の各軸駆動トルクをまとめてベクトル表記でＴｗ（Ｎ次元列ベクトル）とする。姿勢制御トルクＴｂとホイール駆動トルクＴｗの間には次の関係が成立している。
【００５４】
【数１２】
0003881258.tif 000013
【００５５】
ここで、Ｗｓは（３×Ｎ）次元の横長の行列であり、その要素は人工衛星本体６の姿勢制御軸とホイール５の駆動軸の幾何学的関係から一意に決定される。
【００５６】
姿勢制御トルクＴｂが与えられて、ホイール駆動トルクＴｗを求める場合、（１０）式は３個の拘束条件となるため、Ｎ個のホイールを利用する場合には（Ｎ−３）個の冗長な自由度が残っている。
【００５７】
姿勢制御トルクＴｂからホイール駆動トルクＴｗへの変換は、（１０）式の逆をとって次のように表すことができる。
【００５８】
【数１３】
0003881258.tif 000014
【００５９】
ここで、行列Ｗｓ＋はＷｓの擬似逆行列の一つで、今の場合、冗長自由度を有するため一意には決定されないが、例えば次のように与えられる。
【００６０】
【数１４】
0003881258.tif 000015
【００６１】
また、
【数１５】
0003881258.tif 000016
は、実施の形態１でも述べた（Ｎ−３）個の独立な基底でその列が構成されるＮ×（Ｎ−３）次元行列、ηは（Ｎ−３）個の自由パラメータから構成される（Ｎ−３）次元ベクトルである。
【数１６】
0003881258.tif 000017
は、Ｗｓの零空間への射影行列で、この零空間はＷｓの列空間と直交しているため直交射影行列と呼ぶ。
【００６２】
後述するように（１１）式における自由パラメータベクトルηを適切に設定することで、ホイール５の駆動トルク飽和を抑制しながら人工衛星本体６の姿勢角加速度を最大とすることができる。
【００６３】
ここで（１１）式における自由パラメータベクトルηを決定するのがホイールトルク生成部４におけるパラメータ決定部４４の働きであり、このパラメータベクトルηを用いて（１１）式右辺第２項の直交射影を行うのが直交射影演算部４２の働きである。また人工衛星本体６の姿勢制御トルクを用いて（１１）式右辺第１項の射影演算を行うのが、ホイールトルク生成部４における射影演算部４１の働きである。各ホイールの駆動トルクは（１１）式右辺第１項と（１１）式右辺第２項の和で与えられる。
【００６４】
いま、人工衛星本体６をその第１軸（ロール軸）と第２軸（ピッチ軸）まわりに姿勢変更させる場合を考える。この時、衛星姿勢制御トルクは近似的に次のように表される。
【００６５】
【数１７】
0003881258.tif 000018
【００６６】
ここで、Ｉｍｎは人工衛星本体６の慣性行列における第（ｍ，ｎ）成分、ｄ/ｄｔ（ωｊ）は人工衛星本体６の第ｊ軸まわり（ｊ＝１，２）の姿勢角加速度である。（１３）式から分かるように、姿勢変更においては、慣性行列要素Ｉ１３、Ｉ２３を介して、姿勢変更軸以外の軸にも姿勢制御トルクを必要とする。（１３）式を（１１）式に代入して整理すると次の関係式を得る。
【００６７】
【数１８】
0003881258.tif 000019
【００６８】
したがって、姿勢角加速度を最大とするためには、（１４）式の拘束条件の下で姿勢角加速度［ｄ/ｄｔ（ω１），ｄ/ｄｔ（ω２）］Ｔのノルムを最大とするような自由パラメータベクトルηを決定すればよい。ここで拘束条件（１４）式は、変数ｄ/ｄｔ（ω１）、ｄ/ｄｔ（ω２）、Ｔｗ、ηに関して線形であり、この問題は二次計画問題として定式化される。ただし任意のｄ/ｄｔ（ω１）、ｄ/ｄｔ（ω２）の組み合わせに対する最適なηを決定するには、その都度、上述の最適問題を解かなければならず現実的ではないため、ここでは後述するような近似解法を用いる。
【００６９】
まず、自由パラメータベクトルηの基底を構成するための最適基底を求める。そのために次に示す４つの線形計画問題を定式化する。
【００７０】
［問題１］
次に示す拘束条件（１５）式の下で姿勢角加速度ｄ/ｄｔ（ω１）を最大とする自由パラメータベクトルηを求めよ。ただしホイールトルクＴｗに関しては、その上下限がホイールトルク上下限値により拘束されている。
【００７１】
【数１９】
0003881258.tif 000020
【００７２】
ここで、求めた最大姿勢角加速度ｄ/ｄｔ（ω１）と、その時の自由パラメータベクトルηをそれぞれｄ/ｄｔ（ω１，ｍａｘ）、η１，ｍａｘで表す。
【００７３】
［問題２］
次に示す拘束条件（１６）式の下で姿勢角加速度ｄ/ｄｔ（ω２）を最大とする自由パラメータベクトルηを求めよ。ただしホイールトルクＴｗに関しては、その上下限がホイールトルク上下限値により拘束されている。
【００７４】
【数２０】
0003881258.tif 000021
【００７５】
ここで、求めた最大姿勢角加速度ｄ/ｄｔ（ω２）と、その時の自由パラメータベクトルηをそれぞれｄ/ｄｔ（ω２，ｍａｘ）、η２，ｍａｘで表す。
【００７６】
［問題３］
次に示す拘束条件（１７）式の下で姿勢角加速度の絶対値｜ｄ/ｄｔ（ω１）｜を最大とする自由パラメータベクトルηを求めよ。ただしホイールトルクＴｗに関しては、その上下限がホイールトルク上下限値により拘束されている。
【００７７】
【数２１】
0003881258.tif 000022
【００７８】
ここで求めた最大姿勢角加速度ｄ/ｄｔ（ω１）と、その時の自由パラメータベクトルηをそれぞれｄ/ｄｔ（ω２１，ｍａｘ）、η２１，ｍａｘで表す。
【００７９】
［問題４］
次に示す拘束条件（１８）式の下で姿勢角加速度の絶対値｜ｄ/ｄｔ（ω２）｜を最大とする自由パラメータベクトルηを求めよ。ただしホイールトルクＴｗに関しては、その上下限がホイールトルク上下限値により拘束されている。
【００８０】
【数２２】
0003881258.tif 000023
【００８１】
ここで求めた最大姿勢角加速度ｄ/ｄｔ（ω２）と、その時の自由パラメータベクトルηをそれぞれｄ/ｄｔ（ω１２，ｍａｘ）、η１２，ｍａｘで表す。
【００８２】
なお、これらの問題１から４は、例えば市販の汎用数値解析プログラムＭＡＴＬＡＢの最適化ツールボックス等を用いて容易に解くことができる。
【００８３】
このようにして求めた最適解をｄ/ｄｔ（ω１）−ｄ/ｄｔ（ω２）平面で図示すると、例えば図４のようになる。ここで最適解は原点Ｏについて対称であるため、上述の４つの問題を解くことによってｄ/ｄｔ（ω１）−ｄ/ｄｔ（ω２）平面における８点（図中Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８）が定まることになる。また、この８点それぞれに対して求めた最適基底η＊，ｍａｘが対応している。なお、図４では以後の説明のために、これらの８点を直線で結んでいる。
【００８４】
いま姿勢角加速度目標値ｄ/ｄｔ（ω（ｒｅｆ））＝［ｄ/ｄｔ（ω１（ｒｅｆ）），ｄ/ｄｔ（ω２（ｒｅｆ））］Ｔが図４に示す点Ｐで与えられたとする。この時、原点Ｏから点Ｐへ向かう半直線ＯＰは、最適解を結んだ線分Ｓ１Ｓ２と点Ｑで交わる。
【００８５】
この点Ｑは２つの最適解ｄ/ｄｔ（ω１，ｍａｘ）（点Ｓ１に対応）とｄ/ｄｔ（ω２１，ｍａｘ）（点Ｓ２に対応）の間に存在するため、この姿勢角加速度目標値に対する自由パラメータベクトルηの最適基底を、対応する最適基底η１，ｍａｘとη２１，ｍａｘの線形結合で構成する。いま点Ｑは線分Ｓ１Ｓ２をβ：（１−β）に内分する点とする。この時、自由パラメータベクトルηの最適基底を次のように構成する。
【００８６】
【数２３】
0003881258.tif 000024
【００８７】
この最適基底を用いて（１１）式における自由パラメータベクトルηを次のように決定する。
【００８８】
【数２４】
0003881258.tif 000025
【００８９】
ここでｄ/ｄｔ（ωｍａｘ）は点Ｑに対応するｄ/ｄｔ（ω１）、ｄ/ｄｔ（ω２）の値から構成される２次元ベクトルである。
【００９０】
（１９）式における最適基底ηｍａｘを決定するのがパラメータ決定部４４における最適基底演算部４４１の働きである。また（２０）式における係数αを決定するのが基底成分演算部４４２の働きであり、この係数αを最適基底ηｍａｘに乗じて自由パラメータベクトルηを決定するのが基底ベクトル演算部４４３の働きである。
【００９１】
以上のように、本実施の形態においては、パラメータ決定部４４における自由パラメータである係数αを、人工衛星本体６の姿勢角加速度目標値のノルムに対して線形に変化させるので、姿勢角加速度目標値が零の場合には自由パラメータηは零となり、姿勢制御トルクの分配は、通常の擬似逆行列のみを用いた場合（（１０）式右辺第１項）と一致する。これは従来のホイール配置のみから決定される分配と同じである。また、姿勢角加速度目標値が大きな領域で、より大きな姿勢制御トルクが必要となる場合には、自由パラメータベクトルηは、ホイール配置と他軸干渉要素から決定される。その結果、姿勢角加速度目標値が大きくなるにしたがって、自由パラメータベクトルηは、前述の最適基底ηｍａｘに近づいて最適に調整され、ホイール駆動トルクの飽和を極力抑えるような姿勢制御トルクの分配が行われることになる。
【００９２】
このように、パラメータ決定部４４における自由パラメータベクトルηをホイール配置と他軸干渉要素から決定される最適基底の線形結合で構成される基底に比例して変化させるので、例えば衛星慣性主軸と衛星駆動軸のずれにより駆動軸以外の軸に姿勢制御トルクが必要となる場合においても、ホイール駆動トルクの飽和を極力抑えるような姿勢制御トルクの分配が行われることになる。
【００９３】
これにより人工衛星本体６において、より大きな姿勢角加速度を実現することができるとともに、姿勢変更に要する時間を短縮することができる。
【００９４】
また、このように自由パラメータベクトルηを決定すると、ηの連続性が保証されるため、ホイールに分配される駆動トルクの連続性も保証される。
【００９５】
実施の形態３．
本実施の形態においては、人工衛星に外乱トルクが作用し、姿勢制御トルクに外乱補償項が必要となる場合に、上述した実施の形態１で述べた手法を、自由パラメータベクトルηの最適基底の構成を変更することによって容易に対処する方法について説明する。例えば次のようにすればよい。なお、本実施の形態の基本的な構成については、上述した図１および図２に示したものと同様であるため、ここでは、その説明を省略する。
【００９６】
いま人工衛星本体６をその第１軸（ロール軸）まわりに姿勢変更させる場合を考える。この時、衛星姿勢制御トルクは近似的に次のように表される。
【００９７】
【数２５】
0003881258.tif 000026
【００９８】
ここで、Ｉｍｎは人工衛星本体６の慣性行列における第（ｍ，ｎ）成分、ｄ/ｄｔ（ω１）は人工衛星本体６の第１軸まわりの姿勢角加速度、Ｔｄは人工衛星本体６に作用する外乱トルクである。（２１）式を（６）式に代入して整理すると次の関係式を得る。
【００９９】
【数２６】
0003881258.tif 000027
【０１００】
したがって、姿勢角加速度を最大とするためには、（２２）式の拘束条件の下で姿勢角加速度ｄ/ｄｔ（ω１）を最大とするような自由パラメータベクトルηを決定すればよい。ここで拘束条件（２２）式は、変数ｄ/ｄｔ（ω１）、Ｔｗ、ηに関して線形であるため、この問題は線形計画問題として定式化される。問題の定式化は次に記述する通りである。
【０１０１】
拘束条件（２２）式の下で姿勢角加速度ｄ/ｄｔ（ω１）を最大とする自由パラメータベクトルηを求めよ。ただしホイールトルクＴｗに関しては、その上下限がホイールトルク上下限値により拘束されている。
【０１０２】
この問題は、例えば市販の汎用数値解析プログラムＭＡＴＬＡＢの最適化ツールボックス等を用いて容易に解くことができる。こうして求めた最大姿勢角加速度ｄ/ｄｔ（ω１）と、その時の自由パラメータベクトルηをそれぞれｄ/ｄｔ（ω１，ｍａｘ）、ηｍａｘで表す。以降の処理は実施の形態１で述べたのと同様である。
【０１０３】
以上のように、本実施の形態においては、パラメータ決定部４３における自由パラメータである係数αを、人工衛星本体６の姿勢角加速度目標値に対して線形に変化させるので、姿勢角加速度目標値が零の場合には自由パラメータηは零となり、姿勢制御トルクの分配は通常の擬似逆行列のみを用いた（３）式と一致する。これは従来のホイール配置のみから決定される分配と同じである。また姿勢角加速度目標値が大きくなり、より大きな姿勢制御トルクが必要となる場合には、自由パラメータベクトルηは、ホイール配置と他軸干渉要素と外乱要素から決定されて、その結果、姿勢角加速度目標値が大きくなるにしたがって、前述の最適基底ηｍａｘに近づくように最適に調整され、ホイール駆動トルクの飽和を極力抑えるような姿勢制御トルクの分配が行われることになる。
【０１０４】
このように自由パラメータベクトルηをホイール配置と他軸干渉要素と外乱要素から決定される最適基底に比例して変化させるので、例えば衛星慣性主軸と衛星駆動軸のずれにより駆動軸以外の軸に姿勢制御トルクが必要となる場合や、衛星に作用する外乱トルクにより姿勢制御トルクに外乱補償項が必要となる場合においても、ホイール駆動トルクの飽和を極力抑えるような姿勢制御トルクの分配が行われることになる。
【０１０５】
これにより人工衛星本体６において、より大きな姿勢角加速度を実現することができるとともに、姿勢変更に要する時間を短縮することができる。
【０１０６】
また、このように自由パラメータベクトルηを決定すると、ηの連続性が保証されるため、ホイールに分配される駆動トルクの連続性も保証される。
【０１０７】
実施の形態４．
本実施の形態においては、人工衛星に外乱トルクが作用し、姿勢制御トルクに外乱補償項が必要となる場合に、上述した実施の形態２で述べた手法を、自由パラメータベクトルηの最適基底の構成を変更することによって容易に対処する方法について説明する。例えば次のようにすればよい。なお、本実施の形態の基本的な構成については、上述した図１および図３に示したものと同様であるため、ここでは、その説明を省略する。
【０１０８】
いま人工衛星本体６をその第１軸（ロール軸）と第２軸（ピッチ軸）まわりに姿勢変更させる場合を考える。この時、衛星姿勢制御トルクは近似的に次のように表される。
【０１０９】
【数２７】
0003881258.tif 000028
【０１１０】
ここで、Ｉｍｎは人工衛星本体６の慣性行列における第（ｍ，ｎ）成分、ｄ/ｄｔ（ωｊ）は人工衛星本体６の第ｊ軸まわり（ｊ＝１，２）の姿勢角加速度、Ｔｄは人工衛星本体６に作用する外乱トルクである。（２３）式を（１１）式に代入して整理すると次の関係式を得る。
【０１１１】
【数２８】
0003881258.tif 000029
【０１１２】
したがって姿勢角加速度を最大とするためには、（２４）式の拘束条件の下で姿勢角加速度［ｄ/ｄｔ（ω１），ｄ/ｄｔ（ω２）］Ｔのノルムを最大とするような自由パラメータベクトルηを決定すればよい。ここで拘束条件（１４）式は、変数ｄ/ｄｔ（ω１）、ｄ/ｄｔ（ω２）、Ｔｗ、ηに関して線形であり、この問題は二次計画問題として定式化される。ただし任意のｄ/ｄｔ（ω１）、ｄ/ｄｔ（ω２）の組み合わせに対する最適なηを決定するには、その都度、上述の最適問題を解かなければならず現実的ではないため、ここでは後述するような近似解法を用いる。
【０１１３】
まず、自由パラメータベクトルηの基底を構成するための最適基底を求める。そのために次に示す４つの線形計画問題を定式化する。
【０１１４】
［問題１］
次に示す拘束条件（２５）式の下で姿勢角加速度ｄ/ｄｔ（ω１）を最大とする自由パラメータベクトルηを求めよ。ただしホイールトルクＴｗに関しては、その上下限がホイールトルク上下限値により拘束されている。
【０１１５】
【数２９】
0003881258.tif 000030
【０１１６】
ここで求めた最大姿勢角加速度ｄ/ｄｔ（ω１）と、その時の自由パラメータベクトルηをそれぞれｄ/ｄｔ（ω１，ｍａｘ）、η１，ｍａｘで表す。
【０１１７】
［問題２］
次に示す拘束条件（２６）式の下で姿勢角加速度ｄ/ｄｔ（ω２）を最大とする自由パラメータベクトルηを求めよ。ただしホイールトルクＴｗに関しては、その上下限がホイールトルク上下限値により拘束されている。
【０１１８】
【数３０】
0003881258.tif 000031
【０１１９】
ここで求めた最大姿勢角加速度ｄ/ｄｔ（ω２）と、その時の自由パラメータベクトルηをそれぞれｄ/ｄｔ（ω２，ｍａｘ）、η２，ｍａｘで表す。
【０１２０】
［問題３］
次に示す拘束条件（２７）式の下で姿勢角加速度の絶対値｜ｄ/ｄｔ（ω１）｜を最大とする自由パラメータベクトルηを求めよ。ただしホイールトルクＴｗに関しては、その上下限がホイールトルク上下限値により拘束されている。
【０１２１】
【数３１】
0003881258.tif 000032
【０１２２】
ここで求めた最大姿勢角加速度ｄ/ｄｔ（ω１）と、その時の自由パラメータベクトルηをそれぞれｄ/ｄｔ（ω２１，ｍａｘ）、η２１，ｍａｘで表す。
【０１２３】
［問題４］
次に示す拘束条件（２８）式の下で姿勢角加速度の絶対値｜ｄ/ｄｔ（ω２）｜を最大とする自由パラメータベクトルηを求めよ。ただしホイールトルクＴｗに関しては、その上下限がホイールトルク上下限値により拘束されている。
【０１２４】
【数３２】
0003881258.tif 000033
【０１２５】
ここで求めた最大姿勢角加速度ｄ/ｄｔ（ω２）と、その時の自由パラメータベクトルηをそれぞれｄ/ｄｔ（ω１２，ｍａｘ）、η１２，ｍａｘで表す。
【０１２６】
なお、これらの問題１から４は、例えば市販の汎用数値解析プログラムＭＡＴＬＡＢの最適化ツールボックス等を用いて容易に解くことができる。
【０１２７】
以降の処理は実施の形態２と同じで、このようにして求めた最適基底の線形結合で自由パラメータベクトルηの最適基底を構成し、自由パラメータベクトルηを決定する。
【０１２８】
以上のように、本実施の形態においては、パラメータ決定部４４における自由パラメータである係数αを、人工衛星本体６の姿勢角加速度目標値のノルムに対して線形に変化させるので、姿勢角加速度目標値が零の場合には自由パラメータηは零となり、姿勢制御トルクの分配は通常の擬似逆行列のみを用いた場合（（１１）式右辺第１項）と一致する。これは従来のホイール配置のみから決定される分配と同じである。また、姿勢角加速度目標値が大きくなり、より大きな姿勢制御トルクが必要となる場合には、自由パラメータベクトルηは、ホイール配置と他軸干渉要素と外乱要素から決定され、その結果、姿勢角加速度目標値が大きくなるにしたがって、前述の最適基底ηｍａｘに近づくように最適に調整され、ホイール駆動トルクの飽和を極力抑えるような姿勢制御トルクの分配が行われることになる。
【０１２９】
このように、パラメータ決定部４４における自由パラメータベクトルηをホイール配置と他軸干渉要素と外乱要素から決定される最適基底の線形結合で構成される基底に比例して変化させるので、衛星慣性主軸と衛星駆動軸のずれにより駆動軸以外の軸に姿勢制御トルクが必要となる場合や、衛星に作用する外乱トルクにより姿勢制御トルクに外乱補償項が必要となる場合においても、ホイール駆動トルクの飽和を極力抑えるような姿勢制御トルクの分配が行われることになる。
【０１３０】
これにより人工衛星本体６において、より大きな姿勢角加速度を実現することができるとともに、姿勢変更に要する時間を短縮することができる。
【０１３１】
また、このように自由パラメータベクトルηを決定すると、ηの連続性が保証されるため、ホイールに分配される駆動トルクの連続性も保証される。
【０１３２】
【発明の効果】
この発明は、人工衛星本体に設けられ、前記人工衛星本体の姿勢制御を行うための少なくとも４個のホイールと、前記人工衛星本体の姿勢角と姿勢角速度と姿勢角加速度の目標値を生成する姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部と、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部の目標値出力に基づいて、前記人工衛星本体の姿勢変更を行うための姿勢制御トルクを生成する姿勢制御トルク生成部と、前記人工衛星本体の姿勢角および姿勢角速度を、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部の目標値出力に近づけるようにフィードバック制御を行う姿勢制御演算部と、前記姿勢制御トルク生成部から出力される前記姿勢制御トルクに、前記姿勢制御演算部から出力されるフィードバック制御トルクを加えて得られる補償された姿勢制御トルクと、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部から出力される前記姿勢角加速度目標値とから、前記ホイールを駆動させるための駆動トルクを生成するホイールトルク生成部とを備え、前記ホイールトルク生成部が、補償された前記姿勢制御トルクを、前記ホイールの駆動トルクから前記姿勢制御トルクへ変換するための変換行列の列空間へ射影する射影演算部と、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部から出力される前記姿勢角加速度目標値に基づいて、前記変換行列の零空間を張る基底に関する成分を要素とする自由パラメータベクトルを決定するパラメータ決定部と、前記自由パラメータベクトルを用いて、前記変換行列の零空間におけるホイールトルク成分を決定する直交射影演算部とを備え、前記パラメータ決定部における前記自由パラメータベクトルが前記姿勢角加速度目標値に対して線形に変化するとともに、前記自由パラメータベクトルがホイール配置と姿勢変更に伴う他軸干渉要素から決定される姿勢角加速度を最大化する最適基底に比例して変化する人工衛星の姿勢制御装置であるので、ホイール駆動トルクの飽和を抑えるような姿勢制御トルクの分配を行うことが可能である。
【０１３３】
また、前記パラメータ決定部における自由パラメータベクトルが、ホイール配置と姿勢変更に伴う他軸干渉要素と人工衛星に作用する外乱要素とから決定される姿勢角加速度を最大化する最適基底に比例して変化するようにしたので、人工衛星に外乱トルクが作用した場合においても、ホイール駆動トルクの飽和を抑えるような姿勢制御トルクの分配を行うことが可能である。
【０１３４】
また、この発明は、人工衛星本体に設けられ、前記人工衛星本体の姿勢制御を行うための少なくとも５個のホイールと、前記人工衛星本体の姿勢角と姿勢角速度と姿勢角加速度の目標値を生成する姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部と、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部の目標値出力に基づいて、前記人工衛星本体の姿勢変更を行うための姿勢制御トルクを生成する姿勢制御トルク生成部と、前記人工衛星本体の姿勢角および姿勢角速度を、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部の目標値出力に近づけるようにフィードバック制御を行う姿勢制御演算部と、前記姿勢制御トルク生成部から出力される前記姿勢制御トルクに、前記姿勢制御演算部から出力されるフィードバック制御トルクを加えて得られる補償された姿勢制御トルクと、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部から出力される前記姿勢角加速度目標値とから、前記ホイールを駆動させるための駆動トルクを生成するホイールトルク生成部とを備え、前記ホイールトルク生成部が、補償された前記姿勢制御トルクを、前記ホイールの駆動トルクから前記姿勢制御トルクへ変換するための変換行列の列空間へ射影する射影演算部と、前記姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部から出力される前記姿勢角加速度目標値に基づいて、前記変換行列の零空間を張る基底に関する成分を要素とする自由パラメータベクトルを決定するパラメータ決定部と、前記自由パラメータベクトルを用いて、前記変換行列の零空間におけるホイールトルク成分を決定する直交射影演算部とを備え、前記パラメータ決定部における自由パラメータベクトルが前記姿勢角加速度目標値のノルムに対して線形に変化するとともに、前記自由パラメータベクトルがホイール配置と姿勢変更に伴う他軸干渉要素から決定される姿勢角加速度を最大化する最適基底の線形結合量に比例して変化する人工衛星の姿勢制御装置であるので、ホイール駆動トルクの飽和を抑えるような姿勢制御トルクの分配を行うことが可能である。
【０１３５】
また、前記パラメータ決定部における自由パラメータベクトルが、ホイール配置と姿勢変更に伴う他軸干渉要素と人工衛星に作用する外乱要素とから決定される姿勢角加速度を最大化する最適基底の線形結合量に比例して変化するようにしたので、人工衛星に外乱トルクが作用した場合においても、ホイール駆動トルクの飽和を抑えるような姿勢制御トルクの分配を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１〜４に係る人工衛星の姿勢制御装置の全体の構成を示したブロック図である。
【図２】  本発明の実施の形態１及び３に係る人工衛星の姿勢制御装置に設けられたホイールトルク生成部の構成を示したブロック図である。
【図３】  本発明の実施の形態２及び４に係る人工衛星の姿勢制御装置に設けられたホイールトルク生成部の構成を示したブロック図である。
【図４】  本発明の実施の形態２に係る人工衛星の姿勢制御装置に設けられたホイールトルク生成部におけるパラメータ決定部の動作を示した説明図である。
【図５】  従来の人工衛星の姿勢制御装置に設けられたホイールトルク生成部の構成を示したブロック図である。
【符号の説明】
１  姿勢角・角速度・角加速度目標値生成部、２  姿勢制御トルク生成部、３姿勢制御演算部、４  ホイールトルク生成部、５  ホイール、６  人工衛星本体、４１  射影演算部、４２  直交射影演算部、４３，４４  パラメータ決定部、１１１  ホイールトルク生成部、１１２  トルク分配則部、１１３  付加トルク生成部、１１４  射影演算部、１１５  トルク比較部、１１６  トルク最分配部、４３１  基底成分演算部、４３２  基底ベクトル演算部、４４１  最適基底演算部、４４２  基底成分演算部、４４３  基底ベクトル演算部。
【図１】
0003881258.tif 000034
【図２】
0003881258.tif 000035
【図３】
0003881258.tif 000036
【図４】
0003881258.tif 000037
【図５】
0003881258.tif 000038