(57)【要約】【課題】  スラスタの推薬の消費を抑えながら、太陽放射圧トルク外乱により発生するモーメンタムホイールの余剰蓄積モーメンタムを除去するアンローディング装置を得ることを目的とする。【解決手段】  モーメンタムホイールの余剰蓄積モーメンタムを打ち消す方向に太陽放射圧によるトルクが発生するように、人工衛星の両翼に複数配列された太陽電池の中から、通電もしくは非通電させる太陽電池を選択するアンローディング装置を設ける。【選択図】      図２
2009214603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モーメンタムホイールの余剰蓄積モーメンタムを打ち消す方向に太陽放射圧によるトルクが発生するように、人工衛星の両翼に複数配列された太陽電池の中から、通電もしくは非通電させる太陽電池を選択するアンローディング装置。
【請求項２】
人工衛星の姿勢を制御するリアクションホイールと、  
複数の太陽電池が配列されて構成され、人工衛星における両翼の太陽電池パドルに搭載される太陽電池パネルと、
上記それぞれの太陽電池の発生電流を負荷に供給するとともに、当該太陽電池の通電及び非通電を制御するシーケンシャルシャント装置と、
上記リアクションホイールの余剰蓄積モーメンタムを打ち消す方向に太陽放射圧によるトルクが発生するように、上記シーケンシャルシャント装置による上記太陽電池の通電もしくは非通電位置を制御するアンローディング装置と、
を備えた人工衛星。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、モーメンタムホイールの蓄積モーメンタムを除去するアンローディング装置及び人工衛星に関する。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星の太陽電池パドルは、複数の太陽電池がアレイ状に配列された太陽電池パネルを搭載している。この太陽電池パネルの受光面が太陽を向くように太陽電池パドルを回転させることで、人工衛星（以下、衛星）の搭載機器に電力供給が行われる。この太陽電池の電力制御には、一般に、シーケンシャルシャント装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２１４９３９号公報
【０００４】
また、衛星には、姿勢制御用アクチュエータとして、複数のリアクションホイールが利用されている。地球を周回する人工衛星は、太陽放射圧トルク、地磁気トルク、重力傾度トルク等の外乱トルクを受けている。この外乱トルクによる姿勢変動を抑制するため、リアクションホイールの角速度を増して外乱トルクを打ち消す制御が行われる。この際、リアクションホイールの回転数には限界があるので、その回転数を一定に落とすアンローディングが行われ、外乱トルクにより蓄積される余剰蓄積モーメンタム（角運動量）を取り除く処置がなされる（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献２】特開平１０−２８７２９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、リアクションホイールのアンローディングを行う場合、スラスタの噴射により衛星にトルクを作用させる必要があり、アンローディングの都度、スラスタの推薬が消費されるという問題があった。
【０００７】
なお、太陽放射圧トルク外乱により発生する蓄積モーメンタムは、地球の公転や衛星軌道変化による季節変動が大きいが、季節に応じて周期的に変化する。特に、地球の静止軌道を航行する人工衛星の場合、地磁気トルク、重力傾度トルクに比べて、この太陽放射圧トルクによる外乱の影響度が大きいことが知られている。
【０００８】
この発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、スラスタの推薬の消費を抑えながら、太陽放射圧トルク外乱により発生するモーメンタムホイールの余剰蓄積モーメンタムを除去するアンローディング装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明によるアンローディング装置は、ホイールの余剰蓄積モーメンタムを打ち消す方向に太陽放射圧によるトルクが発生するように、人工衛星の両翼に複数配列された太陽電池の中から通電もしくは非通電させる太陽電池を選択するものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、人工衛星における両翼の太陽電池パドルの太陽光圧を制御して姿勢トルクを発生させることで、モーメンタムホイールの蓄積モーメンタムを制御することを目的とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下、図を用いてこの発明に係る実施の形態１について説明する。
図１は実施の形態１による人工衛星（以下、衛星）の構成を示す概念図である。また、図２は実施の形態１による衛星の構成を示す機能ブロック図である。
図において、衛星１は、２つの太陽電池パドル３ａ、３ｂと、リアクションホイール６と、シーケンシャルシャント装置７と、姿勢制御装置８を備えている。太陽電池パドル３ａ、３ｂは衛星本体の両翼にそれぞれ配置され、太陽電池パネル（ソーラアレイとも呼ぶ）２ａ、２ｂをそれぞれ搭載している。また、各太陽電池パネル２ａ、２ｂは、太陽電池パドル３ａ、３ｂのパネル取り付け平面上に搭載される。各太陽電池パネル２ａ、２ｂは、矩形の薄膜平面状の太陽電池（太陽電池セルとも呼ぶ）４を縦横に複数個２次元配列して構成される。すなわち、太陽電池パドル３ａ、３ｂの２次元平面を複数の２次元ブロックに別けると、ブロック毎に一纏まりの太陽電池４が接続されて配置されている。太陽電池パネル２ａ、２ｂは太陽電池の受光面（セル面）に太陽光を受けて電力を発生する。
【００１２】
各太陽電池４は、各太陽電池の２次元ブロック（以下、太陽電池ブロックと呼ぶ）の単位でシーケンシャルシャント装置７に並列に接続され、シーケンシャルシャント制御が行われる。太陽電池４で発生した電力は、シーケンシャルシャント装置７を介してバッテリに供給されるとともに、その余剰電力もしくはバッテリに蓄電された電力が衛星１の各種搭載機器に供給される。シーケンシャルシャント装置７は、衛星１の各種搭載機器（負荷）の消費電力と太陽電池４の発生電力とのバランスを取り、過電流がバッテリや負荷に供給されないように、太陽電池４の発生電力の一部をシャントする。シーケンシャルシャント装置７はシャント素子とスイッチで構成され、シャント素子により余剰電力を消費するとともに、スイッチ回路により各太陽電池４との接続をオンオフし、太陽電池４の通電を制御する。この際、シーケンシャルシャント装置７は太陽電池毎に通電及び非通電を制御することができるので、シーケンシャルシャント装置７を制御することで、太陽電池パネルの中から、通電する太陽電池と非通電する太陽電池を、太陽電池パネルを構成する太陽電池のブロック単位で選択的に指定することができる。太陽電池パドル３ａ、３ｂは太陽電池パネル２ａ、２ｂの受光面が太陽を向くように、その回転軸５がパドル駆動部１１によって回転制御される。
【００１３】
リアクションホイール６は衛星１に４つ設けられて四角錘の斜辺を成すように斜交配置され、衛星１の３軸（ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸）の姿勢を変化させる。図１では説明の都合上、リアクションホイール６を２つ設けた例を図示している。リアクションホイールの配置や数はこれに限られたものではない。
レートジャイロやスターセンサなどの姿勢検出センサは、衛星１の姿勢を計測する。姿勢制御装置８は、衛星１の軌道と姿勢検出センサで計測される衛星１の姿勢とパドル駆動部１１により検出されるパドル回転角に基づいて、衛星１が所望の姿勢及び角速度を得るようにリアクションホイール６に対して駆動制御信号を供給し、衛星１を姿勢制御する。また、姿勢制御装置８はリアクションホイール６からの出力信号としてその角速度が入力され、衛星１の３軸周りの各角運動量を計測することで、リアクションホイール６の蓄積モーメンタム量を求めることができる。
なお、衛星１の軌道や姿勢変化、及び衛星に作用する外乱が安定しているときは、衛星１の軌道位置や太陽電池パドル３ａ、３ｂの回転角に基づいて、リアクションホイール６の蓄積モーメンタム量を求めても良い。
【００１４】
姿勢制御装置８はアンローディング装置１０を備えている。アンローディング装置１０はリアクションホイール６の蓄積モーメンタム量に基づいて、外乱により生じた所定のモーメンタム以上の余剰蓄積モーメンタムを求める。アンローディング装置１０は、この余剰蓄積モーメンタムを打ち消すように、シーケンシャルシャント装置７による太陽電池パネル２ａ、２ｂにおける太陽電池の通電及び非通電位置を制御し、衛星両翼の太陽電池パネル２ａ、２ｂに対しそれぞれ有意に太陽放射圧トルクを与えることで、リアクションホイール６のアンローディングを行う。
【００１５】
図３はアンローディング装置のデータ処理フローを示す図であり、太陽電池４の発生電力、衛星搭載機器（負荷）の消費電力及びリアクションホイール６の蓄積モーメンタムを算出してから、太陽電池パネル２ａ、２ｂにおいてシャントを行う適切な太陽電池４のブロックを決定するまでの処理過程を示している。また、図４は実施の形態１によるアンローディング装置の動作について説明する図である。
【００１６】
図３において、シーケンシャルシャント装置７は、太陽電池４の発生電力をモニタし（ステップＳ１）、衛星搭載機器（負荷）の消費電力をモニタする（ステップＳ２）。このモニタした発生電力と消費電力の差から、余剰電力を消費するためのシャント量と、非通電とすべき太陽電池のブロック数を決定する（ステップＳ３）。
また、アンローディング装置１０はリアクションホイール６の蓄積モーメンタムを計測し（ステップＳ４）、上記シャント量及びブロック数決定時の蓄積モーメンタムと所定のモーメンタム目標値との差から、余剰蓄積モーメンタムを求め、この余剰蓄積モーメンタムを打ち消すために発生する発生トルク量の制御目標値を求める（ステップＳ５）。
【００１７】
次に、シャントした際に、太陽電池パネル２ａ、２ｂの受ける太陽放射圧による発生トルク量が制御目標値に近づくように、軌道位置における太陽の入射方向と太陽電池パドル３ａ、３ｂの回転角（太陽電池パネル２ａ、２の受光面方向）に基づいて、シャントすべき太陽電池４のブロック位置を順に選択する（ステップＳ６）。この太陽電池パネル２ａ、２ｂにおけるシャント位置の設定に基づき、シャント位置に対応する選択したブロックの太陽電池４をシャントする（ステップＳ７）。この太陽電池４のシャントにより、衛星本体に対し、太陽放射圧トルク差による姿勢回転トルクＴｐ、Ｔｒｙを発生することができる。この姿勢回転トルクを利用して、衛星１のリアクションホイール６に蓄積されている余剰蓄積モーメンタムをアンローディングすることができる。なお、姿勢回転トルクＴｒｙは、太陽電池パドル３ａ、３ｂの回転角によってロール軸およびヨー軸への方向成分が決まる。
【００１８】
図４において、ヨー軸またはロール軸周りのリアクションホイール６が余剰蓄積モーメンタム２０を得て、ピッチ軸周りのリアクションホイール６が余剰蓄積モーメンタム２１を得ている例を示している。このとき、シャント量と軌道位置における太陽の入射方向と太陽電池パネル２ａ、２ｂの受光面方向に基づき、ヨー軸またはロール軸周りに姿勢回転トルクＴｒｙを与え、かつピッチ軸周りに姿勢回転トルクＴｐを与えるように、非通電としてシャントすべき太陽電池ブロックの位置として、ブロック領域５０を選択指定している。また、ブロック領域５０以外の太陽電池４はシャントせず通電状態となっており、通電状態の太陽電池と非通電状態の太陽電池との太陽放射圧の差圧に従い、太陽放射圧トルクの差による姿勢回転トルクが発生している。この際、非通電状態の太陽電池の方が、通電状態の太陽電池よりも太陽放射圧が大きくなり、図における片翼の太陽電池パネル２ａの方が他の片翼の太陽電池パネル２ｂよりも大きな太陽放射圧トルクを受け、この太陽放射圧トルク差により、図示のようにリアクションホイール６の蓄積モーメンタムを減少させる姿勢回転トルクを発生する。アンローディング装置１０は、この姿勢回転トルクの発生させることで、リアクションホイール６の余剰蓄積モーメンタムを除去することができる。
【００１９】
図５は太陽電池パネルにおける太陽電池ブロックの選択例を示す図であり、（ａ）はピッチ軸周りの姿勢回転トルクＴｐを与える場合の太陽電池ブロックの選択例を示し、（ｂ）はロール及びヨー軸周りの姿勢回転トルクＴｐを与える場合の太陽電池ブロックの選択例を示す。図中、横軸の符号１、２、３、４は横列の太陽電池ブロック位置を示し、縦軸の符号ａ、ｂは縦行の太陽電池ブロック位置を示し、太陽電池パネル間の黒丸は衛星１の重心位置を示す。
【００２０】
図５（ａ）の例では、アンローディング装置１０がシーケンシャルシャント装置７を制御して、太陽電池ブロック１ａ、２ａ、３ａ、６ａ、７ａ、８ａをシャントにより非通電とすべき太陽電池として選択し、他の太陽電池ブロックは通電すべき太陽電池として選択している。これにより、ピッチ軸周りの姿勢回転トルクＴｐを与えることができる。
図５（ｂ）の例では、アンローディング装置１０がシーケンシャルシャント装置７を制御して、太陽電池ブロック１ａ、２ａ、１ｂ、２ｂをシャントにより非通電とすべき太陽電池として選択し、他の太陽電池ブロックは通電すべき太陽電池として選択している。これにより、ロール軸またはヨー軸周りの姿勢回転トルクＴｒｙを与えることができる。
【００２１】
図６は太陽電池パネルの熱光学特性の例を示す表である。太陽電池パネルにおけるセル面の、発電時と非発電時における太陽光の吸収率は、０．０８〜０．０９程度の違いを生ずる。例えば、衛星１の両翼の太陽電池パドルにおける太陽電池パネルのセル面に、太陽光が正対し、片翼の太陽電池パネルが全体で発電し、もう片翼の太陽電池パネルが全く発電しなかった場合、全長約３０ｍ程度の標準的な静止通信衛星で、パドルの長手方向に約８．６×１０−５Ｎｍの姿勢回転トルクが生ずる。
これにより、１日に蓄積される角運動量は約７．５Ｎｍｓとなり、これを全て蓄積角運動量の制御に利用出来た場合、ホイールアンローディングの回数が減ることにより、例えば１０年で約３０ｋｇの推薬量の軽減を図ることができる。
なお、丸１日連続して、太陽電池パネルの受光面を太陽光に正対させることができない場合は、太陽光に正対する軌道上の所定位置で、アンローディング装置１０が段階的にアンローディングを実施しても良い。
【００２２】
従来は、太陽光圧による姿勢回転トルクあるいはそれにより発生する蓄積モーメンタムは全く利用されていなかった。しかし、この実施の形態によるアンローディング装置１０は、シーケンシャルシャント装置７を用いて太陽電池の通電・非通電位置を選択し、両翼の太陽電池パドルに発生する太陽放射圧トルク差を利用して所望の姿勢回転トルクを発生させることで、リアクションホイール６の蓄積モーメンタムを制御することができる。
【００２３】
以上説明したとおり、この実施の形態１によるアンローディング装置１０は、ホイールの余剰蓄積モーメンタムを打ち消す方向に太陽放射圧による姿勢回転トルクが発生するように、人工衛星の両翼に複数配列された太陽電池の中から、通電もしくは非通電させる太陽電池を選択することを特徴とする。
【００２４】
また、人工衛星の姿勢を制御するリアクションホイール６と、複数の太陽電池４が配列されて構成され、人工衛星における両翼の太陽電池パドル３ａ、３ｂに搭載される太陽電池パネル２ａ、２ｂと、それぞれの太陽電池４の発生電流をバッテリ及び人工衛星搭載機器（負荷）に供給するとともに、太陽電池４の通電及び非通電を制御するシーケンシャルシャント装置７と、リアクションホイール６の余剰蓄積モーメンタムを打ち消す方向に太陽放射圧トルク差による姿勢回転トルクが発生するように、シーケンシャルシャント装置７による太陽電池４の通電もしくは非通電位置を制御するアンローディング装置１０を備えて、衛星１を構成することを特徴とする。
【００２５】
これにより、人工衛星における両翼の太陽電池パドルの太陽放射圧を制御して姿勢回転トルクを発生させることで、太陽放射圧トルク外乱により発生するリアクションホイール６の余剰蓄積モーメンタムを除去するアンローディング装置１０を得ることができる。また、スラスタの推薬の消費を抑えながら、リアクションホイールの蓄積モーメンタムを制御することができる。
【００２６】
なお、この実施の形態１では、アンローディング装置１０を姿勢制御装置８の内部の設けたが、アンローディング装置１０を姿勢制御装置８の外部に設置しても良い。また、モーメンタムホイールとしてリアクションホイールを用いる例について説明したが、モーメンタムホイールとしてコントロールモーメンタムジャイロ（ＣＭＧ）のような他のホイールが用いられても良く、同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】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概念図である。
【図２】この発明に係る実施の形態１による人工衛星の機能構成を示すブロック図である。
【図３】この発明に係る実施の形態１によるアンローディング装置のデータ処理フローを示す図である。
【図４】この発明に係る実施の形態１によるアンローディング装置の動作について説明する図である。
【図５】太陽電池パネルにおける太陽電池ブロックの選択例を示す図である。
【図６】太陽電池パネルの熱光学特性の例を示す表である。
【符号の説明】
【００２８】
１  人工衛星（衛星）、２ａ、２ｂ  太陽電池パネル、３ａ、３ｂ  太陽電池パドル、４  太陽電池、６  リアクションホイール、７  シーケンシャルシャント装置、８  姿勢制御装置、９  姿勢検出センサ、１０  アンローディング装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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