(57)【要約】【課題】  冗長系の衛星搭載制御システムでは、主系の制御装置で故障等が発生した場合、従系の制御器に切り替わる。しかし従系への切り替わりの際に、主系で用いていた制御用データが従系に引き継がれないため、空間飛行体の姿勢や軌道が安定状態に復帰するまでに時間を要するという問題があった。【解決手段】  地上から定期的に送信される衛星の軌道情報に基づき、主系ＡＯＣＥの演算処理部は衛星の軌道の算出を行い、ＤＨＵは主系ＡＯＣＥが軌道算出に使用した衛星の軌道情報を保存する。ＡＯＣＥ切替時はＤＨＵから従系ＡＯＣＥに保存した衛星の軌道情報を送信する。これにより、従系ＡＯＣＥ切替時において速やかに衛星の姿勢制御を行うことが可能となる。【選択図】  図１
2009220768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一構成からなる主系と従系の制御装置と、前記主系と従系の制御装置の各々と接続し異常検知時に前記主系の制御装置と前記従系の制御装置とを切り替える処理計算機と、を備えた２系の冗長系を成す衛星搭載用制御システムであって、
前記主系および従系の制御装置は、地上から送信される衛星の軌道パラメータと、時刻情報とに基づき前記衛星の軌道を算出するプログラムを備え、
前記処理計算機は、前記制御装置が前記衛星の軌道の算出に使用する前記衛星の軌道パラメータと前記時刻情報と同一の前記衛星の軌道パラメータと前記時刻情報を保存するメモリを備え、前記主系の制御装置が発する異常検知の信号を受けた前記従系の制御装置からの要求信号に基づき、前記メモリに保存する前記衛星の軌道パラメータと前記時刻情報とを前記従系の制御装置に出力することを特徴とする衛星搭載用制御システム。
【請求項２】
前記衛星の軌道パラメータは、慣性座標系に対する前記衛星の姿勢角を表現するオイラー角やブレイトン角、軌道上での衛星の存在位置を表現する軌道六要素を含み、前記軌道六要素は軌道長半径、離心率、軌道傾斜角、昇交点赤径、真近点離角、近地点引数であることを特徴とする請求項１記載の衛星搭載用制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、人工衛星の制御を行うために冗長系で構成された衛星搭載用制御システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星は、通信や地球観測などのサービスを提供するために、常に自身の姿勢、軌道を特定し、所定の状態に保つ制御を行う必要がある（例えば、非特許文献１参照）。人工衛星は、衛星の姿勢および軌道の制御を行うためＡＯＣＥ（Ａｔｔｉｔｕｄｅ  ａｎｄ  Ｏｒｂｉｔ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）と呼ばれる制御装置を備えている。ＡＯＣＥは、センサから取得した最新のデータ（例えば自身の位置、角度、角速度等の最新データ）により自らの姿勢情報や軌道情報を求め、これらの情報をもとに制御情報を算出してアクチュエータ等を制御することで、衛星の姿勢および軌道の制御を行う。
【０００３】
ＡＯＣＥは、一つ故障しても人工衛星の運用に支障をきたさないように、通常、稼動中の系（以下、稼動中の系を主系と呼ぶ。）とバックアップ系（以下、従系と呼ぶ。）の２系の冗長構成を取る。主系の装置で故障が検出された場合、主系の装置から従系の装置に切り替えが行われる。
【０００４】
【非特許文献１】茂原正道著「宇宙システム概論」培風館、１９９５年１０月３０日、Ｐ．２１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、主系、従系を持つ２系の冗長システムにおいて、主系から従系に移行する際に主系で処理していた情報を引き継ぐ方法としてホットスタンバイ方式と呼ばれるものがある。ホットスタンバイ方式は、主系および従系の両系で同時に処理を行う。しかし、１５年以上の寿命を要求される衛星放送や衛星通信用の人工衛星では、恒常的な通電による部品の劣化および部品の劣化に伴う信頼性の低下が発生する可能性の高いホットスタンバイ方式は採用が難しい。
【０００６】
従って、衛星放送や衛星通信用の人工衛星では、通常は従系の電源を切断し、故障発生後、従系を起動させる方式とせざるを得ない。このため、故障発生時に主系から従系に自身の衛星の軌道情報を引き継ぐ必要がある。
【０００７】
しかしながら、ＡＯＣＥの系の切り替えにおいては、誤制御を防ぐため、系の切り替え時に従系が主系の電源を切断する構成を取ることが一般的である。センサから取得した情報を処理して得た人工衛星の姿勢制御情報は、揮発性メモリを使用しているメモリーエリアに保持される。このため、系の切り替え時に主系の電源が切断されると、これらの情報は失われる。
従って、従系のＡＯＣＥは、立ち上がり後（起動後）に、前回の姿勢、軌道情報無しに姿勢の制御を行わなくてはならない。姿勢を回復する為には地上より送信される衛星の現在位置に関する情報を取得する必要がある。また、制御に必要なパラメータ、例えばセンサから出力されるデータを補正するための補正データ等も取得する必要がある。しかしながら、衛星の現在位置に関する情報は地上より常時送信されているわけではない。
【０００８】
このため、系の切り替え時は、精度の高い姿勢制御を行うことができない、精度を高めるために時間のかかる複雑な処理を行う、などの問題がある。そして、この間、それに伴い、搭載衛星における放送や通信などの衛星のミッション機能に依存したサービスの質が低下する、最悪の場合、サービスが中断する、などの事態が発生している。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、主系の制御装置から従系の制御装置への切り替え時において、搭載衛星におけるサービスの質を維持することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による衛星搭載用制御システムは、同一構成からなる主系と従系の制御装置と、前記主系と従系の制御装置の各々と接続し異常検知時に前記主系の制御装置と前記従系の制御装置とを切り替える処理計算機と、を備えた２系の冗長系を成す衛星搭載用制御システムであって、前記主系および従系の制御装置は、地上から送信される衛星の軌道パラメータと、時刻情報とに基づき前記衛星の軌道を算出するプログラムを備え、前記処理計算機は、前記制御装置が前記衛星の軌道の算出に使用する前記衛星の軌道パラメータと前記時刻情報と同一である、衛星の軌道パラメータと時刻情報を保存するメモリを備え、前記主系の制御装置が発する異常検知の信号を受けた前記従系の制御装置からの要求信号に基づき、前記メモリに保存する前記衛星の軌道パラメータと前記時刻情報とを前記従系の制御装置に出力する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、主系から従系への移行時に、従系において衛星の軌道情報の取得が容易となり、主系の故障により系の移行を行わなければならない場合、衛星通信や衛星放送などのサービスの中断や、質の低下を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
以下、図面を用いて、本発明に係る実施の形態１について説明する。図１は、本実施の形態における制御システムのハードウェア構成を示す図である。本実施の形態の制御システムは、ＡＯＣＥ１００とＡＣＯＥ２００との２つの同じ構成を有する系を備える。また、ＡＯＣＥ１００とＡＣＯＥ２００と接続し、地上からのコマンドを入力して、データ処理を行うテレメトリコマンド処理計算機ＤＨＵ（Ｄａｔａ  Ｈａｎｄｌｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）３００を備える。
【００１３】
図において、ＡＯＣＥ２００の構成については、ＡＯＣＥ１００と同じ構成要素の符号にｂを付して区別する。現在動作している側を主系と呼び、待機している側を従系と呼ぶ。ＡＯＣＥ１００とＡＯＣＥ２００はその何れか一方が主系で他方が従系となるが、この実施の形態ではＡＯＣＥ１００を主系とし、ＡＯＣＥ２００を従系として以後、説明する。
【００１４】
まず、ＡＯＣＥ１００を取り上げて説明する。図において、ＡＯＣＥ１００は、軌道を算出し軌道上の自己位置に関する情報（軌道情報という）を取得するプログラムの他、各種プログラムを保持するプログラムメモリ１０２と、プログラムメモリ１０２に保持されている各種プログラムを実行するＣＰＵ１０１とを備える。また、ＡＯＣＥ１００は、衛星に搭載された外部のセンサ１１１および外部のアクチュエータ１１０との間で情報の授受を行うインターフェースであるＩ/Ｏ１０３と、テレメトリコマンド処理計算機３００との間でデータを授受するためのインターフェースであるＩ/Ｏ１０４と、ＣＰＵ１０１の処理情報や各Ｉ/Ｏとの間の入出力情報を読み書きするためのワーク領域であり揮発性メモリから成るメモリーエリアＡ１０５と、を備える。
【００１５】
ＡＯＣＥ２００については、ＡＯＣＥ１００と同一構成であるので、上述したとおり詳細な記載及び図示を省略する。
【００１６】
次に、ＤＨＵ３００は、地上からのＣＭＤ（Ｃｏｍｍａｎｄ；コマンド）信号を受信し、ＴＬＭ（Ｔｅｌｅｍｅｔｏｒｙ；テレメトリー）信号を出力するためのインターフェースであるＩ/Ｏ３０１と、軌道パラメータを取得して時刻処理するプログラムを保持するプログラムメモリ３０２と、プログラムを実行するＣＰＵ３０３と、地上から送られてきたコマンドパケットを保存するとともに、プログラムの実行結果を保存するバッファ（メモリ）３０４と、ＡＯＣＥ１００、２００との間でデータを授受するためのインターフェースであるＩ/Ｏ３０５とを備える。
【００１７】
次に、ＡＯＣＥ１００のＣＰＵ１０１がプログラムメモリ１０２に格納されているプログラムを実行することにより実現される機能について説明する。図２は、本実施の形態におけるＡＯＣＥ１００の機能構成を説明するための図である。
図に示すように、本実施の形態のＡＯＣＥ１００は、姿勢制御情報書込部５０２と、格納情報特定部５０３と、他系情報取得部５０４と、ＡＯＣＥ全体の動作を制御する制御部５０１と、を構成する。なお、これらの機能は、プログラムのみでなくハードウェアにより実現するよう構成してもよい。
【００１８】
制御部５０１は、ＡＯＣＥ１００全体の動作の制御に加え、衛星に搭載されたセンサ１１１が取得した情報の処理を行う。
制御部５０１は、ＤＨＵ３００からＩ/Ｏ１０４を介して軌道パラメータを入力する。軌道パラメータは、ＤＨＵ３００が地上から受信したＣＭＤ信号を基に取得したデータである。
制御部５０１は、衛星に搭載されたセンサ１１１が周期的に取得した太陽角（太陽のセンサ面に対する角度を意味する）、地球角（地球のセンサ面に対する角度を意味する）などのセンサ情報をＩ／Ｏ１０３を介して受け取る。
そして、制御部５０１は、軌道データとセンサ情報を用いて、慣性座標系に対する衛星の現在の姿勢角を表現するパラメータ（オイラー角やブレイトン角など）や、パドル角度や、現在の軌道上での衛星の存在位置を表現する軌道六要素、から成る軌道情報を算出する（以下、軌道演算処理）。軌道六要素は、軌道長半径、離心率、軌道傾斜角、昇交点赤径、真近点離角、近地点引数から成る。
【００１９】
制御部５０１は、算出した軌道情報を、当該情報を取得した時刻の情報（以下、時刻情報）および衛星のステータス情報とともに、姿勢制御情報として姿勢制御情報書込部５０２に受け渡す。
ステータス情報は、動作させる機器として選択した動作中の衛星搭載機器の情報や故障であることが確定している部位の情報などを含む。
また、制御部５０１は、姿勢制御情報における新たに算出した軌道情報と前回算出した軌道情報とからアクチュエータの目標回転角度、アクチュエータの目標角速度などの制御指令情報を算出し、Ｉ／Ｏ１０３を介して衛星に搭載された複数のアクチュエータ１１０に出力する。各アクチュエータ１１０としては、モーメンタムホイールや、スラスターや、磁気トルクなどが用いられる。
【００２０】
姿勢制御情報書込部５０２は、算出した軌道情報や時刻情報を少なくとも含む姿勢制御情報をメモリーエリア１０５に格納する。このとき、メモリーエリア１０５には、受け取った全ての軌道情報を時刻情報に対応づけて格納する。また、メモリーエリア１０５には、センサ１１１で取得されたセンサ情報、制御指令情報などが含まれていても良い。
【００２１】
図３は、本実施の形態におけるＤＨＵ３００の機能構成を説明するための図である。
図に示すように、本実施の形態のＤＨＵ３００は、軌道パラメータ送信、書込部６０２と、地上とのデータ通信処理を行うデータ通信処理部６０３と、ＤＨＵ３００全体の動作を制御する制御部６０１とを構成する。なお、これらの機能は、プログラムのみでなくハードウェアにより実現するよう構成してもよい。
【００２２】
制御部６０１は、衛星内や地上とのコマンド・データ通信の制御を行う。制御部６０１は、地上からＩ/Ｏ３０１を介してＣＭＤ信号を受信する。制御部６０１は、ＣＭＤ信号に基づき衛星の軌道パラメータを取得し、取得した軌道パラメータを当該情報を取得した時刻の情報（以下、時刻情報）と関連付けして、動作中の制御装置であるＡＯＣＥに送信すると共にバッファ（メモリ）３０２に保存する。
【００２３】
次に、上記機能構成を有するＡＯＣＥ１００とＤＨＵ３００の動作について説明する。
図４は、本実施の形態の制御システムの動作フローを説明する図である。
まず、ＤＨＵ３００とＡＯＣＥ１００の定常時の動作について説明する。
【００２４】
ＤＨＵ３００の制御部６０１は、地上局から、定期的にＩ/Ｏ３０１を介してＣＭＤ信号を受信する（ステップＳ００１）。ＤＨＵ３００の制御部６０１は受信したＣＭＤ信号から軌道に関する軌道パラメータを抽出し、取得した軌道パラメータを当該情報を取得した時刻の情報（以下、時刻情報）と共に、ＡＯＣＥ１００に出力する（Ｓ００２）。
【００２５】
ＡＯＣＥ１００の制御部５０１は、ＤＨＵ３００からの軌道パラメータ及び時刻情報を受信する。また、制御部５０１は、所定の時間毎に、Ｉ／Ｏ１０３を介して衛星に搭載されたＡＯＣＥ外部のセンサ１１１が取得したセンサ情報およびアクチュエータ１１０のステータス情報を読み出す（Ｓ１０１）。
制御部５０１は、軌道パラメータと時刻情報とＩ/Ｏ１０３を介して読み出した情報を用いて、軌道演算処理を実行して軌道情報を取得する（Ｓ１０２）。軌道情報は軌道パラメータと時間をパラメータとして算出することができる。次に、軌道情報に基づき、姿勢制御に使用する姿勢制御情報を算出する（Ｓ１０３）。制御部５０１は、今回算出した姿勢制御情報と前回算出した姿勢制御情報とに基づき、その変化分から衛星の姿勢を制御するための制御指令値を取得し、衛星の姿勢制御を行う（Ｓ１０４）。具体的には、制御部５０１はＩ／Ｏ１０３を経由して衛星に搭載されたＡＯＣＥ外部の各アクチュエータ１１０に指令値を出力する。各アクチュエータ１１０は、受け取った制御指令値に従って、姿勢制御を行う。
Ｓ１０２〜Ｓ１０４の処理を、時刻情報からの経過時間を付加しながら軌道演算を行い、系が切り替わるまでの間、継続して行う。
【００２６】
一方、ＤＨＵ３００は、Ｓ００２においてＡＯＣＥ１００に対して出力した軌道パラメータ及び時刻情報と同一の軌道パラメータ及び時刻情報を、時刻情報からの経過時間を付加して（Ｓ００３）、バッファ３０４に格納する（Ｓ００４）。
以上の処理を、ＡＯＣＥ１００が故障して系が切り替わるまでの間、継続して行う。
【００２７】
以上の処理により、ＤＨＵ３００のバッファ３０４には、主系ＡＯＣＥ１００の制御部５０１が軌道演算処理に用いている衛星の軌道パラメータ及び時刻情報からの経過時間と同じ内容の軌道パラメータ及び時刻情報からの経過時間が保存されることになる。
【００２８】
次に、同じく図４を用いて、本実施の形態の、故障検出時の主系から従系への移行処理について説明する。
【００２９】
ＡＯＣＥ１００の制御部５０１は故障を検出すると、故障を意味する故障信号をＩ/Ｏ１０４、Ｉ/Ｏ１０４ｂを経由してＡＯＣＥ２００に送信する（Ｓ１０５）。例えば、センサ１１１として地球センサを用いて、地球センサが地球を所定の視野範囲内に捉えている場合には衛星の姿勢や軌道が適切に制御されていると判定し、地球センサの所定の視野範囲から地球が外れた場合には衛星の姿勢及び軌道制御に異常が発生していると判定して、故障信号を送信する。なお、姿勢制御情報のデータが常に規定値になるか否かをソフトウェア的にモニタすることによって、ＡＯＣＥの動作異常を検知するようにしても良い。
【００３０】
故障信号を受信したＡＯＣＥ２００は、電源をＯＮとし動作状態とする。しかしながらこの時点では、ＡＯＣＥ２００の制御部５０１ｂは衛星の軌道パラメータ及び時間の情報がないために自己の衛星位置が算出できず、姿勢制御を行うことができない。このため、ＡＯＣＥ２００の制御部５０１ｂが故障信号を受信すると(Ｓ２０１)、ＤＨＵ３００に対して軌道パラメータ及び時刻情報からの経過時間を要求する要求信号を出力する（Ｓ２０２）。
【００３１】
ＡＯＣＥ２００から要求信号を受けたＤＨＵ３００はバッファ３０４にアクセスし（Ｓ００５）、該当する軌道パラメータおよび時刻情報からの経過時間を抽出する（Ｓ００６）。
ＤＨＵ３００の制御部６０１は、抽出した軌道パラメータおよび時刻情報からの経過時間をＩ/Ｏ３０５を介してＡＯＣＥ２００に送信する（Ｓ００７）。
【００３２】
ＡＯＣＥ２００の制御部５０１ｂはＤＨＵ３００から受信し情報を用いて、軌道演算処理を実行する（Ｓ２０４）。軌道情報に基づき、姿勢制御に使用する姿勢制御情報を算出する（Ｓ２０５）。制御部５０１ｂは、今回算出した姿勢制御情報と前回算出した姿勢制御情報とに基づき、その変化分から衛星の姿勢を制御するための制御指令値を取得し、衛星の姿勢制御を行う（Ｓ２０５）。具体的には、制御部５０１ｂはＩ／Ｏ１０３を経由して衛星に搭載されたＡＯＣＥ外部の各アクチュエータ１１０に指令値を出力する。各アクチュエータ１１０は、受け取った制御指令値に従って、姿勢制御を行う（Ｓ２０６）。
ＡＯＣＥ２００の制御部５０１ｂは、Ｓ２０４〜Ｓ２０６の処理を経過時間を付加しながら軌道演算を行い、継続して衛星の姿勢制御を行う。
なお、ＤＨＵ３００が地上よりＣＭＤ信号を受信した際は、ＤＨＵ３００はＣＭＤ信号から軌道パラメータを抽出し、ＡＯＣＥ２００に軌道パラメータを出力する（Ｓ００９）。
これによってＡＯＣＥ２００が主系に切り替わって定常時の動作へ移行する。
【００３３】
このように主系ＡＯＣＥ１００の故障により系の移行を行わなければならない場合であっても、主系ＡＯＣＥ１００が失う情報をＤＨＵ３００がバックアップとして記憶しておくことにより、地上からのＣＭＤ信号を待つ必要がなく、速やかに衛星の姿勢制御を行うことができ、サービスの中断や、質の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施の形態１における制御システムのハードウェア構成を示す図である。
【図２】実施の形態１におけるＡＯＣＥ１００の機能構成を説明するための図である。
【図３】実施の形態１におけるＤＨＵ３００の機能構成を説明するための図である。
【図４】実施の形態１における制御システムの動作フローを説明する図である。
【符号の説明】
【００３５】
１００  主系制御装置（ＡＯＣＥ）、１０１、１０１ｂ  ＣＰＵ、１０２、１０２ｂ  プログラムメモリ、１０３、１０３ｂ、１０４、１０４ｂ  Ｉ/Ｏ、１０５、１０５ｂ  メモリエリア、１１０、１１０ｂ  アクチュエータ、１１１、１１１ｂ  センサ、２００  従系制御装置（ＡＯＣＥ）、３００  テレメトリコマンド処理計算機（ＤＨＵ）、３０１  Ｉ/Ｏ、３０２  プログラムメモリ、３０３  ＣＰＵ、３０４  バッファ、３０５  テレメトリコマンド用Ｉ/Ｏ
【図１】
2009220768.tif 000003
【図２】
2009220768.tif 000004
【図３】
2009220768.tif 000005
【図４】
2009220768.tif 000006