JP2002080000A - 予期せぬ軌道傾斜の影響による衛星の操縦制御法則の補正 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、傾斜軌道の衛星を制御し、衛星の
有効寿命を延長することのできる軌道衛星の指向制御方
法を提供することを目的とする。 【解決手段】ピッチｙ，ロールｘおよびヨーｚ軸を有
し、静止軌道平面に関して０傾斜を有する軌道に配置さ
れる平面を規定する軌道に配置され、本来の傾斜角は静
止軌道に関してロールおよびヨー指向エラーを生じさ
せ、ヨー補正34のためのコサインレートコマンドを生成
し、それを積分36し、正弦波ヨーオフセット38を導出
し、ロール補正34のためのコサインレートコマンドを生
成し、それを積分して正弦波ロールオフセット58を導出
することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般的に軌道に衛星
を維持すること、特に公称上の軌道に対して傾斜した地
球軌道における衛星の動作方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】地球上の特定位置の上空でその位置が固
定されるように地球を中心とする軌道で通信衛星のよう
なある型の衛星を維持することが一般に望ましい。この
軌道の型式は静止軌道と呼ばれている。静止軌道は地球
表面上の所望の領域を衛星からの通信ビームが正確にカ
バーすることを可能にする。静止軌道からのどんな偏位
もビームのカバー範囲を変化させる。

【０００３】静止軌道を維持するために、衛星の公称軌
道は地球の赤道平面内に実質上維持される。これらの要
求により、地球の静止軌道は多数の衛星で混雑してい
る。結果的に赤道平面に対応する位置に各衛星を正確に
維持することが必要である。

【０００４】静止軌道に配置された衛星は太陽および月
からの引力のようにある影響による軌道からの偏位およ
び球が扁平にされる地球引力の変化を経験する。これら
の力は北／南の両方向すなわち赤道平面の下あるいは
上、および東／西の方向すなわち軌道経路の左あるいは
右に衛星を移動する傾向がある。北／南方向偏位は赤道
平面外へ、および傾斜軌道中に衛星を移動させる傾向が
ある。補助衛星位置の観察者に対しては、衛星は傾斜軌
道によって恒星日につき１度“８字形”パターンに移動
するように見える。

【０００５】衛星を発射するために使用されるビーグル
は到達される静止軌道において、しかし０傾斜軌道では
なく０ではない傾斜角において結果的に誤差を生じる。
結果的にこのような事象からの指向エラーは補正が達成
されなければ、衛星の使用を劣化させる。

【０００６】ｘ，ｙ，ｚ座標フレームに関する姿勢は通
常は、ｚは衛星から地球中心へ向う方向であり、ｙは軌
道角速度と反対方向であり、ｘは右側を基準にして（軌
道に垂直なベクトルに沿ってほぼ南）記載される。ｘ軸
はロール軸を指しており、ｙ軸はピッチ軸であり、ｚ軸
はヨ−軸である。

【０００７】傾斜軌道を補正するためにいくつかの方式
がある。ピッチ軸を含む平面においてピッチ軸から離れ
た対称的に傾斜された１対の同一モーメントホイールを
使用して軌道を補正することが知られている。軌道傾斜
が誘導された地上ステーション指向エラ−補正のための
ロール操縦は軌道周波数において周期的であることが知
られている。

【０００８】適切な設計は衛星によって（アンテナのボ
アサイトのように）あるいはそれと反対に、少なくとも
１つの軸について好ましくはロール軸について指向され
ている目標の照準線に関して操縦可能な衛星の角モーメ
ントベクトルを有することが知られている。単一の軸指
向メカニズム（例えばアンテナ指向メカニズム）、単一
のジンバルで支持されたモーメントホイール、あるいは
固定ホイールの組合せによって実行される。制御信号は
ホイールの角モーメントを操縦するために生成される。

【０００９】それとは別に、赤道平面に関する軌道傾斜
が０ではないとき、単一の自由度のシステムがｘ−ｚ衛
星平面の自由度の方向に関係なく地球の中心点へ向いて
いる理想的な衛星を動作できることが知られている。例
えば、自由度がロール軸に沿っている場合、角運動量が
北／南の慣性方向へ近づいて維持される。同様に自由度
がヨ−軸に沿っている場合、軌道平面に垂直の慣性の方
向へ近づいて維持される。

【００１０】Muhlfelderの米国特許第4,084,772 号にお
いて、角モーメントベクトルは赤道平面に垂直に配置さ
れ、角モーメントは２つの固定したホイールを使用して
ロール軸を中心にアンテナのボアサイトに関して操縦さ
れる。ピッチ軸に沿った大きいホイールと、ヨ−軸に沿
った小さいホイールがある。開ループ指向コマンドはロ
ール軸に導入される。しかしながら、この方法は、結果
的な正弦波のロールの動きがヨ−推定によるヨ−軸に結
合して戻されるのでアクティブヨ−制御に適切ではな
い。

【００１１】Agrawal の米国特許第5,100,084 号にはロ
ールエラ−を除去するために過去の軌道垂線をわずかに
計算された地点においてモーメントベクトルの配置を教
える。Agrawal はロールおよびヨ−のジンバル手段を用
いた補正および軌道垂線／赤道平面垂線にモーメントベ
クトルを位置させることを教えている。しかしながらAg
rawal は交差軸結合の結果のアドレスしない。

【００１２】さらに、スラスタは北南ステーションキ−
ピングとして知られている、燃料消費によって軌道傾斜
を周期的に補正している。北南ステーションキ−ピング
は多量の衛星推進剤を必要とする。通常、衛星の有効寿
命はステーションキ−ピング燃料要求によって制限さ
れ、衛星の動作寿命は北南ステーションキ−ピングの必
要性を除去することによって延長される。

【００１３】これらの知られている方法は完全に線形エ
ラ−を補正せず、あるいは地球の中心でない地点を指向
するために補正せず、または２つの軸の角モーメント操
縦両方、あるいは単一軸操縦がロールあるいはヨ−軸の
いずれかであることを要求する。そのうえ、これらの制
御方法はアクティブヨ−操縦を有する衛星が静止軌道に
到達する発射失敗からの回復についての方法を示してお
らず、大傾斜角度を有している。アクティブヨ−操縦は
ロール軸における開ループ指向コマンドを禁ずるという
事実は記載されていない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、傾斜
軌道の衛星を制御することである。本発明の別の目的
は、衛星の有効寿命を拡張することである。本発明のさ
らに別の目的は部分的な発射のビーグルの故障から回復
する方法を提供することである。

【００１５】本発明のさら別の目的は、制御システムを
大きく修正をせずにすでに軌道に位置されている衛星に
対して使用する制御方法の修正された方法を提供する。
本発明の別の目的は、さらに赤道平面に垂直の衛星のモ
ーメントベクトルを整列し、衛星の姿勢制御法則に開ル
ープ正弦波ロール／ヨ−指向コマンドを送ることであ
る。本発明のさらに別の目的は、０傾斜角で動作するよ
う設計された操縦法則を用いて０ではない傾斜角を有す
るに衛星を制御することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を実行するため
に、本発明は０傾斜角で動作するよう設計された操縦法
則を使用した場合、傾斜軌道によって誘導された指向エ
ラ−を実質上補正する方法を提供する。制御法則は地球
センサのような姿勢センサの２つの軸を使用して、宇宙
船のロールおよびピッチ軸を制御する。ヨ−軸指向エラ
−は観測されたロール軸の動きから推定される。この制
御方法は軌道平面が赤道平面と整列され、ロールおよび
ヨ−軸のアクティブ制御によって軌道平面に垂直なピッ
チ軸を維持することを前提とする。

【００１７】このような傾斜軌道操縦法則を使用するこ
とによって、地球の赤道に関して傾斜角と等しい大きさ
の正弦波ヨ−指向エラ−が生じる。さらに傾斜軌道は赤
道に関して傾斜角度のほぼ１７，８％の大きさの正弦波
ロール指向エラ−を導入する。ヨ−エラ−を補正するた
めに、本発明は赤道平面のモーメントベクトル垂線に整
列し、開ループ正弦波ヨ−指向コマンドは姿勢制御装置
に送られる。同様の方法において、開ループ正弦波ロー
ル指向コマンドはロールエラ−を補正するために姿勢制
御装置に送られる。正弦波ロールレートコマンドを使用
することによって、本発明はロール補正の望ましくない
ヨ−軸への結合を避けることができる。

【００１８】本発明は衛星の有効寿命を延長させ、それ
は後推進剤が軌道傾斜を制御するために必要ではないか
らである。さらに、本発明のシステムおよび方法は、発
射ビーグルの故障から回復させるために使用されること
ができる。そのような故障においては、傾斜軌道におけ
る衛星を制御するために０傾斜のために設計された制御
法則を変更することによって望ましい軌道を得ることは
機上の推進剤では不十分である。本発明は最小限の努力
ですでに軌道に存在している衛星を適用することができ
る。

【００１９】本発明のこれらおよび他の特徴は添付され
る詳細な説明、追加する特許請求の範囲、および添付図
面に関してさらに理解される。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１を参照すると、地球10、赤道
軌道12、および傾斜軌道14を示す。それぞれ天頂11、天
低13、昇交点15と呼ばれる軌道の高い、低い、中間点が
示されている。図２は傾斜角Θを有する傾斜角の傾斜軌
道平面18および赤道軌道の赤道平面16を描く地球10に関
連するベクトル図である。

【００２１】図３は典型的な３つの軸の安定した静止衛
星20を示す。ロール、ピッチ、ヨ−軸は各ｘ、ｙ、およ
びｚの符号を付けられている。この議論の目的に対し
て、衛星20は“軌道垂直”姿勢制御操縦法の０傾斜を有
する。しかしながら、ここで議論された特定のもの以外
の別の制御操縦法を有する衛星に対してこの概念を適用
するために本発明を修正することが可能であることを当
業者は認識すべきである。ここで議論される操縦法の特
定の例が衛星のロールおよびピッチ軸を制御するために
地球センサのような２軸の姿勢センサ22を使用する。一
般的に、ヨ−軸指向誤差は観測されたロール軸活動から
算定される。ここで議論される０傾斜、軌道垂直操縦法
は衛星の軌道平面が赤道平面と整列し、軌道平面に垂直
にピッチ軸を維持する。

【００２２】傾斜軌道は赤道と比較して傾斜角と等しい
大きさで正弦波のヨ−指向誤差を導入する。さらに、傾
斜軌道は傾斜角度のほぼ１７．８％の大きさの赤道に関
する正弦波ロール指向誤差を導入する。

【００２３】図４を参照すると、本発明のヨ−補償シス
テム30および方法のブロック図が示されている。本発明
において、ヨ−操縦は衛星用の制御プロセッサＰＲＯＭ
（示されていない）中に位置するオフセットプロファイ
ル生成器（ＯＰＧ）32として知られているユーティリテ
ィルーチンによって実行される。ＯＰＧユーティリティ
はＡ＊ｓｉｎ（ωｔ＋φ）の形態の正弦波関数を生成す
る。Ａは振幅であり、ωは軌道周波数、ｔは日を単位と
した時間、φは位相オフセットである。しかしながら、
衛星操縦法は単一の軸指向コマンドが入力されることを
許可されない。本発明のシステムおよび方法30に従っ
て、ＯＰＧ32はコサインレートコマンド34を生成し、そ
れは操縦法則およびオフセット38によって積分される。
操縦法則およびオフセットプロファイル生成器は特定の
衛星技術に特定され、アプリケーションに応じて変化す
る。当業者が行うことができるようなＯＰＧ以外の手段
を使用するコサインレートコマンドを生成することが可
能である。

【００２４】コマンドレート34は天底のプラスピーク
と、天頂のマイナスピークとで必要である。それゆえ、
φは（ωｔ＋φ）の項が天底で９０度と等しいように選
択される。

【００２５】ここに示される特定操縦法の例では、入力
周波数パラメータωは２３時間５６分あるいは８６，１
６０秒の１恒星日に設定される。結果的にω＝３６０°
／８６，１６０秒あるいは０．００４１７８３度／秒で
ある。振幅、Ａは、積分が軌道傾斜に振幅で等しい指向
コマンドを生成する場合、レートコマンドを生成する大
きさである。コサインコマンド率の振幅は、角度／秒に
おいて、Θは角度傾斜角であり、ωは角度／秒の周波数
であり、およびπ／１８０はωを１秒につきのラジアン
に変換する。

【００２６】図５を参照すると、ロール正弦波補正のシ
ステムおよび方法50はＲＡＭパッチ52によって実行され
る。ＲＡＭパッチはＯＰＧと同じ形である正弦波関数、
すなわちＡ＊ｓｉｎ（ωｔ＋φ）を生成する。この特定
の応用では、ＲＡＭパッチは存在するＯＰＧユーティリ
ティが単一正弦波のみを生成することが可能であり、お
よびヨ−補正を完全に利用される。一般的に、２つの独
立する正弦波関数を生成する能力を有する必要があるだ
けである。したがって、ＯＰＧおよびＲＡＭパッチは単
に本発明の特定の実行である。ヨ−操縦のように、制御
システムは単一軸指向コマンドが入力されることを許さ
ない。その結果として、ＲＡＭパッチ52はコサインレー
トコマンド54を生成するために使用され、正弦波ロール
オフセット58を得るために操縦法則によって積分される
56。ロールレートコマンドはロール角コマンドと反対
に、ヨ−推定によってヨ−軸にロール補正の望ましくな
い結合を妨げる。この技術はアクティブヨ−制御および
ヨ−推定を使用しているロール補正を衛星に適用するこ
とを可能にする。命令されたレート54は下降ノードのプ
ラスピークおよび上昇ノードのマイナスピークにある必
要がある。それゆえ、φは（ωｔ＋φ）の項が下降ノー
ドにおいて９０度あるいは天底において±１８０度と等
しい。

【００２７】ωの周波数は２３時間５６分、あるいは８
６，１６０秒の１恒星日であるよう設定される。結果的
にω＝（３６０度）／（８６，１６０秒）＝０．００４
１８７３度／秒である。

【００２８】振幅はレートコマンド54は積分された場
合、軌道傾斜角の１７．８％の振幅と等しい指向コマン
ドを生ずるような大きさである。ロールレートコマンド
54はヨ−レートコマンドと同じ方法で積分される56。し
たがって、レート振幅は次式に等しい： Ａ＝（０．０１７８＊Θ＊ω＊π）／（１８０） 日常のメンテナンス項において、アドレスされる必要が
あるロール／ヨ−体の操縦に関連した２つの刊行物があ
る。一般的に（ωｔ＋φ）の項に使用された機上のコン
ピュータクロックは２４時間クロックであり、および１
日の経過上０から８６，４００秒のインクリメントであ
る。本発明は２３時間５６分の周期の正弦波関数を必要
とする。図６はこの方法のフロー図である。上記に記載
されたωを６０と設定し、および時計がグリニジ平均時
に００：００でロールする場合に各日に１度増分φする
62ことによってである。ωｔの項の−１度の過渡現象は
φの項の＋１度の過渡現象によってキャンセルされる。
モジュロ関数は±１８０度の範囲を境界とするようにφ
について実行される64。

【００２９】２番目の刊行物はコマンドレートの積分関
数は数値が不正確になりやすい。結果的に得られる角度
本体バイアス項はゆっくり望ましい値から離れる。図７
はこの効果の限定法を描いている。どんな積算エラ−も
補正するために角度本体バイアスコマンドが規則的なベ
ース70で送られることが推奨される。補正間の時間は積
算されたエラ−が許容範囲に限定されるようにすべきで
ある。この特定の例では、訂正が１日につき２回送られ
る。昇交点において、指向コマンド72はロールが０度
で、＋Θ度のヨ−である。同様に、降交点における指向
コマンド74はロールが０度で、−Θ度のヨ−である。こ
れらのコマンド72、74は以下に記載されたように軌道傾
斜変化として調整される。

【００３０】図８を参照すると、ロール／ヨ−操縦コマ
ンドの振幅は時間にわたって変化する軌道傾斜角度を追
跡するように調整される(80)必要がある。さらに機上の
コンピュータクロックはＧＭＴで時間を合わせるよう周
期的にリセットすべきである。最後に、上記略述された
手順が１日につき１度（４分）の変化を伝搬したように
軌道交点の実際の発生時間は周期的に更新されるべきで
ある。ステーションキ−ピングの動作に関連して軌道決
定を実行し、またこれらのパラメータを調整するのに便
利である。

【００３１】発射ビーグルの故障の潜在的な可能性の位
置のために、本発明は失敗した発射から回復する能力を
確実にするための実行可能な技術を提供する。

【００３２】さらに、衛星は燃料が切れた場合に退役し
なければならない。本発明は結果として生じた傾斜誤差
を補正することによって軌道上の古い衛星の北南位置を
維持するのに先立って行われる。北南位置を維持するこ
とが必要ない場合にかなりの量の燃料が不要になり、そ
のため衛星の有効寿命年数を増加させる可能性がある。

【００３３】本発明は多数の他の変形、修正および別の
使用を含む広い範囲で使用できることが当業者には明ら
かである。したがって、本発明は添付の特許請求の範囲
内に含まれるである多数の他の変形、修正および別の応
用が意図される。

【図面の簡単な説明】

【図１】衛星の傾斜した軌道図。

【図２】赤道および軌道平面に関する運動量ベクトルの
ベクトル図。

【図３】衛星のロール、ピッチ、ヨ−軸の図。

【図４】本発明に従ったヨ−指向誤差を補正するための
システムおよび方法のブロック図。

【図５】本発明に従ったロール指向誤差を補正するため
のシステムおよび方法のブロック図。

【図６】本発明のメンテナンス方法のフロールチャー
ト。

【図７】本発明のメンテナンス方法の別の実施例のフロ
ーチャート。

【図８】本発明のメンテナンス方法のさらに別の実施例
のフローチャート。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・エフ・ヨーカム、ジュニア アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90275、ランチョ・パロス・ベルデス、シ ャー・オークス 28717 Ｆターム(参考） 5H301 AA07 BB20 CC04 CC07 DD06 DD17 HH02

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 衛星(20)はピッチ(y) 、ロール(x) およ
   びヨ−(z) 軸を有し、衛星(20)のモーメントはモーメン
   トベクトルによって規定され、静止軌道を含む平面に関
   して０傾斜を有するが、０ではない傾斜角を有する軌道
   に配置される平面を規定する軌道に配置されるよう構成
   され、本来の傾斜角は静止軌道に関してロールおよびヨ
   −指向エラ−を生じさせる軌道衛星の指向制御方法(30)
   において、 ヨ−補正(34)のためのコサインレートコマンドを生成
   し、 正弦波ヨ−オフセット(38)を導出するために操縦法則に
   よって前記コサインレートコマンド(36)を積分し、 ロール補正(34)のためのコサインレートコマンドを生成
   し、 正弦波ロールオフセット(58)を導出するために操縦法則
   によって前記コサインレートコマンド(56)を積分するこ
   とを特徴とする軌道衛星の指向制御方法(30)。
2. 【請求項２】 ヨ−の補正(34)のためのコサインレート
   コマンドを生成する前記ステップはさらに前記ヨ−コサ
   インレートコマンド(34)を生成するためにオフセットプ
   ロファイル生成器(32)の使用を含んでいる請求項１記載
   の方法。
3. 【請求項３】 ロールの補正(34)のためのコサインレー
   トコマンドを生成するための前記ステップはさらに前記
   ロール補正コサインレートコマンドを生成するためのＲ
   ＡＭパッチの使用を含んでいる請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】 前記ヨ−補正(36)のための前記コサイン
   レートコマンドを積分し、および前記ロール補正(56)の
   ための前記コサインレートコマンドを積分する前記ステ
   ップはさらに、軌道周波数(60)、コサインレートコマン
   ド振幅、時間(80)、および位相オフセットを含む入力パ
   ラメータを導入するステップを含んでいる請求項１記載
   の方法。
5. 【請求項５】 前記入力パラメータを導入する前記ステ
   ップはさらに２３時間５６分恒星日と等しい前記周波数
   (60)の設定を含んでいる請求項４記載の方法。
6. 【請求項６】 前記入力パラメータを導入する前記ステ
   ップはさらに０ではない傾斜角度と前記ラジアン／秒の
   周波数の積に等しい前記ヨ−コサインレートコマンドを
   設定することを含んでいる請求項４記載の方法。
7. 【請求項７】 入力パラメータを導入する前記ステップ
   は０ではない傾斜角度の１７．８％とラジアン／秒の前
   記周波数(60)の積に等しい前記ロールコサインレートコ
   マンド(80)を設定することをさらに含んでいる請求項４
   記載の方法。
8. 【請求項８】 さらに前記周波数(60)が２３時間５６分
   の１恒星日に設定され、前記位相オフセットが予め決め
   られた時間に各日(62)を１度だけインクリメントする日
   々のメンテナンスを実行するステップを含んでいる請求
   項４記載の方法。
9. 【請求項９】 さらにプラスあるいはマイナスの１８０
   度の範囲内に制限された前記位相オフセットについてモ
   ジュロ関数(64)を実行するステップを含んでいる請求項
   ８記載の方法(30)。
10. 【請求項１０】 さらに、予め決定されたインターバル
    で角度本体バイアスコマンド(70)を送ることによって積
    算された誤差を訂正するステップを含んでいる請求項１
    記載の方法(30)。
11. 【請求項１１】 さらに、要求されたコサインレートコ
    マンド振幅(80)を調整することによって０ではない傾斜
    角を追跡するステップを含んでいる請求項４記載の方
    法。