JP4516574B2 - 動的なｃｍｇアレイおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般には、スペースクラフトの運動量を制御するためのシステムに関し、より具体的には、複数のコントロール・モーメント・ジャイロ（ＣＭＧ）を使用するスペースクラフトシステムに関する。

スペースクラフトの運動量を制御し、姿勢を調整するためにコントロール・モーメント・ジャイロ（ＣＭＧ）を使用することは、当技術分野ではよく知られている。ＣＭＧおよび運動量制御システムについては、たとえば特許または特許公報：米国２００２／００４０９５０ Ａ１、Ｓｔａｌｅｙ他；米国第６，２３１，０１１ Ｂ１号、Ｃｈｕ他；米国第６，１５４，６９１号、Ｂａｉｌｅｙ；米国第６，３６０，９９６ Ｂ１号、Ｂｏｃｋｍａｎ他；米国第６，１２８，５５６号、Ｂａｉｌｅｙ；米国第６，１３１，０５６号、Ｂａｉｌｅｙ他；米国第６，２８５，９２７ Ｂ１号、Ｒｏｎｇｓｈｅｎｇ他；米国第６，３０５，６４７ Ｂ１号、Ｄｅｆｅｎｄｉｎｉ他；米国第６，０３９，２９０号、Ｂｏｎｇ Ｗｉｅ他；および米国６，３１１，９３１ Ｂ１号、Ｓｍａｙに記載されている。スペースクラフトの運動量を調整し、かつ／またはその３次元の姿勢を変更するためにＣＭＧアレイを使用することが知られている。

従来技術のＣＭＧアレイに関する問題は、アレイのＣＭＧのうちの１つまたは複数が故障したとき、残りのＣＭＧを使用してスペースクラフトの運動量および／または姿勢を制御し続けることがしばしば困難または不可能であることである。一部の制御が引き続き可能であっても、使用可能な運動量制御空間は一般に、残りのＣＭＧの姿勢がもはや最適でないために大幅に減少される（運動量制御空間は、使用可能なＣＭＧアレイを使用して所与の任意の時点で達成され得る運動量の値の範囲である）。スペースクラフトでしばしば生じるさらなる問題は、組み立てられた、または軌道に到達したとき、スペースクラフトの質量特性は、必ずしも最初に予測されたとおりではなく、また最初に設定されたＣＭＧの姿勢は、組立てまたは軌道への到着後の実際の質量特性に最適であるとは言えないことである。さらなる問題は、スペースクラフトの寿命の間に、たとえば操縦燃料または他の補給品の消費、あるいは放出されまたは捕捉された積み荷のせいでスペースクラフトの質量特性が時間とともに変化し得ることである。この場合も、最初のＣＭＧアレイの姿勢は、最大の運動量制御空間を提供し得ない。したがって、ＣＭＧアレイを用いたスペースクラフト運動量制御の信頼性および能力を改善し、具体的には（１）アレイの個々のＣＭＧのうちの１つまたは複数の故障、（２）組立てまたは発射後のスペースクラフトの異なるまたは変更された質量特性、あるいは（３）その組合せを全体的または部分的に補償することができる手段および方法が引き続き求められている。

したがって、スペースクラフトの作動中のＣＭＧのうちの１つまたは複数が、達成可能な運動量制御空間を最大にするように姿勢変更され得る手段および方法を提供することが望ましい。さらに、姿勢変更が発射前に、かつ／または軌道上で遠隔に実施されることができるのが望ましい。さらに、本発明の他の望ましい特徴および特性は、添付の図面および上述の技術分野および背景と併せて考慮される、次の詳細な説明および付属の特許請求の範囲から明らかになる。

軌道上のコントロール・モーメント・ジャイロ（ＣＭＧ）を、ＣＭＧの故障、あるいはスペースクラフト（Ｓ／Ｃ）の質量特性またはミッションの変更を補償するように姿勢変更するための方法および装置が提供される。改良型のＣＭＧ装置は、ＣＭＧをＣＭＧジンバル軸に平行でない軸のまわりで回転させるための駆動手段を備える。回転を容易にするために、軸受けがＣＭＧのベースとマウントの間に設けられることが望ましい。解除可能なクランプが、ＣＭＧアレイ姿勢変更中を除いて、ＣＭＧをスペースクラフトに固定する。スペースクラフト運動量制御のために、改良型ＣＭＧと、Ｓ／Ｃ姿勢センサと、Ｓ／Ｃ姿勢コマンドモジュールと、データおよびプログラムを格納するためのメモリと、（好ましくは各ＣＭＧ軸ごとの）ＣＭＧ駆動装置およびセンサと、これらの要素を結合し制御する制御装置とを備えるシステムが提供される。この方法は、アレイのＣＭＧが故障し、あるいはＳ／Ｃ特性またはミッションが変化したかどうか判定すること、アレイの作動中のＣＭＧを識別すること、スペースクラフト制御の向上のために新しいアレイ姿勢変更を判定すること、アレイのＣＭＧのうちの１つまたは複数を解除し、姿勢変更し、再び固定すること、および望ましくは新しいアレイ姿勢のためにＳ／Ｃ制御パラメータを更新することを備える。

本発明について、後述の図面に関連して以下で述べる。図面では、同じ数字は同様の要素を示す。

以下の詳細な説明は、例示的な性質のものにすぎず、本発明、または本発明の適用例および使用を制限するものではない。さらに、上述の技術分野、背景、概要または以下の詳細な説明で提示される、表現または示唆された理論によって制約されるものではない。本明細書では、単語「直行の」および「実質上直行の」は、３次元（３−Ｄ）空間の様々な回転軸および／またはベクトルの相対姿勢に関連して使用されている。これらの単語は、例示するために好ましい構成または実施形態について述べるものにすぎず、また限定的なものではない。本発明のＣＭＧに関連するベクトルまたは軸は９０度離れている必要はなく、単にそれらが平行でなければよい。

図１Ａ〜１Ｃは、本発明によるＣＭＧ１０の非常に簡略化された概略部分断面図である。ハウジング１２内のＣＭＧ１０の内部要素は従来のものである。図１Ａは、内部ロータ１６の翼に平行なＣＭＧ１０の図である。図１Ｂおよび１Ｃは、図１Ａに類似しているが、図１Ａの図に対して直角を成す図である。次に図１Ａを参照すると、ＣＭＧ１０は、ベース１４を介してマウント１５に取り付けられた外部ハウジング１２を備えている。マウント１５は、スペースクラフト（簡単にするためスペースクラフトは図中に示されていない）に堅く取り付けられるためのものであるスペースクラフトの一部または支持台であり得る。ハウジング１２内にはロータ１６がある。ロータ１６は、角の回転矢印２０によって示されるように、軸１８のまわりを通常高速で回転する。ロータ１６を回転させるためのモータは従来のものであり、簡単にするため省略されている。説明の都合上、軸１８は、ロータ１６によってもたらされる角運動量の方向ベクトルとして識別される。したがって、単語「軸」１８および「運動量ベクトル」１８は、本明細書では同義的に用いられている。ロータ１６は、必須ではないが好ましくはロータの軸１８に直行する回転軸２２を有するジンバル（図示せず）上で支えられる（軸１８および２２は平行であるべきではない）。駆動機構２６は、角回転矢印２４によって示すように、ロータ１６を支えるジンバルを軸２２のまわりに回転させるために設けられる。一般に位置センサ２８は、駆動機構２６によるジンバルの回転量を測定するために設けられる。駆動機構２６およびセンサ２８は従来のものである。

本発明のＣＭＧ１０は、必須ではないが好ましくはロータの軸２２に直行する第３の回転軸３０を有する。軸２２、３０は、それらが平行でない限り、任意の相対姿勢を有し得るが、実質上直行する構成が好都合である。軸１８はジンバル軸２２のまわりの回転によって移動され得るので、軸１８および３０は特定の状況下では平行とすることができ、したがって、その状況は妨げられない。ＣＭＧ１０は、角回転矢印３２によって示すように、軸３０のまわりを回転させられ得る。本発明のＣＭＧ１０は、それをスペースクラフトまたはマウントから解除し、それを姿勢変更し、制御された姿勢変更後にそれを再び固定することによってスペースクラフトの質量特性、ミッション、ペイロードの変更、またはＣＭＧの故障を補償するように制御されるやり方で軸３０のまわりの回転が実施され得るという点で従来技術と異なる。こうした姿勢変更は、発射前でも、軌道上でも実施され得る。

図１Ｂおよび１Ｃは、ジンバル回転軸２２に沿って見た、図１Ａの図と直角を成すＣＭＧ１０の図である。ここではロータの軸１８は、この図面の平面上にある。図１Ｂで、ジンバル回転軸２２は、図１Ａの姿勢から変更されていない。図１Ｃで、ロータ１６は、その支持ジンバル（図示せず）を使用して、図１Ａおよび１Ｂのその位置に対して軸２２の回りを角度３４だけ回転されている。高速に回転するロータ１６の運動量ベクトル１８は、慣性系の異なる方向をここでは指している。外部から加えられるモーメントがない慣性系では運動量が保存されるので、ＣＭＧ運動量ベクトル１８の方向の変更は、スペースクラフトの角速度の対応する変化をもたらす。スペースクラフトの姿勢または運動量の所与の変更を達成するために必要な角度３４の変更を計算するための手段および方法は、この分野では周知である。

図２は、本発明のＣＭＧ１０に関連する実質上直行する回転ベクトル１８、２２、３０を示すその簡略化された概略図である。図２〜３でベクトル１８、２２、３０は共通の点で交差し、約９０度だけ離されているように示されているが、これは、説明の都合上にすぎず、限定的なものではない。ベクトル２２、３０は、いくらかの直行成分を有するように、平行でないことだけが必要である。ＣＭＧアレイと称される複数のＣＭＧを使用することが一般に好まれる。図３Ａは、４つの個別のＣＭＧ１０−１、１０−２、１０−３、１０−４からなるＣＭＧアレイ５０の簡略化された概略図である。より多いまたは少ないＣＭＧが使用されることもできるが、４つがしばしば好まれる。３つのＣＭＧは、３つのすべてのスペースクラフト回転の自由度を制御するのに必要とされる最低量である。４つのＣＭＧは、単一のＣＭＧが故障した場合に冗長性を提供し、３つの制御軸を依然として維持するのに必要な最低量である。ＣＭＧ１０−１、１０−２、１０−３、１０−４の姿勢は、その各基底ベクトルまたは座標軸１８、２２、３０によって示される。好都合には、スペースクラフトの運動量制御のために、ＣＭＧアレイ５０に類似のアレイが使用される。従来ＣＭＧ１０−１〜１０−４は、マウント１５に堅く取り付けられる。一般的な従来技術の実施形態では、ポイント４０は、４つの面をもつ角錐の頂点を形成し、各ＣＭＧが該角錐の面に沿って置かれているが、これは必須ではない。システムがＣＭＧ故障の後に適切に機能し続ける能力を増すために、追加の予備のＣＭＧが加えられ得る。本発明は、提供される予備のＣＭＧの数に依存しない。説明の都合上、本明細書では元のＣＭＧアレイに少なくともＮ＝４のＣＭＧが最初に存在すると仮定されているが、３軸のスペースクラフトの制御にはＮ＝３のＣＭＧで十分なので、これは必須ではない。完全な３軸の制御には、４つより多く、しかし少なくとも３つのＣＭＧがあり得る。本発明は、Ｎ≧４の場合に有用であるが、ＣＭＧ故障を補償することが望まれ、またＮ≧３の場合にも有用であり、スペースクラフト特性またはミッション、あるいはその任意の組合せの変更を補償することが望まれる。

図３Ａの構成は、１つ（Ｎ＞４の場合にはそれより多い）ＣＭＧが故障した場合に４つのＣＭＧすべてが動作しているときに有用であるが、図３Ａのアレイ５０の残りのＣＭＧは、最大の運動量制御空間をもたらすのに最適な姿勢をもはや有していない可能性が高い。同様に、組立てまたは発射の前に確立されたＣＭＧの所望の姿勢が最大の運動量制御空間をもはやもたらさないことが分かる場合、組立てまたは発射後にＣＭＧのうちの１つまたは複数を姿勢変更するための手段が望ましい。図３Ｂは、図３Ａに類似しているが、（ｉ）たとえばＣＭＧ１０−４が故障した後、および（ｉｉ）残りの運動量制御空間を最大にするためＣＭＧ１０−１および１０−３がその個々の軸３０のまわりをそれぞれ回転角度５２、５４だけ回転された場合の図である。ＣＭＧ１０−２もまたその軸３０のまわりを回転角度５６だけ回転され得るが、この実施例の目的のため、回転角度５６は０であると仮定されている。しかし、この実施例の詳細は重要ではない。実施が望まれる任意のスペースクラフト操縦の運動量制御空間を最大にするために残りのＣＭＧ１０−１、１０−２および／または１０−３が回転され得る（または回転され得ない）角度５２、５４、５６は、図６に示すＣＭＧ制御電子システム１００によって計算され、あるいは地上管制から、または他のやり方で受信される。角度５２、５４、５６は、スペースクラフトの既知の物理パラメータ、残りのＣＭＧの運動量ベクトルの大きさおよび方向、ならびに残りのＣＭＧ運動量ベクトルが変更され得る量および角度に基づいて決定される。本発明は、ＣＭＧ故障は生じていないが、予想外のまたは変更されたスペースクラフト質量特性またはミッション、あるいは他の異常を補償するためにＣＭＧアレイの姿勢が変更される必要がある場合にでもＣＭＧを姿勢変更することを可能にする。変更は、機内のシステム１００または等価物によって計算されても、地上管制または他の監督当局から遠隔指示されてもよい。

図４Ａは、第１の実施形態による、本発明のＣＭＧ１０がスペースクラフトにどのように取り付けられるかについてのさらなる詳細を示す本発明のＣＭＧ１０の平面図であり、図４Ｂはその部分側断面図である。図４Ａ〜４ＢのＣＭＧ１０は、図１Ａ〜１Ｃのベース１４に類似のベース５８に結合されたハウジング１２を有する。ベース５８は、図１Ａ〜１Ｃのマウント１５に類似のマウント６０によって支えられる。マウント６０は、スペースクラフトの一部、またはスペースクラフトに堅く取り付けられるための支持台であり得る。ベース５８とマウント６０は、ロータ１６およびジンバル軸２２を含むハウジング１２（図１Ａ〜１Ｃ参照）がスペースクラフトの一部６０に対して角度３２だけ回転され得るように、必須ではないが好ましくは、軸３０と実質上一致する回転の中心をもつ回転可動の継手６３によって結合される。上述したように、軸３０はジンバルの角度ベクトル２２に対して実質上直行することが望ましいが、これは必須ではない。軸３０がそれに平行していないことだけが必須である。ベース５８は、必須ではないが好都合には、マウント６０に取り付けられたモータまたは他のアクチュエータ５７によってマウント６０に対して回転される。アクチュエータ５７とベース５８を結合する任意の手段が使用され得る。限定するためではなく、例を挙げると、ベース５８の外側の縁５９には、アクチュエータ５７の中心５７Ｃのまわりを回転するピニオン（図示せず）にかみ合うギアの歯（図示せず）が設けられることができ、または代替方法として滑車およびベルトの構成も使用されることができ、または代替方法としてアクチュエータ５７とベース５８が直接の駆動構成として磁気的に結合され得る。アクチュエータ５７の使用は例示的なものにすぎず、軸３０（または軸３０に平行の軸）のまわりのベース５８とマウント６０の間の相対回転運動を引き起こす任意の手段が使用され得ることが当業者には理解されよう。もたらされた回転角度３２の量を測定するために、望ましくは角度センサ６１が設けられる。センサ６１は、ベース５８またはハウジング１２上のインデックスマークを読むために光線６３を使用した非接触型のセンサであり得るが、これは、例示するためのものにすぎず、限定的なものではない。回転角度３２の大きさを測定する任意の手段が使用され得る。上述の構成は、軸３０のまわりの小さいまたは大きい、連続的または離散的なＣＭＧ回転を提供することができる。本明細書では、軸３０に対するＣＭＧの回転に関係のある語句「軸３０のまわり」などは、軸３０に平行な任意の軸のまわりの回転を含むものである。

次に図４Ｂを参照すると、可動継手６３は、マウント６０上の環状の突起部分６２と、ベース５８内の環状の凹部分６４と、マウント６０に対するベース５８（したがってＣＭＧ１０の）の相対運動を容易にするためのその間の軸受け材６６とを備える。マウント６０に結合された１つまたは複数の保持器６８は望ましくは、ベース５８（およびＣＭＧ１０）がマウント６０から離れないようにするためにベース５８に重なり合う。低摩擦の軸受け材７０は望ましくは、その相対運動を容易するために保持器６８とベース５８の間に置かれる。停止ラグ７２は、回転角度３２の最大量を制限し、あるいは判定するために任意選択でベース５８上に設けられるが、これは必須ではない。ある方向では停止ラグ７２は、保持器６８−１にかみ合い、別の方向では保持器６８−２にかみ合う。保持器６８は好都合には、ベース５８の回転を制限するために停止を提供するが、これは必須ではなく、マウント６０に対してベース５８の最大の回転を制限する任意の手段が、望まれるときに使用され得る。回転の制限は必要ではないが、ユーザのニーズによっては好都合であり得る。

図５Ａは本発明の別の実施形態による、ＣＭＧ１０’の部分平断面図であり、図５Ｂは、その部分側断面図である。図５Ａ〜５Ｂは、図４Ａ〜４Ｂに類似する。ＣＭＧ１０’は、図１Ａ〜１Ｃのベース１４、および図４Ａ〜４Ｂのベース５８に類似のベース７８に結合されたハウジング１２を有する。ベース７８は、図１Ａ〜１Ｃのマウント１５、および図４Ａ〜４Ｂのマウント６０に類似のマウント８０によって支えられる。ベース７８およびマウント８０は、ロータ１６（図１Ａ〜１Ｃ参照）を含むハウジング１２およびジンバル軸２２がマウント８０に対して角度３２だけ回転され得るように、必須ではないが好ましくは軸３０に一致する回転の中心を有する回転可動継手８３によって結合される。上述したように軸３０は、ジンバルの角度ベクトル２２に直行し、または少なくとも直行成分を有する（すなわち平行でない）ことが好ましい。回転可動継手８３は好都合には、マウント８０の凹部９６内に貫通するベース７８からの環状の突起部９５を備え、それによって２つの間に置かれた環状の形の軸受け材９７にかみ合う。図５Ａ〜５Ｂの可動継手８３は、図４Ａ〜４Ｂの可動継手６３の幾何学的な逆である。図４Ａ〜４Ｂの保持器６８に類似の保持器８８が好都合には、ベース７８がマウント８０から離れないようにするために設けられる。ＣＭＧのベースと、スペースクラフトの一部であり、またはそれに取り付けられたマウントの間の可動継手について２つの例がここでは提供されているが、これは説明の都合上にすぎず、相関的な回転、移動またはその組合せを提供する任意の手段が使用され得ることが当業者には理解されよう。

次に図５Ｂ、および図５Ａの切取り９１によって明らかになる詳細を参照すると、上方向に伸びる柱９２は、マウント８０の環状の凹部９６内に固定される。柱９２は、必須ではないが好都合には、軸３０と一致するように置かれる。必須ではないが好都合には柱９２からオフセットされる下方向に伸びる柱９４は、ベース７８の環状の突起部９５に固定される。力部材９０は、柱９２、９４を結合する。力部材９０は、たとえば、ばねまたはバイメタルの伸縮板、あるいは他の起動手段であり得る。ばねの場合、ベース７８は、たとえば発射前にマウント８０に最初に固定され、次いでロック機構８４および／または他の引き込み式のクランプ（図示せず）によってコック位置で保持されるときにばね９０を伸張しまたは巻くために回転され得る。たとえば、ロック機構８４は、好都合にはベース７８の戻り止め８６にかみ合う可動のロックピン８５を有する。ロックピン８５は、磁気によって、または他の任意の好都合な手段によって動かされ得る。飛行中にスペースクラフトに対してＣＭＧ１０’を回転することが望まれる場合、ロックピン８５は、ばね９０によって及ぼされた力に応答してベース７８がマウント８０に対して回転することを可能にするために引き込められる。しかし、これは、例示するためのものにすぎず、限定的なものではない。マウント８０に対する回転ベース７８の任意の手段が使用されることができ、また回転は、ユーザのニーズに応じて、連続的なまたは離散的なステップ、あるいはその組合せであり得る。回転に加えて、またはその代わりに、ＣＭＧ１０、１０’は、その最初のマウント位置に対して移動されることもできる。機構が移動後にＣＭＧを所定位置に固定するためのクランプを含むのであれば、移動をもたらす任意の手段が使用され得る。非限定的な例は、対応するＣＭＧベース１４、５８、７８上の溝またはフランジが（またはその逆で）かみ合う、マウント１５、６０、８０上のトラックまたは基礎となるスペースクラフトの構造であり、溝またはフランジがトラックに沿って移動し得る。

力部材９０は、電流の伝導または近くのヒータ（図示せず）によって引き起こされる加熱に応答して曲がるバイメタル板であり得る。バイメタル板の力部材９０の温度を変更すると、それが丸まり、または伸び、それによってスペースクラフトの一部８０に対して回転ベース７８を回転させる。マウント８０に対するベース７８の相対的な回転を引き起こすための他の任意の手段も使用され得る。有用な作動方法は、回転力をもたらすためにＣＭＧ自体のトルクを使用することである。ＣＭＧ自体のトルクを使用することは、図４Ａ〜Ｂの構成にも適用される。

図５Ａ〜５Ｂでは、ロックピン８５は引き込まれた状態にあり、それによって、角度矢印３２によって示すようにベース７８がマウント８０に対して回転することを可能にすることが示されている。ロックピン８５は、解除されると、ベース７８上に落下し、次の戻り止め８６がロックピン８５の下を通過するときにベース７８の回転を停止する。これは、ベース７８とマウント８０の相対的な回転の正の指標を提供する。ロックピンが引っ込み、再設定されるようにロック機構８４を律動的に動かすことによって回転は、戻り止め８６の円周の間隔によって決定される増加分だけ進められ得る。代替方法として、連続的な、または割出しされた動きを提供するために、図４Ａ〜Ｂに示すようなギアおよびピニオンまたはベルト、あるいは磁気駆動装置が使用されることもできる。

図６は、本発明によるスペースクラフト制御システム１００の簡略化された電気概略ブロック図である。システム１００は、スペースクラフト（略して「Ｓ／Ｃ」）姿勢センサ１０２（慣性ジャイロ、スタートラッカーなど）と、スペースクラフトの姿勢の所望の変更が地上管制または全体的なスペースクラフト管理システム、あるいは他の何らかの監視当局（図示せず）から受信され得るスペースクラフト姿勢コマンドモジュール１０４と、スペースクラフト姿勢制御装置１０６と、メモリ１０８と、ＣＭＧ制御装置１１０とを備える。姿勢センサ１０２は、バスまたはリード線１０３によって制御装置１０６に結合される。姿勢コマンドモジュール１０４は、バスまたはリード線１０５によって制御装置１０６に結合される。メモリ１０８は、バスまたはリード線１０９によって制御装置１０６に結合される。メモリ１０８は、制御装置１０６用の制御プログラム、スペースクラフト特性、ＣＭＧ特性、ＣＭＧアレイ構成、ならびに／または制御装置１０６および／または１１０が必要とし得る他の参照情報を格納する。それらの特定のシステムにどんな情報が必要であり、またこうした情報をメモリ１０８内にどのように格納するかが当業者には理解されよう。ＣＭＧ制御装置１１０は、バスまたはリード線１０７によってＳ／Ｃ姿勢制御装置１０６に結合される。Ｓ／Ｃ姿勢制御装置１０６とＣＭＧ制御装置１１０とを含む図６に示す構成が好ましいが、それらは、両方を包含する輪郭線１１６によって示されるように組み合わせられ得る。説明の都合上、輪郭線１１６内の組合せは、「制御装置」１１６と称される。本発明の目的により、ＣＭＧ１０、１０’を制御するための所望の機能が設けられている限りは、制御装置１１６がＳ／Ｃ姿勢制御装置１０６およびＣＭＧ制御装置１１０に分割されているかどうかが重要である。

システム１００はさらに、制御装置１１０にバスまたはリード線１１１および１１３によってそれぞれ結合されているＣＭＧ駆動装置１１２とＣＭＧセンサ１１４とを備える。ＣＭＧ駆動装置１１２およびセンサ１１４は、それらが取り付けられているスペースクラフトの運動量制御に使用されるためのアレイ５０、５０’または等価物のＣＭＧ１０、１０’（図１〜５参照）に結合され、またはその一部である。ＣＭＧ１０、１０’は、特にＣＭＧの解除、軸３０のまわりでの姿勢変更および再固定のためにではあるが、好ましくはそれぞれの軸１８、２２、３０ごとのＣＭＧ駆動装置１１２（モータまたは他の動力など）を含む。同様に、（必須ではないが）好ましい実施形態では、ＣＭＧ１０、１０’は、それぞれの軸１８、２２、３０のまわりの回転状態、たとえば軸１８のまわりのロータ１６の回転速度、軸２２のまわりのジンバル回転角度２４、軸３０のまわりのベース回転角度３２を測定するＣＭＧセンサ１１４を含む。好ましい実施形態では、軸１８、２２、３０は実質上直行するものとして示されているが、これは説明の都合上にすぎず、必須ではない。上記で説明したように、軸２２が軸３０に対して平行でないことだけが必要である。軸１８は、軸３０に対して任意の姿勢を有し得る。

通常のＳ／Ｃ姿勢制御操作の間、Ｓ／Ｃ姿勢センサ１０４から受信される入力が姿勢コマンドモジュール１０４から受信される所望の姿勢コマンドと異なる場合、制御装置１１６は、姿勢コマンドモジュール１０４によって示される姿勢にスペースクラフトを姿勢変更するために、メモリ１０８内に格納されたスペースクラフト特性およびＣＭＧアレイ情報、ならびにＣＭＧセンサ１１４から受信される（やはりメモリ１０８に格納され得る）軸の姿勢の情報に基づいて、それぞれの軸について各ＣＭＧのＣＭＧ駆動装置１１２に提供される駆動量を計算し得る。この検査を実施する過程において、制御装置１１６は、姿勢コマンドモジュール１０４によって要求される所望の姿勢が、使用可能な運動量制御空間内のものであることを確認することもできるが、これは必須ではない。あるいは、制御装置１１６は、全体の補正計算をそれ自体が実施する必要なしに、所定のＣＭＧ姿勢変更計画の一部またはすべてをメモリ１０８から取り出すことができる。さらに、上述の計算は、リモートで（たとえば地上管制または他の監視当局によって）実施され、制御装置１１６が（ＣＭＧ制御装置１１０を介して）ＣＭＧ駆動装置１１２に所望の姿勢変更信号を送信することができるようにインターフェース１０４を介してスペースクラフトおよびシステム１００に送信され得る。これらの構成のいずれもが有用である。ＣＭＧアレイ５０、５０’を姿勢変更するのに必要な信号がどのようにまたはどこで判定されるかは重要ではない。システム１００が、ＣＭＧのうちの１つまたは複数を解除し、解除されたＣＭＧの所望の姿勢変更を引き起こし、次いでそのＣＭＧを新しい姿勢に再び固定するために適切な信号をＣＭＧ駆動装置１１２に提供できることだけが重要である。

上述のこれらの通常のＳ／Ｃ姿勢制御操作を実施することに加えて、好ましい実施形態では制御装置１１６は、いずれかのＣＭＧが故障したかどうか判定するため、たとえばＣＭＧ制御装置１１０、駆動装置１１２および／またはセンサ１１４を介してＣＭＧアレイ５０、５０’（図３Ａ〜３Ｂ参照）の個々ＣＭＧを継続的または定期的に監視し得る。それは、作動中と見なされる具体的なＣＭＧについて、軸１８のまわりの決定可能なロータ回転速度、軸２２のまわりの決定可能なジンバル速度およびジンバル位置、軸３０のまわりの決定可能な姿勢および回転能力を提供し続け、またバスまたはリード線１１１、１１３あるいは等価物を介して制御装置１１０と通信し続けるべきである。制御装置１１０は好都合には、適切な動作を確認するためにＣＭＧ駆動装置１１２およびセンサ１１４に問い合わせる。制御装置１１６は、ＣＭＧが故障したことを検出するときには、図７に関連してより十分に説明するように、運動制御空間を最大にするために残りのＣＭＧが姿勢変更されるべき量および方向を決定し、ＣＭＧ制御装置１１０は、この事象を達成するために、残りの作動中ＣＭＧの駆動装置１１２にコマンドを出す。姿勢変更の量および方向は、制御装置１１６によって計算されることも、メモリ１０８から取得されることも、Ｓ／Ｃ地上管制および／または他のシステムあるいはその組合せなど、監査当局から取得されることもある。好ましい実施形態では、制御装置１１０は、所望の姿勢変更が実施されたことを決定するためにＣＭＧセンサ１１４の監視をも行う。

システム１００は、故障したＣＭＧを補償するためにＣＭＧアレイの個々の部材を姿勢変更することに加えて、スペースクラフトの質量特性が発射前に予測されたもの、または軌道上で時間とともに変更されたものと異なる場合には運動量制御空間を最大化するためにＣＭＧアレイ５０、５０’を姿勢変更するように操作することもできる。姿勢コマンドモジュール１０４によって出される姿勢変更コマンドは、地上管制から受信されるコマンドに基づいてこうした姿勢変更を指示することができ、または制御装置１１６は、新しい１組のＳ／Ｃパラメータまたは所定の位置変更命令に最適なＣＭＧアレイの姿勢を計算するよう指示され得る。メモリ１０８に格納されたそれぞれ異なる質量および姿勢決めシナリオも使用され得る。修正されたＣＭＧアレイの姿勢を取得する任意の適切な手段が有用である。姿勢変更操作の最適化のために、センサ１０２または他のスペースクラフト機器によって提供されるスペースクラフトの状態に関する情報も使用され得る。次いで、制御装置１１６は、駆動装置１１２に所望のＣＭＧアレイ姿勢変更を実施させる。特定のＳ／Ｃ質量特性および／または姿勢に適したＣＭＧアレイの姿勢を決定するためのアルゴリズムは、当技術分野ではよく知られている。あるいは、ＣＭＧの数、およびそのジンバル軸の方向は、Ｓ／Ｃの姿勢または運動量要件に対する運動量能力包絡線の最適な適合が見つけられるまで変更されることができ、この意味での適合とは、Ｓ／Ｃ制御を行うのにＣＭＧ当たりの最小の運動量が必要とされることである。ＣＭＧおよびその関連のロックは、個々にまたはまとめて、あるいはその組合せで解除され、姿勢変更され、再び固定され得る。

図７は、本発明の方法２００を示す簡略化されたフローチャートである。方法２００は、好都合にはシステムの電源投入時に開始される開始２０２より始まる。問合せ２０４（「Ｓ／Ｃパラメータが変更され、またはＣＭＧが故障したか」）が実施され、制御装置１１６、ならびに／または下位制御装置１０６および／もしくは１１０、あるいは等価物が、たとえばコマンドモジュール１０４を介して受信された情報が、Ｓ／Ｃ質量パラメータまたはＳ／Ｃミッションが（たとえばメモリ１０８に格納された値から）変更されたことを示しているかどうか、またはＣＭＧが故障したかどうか決定する。問合せ２０４の結果がＮＯ（偽）である場合は、方法２００は経路２０３を介して開始２０２に折り返し、問合せ２０４が繰り返される。問合せ２０４の結果がＹＥＳ（真）である場合は、方法２００はステップ２０５（作動中のＣＭＧの識別）に進み、アレイのどのＣＭＧが適切に作動しているか判定される。次いで、問合せ２０８（いくらかの補償が可能か）が任意選択で実行される。ステップ２０８は望ましいが、必須ではない。問合せ２０８の結果が、補償が行われ得ないことを示すＮＯ（偽）である場合は、方法２００は経路２０７を介して終了２１０に進む。問合せ２０８の結果がＹＥＳ（真）である場合は、方法２００はステップ２１２（新しいＣＭＧアレイ姿勢の決定）に進み、可能な運動量制御空間を最大にするために制御装置１１６または等価物が修正されたＣＭＧ姿勢を計算し、あるいは別の方法でそれを判定しまたは取得する。どのようにこうした計算を実施し、あるいはシステム１００にこうした情報を地上管制（または地上管制コンピュータ）に要求させ、または事前に計画された適切な応答を得ることができるメモリ１０８（または他のメモリ）から、もしくは他の適切なやり方でそれを取り出させるかが当業者には理解されよう。

本発明の方法の第１の実施形態では、ステップ２１２の後に任意選択で、ステップ２１４、２１６が続く。ステップ２１４（ＣＭＧ姿勢変更のための最良のＳ／Ｃ状態の決定）で、制御装置１１６または等価物は、ＣＭＧアレイの姿勢変更がＳ／Ｃに対して最小限の悪影響を伴って行われ得るように、スペースクラフトがどんな状態にあるべきかを取得しまたは判定する。たとえば、姿勢変更中に太陽放射のホットスポットが生じないように、機内のスラスタを作動させて、そうでない場合には方向的に安定しているＳ／Ｃを一時的に回転させることが望ましい。あるいは、Ｓ／Ｃ姿勢は、たとえばＳ／Ｃを冷却するための放熱器が意図せずに太陽に向けられることにならないようにするために、ＣＭＧ姿勢変更中には異なっている必要があり得る。その特定のスペースクラフトの性質および必要性に応じてどんな要因および状況が考慮されるべきか、また適切な調整をどのように達成するかが当業者は理解されよう。ステップ２１６（Ｓ／Ｃ状態への悪影響を最小にするためのＣＭＧ運動量を調整）で、ＣＭＧアレイの姿勢変更がその変更中にスペースクラフトの状態に対して最小限の悪影響しか及ぼさないように、たとえばロータ１６の回転速度または他のＣＭＧパラメータを調整するためのコマンドが駆動装置１１２または等価物に送信される。しかし、ステップ２１４、２１６は必須ではなく、方法２００は、ユーザのニーズまたは要望に応じてステップ２１２からステップ２１８に直接に、またはステップ２１４、２１６を介して進み得る。

ステップ２１８（ＣＭＧロックの解除）で、たとえば軸３０（または軸３０に平行の軸）のまわりのＣＭＧ１０、１０’の回転を前に抑制していた１つまたは複数のロック、あるいは他の機構が解除される。ステップ２２０（ＣＭＧの姿勢変更）で、使用可能な運動量空間を最大にするために、制御装置１１０および駆動装置１１２によってＣＭＧ１０、１０’のうちの１つまたは複数が、制御装置１０６または等価物によって計算されまたは取得された量だけ姿勢変更される（図３Ａ〜３Ｂ参照）。ステップ２２２（ＣＭＧロックをかける）で、ＣＭＧ１０、１０’をその各マウントまたはスペースクラフト部分に再び固定するために、１つまたは複数のＣＭＧロックまたは機構が、新しい姿勢ではあるが再びかけられる。ステップ２２４（新しいＣＭＧ姿勢のためのＳ／Ｃ制御パラメータ更新）で、メモリ１０８（または別のところ）に格納された制御パラメータが更新される。ステップ２２６（姿勢変更されたＣＭＧアレイを使用したＳ／Ｃ姿勢制御の再開）は、システム１００が、スペースクラフトの姿勢制御のために、修正されたＣＭＧアレイをいつものように再び使用できることを示す。方法２００は、ユーザのニーズに応じて、（ステップ２２６の前に）経路２２５を介して、または（ステップ２２６の後に）経路２２７を介して開始２０２に戻る。ＣＭＧおよびその関連のロックは、個々にまたはまとめて、あるいはその組合せで解除され、姿勢変更され、再び固定され得る。

上述の詳細な説明では少なくとも１つの例示的な実施形態について提示したが、非常に多くの変形形態が存在することを理解されたい。たとえば、本発明のＣＭＧの姿勢変更は個々のＣＭＧについて一般的に述べられているが、これは説明の都合上にすぎず、限定的なものではない。複数のＣＭＧが同じマウントに結合され、共通のマウントを姿勢変更することによってまとめて動かされることができ、また添付の特許請求の範囲は、この変形形態を包含するものであることが当業者には理解されよう。例示的な実施形態または例示的な諸実施形態は、実施例にすぎず、本発明の範囲、適用性または構成をいずれのやり方で制限するものではないことも理解されたい。そうではなく、上述の詳細な説明は、例示的な実施形態または例示的な諸実施形態を実施するための好都合な道筋を当業者に提供する。添付の特許請求の範囲、およびその法的な均等物において述べる本発明の範囲から逸脱せずに、要素の機能および構成の様々な変更が行われ得ることを理解されたい。

本発明のＣＭＧの非常に簡略化された概略部分断面図である。 図１Ａの図と直角を成す、本発明のＣＭＧの非常に簡略化された概略部分断面図である。 図１Ａの図と直角を成す、本発明のＣＭＧの非常に簡略化された概略部分断面図である。 本発明のＣＭＧに関連する全体的に直行する回転ベクトルを示すその簡略化された概略図である。 本発明による、スペースクラフトの運動量制御のために使用されるＣＭＧアレイの全体的に直行する回転ベクトルの簡略化された概略図である。 本発明による、スペースクラフトの運動量制御のために使用されるＣＭＧアレイの全体的に直行する回転ベクトルの簡略化された概略図である。 第１の実施形態による、本発明のＣＭＧがどのようにスペースクラフトに付いているかを示すその平面図である。 第１の実施形態による、本発明のＣＭＧがどのようにスペースクラフトに付いているかを示すその部分断面側面図である。 さらなる実施形態による、本発明のＣＭＧがどのようにスペースクラフトに付いているかを示すその平面図である。 さらなる実施形態による、本発明のＣＭＧがどのようにスペースクラフトに付いているかを示すその部分断面側面図である。 本発明によるスペースクラフト運動量制御システムの簡略化された電気概略ブロック図である。 本発明の方法を示す簡略化されたフローチャートである。

Claims (3)

1. コントロール・モーメント・ジャイロ（以下、「ＣＭＧ」という。）（１０−１、１０−２、１０−３、１０−４）を使用してスペースクラフト（以下、「Ｓ／Ｃ」という。）の運動量を制御するための装置であって、
   第１の軸（１８）のまわりを回転するように適合されたロータ（１６）と、前記第１軸（１８）に平行でない第２の軸（２２）のまわりを回転することができる、前記ロータ（１６）を支えるジンバルと、前記ジンバルおよびロータ（１６）を支え、前記第２軸（２２）に平行でない第３の軸（３０）のまわりを回転することができるベース（１４、５８、７８）とをそれぞれが含む３つ以上のＣＭＧ（１０）のアレイ（５０）と、
   前記ＣＭＧ（１０）のうちの少なくとも１つの前記ベース（１４、５８、７８）の位置を前記Ｓ／Ｃに対して固定するための、前記少なくとも１つのＣＭＧ（１０）に結合された解除可能なロック機構（８４）と、
   前記第３の軸（３０）のまわりの前記ベース（１４、５８、７８）の回転をもたらすために、前記Ｓ／Ｃと前記少なくとも１つのＣＭＧ（１０）のベース（１４、５８、７８）との間で回転結合され、前記ロック機構（８４）が解除されるときに前記少なくとも１つのＣＭＧ（１０）の前記ベース（１４、５８、７８）の前記Ｓ／Ｃに対する回転または他の動きを引き起こすことができる駆動装置（１１２）と、
   前記駆動装置（１１２）および前記ロック機構（８４）に結合され、前記ＣＭＧアレイを対象とする姿勢変更要求を受信し、解除するために前記ロック機構（８４）に、そして前記第３軸（３０）に対する前記少なくとも１つのＣＭＧ（１０）の動きを引き起こすために前記駆動装置（１１２）にコマンドを出すための制御装置（１１６）と、
   を備える装置。
2. 前記駆動装置（１１２）は前記少なくとも１つのＣＭＧ（１０）を前記第３軸（３０）のまわりに回転させ、前記Ｓ／Ｃに対して前記少なくとも１つのＣＭＧ（１０）を移動させる、請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも１つのＣＭＧ（１０）および前記制御装置（１１６）に結合され、前記少なくとも１つのＣＭＧ（１０）の前記第３軸（３０）のまわりの回転量を決定するための１つまたは複数のセンサ（１１４）と、
   前記Ｓ／Ｃおよび前記制御装置（１１６）に結合され、Ｓ／Ｃ状態または姿勢の１つまたは複数の側面を測定するための１つまたは複数のセンサ（１０２）と、
   前記少なくとも１つのＣＭＧ（１０）に関するデータを格納するための、前記制御装置（１１６）に結合されたメモリ（１０８）とをさらに備える、請求項１に記載の装置。

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