JPS63500931A - 宇宙船機器用指向補償システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 宇宙船積器用指向補償システム 技術分野 本発明は、宇宙船機器の指向誤差、詳しくいうと１または複数の機器の動きによ り誘起される宇宙船の動きにより引き起こされる誤差を減する分野に関する。

従来技術 米国特許第４４３４０４７号は、デュアルスピン衛里のペイロードグラフ）ホー ムの指向位置を制御するためのトルクモータにトルク命令信号を供給する閉鎖ル ープ制御システムを開示している。この特許の第１図に示されるように、人工衛 星２０は、スピニング部分２１および予定された視線を有するプレイロードプラ ットフォーム２２を備える。スピニング部分２１は、センサが地球を観察してい るとき出力パルスを供給する赤外線地球センサ２５を備える。この特許の第３図 および第４図に示される制御装置は、地球センサ２５により発生されるパルスお よび視線２６を表わすパルスを使用して、スピニング部分２１を制御するための トルク命令信号５７．５Ｂを供給する。

米国特許第４．１４へ３１２号は、本体のピッチおよびロールを補償するため、 本体上に取り付けられた回転可能なアンテナを安定化するための制御装置を開示 しズいる。この特許の第１図は、枠体５を含む２軸ジンバル装置により宇宙船の デツキ４上に支持されたプラットフォーム３上に取り付けられたアンテナ１を例 示している。

枠体５は、水平ロール軸線８０回りに回転可能である。

安定化プラットフォーム３は、水平のピンチ軸線９０回りに回転可能である。こ の特許の第３図は１制御装置の一部を示しており、ロール軸線８およびピッチ軸 線９０回りにおけるアンテナ１の相対運動を検出するための同期送信機１０Ｒ， １０Ｆを備えている。四−ル送信機１０Ｒからの出力は制御変圧器１１Ｈに供給 され、そして該変圧器１１Ｒはまた、宇宙船の垂基準装置からロールデータの入 力１７を導く。アンテナ１の位置決めは、このデータおよび対応するピッチデー タに基づいて、宇宙船のピッチおよびロールを補償するように安定化される。

米国特許第４，２７２，０４５号、第へ３２５，５８６号、第４，３５５，３１ ３号、第４，３７５，８７８号および第４．４１８，３０８号も参照されたい。

発明の開示 １または複数の宇宙船機器における指向誤差を減するための閉鎖ループ装置に係 る。しかして、この誤差は、１または複数の機器の運動により誘起される宇宙船 の運動により惹起されるものである。機器は、それ自体の運動により惹起される 誤差について補償される（自己補償）。

各機器は、その機器における運動を命令するための手段（５）と、命令手段（３ ）から発する命令信号（４）に応答してその機器における運動を賦与する指向制 御装置（５）を備える。

各命令手段（３）と各指向制御装置（５）には、宇宙船運動補償論理回路（２５ ）が結合される。

宇宙船運動補償論理回路（２５）は、宇宙船の運動のダイナミックスモデルの代 数釣魚を採用する電子回路である。この電子回路（２５）は、アナワグまたはデ ィジタル形式で実施できる。

本発明は、宇宙船機器間の動的な相互作用を大幅に減することができるので、地 上操作の簡単化において重用な副産物をもたらす。かくして、本発明において開 示される運動補償装置は、各機器の完全に独立の動作を促進し、それに伴ない価 格や人力の節約をもたらし、他面において全系の性能を向上させる。

図面の簡単な説明 不発明のこれらおよびその他の目的および特徴は、図面を参照して行なった以下 の説明から明らかとなろう。

第１図は、本発明を採用できる人工衛星の斜視図である。

第２図は、本発明のＮ機器塔載の実施例の機能的ブロック図である。

第３図は、運動量バイアス人工衛星に関係する第２図の特別の場合を示すブロッ ク図である。

第４図は、本発明が使用されないときの第３図に従う形態に対して指向誤差１０ を時間の関数として示すグラフである。

第５図は、本発明が使用されるときの第３図にしたがう形態に対して指向誤差８ を時間の関数として示すグラ本発明は、任意の形式の宇宙船上において、かつ精 確に指向されるべきことが必要とされる有限数の機器、例えばカメラ、アンテナ 、ソーラーパネルについて実用性を有する。本発明は、特に、第１図に例示され る宇宙船に関して説明される。この宇宙船は、８人８ｋ　ＧＯＥＳ１／Ｊ／に気 象衛星である。第１図上に図示される部材は、ソーラーアレイ１１、Ｘ線センサ １２、磁力計１３、Ｓバンド送信アンテナ１４、ＳＡＲ（５ｅａｒｃｈおよびｒ ｖｓｃｎｓ）アンテナ１５、ＵＨＦアンテナ１６、遠隔伝送および命令アンテナ １８、地球センサ１９、Ｓバンド受信アンテナ２０、ソーラーセイル２４、イメ ージヤ１およびサウンダ２を備える。イメージヤ１は、冷却装Ｍ１７、ア／ぐチ ャ２３、およびミラー３３を備える◇サウンダ２は、冷却装置２１、アパチャ２ ２およびミラー３２を備える。

ミラー３３．３２は、単位秒当り多数の逐次位置を通る所定の走査速度で直交Ｘ およびｙ軸に関してミラー３５．５２を選択的に位置づける２軸ジンバル上に、 各各装着される。Ｘ軸は、ロール、比／南、または仰角軸線と称することができ る。ｙ軸は、ピッチ、東／西、または方位角軸線と称することができる。

イメージヤ１は、地球表面上の放射測定に依る作像を可能にする。イメージヤ１ は、５チヤンネルすなわち赤外線４チヤンネルと可視光線１チヤンネルを有する 。そして、その２軸ジンバル支持走査ミラー３３は、地球上の東／西路に沿って ８ｋＸの経度方向のスウオースを掃引し、全チャンネルから観察されたシーンの 整合されたデータを同時に提供する。走査された領域の位置および寸法は、命令 により制御される。各走査フレームの終了時に、ミラー３３は、較正のためイメ ージヤ１内の赤外線黒体に旋回される。イメージヤ１はまた、精確な地球位置お よび光学的軸線相関データを提供するため、星を感知することＫより較正される 。

サウンダ２は、地球の大気内におけろ水分および温度を測定する。サウンダ２は 、１９チヤンネ／Ｉ／（赤外線１８および可視光線１）の別個のフィルタホイー ルラジオメータを備える。その２軸支持走査ミラー３２は、１０ｂ増分ずつ東／ 西路に沿って４０Ａ２！の仔度方向スウオースをステップ走査する。受動的放射 冷却装置２１は、フィルタホイールアセンブリ温度を制御する。これは、感度増 大のため低い温度での動作を可能にする。放射測定に依る較正は、ミラー５２の 宇宙および内部黒体ターゲットへの周期的旋回により提供される。

本明細書の後の方で、第３〜５図を参照してイメージヤおよびサウンダ２の指向 補償について説明する。しかし、まず本発明についての一般化された説明を第２ 図に示す。この図において、指向補償が所望されるＮの機器の各々は、旋回命令 ４によりそれぞれの機器の指向を命令する命令論理回路、普通はエレクト賞エッ クスパッケージを含む。各機器は、轡器に指向運動を試与する指向制御装置５を 備える。宇宙船運動補償論理回路２５は、通常連続的に動作し、各機器に対して 旋回命令４を入力として受け入れ、各指向制御装置５に加算器９を介して補償信 号６を出力する。補償信号６は、宇宙船の遠隔系を介して受信される地上からの 命令でオーバーライドスイッチ５０の開放により自由に中断できる。

宇宙船運動補償論理回路２５は、宇宙船の運動のダイナミックスモデルの代数釣 魚を含む。かくして、補償信号６は、宇宙船が旋回命令４に応答してなすことが 予想器に入力される。これは閉鎖ループ装置であるから、閉鎖ルールの宇宙船ダ イナミックスそれ自体で（第２図においてボックス３１として示されている）、 宇宙船それ自体が機器の旋回の結果として運動せしめられるが、機器の指向はそ れに対して補償される。

第１図の例に戻ると、イメージヤに対する指向擾乱の主なる源は、イメージヤ１ の動作中におけるサウンダミラー３２／の旋回運動である。これらの旋回運動を 、サウンダ２に及ぼすイメージヤのミラー３３の運動の影響とともに分析したと ころ、相当の誤差を導入することが分った。評価された宇宙船ダイナミックスお よび制御装置を使用する瞬間的機上指向補償装置で、それらの効果が最小となる ようにこれらの運動を補償する。

第３図に例示されるように、例えば、サウンダのミラー３２の旋回に対するイメ ージヤ１、サウンダ２および宇宙船プラットフォームの応答を考察する。この旋 回は、サウンダ旋回論理回路ブｐツク３（２）で発生されてサウンダミラーサー ボダイナミックス５（２）に送られる命令４でスタートする。命令４は、任意の 基準角度に関するミラー３２のそのＸおよびＹ軸の回りの所望の角度情報を搬送 する。高帯域幅のミラー制御ループ５Ｃ２）は命令４を正確に追跡するが、宇宙 船と交換されるミラー３２の運動量が、５０マイクｐラジアン程の過渡的宇宙船 の擾乱１０およびそれに付随するイメージヤ１の指向誤差を引き起こす可能性が ある。擾乱１０は第４図により詳しく示されている。

イメージヤミラー！＋３の指向を補償するため、補償論理回路２５は、同時にサ ウンダの旋回命令を実時間で処理し、生ずるプラットフォームの運動を予測し、 加算器９を介して補償信号６をイメージヤのミラーサーボダイナミックス５（１ ）に送る。補償信号６は、擾乱１０を表わす信号に大きさが等しく極性が逆転さ れているから、イメージヤ２ラー３３は、宇宙船プラントフオームの擾乱１０を 抹消するように動作し、残りの指向誤差８のみを残す。これは第５図に詳しく示 されている。

第４図は、サウンダミラー３２のそのＹ軸の回りの１０°／秒の速度における１ ８０°の黒体較正旋回に対する宇宙船プラットフォームの未補償のレスポンス１ ｏを示している。もしもこの誤差１ｏが補償されなかったら、イメージヤ１に対 して生ずる擾乱は、４ａ３マイクロラジアンでピークとなるだろう。

第４図は、未補償のレスポンス１０が十分に緩速テアリ、補償論理回路２５のデ ィジタルコンピュータに依る実施で、未補償の減衰期間中（約７２秒）複雑な一 連の段階さえ多数回容易に遂行できるほどであることを示している。第５図は、 ２０％の「モデル化課差」（以下に定義される）に対するイメージヤの擾乱８の ダイナミックレスポンスを示している。これは、実際の誤差の控え。

目の評価である。何故ならば、実際には、誤差に対する主要因であるところの宇 宙船慣性は、±５％以内であることが知られているからである。補償されたレス ポンスは１５．６マイクロラジアンの最大誤差を有する。

第３図は、イメージヤ１に対するサウンダ２の影響のみの補償を示している。実 際に、論理回路２５はまたサウンダ２に対するイメージヤ１の衝撃、イメージヤ １のそれ自体に対する衝撃、およびサウンダ２のそれ自体に対する衝撃を連続的 に補償する。連続的連動補償は、通常のミラー３３．３２のステップ走査の影響 、ならびに旋回（例えばフレームリトレース旋回、ブラックボディ旋回および深 い宇宙較正旋回）についてはＧＯＥＳ　Ｉ／Ｊ／に人工衛星上で実施されている 。指向補償装置は常置使用されるが、機器の相互作用は角度位置および角速度に 関して最大であるときは、旋回モード中に主たる利益をもたらす。例えば、サラ ４ンダ２の較正中、そのミラー３２は、比較的短い期間において（１８秒）１８ ０°にわたり旋回できる。

第１表は、１０％および５０％のモデル化誤差に対する機器１．２０指向誤差な らびに第５図に例示される２０％のモデル化誤差の結果を示す。イメージヤまた はサウンダ２は同じ物理的特性を有すると仮定されるから、この表の目的に対し て、対象機器がイメージヤ１であるかサウンダ２であるかは問題としない。

第１表から、補償論理回路２５は、宇宙船ダイナミック３１に対するモデルに使 用される前記比と較べて補償論理回路２５が「そデル化誤差」に非常には敏感で ないことが分る。しかして、「モデル化誤差」とは、補償論理目配２５内に埋め 込まれるモデルに対するＸおよびＹ軸の各々に対してトルク／慣性比に意図的に 加えられる誤差をいう。

第１表に対するデータを提供するため、第３図の各機能プルツクの直線伝達関数 モデルを開発し、分析し、コンピュータで疑似した。４つの別個の伝達関数を２ つの機器に対して展開したＯ １　ミラー旋回論理回路３、これは第３図に示される傾斜４のように旋回命令機 能を生ずる。伝達関数はｖＲ／Ｂｔである。こ−に器はラプラス演算子（微分演 算子）、ｖＲは、旋回速度の大きさく任意の細線の回りの）である◇２　ミラー サーボ制御ダイナミック５、ミラー制御装置の閉鎖ループ伝達関数モデル。伝達 関数は、ｗ２／（Ｓ”　＋　２．　ＯＺＷＩ　−）−Ｗ”　）　テアル。、：　 ’ｂ　ｋ　Ｚ　ハ、ミラーサーボ制御ダイナミックス５の減衰比、Ｗはミラーサ ーボ制御ダイナミックス５の不減衰固有周波数である。

五　閉鎖ループ宇宙船ダイナミックス３１、実際のグラツＦフオームダイナミッ クスを疑似するピッチおよびシール／ヨー宇宙船ダイナミックスの詳細な閉鎖ル ープモデル。ＧＯＥＳ　Ｉ／Ｊ／に宇宙船においては、２つの動作慣性ホイール が、ピッチ軸の回りにスチフネスを、ロールおよびヨー軸線間にジャイロスコー プ［ｌｔ合を提供する。伝達関数は下で示される。

４　運動補償論理回路２５、宇宙船ダイナミックス３１のモデルの代数の負。第 １表の誤差分析に対して、補償論理回路２５は、故意に、宇宙船ダイナミックス ３１）（対するモデルから予定された態様で外ずれるように作られる。

宇宙船運動補償論理回路２５に対して使用されるモデルは、下記の２つの式によ り与えられる。補償信号６は、Ｘおよびｙ軸成分、それぞれＣＩ（＠）およびＣ ｙＯｍを含む。

この同じ補償信号６は、各指向制御装置５（１）、５（２）に送られる。式は、 機器サーボ５　（１）　、５　（２）の工およびｙ軸運動により発生される擾乱 トルクに対する宇宙船の直線伝達関数の代数釣魚である。

伝達関数は、慣性および角度の直線関数である。これらの精度は、宇宙船および 機器サーボ５　（１）　、５　（２）の剛体質量特性の情報の許容差のみに依存 する。推進的スｐツシュは、これらの機構により発生される極く低い宇宙船加速 度では宇宙船の運動に影響を及ぼさない。同様に、非常に小振幅の運動における 構造的可撓性の影響は、宇宙船の運動に測定できる程の差を生じない。ミラー３ ３．３２は宇宙船と比較して小さな質量しか有せず、それらのサーボ５　（１） 　、５　（２）は迅速であり、小誤差をもって入力旋回命令４（１）、４（２） を追跡するから、サーボ５（１）、５（２）のダイナミックスは、これらの補償 式に考慮に入れる必要がない。

かくして次の式が得られる。宇宙船連動補償論理回路２５は、下記の伝達関数の 時間変域の実施として機械化８はラプラス演算子（微分演算子） Ｃ工（、）は、サーボ５（１）、５（２）の各々に送られる補償信号のＸ軸成分 に対する補償角度である。

■　は、その胃−ル軸線の回りの宇宙船の慣性モーメントである。

Ｉ□よけ、イメージヤミラー３３のそのＸ軸線の回りの慣性モーメントである。

Ｘｏは、サウンダミラー５２のそのＸ軸線の回りの慣性モーメントである。

Ａエエ（Ｓ）は、イメージミラー３３のそのＸ軸線の回りの、任意の基準角度に 関する角度位置である。

Ａ□（Ｓ）は、サウンダミラー３２のそのＸ軸線の回りの、任意の基準角度に関 する角度位置である。

■は宇宙船の総角運動量である。

Ｇ、Ｊ、におよびＬは、宇宙船の田−ルおよびヨー姿勢制御ループの閉鎖ｙ−ゾ レスポンスを実現する定数である。

Ｃア（、）は、サーボ５　（１）　、５　（２）の各々に送られる補償信号６の ｙ軸成分に対する補償角度である。

エアは、宇宙船のそのピッチ軸線の回りの慣性モーメンＦである。

工□アは、イメージヤミラー３３のそのｙ軸線の回りの慣性モーメントである。

■　は、サウンダミラー３２のそのｙ軸線の回りの慣Ｓγ 性モーメントである。

Ａエアは、イメージヤミラー３３のそのｙ軸線の回りの、任意の基準角度に関す る何度位置である。

Ａ、ア（Ｓ）は、サウンダミラー３２のそのγ軸線の回りの、任意の基準角度に 関するその角度位置である。（Ｐ、ＱおよびＲは、宇宙船ピッチ姿勢制御ループ の閉鎖ルースレスポンスを実現する定数である。

２以上の機器が補償されることが望まれる一般的場合は、Ｃｘ（ｍ）およびＣア （、）に対する式の分子は、追加の機器から発生する擾乱トルクを表わす項で補 足される。

補（！４論理回路２５は、アナログまたはディジタル形式で実施できる。例示の 具体例の場合、補償論理回路２５は、機上ＡＯＣＥ（姿勢および軌道制御電子回 路）ディジタルマイクロプロセッサ、この場合ｐ＠ｒｋｊｎ　Ｅｌｍｅｒ　／Ｉ ｎｔｅｒｄａｔａ　５　／　１６ミニコンピユータの小形化されたもの、の一部 として実施される。

上述の記述は、好ましい具体例の動作を例示するものであり、本発明の技錆思想 を限定することを意味するものではない。本発明の技術思想は以下の請求の範囲 によってのみ限定されるものである。上の論述から、本発明の技術思想から逸脱 することなく種々の変更をなし得ることは技術に精通したものには明らかであろ う。

国際調査報告

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）機器の運動で誘起される宇宙船により惹起される宇宙船機器の指向誤差を 低減する装置において、宇宙船上に取り付けられ、宇宙船の外側の位置に指し向 けられるように配置された少なくとも１つの機器と、各機器に結合され、機器の 指向方向を変化させるための作動手段と、 各作動手段に結合され、機器における運動を命令する命令手段と、 各動作手段に結合された出力と各命令手段に結合される入力を有し、機器の運動 により誘起される宇宙船の運動の誤差を補償するための補償手段と、を備える指 向誤差低減装置。
2. （２）前記補償手段が、宇宙船の運動のダイナミックスの負のモデルを採用する 電子回路を備える請求の範囲第１項記載の指向誤差低減装置。
3. （３）地球から送られる信号に応答して補償手段から発する信号を選択的に不能 化する手段を備える請求の範囲第１項記載の指向誤差低減装置。
4. （４）補償手段が、命令手段により命令される機器の運動の結果として予期され る宇宙船の運動の負を表わす信号を各作動手段に送る請求の範囲第１項記載の指 向誤差低減装置。
5. （５）宇宙船機器が、第１作動手段により地球に調節可能に指し向けられるミラ ーを有するイメージャと、第２作動手段により地球に調節可能に指し向けられる サウンダを備える請求の範囲第１項記載の指向誤差低減装置。
6. （６）イメージャとサウンダが宇宙船の一面上に取り付けられており、第１およ び第２作動手段が、各々、イメージャとサウンダのミラーをそれぞれ地球上の位 置に選択的に指し向けるための２直交軸ジンバルを備える請求の範囲第５項記載 の指向誤差低減装置。