TW306898B - - Google Patents

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^06898 A1 B7 五、發明説明（1 ) 本 發 明 係 關 於 白 適 應 控 制 » 特 別 是 對 於 使 用 磁 矩 發 生器 ， 在 地 球 軌 道 上 9 依 —·f 蚰 向 而 安 定 之 衛 星 的 側 滾 -偏航平 面 〇 更 特 別 地 9 但 非 專 一 地 » 偽 關 於 具 有 中 間 傾 角 (¾ 1常 在 約 15 〇 與 約 75 0 之 間 )的軌道’ ) 先 前 技 藝 之 描 述 在 許 多 文 件 中 9 已 提 出 有 丨使 用 磁 場 線 圈 Μ 協 助 在 地 球軌 道 上 之 人 造 衛 星 的 姿 態 安 定 ， 在 這 lib 文 件 中 9 例 舉 如下 (請先閱讀背而之注意事項再填寫本頁) 本 發 明 之 背 景 本 發 明 之 領 域 -可再使用之再入衛星系統設計研究 » .. 附錄E :姿態控制系統研究 11 h a c 〇公司* 11 h a c a *紐約州 美國國家航空暨太空總署星際科技報告第4期。 -用以旋轉小型太空船的磁性姿態控制系統。 P A L，P A R I M U* S K L B Y | V A U G Η N Η .等著 11 h a c ο，公司，I ι: h a c a，紐約州 美國國家航空暨太空總署IAA會議論文第10期。 -ETS-III之磁性姿態控制系統的發展 IMA I F. ,SH IMIZU J .等著 曰本國家太空發展局，東京 美國國家航空暨太空總署IAA會議論文第18期。 -基本磁性姿態控制系統 STICKLER A.C., ALFRIEND K.T.等著

Ithaco公司，Ithaca，紐約州-海軍實驗室，華盛頓特 本紙張尺度適用中國國家標準（（.'MS ) Λ4規樁（2丨0 X 297公釐）

*1T 線( 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 _ B7 五、發明説明（2 ) 區 AIAA，力學與控制飛行會議，Anaheim，加州/8月5-9日 ，1974年， -傾向靠近極地衛星之一動量的磁性側滾餹肮姿態控制 BRUBERLE E. , RE IHDLETA.等著

Messerschmitt Boikov# Bio hut公司，Ottobrunn，德國 IFAC/ESA在太空之自動控制討論會，Noordwijkerhout ，荷蘭，7月5-9日，19 8丨2年，及 使用磁性轉矩之|主太空船姿態控制 ' - ' « - · - . , ,·.ν , MUSSER K.L., EBERT W .[.. * < , 約翰*霍普金斯大學應用物理實驗室，L a u r e 1 ,馬里 蘭州 美國國家肮空暨太空總署，Goddard太空飛行中心，飛 行力學/估計理論討論會，1989年2 3 -28頁。 在這些文件的逼j中，線圈僅被用於限尼或僅被用於去 飽和姿態控制慣性輪，或在一開/闞的基礎上操作（或在一 ____ · - - - .«— - ' — —- · —— . ----- ,,—— 一—....· -—'*·*—·.一 . ”正”開/ ”負”開/關的基礎，其中 > 線圈被用K去飽和此輪 - ^ ’~' )，或结合在側滾方向的磁埸値與flii仰方向的磁埸值的導函 數，或在一非常嚴格之假設的基礎上操作（例如，B 0 = 0之 條件）。MUSSER與EBERT的文^提出了 一種姿態控制方法， 其為使用磁埸線圈與在線圈裡流動之電流的調節*這是一 ..— " " '^ " -一一 .- ^ 個有力的解決方塗_：但其具有缺點為需要一完整的地球 一 —^ 一 一" ’一·—- ' —""_~ — 場横型及軌道的正確知識JUS .屋.位;並且，此方法無法 一 -----1 -.，. L-e-ih II '· mrn^lr Ί__ 丨 一丨――- + 考處到實際上磁塌與馍型之背馳，或甚至克腋最微小的磁 本紙張尺度適用中國國家標準（（NS )八4規格（210X297公f ~ 5 ~ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -s 306898 Λ7 B7 五、發明説明（3 ) 暴。 下列的文件亦可加以提及： -US-A-4 9 1 6 622，其褥要一可依榴軸旋轉的憤性輪， -US-A-4 489 38 3，其受限於險峻地傾斜的軌道且僅能間 欺地活動磁性線圈（在兩個内之一四分之一軌道上）， -US-A-4 8 07 8 3 5，其需要一重力支座的使用，並僅為 了阻尼而使用磁性線圈， -FR-A-2 498 155，其受喂於胆尼單動， -F R - - 2 3 1 9 1 5 0，其受哏於同步軌道， -FR-A-2 525 359，其為關於在側滾-偏航平面上之一自 主動力矩的去飽和化。 -FR-A-2 52 5 360，其需要對欲補償之一外部干擾轉矩 的測定， -F R - A - 2 5 2 5 3 6 1，其使用一磁極性訊號與一平滑裝置 -ΕΡ-Α-0 5 44 2 42，其集中於磁性干擾的補償，及 -US-A-5 0 47 94 5，其滞要一地磁場横型的知識並集中 . ~~ ·*>'· — — - ·· - — ...... 於補價衛i的刺餘Ji埸。 II —.....——1 ......一一…1丨_ 一' 一^-- 本發明的一目的在於輻由提供一姿態控制方法與裝置而 "•*1. 減輕上述缺點，其為至少在側滾-偏肮平面上實施，利用 磁矩發生器與地磁場之相互作用，而導致高精確度的指向 ，並由於其簡單性，可靠性與對於磁場内之變動的適應能 力，而結合有低質虽，低成本與艮服務年限的優點。 本發明之概述 本發明包含有一控制衛星姿態的方法，使其對，μ ϋ—- (請先閲讀背面之注意亨項洱填寫本頁) 装· 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) Λ4規掊（210Χ 297公犛） A7 B7 五、發明説明（4 ) 15UI鬱航軸呈安定，其中，對於側滾-偏航控制： 一在瞬時方向為1之側滾-偏肮平面内的瞬時方位可被決 場 磁 地 域 區 與 ->γ 最 向 位 單 的 仰 俯 由 為 rd 向 方 時 瞬 ’ ’ 義 定定 矩 轉 正 校 之 星 衛 的 上 向 方 滾該 側在 之於 星 用 衛被 1 1 定 決 被 可 量 態 姿 航 偏 方 與 幅 振 的 滾 件 側條 該決 由先 為從 幅遵 振於 該 應 , 適 律為 定益 制ti« 控^1 的 ， 決定 先決 據所 依量 ’ 態 定姿/ 決〆 被 可M 向偏 之 態 動 星 衛 之 上 面 平 肮 偏- 側 在 擬 0 於 關 為 ， 件點 條極 決的 先統 此糸 的正 矩校 磁該 該生 ’ 產 上向 面方 平該 的在 向而 方 -時用 瞬作 該互 於相 直的 垂場 於磁 生地 發與 矩由 磁藉 一 為 一 幅 振 矩 轉

Z X 正 校 肮 偏 I 滾 側 該 中 其 分 部 P 俯 有 具 不 対 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本I) :装 ,βτ 佳 的 點 極 明> 統藉 發糸j益 本於~增 據.闞該 依 一 一 :決一 色先 苜 為 件 上 星 衛 β於 存 儲 自 插 内一 由 件/滾， E側/ 的I少一定；至一 tliI,. β Μ 時一 i 的I i 1之一 分 β, S 的 里 磁 地一 時 瞬 之 上 面 平 肮 偏 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 於 基 . 與 得..' 求一上一 而數一 位〃係一 方一 0... 的立I z —r ‘ X 傅 3J 之 上 星衛Ij 存儲 於 基 為 益 MB 該 時 瞬I 之| 位一 方S 勺一 .62 - zj X 一 B f 分一 剖 的 埸 磁 地 域 區 的 上 面 平 肮 偏- 滾 側 在 值 導 / 益 例種 比 四 為有 律且 定並 制 ’ 控度 1 速 角 及 角 航 偏 - 滾 側 為 量 Μ 姿 u= § 數 函 其 及 角 航 偏 i 滾 側 為 最 態 姿 型 分 積’ /¾益 例增 uu SE UU 種 為四 律有 定 且 制並 控， 一 分 積 本紙张尺度適用中國國家標準（C NS ) Λ4規格（210X 297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（5 ) 一控制定律為比例/積分/導函數型，姿態量為侧滾-偏 肮角及角速度與其積分，並且有六種增益· 一先決條件所應用的極點之特徵為量St與ω;，使得系統 的特激多項式可Μ ϋ項乘積的形式寫成： X2 + 2C，i or X i (〇] 其中丄為在1與iL之間（含1與旦）。 一極點為選擇成使得量ω {為至少大於軌道角頻率一位 數， 丨 一部分ΒχΖ的振幅被決定且磁矩My的振幅為由將校正 ye· 轉钜的振幅除Μ部分Bxz的振幅所決定，及磁矩My為在俯 * .. 仰軸周圍產生， 一電磁場B的振幅1B1被決定，且磁矩Mb為垂直於地磁埸 而產生，使得： Β Λ C ra X z

Mb=-- 1 Β 1 2 一在俯仰軸的姿態為藉由修正一俯仰慣性輪的轉動速度 來控制， 一俯仰轉矩被產生Μ去飽和慣性輪•此係賴由活動至少 一在側滾-鵂肮平面上產生一磁矩的磁矩發生器而成， 一在俯仰袖的姿態為藉由在側滾-鵂肮平面上產生一磁 矩來控制，其振幅為在俯仰姿態量測的基礎上被決定， 一磁矩為在側滾-偏肮平面上，該瞬時方向附近被產生， 一姿態量為藉由使用地球，太陽及/或星球的探査器， 本紙悵尺度適用中國國家標準（（'NS ) Λ4規格（210X 297公釐) 一 8 — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 士衣 訂 S06S98 五、發明説明（6 ) 迴轉儀或速率迴轉儀之探査而決定，及/或使用估計滤波 器而被估計， 一至少某些姿態最係藉由比較瞬時地磁塌之一或多軸上 的量測與一地磁場模型而決定· 一至少在側滾-蝙航平面的地磁場係藉由使用至少一地 磁儀於一或多個量測袖之量測而決定· 一至少在側滾-偏航平面上之地磁場的方位為由接收自 地面的訊號而決定， , 一至少在側滾-偏肮平面i;之區域地磁埸的方位為由此 埸的横型所決定， 衛星在一軌道上，其傾向在約1 5 °與約7 5 °之間。 在另一方面，本發明包一對側滾，俯仰與偏航安定的衛 ___—------—-- ' ----- ^ -------- 星，其包括一側滾-偏肮姿態控制裝置，包括： 至 的 場 磁 地 域 區 時 瞬 之 面 .平 肮 偏 - 滾 側 在 定 決Μ 用 置 裝 I 第 的 Ζ X Β 位 方 少 第 ， 定號 決訊 態態 姿姿 一 生 一 產 向 裝 方 航 偏 與 向 方 滾 側 在 少 至Μ 用 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 有 含 包 其 ’ 滾 腦側 電 一 的給 置 供 裝律 二定 第此 與 ， 一 律 第定 至制 接控 連應 一 適 白 偏 / 益 曾 tr 變 可 i 被Μ 值 矩 轉 肮 位 位 方方 時之 瞬 XS J Z 少 BX至 之如 號有 訊益 態增 姿變 自 可 來該 於給 用供 應其 興 * 軸律 仰定 俯一 於含 用包 應並 直 ， 敝 函 的 Ζ 用 ΒΧ作 生互 皆 目 0 粍 上之 面 場 平磁 的地 由 写 S β 仰被 俯Μ 在矩 於轉 適 於 為 生 其 產 , 於 器適 生 其 發 ， 矩矩 磁磁 1 1 1 即 (請先閱讀背面之注意事項再填艿本頁)

本紙張尺度適用中國國家標隼（rNS ) Λ4規格（210Χ 297公角） t A7 B7 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 五、 發明説明（ 7 ) 所 應 用 Ο 上 述 本 發 明 之 較 佳 特 色 準 用 於 衛星與 其姿態控制裝置。 V Λ 將 可 Μ 了 解 到 本 發 明 一 提 供 側 滾 -偏肮控制而不必在俯仰方向應用任何轉矩· ~.J | _ | - . .................... ..... . _____ _ ______ _ _____________— —----» 一 不 排 除 磁 性 地 控 制 俯 仰 的 可 能性， 一 不 需 要 任 何 轉 ...~ 動 一— 動 Jl .里 一 不 限 於 極 m 斜 的 軌 道 m 平 嫒的軌 ~....... 道， 一 不 需 要 \Έ 何 力 支 1 __. 不 需 要 反 動 ft么 fro 或 在 側 滾 偏航平面上具有非零的旋轉 軸 部 分 的 慣 性 輪 或 推 進 器 一 在 應 用 控 制 之 前 不 爾 要 任 何時延 $ 一 不 需 要 任 何 外 部 干 擾 力 .姐 的 測定* 旦不限於補償干擾 轉 矩 一 不 餺 要 磁 場 的 預 測 或 遍 及 軌 道之磁 場横型的知識（此 埸 的 局 布 知 iftfc m 為 充 分 的 ) 且 一 不 需 要 在 其 軌 道 上 之 衛 星 位 置的衛 星上的知識。 本 發 明 的 巨 的 特 色 與 優 點 將 會經由 下列敘述而浮琨， 此 敘 述 為 參 見 牖 附 圖 式 而 m »*vl- 由 非 限制的 例子來供給。 圖 式 之 簡 單 說 明 圖 1顯示依據本發明之軸系統 其軸為與衛星及關係到 至 少 在 側 滾 -偏航平面之姿態控制的不同向量相關。 圖 2為本發明之側滾- 鰌 肮 姿 態 控剌方 法的流程圖。 圖3顯示六個圖 >其表現了由本發明 沒有干擾轉矩時 之 模 擬 所 得 到 的 側 傾 * 俯 仰 與 饑 肮角度 與衛星之瞬時旋轉 -- 請 先 閱 讀 背 ιέ 之 注 意 事 項

再 I 寫 本 頁 η 罕 標 冢 國 國 宁 用 通 度 尺 ifr 紙 離 s 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Λ7 B7 五、發明説明（8 ) 向量的座標，對時間的發展， 圖4顯示了四個圖，其表現了由圖3之相同棋擬所得到的 四個側滾與偏肮增益，對時間的發展。 圖5顯示了六個類似圖3的圖，但為容許干擾轉矩之横擬。 圖6顯示了四個類似圖4的圖，並顧示了自適應蝤益的發 展。 圖7顯示了三個圖，其顳示了茌被考慮之空氣動力學與 太陽之干擾轉矩的三軸之上的部分。 圖8顯示了三個圖，其顧示了沿著在衛星的位址之瞬時 地磁場的三軸的部分對時間的發展（沿著軌道）》 * ,. 較佳具體例之詳细說明 圖1顯示了與衛星S有關的軸XYZ的系統，此衛星的姿態 為至少在側滾-偏肮平面圼安定。X* Y，X軸Μ常見的方式 被定義如下： 一 X為側滾軸， 一 Υ為俯仰_ ，平常為垂直於軌道平面，即，側滾-偏肮 平面， 一 Ζ為偏肮軸，平常為指向地球的中心， 及更有： *袖ΧΥΖ的糸統構成一直接參考架構， *χ軸，其平常為在側滾-偏肮平面上，被指向於在其軌 道Τ上之衛星瞬時速度的相同方向；若軌道為圓形，則X袖 通常與軌道相切。 下列的敘述為最初關於側滾-偏肮控制。 本紙張尺度適用中國國家標準（（:NS ) Λ4現格（210X297公焚_) =^~' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

T '*衣. 訂 S06898 A7 B7 五、發明説明（9 ) (請先閲讀背而之注意事項再填寫本頁) 側滾角6與偏肮角4為闞於X與Z軸相對於其固定點姿勢 之角衛星姿態誤差，如上面定義之相對於軌道與地球之固 定點姿態。 依據本發明，側滾-偏肮姿態控制使用一磁性俯仰線圈 ，即其活動軸平行於Y袖，或（更普遍地）磁矩發生器意味 著其活動磁袖，通常不必固定*為在此袖Y與地磁場B的平 面上。 由此線圈產生的磁矩M y因ft沿著Y軸指向。磁矩發生器 在（Y，B)平面上產生一磁矩M.b。 首先考慮俯仰線圈。 因為在兩磁場或力矩之間的相互作用是一個等於此等埸 /力矩之向量積的轉矩，磁矩My與區域地磁場的俯仰部分 產生了一零轉矩。 在另一方面，My與在側滾-偏肮平面上的地磁場之部分 Bxz相互作用而磁性地產生一轉矩C m X z，其為平行於側滾-偏肮平面，垂直於M y與B X z，並具有一横數相等於後者之 横數求積，因為其為相互垂直的。 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 現考慮一在（Y，B)平面上產生之磁矩Mb的一般事例：此 磁矩與Bxz的相互作用在如前述之相同方向產生一轉矩， 但Mb與地磁矩的俯仰部分By的相互作用亦在此方向產生一轉 矩。更普遍地，M b與B的相互作用的結果係為一轉矩C m X Z ，其為由下列方程式所表示： C m X z = M b Λ Β 此通解的一特殊事例為前述的事例，其中磁矩為平行於 本紙张尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210Χ 297公釐） A7 B7 五、發明説明（10) 分 ί 大 充在最 為 Η 為 即中效 圈其功 線為其 一 例 ， 單事中 一 殊例 , 特事 中的此 例要在 /IX yy cnn s- 33 Β 此一於 在另直 γ(垂 位 方 一 有 上 面 平 \|7 β

由 則 數 横 的 Ζ X 給 供 所 積 乘 數 模 的 Β 與 物 等 同 滾其 側或 /IV 在 定 固 為^ 0 Μ - 若滾 側 圈 線 航 於 Ϊ //Ί 平 即 面 平 航 偏 要 稼 Ρ. 僅 則 向 方 此 角 α 圼 的 上 軸 仰 俯 ) X 由 Β 為 * 1義 定 所 積 最 的 場 向磁 方地 時域 瞬區 與與 X Υ 軸量 傾 向 側位 單 袖 肮 偏 對 是 。 的 度意 角注 同 得 相 值 圼 7 定 決 位 方 的 與 X Β 若 位 方 的 若 且 軸 Ζ 與 X 星 ¥ 分 部 肮 0 與 滾 rtHJ ffi 的 場 ： 磁值 地 正 域為 VI 區 - 示於 表對 ζ X Β α -----------^ 仏-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1Τ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 a =Arc tan(-Bx/Bz) 下面將會變明瞭，在至少在側滾-偏肮平面上之姿態控 制的方程式|本發明對事實加Μ考慮*此事實為，所有賴 Mb與地磁埸之相亙作用，在任何給定時間，可產生於側滾 -偏航平面上的轉矩為必須在由角α所定義的方向1?(轉矩 當然可為負值，亦可在1的相反方向）。 應用於包含衛星於其環境之系統的第二方程式可被寫成 (Μ向量的表示法）容許一事實，即外力為一干擾轉矩C ρ ( 理論上未知）與一控制轉矩C ra (欲決定）的和： I Ω + Η Ω Λ I Ω + S2 Λ H = C ρ + C m 其中Ω為在其軸糸之衛屋的瞬時旋轉向量* I為衛星的慣性矩陣， --------*_4-«?_„--- 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) Λ4規格（2丨0乂297公漦） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（1 1) Η，若有的話•為衛星的自主動力矩；此係涉及， 例如，一固定方位慣性輪，較佳地為一沿著俯仰軸有固 定方位者。

具有三個部分的上述向量動力方程式可分裂成一在側滾 -偏肮平面具有兩部分的動力矩陣方程式（相當於一有兩純 量方程式的糸統）與一俯仰方程式。此敘述所餘者為關於 側滾-偏肮平面；此可被寫成，將小角度加Μ線性化成一 之幕： I

Ak + Bj( + DX = Cpxz + Cinxz ·. 其中：

Cpxz為在側滾-偏肮平面上之干播轉矩的部分， C m X z為在側滾-偏肮平面±之控制轉矩的部分（如Μ下所 解釋，字尾” in”表示轉矩為磁性地產生）· X為由側滾與偏肮角φ與Ψ所形成之行向量， A，Β與D為表琨衛星，特別是其動最*之特微的係數的 矩陣。 當被控制轉矩應用的方位為已知，投影於側滾-偏航平 面上的轉矩C m X z可以下列形式寫戊：

其中C為一純量（相當於圖1中之向量C m X z的横數）。 一將Cmxz表琨如X，其導函數j(及/或其積分J*X的函數的 控制定律可被選擇成普賴里（P「i 〇 r i )。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS } Λ4规格（2丨Ο X 297公釐） ---------r f- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、\-° " 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（1 2) 一比例/導函數型控制定律可被寫成：

C=Kc · X+Lc · X 其中K c為增益K t與K z的列矩陣，而L c為增益1 i與U的列 矩陣，下標1相當於側傾增益且下標2相當於偏肮增益。 一比例/積比型控制定律可寫成：

C=Kc · X+Nc · j X 其中矩陴K c與N c同樣地為增益K i，K 2，n i，η 2的兩列矩 陣。 丨 一 Ρ I D (比例/積分/導函數·).型控制定律需要六個係黻Κ ! ，Κ 2，1 1， 1 Ζ ' 11 1 與 η 2 ° 係數或增益數愈少，控制定律愈簡單。實務上，係數或 增益的數目等於4。 在比例/導函數控制定律的事例中，上面的動力方程式 可Μ下列的形式寫成： AX + B'X + D'X^pxz 其中B ’與D ’包栝了表達轉矩C m X ζ之》與X的係數。 若一使用X的積分的控制定律被選擇，在動力方程式的 左手邊會有第四項（例如表示成F)。此可解釋為何吾人較 喜歡使用比例/導函數型定律，係為了簡化方程式。 根據本發明的糧要特色，不同的增益為依據適當的先決 標準，考盧地磁場之側滾-偏肮部分或α及先前定義之Bxz 之模數的瞬時值而随時間改變。 為了此原因•使用的命令定律被稱做自適應定律。 增益為較佳地基於闞於系統之動力右程式的極點的選擇 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公楚） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) J. A7 _ ΙΠ 五、發明説明（1 3 ) ，即，其特徵方程式的根。 系統的特徵方程式為一 ϋ次多項式。次幕01決定於問題之 經濟部中央標準局員工消費合作社印策 微 分 方 程 式 的 次 幕 (η =2若 控 制 定 律 僅包 含 比 例/導函數項 9 η = 若 控 制 定 律 1>2 含 積 分 項 )! •及在意的向虽X的 部 分 的 數 巨 (若僅僅在側滾- 偏 rntf 肮 平 面 的 系 統有 關 聯 ，則 為 2) 〇 事 實 上 > JL為前述值的乘積< 3須注意的是I '數目H * 即 極 點 或 根 的 數 巨 9 可 異 於 控 制 定 律 之 增 益 的數 0 (比例/ 積 分 或 導 函 數 /積分控制定律） 〇 此 等 極 點 通 常為 複 數 值， 但 總 有 些 中 間 量 具 有 總 為 實 數 且 具 有 物 理 意 義的 優 點 0 更 精 確 地 至 少 在 應 用 於 側 滾 -偏肮控制之比例/ 導 函 敝 型 控 制 定 律 的 事 例 中 » 特 擻 多 項 式 可Μ 下 列 形成 寫 成 : P =(χ2 ωι X + (1)1 : (X7 2ζ? ω. -Η 丨)) 中 間 量 為 角 頻 率 ω 1與C 〇 7 及 阻 尼 因素 2 ，與S 2 〇 在 個 極 點 的 事 例 中 ♦ 附 加 量 ω 3與？ :3 可 掖使 用 0 角 頻 率 ω 1 ' '( 〇 2 的 值 愈 大 t 系 统 的反 應 愈 快（，’ 神 經 的 ” 控 制 )； ;阻尼因素ξ 1 與 愈高， 1被減振的埋動愈快。 > 此 等 虽 可 為 常 數 (時恆性） 值 〇 另 外 9 其 可 根 據 在 軌 道 上 之 衛 星 的位 置 而 引起 變 化 〇 當 a 改 變 時 » 為 了 使 糸 統 穩 定 * 較佳 地 » 角頻 率 ω !與 ω 2為非常大於軌道角頻率〇 0 (例如10至1 00倍大 )< >此達 成 了 在 控 制 增 益 中 的 變 動 與 在 衛 星 之姿 態 中 的變 動 的 良 好 頻 率 解 耦 〇 特 徵 方 程 式 的 f系 數 可 白 此 些 角 頻 率與 阻 m 因素 » 而 因 此 白 極 點 而 決 定 ， Ά 用 於 增 益 k 2 » k ? -1 1 與 1 7 (若超過四個 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X 297公釐） I — ^衣 i ： (請先閱讀背面之注意事項再填商本頁) 306898 A7 B7 五、發明説明（14) ，則甚至其他增益）的瞬時值可自此些係數中推尋，為了 自下列方程式中供給在方向1所蒲之瞬時值C: C = . φ η . φ + k2 . ψ I Ζ2 . ψ 磁矩的振幅卽自磁矩被產生之（Υ，Β)平面的方向來推尋。 如圖2之圖表形式所示，使用比例/導函數控制定律的側 滾-偏肮姿態控制包含下列步驟： -步驟1:使用任何一種適合的地磁儀來量測Bj{與ΒΖ(或 直接量Βχζ)的瞬時值，並確認ct ， -步驟2 :自衛星（A，B，D i之已知動力特徵與強制控制 特徵（強制於S i2，ou ,，ω 2或特激多項式P的適當根 上的束縳），決定增益Κ ,，Κ 2，1 ,，1 Η (即控制定律的列矩 陣）的瞬時值。 -亦為步驟2 :自步驟3的量測中決定所爾的（固定點）側 滾-偏肮轉矩C ra X ζ，使用任何適當的探测側滾-偏航姿態的 系統（地球感測器，太陽或星球感測器及/或迴旋儀及/或 估計滤波器或甚至接收外來的資料），Μ虽測欲校正之側 滾與偏航角及速度（即X與X) · -步驟4 :決定欲產生在Υ軸上的磁矩My |或更普及的為 磁矩M b， -亦為步驟4 :產生此磁矩： -步驟5·藉由此磁矩與地磁場B的相互作用，產生一實 際轉矩，其可對步驟3感測到的衛星之姿態產生一改變， 而經由系統的動力關閉其系統廻路（步驟6 )。 衛星姿態即藉由此動作的循環來控制，此循環監测了 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（2IOX297公釐） 一 1 7 _ ---------^;ϊ.-----IT------^ I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（15) B X z的瞬時值與新的姿態值，而此姿態值則給予了衛星對 於M y之產生及與地磁場之相互作用的反應。 瞬時（或現在的）地磁場可藉由量測（見上）或使用一數學 横型或使用量測與横型的结合而投射在側滾-偏航平面上 。須知，對每一軌道•此投射的方向改變並完成一周期。 方向ί亦同，其中，可能在側滾-偏航甲面上僅僅產生一磁 轉矩。 須注意的是，在傾斜至地）¾赤道之軌道的事例中，只有 一此種方向，在非傾斜至地磁赤道之軌道的事例中，在側 滾-偏肮平面上的唯一轉矩可被產生在此平面的任何方向 * ., ，因此，本發明、16不限於此特別事項。 為了決定側滾，偏肮，側傾率與鰌肮率等控制增益（在 比例/導函敝型控制定律的事例中，雖然下列討論可普及 於其他任何定律|，控制系統的特微多項式的係數被確定 ，在與如參數之四個回行增益相計算•與所欲之特擻多項 式的係數相計算，並符合於被選擇的極點之後，獲得之四 個方程式的系統被解出，四個未知數即為四個控制增益。 ---------『 水-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、-* 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 多益 在在？ 用增 可可ΪΡ 宵 使的。亦益(1 其 算星數 增数 , 計衛係一函 算行的葉每的 計先上立，數 t 面道傅中係 星地軌要例之 衛在到主事存 在而送的此儲 而 C 傳一 在 與 法同 再每-a 插不算之上度 内對計 益星角 。 由針上增衛在)° M及面種於現分 可 t 地四 存為充 益 星在的儲成已 增衛可數並立數 ， 在亦函 算建係 上 存益的計被個 際貯增 α 上上五 實個。為面星前 數值 地衛上 ft 本紙張尺度逋用中國國家梂举（CNS ) Λ4規格（2j〇X29·/公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（1 6) 再者，在俯仰方向的控制為使用例如俯仰憤性輪（見上 述）而引起，其速度被修正Μ補償在俯仰方向的姿態變動。 當需要•或甚至連讀地，此輪可被去飽和，其使用在側 滾-偏肮平面上運轉的磁性線圈（例如一側滾線圈與一偏航 線圈）·藉由與地磁埸之側滾-偏肮部分的相互作用，而產 生所襌的去飽和轉矩C y。 為了俯仰軸之迴轉儀的穩定，慣性輪最好已經在衛星上 ，並且代替地被容許與俯仰I校正轉矩Μ —定速度旋轉，此 轉矩為藉由在側滾-偏肮平面上的前述磁性線圈所產生。 為了將此控制的效力或在俯仰方向之此去飽和化的效力 » ·, 極大化，側滾-偏肮平面磁性線圈較佳地產生一垂直於Βχζ 的磁矩；與在俯仰方向的磁_場相互作用是可能的•並且在 側滾-偏肮平面上產生一干擾轉矩。俯仰控制或去胞和化 因此干揠了側滾-偏航，但側滾-蝙航控制並不干揠俯仰· 而如此就沒有擾動之回_的可能性，此擾動可使糸統整體 C側滾-偏航與俯仰）不穩定。 俯仰控制定律可為任何型式（比例/導函數，積分/導函 數或比例/積分/導函數），可能地具有不變的增益；然而 ，增益較佳為可變的Κ遵從與極點（或角頻率與胆尼）有關 的束縛，例如恆久性（時恆）的束縛。 3到圖6顯示了基於F列資料之横擬的結果。 -高度 9 0 0公里 -軌道傾度 65° -ω〇 2η / 6 0 0 0 —-T9—- 本紙張尺度逋川中國國家榡举（CNS ) Λ4規格（210'〆 297公竣） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ，-° A7 B7 五、發明説明（ -軌道周期 -ω i 與 ω 2 -ζ 1 與 S 2 -Υ動力矩 17

6000S 0.0(Mrd/s 與 0.01rd/s 1 與 1 . 1 30NraS 由X與Z線圈去飽和的俯仰動力矩 衛星對角線的慣性矩陣 依照圖7的任何干擾轉矩 第8幕次的磁場模型（8個，球諧函數） 起始條件 φ。= 〇 . ς。 1° 1.5° --------—! In HI ——: .—----- . 'Λ-----I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 3 控 了 圖示 顧

矩 轉 擾 干 有 沒 /IV 力 能 的 法 方 制 值 矩 轉 擾 干 的 高 抗 圖-抵 及 Μ 與 矩 轉 擾 干 有 具 較 比 的 磁 大 擴 地 度 程 當 相 明 發 本。 ’ 圍 較範 相用 法應 方的 決統 解系 的制 藝控 技態 知姿 習矩 與轉 性 ,-¾ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 項 8交 IBS I r 的 i Ϊ偏 度 - C 梯 滾 道力側 軌重高 的為的 道因内 赤是陣 準別矩 為特性 不，慣 亦定為 , 穩 因 的不如 fc* br ( ΤΓΤ^ ., 星 I衛 π &的 8¾天定 至至- I 0 不 明 發 本 此 因 上 面 平 肮 偏 要 需 的 輪 動 反 或 輪 性 慣 對 推 以 的 命 壽 務 服 眼 有 與 失 損 量 質 随 伴 有 滾具 側於 在對 了 了 除除 消消 要 需 的 統 系 之 礎 基 為 劑 進 要 需 的 定 0 動 被 之 成 造 度 梯 力 i° 因 何 任 於 對 除 消 本紙張尺度適用中國國家梯準（CNS ) Λ4规格（210 X 297公嫠） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 B7 五、發明説明（1 8) 被動穩定亦涉及質量損失，並較為不精確，且難Μ用於中 型與大型衛星， -消除對四個中之兩個四分之一軌道上的控制之妨礙， 其容許衛星的姿態偏移時間的50¾，因而損及指向。 -僅需要簡單的計算（消除對於磁埸之住何自主横型的需 要）。 -適應實際的區域磁埸，使控剌非常稱固，及 -控制糸統的動力特激K _保極佳㈣定度與髙度精密的 指向•而不顧主要擾動。·. 當衛星軸繞著其軌道進行時，因為沿著衛星袖之地磁塌 * -, 的部分改變，表示在傾斜於地磁赤道之軌道上的衛星之側 滾與偏航岫的動力及賴由與磁場的相亙作用而能產生控制 轉矩的磁矩發生器的系統，為一不穩定系統。 糸統藉由有利地固定其極點於軌道的任何點 > 與因此藉 由供給其動力特激來控制該不穩定系統，此動力特徽-如 反應速度或阻尼-被随地選擇在軌道上的任一點（當然，在 相當於磁矩發生器之飽和度的限度之内）。 特別地，常數（時恆）極點可遍及軌道地選擇。 相當於被選擇糸統之極點的角頻率可為（此不是一限制） 至少四倍大於軌道角頻率*且被選擇的柑當阻尼因素可為 單一順序。 ----ΒΓ (請先閱讀背面之注意事項再填舄本頁) 装_ 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（21〇Χ 297公釐）

Claims (1)

1. 306898 •申請專利範圍 1 . 一種對 的方法，其中 85. 9. 24 修正本

   A8 B8 C8 D8 /偏航諸軸安定化之控制衛星姿態 對於側滾-偏肮控制： -在瞬時方向為3之側滾-偏航平而内的瞬時方位可被決 定，瞬時方向15為由俯仰袖的單位向量1與區域地磁埸I所 定義， 一衛星之側滾-餳肮姿態量可被決定， -被用於在該方向上的衛星之校正轉矩C m X z的振幅與方 向可被決定，依據先決的控制定律，該振幅為由該側滾— 偏肮姿態量所決定，其增益為適懕於遵從先決條件’此先 決條件為關於償擬在側滾-偏肮平iS上之衛星動態之系統 的極點， -一磁矩發生於垂直於該瞬時方向的平面上’該磁矩的 振幅為藉由與地磁場的相互作用’而在該方向產生該校正 轉矩C m X z，其中該側滾-龋航校正轉矩不具有俯仰部分者。 2 .如申請專利範圃第1項所述之方法’其中，關於系統 之極點的先決條件為實質的時間恆定的條件者。 3 .如申請專利範圍第1或Ϊ2項所述之方法’其中’该 增益藉由内插自儲存於衛星上之資料與自至少側滾—蝙肮 平面上之瞬時地磁埸的邡分B x z的方位而求得者。 4 .如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中’該增益 為基於儲存於衛星上之傅立葉依數丄，與.基於在側滾—偏 肮平面上的區域地磁埸的部分B >： z的方位之瞬時愤上者c' 5.如申請專利範園第1或2 m所述之方法’其中，控制定 律為比浏/導兩數胡，姿態鼠為ffl滾偏肮内及灼速度’並 .......................裝................# -........——線 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 經濟郎中央標举局：ar工消费合作社印製 六、申請專利範圍 且有四種增益者。 6 .如申請専利範圃第1或2項所述之方法，其中，控制定 律為比例/積分型，姿態量為側滾-偏航角及其積分，並且 有四種增益者。 7 .如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中，控制定 律為比例/積分/導函數型，姿態為側滾-偏航角及角速度 與其積分，並旦六種增益者 8 .如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中，先決條 件所應用的極點之特激為摄S !與w 1 ’使得系統的特徵多 項式可Μ卫項乘積的形式寫成： X2 +2 ζ i ω ΐΧ > ω 2 其中_[為在1與上之間（含1與ϋ)者° 9 .如申請專利範圍第8项所述之方法，其中’極點為選 擇成使得量ω i為至少大於軌道角頻率一位數者。 經濟部中央標率局R工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填巧本頁) 1 0 .如申請專利範圍第1或2項所述之方法’其中’部分 B X z的振幅被決定，且磁矩M y的振幅為由將校正轉矩的振 幅除Μ部分B X z的振幅所決定’及磁矩M y為在俯仰蚰周園 產生者。 1 1 .如申請專利範園第1或2項所述之方法，其中，地磁 場B的振幅丨B丨被決定，且磁矩M y為垂直於地磁場而產生’ 使得： B A C m X z ,· ' Hb=- 本紙張尺度適用中阈阀家標.乎-(CNSίΛ4叫，硌（2丨0〆：!97公:¾ ) 2

   經濟郞中央標準局R工消費合作社印製 六、申請專利範圍 1 2 .如申請専利範圃第丨或2項所述之方法，其中，在俯 仰軸的姿態為藉由修正一俯仰慣性輪的轉動速度來控制者。 1 3 .如申請專利範圃第1 2項所述之方法，其中，捬仰轉 矩被產生K去飽和慣性輪，此係賴由活動至少一在脚滾-偏肮平面上產生…磁矩的磁矩發生器而成者° 1 4 .如申請專利範關第1或2項所述之方法，其中，在俯 仰軸的姿態為由在側滾-Μ航平面上產生一磁矩來控制， 其振幅為在俯仰姿態垦測的基礎上被決定者。 1 5 .如申請専利範圃第〗3項所述之方法，其中，磁矩為 在側滾-鵂肮平面上，該瞬時方向附近被產生者。 1 6 .如申請専利範園第丨彳頂所述之方法，其中’磁矩為 在側滾-偏肮平面上，該瞬時方向附近被產生者。 1 7 .如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中，姿態 量為藉由使用地球，太陽及/或星球的探査器，迴轉儀或 速率迴轉儀之探査而決定，及/或使用估計濾波器而被估 計者。 1 8 .如申請專利範圃第1或2項所述之方法，其中，至少 某些姿態量係賴由比較瞬時地磁場之一或多軸上的量測與 一地磁場模型而決定者。 1 9 .如申請專利範圍第1或2項所述之方法’其中，至少 在側滾-餳航平面的地磁埸係賴由使用至少一地磁儀於一 或多個量測紬之爾測而決定者。 2 0 .如申請專利範圍第1或2項所述之方法’其中’至少 在側滾-偏肮平Πίί h之地磁埸的方位為由抟收符池而的訊 本紙張尺度適用中國W家標準(CMS )Λ4规洛(21() Z 2(17公龙）-3 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝- 線 3_98 S ,H:“： /,. D8 ' .〆::>/ 六、申請專利範圍 虢而決定者。 2 1 .如申請專利範圍第1或2項所述之方法•其中，至少 在側滾-偏航平面上之區域地磁埸的方位為由此塲的横型 所決定者。 22.如申請專利範園第1或2項所述之方法，其中，衛星 在一軌道上，其傾角在約1 5 °與約7 5 n之間者。 2 3 . —種側_、姗仰，偏航安定化衛星，其包括一側滾-偏肮姿態控制—裝置，#^括： -一用Μ決定在側滾-傾肮平面之瞬時區域地磁埸的至少 方位Β X ζ的第一裝置> -一姿態決定第二裝置，用Μ至少在側滾方向與偏肮方 向產生姿態訊號， -一連接至第一與第二裝S的罐腦，其包含有一可變增 益自適應控制定律，此定律供給一側滾/偏肮轉矩值Μ被 垂直應用於俯仰轴與應用於來自姿態訊號之Β X ζ的瞬時方 位，並包含一定律，其供給該可變增益有如至少Β X ζ之方 位的函數， 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -一磁矩發生器，其為適於在俯仰蚰的平面上產生Β X ζ ’ 即一磁矩，其適於產生該轉矩Μ被與地磁場之相互作用所 應用者。 2 4 .如申請專利範圍第2 3項所述之安定化衛星’其中’ 更包含有一包含變速度俯仰慣性輪的俯仰姿態控制系統者。 2 5 .如申請專利範圍第2 4項所述之安定化衛星’其中’ 俯仰姿態控制糸統包含有一側滾-偏航磁矩發生，其為 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐）-厶- A8 B8 C8 D8 ϊ··： 六、申請專利範圍 適於藉由與地磁場之側滾-鶄肮部分相互作用而產生一俯 仰去飽和化轉矩#。 26.如申請專利範園第23項所述之安定化衛星，其中， 側滾-偏航姿態控制裝置為側滾，俯仰與偏航姿態控制裝 置的一部分，電腦更包含一決定俯仰姿態控制轉矩的俯仰 姿態控制定律，且磁矩發生器為適於產生一磁矩，此磁矩 藉由此地磁場的相互作用而產生側滾-餳航校正轉矩及俯 仰校正轉矩者。 ---------装---„---1T-----C ▲ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局負工消费合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4現格（2丨OX 297公I )