宇宙船の姿勢決定と制御

宇宙船の姿勢制御は、慣性参照系または天球、特定のフィールド、近くの物体など の別のエンティティに対する宇宙船（車両または衛星）の向きを制御するプロセスです。

車両の姿勢を制御するには、車両を目的の姿勢に向けるために必要なトルクを適用するアクチュエータと、現在の姿勢と目的の姿勢の仕様に基づいてアクチュエータに命令する アルゴリズムが必要です。

姿勢制御を実行する前と実行中に、宇宙船の姿勢決定を実行する必要があり、そのためには絶対または相対測定用の センサーが必要です。

センサー、アクチュエーター、アルゴリズムの組み合わせを研究するより広範な統合分野は、誘導、航法、制御と呼ばれ、位置決定や航法などの姿勢以外の概念も含まれます。

宇宙船の姿勢は、通常、さまざまな理由から安定して制御される必要があります。姿勢が安定して制御される必要があるのは、通信のために宇宙船の高利得アンテナを正確に地球に向けるため、搭載された実験で正確な方向指示を実現して正確なデータ収集とその後の解釈を行うため、太陽光と影の加熱と冷却効果を熱制御と誘導に賢く使用するためです。また、短い推進操作を正しい方向に実行する必要があるため、姿勢制御が必要になることがよくあります。

多くの宇宙船には、関節運動や指向を必要とする部品がある。例えば、ボイジャーとガリレオは、宇宙船の向きとはほとんど関係なく、光学機器をターゲットに向けるためのスキャン プラットフォームを備えて設計された。火星探査機などの多くの宇宙船には、宇宙船に電力を供給するために太陽を追跡しなければならない太陽電池パネルがある。カッシーニのメイン エンジン ノズルは操舵可能だった。太陽電池パネル、スキャン プラットフォーム、またはノズルをどこに向けるか、つまりどのように関節運動するかを知るには、宇宙船の姿勢に関する知識が必要である。単一のサブシステムが宇宙船の姿勢、太陽の位置、および地球の位置を追跡しているため、付属物を向ける適切な方向を計算できる。したがって、姿勢と関節運動の両方を管理するのは、論理的に同じサブシステム、つまり姿勢および関節運動制御サブシステム (AACS) の役割となる。関節運動する付属物がない場合でも、AACS という名前が宇宙船に引き継がれることがある。^[1]

姿勢は、オブジェクトが占める空間内でどのように配置されるかを説明する部分です。姿勢と位置は、オブジェクトが空間内でどのように配置されるかを完全に説明します。(ロボット工学やコンピューター ビジョンなどの一部のアプリケーションでは、位置と姿勢をPoseと呼ばれる単一の説明に組み合わせるのが一般的です。)

姿勢はさまざまな方法で記述できますが、最も一般的なのは、回転行列、四元数、およびオイラー角です。オイラー角は視覚化が最も簡単な表現である場合が多いですが、ジンバル ロックと呼ばれる現象のため、高度に操縦可能なシステムでは問題が発生する可能性があります。一方、回転行列は、3 つの値ではなく 9 つの値を必要とするという代償を払って、姿勢を完全に記述します。回転行列を使用すると、計算コストが増加する可能性があり、操作がより困難になる可能性があります。四元数は、ジンバル ロックの影響を受けず、姿勢を完全に記述するのに 4 つの値のみを必要とするという点で、妥当な妥協策を提供します。

宇宙船の姿勢制御は、主に次の 2 つの方法のいずれかを使用して維持されます。

• スピン安定化 スピン安定化は、宇宙船の回転する質量のジャイロスコープ作用を安定化機構として使用して、宇宙船を回転させることによって達成される。推進システムのスラスタは、スピン速度またはスピン安定化姿勢に所望の変更を加えるために時折のみ噴射される。必要に応じて、スラスタの使用またはヨーヨーデスピン。太陽系外縁部のパイオニア10号とパイオニア11号探査機は、スピン安定化宇宙船の例である。^[2]
• 3 軸安定化は、宇宙船を回転させずに目的の方向に固定して保持する宇宙船姿勢制御の代替方法です。
  • 一つの方法は、小型スラスタを使用して、許容される姿勢誤差の不感帯内で宇宙船を継続的に前後に動かすことです。スラスタは、質量放出制御 (MEC) ^[3]システム、または反応制御システム(RCS)とも呼ばれます。宇宙探査機ボイジャー 1 号とボイジャー 2 号^{はこの方法を採用しており、2015 年 7 月時点で 100 kg の推進剤の約 4 分の 3 [4]}を使い果たしました。
  • 3 軸安定化を実現する別の方法は、電動リアクション ホイール (モーメンタム ホイールとも呼ばれる) を使用することです。これは、宇宙船の 3 つの直交軸に搭載されています。これらは、宇宙船とホイールの間で角運動量をやり取りする手段を提供します。特定の軸で宇宙船を回転させると、その軸のリアクション ホイールが反対方向に加速されます。宇宙船を逆に回転させると、ホイールが減速されます。太陽の光子圧や重力勾配などの外部トルクによってシステム内に蓄積された過剰な運動量は、宇宙船に制御されたトルクを適用して、ホイールがコンピューター制御で目的の速度に戻るようにすることで、時折システムから除去する必要があります。これは、運動量不飽和化または運動量アンロード操作と呼ばれる操作中に行われます。ほとんどの宇宙船は、不飽和化操作用のトルクを適用するためにスラスタ システムを使用します。ハッブル宇宙望遠鏡では、スラスタの排気によって汚染される可能性のある敏感な光学系を備えていたため、代わりに磁気トルカを使用して不飽和化操作を行ったという異なるアプローチが採用されました。

スピン安定化と 3 軸安定化には、それぞれ長所と短所があります。スピン安定化された航空機は、磁場や粒子の計測器、および一部の光学スキャン計測器に望ましい連続スイープ運動を提供しますが、科学観測や地球との通信のためにターゲットに向ける必要のあるアンテナや光学機器の回転を落とすために複雑なシステムが必要になる場合があります。3 軸制御の航空機は、光学機器やアンテナの回転を落とすことなく向けることができますが、磁場や粒子の計測器を最大限に活用するために特別な回転操作を実行する必要がある場合があります。スラスタを日常的な安定化に使用する場合、画像化などの光学観測は、宇宙船が常にゆっくりと前後に揺れ、常に正確に予測できるとは限らないことを念頭に置いて設計する必要があります。リアクション ホイールは、観測を行うためのはるかに安定した宇宙船を提供しますが、宇宙船の質量が増加し、機械寿命が限られており、スラスタの使用によってもたらされる加速のためにナビゲーション ソリューションを乱す可能性がある、頻繁な運動量飽和度低下操作が必要です。^[要出典]

姿勢制御は、次のようないくつかのメカニズムによって実現できます。

バーニアスラスタは最も一般的なアクチュエータで、ステーションキーピングにも使用できます。スラスタは、3軸すべての安定性を提供するシステムとして構成する必要があり、通常、各軸に少なくとも2つのスラスタを使用して、車両に平行移動が伝わらないように、カップルとしてトルクを提供します。制限は、燃料消費、エンジン摩耗、および制御バルブのサイクルです。姿勢制御システムの燃料効率は、その特定の推力（排気速度に比例）と、提供できる最小のトルクインパルス（正確な制御を提供するためにスラスタを噴射する頻度を決定）によって決まります。スラスタは、回転を開始するために一方向に噴射する必要があり、新しい方向を保持する場合は反対方向に再度噴射する必要があります。スラスタシステムは、ボストーク、マーキュリー、ジェミニ、アポロ、ソユーズ、スペースシャトルなど、ほとんどの有人宇宙船で使用されています。

ミッション継続時間に対する燃料制限を最小限に抑えるために、太陽電池の電力を使用してイオン化ガスを電気的に極限速度まで加速する小型イオンスラスタなどの補助姿勢制御システムを使用して、機体の回転を低いレベルまで下げる場合があります。

モーメンタムホイールは、宇宙船の向きを変えるために必要な方向とは反対方向に回転するように作られた電動モーター駆動のローターです。モーメンタムホイールは宇宙船の質量のほんの一部を占め、コンピューター制御されているため、正確な制御が可能です。モーメンタムホイールは通常、ベアリングの摩擦や故障の問題を回避するために磁気ベアリングに吊り下げられています。 ^[5]宇宙船のリアクションホイールは、機械式ボールベアリングを使用することが多いです。

3次元空間での方向維持には、最低3つのリアクションホイールを使用する必要があります^[6]。追加のユニットは単一故障保護を提供します。オイラー角を参照してください。

これらは一定速度で回転するローターで、姿勢制御のためにジンバルに取り付けられています。CMG はジャイロの回転軸に直交する 2 つの軸の制御を提供しますが、3 軸制御には 2 つのユニットが必要です。CMG は、ジンバルとその駆動モーターを用意する必要があるため、コストと質量の点で少し高価です。CMG によって発生する最大トルク (最大角運動量の変化ではありません) は、モーメンタム ホイールよりも大きいため、大型宇宙船に適しています。主な欠点は、複雑さが増し、故障箇所が増えることです。このため、国際宇宙ステーションでは、二重の故障許容度を提供するために 4 つの CMG のセットを使用しています。

小型のソーラーセイル (入射光の反射によって生じる反作用力として推力を生成する装置) は、小規模な姿勢制御や速度調整に使用できます。このアプリケーションでは、燃料を消費せずに制御モーメントを生成することで、長期間のミッションで大量の燃料を節約できます。たとえば、マリナー 10 号は、太陽電池とアンテナを小型のソーラーセイルとして使用して姿勢を調整しました。

軌道上では、1 つの軸が他の 2 つよりはるかに長い宇宙船は、その長軸が惑星の質量の中心を指すように自然に向きを変えます。このシステムの利点は、能動的な制御システムや燃料の消費を必要としないことです。この効果は潮汐力によって生じます。宇宙船の上端は下端よりも重力の影響をあまり受けません。これにより、長軸が重力の方向と一致していない場合は常に復元トルクが提供されます。何らかの減衰手段が提供されない限り、宇宙船は局所的な垂直線を中心に振動します。安定化トルクを増大させるために、衛星の 2 つの部分をテザーで接続することもあります。このようなテザーの問題は、砂粒ほどの小さな流星体でもテザーが分離してしまうことです。

コイルまたは（非常に小型の衛星では）永久磁石は、局所的な磁場に対してモーメントを及ぼします。この方法は、反応する磁場がある場合にのみ機能します。1 つの典型的な磁場「コイル」は、実際には惑星の磁場内の導電性テザーの形をしています。このような導電性テザーは、軌道の減衰を犠牲にして電力を生成することもできます。逆に、太陽電池の電力を使用して逆流を誘導することにより、軌道を上げることができます。地球の磁場は理想的な放射状の磁場から大きく変化するため、この磁場に結合するトルクに基づく制御法則は、非常に非線形になります。さらに、任意の時点では 2 軸制御しか利用できないため、すべてのレートをゼロにするには、車両の方向変更が必要になる場合があります。

衛星のパッシブ姿勢制御には、主に 3 つのタイプがあります。最初のタイプは重力勾配を使用し、長軸 (慣性モーメントが最も小さい軸) が地球を向いた 4 つの安定状態をもたらします。このシステムには 4 つの安定状態があるため、衛星に優先方向 (たとえば、カメラが地球に向けられている) がある場合は、衛星とそのテザーを端から端まで反転させる何らかの方法が必要です。

2つ目のパッシブシステムは、磁石を使って地球の磁場に沿って衛星を方向付けます。^[7]これらの完全にパッシブな姿勢制御システムでは、宇宙船がエネルギー最小値の周りで振動するため、指向精度が限られています。この欠点は、ヒステリシス材料または粘性ダンパーなどのダンパーを追加することで克服されます。粘性ダンパーは、宇宙船に搭載された小さな缶または液体タンクで、内部摩擦を増やすために内部バッフルが付いている場合もあります。ダンパー内の摩擦により、振動エネルギーが徐々に粘性ダンパー内で放散される熱に変換されます。

3 つ目のパッシブ姿勢制御は、空力安定化です。これは、Get Away Special Passive Attitude Control Satellite (GASPACS)技術デモで実証されているように、抗力勾配を使用して実現されます。低軌道では、抗力による力は、重力勾配によって与えられる力よりも桁違いに大きくなります。^[8] 衛星が空力パッシブ姿勢制御を使用している場合、地球の上層大気からの空気分子が、矢の羽が矢を安定させるのと同じように、圧力の中心が質量の中心の後ろに残るように衛星に衝突します。GASPACS は、衛星の後ろに伸びた 1 m の膨張式「エアロブーム」を使用し、衛星の速度ベクトルに沿って安定化トルクを生み出しました。^[9]

制御アルゴリズムは、車両センサーからデータを受信し、アクチュエーターに適切なコマンドを導き出して車両を目的の姿勢に回転させるコンピューター プログラムです。アルゴリズムは、ミッション要件に応じて、比例制御などの非常に単純なものから複雑な非線形推定器やその中間の多くのタイプまで多岐にわたります。通常、姿勢制御アルゴリズムは、地上からのコマンドを受信し、地上局に送信するための車両データテレメトリをフォーマットするコンピューター ハードウェア上で実行されるソフトウェアの一部です。

姿勢制御アルゴリズムは、特定の姿勢操作の要件に基づいて作成および実装されます。重力勾配安定化などの受動姿勢制御の実装とは別に、ほとんどの宇宙船は、典型的な姿勢制御ループを示す能動制御を使用します。制御アルゴリズムの設計は、特定の姿勢操作に使用されるアクチュエータによって異なりますが、単純な比例積分微分コントローラ( PID コントローラ)を使用すると、ほとんどの制御ニーズが満たされます。

アクチュエータへの適切なコマンドは、測定された姿勢と望ましい姿勢の差として表される誤差信号に基づいて得られます。誤差信号は一般的にオイラー角(Φ、θ、Ψ) として測定されますが、これに代わるものとして、方向余弦行列または誤差四元数で表すこともできます。最も一般的な PID コントローラは、姿勢に基づいて誤差信号 (偏差) に次のように反応します。

${\displaystyle T_{c}(t)=K_{\text{p}}e(t)+K_{\text{i}}\int _{0}^{t}e(\tau )\,d\tau +K_{\text{d}}{\dot {e}}(t),}$

ここで、は制御トルク、は姿勢偏差信号、は PID コントローラ パラメータです。 ${\displaystyle T_{c}}$${\displaystyle e}$${\displaystyle K_{\text{p}},K_{\text{i}},K_{\text{d}}}$

これを簡単に実装するには、アクチュエータとして運動量ホイールまたは反動ホイールのいずれかを使用して、天底指向の比例制御を適用します。ホイールの運動量の変化に基づいて、制御法則は3軸x、y、zで次のように定義できます。

${\displaystyle T_{c}x=-K_{\text{q1}}q_{1}+K_{\text{w1}}{w_{x}},}$

${\displaystyle T_{c}y=-K_{\text{q2}}q_{2}+K_{\text{w2}}{w_{y}},}$

${\displaystyle T_{c}z=-K_{\text{q3}}q_{3}+K_{\text{w3}}{w_{z}},}$

この制御アルゴリズムは運動量ダンピングにも影響します。

もう一つの重要かつ一般的な制御アルゴリズムは、デタンブリングの概念を伴うもので、これは宇宙船の角運動量を減衰させるものです。宇宙船をデタンブリングする必要が生じるのは、打ち上げロケットから放出された後の制御不能な状態が原因です。低軌道(LEO) のほとんどの宇宙船は、地球の磁場の効果を利用する磁気デタンブリングの概念を利用しています。制御アルゴリズムは B-Dot コントローラと呼ばれ、制御アクチュエータとして磁気コイルまたはトルク ロッドに依存しています。制御法則は、本体に固定された磁力計信号 の変化率の測定に基づいています。

${\displaystyle m=-K{\dot {B}}}$

ここで、は磁気トルカーの指令磁気双極子モーメント、は比例ゲイン、は地球の磁場の変化率です。 ${\displaystyle m}$${\displaystyle K}$${\displaystyle {\dot {B}}}$

宇宙船の姿勢決定は、宇宙船（車両または衛星）の方向を決定するプロセスです。これは、宇宙船の姿勢制御の前提条件です。相対姿勢と絶対姿勢の決定には、さまざまなセンサーが使用されます。

多くのセンサーは、姿勢の変化率を反映する出力を生成します。これらには、既知の初期姿勢、または姿勢を決定するために使用する外部情報が必要です。このクラスのセンサーの多くにはノイズがあり、絶対姿勢センサーで補正しないと不正確になります。

ジャイロスコープは、外部物体の観測に頼らずに3 次元空間で回転を感知する装置です。 古典的なジャイロスコープは回転する質量で構成されますが、閉じた経路の周りで反射されるコヒーレント光を利用する「リングレーザー ジャイロ」もあります。 別の種類の「ジャイロ」は、ワイン グラスのような形をしたクリスタル カップを、ワイン グラスの縁を指でこすったときに「歌う」のと同じように振動させることができる半球形共振器ジャイロです。 振動の方向は慣性空間で固定されているため、宇宙船に対する振動の方向を測定することで、慣性空間に対する宇宙船の動きを感知できます。^[10]

モーションリファレンスユニットは、単軸または多軸のモーションセンサーを備えた慣性計測ユニットの一種です。MEMSジャイロスコープを使用しています。多軸MRUの中には、ロール、ピッチ、ヨー、ヒーブを計測できるものもあります。航空分野以外にも、次のような用途があります。^[11]

• アンテナの動きの補正と安定化
• ダイナミックポジショニング
• オフショアクレーンのヒーブ補正
• 高速船舶の運動制御および減衰システム
• 水中音響測位
• シングルビームおよびマルチビームエコーサウンダの動き補正
• 海洋波の測定
• 海洋構造物の動きの監視
• 自律型水中ロボットおよび遠隔操作型水中ロボットの方向および姿勢測定
• 船舶動揺監視

このクラスのセンサーは、宇宙船の外部のフィールド、物体、その他の現象の位置または方向を感知します。

地平線センサーは、地球の大気の「縁」、つまり地平線からの光を検出する光学機器です。熱赤外線センシングがよく使用され、はるかに冷たい宇宙背景と比較して、大気の比較的暖かい温度を感知します。このセンサーは、2つの直交軸について地球に対する方向を提供します。恒星観測に基づくセンサーよりも精度が低い傾向があります。地球センサーと呼ばれることもあります。^[12]

地上のジャイロコンパスが振り子を使って局所的な重力を感知し、ジャイロを地球の自転ベクトルに合わせることで北を指すのと同様に、軌道ジャイロコンパスは地平線センサーを使って地球の中心の方向を感知し、ジャイロを使って軌道面に垂直な軸の周りの回転を感知します。したがって、地平線センサーはピッチとロールの測定値を提供し、ジャイロはヨーを提供します。^[13]テイト・ブライアン角を参照してください。

太陽センサーは、太陽の方向を感知する装置です。ミッションの要件に応じて、 太陽電池とシェードのような単純なものから、操作可能な望遠鏡のような複雑なものまであります。

地球センサーは地球の方向を感知する装置である。通常は赤外線カメラが使用される。現在、姿勢を検出する主な方法はスタートラッカーであるが、地球センサーは低コストと信頼性のため、今でも衛星に組み込まれている。^[12]

スタートラッカーは、光電池やカメラを使用して星の位置を測定する光学装置です。 ^[14]明るさの大きさとスペクトルの種類を使用して、周囲の星の相対的な位置を識別し、計算します。

磁力計は磁場の強さを感知する装置であり、3軸三脚で使用した場合、磁場の方向を感知する。宇宙船の航行補助として、感知された磁場の強さと方向は、機内または地上の誘導コンピュータのメモリに保存されている地球の磁場の地図と比較される。宇宙船の位置がわかれば、姿勢を推測することができる。^[15]

姿勢は単一の測定では直接測定できないため、一連の測定（多くの場合、異なるセンサーを使用）から計算（または推定）する必要があります。これは、静的に（現在利用可能な測定値のみを使用して姿勢を計算する）または統計フィルター（最も一般的にはカルマンフィルター）を使用して実行できます。統計フィルターは、以前の姿勢推定値と現在のセンサー測定値を統計的に組み合わせて、現在の姿勢の最適な推定値を取得します。

静的姿勢推定法はワバ問題に対する解決策である。ダベンポートのq法、QUEST法、TRIAD法、特異値分解法など多くの解決策が提案されている。^[16]

Crassidis, John L.、および John L. Junkins.。Chapman and Hall/CRC、2004 年。

カルマンフィルタリングは、姿勢と角速度を順次推定するために使用できます。姿勢ダイナミクス（剛体ダイナミクスと姿勢運動学の組み合わせ）は非線形であるため、線形カルマンフィルタでは不十分です。姿勢ダイナミクスはそれほど非線形ではないため、通常は拡張カルマンフィルタで十分です（ただし、Crassidis と Markely は、アンセンテッドカルマンフィルタを使用でき、初期推定値が不十分な場合に利点を提供できることを実証しました）。^[17] 複数の方法が提案されていますが、乗法拡張カルマンフィルタ（MEKF）が圧倒的に最も一般的なアプローチです。^[要出典] このアプローチでは、誤差四元数の乗法定式化を利用し、四元数の単位制約をより適切に処理できます。また、動的モデル置換と呼ばれる手法を使用することも一般的です。この手法では、角速度を直接推定するのではなく、ジャイロから測定された角速度を直接使用して、回転ダイナミクスを時間的に前方に伝播します。これはほとんどのアプリケーションに当てはまります。ジャイロは通常、システムに作用する外乱トルクの知識よりもはるかに正確であるためです (これは角速度の正確な推定に必要です)。

一部のセンサーやアプリケーション（磁力計を使用する宇宙船など）では、正確な位置も知っておく必要があります。姿勢^[要説明]推定を採用することもできますが、宇宙船の場合、姿勢推定とは別に位置（軌道決定経由）を推定すれば通常十分です。 ^[要出典] 地球の近くで動作する地上車両および宇宙船の場合、衛星ナビゲーションシステムの出現により、正確な位置知識を簡単に取得できます。この問題は、深宇宙車両、または全地球航法衛星システム (GNSS) が利用できない環境で動作する地上車両の場合はさらに複雑になります（ナビゲーションを参照）。

• 宇宙電子工学#姿勢決定と制御
• 縦方向の静的安定性
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