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宇宙機の姿勢制御とは、慣性座標系、あるいは天球、特定の場、近傍の物体などといった他の基準系に対して、宇宙機（機体または衛星）の向きを制御するプロセスである。
車両の姿勢制御には、車両を所望の姿勢に向けるために必要なトルクを加えるアクチュエータと、現在の姿勢および所望の姿勢の仕様に基づいてアクチュエータを制御するアルゴリズムが必要となる。
姿勢制御を行う前および実行中に、宇宙機の姿勢決定を行う必要があり、そのためには絶対値または相対値の測定を行うためのセンサーが必要となる。
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、位置決定や航法といった姿勢以外の概念も含まれる。
宇宙機は通常、センサーとアクチュエーターの両方を含む姿勢決定・制御システム（ADCS）を備えています。しかし、一部のキューブサットなどの低価格衛星は、ヨーヨーデスピン技術や永久磁石などの受動的な手法を用いて衛星の姿勢を制御する、よりシンプルな姿勢制御システム（ACS）を選択する場合があります。
宇宙船の姿勢は、さまざまな理由から安定化および制御される必要がある。例えば、通信のために宇宙船の高利得アンテナを地球に正確に向けるため、搭載実験装置が精密な方向制御を行い、データの正確な収集とその後の解釈を可能にするため、太陽光と影による加熱および冷却効果を熱制御に有効に利用するため、そして誘導のため（短い推進操作を正しい方向に実行する必要がある）などが挙げられる。
多くの宇宙船には、関節運動や方向制御が必要な部品があります。例えば、ボイジャーやガリレオは、宇宙船の向きにほとんど依存せずに光学機器を目標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ました。火星周回機など多くの宇宙船には、宇宙船に電力を供給するために太陽を追尾する必要のある太陽電池パネルがあります。カッシーニのメインエンジンノズルは操縦可能でした。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させるかを知るには、宇宙船の姿勢を知る必要があります。単一のサブシステムが宇宙船の姿勢、太陽の位置、地球の位置を追跡しているため、付属部品を向ける適切な方向を計算できます。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）の役割となります。関節運動させる付属部品がない宇宙船にも、AACSという名前が付けられることがあります。[ 1 ]
姿勢とは、物体が占める空間内でどのように配置されているかを表す記述の一部です。姿勢と位置は、物体が空間内でどのように配置されているかを完全に記述します。ロボット工学やコンピュータビジョンなどの一部のアプリケーションでは、位置と姿勢をまとめて「ポーズ」と呼ばれる単一の記述として扱うのが一般的です。
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、クォータニオン、オイラー角です。オイラー角は視覚的に最も分かりやすい表現方法であることが多いですが、ジンバルロックと呼ばれる現象のため、機動性の高いシステムでは問題が生じ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欠点はあるものの、姿勢を完全に記述できます。回転行列を使用すると計算コストが増加し、扱いが難しくなる場合があります。クォータニオンは、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必要な値が4つだけで済むため、適切な妥協点となります。
宇宙機の姿勢制御は、主にスピン安定化と三軸安定化という2つの方法のいずれかを用いて行われる。
スピン安定化は、回転する宇宙船の質量のジャイロ効果を安定化機構として利用して、宇宙船を回転させることによって実現されます。推進システムのスラスタは、回転速度やスピン安定化姿勢を必要なだけ変更するために、時折噴射されます。必要に応じて、スラスタの使用またはヨーヨーデスピンによって回転を停止することもできます。太陽系外縁部にあるパイオニア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す。[ 2 ]
三軸安定化は、宇宙機の姿勢制御における代替手法であり、宇宙機を回転させることなく、所望の姿勢に固定するものである。
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宇宙機は、磁場や粒子観測機器、および一部の光学走査機器にとって望ましい連続的な掃引運動を提供しますが、科学観測や地球との通信のために目標に向けなければならないアンテナや光学機器の回転を止めるための複雑なシステムが必要になる場合があります。3軸制御の宇宙機は、回転を止めることなく光学機器やアンテナを向けることができますが、磁場や粒子観測機器を最大限に活用するために特別な回転操作を行う必要がある場合があります。日常的な安定化にスラスタを使用する場合、画像撮影などの光学観測は、宇宙機が常にゆっくりと前後に揺れ、必ずしも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、観測を行うためのより安定した宇宙機を提供しますが、宇宙機の質量が増加し、機械的な寿命が限られており、スラスタの使用によって生じる加速度のために航法ソリューションを乱す可能性のある頻繁な運動量飽和解除操作が必要になります。
姿勢制御は、以下のようないくつかのメカニズムによって実現できる。
バーニアスラスタは、位置保持にも使用できるため、最も一般的なアクチュエータです。スラスタは、3 軸すべてについて安定化を提供するシステムとして構成する必要があり、車両に並進運動を与えないように、各軸に少なくとも 2 つのスラスタを使用してカップルとしてトルクを提供します。制限は、燃料消費量、エンジンの摩耗、および制御弁のサイクルです。姿勢制御システムの燃料効率は、その比推力(排気速度に比例) と、提供できる最小トルク推力 (正確な制御を提供するためにスラスタを噴射する必要がある頻度を決定する) によって決まります。回転を開始するには、スラスタを一方の方向に噴射する必要があり、新しい姿勢を維持するには、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。
ミッション期間における燃料制限を最小限に抑えるため、補助的な姿勢制御システムを用いて機体の回転を低レベルに抑える場合がある。例えば、太陽電池からの電力を用いて電離ガスを電気的に極めて高速まで加速する小型イオンスラスタなどが挙げられる。
モーメンタムホイールは、機体の向きを変えるために必要な方向とは逆方向に回転するように設計さ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、精密な制御が可能です。モーメンタムホイールは、ベアリングの摩擦や故障の問題を避けるために、一般的に磁気ベアリングで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には、機械式ボールベアリングがよく使用されます。
3次元空間での向きを維持するには、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、[ 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、姿勢制御を行う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軸の制御が可能ですが、3軸制御には2つのユニットが必要です。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、CMGはコストと質量の面でやや高価です。CMGが発揮する最大トルク（ただし最大角運動量変化ではない）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。大きな欠点は、複雑さが増すことで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、二重の故障耐性を確保するために4つのCMGを使用しています。
小型ソーラーセイル（入射光を反射することで生じる反作用力として推力を発生させる装置）は、姿勢制御や速度調整を微調整するために使用できる。この技術を用いることで、燃料を消費せずに制御モーメントを発生させることができ、長期ミッションにおける燃料消費量を大幅に削減できる。例えば、マリナー10号は太陽電池とアンテナを小型ソーラーセイルとして利用し、姿勢制御を行った。
軌道上では、他の2つの軸よりもはるかに長い軸を持つ宇宙船は、自発的にその長軸が惑星の重心を指すように向きを変えます。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引き起こされます。宇宙船の上端は下端よりも重力が弱く感じます。これにより、長軸が重力の方向と一直線になっていないときはいつでも復元トルクが発生します。何らかの減衰手段が設けられない限り、宇宙船は局所的な垂直軸を中心に振動します。安定化トルクを増やすために、衛星の2つの部分をテザーで接続することがあります。このようなテザーの問題点は、砂粒ほどの小さな流星体でもテザーが切れてしまう可能性があることです。
コイル、あるいは（非常に小型の衛星では）永久磁石が、局所的な磁場に逆らうモーメントを及ぼします。この方法は、反作用する磁場が存在する場合にのみ有効です。古典的な磁場「コイル」の一つは、実際には惑星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電流を誘導することで、軌道を上昇させることができます。地球の磁場は理想的な放射状磁場から大きく変動するため、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、すべての変化率をゼロにするには、機体の向きを変える必要がある場合があります。
衛星の受動姿勢制御には主に3つのタイプがあります。1つ目は重力勾配を利用するもので、長軸（慣性モーメントが最小の軸）が地球を向いた4つの安定状態が得られます。このシステムには4つの安定状態があるため、衛星に特定の向き（例えば、カメラが惑星を向いているなど）がある場合は、衛星とそのテザーを前後反転させる何らかの方法が必要になります。
2 番目の受動システムは、磁石のおかげで衛星を地球の磁場に沿って向きを変えます。[ 7 ]これらの純粋に受動的な姿勢制御システムは、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、宇宙船に取り付けられた小さな缶またはタンクの流体で、内部摩擦を増やすために内部バッフルを備えている場合があります。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。
受動姿勢制御の 3 つ目の形態は、空力安定化です。これは、Get Away Special Passive Attitude Control Satellite (GASPACS)技術実証で実証されたように、抗力勾配を使用して実現されます。低地球軌道では、抗力による力は重力勾配による力よりも何桁も支配的です。[ 8 ] 衛星が空力受動姿勢制御を利用する場合、地球上層大気の空気分子が衛星に衝突し、圧力中心が質量中心の後ろに留まるようにします。これは、矢の羽根が矢を安定させるのと似ています。GASPACS は、衛星の後ろに伸びる 1 m の膨張式「AeroBoom」を使用し、衛星の速度ベクトルに沿って安定化トルクを発生させました。[ 9 ]
受動的な姿勢制御のもう1つの形態はヨーヨーデスピンである。[ 10 ]ヨーヨーデスピン装置は宇宙ゴミを発生させるため議論の的となっており、主に深宇宙探査機に使用されている。[ 11 ]
制御アルゴリズムとは、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出力して車両を所望の姿勢に回転させるコンピュータプログラムです。アルゴリズムは、比例制御のような非常に単純なものから、複雑な非線形推定器、あるいはその中間的なものまで、ミッション要件に応じて多岐にわたります。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、車両データテレメトリを地上局への送信用にフォーマットするコンピュータハードウェア上で動作す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的な姿勢制御の実装とは別に、ほとんどの宇宙機は、典型的な姿勢制御ループを示す能動的な制御を利用しています。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依存しますが、単純な比例積分微分コントローラ（PIDコントローラ）を使用することで、ほとんどの制御ニーズを満たすことができます。
アクチュエータへの適切な指令は、測定された姿勢と目標姿勢の差として表される誤差信号に基づいて取得されます。誤差信号は一般的にオイラー角（Φ、θ、Ψ）で測定されますが、方向余弦行列や誤差四元数で表すことも可能です。最も一般的なPIDコントローラは、姿勢に基づく誤差信号（偏差）に対して次のように反応します。
どこ制御トルクは、は姿勢偏差信号であり、 これらはPIDコントローラーのパラメータです。
この簡単な実装例として、モーメンタムホイールまたはリアクションホイールをアクチュエータとして使用し、天底方向への比例制御を適用する方法がある。ホイールのモーメンタムの変化に基づいて、制御法則は3軸x、y、zで次のように定義できる。
この制御アルゴリズムは、運動量減少にも影響を与える。
もう1つの重要かつ一般的な制御アルゴリズムは、宇宙機の角運動量を減衰させるデタンブリングの概念に基づいています。宇宙機のデタンブリングが必要となるのは、打ち上げロケットからの分離後に制御不能な状態になるためです。低地球軌道（LEO）にあるほとんどの宇宙機は、地球の磁場の影響を利用する磁気デタンブリングの概念を採用しています。この制御アルゴリズムはBドット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を使用します。制御法則は、機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。
どこは磁気トルカーの指令磁気双極子モーメントであり、比例利得とは地球の磁場の変化率です。
宇宙船のADCSシステムは、通常、ミッションの開始時に自律的に、または指令を受けてデタンブリングを開始します。[ 10 ]
転倒後、ADCSシステムには多くの場合、以下のような複数の制御モードがあります。
天底指向モードや太陽指向モードなどは、アクチュエータを使用して宇宙船をウィリアム・T・トムソンにちなんで名付けられたYトムソンスピンにすることで実現され、宇宙船は主天体の周りを1回転する間に、軌道法線軸の周りを1回転します。[ 12 ]地球中心衛星では、Yトムソンスピンは宇宙船の一方の面を地球の重心に向けるためによく使用されます。このスピンにより、宇宙船本体の座標系が軌道の接線法線半径座標系に整列します。天底指向の展開可能なブームと組み合わせると、重力勾配力が宇宙船の姿勢をパッシブに安定させます。
宇宙機の姿勢決定とは、宇宙機（機体または衛星）の向きを決定するプロセスです。これは宇宙機の姿勢制御の前提条件となります。相対姿勢決定と絶対姿勢決定には、さまざまなセンサーが使用されます。
多くのセンサーは、姿勢変化率を反映する出力を生成します。これらのセンサーは、既知の初期姿勢、または姿勢を決定するための外部情報を必要とします。この種のセンサーの多くにはノイズが含まれており、絶対姿勢センサーで補正しないと不正確さを招きます。
ジャイロスコープは、外部物体の観測に頼らずに三次元空間の回転を感知する装置です。従来、ジャイロスコープは回転する質量で構成されていますが、閉じた経路で反射された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。別のタイプの「ジャイロ」は半球共振器ジャイロで、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ると「歌う」ように振動させることができます。振動の向き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向きを測定することで、慣性空間に対する宇宙船の動きを感知することができます。[ 13 ]
モーションリファレンスユニットは、単軸または多軸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。これらはMEMSジャイロスコープを使用します。一部の多軸MRUは、ロール、ピッチ、ヨー、ヒーブを測定できます。航空分野以外にも、次のような用途があります。[ 14 ]
この種のセンサーは、宇宙船外部の場、物体、またはその他の現象の位置や向きを感知する。
地平線センサーは、地球大気の「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、これははるかに低温の宇宙背景と比較して、大気の相対的な暖かさを感知します。このセンサーは、2つの直交軸に関する地球に対する方位を提供します。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。[ 15 ]
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、北を指すようにするのと同様に、軌道上のジャイロコンパスは水平センサーを使って地球の中心方向を感知し、ジャイロを使って軌道面に垂直な軸を中心とした回転を感知します。そのため、水平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。[ 16 ]テイト・ブライアン角を参照。
太陽センサーとは、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、太陽電池と遮光板といったシンプルなものから、可動式望遠鏡といった複雑なものまで様々です。
地球センサーは、地球の方向を感知する装置です。通常は赤外線カメラです。現在では姿勢を検出する主な方法はスタートラッカーですが、地球センサーは低コストと信頼性の高さから依然として衛星に搭載されています。[ 15 ]
スター・トラッカーは、光電セルまたはカメラを使用して星の位置を測定する光学装置です。 [ 17 ]明るさの等級とスペクトル型を使用して、周囲の星を識別し、相対的な位置を計算します。
磁力計は磁場強度を感知する装置であり、3軸三軸装置で使用される場合は磁場方向も感知します。宇宙船の航行補助装置として、感知された磁場強度と方向は、搭載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マップと比較されます。宇宙船の位置が分かっていれば、姿勢を推測できます。[ 18 ]
姿勢は単一の測定値では直接測定できないため、一連の測定値（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）か、統計的フィルター（最も一般的なのはカルマンフィルター）を使用して、過去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、現在の姿勢の最適な推定値を得るかのいずれかで行うことができます。
静的姿勢推定法は、ワバの問題に対する解決策である。多くの解決策が提案されており、特にダベンポートのq法、QUEST、TRIAD、特異値分解などが挙げられる。[ 19 ]
Crassidis, John L.、および John L. Junkins. Chapman and Hall/CRC、2004 年。
カルマンフィルタは、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、拡張カルマンフィルタで通常は十分です（ただし、Crassidis と Markely は、無香料カルマンフィルタを使用でき、初期推定が不十分な場合に利点をもたらすことができることを実証しました）。[ 20 ] 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。 このアプローチでは、誤差四元数の乗法形式を利用し、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。これはほとんどの用途に当てはまります。なぜなら、ジャイロスコープは通常、システムに作用する外乱トルクに関する知識（角速度を正確に推定するために必要な知識）よりもはるかに高精度だからです。
センサーやアプリケーションによっては（磁力計を使用する宇宙船など）、正確な位置を知る必要がある場合もあります。姿勢推定を用いることもできますが、宇宙船の場合は通常、姿勢推定とは別に位置を推定する（軌道決定による）だけで十分です。 地球近傍で運用される地上車両や宇宙船の場合、衛星航法システムの登場により、正確な位置情報を容易に取得できるようになりました。この問題は、深宇宙探査機や、全地球航法衛星システム（GNSS）が利用できない環境で運用される地上車両では、より複雑になります（「航法」を参照）。
ウィキメディア・コモンズにある宇宙船の姿勢制御に関するメディア
