九州大学学術情報リポジトリ
Kyushu University Institutional Repository
解析的アプローチによるスラスタを用いた劣駆動衛 星の位置・姿勢制御
吉村, 康広
https://doi.org/10.15017/1398376
出版情報：Kyushu University, 2013, 博士（工学）, 課程博士 バージョン：
権利関係：Fulltext available.
（別紙様式２）
論 文 要 旨
区 分 甲 氏 名 吉村 康広
論文題名 Analytical Approach to Position and Attitude Control of an Underactuated Satellite
Using Thrusters （解析的アプローチによるスラスタを用いた劣駆動衛星の
位置・姿勢制御)
論 文 内 容 の 要 旨
本 論 文 で は ，惑 星 探 査 に 必 要 な 人 工 衛 星 の 位 置・姿 勢 制 御 を 少 数 の ス ラ ス タ を 用 い て 行 う 劣 駆 動 制 御 手 法 を 提 案 す る ．少 な い ア ク チ ュ エ ー タ 数 に よ り 衛 星 の 制 御 を 可 能 に す る こ と で ，制 御 機 器 故 障 時 に お い て も ミ ッ シ ョ ン を 継 続 す る こ と が で き ，衛 星 の 信 頼 性 と 寿 命 を 大 幅 に 向 上 す る こ と に 貢 献 す る ．提 案 手 法 は 解 析 的 な ア プ ロ ー チ に よ っ て 並 進 運 動・回 転 運 動 へ の 影 響 を 導 出 で き る ．そ の た め ，本 論 文 で 扱 う シ ス テ ム に 限 ら ず ，入 力 制 約 を も つ 劣 駆 動 シ ス テ ム に 対 し て 有 効 な 手 法 の ひ と つ の 指 針 に な る も の で あ る ．
第1章 で は ， 研 究 背 景 と 関 連 研 究 の 調 査 を ま と め る ． こ れ ま で 打 ち 上 げ ら れ て き た 惑 星 探 査 機 は ，そ の 位 置 と 姿 勢 を 制 御 す る た め に ，ス ラ ス タ や リ ア ク シ ョ ン ホ イ ー ル を は じ め と し た 制 御 ア ク チ ュ エ ー タ を 数 多 く 搭 載 し て い る ．そ の 結 果 ，衛 星 の 各 運 動 を 独 立 に 考 え る こ と が で き ， 制 御 を 簡 単 化 で き る ．ま た ，ア ク チ ュ エ ー タ 故 障 時 の バ ッ ク ア ッ プ と し て も 有 効 で あ る ．し か し ，多 く の 制 御 ア ク チ ュ エ ー タ 搭 載 は ，重 量 制 限 の 下 で は ミ ッ シ ョ ン で 最 も 重 要 な 観 測 機 器 の 搭 載 を 制 限 す る と い う ト レ ー ド オ フ の 関 係 に あ る ．ま た ，い く つ か の ア ク チ ュ エ ー タ が 故 障 し た 際 に ，残 さ れ た ア ク チ ェ ー タ で ど の よ う に 制 御 す る か ，ど の よ う な 制 御 が 可 能 で あ る か と い う 議 論 は 行 わ れ て い な い ．そ こ で ，本 研 究 で は ，少 数 の ス ラ ス タ を 用 い て 衛 星 の 位 置・姿 勢 同 時 制 御 を 達 成 す る た め の 手 法 を 構 築 す る こ と を 目 的 と す る ．こ の よ う な 劣 駆 動 シ ス テ ム に 対 す る 一 般 的 な 制 御 手 法 は ，未 だ に 確 立 さ れ て い な い ．さ ら に ，ス ラ ス タ は そ の 機 構 上 ，一 方 向 に の み 推 力 発 生 す る と い う 入 力 制 約 を 持 つ ．し た が っ て ，本 研 究 で 扱 う シ ス テ ム は 入 力 制 約 を 持 つ 劣 駆 動 シ ス テ ム と な り ，既 存 研 究 の 手 法 を 直 接 適 用 す る こ と が 困 難 で あ る ．そ の 解 決 手 段 と し て ，本 論 文 で は 一 定 推 力 を 加 え る 場 合 に 生 じ る 位 置・姿 勢 運 動 へ の 影 響 を 解 析 的 に 表 現 す る こ と で ， 制 御 手 法 を 提 案 す る ．
第2章 で は ， い く つ の ス ラ ス タ が 姿 勢 制 御 に 必 要 で あ る か を 議 論 す る ． ス ラ ス タ の 一 方 向 入 力 制 約 を 考 慮 し ，ス ラ ス タ が 発 生 可 能 な ト ル ク 領 域 を 厳 密 に 示 す こ と で ，必 要 ス ラ ス タ 数 を 導 出 す る ． 劣 駆 動 姿 勢 制 御 を 考 慮 し た 結 果 ， 既 存 の 結 果 よ り 少 な い3基 の 平 行 配 置 ス ラ ス タ で 制 御 可 能 で あ る こ と を 示 す ．さ ら に ，そ の ス ラ ス タ 数・配 置 を ベ ー ス に 劣 駆 動 姿 勢 制 御 則 を 導 出
す る ．既 存 の 制 御 手 法 は 慣 性 モ ー メ ン ト 比 が 軸 対 称 に 近 い ，も し く は 軸 対 称 か ら 大 き く 離 れ る と 制 御 効 率 が 大 き く 低 下 す る と 問 題 が あ る ．本 研 究 で 導 出 し た 制 御 手 法 は ，慣 性 モ ー メ ン ト 比 に 応 じ て 変 化 す る ゲ イ ン を 導 入 す る こ と で ，ど の よ う な 慣 性 モ ー メ ン ト 比 を も つ 衛 星 に も 適 用 可 能 な 制 御 則 で あ る ．制 御 則 の 有 効 性 は 数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ っ て 確 認 す る ．ま た ，必 要 ス ラ ス ト 量 を 小 さ く す る ス ラ ス タ 配 置 に つ い て も 議 論 し て い る ．
第3章 は ，小 惑 星 表 面 な ど の 局 所 的 な 慣 性 系 に 対 し て 浮 遊 し て い る 衛 星 の3次 元 位 置・姿 勢 制 御 を 扱 う ． 衛 星 は4基 の ス ラ ス タ の み を 有 し ， 一 定 値 か つ 一 方 向 入 力 と い う 制 約 を 持 つ ． 一 定 値 推 力 を 発 生 さ せ る 場 合 の 並 進 運 動 と 回 転 運 動 の 解 析 解 を 導 出 す る こ と で ，所 望 の 位 置 と 姿 勢 へ 制 御 す る た め の 入 力 タ イ ミ ン グ と 入 力 時 間 を 明 ら か に す る ．そ の 解 析 解 を 用 い た 制 御 手 法 を 示 し ，数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に て 有 効 性 を 確 認 す る ．さ ら に 提 案 手 法 を ，月 面 ピ ン ポ イ ン ト 着 陸 ミ ッ シ ョ ン に 適 用 す る こ と も 検 討 し て い る ．こ こ で は ，実 シ ス テ ム に 近 い 質 量 変 化 を 伴 う モ デ ル に 対 し て ， 部 分 積 分 を 用 い た 高 精 度 の 近 似 解 析 解 を 導 出 し ， 提 案 手 法 の 有 効 性 を 示 す ． 第4章 で は ， 軌 道 運 動 の 影 響 を 考 慮 し て ， フ ォ ー メ ー シ ョ ン フ ラ イ ト に お け る 劣 駆 動 衛 星 の 位 置・姿 勢 制 御 問 題 を 扱 う ．フ ォ ー メ ー シ ョ ン フ ラ イ ト に お い て 重 要 な ，ラ ン デ ブ ー 問 題 と 軌 道 再 配 置 問 題 と い う ２ つ の 問 題 に 対 し て 制 御 手 法 を 提 案 す る ．ラ ン デ ブ ー 問 題 で は ，主 衛 星 を カ メ ラ で 追 従 す る た め に 姿 勢 変 更 を 少 な く し な が ら も ，軌 道 ド リ フ ト 速 度 を 利 用 し た 燃 料 効 率 の 良 い マ ニ ュ ー バ 手 法 を 示 す ．こ の 必 要 増 速 量 は ，半 径 方 向 と 進 行 方 向 の 入 力 に 対 し て ，モ ー ド 解 析 を 用 い る こ と で 解 析 的 に 得 ら れ る ．一 方 ，軌 道 再 配 置 問 題 で は ，慣 性 系 に 対 し て 姿 勢 制 約 を 満 た す 最 適 軌 道 再 配 置 手 法 を 提 案 す る ．衛 星 を 少 な い ス ラ ス タ 数 で 制 御 す る た め に ，ま ず 任 意 の 参 照 入 力 ベ ク ト ル へ ス ラ ス ト ベ ク ト ル を 向 け る た め の 参 照 入 力 追 従 制 御 を 示 す ．そ れ に よ り ，姿 勢 制 約 は 入 力 方 向 制 約 と 等 価 と な る ．し た が っ て ，入 力 方 向 制 約 を 満 た す 最 適 軌 道 再 配 置 入 力 を 設 計 す る こ と で ， 姿 勢 制 約 を 満 た す 最 適 軌 道 再 配 置 手 法 を 提 案 す る ．
第5章 で は ， 本 論 文 の 結 論 を ま と め ， さ ら な る 発 展 の 方 針 や 課 題 に つ い て 述 べ る ．
