姿勢ドリフト運動を利用したスピン型ソーラーセイルの軌道・姿勢制御

利用姿态漂移运动的自旋式太阳帆轨迹和姿态控制

• 批准号: 14J09786
• 负责人: 大野 剛
• 金额: $ 0.64万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-25 至 2015-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14J09786/
• 关键词: ソーラーセイル; 軌道; 姿勢

スピン型ソーラーセイルとは，スピンによる遠心力を利用することで大面積の膜面の展開・展張を行い，太陽光圧を受けて推力を得る宇宙機である．スピン型ソーラーセイルは「姿勢ドリフト運動」と呼ばれる特徴的な姿勢運動をすることが知られており，探査機の軌道と姿勢はスピンレートを制御することによって，姿勢ドリフト運動を介し，間接的に制御することが可能である．これは申請者を含む研究グループによって提案されている，独創的な制御手法である．本研究では，スピン型ソーラーセイルの姿勢ドリフト運動を利用した軌道・姿勢制御のためのスピンレート制御則を提案し，その方法論を論じている．スピン型ソーラーセイルの姿勢運動と軌道運動の6自由度制御を，1自由度の制御入力で行っている点が重要である．それは究極のバックアップ手段を提供し，究極のシステム簡素化のソルーションである．まず，加減速最大化，そして軌道傾斜角や軌道離心率といった軌道要素最適化という問題に対し，変分法による解析と，数値計算による確認を行い，最大・最小スピンレートを切り換え関数によって切り替えるバンバン制御の最適解を導出した．また，ホロノミックシステムの1つである双線形システムとして記述される姿勢ドリフト運動の運動方程式を，厳密な線形化という手法を適用することで線形化し，劣駆動システムの制御問題へと変換した．双線形システムを等価な線形システムに置き換えることで，初期・終端時刻での境界条件を満たす最適制御問題が解析的に解けるようになる．この手法を軌道・姿勢制御マヌーバへ適用し，その有効性を示した．本研究の主要な成果は，ソーラーセイルの姿勢運動と軌道運動の6自由度制御を，スピンレートという1自由度の制御量で実現する方法を，解析と数値計算による確認により，構築した点にある．

自旋型太阳帆是一种航天器，它使用由旋转引起的离心力展开和扩展膜表面的大面积，并通过接收太阳压力获得推力。已知旋转型太阳帆可以进行独特的姿势运动，称为“ Postome漂移运动”，可以通过控制自旋速率来通过姿势漂移运动来间接控制航天器的轨迹和姿势。这是研究小组提出的一种巧妙的控制技术，包括申请人。在这项研究中，我们使用自旋型太阳帆的姿势漂移运动提出了轨道和姿势控制的自旋速率控制规则，并讨论了方法。重要的是要以一种自由度的控制输入进行旋转型太阳能帆的姿势和轨道运动的六个自由度控制。它提供了最终的备份方法，是最终的系统简化解决方案。首先，我们使用变异方法和经过验证的数值计算分析了最大化加速度和减速的问题，并优化了诸如轨道倾斜度和轨道偏心率之类的轨道元素，并得出了爆炸爆炸控制的最佳解决方案，该解决方案使用开关功能来切换最大和最小旋转率。此外，通过应用一种称为严格线性化的方法，将姿势漂移运动运动的运动方程式（以双线性系统为单位系统）形成了线性，并转换为下驱动系统的控制问题。通过用等效线性系统替换双线性系统，可以解决满足初始和终止时间边界条件的分析最佳控制问题。该方法应用于轨道和态度控制操作，并证明了其有效性。这项研究的主要发现是，通过分析和数值确认，我们已经构建了一种实现六个具有单个自由度的太阳帆的自由度控制和轨道运动的方法。

项目成果

Optimal Spin Rate Control of a Spinning Solar Sail for Orbital Inclination Change

轨道倾角变化的旋转太阳帆的最佳旋转速率控制

• 发表时间: 2014
• 作者: Go Ono;Yuya Mimasu;J. Kawaguchi
• 通讯作者: J. Kawaguchi

Attitude Control of a Spinning Solar Sail via Spin Rate Control using Exact Linearization

使用精确线性化通过旋转速率控制旋转太阳帆的姿态

• DOI: 10.2322/tastj.12.pd_27
• 发表时间: 2014
• 期刊: TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES, AEROSPACE TECHNOLOGY JAPAN
• 作者: Go Ono;Yuya Mimasu;J. Kawaguchi
• 通讯作者: J. Kawaguchi