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．

自旋式太阳帆是一种利用自转产生的离心力展开并展开大膜面，并通过接受太阳光压力获得推力的航天器。已知自旋式太阳帆具有被称为“姿态漂移运动”的特有姿态运动，通过控制自转速度，可以通过姿态漂移运动间接控制航天器的轨道和姿态。它。这是包括申请人在内的一个研究小组提出的独创控制方法。在本研究中，我们提出了一种利用自旋型太阳帆的姿态漂移运动进行轨迹和姿态控制的自旋速率控制律，并讨论了其方法。重要的是，自旋型太阳帆的姿态运动和轨道运动的六自由度控制是使用一自由度控制输入来执行的。它提供了终极的备份方法，是终极的系统简化解决方案。首先，通过变分法分析和数值计算校核，解决了加减速度最大化和轨道倾角、轨道偏心率等轨道要素的优化问题，得出了最优控制解。此外，我们通过应用严格线性化的方法，将姿态漂移运动的运动方程（被描述为完整系统之一的双线性系统）线性化，并将其转换为欠驱动系统的控制问题。通过用等效线性系统代替双线性系统，可以解析求解满足初始和终止时刻边界条件的最优控制问题。我们将该方法应用于轨道和姿态控制机动并证明了其有效性。这项研究的主要成果是，通过分析和数值计算，建立了一种仅利用1个自由度的自转速率来控制太阳帆的姿态和轨道运动的6个自由度的方法。

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