2011年2月4日更新
PRISM ADCSの役割
ADCSとは "Attitude Determination and Control System" の略で、衛星の姿勢決定や姿勢制御を担当します。
中須賀研究室で開発したXI-IV, XI-Vにおいて、姿勢制御は永久磁石とマグネティックダンパ（磁気による振動減衰器）を用いた受動的なもので、能動的に好きな方向を向けたりすることはできませんでした。
そこでPRISMでは磁気トルカを用いて能動的に姿勢を制御することに挑戦します。PRISM ADCSにおける要求事項は以下の通りです。
- 望遠鏡を地球方向に向ける
PRISMではレンズのついたブームを展開することで、重力傾斜トルクを働かせ望遠鏡を地球に向けることを検討しています。
しかしながら、本衛星は超小型衛星で質量がとても小さいため、軌道上での外乱に弱く特に磁気外乱の影響で地球指向を達成できない場合があります。
このようなときに姿勢を推定し磁気トルカを用いて望遠鏡を地球に向ける必要があります。
また、姿勢を制御することで、地球上の好きな場所を撮影する機能も組み込まれています。
- 撮影するときに衛星を静止させる
撮影するときに 姿勢がぶれていると地上30m分解能という高解像度の画像を取得することができません。
そこで、撮影時は姿勢を安定させる必要があります。
PRISMでは高解像度画像取得のために0.5deg/s（1秒間に0.5°ずれる角速度）以下という姿勢安定度が要求されます。
PRISM ADCS機能ダイアグラム
ADCSの機能系統図を以下に示します。
PRISM ADCSの設計/開発
整備中
コンポーネント
衛星の姿勢を制御するためには目標姿勢と現在の姿勢の差を検知するためのセンサーと、制御するためのトルクを与えるアクチュエータが必要です。
PRISM ではセンサーとして太陽センサー、磁気センサー、ジャイロセンサーを搭載し、アクチュエータとしてMTQ(磁気トルカ)を搭載しています。
- 磁気トルカ
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X軸/Y軸用 磁気トルカ 外観図
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Z軸用 磁気トルカ 外観図
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- サンセンサー
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サンセンサー 外観図
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- ジャイロセンサー
- 磁気センサー
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磁気センサー/ジャイロセンサー基板 外観図
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PRISM ADCSアドバンスミッション
PRISMでは、中須賀研で初めての姿勢センサー、アクチュエータをはじめとした能動姿勢制御機能が実装されます。
今後の中須賀研での衛星開発を考慮して、超小型衛星開発を進める上で有用なさまざまな姿勢制御技術実証を検討しており、超小型衛星における姿勢制御技術の向上を目指します。
- カルマンフィルタを用いた姿勢推定
衛星の姿勢を高精度に推定する上でよく用いられるのが、カルマンフィルターです。
PRISMでは、カルマンフィルタを用いて、角速度を推定したり、ジャイロのバイアスノイズ、quaternion(衛星姿勢)をより高精度に決定し、姿勢制御精度を向上させることを検討しています。
- センサー、アクチュエータにおけるスケールファクタ、バイアス、アライメント誤差の推定
センサーやアクチュエータには、スケールファクタ誤差、バイアス誤差、アライメント誤差が生じることがあり、これらが姿勢決定精度や制御精度を劣化させることがあります。
どんなに精度の良いセンサーやアクチュエータが積まれていても、取り付け方向がずれていると正確な情報がえられません。
これらの情報をあらかじめ調べておいて補正する必要があります。
これらのパラメータは通常、地上施設で推定されて搭載ソフトウエアに反映されますが、衛星においては、これらを計測するための施設利用等においてコスト、時間において大きな制約があり、十分に試験を実施できない場合があります。
また地上で推定しても打ち上げ等により、軌道上で特性が変化することも考えられます。
PRISMではこれらのパラメータを軌道上で得られたセンサー情報を元に推定、補正する方法を検討しています。
多くのセンサーがある中で、どのような順番で何を基準に推定していくのが良いのか、またどのような手法を用いれば精度良く推定できるのか検討します。
- 残留磁気モーメントの推定と補償
磁気外乱とは衛星の持つ残留磁気モーメントと地球磁場が干渉することによって生じる外乱です。
すなわち、衛星が磁石で、地球も磁石なので力が生じて外乱になってしまうのです。
大型衛星では、軌道高度が大きく地球磁場の影響を受けにくかったり、慣性モーメントに対する残留磁気モーメントの比が小さかったりしてあまり大きな影響を及ぼさないようですが、超小型衛星においては、低軌道に投入されることが多く、また、慣性モーメントが小さいため磁気外乱の影響を受けやすいと考えており、この外乱に注目しています。
特にPRISMの場合、この外乱の影響により、重力傾斜+能動ダンピングのみでは地球指向を維持することが難しい場合があると考えており、対応方法について検討しています。今回は衛星の姿勢運動から残留磁気モーメントを推定し、その値を元に磁気トルカから残留磁気モーメントを打ち消す出力を与えることで、磁気外乱の効果を打ち消すことを検討しています。
これらの技術について軌道上実証を目指します。
- 蝕時における姿勢決定
PRISMでは姿勢決定に太陽センサーと磁気センサーを用いています。
しかしながら、衛星が蝕(＝夜)に入り、太陽があたらなくなると、衛星の姿勢を太陽センサーから情報が得られなくなるため、姿勢を決定できなくなります。
これは磁気センサーのみだと、1軸周りで姿勢情報が得られないためです。
PRISMでは蝕時においても姿勢決定するために磁気センサーの値とジャイロセンサーの値を用いることを検討しており、その方法について実証を目指しています。
- 磁気センサーを用いた独自の軌道決定システム
PRISMでは姿勢決定のために衛星の位置情報が必要となります。
また衛星の運用計画を立てる上でも軌道情報が大切になります。
現在PRISMではこれらの軌道情報を得るためにTLE (Two Line Elemnts)を用いていますが、PRISMではテレメトリデータを用いて独自に軌道決定を行う方法について検討します。
例えばTLEが急に供給されなくなったとしても、本方法により対応できる体制を整えることを目指しています。
メンバー
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稲守 孝哉
リーダー
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須崎 祐多
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兪 逸淵
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甲斐 毅
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中村 友哉
オブザーバー
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