Optimal feedback control of spacecraft attitude using control moment gyros

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K04837
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
• Research Institution: Osaka Prefecture University (2021); Osaka University (2019-2020)
• Principal Investigator: Yamada Katsuhiko 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 客員教授 (30402481)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 宇宙機 / 姿勢制御 / CMG / 最適制御

Outline of Final Research Achievements

A feedback attitude control system was studied for agile and reliable attitude change of a spacecraft with multiple single-axis gimbal CMGs (Control Moment Gyros) as attitude control actuators. For this system, we proposed an algorithm to directly calculate the optimal gimbal angular velocity from the attitude error at each sampling time, and applied it to a CMG system with a pyramid configuration. As a result, it was experimentally verified that the same algorithm can control the attitude of a spacecraft in the case of four CMGs, the case of three CMGs due to the failure of one CMG, and the case of two CMGs due to the failure of two CMGs.

Free Research Field

宇宙機の力学と制御

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

CMGを用いた宇宙機の姿勢制御系では通常姿勢制御トルクからジンバル角速度を求めるが，この際に変換マトリクスが特異になってジンバル角速度を求められないことがある．本方法では姿勢制御誤差から姿勢制御トルクを求めずに，直接的にジンバル角速度を求めるために特異の問題を避けることができる．また，この方法では，CMGの台数によらずにほぼ同じアルゴリズムを適用することができるため，CMGの1台または2台が故障したような場合にも対応することができる．このような利点を有する方法は類似例がなく，学術的意義を有するとともに，実際の宇宙機に対して適用することで，信頼性の高い高速姿勢制御系を実現することができる．