VSCMG搭載宇宙機における姿勢制御とバッテリーの長寿命化を考慮した電力マネジメント

摘要

アジリティ性能を有する高分解能地球観測衛星の姿勢制 御用アクチユエ一タとして搭載されるコントロールモーメントジャイロ(Control Moment Gyro, CMG)を拡張し，ホ イール部の回転速度を可変とした可変速度CMG (Variable Speed CMG, VSCMG)に関する研究がNASA等で進められてきた.特にVSCMGが持つ高い自由度を活かし，姿勢制御機能とエネルギー貯蔵機能を併せ持つコンポーネントはIntegrated Power and Attitude Control System (IPACS)と呼ばれる.近年ではコスト低減やコンポーネント質量·体積の削減を目指し，民生品(Commercial off-the-shelf, COTS)から構成されるIPACSを小型衛星に搭 載するシステム検討や実機検証も報告されている.従来からIPACSは電源系におけるリチウムイオン電池等の化学電池(バッテリー)を代替する概念として捉えられてき た.しかし，VSCMG/IPACSは内力アクチユエ一タおよびエネルギー貯蔵装置という2つの機能にとって単一故障点となる点，ホイールの回転速度を通常のCMGと比較して高い値に保つ必要があり機械的ストレスが大きい点等から，IPACSがバッテリー搭載を前提とした既存の宇宙機のシステムアーキテクチャを置き換えるまでには至っていない.%This study proposes a power management method for a spacecraft with Variable Speed Control Moment Gyro/Integrated Power and Attitude Control System (VSCMG/IPACS) and Lithium-ion battery, considering the lifetime of the battery. The proposed method achieves the attitude control of the spacecraft through the steering law of the VSCMGs, while the IPACS and battery realize the required power, suppressing the degradation mode of the battery. In the proposed power management method, the total required power is distributed into two references, which should be realized by the battery and the IPACS. In case the thresholds of the state of charge (SOC) or C-rate of the battery are exceeded, the IPACS assists the power output and charging of the battery while considering the saturation of the wheel speed of the IPACS.