姿勢しせい制御せいぎょ

姿勢しせい制御せいぎょ（しせいせいぎょ、英語えいご: Attitude control）とは姿勢しせいを制御せいぎょすること。姿勢しせいとはなんらかの物体ぶったいがいかなる方向ほうこうを向むいているか、ということであり、一般いっぱんにベクトルの組くみなどで表あらわされる。ロボットなどでも多用たようされる語かたりだが、以下いかではもっぱら宇宙うちゅう機きのそれについて説明せつめいする。

概要がいよう

宇宙うちゅう機きの場合ばあい、観測かんそく機器ききを観測かんそく対象たいしょうに向むけたり、通信つうしんアンテナを正ただしい方向ほうこうへ向むけたり、軌道きどう制御せいぎょ時じの推進すいしん方向ほうこうを精密せいみつに保たもつために、衛星えいせいや船体せんたいの全体ぜんたいの向むきを制御せいぎょする必要ひつようがある。また有人ゆうじん宇宙うちゅう活動かつどうでは人間にんげんの船内せんない・船ふね外がい活動かつどうに支障ししょうをきたさないような制御せいぎょが必要ひつようとなる。

次つぎのような制御せいぎょループによって姿勢しせい制御せいぎょが行おこなわれる。

1. センサによって現在げんざいの姿勢しせいを把握はあくする。
2. 制御せいぎょプログラムによって、現在げんざいの姿勢しせいから目的もくてきの姿勢しせいにどう移行いこうさせるかを決定けっていする。
3. アクチュエータによって、姿勢しせいを変かえる。1に戻もどる。

航空機こうくうきの姿勢しせい制御せいぎょ

詳細しょうさいは「方向ほうこう舵かじ」、「昇降しょうこう舵かじ」、および「補助ほじょ翼つばさ」を参照さんしょう

方向ほうこう舵かじ（ラダー）

昇降しょうこう舵かじ（エレベータ）

補助ほじょ翼つばさ（エルロン）

航空機こうくうきの姿勢しせいは、3つの方向ほうこうで安定あんていする。上下じょうげに走はしる軸じくを中心ちゅうしんに、ヨーイングは機首きしゅを左ひだりまたは右みぎに動うごかす。翼つばさから翼つばさへと走はしる軸じくを中心ちゅうしんに、ピッチは機首きしゅを上下じょうげに動うごかす。横転おうてん、機首きしゅから尾おまで伸のびる軸じくを中心ちゅうしんに回転かいてんする。昇降しょうこう舵かじ（水平すいへい尾翼びよくのフラップを動うごかす）はピッチを生うみ出だし、垂直すいちょく尾翼びよくの舵かじはヨーを生うみ出だし、補助ほじょ翼つばさ（反対はんたい方向ほうこうに動うごく翼つばさのフラップ）はロールを生うみ出だす。

宇宙うちゅう機きの姿勢しせい制御せいぎょ

宇宙うちゅう機きの姿勢しせい制御せいぎょには次つぎのような方式ほうしきがある。

スピン安定あんてい方式ほうしき

スピン安定あんてい方式ほうしきは、主おもな姿勢しせい制御せいぎょを1軸じく方向ほうこうで機体きたいを回転かいてんさせることでジャイロ効果こうか（ジャイロ剛性ごうせい）によりぶれを防ふせぐ方式ほうしきである。機体きたい全体ぜんたいを1軸じくで回転かいてんさせる「単一たんいつスピン安定あんてい方式ほうしき」が基本きほんであるが、アンテナやセンサなどを回転かいてんさせたくない用途ようとでは、宇宙うちゅう機き本体ほんたいとは逆ぎゃく回転かいてんさせることで実質じっしつは回転かいてんさせない「二に重じゅうスピン安定あんてい方式ほうしき」もある。いずれも潮汐ちょうせき力りょく安定あんてい化かのような方法ほうほうで、残のこる2軸じくを安定あんてい化かさせることが一般いっぱん的てきである。

3軸じく安定あんてい方式ほうしき

3軸じく安定あんてい方式ほうしきは直交ちょっこうする3つの軸じくに対たいして安定あんていさせる方式ほうしきである。

バイアスモーメンタム方式ほうしき

3軸じく安定あんてい方式ほうしきでもバイアスモーメンタム方式ほうしきは、1軸じく方向ほうこうのみ大おおきなモーメンタム・ホイールを内蔵ないぞうし高速こうそく回転かいてんさせることで、機体きたい全体ぜんたいを回転かいてんさせることなく1軸じくでのジャイロ剛性ごうせいを得える。この方式ほうしきでは残のこる2軸じく、または3軸じく全すべては別べつの姿勢しせい制御せいぎょが必要ひつようになる。

ゼロモーメンタム方式ほうしき

ゼロモーメンタム方式ほうしきは3軸じく、または冗長じょうちょう性せいを得えるために4軸じくといった方向ほうこうのリアクション・ホイールを内蔵ないぞうすることで、姿勢しせい制御せいぎょを行おこなう。

センサ

ジャイロスコープ

外部がいぶを観測かんそくせずに3次元じげんの回転かいてんを検出けんしゅつする機器きき。以前いぜんは回転かいてんする円盤えんばんを持もった機械きかい式しきのジャイロスコープを使つかっていたが、今いまではミラー式しきを経へて、光ひかりファイバーを使つかった光学こうがく式しきのレーザー・リング・ジャイロスコープもある。これらはサニャック効果こうかを利用りようしている。ジャイロスコープは回転かいてん変化へんかを検出けんしゅつするだけであるため、初期しょきの方向ほうこうを設定せっていする必要ひつようがある。ジャイロスコープは徐々じょじょに誤差ごさが拡大かくだいしてくため、時折ときおり修正しゅうせいする手段しゅだんが必要ひつようである。正ただしい姿勢しせいを把握はあくできる時間じかんはせいぜい10時間じかん以内いないとされている。

Horizon sensor（地平線ちへいせん検出けんしゅつ器き、地球ちきゅうセンサ）

地球ちきゅうの大気たいきのフチ、すなわち地平線ちへいせんからの光ひかりを検出けんしゅつする光学こうがく装置そうち。走査そうさ型がたと凝視ぎょうし型がたがある。地球ちきゅうの夜よる側がわであっても使つかえる赤外線せきがいせん方式ほうしきのものが多おおい。2つの直交ちょっこう軸じくについて、地球ちきゅうとの関係かんけいで姿勢しせい（向むき）を知しることができる。恒星こうせいの観測かんそくに基もとづくセンサ（星ほしセンサ）よりは精度せいどは落おちる。

Orbital Gyrocompassing（軌道きどうジャイロコンパス）

軌道きどうジャイロコンパスは、地平線ちへいせん検出けんしゅつ器きの補完ほかんに使つかわれる。地平線ちへいせん検出けんしゅつ器きで地球ちきゅうの中心ちゅうしん方向ほうこうを定さだめ、ジャイロで地球ちきゅうの回転かいてん軸じく（北極ほっきょく方向ほうこう）を求もとめる。従したがって、地平線ちへいせん検出けんしゅつ器きが横よこ揺ゆれ（roll）や縦たて揺ゆれ（pitch）方向ほうこうの誤差ごさを検出けんしゅつし、ジャイロで偏へん揺ゆれ（yaw）方向ほうこうの誤差ごさを検出けんしゅつする。

Sun sensor（太陽たいようセンサ）

太陽たいようの方向ほうこうを測はかる機器きき。太陽たいよう電池でんちと日ひよけからなる単純たんじゅんな構造こうぞうもあれば、方向ほうこうの制御せいぎょが可能かのうな望遠鏡ぼうえんきょうのような複雑ふくざつな構造こうぞうのものもあり、これらはミッション要求ようきゅうに応おうじて選えらばれる。

Star tracker（恒星こうせい追跡ついせき器き、星ほしセンサ、スター・トラッカー）

太陽たいようを除のぞく複数ふくすうの恒星こうせいの方向ほうこうを測はかる光学こうがく機器きき。光ひかり電でんセルや半導体はんどうたいカメラを使つかって恒星こうせいの位置いちを測定そくていする自動じどう化かされた天測てんそく航法こうほうと言いえる。一般いっぱんに姿勢しせいを知しるために使つかわれる明あかるい恒星こうせいは57個こ存在そんざいする。最もっともよく使つかわれるのはシリウスである。しかし、より複雑ふくざつなミッションでは星ほしのデータベース（高こう精度せいどな星ほしのカタログ）を使つかって衛星えいせいの姿勢しせいを識別しきべつする。恒星こうせい追跡ついせき器きは高こう感度かんどでなければならず、後述こうじゅつするスラスターが噴射ふんしゃするガスによって太陽たいようの光ひかりが反射はんしゃされると、恒星こうせいを見失みうしなうことがある。

スペースシャトルの場合ばあいは、ジャイロスコープを内蔵ないぞうした慣性かんせい航法こうほう装置そうちと、スター・トラッカーを使つかって、軌道きどう上じょうの位置いちと姿勢しせいを把握はあくしている。

Magnetometer（磁気じきセンサ、磁力じりょく計けい）

磁力じりょく計けいは、地球ちきゅうの磁場じばの強つよさと方向ほうこうを測定そくていする機器ききで、軌道きどう上じょうに搭載とうさいされた（または地上ちじょうの航法こうほうコンピュータ）メモリの地磁気ちじきマップと比較ひかくする事ことで軌道きどう上じょうの位置いちを知しることが出来できる。軌道きどう上じょうの位置いちがわかれば、宇宙うちゅう機きの姿勢しせいも推測すいそくすることができる。

制御せいぎょプログラム

制御せいぎょプログラムは、センサ類るいのデータから目標もくひょう姿勢しせいに必要ひつようなトルクを求もとめ、アクチュエータを制御せいぎょする。このアルゴリズムは、単純たんじゅんなフィードバック・ループ制御せいぎょからフィードフォワードループ制御せいぎょ、複雑ふくざつな非ひ線型せんけい制御せいぎょまで様々さまざまである。

アクチュエータ

スラスタ

姿勢しせい制御せいぎょスラスタは、宇宙うちゅう機きの姿勢しせいを制御せいぎょする姿勢しせい制御せいぎょシステム (RCS; Reaction Control System) として最もっとも代表だいひょう的てきなものであり、3軸じくの安定あんていを図はかるものが一般いっぱん的てきである。一いち液えき式しきロケットであることが多おおく、加圧かあつタンク内ないの液体えきたいをバルブで調節ちょうせつし、ノズルからガス状じょうに噴射ふんしゃする時ときの反動はんどうを得える簡単かんたんな機構きこうのものから、加圧かあつタンク内ないの燃料ねんりょうを触媒しょくばいに吹ふき付つけて分解ぶんかい反応はんのうさせてノズルから噴射ふんしゃする時ときの反動はんどうを得える機構きこうのものがある。ニ液えき式しきロケットでは燃料ねんりょうと酸化さんか剤ざいをそれぞれ加圧かあつタンクに納おさめておき、少量しょうりょうずつを混合こんごうして反応はんのうさせノズルから噴射ふんしゃするある程度ていど複雑ふくざつなものがある。姿勢しせい制御せいぎょスラスタは、軌道きどう制御せいぎょにも用もちいられることがある。

姿勢しせい制御せいぎょシステムの燃費ねんぴは、スラスタの排気はいき速度そくどと最小さいしょうトルクインパルスの大おおきさに依存いぞんする。得えられるトルクを最大さいだい化かするために、ノズルは可能かのうな限かぎり重心じゅうしんから離はなれた位置いちに取とり付つけられる。機体きたいの回転かいてんを低減ていげんさせるには、そのトルクと同どう程度ていどのトルクを逆ぎゃく方向ほうこうにかける必要ひつようがある。ある方向ほうこうにスラスタを噴射ふんしゃした場合ばあい、誤差ごさに対応たいおうするために、数すう十じゅう秒びょう後ごに逆ぎゃく方向ほうこうにスラスタを噴射ふんしゃする必要ひつようがある。タンクの残存ざんそん圧力あつりょくやバルブ動作どうさ、反応はんのう度どといった要素ようそが発生はっせい推力すいりょくを左右さゆうするため、誤差ごさも比較的ひかくてき大おおきい。噴射ふんしゃによって搭載とうさい推進すいしん剤ざいを消費しょうひするため、使用しようは計画けいかく的てきに行おこなわれる。姿勢しせい制御せいぎょスラスタは得えられるトルクが比較的ひかくてき大おおきいが精度せいどは低ひくく、何なにより推進すいしん剤ざいの搭載とうさい量りょうに限かぎりがあるため、長所ちょうしょ／短所たんしょを補完ほかんしあえる他ほかの姿勢しせい制御せいぎょ装置そうちと併用へいようされることが多おおい。

スピンテーブル

スピン安定あんてい方式ほうしきを実現じつげんするために、衛星えいせい打うち上あげロケットから衛星えいせいを切きり離はなす時ときなど、スピンテーブルを使つかって宇宙うちゅう機き全体ぜんたいを1軸じくを中心ちゅうしんに回転かいてんさせて切きり離はなす。最終さいしゅう的てきな軌道きどうに乗のった後のちは、この回転かいてんは何なんらかの手段しゅだんで停止ていしさせる（3軸じく制御せいぎょ衛星えいせいの場合ばあい）こともあるし、そのまま回転かいてんし続つづける（スピン衛星えいせいの場合ばあい）こともある。回転かいてんしたままにする人工じんこう衛星えいせいは、それほど高たかいポインティング精度せいどを必要ひつようとせず、かつ回転かいてん軸じくを大おおきく変更へんこうする必要ひつようが無ない場合ばあいに限かぎられる。また、観測かんそく機器ききで天体てんたいや地表ちひょうや大気たいきを走査そうさするミッションの場合ばあい、回転かいてんしたままにしておくことがある。

モーメンタムホイール

電気でんきモーターと一体いったいとなった「モーメンタムホイール」と呼よばれる円盤えんばんを高速こうそく回転かいてんさせることで、外乱がいらんで生しょうじるモーメントをジャイロ効果こうか（ジャイロ剛性ごうせい）で打うち消けす仕組しくみである。モーメンタムホイールの軸受じくうけは真空しんくうでの長期間ちょうきかん動作どうさのために磁気じき軸受じくうけが使つかわれる事ことが多おおい。

リアクション・ホイール

詳細しょうさいは「リアクションホイール」を参照さんしょう

コントロール・モーメント・ジャイロスコープ（CMG）

コントロール・モーメント・ジャイロスコープは、ジンバル上うえに設置せっちされ一定いってい速度そくどで回転かいてんするローターを使つかって姿勢しせいを制御せいぎょする装置そうちである。CMG はジャイロの回転かいてん軸じくに直角ちょっかくな2軸じく方向ほうこうのモーメント制御せいぎょを行おこなうものであり、モーメンタムホイールではジャイロ効果こうかによって慣性かんせいモーメントを増ますことで外乱がいらんによる機体きたいの回転かいてん運動うんどうを抑制よくせいするのとは逆ぎゃくに、CMGでは積極せっきょく的てきにローターの回転かいてん軸じくを傾かたむけてジャイロ効果こうかを用もちいてモーメントを調節ちょうせつする。CMGによるトルクは大おおきく、モーメンタムホイールよりも大型おおがたの宇宙船うちゅうせんに適てきしている。直交ちょっこうする3軸じくの姿勢しせい制御せいぎょを行おこなうには少すくなくとも2軸じくの回転かいてん装置そうちが必要ひつようとなる。大だい重量じゅうりょうで故障こしょうしやすいことが問題もんだいである。このため、国際こくさい宇宙うちゅうステーションでは4台だいのCMGを装備そうびして故障こしょうに備そなえている。米国べいこくでは他たにスカイラブでの使用しよう例れいがある。ロシアはジャイロダインと呼よんでいたがミールで使用しようした。日本にっぽんでは太陽たいよう観測かんそく衛星えいせいようこうに小型こがたのCMGを搭載とうさいしたのが初はじめての使用しよう例れいであった。

太陽たいよう帆ほ（ソーラーセイル）

太陽たいよう帆ほは太陽光たいようこうが反射はんしゃする際さいに生しょうじる力ちから（太陽たいよう輻射ふくしゃ圧あつ）を推進すいしん力りょくに利用りようする機器ききであり、小型こがたの太陽たいよう帆ほは姿勢しせい制御せいぎょや速度そくど調整ちょうせいに使つかうこともできる。大量たいりょうの推進すいしん剤ざいを必要ひつようとするような何なん年ねんにもわたる長ながいミッション期間きかんが求もとめられる宇宙うちゅう機きの場合ばあい、燃料ねんりょう消費しょうひを抑おさえる目的もくてきで使つかわれる。マリナー10号ごうはかつて太陽たいようパネルとアンテナを小型こがた太陽たいよう帆ほとして使用しようしたことがある。その他た、最近さいきんでは一部いちぶの静止せいし衛星えいせいの姿勢しせい制御せいぎょにも使つかわれている。2010年ねんには展開てんかい型がた太陽たいよう帆ほの実験じっけん機きIKAROSが上あげられた。

重力じゅうりょく勾配こうばいによる安定あんてい（重力じゅうりょく傾かたぶけ度ど安定あんてい方式ほうしき Gravity-gradient stabilization）

軌道きどう上じょうでは、機体きたいの1つの軸じくが他たの2軸じくよりも長ながい場合ばあい、その長ながい軸じくが天体てんたいの質量しつりょうの中心ちゅうしんを指さすような姿勢しせいで自然しぜんに安定あんていする。これが重力じゅうりょく傾かたぶけ度ど安定あんていであり、能動のうどう的てきな姿勢しせい制御せいぎょシステムや燃料ねんりょう消費しょうひを必要ひつようとしない。このようになる原因げんいんは潮汐ちょうせき力りょくである。機体きたいの上端じょうたんは下端かたんほど重力じゅうりょくを感かんじない。長ちょう軸じくが重力じゅうりょく加速度かそくどの方向ほうこうでない場合ばあい、復元ふくげんトルクが働はたらく。従したがって、何なんらかの制動せいどう方法ほうほうがなければ、機体きたいが振ふり子このように発振はっしんする可能かのう性せいがある。人工じんこう衛星えいせいの2つの部分ぶぶんをテザーで結むすぶ形態けいたいにして、制動せいどうトルクを増加ぞうかさせることがある。テザーを使つかう場合ばあいの問題もんだい点てんは、微小びしょうな星ほし間あいだ物質ぶっしつであってもテザーを破損はそんする恐おそれがある点てんである。

磁気じきトルカ（Magnetic torquers）

磁場じばが存在そんざいする空間くうかんでは、電磁石でんじしゃくや永久えいきゅう磁石じしゃくを使つかってトルクを発生はっせいさせることができる。典型てんけい的てきな例れいとして電気でんき力学りきがく的てきテザー、磁気じきトルカがある。

完全かんぜんに受動じゅどう的てきな姿勢しせい制御せいぎょ

重力じゅうりょく傾かたぶけ度ど安定あんていと磁場じばを使用しようした姿勢しせい安定あんていを組くみ合あわせて利用りようすることで、完全かんぜんに受動じゅどう的てきな姿勢しせい制御せいぎょシステムを構築こうちくできる。機体きたいはエネルギーが最小さいしょうとなる点てんを中心ちゅうしんに発振はっしんすることになるため、指向しこう方向ほうこうの精度せいどには限界げんかいがあるが、粘性ねんせいダンパ（内部ないぶにバッフルプレートを備そなえた推進すいしん剤ざいタンクや小型こがたの缶かんを利用りよう可能かのう）などの制動せいどう機構きこうを備そなえれば克服こくふく可能かのうである。

関連かんれん項目こうもく

• 飛行機ひこうきの安定あんてい

外部がいぶリンク

• 上手じょうずな衛星えいせい姿勢しせい制御せいぎょ系けいの作つくり方かた JAXA
• 人工じんこう衛星えいせいの姿勢しせいを制御せいぎょする高性能こうせいのう機器ききの開発かいはつ JAXA