人工衛星は宇宙空間を飛んでいるだけでは、目的の仕事をできません。地球観測衛星ならカメラを地表へ向け、通信衛星ならアンテナを地上局へ向け、太陽電池パネルは太陽光を受けやすい方向へ保つ必要があります。このように宇宙機の「向き」を決めることを姿勢といい、その向きを目標どおりに保ったり変えたりする仕組みが姿勢制御です。
結論からいうと、人工衛星の姿勢制御は、センサーで現在の向きや回転を測り、搭載コンピューターが目標姿勢との差を計算し、リアクションホイールやスラスタなどのアクチュエータで回転を生み出し、その結果を再びセンサーで確認するフィードバック制御で成り立っています。
特に多くの三軸姿勢制御衛星では、スタートラッカやジャイロなどで姿勢を知り、リアクションホイールを加速・減速させることで、燃料をほとんど使わずに細かく向きを変えます。ただし、ホイールだけでは制御し続けられないため、磁気トルカやスラスタを組み合わせることも重要です。
そもそも人工衛星の「姿勢」とは何か
人工衛星の姿勢とは、宇宙空間の中で衛星本体がどちらを向いているかという向きのことです。位置や軌道とは別の量です。同じ軌道上にいても、カメラが地球を向いているか宇宙を向いているかで、衛星ができる仕事は大きく変わります。
姿勢は通常、衛星本体に設定したX・Y・Zの3本の軸まわりの回転として扱います。航空機でいうロール・ピッチ・ヨーに似た考え方で、三軸それぞれの向きと回転速度を制御すれば、衛星を狙った方向へ向けることができます。
なぜ宇宙では姿勢を制御し続ける必要があるのか
宇宙空間は空気がほとんどないため、一度決めた向きが完全にそのまま保たれるように思えます。しかし実際には、衛星にはさまざまな小さな回転力が加わります。
- 太陽光が衛星表面を押す太陽放射圧
- 衛星の各部分に働く地球重力のわずかな差による重力傾度トルク
- 低軌道で残った大気から受ける空気抵抗
- 衛星自身の磁気と地球磁場の相互作用
- 太陽電池パネルの振動や燃料タンク内の液体の揺れ
これらの外乱や内部振動は小さくても、長時間積み重なると観測装置やアンテナの向きをずらします。そのため、姿勢制御系は一度だけ向きを合わせるのではなく、ずれを継続的に検出して補正します。
姿勢制御は「測る・考える・動かす」の3段階で成り立つ
人工衛星の姿勢制御を理解するうえで最も重要なのは、センサーとアクチュエータが独立して働くのではなく、コンピューターを介した閉じたループになっていることです。
- 測る：センサーで現在の向きや角速度を調べる
- 考える：搭載コンピューターが目標姿勢との差を求める
- 動かす：リアクションホイール、磁気トルカ、スラスタなどへ指令を出す
- もう一度測る：実際にどれだけ向きが変わったかを確認し、次の補正量を決める
この繰り返しがフィードバック制御です。地上から人が毎回「右へ0.1度回せ」と操作しなくても、衛星は搭載ソフトウェアによって自律的に姿勢を維持できます。
センサーは人工衛星の向きをどうやって知るのか
姿勢制御では、まず自分がどちらを向いているかを知る必要があります。そのため、人工衛星には複数種類の姿勢センサーが搭載されます。1種類だけに頼らず、それぞれの長所を組み合わせるのが一般的です。
スタートラッカは星の並びから絶対的な向きを求める
スタートラッカは、宇宙に見える星を小型カメラのような装置で撮影し、観測した星の並びを内部の星カタログと照合します。どの星をどの方向に見ているかが分かれば、衛星本体が宇宙空間でどちらを向いているかを高精度に求められます。
星は非常に遠くにあるため、衛星が地球の周囲を移動しても基準方向として利用しやすいのが利点です。NASAのDawn探査機でも、通常はスタートラッカで既知の星を観測して姿勢を決定していました。
ジャイロは「どれくらい速く回っているか」を測る
ジャイロは、衛星が各軸まわりにどのくらいの角速度で回っているかを測るセンサーです。スタートラッカが絶対的な向きを高精度に測るのに対し、ジャイロは短時間の姿勢変化を素早く捉えるのに適しています。
そのため実際の姿勢推定では、スタートラッカの情報とジャイロの情報を組み合わせます。センサーには誤差やノイズがあるので、搭載コンピューターは複数の観測値や過去の変化を利用しながら、より確からしい姿勢を推定します。
太陽センサーや地磁気センサーも姿勢の手掛かりになる
太陽センサーは太陽がどの方向にあるかを測ります。精密観測だけでなく、衛星に異常が起きたときに太陽電池を太陽へ向ける安全姿勢を作るためにも役立ちます。
地磁気センサーは、その場所での地球磁場の方向や強さを測ります。軌道位置から予想される地磁気と比較すれば、姿勢を推定する手掛かりになります。小型衛星では、太陽センサーや地磁気センサーが比較的簡素な姿勢決定系としてよく利用されます。
リアクションホイールはなぜ衛星本体を回せるのか
高精度な姿勢制御でよく使われるのがリアクションホイールです。これは衛星内部に取り付けられた、モーターで高速回転する円盤です。
宇宙空間では外から大きな回転力が加わっていなければ、衛星本体とホイールを合わせた全体の角運動量はほぼ保たれます。そのため、ホイールをある方向へ加速すると、その反作用として衛星本体は反対方向へ回転します。逆にホイールを減速すれば、衛星本体には反対向きの回転効果が生まれます。
たとえば衛星を右へ少し回したい場合、対応するホイールを左向きの角運動量が増えるように加速します。目標姿勢に近づいたらホイールの加速を止め、センサーで残った誤差を測りながら微調整します。
リアクションホイールの利点は、噴射ガスを使わず、非常に細かなトルクを繰り返し発生できることです。地球観測衛星や宇宙望遠鏡のように、長時間安定して同じ方向を向く必要がある宇宙機に向いています。
三軸姿勢制御ではなぜ複数のホイールが必要なのか
衛星はX・Y・Zの3軸まわりに回転できるため、自由に向きを変えるには基本的に3方向の回転を制御する必要があります。そのため、三軸姿勢制御衛星では複数のリアクションホイールを組み合わせます。
単純には3軸それぞれに1台ずつ配置すれば制御できますが、実際の宇宙機では故障時の予備を含めて4台を斜めに配置することもあります。ESAのMars Expressは4台のリアクションホイールを使い、観測機器を火星へ向けたり、高利得アンテナを地球へ向けたりしています。
リアクションホイールだけでは姿勢制御を続けられない理由
リアクションホイールには重要な弱点があります。太陽放射圧などの外乱を打ち消し続けていると、ホイールの回転数が一方向へ少しずつ増減していきます。やがて最大回転数付近に達すると、それ以上角運動量を蓄えられず、十分な制御トルクを出せなくなります。これをホイールの飽和と呼びます。
そこで、衛星全体が持つ余分な角運動量を外部へ逃がす「アンローディング」や「モーメンタムダンピング」が必要になります。低軌道衛星では磁気トルカ、より広い条件ではスラスタなどが使われます。
磁気トルカは地球磁場を利用して回転力を作る
磁気トルカはコイルや磁性体を使って人工的な磁気モーメントを作り、それを地球磁場と相互作用させてトルクを発生させる装置です。推進剤を使わないため、小型衛星の姿勢制御やリアクションホイールの角運動量を抜く用途に適しています。
ただし、その瞬間に作れるトルクの方向は地球磁場の向きに制約されます。このため、リアクションホイールほど自由かつ瞬時に任意方向の細かなトルクを作れるわけではありません。
スラスタはガスを噴射して外部からトルクを与える
スラスタは推進剤を噴射し、その反作用で衛星本体に力を加えます。衛星の重心から離れた位置で噴射すれば回転力を作れるため、姿勢変更、ホイールの角運動量放出、大きな姿勢修正、緊急時の制御などに使われます。
リアクションホイールとは異なり、スラスタは衛星の外へ運動量を持った物質を放出できるため、衛星内部にたまった角運動量を本当に外へ逃がせます。一方、推進剤には限りがあるため、通常の細かな姿勢維持はホイールで行い、必要なときだけスラスタを使う設計が多く見られます。
目標姿勢との差は搭載コンピューターが計算する
センサーとアクチュエータの間にあるのが姿勢制御ソフトウェアです。ソフトウェアは、センサーから得た現在姿勢と、ミッションで必要な目標姿勢を比較します。そして、どの軸にどれだけ回転力を加えれば誤差が小さくなるかを計算します。
実際の衛星では、センサーの観測値にはノイズや偏りがあり、アクチュエータにも応答の遅れがあります。さらに衛星本体は完全な剛体ではなく、大きな太陽電池パネルなどが振動することもあります。そのため制御ソフトウェアでは、姿勢の推定、角速度の推定、制御量の計算を連続して行い、必要に応じてカルマンフィルタなどの推定手法も利用します。
JAXAの姿勢軌道制御ソフトウェアに関する資料でも、センサーからの入力を処理し、目標姿勢や軌道を計算し、アクチュエータへの指令値を出力することが一般的な役割として説明されています。
異常時には「精密さ」より安全を優先する姿勢制御へ切り替える
姿勢制御系には、通常運用だけでなく異常時の安全モードが用意されることがあります。たとえば高精度なスタートラッカやリアクションホイールに問題が起きた場合、より単純で頑健な太陽センサーなどを使い、太陽電池パネルが発電できる方向を確保することが重要になります。
はやぶさ2でも、異常時には太陽センサーの情報を使って太陽方向を保つセーフホールド系の制御が用意されています。宇宙機によって具体的な方式は異なりますが、まず電力と通信を失わない安全な姿勢を確保し、その後に地上から原因を調べるという考え方は重要です。
姿勢制御にはスピン安定方式もある
すべての人工衛星がリアクションホイールで三軸を細かく制御するわけではありません。衛星本体をコマのように回転させ、その回転による安定性を利用するスピン安定方式もあります。
スピン安定方式は構造を比較的単純にできる一方、衛星本体が回転するため、常に特定方向を向けたい大型アンテナや高精度カメラには工夫が必要です。現代の多くの地球観測衛星や科学衛星では、機器を狙った方向へ自由に向けやすい三軸姿勢制御が広く使われています。
姿勢制御は「向きを変える装置」ではなく一つのシステム
人工衛星の姿勢制御というと、リアクションホイールだけを思い浮かべがちです。しかし実際には、ホイールだけでは自分の向きが分かりません。また、スタートラッカだけでは向きを変えられません。
姿勢制御を成立させるには、現在の状態を測るセンサー、状態を推定して目標との差を計算するコンピューターとソフトウェア、実際にトルクを発生するアクチュエータの3つが必要です。さらに、外乱への対応、機器故障時の冗長性、ホイールの飽和対策まで含めて初めて、長期間安定した姿勢制御が可能になります。
まとめ
人工衛星が宇宙で正確に姿勢を制御できるのは、センサー、搭載コンピューター、アクチュエータを組み合わせたフィードバック制御を行っているからです。スタートラッカやジャイロなどが現在の姿勢と回転を測り、コンピューターが目標との差を計算し、リアクションホイールを加減速して衛星本体を反対方向へ回します。
そして、外乱によってホイールに角運動量がたまりすぎた場合は、磁気トルカやスラスタを使ってそれを外へ逃がします。異常時には太陽方向を確保する安全モードへ切り替えることもあります。つまり姿勢制御は、一つの装置ではなく、「測る・考える・動かす・また測る」を繰り返す総合的な制御システムなのです。
参考資料
- JAXA「IV&Vガイドブック 第3部 姿勢軌道制御ソフトウェアの事例」
- ISAS/JAXA「人工衛星の姿勢を制御する高性能機器の開発」
- NASA「State-of-the-Art of Small Spacecraft Technology: Guidance, Navigation, and Control」
- ESA「Control Systems」
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