A Control Moment Gyro (CMG) cluster for an agile spacecraft usually suffers from a singularity problem where it does not meet a desired torque. To solve the problem, a proposed steering law consists of SR (singularity robustness) inverse and SR null motion to compensate each other. The SR null motion solves the singularity problem that the SR inverse stays in the singularities. Especially, various potential functions are included in this dissertation, which newly consider the distance between the current gimbal angle and the gimbal angle corresponding to all singularities. All the combinations of singular gimbal angles are regarded as a target and obstacles of the potential function. After a spacecraft maneuver, an initial gimbal angle is regarded as the target to secure the repeatability of next maneuver. When avoiding or escaping the obstacles corresponding to the unwanted singular gimbal angles, the proposed steering law rapidly changes the gimbal angle by taking torque error. To overcome the local minima problem which is generally a serious drawback in using the potential function, an algorithm for changing parameters of the potential function are proposed in the steering law. To avoid the internal singularity, moreover, the present study introduces a configuration change of the CMG cluster. The proposed steering law is mathematically analyzed and verified through numerical simulations. It shows that the CMG cluster can avoid an internal singularity rapidly, resulting in faster maneuver time of the spacecraft.
고기동 위성에 적용하는 제어모멘트자이로 클러스터는 원하는 토크 명령을 달성할 수 없는 특이점의 문제가 있다. 특이점 강건역과 이를 상호 보완하는 특이점 강건 영운동을 도입하여 이처럼 내부 특이점에 머무르는 문제를 해결한다. 특히 본 논문에서는 현재의 김벌각과 모든 특이점에 해당하는 김벌각 간의 거리를 새롭게 고려한 다양한 포텐셜 함수를 특이점 강건 영운동에 포함시킨다. 제안한 구동법칙은 특이점에 해당하는 김벌각 조합들을 모두 찾아내 포텐셜 함수의 목표점과 장애물로 고려한다. 위성의 기동이 끝난 후에는 다음 기동의 반복성을 확보하기 위해 초기 김벌각을 목표점으로 간주한다. 제안한 구동법칙은 원하지 않는 특이점에 해당하는 장애물들을 회피하거나 탈출하는 과정에서 토크에러를 감수하면서 급속하게 김벌각을 변화시킨다. 한편, 일반적으로 포텐셜 함수를 적용할 때 극소값이 발생하는 문제가 있으며, 이를 해결하기 위해 포텐셜 함수의 파라미터를 변경하는 방안을 제시한다. 추가로 내부 특이점을 회피하기 위해 제어모멘트자이로 클러스터의 개선된 배치형상을 포텐셜 함수에 활용한다. 제안한 구동법칙에 대해 수학적 분석 및 수치 시뮬레이션을 수행한 결과, 내부 특이점을 빠르게 피함으로써 위성의 빠른 기동을 확보할 수 있다.
