Generalization of Uncertainty Models in Stochastic Optimal Control and Its Application to Robust Trajectory Design
| Project/Area Number |
19K15214
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
尾崎 直哉 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 特任助教 (90836222)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2020: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
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| Keywords | Uncertainty / 不確定性 / 最適制御 / 軌道最適化 / 確率制御 / ロバスト制御 / Trajectory Optimization / Stochastic Control / Stochastic Cotnrol / 不確定性評価 / 微分動的計画法 |
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| Outline of Research at the Start |
惑星探査ミッションにおいて，いかに不確定性を評価し，いかに予め対処策を施しておくかはミッションの成功率を高める上で重要な課題である．研究代表者らは，先行研究として，確率微分動的計画法(SDDP)を確立し，不確定性に対してロバストな軌道設計手法を実現した．しかし，先行研究のSDDPはガウス分布で表現可能な不確定性に限定されており，実ミッションへの適用性が乏しい．本研究では，ガウス分布以外の一般の確率分布の不確定性を扱うために，SDDPを拡張することを目的とする．また，2020年代初旬に打上げ予定の実ミッションの軌道設計問題に対して，提案手法を適用することで，その実用性・普遍性を確認する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は，不確定性伝播を高速化するためにGPU計算環境の構築を行い，忠実度の高い不確定性伝播手法の実装を進めた．また，ロバストな軌道制御則を表現するためのサロゲートモデルの導入の検討を進めた．今後，忠実度の高い不確定性を含めたロバストな軌道設計則の実装を進める予定である．また，特にDESTINY+ミッションのスパイラル軌道上昇フェーズへの適用を進める予定である．
不確定性モデルの一般化を目指した初期検討を行った．特に，惑星周回ミッションにおいて重要である惑星軌道投入に焦点を当てて，ロバストな軌道投入則の一般化を目指した研究を遂行した．惑星軌道投入は，惑星探査ミッションにおいて，最もクリティカルなイベントの一つである．2010年に打ち上げられたあかつきミッション(JAXA)では，この惑星軌道投入に一度失敗しており，ミッション全体に大きな損失を与えてしまった．そこで，本研究では，このようなクリティカルなイベントに対してロバストな惑星軌道投入則の確立を目的とする．本研究の提案手法を用いると，万が一，惑星軌道投入に失敗してしまったとしても，比較的短時間に惑星と再会合することが可能となる．先行研究では自由帰還軌道を用いてロバスト性を高めていたのに対して，本研究では深宇宙軌道制御マヌーバを行うことを前提としたロバスト軌道投入則を提案した．このような拡張によって，より一般的な不確定性モデルを扱うことが可能となり，先行研究よりロバストで最適性の高い軌道が実現された．本研究成果は，当該分野で権威的であるアメリカ航空宇宙学会AIAAのJournal of Spacecraft and Rocketsに掲載採択されている．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
忠実度の高い不確定性を含めたロバストな軌道制御則の実装に着手できておらず，やや遅れている状況である．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究としては，忠実度の高い不確定性伝播と表現能力の高いロバスト軌道制御則（サロゲートモデル）を用いて，Tube Stochastic Optimal Controlを拡張することを考えている．まず第一段階としては，二段確率計画問題などの計算コストの低い問題に適用することで，理論検証を行うことを目指す．その上で，JAXAが現在検討中のDESTINY+ミッションのスパイラル軌道上昇フェーズへの適用を進める予定である．
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Report
(2 results)
Research Products
(10 results)
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[Journal Article] EQUULEUS Trajectory Design2020
Author(s)
Kenshiro Oguri, Kenta Oshima, Stefano Campagnola, Kota Kakihara, Naoya Ozaki, Nicola Baresi, Yasuhiro Kawakatsu, and Ryu Funase
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Journal Title
The Journal of the Astronautical Sciences
Volume: -
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Mission Analysis for the EM-1 CubeSats EQUULEUS and OMOTENASHI2019
Author(s)
Stefano Campagnola, Javier Hernando-Ayuso, Kota Kakihara, Yosuke Kawabata, Takuya Chikazawa, Ryu Funase, Naoya Ozaki, Nicola Baresi, Tatsuaki Hashimoto, Yasuhiro Kawakatsu, Toshinori Ikenaga, Kenshiro Oguri, Kenta Oshima
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Journal Title
IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine
Volume: 34
Pages: 38-44
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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