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Generalization of Uncertainty Models in Stochastic Optimal Control and Its Application to Robust Trajectory Design

Research Project

Project/Area Number 19K15214
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
Research InstitutionJapan Aerospace EXploration Agency

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)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
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)
KeywordsUncertainty / 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
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.

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.

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.

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.

Report

(2 results)
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report

Research Products

(10 results)

All 2020 2019

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 4 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results)

  • [Journal Article] Extended Robust Planetary Orbit Insertion Method Under Probabilistic Uncertainties2020

    • Author(s)
      Ozaki Naoya、Chikazawa Takuya、Kakihara Kota、Ishikawa Akihiro、Kawakatsu Yasuhiro
    • Journal Title

      Journal of Spacecraft and Rockets

      Volume: 57 Pages: 1153-1164

    • DOI

      10.2514/1.a34755

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Tube Stochastic Optimal Control for Nonlinear Constrained Trajectory Optimization Problems2020

    • Author(s)
      Ozaki Naoya、Campagnola Stefano、Funase Ryu
    • Journal Title

      Journal of Guidance, Control, and Dynamics

      Volume: 43 Pages: 645-655

    • DOI

      10.2514/1.g004363

    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] EQUULEUS Trajectory Design2020

    • Author(s)
      Kenshiro Oguri, Kenta Oshima, Stefano Campagnola, Kota Kakihara, Naoya Ozaki, Nicola Baresi, Yasuhiro Kawakatsu, and Ryu Funase
    • Journal Title

      The Journal of the Astronautical Sciences

      Volume: -

    • DOI

      10.1007/s40295-019-00206-y

    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [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
    • Journal Title

      IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine

      Volume: 34 Pages: 38-44

    • DOI

      10.1109/maes.2019.2916291

    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Extended Robust Planetary Orbit Insertion Method Under Probabilistic Uncertainties2020

    • Author(s)
      Naoya Ozaki, Takuya Chikazawa, Kota Kakihara, Akihiro Ishikawa and Yasuhiro Kawakatsu
    • Organizer
      AIAA Scitech 2020 Forum
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Exploration of Long Time-of-Flight Three-Body Transfers Using Deep Reinforcement Learning2020

    • Author(s)
      Kanta Yanagida, Naoya Ozaki, Ryu Funase
    • Organizer
      AIAA Scitech 2020 Forum
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Operations-driven Low-Thrust Trajectory Optimization with Applications to DESTINY+2020

    • Author(s)
      Diogene A. Dei Tos, Takayuki Yamamoto, Naoya Ozaki, et al.
    • Organizer
      AIAA Scitech 2020 Forum
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Tube Stochastic Optimal Control with Imperfect Information: Application to Navigation and Guidance Analyses2020

    • Author(s)
      Kota Kakihara, Naoya Ozaki, Akihiro Ishikawa, Takuya Chikazawa, Ryu Funase
    • Organizer
      AIAA Scitech 2020 Forum
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] DESTINY+ Low thrust trajectory design from Earth orbit to Asteroids flyby2019

    • Author(s)
      Takayuki Yamamoto, Naoya Ozaki, et al.
    • Organizer
      70th International Astronautical Congress
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Robust Planetary Orbit Insertion Algorithm Using Resonant Orbit Considering Missed-Thrust Uncertainty2019

    • Author(s)
      Naoya Ozaki, Takuya Chikazawa, Yasuhiro Kawakatsu
    • Organizer
      Joint Symposium of 32nd ISTS & 9th NSAT
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2019-04-18   Modified: 2021-12-27  

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