2014 Fiscal Year Research-status Report
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25420859
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| Research Institution | Japan Aerospace Exploration Agency |
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Principal Investigator |
森田 泰弘 独立行政法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (80230134)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 宇宙システム制御 / 航法 / 誘導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、宇宙システムに不可欠のロバスト制御の分野を大きく発展させることを目的として、パーティクル・フィルタ（粒子フィルタ）という新しい概念を世界でも初めて宇宙システムのロバスト制御に適用することを推進しているものである。パーティクル・フィルタは統計数理の分野で発展してきた高次元状態ベクトル推定の新しい手法である。
これまでのロバスト制御には実用上の大きな課題があった。それは、ロバスト性の守備範囲がアプリオリに限定されること、および、その守備範囲の大きさと引き換えにノミナル性能が劣化することである。一方、パーティクル・フィルタ理論は、状態ベクトルだけでなくシステム・パラメータをも同時かつ直接に推定することができる。したがって、パラメータの不確定の幅に制約がない上にノミナル特性の劣化もないのが特徴である。これは、ロバスト制御の分野の大いなる発展につながると考えることができる。
これらの長所に対する一方で、パーティクル・フィルタ理論を実システムに適用するための課題についてはこれまで未知数であった。このため、一昨年度にパーティクル・フィルタ理論を実システムに適用するための課題の抽出を行なっている。本質的な課題として、演算に極めて多くの時間を要すること、および演算途中で粒子の伝搬の不全が起こりうることを識別した。
これらの課題を解決する前段階として、平成２６年度は、パーティクル・フィルタ（粒子フィルタ）という新しい制御の概念を実システムに適用するための方法について検討を進めた。具体的な研究内容としては、実際の宇宙システム（衛星打ち上げロケット、エアロンチ・ビークルや再使用ロケットなど）の運動を模擬するダイナミクスモデルを構築、これらに対してパーティクル・フィルタを設計して、ノミナル性能の向上やロバスト性能の拡大などの観点から、その有効性を定量的に示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は、パーティクル・フィルタ（粒子フィルタ）という統計数理学的な概念を世界でも初めて宇宙システムのロバスト制御に適用するための研究であり、ロバスト制御理論の世界に大いなる飛躍をもたらしうる極めて独創的な研究ということができる。パーティクル・フィルタ理論の大きな利点はアルゴリズムのシンプル性にある。これまでのロバスト制御理論においては、理論に基づき設計される制御器は一般に高次の特性をもち、そのままでは実際の宇宙システムへの適用が不可能に近い。このため、制御の本質を損なうことなく制御器の次数を低減するための考察に相当の困難を極めてきた。一方、パーティクル・フィルタの理論によれば、制御のアルゴリズム自体は極めて簡便かつ高いロバスト性能を獲得することが可能である。
平成22年度から24年度における研究では、パーティクル・フィルタ理論の定式化を行い、簡易な数学モデル上でその有効性を示した。本申請における研究では、これまでの成果をさらに拡張し、実システムにパーティクル・フィルタ理論を適用するための課題の識別とその解決を図ることにより、パーティクル・フィルタ理論の確立を目指し、実応用への道筋をつけることを目的としている。
平成２５年度は、最も重要な研究項目として、パーティクル・フィルタ（粒子フィルタ）理論を実システムに適用するにあたっての課題を抽出し、本質的な課題としては演算に極めて多くの時間を要するということと演算途中で粒子の伝搬の不全が起こりうるということを識別した。一方、平成２６年度は、予定どおり、パーティクル・フィルタ（粒子フィルタ）を実システムに適用するための方法について検討を進め、簡易なダイナミクスモデルを構築して、ノミナル性能の向上やロバスト性能の拡大などの観点から、その有効性を定量的に示した。よって、これまでの研究の達成度としては、充分と言うことができる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究としては、本研究の集大成として、平成２５年度において抽出した課題の解決を図り、パーティクル・フィルタ（粒子フィルタ）という新しい制御の概念を実システムに適用するための方法論を構築する。H∞制御やμ制御などいわゆるポスト現代制御理論に代表されるような従来のロバスト制御は、マクロな評価関数的制御系設計手法であり、膨大な量の試行錯誤的設計プロセスを必要とした。また、ロバスト性の保証範囲が限定されていることやノミナルモデルに対する制御特性が劣化してしまうという欠点もあった。パーティクル・フィルタはこれらの課題を解決しうる制御理論であり、ロバスト制御の新時代を拓く極めて独創的なアイディアであるということができる。
具体的な研究内容としては、実際の宇宙システム（衛星打ち上げロケット、エアロンチ・ビークルや再使用ロケットなど）を模擬した動特性モデル構築、これらに対してパーティクル・フィルタを応用して、その有効性を示す。注目するのは、制御対象のパラメータ変動に対するロバスト性と制御対象のノミナルな動特性に対する制御特性である。その性能と有効性は、数値シミュレーション手法により確認する。
なお、今後の研究の推進に当たっては、前年度と同様に宇宙機の制御の分野において欧米でも最先端の研究活動を行っているコロラド大学、リューブリァーナ大学、およびローマ大学と連携して進める。これらの大学は、ロバスト制御の分野はもちろんのこと、統計数理学の分野でも先進的な研究を進めており、統計数理学における世界の最新動向にも詳しく、本研究を評価するのに最適であるといえる。申請している経費は、制御アルゴリズム設計のためのコンピュータ・コードの構築、制御アルゴリズムの設計、上記の大学における研究打ち合わせ、また国際会議における成果の発表のためのものである。
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| Causes of Carryover |
用務の都合上、急遽、ローマ大学への出張（打ち合せのため）を延期せざる得なくなってしまったため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
現在、再度日程の調整中。早々に訪問し打ち合せを行う予定である。
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Research Products
(3 results)
