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高速自転小惑星の探査:特異な力学系における軌道設計と航法誘導

研究課題

研究課題/領域番号 23K22956
補助金の研究課題番号 22H01687 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分24010:航空宇宙工学関連
研究機関国立天文台

研究代表者

菊地 翔太  国立天文台, RISE月惑星探査プロジェクト, 助教 (90830068)

研究分担者 三桝 裕也  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, 研究開発員 (90611707)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
8,450千円 (直接経費: 6,500千円、間接経費: 1,950千円)
2024年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2023年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2022年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
キーワード小惑星探査 / 高速自転天体 / 軌道力学 / 重力場 / 制御 / 高速自転小惑星 / 画像航法 / プラネタリーディフェンス / 天体力学
研究開始時の研究の概要

はやぶさ2により新たな可能性が拓かれた小惑星探査において、次の目標として注目されているのが、未踏の高速自転小惑星である。高速自転小惑星は、直径100 m以下・自転周期2 hr以下という極端な性質をもつため、近傍では複雑な力学環境が形成される。したがって、探査機の軌道は強く乱れ、従来の力学理論や実証技術を直接適用できない。本研究では「軌道設計で乱れを避ける」「航法誘導で乱れを修正する」という2つのアプローチで、この課題解決に挑む。また、その応用例として、2031年に高速自転小惑星1998 KY26を探査する「はやぶさ2延長計画」での技術実証を目指す。

研究実績の概要

高速自転小惑星近傍での探査機の軌道力学と自律航法の基礎研究を行い、高速自転小惑星1998 KY26を探査する予定の「はやぶさ2拡張ミッション」への応用可能性について解析を進めた。
前年度に行った、高速自転小惑星近傍における特異な軌道運動のモデル化および「はやぶさ2」拡張ミッションへの応用に関して、2023年度は技術的内容を詳細化し、その成果を査読付きの国際学術誌で発表した。また、はやぶさ2に搭載されている人工マーカーを高速自転小惑星探査に活用する方法について研究を進めた。特に、数十メートル級の微小な小惑星では従来方式の重力推定では精度が限定的であるが、人工マーカーを投下することでその推定精度が向上することを明らかにした。さらに、はやぶさ2拡張ミッションにおいて、目標小惑星にイオンエンジンのプルームを当てることで、検出可能なレベルで小惑星軌道を変化させうることを見出した。
このような小惑星軌道変更を含めて、高速自転小惑星近傍での高度な運用の実現には、画像ベースの地形追跡による自律航法が不可欠である。そこで、2022年度の研究成果をもとに、小惑星リュウグウの実画像を用いて、自律地形照合機能の拡張性に関する研究を実施した。実機に適した、より高度でロバストな地形照合アルゴリズムの可能性を模索するため、現存する画像照合アルゴリズムのうち、ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)、 BRISK(Binary Robust Invariant Scalable Keypoints)などといった、計算処理が比較的軽めのものを選択し、照合機能の性能評価を実施し得失を整理した。得られた結果から、最も性能および搭載実現性のあるアルゴリズムを選出することができた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

軌道力学の研究に関しては、高速自転小惑星の特異な力学環境での軌道運動を特徴づけ、はやぶさ2拡張ミッションの小惑星近傍運用の基礎計画を立案することが目標であった。2023年度には、これらの研究成果を査読付き論文にて発表しており、計画通りの成果を創出できている。また、当初は最終年度の2024年度に行う予定だった、小惑星軌道変更の実現性に関する研究については2023年度に前倒しで実施することができた。自律航法の研究に関しては、はやぶさ2が取得したリュウグウの実画像を用いて、複数の画像処理アルゴリズムを検証した。本項目についても、今年度予定していた研究内容を概ね遂行することができた。以上より、研究の進捗状況は順調である。

今後の研究の推進方策

2023年度には、はやぶさ2が探査予定の高速自転小惑星1998 KY26近傍における、人工マーカーや弾丸により放出される小惑星粒子の軌道運動の解析に着手した。この解析をさらに進め、高速自転小惑星の特異な力学環境における、人工マーカーや小惑星粒子の撮像に最適な探査機軌道の設計法を確立し、実運用に資することを目標とする。また、人工マーカーの軌道決定に基づく小惑星重力場の推定や、小惑星粒子の軌道決定を利用した小惑星表面強度の推定など、はやぶさ2拡張ミッションの科学的価値を最大化するための研究を行う。さらに、これまでの研究で確立した微小重力下での軌道運動の理論を拡張して、太陽輻射圧と小惑星重力場の効果を活用した新たな制御理論の構築を目指す。この制御則を利用して、微小重力天体における推進剤フリーでの探査機の軌道姿勢安定化の実現性を探求する。
また、高速自転小惑星での高度な探査を実現するため、2023年度に引き続き、探査機が取得した画像に基づく地形追跡による自律航法の研究を進める。これまでの研究で、将来的にはやぶさ2に搭載できる可能性のある地形照合画像処理アルゴリズムについて、実際の小惑星リュウグウの実画像に対して複数のものを比較し評価した。この評価結果を基に搭載実現性が高そうなアルゴリズムのオンボードへの搭載に向けた改善点を洗い出し、2024年度には搭載の実現に向けた研究を進める。同時に、同アルゴリズムを用いた形状モデルと実画像とのマッチング性能についても研究を深め、よりロバストかつ高精度な航法スキームの開発に取り組む。
2024年度は最終年度に当たるため、学会や投稿論文での発表を通じて研究成果をまとめる予定である。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (24件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (20件) (うち国際学会 8件)

  • [国際共同研究] コロラド大学ボルダー校/オーバーン大学(米国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] コロラド大学ボルダー校/オーバーン大学(米国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] はやぶさ2の拡張ミッション2023

    • 著者名/発表者名
      三桝 裕也
    • 雑誌名

      日本航空宇宙学会誌

      巻: 71 号: 2 ページ: 33-38

    • DOI

      10.14822/kjsass.71.2_33

    • ISSN
      0021-4663, 2424-1369
    • 年月日
      2023-02-05
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Preliminary design of the Hayabusa2 extended mission to the fast-rotating asteroid 1998 KY262023

    • 著者名/発表者名
      Kikuchi Shota、Mimasu Yuya、Takei Yuto、Saiki Takanao、Scheeres Daniel J.、Hirabayashi Masatoshi、Wada Koji、Yoshikawa Makoto、Watanabe Sei-ichiro、Tanaka Satoshi、Tsuda Yuichi
    • 雑誌名

      Acta Astronautica

      巻: 211 ページ: 295-315

    • DOI

      10.1016/j.actaastro.2023.06.010

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] はやぶさ2#ランデブーミッションにおける小惑星軌道変更の可能性2024

    • 著者名/発表者名
      菊地翔太
    • 学会等名
      2023年度プラネタリーディフェンス・シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] はやぶさ2拡張ミッションとプラネタリーディフェンス2023

    • 著者名/発表者名
      三桝 裕也、佐伯 孝尚、吉川 真、津田 雄一
    • 学会等名
      Japan Geoscience Union Meeting 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Orbital and Surface Environments of the Fast Rotator 1998 KY26: Application to the Hayabusa2 Extended Mission2023

    • 著者名/発表者名
      Shota Kikuchi, Yuya Mimasu, Yuichi Tsuda, Daniel J. Scheeres
    • 学会等名
      34th International Symposium on Space Technology and Science
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Target Marker Deployment Strategies for Hayabusa2 Extended Mission to the Fast-rotating Asteroid 1998 KY262023

    • 著者名/発表者名
      Anivid Pedros-Faura, Mirko Trisolini, Yuichi Tsuda, Daniel Scheeres, Shota Kikuchi, Jay McMahon
    • 学会等名
      34th International Symposium on Space Technology and Science
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Research of On-board Optical Navigation for Hayabusa2#’s Flyby Mission2023

    • 著者名/発表者名
      Yuya Mimasu, Nobutaka Bando, Takuya Iwaki, Yuichi Tsuda
    • 学会等名
      34th International Symposium on Space Technology and Science
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Preliminary projectile impact and safety analyses for the Hayabusa2 extended mission2023

    • 著者名/発表者名
      Mirko Trisolini, Anivid Pedros-Faura, Yuichi Tsuda, and Shota Kikuchi
    • 学会等名
      2023 AAS/AIAA Astrodynamics Specialist Conference
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] はやぶさ2#における自然地形を利用した航法に関する研究2023

    • 著者名/発表者名
      三桝 裕也
    • 学会等名
      第33回アストロダイナミクスシンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Extended Mission of Hayabusa22023

    • 著者名/発表者名
      Yuya Mimasu, Satoshi Tanaka, Takanao Saiki, Satoru Nakazawa, Makoto Yoshikawa, Yuichi Tsuda
    • 学会等名
      2023 Asia-Pacific Regional IAU Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Recent Status of Hayabusa2 Extended Mission2023

    • 著者名/発表者名
      Yuya Mimasu, Satoshi Tanaka, Takanao Saiki, Satoru Nakazawa, Makoto Yoshikawa, Yuichi Tsuda
    • 学会等名
      International Astronautical Congress 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] はやぶさ2拡張ミッションの1998 KY26ランデブーフェーズ2023

    • 著者名/発表者名
      菊地 翔太, 三桝 裕也, 佐伯 孝尚, 中澤 暁, 津田 雄一
    • 学会等名
      第67回宇宙科学技術連合講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] はやぶさ2の拡張ミッション2023

    • 著者名/発表者名
      三桝 裕也, 田中 智, 吉川 真, 佐伯 孝尚, 中澤 暁, 津田 雄一
    • 学会等名
      第67回宇宙科学技術連合講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] はやぶさ2#のフライバイミッションとプラネタリーディフェンス2023

    • 著者名/発表者名
      三桝裕也、佐伯孝尚、吉川真、津田雄一
    • 学会等名
      プラネタリーディフェンス・シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Evolution of impact ejecta produced by the Hayabusa2 impact experiment on the asteroid Ryugu2023

    • 著者名/発表者名
      Shota Kikuchi, Koji Wada, Kei Shirai, Ko Ishibashi, Toshihiko Kadono, Rie Honda, Yasuhiro Yokota, Yuri Shimaki, Naoya Sakatani, Kazunori Ogawa, Hirotaka Sawada, and Masahiko Arakawa
    • 学会等名
      PERC International Symposium on Dust & Parent Bodies 2023
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] はやぶさ2#の現状報告2023

    • 著者名/発表者名
      三桝裕也、田中智、臼井寛裕、安部正真、橘省吾、佐藤広幸、佐伯孝尚、吉川真、中澤暁、津田雄一
    • 学会等名
      第23回宇宙科学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] はやぶさシリーズとプラネタリーディフェンス2022

    • 著者名/発表者名
      三桝裕也、吉川真、佐伯孝尚、津田雄一
    • 学会等名
      第66回宇宙科学技術連合講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Preliminary Design of the Hayabusa2 Extended Mission to the Fast-rotating Asteroid 1998 KY262022

    • 著者名/発表者名
      Shota Kikuchi, Yuya Mimasu, Yuto Takei, Takanao Saiki, Masatoshi Hirabayashi, Makoto Yoshikawa, Sei-ichiro Watanabe, Satoshi Tanaka, and Yuichi Tsuda
    • 学会等名
      73rd International Astronautical Congress
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] はやぶさ2拡張ミッションにおける超近接フライバイ2022

    • 著者名/発表者名
      三桝 裕也, 岩城 拓弥, 宇佐美 尚人, 坂東 信尚, 津田 雄一
    • 学会等名
      第32回アストロダイナミクスシンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] はやぶさ2拡張ミッションにおける1998 KY26近傍運用の初期検討2022

    • 著者名/発表者名
      菊地 翔太, 三桝 裕也, 佐伯 孝尚, 武井 悠人, 池田 人, 吉川 真, 津田 雄一
    • 学会等名
      第32回アストロダイナミクスシンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] はやぶさ2拡張ミッションに向けた1軸RWやイオンエンジンを使った姿勢制御方式の検討2022

    • 著者名/発表者名
      高尾 勇輝, 三桝 裕也, 大野 剛, 津田 雄一
    • 学会等名
      第32回アストロダイナミクスシンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] はやぶさ2拡張ミッションにおけるスピン運用の概要2022

    • 著者名/発表者名
      大野 剛, 武井 悠人, 岩城 拓弥, 高尾 勇輝, 三桝 裕也, 津田 雄一
    • 学会等名
      第32回アストロダイナミクスシンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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