不確定な力学環境に適応可能な宇宙機の自律軌道誘導制御

适应不确定动态环境的航天器自主轨道制导控制

• 批准号: 22KJ0784
• 负责人: 藤原 正寛
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0784/
• 关键词: 可観測性; アクティブセンシング; 軌道最適化; Fisher情報行列; 最適制御理論; 状態推定

本年度は、宇宙機の状態量（位置や速度、ダイナミクスモデルに含まれる物理パラメータ）の推定精度を高めつつ、目的の軌道誘導を達成するための最適化手法の構築を行った。従来の類似手法では最適化計算の際に数値微分を使用しており、この計算コストがボトルネックとなり適用できる問題の範囲に限界があった。提案手法では、制御入力をインパルス的な速度変化と仮定し、ある制御入力とその次の制御入力との間の期間で得られる観測量を用いて、状態量の可観測性指標の一つであるFisher情報行列を計算した。このようにして求めたFisher情報行列のスカラー化関数（トレースや最小固有値など）をコスト関数に加えることで、従来手法において数値微分で求めていたコスト関数の勾配およびへシアンを準解析的に計算できることを示した。これにより、数値微分と比べ計算時間を改善できる上、逐次二次計画法や微分動的計画法のような宇宙機軌道設計で広く利用されているアルゴリズムにより解くことができる。提案手法の有効性を検証するため、線形システム、宇宙機のランデブ誘導、小天体の重力推定という複雑度の異なる複数の問題に適用した結果、いずれにおいても状態量の推定精度を高めつつ目的の軌道誘導を達成する解が得られた。さらに提案手法の計算効率の高さを活かし、オンラインでの軌道再設計および確率軌道最適化へ拡張することにより、推定対象の状態量に誤差がある場合においても制約条件を満たす解が得られた。

今年，我们建立了一种优化方法来实现所需的轨道制导，同时提高航天器状态量（动力学模型中包含的位置、速度和物理参数）的估计精度。传统的类似方法在优化计算时使用数值微分，计算成本成为瓶颈，限制了它们可以应用的问题范围。该方法中，假设控制输入是类脉冲的速度变化，利用一个控制输入与下一个控制输入之间的时间段内获得的可观测量来计算某一状态量的可观测性指标。计算Fisher信息矩阵。将这样得到的Fisher信息矩阵的标量化函数（迹、最小特征值等）添加到成本函数中，可以将传统方法中通过数值微分得到的成本函数的梯度和Hessian计算为我们展示了我们可以做什么。与数值微分相比，这不仅缩短了计算时间，而且还允许使用航天器轨迹设计中广泛使用的算法来求解解决方案，例如顺序二次规划和微分动态规划。为了验证所提出方法的有效性，我们将其应用于线性系统、航天器交会制导、小天体重力估计等多个不同复杂度的问题，得到了解决方案，实现了轨道制导。 。此外，通过利用该方法的高计算效率并将其扩展到在线轨迹重新设计和随机轨迹优化，即使在待估计的状态量存在误差的情况下也能获得满足约束的解。

项目成果

小天体重力場推定のための可観測性指標に基づく軌道最適化

基于可观测指数的小天体重力场估计轨道优化

• 发表时间: 2022
• 作者: 藤原正寛