1．は じ め に
数百 kg から数トンに及ぶ従来の大きな人工衛星を超 小型化・低コスト化する技術として，近年，数十 kg 以内， 数億円以内の地球周回の超小型人工衛星が，大学やベン チャー企業を中心に研究・開発・軌道上実証され，実用 的なレベルに達しつつある．この程度の小さい規模の衛 星であれば，多少の失敗があってもそれを乗り越えて高 頻度に新しいミッションや技術実証に挑戦していこうと する正のフィードバックがかかるため，今後さらに超小 型衛星が利用されていくことが期待される．一方で，地 球周回ではなく深宇宙探査ミッションの世界は，依然と して大型化・高コスト化＊1・低頻度化の傾向にある．そ して，それに伴い今後起こると想定されるのは，挑戦的 な技術実証ミッションの頻度が低下し，さらに，この低 頻度化・高コスト化傾向が，失敗を恐れることによりさ らに高コスト化を招くという悪循環である．これを解消 するためには，数億円以内の規模で意味のある深宇宙探 査ミッションができるようにし，地球周回衛星と同様に 小規模・低コストで挑戦的なミッションを高頻度に実施 できるようにする必要がある． そこで，著者ら東京大学および JAXA 宇宙科学研究 所を中心とするグループは，50 kg 級の低コストで短期 開発可能な超小型宇宙機により深宇宙探査ができること を実証することを目的として，超小型深宇宙探査技術 実証機 PROCYON（プロキオン）（PRoximate ObjectClose flYby with Optical Navigation）を開発している． PROCYONは，2014 年 12 月に小惑星探査機はやぶさ 2 との相乗りで惑星間軌道へ打ち上げられる予定である． 本稿では，PROCYON のミッション概要と，そこで 用いられる予定の自動化・自律化技術について紹介する とともに，将来的に宇宙機（特に深宇宙探査機）に求め られる知能化技術についての展望を述べたい．
2．PROCYON のミッション概要
図 1 に，PROCYON のミッションシーケンスの概略 を示す．2014 年 12 月に，はやぶさ 2 と同じ惑星間軌道 に打ち上げられた後，超小型電気推進エンジンを用いて 軌道制御を行い，打上げから 1 年後の 2015 年 12 月に超小型深宇宙探査機
PROCYON
（プロキオン）
の
ミッションと自動化・自律化技術について
Mission of Small Deep Space Probe“PROCYON”and Its Autonomous
Operation Technology
船瀬 龍
東京大学大学院工学系研究科航空宇宙工学専攻Ryu Funase Department of Aeronautics and Astronautics, The University of Tokyo.
[email protected], http://wwww.space.t.u-tokyo.ac.jp/
滝澤 潤一
（同 上）Jun’ichi Takisawa [email protected], http://www.space.t.u-tokyo.ac.jp/
Keywords:
small deep space probe, asteroid flyby, autonomous operation, verification and validation. 「宇宙に挑む人工知能技術」＊1 海外の深宇宙探査機であれば数百億円以上，一般に低コスト といわれている日本の深宇宙探査機でも 100 ～ 200 億円以上の
規模の開発費になることが多い． 図 1 PROCYON のミッションシーケンス概要
地球スイングバイ＊2を行う予定である．地球スイングバ イを経て小惑星（はやぶさ 2 の探査ターゲット天体であ る 1999JU3 とは異なる）をフライバイする軌道へ投入 した後，航法カメラを用いた光学航法により小惑星に接 近し，フライバイ時に小惑星の高分解能画像を取得する． PROCYONは，大きく分けて二つの工学技術実証ミッ ションを行う．一つは，50 kg 級超小型深宇宙探査機バ ス＊3の実証ミッション，もう一つは，通信系やミッショ ン系などの各種深宇宙探査技術の実証ミッションであ る．以下，それぞれのミッションの概要・意義について 紹介する． 2･1 超小型深宇宙探査機バス技術の実証 50 kg級，開発費 5 億円以下の深宇宙探査機バスを開 発し，惑星間軌道（深宇宙環境）において宇宙実証を行う． 近年，地球周回の人工衛星の世界においては超小型衛 星が開発・実用化されてきており，超小型衛星を構成す る基本的な搭載機器の多くが国内で短期に入手できる状 況になってきている．本ミッションでは，それらの地球 周回衛星向けの小型の機器の中で深宇宙環境においても 使用可能なものは最大限流用することにより，開発リス クを極力低減している．ただし，通信系については，地 球周回衛星と比較して地球との間で超遠距離の通信が必 要になること，推進系については，深宇宙環境における 姿勢・軌道制御用アクチュエータが地球周回の超小型衛 星で用いられる構成とは異なることから，深宇宙探査向 けに PROCYON プロジェクト独自に小型の通信系 [小林 13a]・推進系 [稲垣 13] の開発を実施している． PROCYONは，打上げから数か月程度の間に，上記 新規開発機器も含めて，発電・熱制御・通信・姿勢制御・ 軌道決定・軌道制御などの深宇宙探査バス技術実証実験 を行う予定である． 2･2 GaN 半導体を用いた高効率 X 帯固体電力増幅器 の実証 深宇宙環境において地球との超長距離の通信を行うに あたっては，いかに効率良く電波を増幅・放射できるか， すなわち，電力増幅器への入力電力に対してどれだけ多 くの出力電力を得られるか（どれだけ熱損失となる電力 を減らすことができるか），という電力増幅器の効率が最 も重要な課題である．従来の深宇宙探査ミッションにお いては，高出力・高効率を得たい場合には進行波管を用 いた増幅器（TWTA）が用いられてきたが，サイズ・重 量の観点で超小型衛星（探査機）への搭載は難しい．一 方で，半導体を用いた固体増幅器は，小型・軽量ながら， 宇宙実績のある GaAs（ガリウムヒ素）を用いたものは 効率が 20％強しかなく，入力電力の大部分が熱になって しまう．高効率な固体増幅器を実現することにより，超 小型探査機への搭載可能性を確保しつつ，深宇宙におけ る限られた電力を有効に活用することが可能になる． GaN（窒化ガリウム）デバイスは，Si（シリコン）， GaAsを用いた高出力増幅器に比べ高出力・高効率性能 が期待でき，比較的低い周波数帯では実用化レベルに達 している．また，GaN デバイスは，優れた耐放射線特 性が確認されており，宇宙環境での使用に適していると 考えられる．そこで，PROCYON ミッションでは，こ れまで JAXA で実施されてきた研究成果 [Kobayashi 13b]を応用して，総合電力効率 30％以上の高効率な GaN固体電力増幅器を開発し，世界初の宇宙実証を行 う計画である．本技術は，探査機の小型・軽量化に資す る技術であり，将来のより実用的な深宇宙探査機への応 用が期待されるものである． 2･3 小惑星に対する超近接フライバイ観測技術の実証 従来の小惑星探査ミッションは，探査機が小惑星近傍 を通過する際に遠距離から低分解能で観測するフライバ イ観測と，より高解像度での観測を目的としたランデブ 観測（小惑星に対して探査機が相対的に静止し，探査機 が小惑星に接近あるいは着陸することにより高分解能画 像を得る観測）のどちらかであった．ランデブ観測を実 現するためには探査機に大きなΔV（軌道の速度制御（加 減速）の量）発生能力が求められるため，1 回のミッショ ンで多数の小惑星を訪問することは搭載燃料量の観点で 難しい．一方で，フライバイ観測は，探査機を小惑星に 対して静止させるための大きな軌道変更ΔVが必要ない ため，軌道のタイミングさえ合えば複数の小惑星を順に 訪問するマルチフライバイ探査が可能であり，より多様・ 多種類の小惑星についての知見を 1 回のミッションで得 ることができる． PROCYONミッションでは，従来は遠距離からの低 分解能観測しか行われてこなかったフライバイ観測にお いて，高分解能観測を可能にする技術を実証し，マルチ フライバイによる多数の天体探査と高分解能探査の両 立，すなわち，観測の量（訪問天体のバラエティ）と質（観 測分解能）の両立を可能にすることを目指している． 具体的には以下に示すような技術を今回のミッション で実証する計画である．小惑星を高速でフライバイする 際に，電波航法とカメラによる小惑星相対の光学航法を 併用することで，数十 km の至近距離まで接近するパス を 10 km/s 程度の相対速度で高速に通過する．そして， 小惑星最接近時に至近距離から高分解能の画像を撮影す る．小惑星最接近時には，小惑星に対する距離が短く， フライバイ時の探査機に対する小惑星方向の時間変化率 が大きいため，重い（慣性モーメントの大きい）探査機 本体の姿勢を変更するのではなく光学系自身の視線方向 を振る方針を採用している．具体的には，駆動鏡をもっ た光学系を搭載し，機上の画像フィードバック制御によ ＊2 地球の重力を利用して探査機を加速させる軌道操作手法． ＊3 人工衛星や探査機の基本機能部分を「バス」という．
り駆動鏡の角度を変更し，小惑星方向を自動的に追尾す る [細沼 13]．図 2 にフライバイ時の視線追尾制御の概 要を示す． 光学系の視線方向を機上画像フィードバックで高速に 変更して対象を追尾する超近接・高速フライバイ観測技 術は，はやぶさなどのランデブミッションでの低相対速 度での近接観測技術とは全く異なる技術であり，また， 海外での従来の小天体フライバイ探査ミッションと比較 しても 1 桁以上近い接近距離を目指しており [細沼 13]， 高い新規性を有するものである．
3．PROCYON における自動・自律機能
他の深宇宙探査ミッションと同様に，地球の重力圏を 脱出し遠くへ飛行する深宇宙探査ミッションにおいては， 地球との通信に用いる電波の往復伝搬遅延時間の存在か ら，その運用は，すべてを地上で監視し地上から指令す ることは非効率かつ即応性がないため危険であり，一部 の機能は探査機側の自動・自律機能によって実現されて いる．本章では，まず，PROCYON のシステム構成を示 す．次に，それを参照しながら PROCYON ミッション に用いられている自動・自律機能について紹介する． 3･1 PROCYON のシステム構成 PROCYONのシステム構成を図 3 に示す．PROCYON は，電力を発生・蓄積し各搭載機器へ電力を分配する電 源系，探査機各部の温度環境を制御する熱制御系，探査 機の姿勢や軌道を計測・制御する姿勢軌道制御系，地球 との通信を行う通信系，小惑星観測などを実施するミッ ション系，これらすべての系の動作を管理する OBC （On-Board Computer：搭載計算機）から構成されている． PROCYONでは，東京大学を中心として進めてきた 内閣府最先端研究開発支援プログラム「日本発のほどよ し信頼性工学を導入した超小型衛星による新しい宇宙開 発・利用パラダイムの構築」（通称：ほどよしプロジェ クト）[Nakasuka 11] で開発済みの超小型衛星向けバス 機器を最大限活用したシステム構成を採用している．シ ステム構成の核となる電源系・OBC・姿勢軌道制御系 （一部）については，ほどよしプロジェクトで開発した 衛星（ほどよし 3 号機・4 号機）の構成をほぼそのまま 図 2 小惑星の超近接フライバイ観測のイメージ図 十 図 3 PROCYON のシステムブロック図流用している．通信系，姿勢軌道制御系（一部），ミッ ション系については，PROCYON 向けに新規開発して いる．通信系は，これまで JAXA 宇宙科学研究所とほ どよしプロジェクトで研究開発してきた通信技術を活用 して，小型ディジタルトランスポンダ（中継器），GaN を用いた高効率固体電力増幅器，超軽量アイソフラック ス LGA（低利得アンテナ），送受共用広帯域平面 MGA （中利得アンテナ）・HGA（高利得アンテナ），低損失 BPF（バンドパスフィルタ）・DIP（ダイプレクサ）の 開発を進めている [小林 13a]．推進系は，ほどよしプロ ジェクトで開発済みの超小型電気推進システムに，姿勢 制御用のコールドガスジェット系を追加したシステムを PROCYON用に開発している [稲垣 13]．ミッション系 としては，2 章で紹介したような，視線追尾機能をもっ た小型の光学系システムの開発を行っている [細沼 13]． 3･2 PROCYON の自動・自律機能 前節に示したとおり，PROCYON は，探査機内部の すべての機能の制御を，OBC がトップとなって管轄す る中央集権的なシステム構成となっている．OBC には， 接続される機器（SS（太陽センサ）などのセンサや RW（リ アクションホイール）などのアクチュエータ）からの情 報が集約され，OBC の搭載ソフトウェアの判断により， 一部の機能（動作）が地上を介することなく実行される 仕組みになっている．PROCYON で必要となる自律機 能としては，例えば以下のような機能が想定されている （いわゆる「姿勢制御」などのローカルなフィードバッ クループで行われる自律制御は除く）．
● UVC（Under Voltage Control）機能
姿勢異常などの理由で太陽電池の発生電力が不足 し，バッテリからシステムへ電力を供給する状態が 継続した際に，バッテリを過放電から保護するため に一部の機器への電源供給を自動的に切断して負荷 電力を下げる機能 ● セーフホールド機能 搭載機器などに異常が発生して正常な運用が継続で きない場合に，電力・熱などの観点で安全な姿勢に 自動的に移行し，地上からのコンタクトを待つ機能 ● アンテナ切換え機能 機器の誤動作や地上からの誤操作などによって，探 査機が地上と通信するために使用するアンテナとし て地球方向とは異なる方向を向いたアンテナを使用 する設定になり，通信が確立できない状態が長時間 継続した場合に，自動的に別方向のアンテナに切り 換えて通信を試みる機能 上記のような自律機能は，打上げ前に要求を把握し ている範囲であれば数は限られているため，ハードコー ディングして実装することは原理的には可能である．し かし，想定していなかった事象が打上げ後に判明し，新 たな自律機能が必要となるケースは過去の衛星ミッショ ンでもよく観測されているため，打上げ後も比較的簡便 に書き換える（更新する）ことができるような形で自律 機能を実装しておくことが一般的に行われている [大島 03]． PROCYONでは，探査機内で発生する異常な状況を 記録・保存する「アノマリ記録機能」と，記録されたア ノマリに応じて適切な動作をトリガーする「アノマリ処 理機能」によって，自律機能が実現されている． 「アノマリ記録機能」は，複数のアプリケーションで 構成される搭載ソフトウェアが動作する中で，検知した 任意の事象をキューに登録する機能である．登録する内 容は， ● 事象の発生時刻 ● 事象の ID （どのアプリケーション内で（アプリケーション ID），どのような事象（ローカルアノマリ ID）が発 生したかの組合せ） である．探査機内部の処理は姿勢制御のような周期的な 処理が基本となるため，同一 ID のアノマリが連続発生 する可能性が高い．この際に記録キューが飽和してしま うのを防ぐため，ランレングス符号化を用いて同一 ID のアノマリ発生情報を圧縮して記録している． 「アノマリ処理機能」は，上記アノマリの記録と， ● 対象事象（アノマリ処理を実施する事象の ID） ● 判定条件 （連続して N 回同一事象が発生した場合，累積で N 回同一事象が発生した場合，などコマンドをトリ ガーするために成立すべき条件） ● トリガーするコマンドもしくはコマンドのシーケンス が登録されたテーブルを定期的に参照し，発生した事象に 対応する適切な動作（コマンド）を自動的に発行する機能 である．テーブルは地上から通信を介して書換え可能であ るため，起こり得る事象に対して探査機のとるべき自律的 な動作を打上げ後も自由に設定することができる．
4． 深宇宙探査ミッションにおける自律運用技術
の展望
本章では，宇宙開発で「使える」知能化技術について， 特に，深宇宙探査機が地上を介さずに自らの判断で動作 する「自律機能」に焦点を絞って，宇宙開発に携わる研 究者としての著者らの私見を述べたい． これまでの深宇宙探査ミッションは， ● たとえ通信の往復伝搬遅延時間があったとしても， 地上を介した制御が成立する部分は極力地上から制 御する． ● 可能な限り地上から制御するために，海外の地上局 を使用することも含めて，クリティカルなイベント においては常時（文字どおり 24 時間）探査機との通 信リンクが確立した状態を構築することに努める．● それでも無理なところだけを，探査機の自律機能で
実現する．
という非常に保守的なポリシーに基づいて，自律機能が 限定的に使われているのが現状である．
「Test as you fly, fly as you test（打上げ後と同じ状況 でテストし，テストしたときと同じ状況で運用せよ）」 の言葉が示すように，「一度打ち上げたら二度と直接手 が出せない」宇宙開発の世界では，地上試験で評価して いない機能を実際の運用で用いることを徹底して避ける 傾向にある．自律機能が限定的にしか用いられていない のは，動作の信頼性やソフトウェアの検証の問題が支配 的な要因といえる． 一方で，地上を介した制御ではなく探査機自身の自律 機能を用いることによって，周辺環境に対する即応性の 向上，トラブル発生時の安全性の向上，地上側の運用担 当者に関わる運用コストの削減など，多大なメリットが 生じるのは明らかである．したがって，探査機の自律化は， 将来の挑戦的な深宇宙探査ミッションを支える重要な技 術である．その際，特に重要になるのが，自律機能をい かに打上げ前に地上で検証するかという問題である． 探査機に使われる「自律機能」といった場合に，その レベルは以下の二つに大別できると考えられる． レベル 1：状況とそれに対応した動作（IF-THEN ルール）がすべて事前に explicit に記述されている ような自律機能 レベル 2：IF-THEN ルール自体を探査機自身がそ の場で自動生成するような自律機能 レベル 1 であっても，状況に応じて非常に複雑な動作 （あるいは一連の動作）を行うよう仕込むことができる が，その動作パスは，分岐に用いられる判断条件さえ与 えれば一意に決まるという点においては，より高度なイ メージのある「自律」よりは「自動」に近いものである． レベル 2 は，探査機のミッション（目的）を達成するた めに最適な動作パス自体を，状況に応じて探査機自身が 生成するものであり，人工知能分野におけるタスクプラ ニング技術に近い動作である． 本稿で紹介した PROCYON や，小惑星探査機はやぶ さなどではレベル 1 の自律機能が用いられている．この 自律機能の検証においては，特定の動作（例えば，いろ いろな不確定性をもっている小惑星周辺の環境を考慮し て，安全・確実に小惑星表面へ着陸すること）を実現す るための IF-THEN ルールのセットを，いかに多くの条 件に対して網羅的に事前に地上で検証できるか，という ことが課題となる．これに対してよく取られるアプロー チは，探査機やその環境を詳細にモデル化したシミュ レータを構築することと，極力多数の検証ケースを流す ためにシミュレータの動作を高速化すること，などであ り，レベル 1 の自律機能を宇宙探査ミッションで使う ことに対する宇宙工学コミュニティの心理的な障壁は， 徐々に下がってきていると思われる． 一方で，より高度なレベル 2 の自律機能を宇宙ミッショ ンで用いることは，ごく少数の例外（Remote Agent [Muscettola 98]という自律プランニングソフトを搭載 した NASA の DS-1 探査機や，CASPER [Chien 00] と いう自律プランニングソフトを搭載して，複数の観測 ターゲットを観測するための動作計画を衛星側で自動生 成することに成功した地球観測衛星 EO-1 など）を除い てほとんどない．信頼性が求められる宇宙システムで自 律機能を使うためには，その動作をいかに保証するかが 重要である．一般に，ソフトウェアの動作の自由度や柔 軟性が増えるほど検証も難しくなるため，どんな動作を するか（どんな動作計画が実際に立案されるか）事前に 予測しづらいレベル 2 の自律機能は，宇宙ミッションで は敬遠されるのが現状である． しかしながら，レベル 2 の自律機能を実現すること の多大なメリットは，宇宙工学コミュニティの誰もが認 めるところであろう．特に，未知の環境を探査するよう な深宇宙探査ミッションにおいては，事前に用意された ルールに従って探査機が自律的に動作すること（レベル 1）だけでなく，状況に応じてとるべき適切な対処を地 上を介することなく探査機自身が生成して危険な状況な どを乗り切ってくれること（レベル 2）は，ミッション サクセスの観点から非常に重要である．レベル 2 の自律 機能を実現することは研究として華のあるトピックでも あり，特に，その検証方法についての研究をぜひとも人 工知能コミュニティに期待したいところである．
5．お わ り に
本稿では，50 kg 級の世界最小クラスの超小型深宇宙 探査機 PROCYON について，そのミッションの概要と， そこで用いられる予定の自動・自律機能について解説し た．また，将来の深宇宙探査ミッションにおいて必要と なる知能化技術の例として，宇宙機が地上を介さずに自 らの判断で動作する「自律機能」を取り上げ，宇宙開発 の世界における自律機能の用いられ方の現状を述べた． 自律機能を宇宙ミッションで使う際の最大の障壁となっ ているのが「検証」の問題であり，この解決に人工知能 コミュニティの研究を期待したい．◇ 参 考 文 献 ◇
[Chien 00] Chien, S. and Knight, R., et al.: Using iterative repair to improve the responsiveness of planning and scheduling, 5th
Int. Conf. on Artificial Intelligence Planning and Scheduling,
Colorado, the United States（2000）
[細 沼 13] 細 沼 貴 之，五 十 里 哲 ほか： 超 小 型 深 宇 宙 探 査 機 PROCYONの小惑星近接フライバイ撮像システムに関する初期 検討，第 57 回宇宙科学技術連合講演会，2G13，米子（2013） [稲垣 13] 稲垣匡志，小泉宏之 ほか：マイクロ波放電式小型イオン スラスタとコールドガスジェット複合システムの超小型深宇宙 探査機への応用，第 57 回宇宙科学技術連合講演会，2B04，米子
（2013）
[小林 13a] 小林雄太，冨木淳史 ほか：50kg 級超小型衛星の小惑星 フライバイミッションにおける軽量 X 帯搭載深宇宙通信システ ムの開発，第 57 回宇宙科学技術連合講演会，3G02，米子（2013） [Kobayashi 13b] Kobayashi, Y. and Tomiki, A., et al.: Experimental evaluation of the trial production of X-band high efficiency onboard SSPA for deep space missions using GaN HEMT, 29th Int. Symp. on Space Technology and Science, Nagoya, Japan, 2013-j-18（2013）
[Muscettola 98] Muscettola, N., Nayak, P. P., et al.: Remote agent: To boldly go where no AI system has gone before,
Artificial Intelligence, Vol.103, No.1, pp.5-47（1998）
[Nakasuka 11] Nakasuka, S.: From education to practical use of nano-satellites - Japanese university challenge towards low cost space utilization -, 8th IAA Symposium on Small Satellite
for Earth Observation, Berlin, Germany（2011）
[大島 03] 大島 武，萩野慎二，川口淳一郎：小惑星探査機「はやぶさ」 のシステム設計と自動化自律化機能，第 47 回宇宙科学技術連合 講演会，2I14，新潟（2003） 2014年 6 月 4 日 受理 滝澤 潤一 現在，東京大学大学院工学系研究科航空宇宙工 学専攻博士課程在学中．超小型人工衛星「Nano-JASMINE」，「UNIFORM-1」，「ほどよし 3 号機・4 号機」，超小型深宇宙探査技術実証機「PROCYON」 の研究・開発に携わる．特に，超小型人工衛星搭載 ソフトウェアの共通化・開発効率化などのアーキテ クチャに関する研究開発に従事． 船瀬 龍 2007年東京大学大学院工学系研究科航空宇宙工学専 攻博士課程修了．同年，（独）宇宙航空研究開発機 構入所．2012 年 10 月より東京大学大学院工学系研 究科航空宇宙工学専攻准教授．博士（工学）．世界 最小の超小型人工衛星 CubeSat の開発，小惑星探査 機「はやぶさ」，「はやぶさ 2」，小型ソーラー電力セ イル実証機「イカロス」，超小型深宇宙探査技術実 証機「PROCYON」などの深宇宙探査機の開発・運用に携わる．専門は， 宇宙機システム，宇宙機の軌道・姿勢制御，宇宙機の自律化・知能化．
