JP2020066365A - Prediction device, prediction method, and prediction program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、予測装置、予測方法、及び予測プログラムに関する。 The present invention relates to a prediction device, a prediction method, and a prediction program.
宇宙空間の利用拡大が進みつつある現在、衛星やスペースデブリなどの宇宙空間を移動する移動体(以下、宇宙機と称する)の軌道を高精度に予測することは、欠かせない技術になりつつある。軌道予測の高精度化を実現するためには、その軌道の推移に影響を及ぼす物理現象の解明が不可欠である。しかしながら、宇宙機が活動する高度域では、観測情報が少ないため、少ない観測量から構築されたモデルを介して軌道予測を行っている。このような状況下で、軌道予測の高精度化を目指した技術としては、例えば、地上に設けられた追尾用アンテナ角度の予測と実測とのずれを学習することで、宇宙機の軌道を予測したり、宇宙機に搭載されたセンサによって検出された観測情報に基づいて、宇宙機の軌道を予測したりする技術が知られている(例えば、特許文献1、2参照)。 As the use of outer space is expanding, it is becoming indispensable to accurately predict the orbit of a moving body (hereinafter referred to as a spacecraft) that moves in outer space such as satellites and space debris. is there. In order to realize high-precision orbit prediction, it is essential to elucidate the physical phenomena that affect the transition of the orbit. However, since there is little observation information in the altitude range where spacecraft are active, orbit prediction is performed through a model constructed from a small amount of observations. Under such circumstances, techniques aimed at improving the accuracy of orbit prediction include, for example, predicting the spacecraft orbit by learning the deviation between the prediction of the tracking antenna angle provided on the ground and the actual measurement. There are known techniques for predicting the orbit of a spacecraft based on observation information detected by a sensor mounted on the spacecraft (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
宇宙機の軌道を高精度に予測するためには、少なくとも宇宙機の飛行方向の断面積と質量比、宇宙機の抵抗係数、そして周辺大気の大気密度の複数の情報を知る必要がある。しかしながら、宇宙機が軌道を周回しているときに、上記の情報を高精度に知ることは困難である。そのため、従来の技術では、太陽パドルによる断面積変化があるにもかかわらず質量比は一定値と仮定したり、抵抗係数を人為的に与えたり、大気密度はモデルから得られる値を利用してきた。しかしながら、従来の技術では、宇宙機の断面積と質量比、宇宙機の抵抗係数、周辺大気の大気密度といった不確かなパラメータを陽に扱っているため、宇宙機の軌道を精度よく予測できない場合があった。また、このような軌道を精度よく予測するという課題は、宇宙機に限られず、抵抗を受ける環境下で運動する移動体全般に共通するところである。 In order to predict the orbit of a spacecraft with high accuracy, it is necessary to know at least several pieces of information on the cross-sectional area and mass ratio of the spacecraft in the flight direction, the resistance coefficient of the spacecraft, and the atmospheric density of the surrounding atmosphere. However, it is difficult to know the above information with high accuracy when the spacecraft is orbiting. Therefore, in the conventional technology, the mass ratio is assumed to be a constant value, the resistance coefficient is artificially given, and the atmospheric density uses the value obtained from the model, even though the cross-sectional area changes due to the solar paddle. . However, in the conventional technology, since uncertain parameters such as the cross-sectional area and mass ratio of the spacecraft, the resistance coefficient of the spacecraft, and the atmospheric density of the surrounding atmosphere are explicitly treated, the orbit of the spacecraft may not be predicted accurately. there were. Further, the problem of accurately predicting such an orbit is not limited to spacecraft, and is common to all mobile bodies that move in an environment where resistance is received.
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、移動体の軌道を精度よく予測することができる予測装置、予測方法、及び予測プログラムを提供することを目的の一つとする。 The present invention has been made in consideration of such circumstances, and an object thereof is to provide a prediction device, a prediction method, and a prediction program that can accurately predict the trajectory of a moving body.
本発明の一態様は、対象の移動体が移動する空間の環境を示す環境情報を取得する取得部と、ある移動体が移動した空間の環境を示す環境情報が入力されると、ある移動体の将来の軌道を示す軌道情報を出力するように学習されたモデルに対して、前記取得部により取得された前記環境情報を入力することで得られた前記モデルの出力結果に基づいて、前記対象の移動体の将来の軌道を予測する予測部と、を備える予測装置である。 According to one aspect of the present invention, an acquisition unit that acquires environment information indicating an environment of a space in which a target moving body moves, and an environment unit indicating an environment of a space in which a certain moving body has moved are input. The model learned to output the trajectory information indicating the future trajectory of the, based on the output result of the model obtained by inputting the environment information acquired by the acquisition unit, the target And a prediction unit that predicts a future trajectory of the moving body.
本発明の一態様によれば、移動体の軌道を精度よく予測することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to accurately predict the trajectory of a moving body.
以下、図面を参照し、本発明の予測装置、予測方法、及び予測プログラムの実施形態について説明する。本実施形態における予測装置は、例えば、人工衛星や宇宙探査機、宇宙ステーション、スペースデブリといった宇宙機の将来の軌道を、機械学習を用いて予測する装置である。また、予測装置は、宇宙機に限られず、地上や水中、上空(例えば成層圏など)などを移動する他の移動体の将来の軌道(移動軌跡)を予測してもよい。 Hereinafter, embodiments of a prediction device, a prediction method, and a prediction program according to the present invention will be described with reference to the drawings. The prediction device according to the present embodiment is a device that predicts a future orbit of a spacecraft such as an artificial satellite, a space probe, a space station, or space debris by using machine learning. Further, the prediction device is not limited to the spacecraft, and may predict a future trajectory (movement trajectory) of another moving body moving on the ground, underwater, or in the sky (for example, the stratosphere).
図1は、実施形態の予測装置100の構成の一例を示す図である。図示のように、予測装置100は、例えば、通信部102と、制御部110と、記憶部130とを備える。予測装置100は、単一の装置であってもよいし、WAN(Wide Area Network)やLAN(Local Area Network)といったネットワークを介して接続された複数の装置が互いに協働して動作するシステムであってもよい。すなわち、予測装置100は、分散コンピューティングやクラウドコンピューティングを利用したシステムに含まれる複数のコンピュータ(プロセッサ)によって実現されてもよい。
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the configuration of the
通信部102は、例えば、NIC(Network Interface Card)などの通信インターフェースやDMA(Direct Memory Access)コントローラを含む。通信部102は、WANやLANなどのネットワークを介して、所定の端末装置などと通信する。所定の端末装置は、例えば、宇宙機の軌道を監視する地上のオペレータなどが利用可能なコンピュータである。
The
制御部110は、例えば、学習部112と、取得部114と、予測部116と、出力制御部118とを備える。制御部110の構成要素は、例えば、CPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphics Processing Unit)などのプロセッサが記憶部130に格納されたプログラムを実行することにより実現される。また、制御部110の構成要素の一部または全部は、LSI(Large Scale Integration)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、またはFPGA(Field-Programmable Gate Array)などのハードウェアにより実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。
The
記憶部130は、例えば、HDD(Hard Disc Drive)、フラッシュメモリ、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)などにより実現される。記憶部130は、ファームウェアやアプリケーションプログラムなどの各種プログラムの他に、学習モデル情報132や、軌道推移データベース134、環境データベース136などを格納する。
The
学習モデル情報132は、移動体(例えば宇宙機)の将来の軌道を予測する際に利用される学習モデルを定義した情報(プログラムまたはデータ構造)である。学習モデルには、例えば、正則化回帰の一つであるLASSO(Least Absolute Shrinkage and Selection Operator)、ランダムフォレスト、ガウス過程回帰、またはニューラルネットワークのうち一部または全部のモデルが含まれる。なお、学習モデルには、上記の4種類のモデルに加えて、あるいは代えて、他の回帰手法に基づくモデルが含まれていてもよい。
The
軌道推移データベース134は、宇宙機の軌道の時間推移を示す軌道情報が記録されたデータベースである。例えば、宇宙機が、高度100[km]〜1000[km]の超高層大気内を航行する場合、わずかに存在する大気の影響により、宇宙機は大気からの抵抗力を受けることになる。この結果、宇宙機には加速度(機体を減速させる加速度)adragが生じ、宇宙機が軌道から徐々に地表面に近づいていく(落下していく)。軌道推移データベース134には、上記の加速度adragが生じ得る宇宙機が軌道から一日あたりにどの程度落下するのかを表した軌道半径変化率Adotが、宇宙機の軌道の時間履歴(時間推移)として記憶される。軌道推移データベース134は、新たに宇宙機の軌道(軌道半径変化率Adot)が観測されるたびに更新されてよい。
The
図2は、軌道推移データベース134に記録された軌道半径変化率Adotの時間履歴の一例を示す図である。図示の例では、およそ2012年から2018年までの期間において一日ごとに観測された軌道半径変化率Adotが、軌道推移データベース134に記録されている。例えば、軌道半径変化率Adotは、米国がインターネット上で公開している宇宙飛翔体の軌道情報TLE(Two Line Elemnt)、各国の宇宙機関が保有する宇宙機の軌道情報から取得されてよい。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a time history of the trajectory radius change rate Adot recorded in the
環境データベース136は、宇宙機が軌道に沿って移動する空間(すなわち超高層大気)の環境を示す環境情報が記録されたデータベースである。
The
超高層大気の環境情報には、例えば、太陽活動指数SF(Solar Flux)と、地磁気活動指数Apと、電離層全電子数TEC(Total electron content)の全球平均値(または一日平均値ともいう)とのうち一部または全部の情報が含まれる。 The environmental information of the upper atmosphere includes, for example, a solar activity index SF (Solar Flux), a geomagnetic activity index Ap, and a global average value (or also a daily average value) of ionization layer total electron content TEC (Total electron content). And some or all of the information is included.
太陽活動指数SFは、電波の波長を10.7[cm]としたときの周波数当たりの電波流束値である。太陽活動指数SFは、太陽フラックスや太陽電波フラックスとも呼ばれる。また、太陽活動指数SFは、10.7[cm]という電波の波長を基準にしたときの電波密度強度であってもよい。この場合、太陽活動指数SFは、F10.7とも呼ばれる。 The solar activity index SF is a radio wave flux value per frequency when the radio wave wavelength is 10.7 [cm]. The solar activity index SF is also called solar flux or solar radio flux. Further, the solar activity index SF may be a radio wave density intensity based on a radio wave wavelength of 10.7 [cm]. In this case, the solar activity index SF is also called F10.7.
地磁気活動指数Apは、世界12ヶ国の地磁気観測所の観測を元にした地磁気の活動度を示すap指数を、1日8回の観測したものの平均である。 The geomagnetic activity index Ap is an average of ap indexes showing the activity of geomagnetism based on observations at geomagnetic observatories in 12 countries around the world, and observed eight times a day.
電離層全電子数の全球平均値は、世界中のGNSS(Global Navigation Satellite System)受信局で取得した測位信号データを利用することにより求められた信号の視線方向の遅延量から算出される。 The global average value of the total number of electrons in the ionosphere is calculated from the amount of delay in the line-of-sight direction of a signal obtained by using positioning signal data acquired by GNSS (Global Navigation Satellite System) receiving stations around the world.
太陽活動指数SFおよび地磁気活動指数Apは、宇宙機の軌道推移に強い影響を及ぼす大気密度に関連する因子として広く知られている。一方で、電離層全電子数の全球平均値については、宇宙機の軌道推移にどの程度影響を及ぼすのか知られていない。なお、宇宙空間の環境情報には、上述した3つの情報に加えて、あるいは代えて、他の情報が含まれてもよい。環境データベース136は、太陽活動指数SFや地磁気活動指数Ap、電離層全電子数の全球平均値などが観測されるたびに更新されてよい。
The solar activity index SF and the geomagnetic activity index Ap are widely known as factors related to the atmospheric density that strongly affect the orbital transition of the spacecraft. On the other hand, the global average of the total number of electrons in the ionosphere is not known to what extent it affects the orbital transition of the spacecraft. The environment information of outer space may include other information in addition to or in place of the above-mentioned three information. The
図3は、太陽活動指数SFの時間履歴の一例を示す図であり、図4は、地磁気活動指数Apの時間履歴の一例を示す図であり、図5は、電離層全電子数の全球平均値の時間履歴の一例を示す図である。これらの環境情報は、軌道半径変化率Adotと同じ期間、またはそれ以上の期間において観測されているものとする。 FIG. 3 is a diagram showing an example of the time history of the solar activity index SF, FIG. 4 is a diagram showing an example of the time history of the geomagnetic activity index Ap, and FIG. 5 is a global average value of the total number of electrons in the ionosphere. It is a figure which shows an example of the time history of. It is assumed that these pieces of environmental information are observed in the same period as the orbit radius change rate Adot or in a period longer than that.
[学習時(トレーニング)の処理フロー]
以下、フローチャートに即して制御部110の学習時の一連の処理の流れを説明する。学習時とは、運用時に利用される学習モデルを学習させる状態である。図6は、学習時に制御部110により実行される一連の処理の一例を示すフローチャートである。本フローチャートの処理は、例えば、所定の周期で繰り返し行われてよい。また、予測装置100が、分散コンピューティングやクラウドコンピューティングを利用したシステムに含まれる複数のコンピュータによって実現される場合、本フローチャートの処理の一部または全部は、複数のコンピュータによって並列処理されてよい。
[Processing flow during learning (training)]
Hereinafter, the flow of a series of processing at the time of learning of the
まず、学習部112は、複数の宇宙機の中から、モデルの学習対象とする宇宙機(以下、着目宇宙機と称する)を選択する(ステップS100)。
First, the
次に、学習部112は、記憶部130に格納された軌道推移データベース134から、ある基準とする日時(以下、基準日時)tから、N日先の将来の日時t+Nに観測された着目宇宙機の軌道半径変化率Adott+Nを軌道情報として抽出するとともに、環境データベース136から、基準日時tからT日前の日時t−Tまでの期間Tに観測された太陽活動指数SF、地磁気活動指数Ap、および電離層全電子数TECの全球平均値を環境情報Xt−T|tとして抽出する(ステップS102)。N日は「第2所定日」の一例であり、T日は「第1所定日」の一例である。
Next, the
例えば、N=1、T=10とした場合、学習部112は、軌道推移データベース134から、基準日時tから1日経過した日時t+1に観測された着目宇宙機の軌道半径変化率Adott+1を軌道情報として抽出し、環境データベース136から、基準日時t以前の10日間に観測された太陽活動指数SF、地磁気活動指数Ap、および電離層全電子数の全球平均値を環境情報Xt−10|tとして抽出する。なお、Nは、どの程度先の将来まで予測するのかに応じて任意に変更されてよく、一日後の将来であればNは1であってよく、一週間後の将来であればNは7であってよい。また、Tは、例えば、太陽の自転周期に応じて変更されてよく、太陽の自転周期の3倍の周期に近い83日程度であることが好ましい。
For example, when N = 1 and T = 10, the
次に、学習部112は、環境データベース136から抽出した環境情報Xt−10|tに含まれる複数の指標値の中から、学習モデルの説明変数とする指標値を選択する(ステップS104)。
Next, the
学習モデルは、例えば、数式(1)に示すように、環境情報Xt−T|tを説明変数としたときに、軌道半径変化率Adott+Nを目的変数とする関数モデルによって表される。この学習モデルは、基準日時tからT日前までの環境情報Xt−T|tを使って、基準日時tからN日後の軌道半径変化率Adott+Nを求めている。また、数式(2)は、N=1であり、T=83であり、環境情報Xt−83|tが、太陽活動指数SF、地磁気活動指数Ap、および電離層全電子数の全球平均値の3つの要素を含んでいる場合の学習モデルを表す数式である。 For example, the learning model is represented by a function model having the trajectory radius change rate Adot t + N as an objective variable when the environment information X t−T | t is an explanatory variable, as shown in Expression (1). This learning model uses the environmental information Xt -T | t from the reference date and time t to T days before to obtain the orbit radius change rate Adot t + N after N days from the reference date and time t. Further, the mathematical expression (2) is N = 1 and T = 83, and the environmental information X t-83 | t is the global average value of the solar activity index SF, the geomagnetic activity index Ap, and the ionospheric total electron number. It is a mathematical expression showing a learning model when three elements are included.
環境情報Xt−T|tは、基準日時tからT日前の日時t−Tまでの各日の太陽活動指数SF、地磁気活動指数Ap、または電離層全電子数の全球平均値のうち一部または全部が要素として含まれる多次元の情報(例えばベクトル)である。例えば、83日前までの太陽活動指数SF、地磁気活動指数Ap、および電離層全電子数の全球平均値が環境情報Xt−T|tとして抽出された場合、その環境情報Xt−T|tは、84×3の合計252の要素を含むことになる。 The environmental information Xt-T | t is a part of the solar activity index SF, the geomagnetic activity index Ap, or the global average value of the total number of electrons in the ionosphere from the reference date t to the date t-T before T days, or All are multidimensional information (eg, vectors) included as elements. For example, solar activity index SF until 83 days ago, the global mean value of the geomagnetic activity index Ap, and ionospheric total electron number of environmental information X t-T | if extracted as t, the environmental information X t-T | t is , 84 × 3, for a total of 252 elements.
環境情報Xt−T|tに含まれる複数の要素のそれぞれは、学習モデルの説明変数として扱われるが、この複数の要素の中には、互いに相関を有する要素が含まれていたり、目的変数を説明する能力が低い要素が含まれていたりする場合がある。 Each of the plurality of elements included in the environment information Xt-T | t is treated as an explanatory variable of the learning model. However, among the plurality of elements, elements having correlation with each other are included or the objective variable is included. There may be elements that have a low ability to explain.
そのため、学習部112は、環境情報Xt−T|tに含まれる複数の要素の中から、互いに相関を有する要素や目的変数を説明する能力が低い要素を取り除くことで、学習モデルの説明変数の数を削減する。言い換えれば、学習部112は、環境情報Xt−T|tの次元を圧縮する。
Therefore, the
具体的には、学習部112は、LASSOによる説明変数の選択結果を利用して、学習モデルの説明変数の数を削減してもよいし、ランダムフォレストにより得られた説明変数の特徴量のうち、最大の特徴量の大きさの数[%]までの特徴量を有する説明変数を残し、それ以外の特徴量を有する説明変数を取り除くことで、学習モデルの説明変数の数を削減してもよい。例えば、学習部112は、ランダムフォレストにより得られた複数の説明変数の特徴量の中で、最大の特徴量の大きさの5[%]程度までの特徴量を有する説明変数を残してよい。なお、この数値はあくまでも一例であり、1[%]や2[%]といったように任意の数値であってよい。このように、学習モデルの説明変数とする環境情報Xt−T|tの次元を圧縮しておくことで、多重共線性を回避したり、目的変数に対してより影響を及ぼしやすい説明変数のみを抽出したりすることができるため、よりシンプルな構造でモデル化することができる。この結果、過学習を抑制することができる。
Specifically, the
次に、学習部112は、過学習を抑制するために選択した環境情報Xt−T|tの要素と、軌道推移データベース134から軌道情報として抽出した軌道半径変化率Adott+Nとに基づいて、着目宇宙機の学習モデルを学習する(ステップS106)。
Next, the
例えば、学習部112は、LASSO、ランダムフォレスト、ガウス過程回帰、およびニューラルネットワークのそれぞれの学習手法に基づいて学習モデルを学習し、4種類の学習モデルを生成する。数式(3)は、LASSOに基づく学習モデルの一例を示す数式である。
For example, the
数式(3)におけるw1は、太陽活動指数SFに乗算される重み係数ベクトルを表し、w2は、地磁気活動指数Apに乗算される重み係数ベクトルを表し、w3は、電離層全電子数の全球平均値に乗算される重み係数ベクトルを表している。例えば、学習部112は、数式(3)に例示するようなLASSOに基づく学習モデルに、基準日時tから83日前までの太陽活動指数SFt−83|tと、地磁気活動指数Apt−83|tと、電離層全電子数の全球平均値TECt−83|tとを代入し、基準日時tの1日後の軌道半径変化率Adott+1を予測する。そして、学習部112は、学習モデルに基づいて予測した軌道半径変化率Adott+1(すなわち予測値)と、軌道推移データベース134から基準日時tの1日後の軌道情報として抽出した軌道半径変化率Adott+1(すなわち観測値)との差分を導出し、その導出した差分が小さくなるように、学習モデルのパラメータである重み係数ベクトルwやバイアス成分などを決定することで、学習モデルを学習する。また、学習対象のパラメータには、重み係数ベクトルwやバイアス成分のほかに、設計者が任意に決定することができるハイパーパラメータが含まれてもよい。
In Formula (3), w 1 represents a weighting coefficient vector by which the solar activity index SF is multiplied, w 2 represents a weighting coefficient vector by which the geomagnetic activity index Ap is multiplied, and w 3 represents a total ionospheric electron number. It represents a weighting coefficient vector by which the global average value is multiplied. For example, the
次に、学習部112は、学習した学習モデルを着目宇宙機に対応付けて、これを学習モデル情報132として記憶部130に記憶させる(ステップS108)。これによって本フローチャートの処理が終了する。
Next, the
このように、学習部112は、後述する予測リクエストのように、外部装置などから特段の指示がなくても(あってもよい)、自発的に上述したフローチャートの処理を繰り返すことで、宇宙機の過去の軌道情報と過去の環境情報とを用いて学習した学習モデルを何度も再学習(トレーニング)する。これによって、学習モデルの精度を日々高めることができる。
In this way, the
図7は、各学習モデルによって予測された軌道半径変化率Adotと、実際に観測された軌道半径変化率Adotとの推移の一例を示す図である。図中の各モデルは、上述した各データベースを2つに分割し、分割した一方のデータを利用して学習された学習モデルである。4つの学習モデルのそれぞれによって予測された軌道半径変化率Adotは、いずれも観測値である軌道半径変化率Adotの時間推移と同様の傾向で変化している。また、いずれの学習モデルも、実際の観測値に対して最大1.0程度の誤差の精度で、軌道半径変化率Adotを予測することができており、実用に十分耐えることを示している。 FIG. 7 is a diagram showing an example of the transition between the trajectory radius change rate Adot predicted by each learning model and the actually observed trajectory radius change rate Adot. Each model in the figure is a learning model that is obtained by dividing each of the databases described above into two and using one of the divided data. The orbital radius change rate Adot predicted by each of the four learning models changes with the same tendency as the temporal transition of the orbital radius change rate Adot, which is an observed value. In addition, all learning models can predict the orbit radius change rate Adot with an accuracy of an error of about 1.0 at the maximum with respect to the actual observed value, which shows that it is sufficiently practical.
図8は、各モデルの予測値と観測値との絶対誤差の和の一例を示す図である。図示の例では、LASSOに基づく学習モデルの予測値Adotと、観測値Adotとの誤差の絶対値の和は、5.1[m/day]であり、ランダムフォレスト(図中RF)に基づく学習モデルの予測値Adotと、観測値Adotとの誤差の絶対値の和は、4.0[m/day]であり、ガウス過程回帰(図中GP)に基づく学習モデルの予測値Adotと、観測値Adotとの誤差の絶対値の和は、2.9[m/day]であり、ニューラルネットワーク(図中NN)に基づく学習モデルの予測値Adotと、観測値Adotとの誤差の絶対値の和は、5.6[m/day]であることを表している。このような結果から、ある一つの例では、4つの学習モデルの中で、ガウス過程回帰に基づく学習モデルが最も予測精度が高いことを示している。 FIG. 8 is a diagram showing an example of the sum of absolute errors between the predicted value and the observed value of each model. In the illustrated example, the sum of the absolute values of the errors between the predicted value Adot of the learning model based on LASSO and the observed value Adot is 5.1 [m / day], and learning based on random forest (RF in the figure) The sum of the absolute values of the errors between the predicted value Adot of the model and the observed value Adot is 4.0 [m / day], and the predicted value Adot of the learning model based on Gaussian process regression (GP in the figure) and the observed value The sum of the absolute values of the error with the value Adot is 2.9 [m / day], which is the absolute value of the error between the predicted value Adot of the learning model based on the neural network (NN in the figure) and the observed value Adot. The sum represents 5.6 [m / day]. From such a result, in one example, the learning model based on Gaussian process regression has the highest prediction accuracy among the four learning models.
[運用時(ランタイム)の処理フロー]
以下、フローチャートに即して制御部110の運用時の一連の処理の流れを説明する。運用時とは、学習時に学習された学習モデルを利用して宇宙機の将来の軌道を予測する状態である。図9は、運用時に制御部110により実行される一連の処理の一例を示すフローチャートである。本フローチャートの処理は、例えば、所定の周期で繰り返し行われてよい。なお、予測装置100が、分散コンピューティングやクラウドコンピューティングを利用したシステムに含まれる複数のコンピュータによって実現される場合、学習時と同様に、本フローチャートの処理の一部または全部も、複数のコンピュータによって並列処理されてよい。
[Processing flow during operation]
Hereinafter, the flow of a series of processing when the
まず、取得部114は、通信部102によって、地上のオペレータなどが利用する所定の端末装置から、監視対象の宇宙機の将来の軌道を予測するように要求するリクエスト(以下、予測リクエストと称する)が受信されたか否かを判定する(ステップS200)。予測リクエストには、例えば、監視対象として指定された宇宙機の識別情報や、現在の日時などが含まれる。
First, the
取得部114は、通信部102によって予測リクエストが受信されると、記憶部130に格納された環境データベース136から、現日時τからT日前の日時τ−Tまでの期間Tに観測された太陽活動指数SF、地磁気活動指数Ap、および電離層全電子数の全球平均値を含む環境情報Xτ−T|τを取得する(ステップS202)。例えば、学習時に、基準日時tから83日前までの環境情報Xt−83|tを学習モデルの説明変数として学習が行われていた場合、取得部114は、環境データベース136から、現日時τから83日前までの環境情報Xτ−83|τを取得する。
When the
次に、予測部116は、予測リクエストに含まれる宇宙機の識別情報を参照し、学習モデル情報132に含まれる複数の学習モデルの中から、監視対象の宇宙機に対応付けられた学習モデルを選択する(ステップS204)。上述したように、宇宙機に対して、LASSO、ランダムフォレスト、ガウス過程回帰、およびニューラルネットワークのそれぞれに基づく学習モデルが対応付けられている場合、予測部116は、4つの学習モデルの中から、最も予測誤差が小さい(最も予測精度が高い)学習モデルを選択してよい。例えば、予測部116は、予測値Adotと、観測値Adotとの誤差の絶対値の和が最も小さい学習モデルを、最も予測誤差が小さい学習モデルとして選択する。図8の例では、ガウス過程回帰に基づく学習モデルが選択される。
Next, the
なお、予測部116は、学習モデル情報132に含まれる複数の学習モデルの中から、予測リクエストによって指定された監視対象の宇宙機の学習モデルを選択する際に、必ずしも識別情報が一致する宇宙機の学習モデルを選択しなくてもよい。例えば、予測部116は、学習モデル情報132に含まれる複数の学習モデルの中から、予測リクエストによって指定された監視対象の宇宙機と形状が同じであるような同種の宇宙機の学習モデルを選択してよい。また、予測部116は、学習モデル情報132に含まれる複数の学習モデルの中から、予測リクエストによって指定された監視対象の宇宙機と航行高度が同程度の宇宙機の学習モデルを選択してもよい。これによって、学習モデルを生成していない宇宙機が監視対象の宇宙機として選ばれた場合であっても、類似する宇宙機の学習モデルを利用して、監視対象の宇宙機の将来の軌道を予測することができる。
In addition, when the
次に、予測部116は、選択した監視対象の宇宙機の学習モデルを利用して、監視対象の宇宙機の将来の軌道を予測する(ステップS206)。
Next, the
具体的には、予測部116は、選択した監視対象の宇宙機の学習モデルに対して、取得部114によって取得された現日時τからT日前までの環境情報Xτ−T|τを説明変数として入力することで、学習モデルに、監視対象の宇宙機の軌道半径変化率Adotを予測させる。例えば、学習時に、基準日時tから1日先の将来の日時t+1に観測された着目宇宙機の軌道半径変化率Adott+1を学習モデルの目的変数として学習が行われていた場合、学習モデルは、現日時τから1日先の将来の日時τ+1に観測されるであろう宇宙機の軌道半径変化率Adotτ+1を予測することになる。
Specifically, the
次に、出力制御部118は、通信部102を制御して、予測部116の予測結果である、監視対象の宇宙機の将来の軌道を示す情報を、予測リクエストの送信元の所定の端末装置に送信する(ステップS208)。これによって本フローチャートの処理が終了する。
Next, the
以上説明した実施形態によれば、監視対象の宇宙機が航行する超高層大気の環境を示す環境情報を取得し、基準日時tからT日前までの期間における超高層大気の環境情報Xt−T|tが入力されると、基準日時tからN日先の宇宙機の軌道半径変化率Adott+Nを出力するように学習された学習モデルに対して、取得した環境情報を入力し、その環境情報を入力した学習モデルによって出力された結果に基づいて、監視対象の宇宙機の将来の軌道を予測するため、宇宙機の軌道を精度よく予測することができる。 According to the embodiment described above, the environmental information indicating the environment of the upper atmosphere in which the spacecraft to be monitored is navigating is acquired, and the environmental information Xt-T of the upper atmosphere in the period from the reference date t to T days ago. When | t is input, the acquired environment information is input to the learning model learned to output the orbital radius change rate Adot t + N of the spacecraft N days ahead from the reference time t, and the environment information is input. Since the future orbit of the spacecraft to be monitored is predicted based on the result output by the learning model that has input, the orbit of the spacecraft can be accurately predicted.
一般的に、宇宙機の姿勢、形状、質量、抵抗係数、宇宙機の進行方向に対する投影面積、周辺大気に対する宇宙機の相対速度、周辺大気の大気密度などから、理論的に、高層大気の抵抗力によって生じる宇宙機の加速度adragを導出できることが知られており、このような理論式によって導出した加速度adragに基づいて、宇宙機の将来の軌道の推移を予測することが考えられる。 Generally, from the attitude, shape, mass, resistance coefficient of the spacecraft, the projected area of the spacecraft in the traveling direction, the relative velocity of the spacecraft to the surrounding atmosphere, the atmospheric density of the surrounding atmosphere, etc., theoretically, the resistance of the upper atmosphere It is known that the acceleration a drag of the spacecraft caused by the force can be derived, and it is conceivable to predict the future trajectory transition of the spacecraft based on the acceleration a drag derived by such a theoretical formula.
しかしながら、宇宙機が航行する超高層大気では、下層大気と宇宙空間からのエネルギー流入が激しく、常に複雑に変動しており、数百度の温度差が生じたり、大気密度が地表面の10億分の1となったりする場合があることから、上記の種々のパラメータのうち、周辺大気の大気密度や、周辺大気の温度に依存した宇宙機の抵抗係数、宇宙機の姿勢情報などは不確かなパラメータとなり得る。従って、このような不確かさを持つパラメータを陽として加速度adragを導出した場合、予測される宇宙機の軌道も不確かとなり得る。 However, in the upper atmosphere where spacecraft are navigating, energy inflow from the lower atmosphere and outer space is intense, and it constantly fluctuates, resulting in a temperature difference of several hundreds of degrees and an atmospheric density of 1 billion minutes on the ground surface. Of the above various parameters, the atmospheric density of the surrounding atmosphere, the resistance coefficient of the spacecraft depending on the temperature of the surrounding atmosphere, and the attitude information of the spacecraft are uncertain parameters. Can be. Therefore, when the acceleration a drag is derived with the parameter having such uncertainty as the positive, the predicted orbit of the spacecraft may be uncertain.
これに対して、本実施形態では、軌道を予測する上で、不確かさを持つ大気密度や抵抗係数、姿勢情報といったパラメータを陽に扱うことなく(説明変数とせずに)、既に観測された軌道情報と環境情報とに基づいてモデルを学習し、そのモデルに宇宙機の軌道を予測させるため、宇宙機の軌道を精度よく予測することができる。 On the other hand, in the present embodiment, when predicting the orbit, the parameters such as the atmospheric density, the resistance coefficient, and the attitude information having uncertainty are not explicitly treated (without being an explanatory variable), and the already-observed orbit is Since the model is learned based on the information and the environment information and the model predicts the orbit of the spacecraft, it is possible to accurately predict the orbit of the spacecraft.
また、上述した実施形態によれば、モデル学習時に、環境情報Xt−T|tに含まれる複数の要素の中から、互いに相関を有する要素や目的変数を説明する能力が低い要素を取り除くことで、学習モデルの説明変数の数を削減するため、過学習を抑制することができる。 Further, according to the above-described embodiment, at the time of model learning, elements having low correlation with each other and elements having low ability to explain the objective variable are removed from the plurality of elements included in the environment information X t−T | t. Since the number of explanatory variables in the learning model is reduced, overlearning can be suppressed.
また、上述した実施形態によれば、LASSO、ランダムフォレスト、ガウス過程回帰、およびニューラルネットワークのそれぞれのモデルを学習し、最も予測誤差の小さい学習モデルを用いて、監視対象の宇宙機の将来の軌道を予測するため、宇宙機の軌道を更に精度よく予測することができる。 In addition, according to the above-described embodiment, each model of LASSO, random forest, Gaussian process regression, and neural network is learned, and the future trajectory of the spacecraft to be monitored is calculated using the learning model with the smallest prediction error. Therefore, the orbit of the spacecraft can be predicted more accurately.
(変形例)
以下、上述した実施形態の変形例について説明する。上述した実施形態では、学習モデルが、宇宙機の将来の軌道を予測するものとして説明したがこれに限られない。例えば、学習モデルは、地上を移動する車両などの移動体の将来の軌道を予測するように学習されてもよいし、水上を航行する船舶や水中を航行する潜水艦などの移動体の将来の軌道を予測するように学習されてもよいし、上空を飛行する航空機などの移動体の将来の軌道を予測するように学習されてもよい。このような場合、環境情報は、各移動体が移動する空間の環境を示すものであってよい。
(Modification)
Hereinafter, modified examples of the above-described embodiment will be described. Although the learning model is described as predicting the future trajectory of the spacecraft in the above-described embodiment, the learning model is not limited to this. For example, the learning model may be trained to predict the future trajectory of a moving body such as a vehicle moving on the ground, or the future trajectory of a moving body such as a ship navigating over water or a submarine navigating underwater. May be learned, or may be learned to predict the future trajectory of a mobile such as an aircraft flying above. In such a case, the environment information may indicate the environment of the space in which each mobile body moves.
また、上述した実施形態では、学習モデルに軌道半径変化率Adotを予測させるものとして説明したがこれに限られない。例えば、学習部112は、基準日時tからT日前の日時t−Tまでの太陽活動指数SF、地磁気活動指数Ap、および電離層全電子数の全球平均値を要素として含む環境情報Xt−T|tを説明変数とし、基準日時tからN日先の将来の日時t+Nに観測された宇宙機の加速度adragを目的変数として学習モデルを学習することで、学習モデルに、N日先の宇宙機の加速度adragを予測させるようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the learning model is described as predicting the trajectory radius change rate Adot, but the present invention is not limited to this. For example, the
以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。 As described above, the embodiments for carrying out the present invention have been described using the embodiments, but the present invention is not limited to such embodiments, and various modifications and substitutions are made without departing from the gist of the present invention. Can be added.
100…予測装置、102…通信部、110…制御部、112…学習部、114…取得部、116…予測部、118…出力制御部、130…記憶部 100 ... Prediction device, 102 ... Communication part, 110 ... Control part, 112 ... Learning part, 114 ... Acquisition part, 116 ... Prediction part, 118 ... Output control part, 130 ... Storage part
Claims (10)
ある移動体が移動した空間の環境を示す環境情報が入力されると、ある移動体の将来の軌道を示す軌道情報を出力するように学習されたモデルに対して、前記取得部により取得された前記環境情報を入力することで得られた前記モデルの出力結果に基づいて、前記対象の移動体の将来の軌道を予測する予測部と、
を備える予測装置。 An acquisition unit that acquires environment information indicating the environment of the space in which the target moving body moves,
When the environment information indicating the environment of the space where a certain moving body has moved is input, for the model learned to output the trajectory information indicating the future trajectory of the certain moving body, it is acquired by the acquisition unit. Based on the output result of the model obtained by inputting the environmental information, a prediction unit that predicts a future trajectory of the target moving body,
Prediction device.
前記空間は、超高層大気であり、
前記モデルは、前記宇宙機の軌道半径の変化率を、前記宇宙機の将来の軌道を示す軌道情報として出力する、
請求項1に記載の予測装置。 The moving body is a spacecraft,
The space is the upper atmosphere,
The model outputs the change rate of the orbital radius of the spacecraft as orbital information indicating a future orbit of the spacecraft,
The prediction device according to claim 1.
請求項1または2に記載の予測装置。 The environment further includes a learning unit that learns the model such that environment information indicating the environment of a space in which a moving body has moved in the past is an explanatory variable, and trajectory information indicating a past trajectory of a certain moving body is an objective variable.
The prediction device according to claim 1.
請求項3に記載の予測装置。 The learning unit uses the environment information indicating the environment of the space observed at a date and time that is a first predetermined day before the reference date and time as the explanatory variable, and the movement that is observed at a date and time that is a second predetermined date ahead from the reference date and time. Trajectory information indicating the trajectory of the body is used as the objective variable to learn the model,
The prediction device according to claim 3.
前記予測部は、前記学習部によって学習された一以上のモデルのうち、少なくともいずれか一つのモデルの出力結果に基づいて、前記対象の移動体の将来の軌道を予測する、
請求項3または4に記載の予測装置。 The learning unit learns some or all models of regularization regression, random forest, Gaussian process regression, or neural network,
The predicting unit predicts a future trajectory of the target moving body based on an output result of at least one of the one or more models learned by the learning unit,
The prediction device according to claim 3 or 4.
請求項5に記載の予測装置。 The prediction unit predicts a future trajectory of the target moving body based on the output result of the model with the smallest prediction error among the one or more models learned by the learning unit.
The prediction device according to claim 5.
請求項3から6のうちいずれか一項に記載の予測装置。 The learning unit reduces the number of environment information used as the explanatory variables when learning the model,
The prediction device according to any one of claims 3 to 6.
請求項1から7のうちいずれか一項に記載の予測装置。 The environmental information includes at least one of a solar activity index, a geomagnetic activity index, and the total number of electrons in the ionosphere,
The prediction device according to any one of claims 1 to 7.
対象の移動体が移動する空間の環境を示す環境情報を取得し、
ある移動体が移動した空間の環境を示す環境情報が入力されると、ある移動体の将来の軌道を示す軌道情報を出力するように学習されたモデルに対して、前記取得した前記環境情報を入力することで得られた前記モデルの出力結果に基づいて、前記対象の移動体の将来の軌道を予測する、
予測方法。 Computer
Acquire environment information indicating the environment of the space where the target moving body moves,
When the environmental information indicating the environment of the space where a certain moving body has moved is input, the acquired environmental information is stored with respect to the model learned to output the trajectory information indicating the future trajectory of the certain moving body. Based on the output result of the model obtained by input, to predict the future trajectory of the moving body of the object,
Prediction method.
対象の移動体が移動する空間の環境を示す環境情報を取得する処理と、
ある移動体が移動した空間の環境を示す環境情報が入力されると、ある移動体の将来の軌道を示す軌道情報を出力するように学習されたモデルに対して、前記取得した前記環境情報を入力することで得られた前記モデルの出力結果に基づいて、前記対象の移動体の将来の軌道を予測する処理と、
を実行させるための予測プログラム。 On the computer,
A process of acquiring environment information indicating the environment of the space in which the target moving body moves,
When the environmental information indicating the environment of the space where a certain moving body has moved is input, the acquired environmental information is stored with respect to the model learned to output the trajectory information indicating the future trajectory of the certain moving body. Based on the output result of the model obtained by inputting, a process of predicting a future trajectory of the target moving body,
Prediction program to execute.
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