MATLAB ／ Simulink による GNC シミュレータ開発
GNC（Guidance Navigation Control）Simulator of MATLAB／Simulink

椋本 佳宏＊

Yoshihiro Mukumoto

モデルベース開発は、近年、宇宙制御システム分野でも導入され始めている。宇宙機の航法誘導制
御システムのモデルベース開発には、シミュレーション可能な「モデル」で作られた GNC（GuidanceNavigation Control）シミュレータが必要となる。三菱スペース・ソフトウエア株式会社では、
MATLAB ／ Simulink による GNC シミュレータの開発に取り組んでおり、その計画と現在の成果を紹介する。
In recent years, Model–Based Development has begun to be applied to space control systems.
Model–Based Development of Spacecraft GNC（Guidance Navigation Control）system requires
GNC simulator made with “model” that can be simulated. We are working on the developmentof GNC simulator on the MATLAB／Simulink platform. This paper introduces our plan and current achievement.

1．
まえがき
1.1

モデルベース開発の概要

モデルベース開発の概要と利点

シミュレーション可能な「モデル」を用いた開発手法でモデルベース開発は、自動車制御システム分野で長年ある。

導入されている開発手法であり⑴、近年、宇宙制御システム分野でも導入され始めている。

モデルベース開発の利点

モデルベース開発では、ソフトウェアで仮想化した

「モデル」を用いて開発を進める。
「モデル」はシミュ「モデル」を用いたシミュレーションにより設計段階で妥当性確認ができる（手戻りリスクの排除）。

レーション可能であり、設計の妥当性をシミュレーショ

ンによって確認することができる。大規模な制御システ

データ入力／変換処理／データ出力が厳密に定義された「モデル」からの自動コーディングにより、ムでは、各ソフトウェア及びハードウェアの製造が完了

設計とソフトウェアコードの一貫性を確保しやすい

しないと、全体として動作しないため、全体動作の妥当（曖昧性、人的ミスの排除）。

性確認が後工程になってしまう手戻りリスクがあることが課題である。モデルベース開発では、各ソフトウェア

図1

モデルベース開発の概要と利点及びハードウェアの「モデル」を作ることにより全体動作の妥当性確認を設計段階で行うことができるのが大きアコードがシームレスに繋がり、一貫性を確保しやすいな利点である。

点も、もう１つの大きな利点である。
モデルベース開発の概要と利点を図１にまとめる。

また、シミュレーション可能とするため、「モデル」はデータ入力／変換処理／データ出力を厳密に定義してい従来のウォータフォール型開発とモデルベース開発のる。これらの定義は、そのまま設計情報となり、テキス比較を図２に示す。図２に示すとおり、「モデル」を用いトベースの設計書に比べ曖昧性が無い。さらに、データたシミュレーション検証を前工程で何度も行うことに入力／変換処理／データ出力が厳密に定義されているこ

よって、後工程での問題発生による手戻りリスクを低減とから、「モデル」から自動コーディングする技術も構築することができる。

されている。そのため、ハンドコーディングの作業工数モデルベース開発を行う上で、数多くの企業が採用削減や人的ミスの排除が可能であり、設計とソフトウェ

し て い る ソ フ ト ウ ェ ア ア プ リ ケ ー シ ョ ン が The＊鎌倉事業部 宇宙第三技術部
1MSS 技報・Vol.32

システムの開発には、並進運動／回転運動／センサ／適格性試験

要求分析アクチュエータのシミュレーションを行う GNC シミュ
レータが必要である。主要な国内宇宙機開発企業は、長システム試験

システム設計年にわたって開発維持してきた高性能な GNC シミュレータがあり、それと同等なシミュレータを「モデル」でサブシステム試験

サブシステム設計
ソフトウェア設計一から構築するとなるとかなり大きな開発案件となる。

ソフトウェア試験

この新しい GNC シミュレータの開発コストが、モデルソフトウェア製造ベース開発導入のボトルネックとなっているのが現状で従来のウォータフォール開発の流れある。しかしながら、既存の高性能なシミュレータと同要求分析等のシミュレータを簡単に開発する夢のような方法は無適格性試験

く、必要なコストをかけながら、計画的に開発していくしか無い。

システム試験

システム設計

筆者の所属する鎌倉事業部宇宙第三技術部でも、GNCサブシステム試験サブシステム設計
ソフトウェア設計

シミュレータの開発計画を立て、開発を始めている。ただし、いきなり大きなコストをかけることはせず、シンソフトウェア試験

プルな機能の開発からスタートし、ノウハウを獲得しなソフトウェア製造がら、機能を拡充していく開発方針である。本稿では、モデルベース開発の流れ

要と進捗、シミュレーション例、今後の展望を報告する。

モデルによって何度も検証

図２

現在開発中の GNC シミュレータの開発方針と計画、概2．GNC シミュレータ開発方針と計画

従来開発とモデルベース開発の比較

本稿で紹介する GNC シミュレータの開発方針と開発計画を図３に示す。

MathWorks 社の MATLAB ／ Simulink である。本稿で紹介する GNC シミュレータも MATLAB ／ Simulink を用いている。
1.2

GNC シミュレータの開発方針
シンプルな機能から開発し、ノウハウを獲得しながら、海外導入事例と国内動向徐々に機能拡充を行う。

前述のとおり、近年、宇宙制御システム分野でもモデルベース開発の導入が始まっており、海外では、The

GNC シミュレータの開発計画

MathWorks 社のホームページに導入事例（アメリカ航空宇宙局（NASA）、欧州宇宙機関（ESA）等）が数多く【STEP１】紹介されている⑵。

簡易な並進／回転運動モデル、簡易な誘導／制御機能モ

国内では、国立研究開発法人宇宙航空開発研究機構がデルを具備し、クローズドループの制御シミュレーションが行える GNC シミュレータを開発する。

⑶

導入に向けて、先行研究 を行ったり、宇宙機ソフト⑷

ウェア開発標準の 2021 年３月改訂 でモデルベースに関する要件を追加したりと、導入に向けた動きはあるもの【STEP２】の、実用化された例は報告されていない。

汎用的なセンサ／アクチュエータモデル（誤差モデル含む）、簡易な航法機能モデルを具備した GNC シミュレー

1.3

GNC シミュレータの必要性タを開発する。

利点の大きいモデルベース開発だが、国内の宇宙制御システム分野において、導入が進んでいない要因として、【STEP３】「モデル」を用いたシミュレータを構築するのに、少なくSTEP１、２で開発した各モデルを高性能化し、実際の宇ない工数が必要である点が挙げられる。モデルベース開宙機航法誘導制御システム開発に適用できる GNC シミ発の適用先の有力な候補に、宇宙機の航法誘導制御シス

ュレータを開発する。

テム（誘導：Guidance、航法：Navigation、制御：Controlの頭文字を取って GNC と呼ぶ）があるが、宇宙機 GNC

図３2

GNC シミュレータの開発方針と開発計画

MSS 技報・Vol.32

通して、アクチュエータモデルへ指令を出力する。

3．GNC シミュレータ概要と進捗

宇宙機ハードウェア／環境モデルにはセンサモデル、GNC シミュレータの概念図を図４に示す。GNC シアクチュエータモデル、機体モデル、運動モデルがある。

ミュレータは、上段の宇宙機ソフトウェアモデルと下段宇宙機ソフトウェアモデルからの指令をアクチュエータの宇宙機ハードウェア／環境モデルの２つに分けられ、モデルで処理し、機体モデル、運動モデルにて状態量をクローズドループを構成している。

更新し、センサモデルを通して、宇宙機ソフトウェアモデルに返す流れである。

宇宙機ソフトウェアモデルには、シーケンス管理機能モデル、航法機能モデル、誘導機能モデル、制御機能モ

また、図５に開発中の GNC シミュレータの Simulink

デル、I/F 機能モデルがある。シーケンス管理機能は、ブロック図を示す。現時点で、開発計画 STEP １まで進シーケンスに応じた各機能の状態を制御する。センサ

んでおり、クローズドループの制御シミュレーションがモデルから入力した情報は I/F 機能モデルを通して、航可能な状態である。

法誘導制御機能モデルにて処理され、I/F 機能モデルを宇宙機ソフトウェアモデル
シーケンス管理機能モデル
誘導機能モデルI/F 機能モデル

制御機能モデル

航法機能モデル

センサモデルI/F 機能モデル

アクチュエータモデル

運動モデル
機体モデル

宇宙機ハードウェア／環境モデル

図４

GNC シミュレータ概念図

シーケンス管理機能モデル

誘導機能モデル(並進)制御機能モデル(回転)※各モデルの内部はさらに詳細なSimulink モデルとなっている。

運動モデル(回転)運動モデル(並進)機体モデル(推薬消費)

図５

開発中の GNC シミュレータ

3

MSS 技報・Vol.32

機の運動が分かりやすい例として、月着陸機のシミュ

4．
GNC シミュレーション例レーション結果を紹介する。

前述のとおり、開発した GNC シミュレータはクロー

図６に月着陸機の軌道外観を示す。シミュレーション

ズドループの制御シミュレーションが可能である。宇宙開始時点では、円軌道で月を周回しているが、減速噴射を行うことによって、楕円軌道に移行する。楕円軌道の近月点から、更に減速噴射を行い、月表面に着陸するシミュレーションとなっている。
図７に月着陸機の位置／速度を示す。月周回中は正弦波となっていた位置／速度が、着陸時には、位置は特定の位置で停止し、速度はゼロになっている。図８に対地高度と速度ノルムを示す。本シミュレーションでは、最終的に、対地高度約２[km] で静止しており、速度ノルムはゼロとなっている。
また、月着陸機の姿勢を図９に、姿勢制御誤差を図 10に示す。全体を通して、姿勢角速度誤差、姿勢角誤差が小さい範囲内で制御されていることが分かる。なお、着陸直前は、目標姿勢が急激に変化するため、月周回中に

図６

月着陸機の軌道外観

図７

月着陸機の位置／速度

図８

比べて誤差が増大している様子が分かる。

図９

月着陸機の対地高度／速度

図 10

4

月着陸機の姿勢

月着陸機の姿勢制御誤差

MSS 技報・Vol.32

5．
今後の展望

参考文献

現在、開発計画 STEP １が完了したところであり、今(1) 大 畠 明：JMAAB（Japan MATLAB Automotive

後は、計画どおり STEP ２の開発を進めていく。前述のAdvisory Board）の活動 ～モデルベース開発技術

とおり、STEP ２はセンサ／アクチュエータモデル（誤の推進と人材育成～，第 14 回組込みシステム開発技

差モデル含む）、簡易な航法機能モデルを開発する計画

術展（2011）である。STEP ２は開発するモデルが STEP １に比べてhttps://www.ipa.go.jp/files/000003976.pdf(2) The MathWorks，Inc.：Model–Based Design for

多いが、STEP １で基礎的なノウハウが獲得できたので、STEP １と同じ１年半程度の開発期間を見込んでいる。

Space Control Systems（2021）その後、STEP ３で各モデルの高性能化を行うことにな

https://jp.mathworks.com/content/dam/mathworks/white-る。STEP ３は、STEP １、２と比べて開発規模が大きpaper/mbd-for-space-controls-white-paper.pdf

くなるため、STEP １、２でモデルベース開発のノウハ(3) 宇宙航空研究開発機構 研究開発部門 第三研究ユ

ウを十分蓄積することが重要と考えている。そのため、

ニット：複合物理モデルによるシミュレーション技術モデルの解説書や、MATLAB ／ Simulink 操作のガイド

https://stage.tksc.jaxa.jp/jedi/sysd/index.html#title2ライン等をまとめている。

(4) 宇宙航空研究開発機構：JAXA 共通技術文書 宇宙

STEP ３が完了すると、実際の宇宙機 GNC システムの機ソフトウェア開発標準 B 改訂，JERG–2–610（2021）開発に適用できる段階となる。１章で述べたとおり、

https://sma.jaxa.jp/TechDoc/Docs/JAXA-JERG-2-

GNC シミュレータを用いた設計段階での妥当性確認の610B.pdf

実施、自動コーディングによる設計とソフトウェアコードの一貫性の確保によって、手戻りリスクの少ない、高品

MATLAB ／ Simulink は、The MathWorks 社の登録商標

質な宇宙機 GNC システムのモデルベース開発が行えるです。

ようになる。

執筆者紹介
6．
むすび

椋本 佳宏

本稿では、鎌倉事業部宇宙第三技術部が開発している2010 年入社。鎌倉事業部へ配属。現在まで、主に人工MATLAB ／ Simulink を用いた GNC シミュレータにつ衛星の姿勢軌道制御系開発及び宇宙機の航法誘導制御系いて、開発方針と計画、概要と進捗、シミュレーション開発に従事。

例、今後の展望を紹介した。
今後の展望で述べたとおり、開発計画を進め、実際の宇宙機 GNC システム開発への適用を目指す。本稿で紹介した GNC シミュレータが、国内の宇宙機 GNC システム開発におけるモデルベース開発導入の一助となるよう、引き続き技術力向上に努める所存である。

5

MSS 技報・Vol.32