2014 年 3 月 17 日 超小型衛星利用開拓成果 北海道ワークショップ in 札幌 超小型衛星による 先進的リモートセンシング 北海道大学大学院理学研究院創成研究機構宇宙ミッションセンター * 栗原純一 高橋幸弘 1
自己紹介 理学部 理学院宇宙理学専攻宇宙惑星グループ http://www.ep.sci.hokudai.ac.jp/~psg/ 創成研究機構宇宙ミッションセンター http://www.cris.hokudai.ac.jp/cris/smc/ 2
超小型地球観測衛星 雷神 2 (RISING-2) 北大と東北大で共同開発 SPRITE-SAT( 雷神 ) のリベンジと性能のグレードアップ 本格的な地球観測衛星 2014 年 5 月 24 日 ALOS-2( だいち 2 号 ) に相乗り打ち上げ決定! 3
RISING-2 搭載理学機器 新規開発ユニット 高解像度マルチスペクトル望遠撮像系 (HPT) [HPC-B] 撮像用 CCD [HPC-G] 撮像用 CCD [HPC-R] 撮像用 CCD [HPC-M] 撮像用 CCD ダイクロイックミラーで光を分離 [LCTF] 液晶波長可変フィルター [HPT] 高解像度望遠鏡 ( 新素材 ZPF ミラー ) 口径 10 cm 焦点距離 1 m 地上分解能 5 m [WFC] 理学観測用魚眼 CCD カメラ 視野角 134 180 [LSI-1] 理学観測用 CMOS カメラ 1 (740-830 nm) 視野角 29 29 [LSI-2] 理学観測用 CMOS カメラ 2 (762 nm) 視野角 29 29 [VLFR] 理学観測用 VLF 受信機 [BOL] 理学観測用ボロメータアレイ ( 中間赤外 ) 視野角 32 24 4
RISING-2 搭載 マルチスペクトル望遠鏡 (HPT) 北大 東北大が共同開発する 50 kg 級超小型衛星 RISING-2 に搭載する高機能マルチスペクトル望遠撮像系を開発 RISING-2 の主ミッションである地上 5 m 分解能の高解像度地球観測を目指す 新素材 ゼロ膨張セラミックス (ZPF) を用いた高剛性反射鏡 液晶波長可変フィルタ (LCTF) による超多波長マルチスペクトル撮像 5
光学地球観測の利用分野と 要求される地上分解能 (GSD) ハイパースペクトル 水文 海洋 農業 森林 マルチスペクトル 環境監視資源監視 情報収集 交通 都市開発 パンクロマチック 地形 GSD 5m 光学地球観測において 地上分解能 5 m は最も利用範囲が広い 6 (Sandau et al., 2010)
地上分解能の達成に必要となる 衛星搭載光学系の口径 軌道高度 800km の場合 紫外 地上分解能 可視 赤外 GSD 5m 地上分解能 5 m を達成するには 光学系の口径が最低 10 cm は必要である 口径 (Guelman and Ortenberg, 2009) 7
RISING-2/HPT による 地上分解能 5m 撮像 高度約 700 km の太陽同期軌道から地球撮影 目標地点をコマンド設定 全地球の任意地点を撮影可能 解像度 : 5m / pixel @ 700km (659 494 pixel = 3.2 2.4 km) 北大キャンパスを撮影した場合 2.4 km (494 pix) Google 3.2 km (659 pix) 8
HPT の構造 カセグレン式反射望遠鏡 ( 口径 10 cm 焦点距離 1 m) CFRP 製鏡筒 液晶波長可変フィルター 重量 : 約 3.4 kg ZPF 製主鏡 副鏡 ( 株 ) ジェネシア 9
液晶波長可変フィルター (LCTF) 多層液晶セルによる波長可変の干渉フィルター 波長範囲 650~1050 nm において 1 nm 刻みで中心波長を制御 400 バンド バンド幅 (FWHM): 10~30 nm 平均 20.8 nm 遷移 ( スキャン ) 時間 : 39~259 msec 平均 138 msec 重量 80g 消費電力 0.5W 以下 LCTF 本体 LCTF の透過率特性 10 ( 財 )21 あおもり液晶先端技術研究センター ( 現 アスミタステクノロジー株式会社 )
液晶波長可変フィルタを マルチスペクトル観測器に用いるメリット 従来型のフィルタ ターレット方式のマルチスペクトル観測器 液晶波長可変フィルタを用いたマルチスペクトル観測器 機械式回転 PARASOL 衛星搭載 POLDER-3 観測器重量 :32kg バンド数 :15 RISESAT 衛星搭載 HPT 重量 :3kg バンド数 :680 電気的波長選択 バンド数の飛躍的な増加と 寸法 重量 消費電力の劇的な減少
航空機搭載用マルチカラーイメージャ Airborne Multicolor Imager (AMI) 可視光用 液晶波長可変フィルタを搭載 (420-700 nm) 寸法 :190 x 100 x 100 mm 重量 :1.3 kg( カメラ部のみ )
インドネシア 西ジャワにおける UAV 観測キャンペーン (2012/10/29-31) SATREPS インドネシアの泥炭 森林における火災と炭素管理 の一環 インドネシア技術評価応用庁 (BPPT) の協力により BPPT が開発した無人航空機 (UAV) を利用 北大から AMI を持ち込んで UAV に搭載した BBPT が開発した UAV Wulung AMI は胴部に搭載直下視で観測
飛行ルート パンガンダラン ヌサウィル空港 片道 :35km 高度 : 約 1km 観測ターゲットエリア 泥炭森林 海岸 河川 田畑など多様な観測対象を持つエリア
マルチスペクトル動画 420-700 nm を 10 nm ステップで合計 29 バンドスキャン 1 秒間に 2 枚 (=2 バンド ) 取得 露光時間は 1/60 秒 15
取得画像の例 UAVアンテナ ~1.2 km UAVの 進行方向 ~30 m/s ~2.5 m/pixel 波長: 420 nm ~1.6 km 16h:40m:08s:918ms 16
波長: 500 nm 16h:40m:13s:115ms 17
波長: 600 nm 16h:40m:17s:954ms 18
波長: 700 nm 16h:40m:22s:763ms 19
解析結果の一例 森林の樹種判別 (3-4 バンドでは不可能 ) 森林資源の維持管理 不法伐採の監視 二酸化炭素排出量の推定 排出権取引の根拠 液晶波長可変フィルタの応用実証に成功 20
ほどよしプロジェクト ( サブテーマ 8) ほどよし 2 号機衛星 RISESAT の国際的な理学ミッション機器開発を支援 液晶波長可変フィルタ (LCTF) を用いた先進的なリモートセンシング機器を開発 RISESAT サブテーマ 8 のプロジェクト組織における北海道大学の役割
RISESAT 搭載 ほどよし 平成 25 年度全体報告調整会 マルチスペクトル望遠鏡の開発 天体観測ミッション担当 : National Central University( 台湾中央大学 ) 地球観測ミッション担当 : LAPAN( インドネシア国立航空宇宙研究所 ) BBPT( インドネシア技術評価応用庁 ) 他の理学ミッション機器と異なり 海外大学 研究機関が日本企業に製造を委託する形式であるため 予算面などで契約交渉は困難を極めた 何とか取りまとめることができたのは将来の国際受注につながる大きな成果
宇宙用 LCTF の低コスト化 H21~22 年度 : 財団法人 21 あおもり産業総合支援センター RISING-2 搭載 HPT 用 LCTF を製造 H22 年度末に液晶先端技術センターを廃止 株式会社アスミタステクノロジーとして事業化 H23 年度 : 株式会社アスミタステクノロジー RISESAT 搭載 HPT 用 LCTF を製造 H23 年度末以降 宇宙用 LCTF 製造は困難 H24 年度 : 仙台高等専門学校 アスミタステクノロジーを退職して仙台高専に着任した若生一広准教授と 北大が共同研究を開始 宇宙用 LCTF は高コスト (1 台 1000 万円 ) がネックだったが 従来の 1/10 以下の超低コスト化に見通しが立った
RISING-2 RISESAT 搭載マルチスペクトル望遠鏡 (HPT) の比較 400 NIR bands + R/G/B bands Red CCD Dichroic Beam Splitter RISING-2/HPT Blue CCD Telescope Green CCD NIR CCD NIR LCTF 650-1050 nm 400 NIR bands + 280 VIS bands VIS CCD 420-700 nm VIS LCTF Dichroic Beam Splitter RISESAT/HPT Telescope NIR CCD NIR LCTF 650-1050 nm
完成した衛星たち RISING-2 RISESAT 25
超小型衛星のネットワーク運用が実現する スマートリモートセンシング 複数の衛星の協調動作 ( コンステレーション ) 複数の超小型衛星をネットワークで結んで運用し 観測頻度を効率良く上げる 観測頻度が上がれば災害監視能力が上がる 26
Smart Remote Sensing with Super-Constellation ( 極軌道 ) 衛星 12 機 = 約 30 分毎
Smart Remote Sensing with Super-Constellation ( 赤道軌道 ) 衛星 10 機 = 約 10 分毎
Smart Remote Sensing with Super-Constellation 衛星 48 機 = 約 7.5 分毎
超小型衛星による災害監視ネットワーク 洪水 津波 森林火災 干ばつなどの監視 宇宙ビジネスはモノづくりから情報産業へ 超小型衛星による 宇宙情報革命 スマートフォンアプリによる市民への警報 ネットワークを通じた災害情報 警報などの発振