2013 年 4 月 26 日 宇 宙 惑 星 探 査 の 新 展 開 超 小 型 衛 星 が 拓 く 新 しい 宇 宙 惑 星 探 査 大 学 院 理 学 研 究 院 宇 宙 理 学 専 攻 創 成 研 究 機 構 宇 宙 ミッションセンター 栗 原 純 一 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
今 日 の 講 義 の 概 要 衛 星 とは? 衛 星 の 種 類 と 目 的 衛 星 システムの 基 本 的 な 構 成 超 小 型 衛 星 とは? 超 小 型 衛 星 のメリット デメリット 超 小 型 衛 星 の 例 北 大 が 開 発 に 参 加 している 超 小 型 地 球 観 測 衛 星 RISING-2 RISESAT 超 小 型 衛 星 のネットワーク 運 用 3
衛 星 satellite とは? 1. 惑 星 準 惑 星 の 周 囲 を 公 転 する 天 体 月 2. 地 球 などの 惑 星 や 月 の 周 囲 を 公 転 する 人 工 的 に 作 られた 天 体 人 工 衛 星 探 査 機 probe との 違 い 小 惑 星 探 査 機 はやぶさ (MUSES-C) 金 星 探 査 機 あかつき (PLANET-C) 月 周 回 衛 星 かぐや (SELENE) 宇 宙 機 spacecraft との 違 い スペースシャトル 国 際 宇 宙 ステーション(ISS) 金 星 探 査 機 あかつき JAXA 4
衛 星 の 種 類 と 目 的 mission 通 信 衛 星 放 送 衛 星 BSAT-3 1 超 高 速 インターネット 衛 星 きずな (WINDS) 地 球 観 測 衛 星 気 象 衛 星 ひまわり (MTSAT) 2 陸 域 観 測 技 術 衛 星 だいち (ALOS) 第 一 期 水 循 環 変 動 観 測 衛 星 しずく (GCOM-W1) 科 学 衛 星 太 陽 観 測 衛 星 ひので (SOLAR-B) X 線 天 文 衛 星 すざく (ASTRO-EII) 3 磁 気 圏 観 測 衛 星 あけぼの (EXOS-D) 1 2 3 その 他 GPS 衛 星 4 軍 事 衛 星 4 JAXA 5
衛 星 システムの 基 本 的 な 構 成 ミッション 系 観 測 などを 行 う 観 測 機 器 電 源 系 電 気 を 作 り 出 す 太 陽 電 池 通 信 系 地 上 と 通 信 するアンテナ 姿 勢 軌 道 制 御 系 姿 勢 や 軌 道 を 変 えるアクチュエータ データ 処 理 系 コマンドやデータの 処 理 をするメインコ ンピュータ 構 体 系 衛 星 を 支 える 構 造 熱 制 御 系 温 度 をコントロールする 素 子 や 材 料 磁 気 圏 観 測 衛 星 あけぼの 6
超 小 型 衛 星 micro satellite とは? 小 型 衛 星 small satellite 大 型 衛 星 large satellite ピコ ナノ マイクロ ミニ pico nano micro mini 1 kg 10 kg 100 kg 1,000 kg 10,000 kg 質 量 1,000 万 円 1 億 円 10 億 円 100 億 円 費 用 1 年 2 年 5 年 10 年 開 発 期 間 Smaller, Faster, Cheaper: より 小 さく より 早 く より 安 く 7
世 界 最 大 級 の 地 球 観 測 衛 星 だいち ( 重 量 4,000 kg) JAXA 8
日 経 サイエンス 2011 年 9 月 号 9
超 小 型 衛 星 のメリット デメリット メリット 低 価 格 短 期 間 少 人 数 で 開 発 できる 大 学 や 中 小 企 業 でも 開 発 でき る 数 を 増 やしやすい 最 新 の 技 術 を 試 せる コンステレーション( 協 調 動 作 )が 組 める デメリット 太 陽 電 池 で 発 電 できる 電 力 が 小 さい 搭 載 機 器 の 寸 法 重 量 消 費 電 力 の 制 限 が 厳 しい 地 上 との 通 信 速 度 が 遅 い 部 品 や 技 術 の 信 頼 性 が 低 い ので 失 敗 しやすい 専 用 の 打 ち 上 げロケットが 少 ない 10
超 小 型 衛 星 の 例 1 鯨 生 態 観 測 衛 星 観 太 くん (WEOS) 千 葉 工 業 大 学 が 開 発 2002 年 打 ち 上 げ 2008 年 運 用 終 了 鯨 に 装 着 した 発 信 機 から の 位 置 情 報 などのデータ を 衛 星 で 受 信 する 計 画 鯨 に 発 信 機 を 取 り 付 ける ことができず かわりにク マなどの 陸 上 動 物 を 観 測 11
超 小 型 衛 星 の 例 2 小 型 科 学 衛 星 れいめい (INDEX) JAXA 宇 宙 科 学 研 究 所 が 開 発 2005 年 打 ち 上 げ 運 用 中 小 型 衛 星 技 術 の 軌 道 実 証 オーロラの 観 測 が 目 的 地 上 観 測 と 連 携 しながら オーロラの 微 細 構 造 観 測 を 行 っている JAXA 12
超 小 型 衛 星 の 例 3 スプライト 観 測 衛 星 雷 神 (SPRITE-SAT) 東 北 大 学 が 開 発 2009 年 打 ち 上 げ 運 用 中 高 高 度 発 光 現 象 スプラ イト の 観 測 が 目 的 初 期 運 用 中 に 電 源 系 トラ ブル 発 生 休 眠 状 態 に 13
超 小 型 地 球 観 測 衛 星 雷 神 2 (RISING-2) 北 大 と 東 北 大 が 共 同 開 発 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 2013 年 だいち 後 継 機 ALOS-2 に 相 乗 り 打 ち 上 げ 決 定 14
雷 神 2 のミッション1 スプライトの 観 測 スプライト: 宇 宙 と 地 球 を 結 合 する 放 電 発 光 巨 大 落 雷 に 伴 って 積 乱 雲 の 上 にも 電 流 が 流 れる 現 象 上 から 水 平 構 造 をとらえる ことがメカニズム 解 明 の 鍵 15
スプライトの 宇 宙 観 測 は 世 界 が 注 目 激 しい 国 際 競 争 の 中 で 日 本 がリード 16
雷 神 2 のミッション2 積 乱 雲 の 稠 密 観 測 積 乱 雲 の 可 視 近 赤 外 での 高 解 像 度 撮 影 複 数 波 長 での 詳 細 な 雲 構 造 と 水 蒸 気 分 布 を 記 録 ゲリラ 豪 雨 のメカニズム 解 明 およびnowcast/forecastのた めの 基 礎 技 術 確 立 連 続 撮 影 (ステレオ 撮 影 )に よって 積 乱 雲 の 立 体 構 造 を 再 現 ISSから 撮 影 した アフリカ 上 空 の 積 乱 雲 ( NASA) 3-4 km 17
見 たい 時 にすぐ 見 ることができる 災 害 監 視 への 応 用 18
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 19
RISING-2 搭 載 高 機 能 マルチスペクトル 望 遠 撮 像 系 (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 20
地 球 観 測 の 応 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 小 型 衛 星 による 地 球 観 測 において 地 上 分 解 能 5 m は 最 も 応 用 範 囲 が 広 い 21 (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 22 (Guelman and Ortenberg, 2009)
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) 23
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 24
HPTの 搭 載 位 置 EM FM 25
ゼロ 膨 張 セラミックス(ZPF)ミラー セラミックスの 高 剛 性 を 保 ちながら 低 熱 膨 張 ガラスと 同 等 の 低 熱 膨 張 性 を 持 つ 画 期 的 な 新 素 材 研 削 + 磁 性 流 体 研 磨 (MRF)による 鏡 面 加 工 ZPFセラミックス (ZPF-N) 低 熱 膨 張 ガラス(Zerodur ) 熱 膨 張 率 (10-6 / K) -0.03~+0.01 (@ 20-26 ) 0±0.02 (@ 0-50 ) ヤング 率 (Gpa) 150 90 比 重 2.5 2.5 熱 伝 導 率 (W/m K) 5 2 主 鏡 副 鏡 26 ( 株 ) 日 本 セラテック ( 株 )ナガセインテグレックス
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 27 ( 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
超 小 型 地 球 観 測 衛 星 RISESAT 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 ( 代 表 : 東 大 中 須 賀 真 一 教 授 ) 北 大 東 北 大 京 大 で 開 発 する2 号 機 衛 星 RISESAT は 国 際 的 な ミッション 機 器 を 多 数 搭 載 液 晶 波 長 可 変 フィルタを 用 いたマルチカラー 撮 像 系 を 開 発 RISESAT
RISESAT 搭 載 高 機 能 マルチスペクトル 望 遠 撮 像 系 (HPT) 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
HPTのミッション 機 器 担 当 チーム 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 ) その 他 のJST-JICAプロジェクト 参 画 機 関 多 数 機 器 開 発 担 当 北 海 道 大 学 東 北 大 学 仙 台 高 等 専 門 学 校 一 つの 観 測 機 器 を 複 数 の 国 の 大 学 研 究 機 関 が 協 力 して 開 発 する ( 超 小 型 衛 星 では 珍 しいケース)
HPTのミッションその1 マルチスペクトル 天 文 観 測 特 長 地 上 の 望 遠 鏡 と 異 なり 天 候 シーイング 大 気 減 光 や 昼 夜 に 無 関 係 に 観 測 可 能 特 定 の 天 体 を 連 続 または 緊 急 観 測 が 可 能 X 線 ガンマ 線 観 測 の 可 視 光 観 測 によるサポート 観 測 対 象 の 例 変 光 星 ( 赤 色 矮 星 連 星 )のモニタリング 頻 繁 に 明 るさの 変 化 する 変 光 星 を 監 視 する 32
HPTのミッションその2 マルチスペクトル 地 球 観 測 特 長 5m 地 上 分 解 能 が 持 つ 応 用 範 囲 の 広 さ ハイパースペクトルに 匹 敵 する 多 波 長 観 測 大 型 衛 星 では 不 可 能 な 高 頻 度 観 測 観 測 対 象 の 例 インドネシア 泥 炭 地 の 森 林 減 少 モニタリング 環 境 変 化 に 伴 って 森 林 を 構 成 する 植 物 の 種 類 が どのように 変 化 するか? 33
開 発 中 の 衛 星 たち RISING-2 RISESAT 34
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 35
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
まとめ 人 工 衛 星 は 現 代 社 会 の 様 々な 面 で 役 立 てられている 超 小 型 衛 星 は より 小 さく より 早 く よ り 安 く を 目 指 して 開 発 され 世 界 中 で 急 速 に 広 まっている 北 大 は 東 北 大 などの 大 学 研 究 機 関 と 共 同 で 最 先 端 の 観 測 機 器 を 搭 載 した 超 小 型 衛 星 を3 機 打 ち 上 げる 予 定 である 39
最 後 に 40