超小型衛星が拓く 新しい宇宙惑星探査shw/pse2013/20130426_kurihara.pdf2013/04/26 ·...
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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
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2013年4月26日 「宇宙惑星探査の新展開」
自己紹介
2
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/
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
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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、人工地球などの惑星や月の周囲を公転する、人工地球などの惑星や月の周囲を公転する、人工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。的に作られた天体。人工衛星。的に作られた天体。人工衛星。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)
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金星探査機「あかつき」
©JAXA
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)
• その他– GPS衛星 ④
– 軍事衛星
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①
②
③
④
©JAXA
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
6磁気圏観測衛星「あけぼの」
超小型衛星【micro satellite】とは?
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小型衛星 大型衛星
【small satellite】 【large satellite】
質量
費用
開発期間
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
| | | |1,000 万円 1 億円 10 億円 100 億円
| | | | 1 年 2 年 5年 10 年
Smaller, Faster, Cheaper: より小さく、より早く、より安く
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世界最大級の地球観測衛星「だいち」 (重量 4,000 kg)
©JAXA
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「日経サイエンス」2011年9月号
超小型衛星のメリット・デメリット
メリットメリットメリットメリット
• 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
デメリットデメリットデメリットデメリット
• 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
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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
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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
12©JAXA
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
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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
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「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
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スプライトの宇宙観測は世界が注目
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激しい国際競争の中で日本がリード
「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
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ISSから撮影したアフリカ上空の
積乱雲(©NASA)
3-4 km
見たい時にすぐ見ることができる
災害監視への応用
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[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°
[WFC]
理学観測用
魚眼CCDカメラ
視野角 134×180°
[HPC-B]
撮像用CCD
[BOL]
理学観測用
ボロメータアレイ
(中間赤外)
視野角 32×24°
[HPC-R]
撮像用CCD
[HPC-G]
撮像用CCD
ダイクロイックミラー
で光を分離
新規開発ユニット
[LCTF]
液晶波長可変
フィルター
[HPC-M]
撮像用CCD
RISING-2 搭載理学機器
[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
高解像度マルチスペクトル望遠撮像系(HPT)
[VLFR]
理学観測用
VLF受信機
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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
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地球観測の応用分野と
要求される地上分解能(GSD)水文・海洋水文・海洋水文・海洋水文・海洋
農業農業農業農業
資源監視資源監視資源監視資源監視
環境監視環境監視環境監視環境監視
森林森林森林森林
情報収集情報収集情報収集情報収集
都市開発都市開発都市開発都市開発
地形地形地形地形
交通交通交通交通
ハイパーハイパーハイパーハイパー
スペクトルスペクトルスペクトルスペクトル
マルチマルチマルチマルチ
スペクトルスペクトルスペクトルスペクトル
パンクロパンクロパンクロパンクロ
マチックマチックマチックマチック
GSD 5mmmm
(Sandau et al., 2010)21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
地上分解能の達成に必要となる
衛星搭載光学系の口径
(Guelman and Ortenberg, 2009)
地上分解能
地上分解能
地上分解能
地上分解能
口径口径口径口径
GSD 5mmmm
紫外紫外紫外紫外
可視可視可視可視
赤外赤外赤外赤外
※軌道高度
800kmの場合
22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
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)
2.4 km
3.2 km (659 pix)
(494 pix)
© Google23
北大キャンパスを撮影した場合
HPTの構造
CFRP製鏡筒
ZPF製主鏡・副鏡
カセグレン式反射望遠鏡
(口径 10 cm、焦点距離 1 m)
重量:約 3.4 kg
液晶波長可変
フィルター
(株)ジェネシア24
HPTの搭載位置
EMFM 25
ゼロ膨張セラミックス(ZPF)ミラー
26(株)日本セラテック、(株)ナガセインテグレックス
• 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セラミックスセラミックスセラミックスセラミックス
(ZPF-N)低熱膨張ガラス低熱膨張ガラス低熱膨張ガラス低熱膨張ガラス(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
液晶波長可変フィルター(LCTF)
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)
• 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
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
PARASOL衛星搭載
POLDER-3観測器
重量:32kg
バンド数:15
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
機械式回転
RISESAT衛星搭載
HPT
重量:3kg
バンド数:680
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
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)
Blue CCD
Red CCD
Green CCD
Dichroic Beam Splitter
NIR LCTFNIR CCD
Telescope
VIS CCD
Dichroic Beam Splitter
NIR LCTFNIR CCD
TelescopeVIS LCTF
RISING-2/HPT
RISESAT/HPT
400 NIR bands+ R/G/B bands
400 NIR bands+ 280 VIS bands
650-1050 nm
650-1050 nm
420-700 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
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頻繁に明るさの変化する
変光星を監視する
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
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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?
開発中の衛星たち
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RISING-2 RISESAT
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」
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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
(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
Smart Remote Sensing with Super-Constellation
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
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最後に・・・
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