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

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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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