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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２０１２年４月２７日 「宇宙惑星探査の新展開」
自己紹介
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
• 超小型地球観測衛星「雷神２」
– 「雷神２」のミッション
– 最先端技術を使った搭載機器
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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）
金星探査機「あかつき」
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
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
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
「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
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
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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
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
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
ISSから撮影した アフリカ上空の
積乱雲（©NASA）
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)
[LSI-2]
理学観測用 CMOSカメラ② (762 nm)
[WFC]
理学観測用 魚眼CCDカメラ
[HPC-B]
撮像用CCD
[BOL]
理学観測用 ボロメータアレイ (中間赤外)
[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
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)19 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
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
従来のマルチスペクトル観測機器
POLDER-3 / PARASOL 重量：32kg / 120kg
バンド数：15
地上分解能：6×7 km
• フィルターホイール方式はバンド数を 増やすとホイールが大きくなる
• ホイールを回転させるための駆動部 が必要 →装置寸法・重量・費用が大
フィルターホイール方式による 観測の模式図
© CNES
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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
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)
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北大キャンパスを撮影した場合
HPTの構造
CFRP製鏡筒 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
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
液晶波長可変フィルター（LCTF）
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（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
用途 用途 用途
用途 波長範囲波長範囲波長範囲波長範囲 平均バンド幅平均バンド幅平均バンド幅平均バンド幅
（（（
（FWHM））））
備考 備考 備考 備考
近赤外用 650～1050 nm 20 nm RISING-2で世界初の宇宙応用
可視用 420～700 nm 20 nm 航空機搭載
650 720 nm 4 nm
• 電気的なバンド選択により駆動部不要
• 超多波長マルチスペクトルのため、分析バンドを自在に組み合わせ可能
• 高い姿勢安定度・データレートが要求されるハイパースペクトル観測機器に比べ、
重量面においても優位
液晶波長可変フィルターのラインアップ
超小型衛星による地球観測における
液晶波長可変フィルターの優位性
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
２０１３年に、北大は東北大と共同で、最 先端の観測機器を搭載した超小型衛星 を打ち上げる予定である
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