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(1)

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低軌道デブリ観測用搭載

スペースガード研究会

低軌道デブリ観測用搭載光学センサの検討

光学センサの検討

○松本晴久 ¹⁾ 、柳沢俊史 ^１) 、北澤幸人 ²⁾ 、黒崎裕久 ¹⁾ 1)(独)宇宙航空研究開発機構

2)(独)宇宙航空研究開発機構客員;㈱IHI

1

(2)

2009年2月のイリジウムコスモス衛星の衝突事故から衛星同士

• 2009年2月のイリジウム・コスモス衛星の衝突事故から、衛星同士の衝突が現実に起こる程、低高度のデブリ環境はクリティカルな状態に入った。各国とも独自の接近解析に基づく、デブリ（衛星も含む態入た。各国も独自接近解析基く、デリ（衛星も含む

）に対する衛星衝突回避マヌーバー（衛星制御運用）の運用を実施している。さらに、米国においては、衝突の可能性がある場合、各国の衛星運用者に連絡する運用（Joint Space Operation Center（

の衛星運用者に連絡する運用（Joint Space Operation Center（

JSpOC）情報、2009年9月から）を開始した。

2009.2.10 ロシアの軍事通信衛星とイリジウム（Iridium）社の通信衛星との衝突事故

2 2007.1.11 ASAT破壊実験

研究の背景（その２）

• 地上観測でカタログ化されているデブリの大きさは約10cm以上

• 1cm程度までの計測・カタログ化を目指す必要があるが課題が多く実現には至っていない。

日本では「重ね合わせ法というソフト的技法と用いて光度で２等

• 日本では、「重ね合わせ法と」いうソフト的技法と用いて、光度で２等級程度検出能力を向上させる技術の研究を行ってきている。この技術により小型望遠鏡でもその仕様以上の検出能力を保有することが術により小型望遠鏡でもその仕様以の検出能力を保有するとが可能となった。

3

デブリの大きさ、軌道高度に対する計測可能範囲

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(3)

観測システム ( 案 ) 観測システム ( 案 )

地球の昼と夜の境界を周回するような軌道を通り、太陽と反対方向に小型光学望遠鏡

（レンズ及びCCDカメラからなる観測装置）を向けて視野内を通過する低軌道デブリからの反射光を観測する。また、デブリが多く存在する

800-100km

より低い

600km

程度の軌道を取ることにより位相を変化させる。

特徴

カメラを常に一方向に固定できる。

観測する低軌道デブリは常に準光の条件を確保できる。

常時観測が可能。

太陽光

4

図１低軌道デブリ観測衛星（案）(STK出力）図２低軌道デブリ観測装置

軌道傾斜角に対する

昇交点赤経の１日の変化量

5

(4)

I

が

81

°

,67

°

,48

°のデブリについて、約

180

日、

100

日、

67

日ごとに観測条件が良くなる

デブリ計測衛星 600km

昇交点赤経昇交点赤経変化率１°/day

デブリ 1000km i:81°

1000km,i:81 昇交点赤経変化率-１°/day

約45日後

長時間のデブリ観測可能

検出デブリのサンプル検出デブリのサンプル

比較的観測条件がよいと想像できる軌道傾斜角45°以上の以下の3 のデ比較的観測条件がよいと想像できる、軌道傾斜角45°以上の以下の3つのデブリについて確認した。

SSC epoch a(km) e i RAAN Ȧ M

510 119 167

5.812 4.849 4.410

7379.95 7202.16 719.99

0.0014 0.0101 0.0092

80.50 66.72 47.84

121.17 149.76 96.28

230.45 78.90 285.69

129.53 282.34 73.36

7

(5)

画像上での飛跡画像上での飛跡

• カメラの視野 20 °× 20 °、各点は 10 秒間隔

SSC510 i:80.5(1240秒）

SSC119

（秒）

i:66.72（320秒） SSC167 i:47.84(220

秒）

8

地球座標で固定慣性座標で固定 8

JAXA 低軌道デブリ観測装置で検出された低軌道物体の明るさ分布

9

(6)

軌道観測の特徴軌道観測の特徴

• 観測軌道と搭載方法を考慮すること低軌道デブリ

• 観測軌道と搭載方法を考慮すること低軌道デブリを常時観測することができる。

• 地上観測と軌道上観測の違い

– 反射光の位相角：地上 ~90 °に対して軌道 ~0 °である

（有利）

– 距離：地上に比べ軌道は、約 2 倍（不利）

– 視野通過時間: 視野通過時間: 地上観測に比べ軌道観測時間は長い地上観測に比軌道観測時間は長い

（有利）

– スカイバックグランドなし（有利）

10

観測可能サイズ観測可能サイズ

未踏技術研究センターでの地上からのデブリ観測装置とNASAの口径3mLMT(Liquid

Mirror Telescope)

で検出された低軌道物体の明るさ分布、デブリとの距離及び露出時間を考慮したところ、200mmF2(口径10cm)のカメラレンズにFLI製CCDカメラML4240の検出器で地上観測に比べ2等程度暗い12～14等(7～17cm)まで可能であることが分かった。さらに、

重ね合わ法が適きれば等（）物体が検知能となる重ね合わせ法が適用できれば、

14

～

16

等（

3

～

7cm

）の物体が検知可能となる。

重ね合わせ法

あらゆる方向と速度を想定して画像をシフトさせ中

11

低軌道デブリ観測装置

あらゆる方向と速度を想定して画像をシフトさせ中央値をとるという処理を行い暗いデブリを検知する。

(7)

NASA LMT で検出された低軌道物体の明るさ NASA,LMT で検出された低軌道物体の明るさ

12

撮像素子候補撮像素子候補

• センサ

– イメージインテンシファイアー（I.I.）

– CMOS CMOS イメージセンサイメジセンサ

• 構造

– 電子増倍機能を持つ撮像素子をＲ・Ｇ・Ｂごとに３枚搭載する。（五藤光学研究所が「スーパー超高感度カメラ（ NC-R550a ）で実現）

13

(8)

イメージインテンシファイアー（ I I ）イメージインテンシファイアー（ I.I. ）

• I I を宇宙で使用する利点

• I.I. を宇宙で使用する利点

–

高い電子増倍(~5×10⁵

)能力をもち、放射線に強く、10年のミッション

でも劣化しない。

–

光電面をうまく作れば、常温でも暗電流がほとんど出ない。

–

高圧を必要とするが電流がμA程度なので電力消費がすくない。

• 問題点点

–

誤って強い光を撮影するとセンサの寿命が短くなる。

CC

^{テパーファイバー}

CCD

^{テパファイバ}

14 14

70mmĭ I.I.

飛跡読み取りシステム鉄の飛跡

超高感度非冷却 CMOS イメージセンサ超高感度非冷却 CMOS イメージセンサ

• 最新の研究成果により、最新の研究成果により、 CMOS CMOS イメージセンイメジセンサでも以下の特徴を有するセンサの実用化が進行中

が進行中。

• 高感度・超低ノイズ（ 1 電子以下）

– １０フレーム / 秒、被写体照度 0.03lx において低照度撮影を行った結果、高電子増倍管による超感度撮影を行結果、高電子増倍管る超感度 CCD イメージ ʊ センサを用いたカメラ（ EM － CCDカメラ）よりもノイズ感の少ない映像が得られるという報告がある。

• 広ダイナミックスレンジ（ >80dB)

15

(9)

今後の課題今後の課題

NO. 項目課題

１観測システム代表的なデブリデータ、観測可能時間、デブリ観測数等を考慮し最適な観測システムを検討する。

[検討事項]

観測衛星の最適な軌道要素、搭載位置（シンバルの有無）、通信方式、デブリの見え方（光学等級、視野内での運動）等を明らかにする。

2 小型光学望遠鏡既開発品である全天X線監視装置(MAXI)のCCD読み取り技術やGOSAT搭載カメラ等の技術レベルを基に開発センサの仕様、課題、対処方法を抽出する。

[検討事項]

性能要求：検知サイズ：1mm～10cm（暫定）、フラックス計測、追跡能力、形状、

材質、距離計測

全体：リソース（電力、重量、寸法、データ量）

光学系：望遠鏡の方式（屈折、反射、反射屈折式）、基本構造光学系：望遠鏡の方式（屈折、反射、反射屈折式）、基本構造ノイズ対策：散乱光、月・惑星光による迷光、黄道光、夜光

カメラ系：投光器（レーザ等）の有無、計測波長、CCDのスペック、支持構造環境対策：熱設計、放射線設計（特に部品、レンズ）、コンタミ（アウトガス）

データ処理： CPU性能,データフォーマット、

デタ処理： CPU性能,デタフォマット、

重ね合わせ法用の軌道上画像処理アルゴリズムの検討 3 シミュレーション

ソフトウェアの開発

観測システムの仕様・性能、軌道上物体のカタログデータ等を加味したシミュレーションソフトウェアを開発する。

16 4 開発計画・ミッション

シナリオ検討

フライト品の開発計画の検討、及び衛星への実装方法、検証方法及び効果的なデータ取得のためのミッションシナリオを検討する。

まとめまとめ

z軌道上観測の特徴を生かすことにより、地上観測では実現していない大きさ数 cm 程度までのデブリ観測の可能性について述べた

述べた。

z日本独自のセンサ技術および「重ね合わせ法」の研究成果を z日本独自のセンサ技術および「重ね合わせ法」の研究成果を活用することにより、ユニークな衛星搭載小型光学望遠鏡の開発が可能である。

発が可能である。

17

⏝⪅䛻㐃⤡䛩䜛㐠⏝䠄Joint㻌 Space Operation Center䠄JSpOC䠅᝟ሗ䚸2009 ᖺ 9 ᭶䛛䜙䠅䜢㛤ጞ䛧䛯䚹

⏝⪅䛻㐃⤡䛩䜛㐠⏝䠄Joint㻌 Space Operation Center䠄JSpOC䠅᝟ሗ䚸2009 ᖺ 9 ᭶䛛䜙䠅䜢㛤ጞ䛧䛯䚹

低軌道デブリ観測用搭載

低軌道デブリ観測用搭載 光学センサの検討

光学センサの検討

○松本晴久 1) 、柳沢 俊史 １) 、北澤幸人 2) 、黒 崎 裕 久 1) 1)(独)宇宙航空研究開発機構

2)(独)宇宙航空研究開発機構 客員;㈱IHI

2009年2月のイリジウム コスモス衛星の衝突事故から 衛星同士

）に対する衛星衝突回避マヌーバー（衛星制御運用）の運用を実施 している。さらに、米国においては、衝突の可能性がある場合、各国 の衛星運用者に連絡する運用（Joint Space Operation Center（

の衛星運用者に連絡する運用（Joint Space Operation Center（

JSpOC）情報、2009年9月から）を開始した。

研究の背景（その２）

研究の背景（その２）

• 地上観測でカタログ化されているデブリの大きさは約10cm以上

• 1cm程度までの計測・カタログ化を目指す必要があるが課題が多く 実現には至っていない。

日本では 「重ね合わせ法と いうソフト的技法と用いて 光度で２等

観測システム ( 案 ) 観測システム ( 案 )

800-100km

600km









軌道傾斜角に対する

昇交点赤経の１日の変化量

I

81

,67

,48

180

100

67

検出デブリのサンプル 検出デブリのサンプル

SSC epoch a(km) e i RAAN Ȧ M

510 119 167

5.812 4.849 4.410

7379.95 7202.16 719.99

0.0014 0.0101 0.0092

80.50 66.72 47.84

121.17 149.76 96.28

230.45 78.90 285.69

129.53 282.34 73.36

画像上での飛跡 画像上での飛跡

• カメラの視野 20 °× 20 °、各点は 10 秒間隔

SSC510 i:80.5(1240秒）

SSC119

i:66.72（320秒） SSC167 i:47.84(220

JAXA 低軌道デブリ観測装置で 検出された低軌道物体の明るさ分布

軌道観測の特徴 軌道観測の特徴

• 観測軌道と搭載方法を考慮すること低軌道デブリ

• 観測軌道と搭載方法を考慮すること低軌道デブリ を常時観測することができる。

• 地上観測と軌道上観測の違い

– 反射光の位相角 ：地上 ~90 °に対して軌道 ~0 °である

（有利）

（有利）

– 距離： 地上に比べ軌道は、約 2 倍 （不利）

– 視野通過時間: 視野通過時間: 地上観測に比べ軌道観測時間は長い 地上観測に比 軌道観測時間は長い

（有利）

– スカイバックグランド なし（有利）

観測可能サイズ 観測可能サイズ

Mirror Telescope)

14

16

3

7cm

NASA LMT で検出された低軌道物体の明るさ NASA,LMT で検出された低軌道物体の明るさ

撮像素子候補 撮像素子候補

• センサ

– イメージインテンシファイアー（I.I.）

– CMOS CMOS イメージセンサ イメ ジセンサ

• 構造

– 電子増倍機能を持つ撮像素子をＲ・Ｇ・Ｂごとに３ 枚搭載する。（五藤光学研究所が「スーパー超高 感度カメラ（ NC-R550a ）で実現）

イメージインテンシファイアー（ I I ） イメージインテンシファイアー（ I.I. ）

• I I を宇宙で使用する利点

• I.I. を宇宙で使用する利点

–

)能力をもち、放射線に強く、10年のミッション

–

–

• 問題点 点

低軌道デブリ観測用搭載光学センサの検討

○松本晴久 ¹⁾ 、柳沢俊史 ^１) 、北澤幸人 ²⁾ 、黒崎裕久 ¹⁾ 1)(独)宇宙航空研究開発機構

2)(独)宇宙航空研究開発機構客員;㈱IHI

2009年2月のイリジウムコスモス衛星の衝突事故から衛星同士

）に対する衛星衝突回避マヌーバー（衛星制御運用）の運用を実施している。さらに、米国においては、衝突の可能性がある場合、各国の衛星運用者に連絡する運用（Joint Space Operation Center（

• 1cm程度までの計測・カタログ化を目指す必要があるが課題が多く実現には至っていない。

日本では「重ね合わせ法というソフト的技法と用いて光度で２等

検出デブリのサンプル検出デブリのサンプル

画像上での飛跡画像上での飛跡

JAXA 低軌道デブリ観測装置で検出された低軌道物体の明るさ分布

軌道観測の特徴軌道観測の特徴

• 観測軌道と搭載方法を考慮すること低軌道デブリを常時観測することができる。

– 反射光の位相角：地上 ~90 °に対して軌道 ~0 °である

– 距離：地上に比べ軌道は、約 2 倍（不利）

– 視野通過時間: 視野通過時間: 地上観測に比べ軌道観測時間は長い地上観測に比軌道観測時間は長い

– スカイバックグランドなし（有利）

観測可能サイズ観測可能サイズ

撮像素子候補撮像素子候補

– CMOS CMOS イメージセンサイメジセンサ

– 電子増倍機能を持つ撮像素子をＲ・Ｇ・Ｂごとに３枚搭載する。（五藤光学研究所が「スーパー超高感度カメラ（ NC-R550a ）で実現）

イメージインテンシファイアー（ I I ）イメージインテンシファイアー（ I.I. ）

• 問題点点

飛跡読み取りシステム鉄の飛跡

超高感度非冷却 CMOS イメージセンサ超高感度非冷却 CMOS イメージセンサ

• 最新の研究成果により、最新の研究成果により、 CMOS CMOS イメージセンイメジセンサでも以下の特徴を有するセンサの実用化が進行中

今後の課題今後の課題

まとめまとめ

z軌道上観測の特徴を生かすことにより、地上観測では実現していない大きさ数 cm 程度までのデブリ観測の可能性について述べた

z日本独自のセンサ技術および「重ね合わせ法」の研究成果を z日本独自のセンサ技術および「重ね合わせ法」の研究成果を活用することにより、ユニークな衛星搭載小型光学望遠鏡の開発が可能である。