フォーメーションフライトによる干渉合成開口レーダー（INSAR）地球観測ミッション東京大学大学院中須賀研究室金色一賢桑田良昭鵜川晋一石川早苗本ミッションの目的合成開口レーダー（SAR）搭載衛星6機を用いて次の3種のミッションを行う  全世界デジタル高度地図作成、極地方3 次元観測 - 高度５７７kmでフォーメーションフライトによるINSARを行う高精度観測・多周波数・超広域観測モードで撮影可能  リアルタイム3次元災害観測 - ひとたび災害が起こると、撮像機会が多い回帰軌道に移行。１日１回以上の撮像が可能  フォーメーションフライト技術立証 - CDGPS計測、無線LANによるクロスリンク、自律分散制御など本ミッションの意義  + + +   衛星からの観測による、実用的な大規模高性能リアルタイム３次元観測への要望は、非常に高いリアルタイム３次元地球観測が求められる分野デジタル標高図（DEM)の作成（cf.毛利さんの実験）地表面の変動観測（地震・火山活動に伴う地殻変動、都市の地盤沈下、地滑り、氷河の移動）建造物（ダム含む）のひずみ検出、土地被覆分類、特徴抽出など今のところ地殻の高度変動等を知るための有効な代替方法が（衛星に限らず）ない→ミッションへの強い要望迅速かつ高頻度な災害観測への期待は特に高い INSARとフォーメーションフライトという２つの新技術の融合により、リアルタイム３次元観測を達成する。合成開口レーダー（SAR： Synthetic Aperture Radar)とは広がりを持った電波ビームを、移動しながら面に当て続け撮像するレーダー（移動距離=光学レンズでいうレンズ径）観測量：地面反射波の強度分布  特徴 o 全天候性、昼夜不問 o 雲など透過性をもつ o 撮像物質を判別できる x 高さ方向の情報はとれない x データ量が膨大 x 真下や斜面の撮像が苦手  図提供：NASDA SAR画像の紹介 ① 衛星ERSが撮像したSAR 画像（解像度12.5ｍ） Singapore Science Center提供 ② 左と同地点を数回に分けて多様な周波数で撮像し（マルチスペクタルモード）、色分けしたＳＡＲ画像 (解像度：20ｍに低下）干渉合成開口レーダー（INSAR：Interferometry SAR）とは  少し離れた場所に置かれたSAR２機、又は２回以上の撮像によるSARデータの位相差を読むことで、高度方向の分解能を持り、３次元観測を行う新しい技術干渉に必要な基線長 INSARの画像の紹介 ① スペースシャトルエンデバーによる、キラウェア火山のSAR画像(NASA 提供） ② 左の画像と対になるＳＡＲ画像を干渉させ色分けした、ＩＮＳＡＲによる3次元等高線表示 ③ さらに②の白枠内を、実際の地形情報を加え演算処理で補正した、デジタル３次元高度地図従来のINSAR手法の問題点今までINSARミッションは、SAR衛星１機又は航空機で実験された ■ 航空機搭載INSAR（機体両脇に２機のSARを搭載） • 衛星に比べ観測範囲が狭い → 大規模観測に未対応 • 衛星に比べ空力的外乱や制御量による誤差大きい • 干渉に十分な基線長、アンテナサイズが確保しにくい • 光学レンズと違い、衛星より地面に近くても解像度は向上しない ■ 衛星1機でのINSAR（日を改めた撮像の重ね合わせ）  きわめて偶発的、実験的にしか撮像ができない  災害観測や雨季の熱帯雨林など、変化が激しい場所つまり撮像要求が高い場所のデータがとれない  １機に２つのSARアンテナの搭載は非常に困難リアルタイムで衛星INSARを行えるシステムが熱望されていフォーメーションフライトによる INSAR手法の提案フォーメーションフライトとは、衛星が編隊飛行をして協調してミッションを遂行する手法である必要基線長500mはフォーメーションフライトに非常に適した間隔である（構造物で軌道上500ｍは困難）  いつでも撮りたいときに常時撮像可能  アンビギュイティ（あいまいさ）激減→従来の欠点解消  ■ フォーメーションフライトによって、単独のSARにもメリットが！ • 多点からの同時観測 → アジマス分解能向上、データ処理改善 • 空間配置性 → 真下や斜面の撮像の不利が消える • 広範囲を同時に観測することもできる •各衛星の周波数を変える→マルチスペクトル観測を一度に行えるフォーメーションフライトならではのその他の多彩な特徴最低１機でも生き残ればミッション続行できる冗長系  軌道移行して、フォーメーションを解体し地球全域に広がるグローバルコンステレーションとすることで、SAR撮像機会を大幅に増加することができる   システムに柔軟性がある（衛星数漸増、故障衛星の交換等）観測方法に選択の幅や可能性をもたせることができたミッションからの要求（１）軌道選定 SARが大電力消費、GPSを利用、地球観測、ノイズ軽減 → 太陽同期、円軌道、低軌道が前提全地球規模での低レート繰り返し観測（ノミナルモード） → 準回帰軌道が有利  一旦災害が起こると、その上空を頻繁に通過する（緊急モード） → 回帰軌道が有利 ⇒ フェーズ合わせ軌道を経由して軌道移行を行う。  移行に必要な⊿Vが最も少ない軌道の組み合わせを選定モード M N T(min) h(km) i (deg) 広域観測 30 15 96.21 577.2 97.7 災害観測 1 15 96 566.9 97.66 （補足）災害観測軌道への移行災害が起こったとき、そこを撮像可能な回帰軌道に素早く移行することが可能であることを示した。 ■ 要求条件 • 災害発生から1日以内に目標点上空を通過 • できるだけ燃料消費を少なくする ■ 軌道移行の方法フォーメーションフライト → Hohman移行＋フェーズ合わせ軌道 → 災害観測軌道（回帰軌道） →Hohman移行 →元に戻る ■ 軌道選択のパラメータ • 災害を軌道上昇時に見るか、下降時に見るか • 首振り角の変化（２０°～４０°,－２０°～－４０°） • フェーズ合わせ軌道滞在時間（長いほど燃料消費減） ■ 結論 •移行のタイミングが最悪でも、３５～４０°ずらせば災害観測できる •１日以内でフェーズを合わせる場合、１往復で消費燃料２７ｋｇミッションからの要求（２）フォーメーションの維持通常フォーメーションフライトには莫大な燃料が必要となる。そこで燃料をなるべく消費しないために、レコード盤軌道の利用を考える。  中心軌道（白色）からある規則で少しずれた軌道上の衛星は中心点周りを一定角速度で回転する（レコード盤軌道） • 本ミッションは、この軌道にいながら可能のため、燃料をほとんど消費することなく円形フォーメーションを形成できるレコード盤軌道上の衛星群の動きを地上（上）、レコード盤面に垂直方向（下）から見た図 (補足)フォーメーションフライト誘導方法、隊形維持方法ロケット打ち出し時や軌道変更直後に、レコード盤軌道に誘導する方法、円隊形を保持する方法を考察し、シミュレートした。 ■ CW誘導則（レコード盤軌道に誘導）２‐iｍpulseで予め決められた時間後（ここでは1500秒後）に各衛星の目標位置に移行する。 ■ 自律分散的制御則（円隊形保持用）自分から一番近い両側２衛星の動きに追従した誘導目標を設定し、等間隔を保たせる。 →衝突回避、フォールトトレランス、漸増システムに対応フォーメーション形成シミュレーションミッションからの要求（３）コスト、機数 ■ コスト削減を目指した打ち上げ手法  H2Aロケット使用 → 高度577kmより可載重量5.3t  最初は1度に全機打ち上げ  必要に応じて衛星を徐々に増やすことが可能 ■ 機数への要求 • クロストラック方向に常に基線長（数百ｍ）を保つ必要性 → 最低4機以上必要 • ｎ機では分解能、精度、分散時の撮像レートは最大ｎ倍向上 • 重量と一度にフェアリングに収まる大きさの制限 → トレードオフの結果、６機に決定ミッション要求項目（4）打ち出し機構 ■ 打ち出し機構設計例（強度計算から重量380kg)  打ち出し直後に衛星６機が干渉しない（６０°おき）  H2Aフェアリングいっぱいに配置ミッションからの要求（5）衛星形状への要求 SARとフォーメーションフライトを同時に達成するための衛星形状は、自由度が非常に少ない ■ 打ち出し機構，折りたたみ方法の制限左の全てを満たす衛星  衛星収納時の最大寸法決定形状は下の２通りのみ。（1.7m×1.6m×1.2ｍ）重心中央の右側を選択。  ＳＡＲアンテナ収納に最低３面使用（首振り時慣性モーメント  太陽電池パドル収納に最低１面使用の変化が0.3％→姿勢制 ■ 姿勢軌道制御要求から  １Ｎスラスタ全方位、噴流が当たらない御のデメリットは微小）  重心をなるべく衛星中央にする ■ ＳＡＲミッションから   アンテナ面積をなるべく大きく（S/N比）首振りが出来、パドルが太陽方向を向く ■ 軌道移行から  軌道移行用スラスタに１面使用 →SARアンテナの寸法が 7.2m×1.5ｍに決定衛星展開、首振りの方法ミッションからの要求（6） SARサイジング、通信方法 ■ SARサイジング軌道要素、アンテナ寸法決定 → 3band、20～最大40° の首振り時にINSARが行えるためのパラメータ設定  平均消費電力 2520W  データレート 106Mbps（Xband20°) ～1195Mbps(Lband30°）  空間分解能 2.7～3.8m １回の撮像のデータ量は 1枚あたり最大１０Gbit 程度 ■ 通信方法(例)  Up-Linkには１機に対しSband（オムニアンテナ）で行う  Down-Link方法の一例 ①6機（最大60Gbit）のデータを無線LANで1機に集める ②臼田局にX-band で降ろす共にリンク式は成立災害時など、1機のみダウンリンク、最も近い地上局利用など代替方法が考えられる。  データ加工は地上で行うミッションからの要求（7）特別な搭載機器 ■ フォーメーションフライト用  相対位置精度＜10cm ： CDGPS（2cm）、慣性センサ、スラスタで達成  全機同時クロスリンク：無線LANの宇宙転用（最大2kmで12Mbps）  隊形保持： 1Ｎヒドラジンスラスタ × 8 （直方体の各頂点に配置。PWM制御。ホイールのアンロードにも利用） ■ SAR用  姿勢決定精度：星、太陽、地球センサ利用で5 arcsec達成。ジャイロは安定度0.36 deg/hのものを用いる。  SARデータレコーダ： 250Gbyte（民生品ベース）＝画像約100枚分  SAR処理計算機： 100MIPS程度（宇宙用で存在） ■ 大きな軌道移行  スラスタ 50Nヒドラジンスラスタ×4基衛星システムブロック図設計結果の概要熱、強度計算も行い、ドライ重量が約500kgとなる設計が完了している。  1機搭載可能燃料が約300kg（→災害観測ミッション平均1０回可能）  衛星の総重量が800ｋg→ペイロード総重量5.2t（H2Aで1回の打ち上げが可能）  高度地図作成ミッションの寿命 5年程度  総コスト450億円、開発期間4年が目標  ミッションイメージ画像まとめ全世界的規模の高精度デジタル高度マップの生成と、リアルタイムな災害観測という２つのミッションを、複数衛星の協調により達成できることを示した。  技術面、コスト面でのフィージビリティも確認した。  日本主導で、世界へ貢献できるプロジェクトとして強く提案したい。 