JP2023113516A - 月周回衛星 - Google Patents

Abstract

【課題】人工衛星による月の観測を可能にする。【解決手段】月周回衛星１００は、傾斜楕円軌道を飛翔して月１９１を周回する。月周回衛星１００は合成開口レーダと推進装置を備える。前記合成開口レーダは、月周回衛星１００が南極の近傍を通過する度に、南極点の手前から南極点の先までの範囲に電波を照射して南極の一部を観測する。前記推進装置は、月周回衛星１００が月１９１の赤道上空を通過する度に、月周回衛星１００に推進力を与えて前記傾斜楕円軌道の軌道面を月１９１の南北軸回りに回転移動させる。【選択図】図４

Description

本開示は、月周回衛星に関するものである。

諸外国の月探査計画が加速しており、月を周回するための拠点となるＧａｔｅｗａｙの整備も計画されている。
月の南極域に拠点となる月面基地を構築する構想があり、南極域の地形図を作成する必要がある。
太陽光を反射する領域では、光学観測装置を使って視線ベクトルが異なる２つの画像（ステレオペア画像）を取得することが可能である。そして、ステレオペア画像を使ってＤＥＭを生成することが可能である。ＤＥＭは、Ｄｉｇｉｔａｌ Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌの略称である。
しかしながら、南極での太陽光反射による光学観測では、光量が不足するため地形図の作成が難しい。また、影が長く伸びるため、ステレオペア画像の対応点のマッチングにおいて誤検出が多発する。

光学観測装置を用いずに地形図を作成する手法として、合成開口レーダを用いる手法がある。合成開口レーザを用いることにより、日照条件に依存せずに地形図を作成することが可能となる。
しかしながら、極軌道において月を周回する衛星では、合成開口レーザによる斜視観測において極域上空の通過時に極域がオフナディア角と呼ばれる視野から死角となる。そのため、肝心な極域を監視することができない。

特許文献１は、複数の観測衛星群を用いて地球の目標地域を観測するためのシステムを開示している。

特開２００８－１２６８７６号公報

本開示は、人工衛星による月の観測を可能にすることを目的とする。

本開示の月周回衛星は、傾斜楕円軌道を飛翔して月を周回する。
前記月周回衛星は、合成開口レーダと、推進装置と、を備え、
前記合成開口レーダは、前記月周回衛星が前記月の南極と前記月の北極のうちの一方の極域の近傍を通過する度に、前記一方の極域の極点の手前から前記一方の極域の前記極点の先までの範囲に電波を照射して前記一方の極域の一部を観測し、
前記推進装置は、前記月周回衛星が前記月の赤道の上空を通過する度に、前記月周回衛星に推進力を与えて前記傾斜楕円軌道の軌道面を前記月の南北軸回りに回転移動させる。

本開示によれば、人工衛星による月の観測が可能になる。

実施の形態１における月周回衛星１００を示す図。 実施の形態１における月周回衛星１００の構成図。 実施の形態１における月周回衛星１００からの観測の様子を示す図。 実施の形態１における月周回衛星１００が向きの異なる軌道から観測を行う様子を示す図。 実施の形態１における月周回衛星１００の座標系を示す図。 実施の形態１における月周回衛星１００が姿勢を変えた様子を示す図。 実施の形態１における月周回衛星１００が向きの異なる軌道から観測を行う様子を示す図。 実施の形態２における月周回衛星１０１を示す図。 実施の形態２における月周回衛星１０１の構成図。 実施の形態２における月１９１と地球１９２と太陽１９３の関係を示す図。

実施の形態および図面において、同じ要素または対応する要素には同じ符号を付している。説明した要素と同じ符号が付された要素の説明は適宜に省略または簡略化する。

実施の形態１．
月周回衛星１００について、図１から図７に基づいて説明する。
以下の説明において、「南極」と「北極」は互いに読み替えても構わない。南極と北極は２つの極域である。極域は極地ともいう。南極点と北極点は２つの極点である。

＊＊＊構成の説明＊＊＊
図１に、月周回衛星１００を示す。
月周回衛星１００は、月１９１を周回する人工衛星である。
点線は、月周回衛星１００が飛翔する軌道を示している。
破線は、南極と北極を通る軸（南北軸）を示している。
一点鎖線は、赤道を示している。

図２に基づいて、月周回衛星１００の構成を説明する。
月周回衛星１００は、合成開口レーダ１１１と、推進装置１１２と、姿勢制御装置１１３と、通信装置１１４と、衛星制御装置１１５と、を備える。

合成開口レーダ１１１は、電波を利用する観測装置である。観測対象は、月１９１の地表面（特に南極および北極）である。合成開口レーダ１１１はＳＡＲとも呼ばれる。
合成開口レーダ１１１は、電波を観測対象に向けて照射して観測対象に反射して戻ってくる電波を受信することで、観測対象を観測する。電波が照射されたときから電波が受信されたときまでの時間に基づいて、観測対象までの距離が計測される。
合成開口レーダ１１１によって得られたデータ（観測データ）を処理することにより、観測対象が映った画像（画像データ）が得られる。
月周回衛星１００は、観測データを処理して画像データを生成する装置（データ処理装置）を備えてもよい。データ処理装置は処理回路を備える。

推進装置１１２は、月周回衛星１００に推進力を与える装置であり、月周回衛星１００の速度を変化させる。
具体的な推進装置１１２は電気推進機である。例えば、推進装置１１２は、イオンエンジンまたはホールスラスタである。
月周回衛星１００に対して特定の方向に推進力を与えることにより、月周回衛星１００の軌道面の向きを調整することができる。

姿勢制御装置１１３は、月周回衛星１００の姿勢要素を制御するための装置である。具体的な姿勢要素は、姿勢および角速度である。
姿勢制御装置１１３は、各姿勢要素を所望の方向に変化させる。もしくは、姿勢制御装置１１３は、各姿勢要素を所望の方向に維持する。姿勢制御装置１１３は、姿勢センサとアクチュエータとコントローラとを備える。姿勢センサは、ジャイロスコープ、地球センサ、太陽センサ、スター・トラッカ、スラスタおよび磁気センサなどである。アクチュエータは、姿勢制御スラスタ、モーメンタムホイール、リアクションホイールおよびコントロール・モーメント・ジャイロ等である。コントローラは、姿勢センサの計測データまたは地上システムからの各種コマンドにしたがって、アクチュエータを制御する。
姿勢制御装置１１３は、合成開口レーダ１１１の視野方向を変更するための装置として使用することができる。

通信装置１１４は、地上システムまたは他の人工衛星と通信するための装置である。
例えば、通信装置１１４は、地上システムからの各種コマンドを受信する。また、通信装置１１４は、観測データ（または画像データ）を地上システムへ送信する。

衛星制御装置１１５は、月周回衛星１００の各装置を制御するコンピュータであり、処理回路を備える。
例えば、衛星制御装置１１５は、地上システムからの各種コマンドにしたがって、各装置を制御する。

処理回路について説明する。
処理回路は、専用のハードウェアであってもよいし、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサであってもよい。
処理回路において、一部の機能が専用のハードウェアで実現されて、残りの機能がソフトウェアまたはファームウェアで実現されてもよい。つまり、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせで実現することができる。
専用のハードウェアは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡまたはこれらの組み合わせである。
ＡＳＩＣは、Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔの略称である。
ＦＰＧＡは、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙの略称である。

＊＊＊動作の説明＊＊＊
図３から図７に基づいて、月周回衛星１００の動作を説明する。
図３は、月周回衛星１００が南極を観測する様子を示している。
「Ｈ」は、月周回衛星１００が飛翔する軌道の高度（軌道高度）を示している。
「Φｉ」は、月周回衛星１００が飛翔する軌道の傾斜角（軌道傾斜角）を示している。
「θ」は、合成開口レーダ１１１から照射される電波のオフナディア角を示している。「θｍｉｎ」は、最小のオフナディア角である。「θｍａｘ」は、最大のオフナディア角である。
網掛けは、合成開口レーダ１１１が電波を照射した場合に電波が照射される範囲を示している。

月周回衛星１００は、傾斜楕円軌道を飛翔して月１９１を周回する。
月周回衛星１００が南極近傍を通過するとき、合成開口レーダ１１１は、南極の地表面に向けて電波を照射し、反射波を受信する。つまり、傾斜楕円軌道の各地点のうち南極に最も近い地点を月周回衛星１００が通過するとき、合成開口レーダ１１１は軌道高度Ｈから南極の一部を観測する。
電波が照射される範囲は、南極点の手前から南極点の先までである。つまり、オフナディア角θｍｉｎにおいて、電波は南極点よりも手前に照射される。また、オフナディア角θｍａｘにおいて、電波は南極点よりも遠方に照射される。

月周回衛星１００が傾斜楕円軌道上の赤経近傍を通過するとき、推進装置１１２は動作する。つまり、月周回衛星１００が赤道上空を通過するとき、推進装置１１２は動作する。
これにより、軌道面の法線ベクトルが月１９１の経度方向に回転する。つまり、軌道面が南北軸回りに回転移動する。これが繰り返されることにより、軌道面が南北軸回りに３６０度回転する。

図４は、南北軸回りに１８０度向きが異なる２つの傾斜楕円軌道からの観測の様子を示している。
月周回衛星１００が赤道上空を通過する度に推進装置１１２が動作する。そして、月周回衛星１００が南極近傍を通過する度に合成開口レーダ１１１は電波を照射して観測を行う。これにより、南極点の周囲３６０度が観測される。

図５に、月周回衛星１００の座標系を示す。
Ｚ軸は、月周回衛星１００から月１９１の中心への方向（中心方向）を示す。
Ｘ軸は、月周回衛星１００の飛行方向を示す。
Ｙ軸は、Ｚ軸とＸ軸とに直交する方向を示す。

姿勢制御装置１１３は、月周回衛星１００の姿勢をＺ軸回りに１８０度回転させる。つまり、姿勢制御装置１１３は、月１９１の中心方向を軸にして月周回衛星１００の姿勢を１８０度回転させる。
これにより、合成開口レーダ１１１から照射される電波の方向がＺ軸回りに１８０度回転する。つまり、月１９１の中心方向を軸にして観測方向が１８０度回転する。

図６は、月周回衛星１００が北極を観測する様子を示している。
月周回衛星１００が北極近傍を通過するとき、合成開口レーダ１１１は、北極の地表面に向けて電波を照射し、反射波を受信する。つまり、傾斜楕円軌道の各地点のうち北極に最も近い地点を月周回衛星１００が通過するとき、合成開口レーダ１１１は軌道高度Ｈから北極の一部を観測する。
電波が照射される範囲は、北極点の手前から北極点の先までである。つまり、オフナディア角θｍｉｎにおいて、電波は北極点よりも手前に照射される。また、オフナディア角θｍａｘにおいて、電波は北極点よりも遠方に照射される。

月周回衛星１００が傾斜楕円軌道上の赤経近傍を通過するとき、推進装置１１２は動作する。つまり、月周回衛星１００が赤道上空を通過するとき、推進装置１１２は動作する。
これにより、軌道面の法線ベクトルが月１９１の経度方向に回転する。つまり、軌道面が南北軸回りに回転移動する。これが繰り返されることにより、軌道面が南北軸回りに３６０度回転する。

図７は、南北軸回りに１８０度向きが異なる２つの傾斜楕円軌道からの観測の様子を示している。
月周回衛星１００が赤道上空を通過する度に推進装置１１２が動作する。そして、月周回衛星１００が北極近傍を通過する度に合成開口レーダ１１１は電波を照射して観測を行う。これにより、北極点の周囲３６０度が観測される。

＊＊＊実施の形態１の効果＊＊＊
実施の形態１は傾斜軌道を採用する。これにより、南極上空を通過時に軌道傾斜角分の離角が飛翔位置に設けられる。そして、軌道面の最南端を起点とするオフナディア角θの範囲（最小角度と最大角度の間）に南極が位置することを条件として、飛翔方向に延びて南極を含む帯状の観測情報を取得することができる。
さらに、月１９１の赤道面を通過時に推進装置１１２が動作し、月１９１の経度方向において軌道面が月１９１の南北軸回りに回転する。これにより、経度方向の位置をずらして複数の方向から地形図の情報を取得することができる。つまり、南極を含む帯状の観測情報を取得することができる。
合成開口レーダ１１１を使って高いクレーターを観測した場合、電波の照射方向において裏側の情報を取得することができない。しかし、軌道面が月の南北軸回りに回転することにより、裏側の情報を網羅することが可能になる。

＊＊＊実施の形態１の解説＊＊＊
人工衛星が光学観測装置を備える場合、光学観測装置によってステレオペア画像が取得される。そして、ステレオペア画像を立体視して月の地形図が作成される。
但し、南極または北極の近傍（極域）では太陽光の入射角が浅いので、極域は暗く、影が長く伸びる。そのため、ステレオペア画像間で対応点を誤認しやすく、極域の地形図の作成が難しい。
人工衛星が合成開口レーダを備える場合、合成開口レーダによって太陽光に依存せずに２次元画像を生成することが可能である。この場合、２次元画像は、距離計測技術を応用して生成される。距離計測技術では、電波が照射され、照射された電波が対象物に反射して返ってくるまでの時間が計測され、計測時刻に基づいて対象物までの距離が算出される。
合成開口レーダが反射電波を直接受信した場合、受信電波の強度が過大となる。そのため、オフナディア角と呼ばれるオフセット角を設けて電波を照射することが一般的である。
極域の地形図を作成するために極軌道が採用されると、極域がオフナディア角の死角となり、極域の画像を生成することができない。
実施の形態１は傾斜軌道を採用する。そして、南極近傍の通過時に、軌道高度Ｈから地表面に向けて電波が照射される。このとき、オフナディア角θｍｉｎにおいて、電波は南極よりも手前に照射される。また、オフナディア角θｍａｘにおいて、電波は南極よりも遠方に照射される。
さらに、月周回衛星１００が赤道上空を通過するとき、推進装置１１２が動作し、軌道面の法線ベクトルが月１９１の経度方向に回転する。これにより、月周回衛星１００が南極上空を飛翔するたびに、南極を含む高緯度地域において電波が照射される場所が変わる。そして、多数周回にわたり合成開口レーダが動作することにより、南極の地形図を作成することができる。
姿勢制御装置１１３は、月１９１の中心方向の軸にして月周回衛星１００の姿勢を１８０度回転させる。これにより、北極付近の地形図を南極の地形図と同様に作成することができる。

実施の形態２．
月周回衛星１０１について、実施の形態１と異なる点を図８から図１０に基づいて説明する。

＊＊＊構成の説明＊＊＊
図８に、月周回衛星１０１を示す。
月周回衛星１０１は、月１９１を周回する人工衛星である。

図９に基づいて、月周回衛星１０１の構成を説明する。
月周回衛星１０１は、光学観測装置１１６と、推進装置１１２と、姿勢制御装置１１３と、通信装置１１４と、衛星制御装置１１５と、を備える。
つまり、月周回衛星１０１は、合成開口レーダ１１１の代わりに光学観測装置１１６を備える。

光学観測装置１１６は、光を利用する観測装置である。観測対象は、月１９１の地表面（特に南極および北極）である。
光学観測装置１１６によって得られたデータ（観測データ）を処理することにより、観測対象が映った画像（画像データ）が得られる。または、光学観測装置１１６が画像データを出力する。

＊＊＊動作の説明＊＊＊
図１０に基づいて、月周回衛星１００の動作を説明する。
図１０は、月１９１と地球１９２と太陽１９３の関係を示している。
月１９１は、自転しながら地球１９２の周りを公転する。
地球１９２は、自転しながら太陽１９３の周りを公転する。

月周回衛星１０１は、極軌道を飛翔して月１９１を周回する。極軌道は、月１９１の南極の上空と月１９１の北極の上空を通過する軌道である。
推進装置１１２は、月周回衛星１０１が月１９１の赤道の上空を通過する度に、動作して月周回衛星１０１に推進力を与える。
これにより、極軌道の軌道面は南北軸回りに回転移動する。具体的には、月周回衛星１０１の軌道面の法線ベクトルが、地球１９２の公転周期と同期して月１９１の南北軸回りに回転する。
つまり、推進装置１１２は、月周回衛星１０１の極軌道が太陽同期軌道になるように制御され動作する。

＊＊＊実施例の説明＊＊＊
月表面において太陽高度が最も高くなる軌道面の法線ベクトルを基準にして、月周回衛星１０１の軌道面の法線ベクトルは、経度方向において月１９１の北極から見て反時計回りに２２．５±７．５ｄｅｇの範囲内で回転した状態を維持する（図１０を参照）。
つまり、月周回衛星１０１の軌道面の法線ベクトルは、月１９１の北極から見て基準ベクトルから反時計回りに１５度から３０度までの範囲内で回転した状態を維持する。基準ベクトルは、太陽高度が最も高い軌道面の法線ベクトルである。
月周回衛星１０１の軌道面は、地球周回衛星におけるＬＳＴ１０：３０±３０分の軌道面に相当する。

但し、月周回衛星１０１の軌道面の法線ベクトルは、月１９１の北極から見て基準ベクトルから時計回りに１５度から３０度までの範囲内で回転した状態を維持してもよい。

＊＊＊実施の形態２の解説＊＊＊
光学観測装置を具備する月周回衛星において、光学観測装置は太陽光の反射を利用して観測対象の情報を取得する。そのため、月周回衛星において光学観測装置により月表面の地形を観測する場合に太陽光が適切な入射角で照射されることが期待される。但し、月の中心を指向しながら月の極軌道を飛翔する月周回衛星において太陽光が光学観測装置に直射すると、光学観測装置が損傷する懸念がある。
太陽同期軌道は、地球の公転と同期して軌道面が回転する軌道である。１年間で地球が太陽の周りを１周公転する間に、太陽同期軌道の軌道面は地球の周りを１周回する。そのため、太陽同期軌道の軌道面に対する太陽光の入射角度は常に一定となる。
例えば、ＬＳＴ１２：００を飛翔する衛星の軌道面は、１年間を通じてＬＳＴ１２：００を維持する。つまり、正午に赤道上空を横切る衛星は四季を通じて毎日正午に赤道上空を横切る。ＬＳＴはＬｏｃａｌ Ｓｕｎ Ｔｉｍｅの略称である。
光学観測装置を具備する地球周回衛星がＬＳＴ１２：００を飛翔すると、日陰の前後で太陽光が光学観測装置の開口部に入射する。また、海洋のように反射率の高い対象を指向して正午に地球周回衛星が赤道上空を横切る場合、直接に反射した太陽光の入射により光学観測装置が損傷するリスクがある。
そこで、光学観測装置を具備する地球周回衛星に対してＬＳＴ１０：３０またはＬＳＴ１３：３０の太陽同期軌道が適用されることが多い。太陽高度が高いので、地表面が明るく、海洋による直接反射を回避でき、日陰の前後における太陽の直視を回避できる。
ＬＳＴ１２：００の軌道面の法線ベクトルを基準とした場合、ＬＳＴ１０：３０の法線ベクトルは、経度方向において北極から見て時計回りに２２．５ｄｅｇ回転した状態になる。また、ＬＳＴ１０：３０の法線ベクトルは、経度方向において北極から見て反時計回りに２２．５ｄｅｇ回転した状態となる。
そこで、地球周回衛星と同様に月周回衛星１０１に太陽同期軌道を採用することが合理的である。太陽同期軌道では、軌道面に対する太陽光の入射角度が常に一定となる。
月周回衛星１０１に対して太陽同期軌道を実現するための条件は、地球１９２の公転周期に同期して月周回衛星１０１の軌道面が月１９１の周りを回転することである。
月１９１が地球１９２の周りを公転しつつ軌道面が地球１９２の公転と同期して回転する。これにより、月周回衛星１０１に対する太陽同期軌道を実現することが可能となる。

なお、洋梨状の形状に起因する重力偏分布の効果に基づいて軌道高度および軌道傾斜角を選択することにより、地球周回衛星の軌道を自然現象のみに依存して太陽同期させることができる。
しかし、月の形状が真球に近い場合には、月周回衛星の軌道を自然現象のみに依存して太陽同期させることが困難である。
そこで、推進装置１１２は、月周回衛星１０１が月１９１の赤道の上空を通過する度に、月周回衛星１０１に推進力を与える。これにより、極軌道の軌道面は月１９１の南北軸回りに回転移動する。具体的には、月周回衛星１０１の軌道面の法線ベクトルが、地球１９２の公転周期と同期して月１９１の南北軸回りに回転する。つまり、推進装置１１２は、月周回衛星１０１の極軌道が太陽同期軌道になるように制御され動作する。

＊＊＊実施の形態の補足＊＊＊
各実施の形態は、好ましい形態の例示であり、本開示の技術的範囲を制限することを意図するものではない。各実施の形態は、部分的に実施してもよいし、他の形態と組み合わせて実施してもよい。

１００ 月周回衛星、１０１ 月周回衛星、１１１ 合成開口レーダ、１１２ 推進装置、１１３ 姿勢制御装置、１１４ 通信装置、１１５ 衛星制御装置、１１６ 光学観測装置、１９１ 月、１９２ 地球、１９３ 太陽。

Claims (5)

1. 傾斜楕円軌道を飛翔して月を周回する月周回衛星であり、
   前記月周回衛星は、合成開口レーダと、推進装置と、を備え、
   前記合成開口レーダは、前記月周回衛星が前記月の南極と前記月の北極のうちの一方の極域の近傍を通過する度に、前記一方の極域の極点の手前から前記一方の極域の前記極点の先までの範囲に電波を照射して前記一方の極域の一部を観測し、
   前記推進装置は、前記月周回衛星が前記月の赤道の上空を通過する度に、前記月周回衛星に推進力を与えて前記傾斜楕円軌道の軌道面を前記月の南北軸回りに回転移動させる
   月周回衛星。
2. 前記月周回衛星は、姿勢制御装置を備え、
   前記姿勢制御装置は、前記月の中心方向を軸にして前記月周回衛星の姿勢を１８０度回転させ、
   前記合成開口レーダは、前記月周回衛星が前記南極と前記北極のうちの他方の極域の近傍を通過する度に、前記他方の極域の極点の手前から前記他方の極域の前記極点の先までの範囲に電波を照射して前記他方の極域の一部を観測する
   請求項１に記載の月周回衛星。
3. 月を周回する月周回衛星であり、
   前記月周回衛星は、
   前記月の地表面を観測する光観測装置と、
   前記月周回衛星に推進力を与える推進装置と、
   を備え、
   前記月周回衛星の軌道面の法線ベクトルは、地球の公転周期と同期して前記月の南北軸回りに回転する
   月周回衛星。
4. 前記軌道面の前記法線ベクトルは、前記月の北極から見て基準ベクトルから時計回りに１５度から３０度までの範囲内で回転した状態を維持し、
   前記基準ベクトルは、太陽高度が最も高い軌道面の法線ベクトルである
   請求項３に記載の月周回衛星。
5. 前記軌道面の前記法線ベクトルは、前記月の北極から見て基準ベクトルから反時計回りに１５度から３０度までの範囲内で回転した状態を維持し、
   前記基準ベクトルは、太陽高度が最も高い軌道面の法線ベクトルである
   請求項３に記載の月周回衛星。

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