JP2023155474A - デブリ除去衛星、地上設備、デブリ除去制御装置、および、デブリ除去制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】密集軌道あるいは密集領域へのデブリの侵入を防止することを目的とする。【解決手段】デブリ除去衛星３００は、デブリを６自由度拘束して捕獲する捕獲装置１３５と、化学推進方式のスラスタ３４１と、化学燃料を格納する推薬タンク３４２と太陽センサ３３１と、複数のスラスタを備えた推進装置とを備える。捕獲装置１３５は、複数のスラスタのうち最大噴射能力を持つスラスタ３４１ａの噴射方向と反対方向に配置され、太陽センサ３３１は、指向方向が最大噴射能力を持つスラスタ３４１ａの噴射ベクトルから傾いている。太陽センサ３３１を太陽指向する姿勢とすると、デブリ除去衛星３００は極域において減速用スラスタが軌道面内の軌道逆方向に噴射することになる。よって、推進系の効率が高くなる。【選択図】図１３

Description

本開示は、宇宙空間のデブリを除去するデブリ除去衛星、地上設備、デブリ除去制御装置、および、デブリ除去制御方法に関する。

近年、故障により制御不能となった人工衛星、あるいは、ロケットの残骸といったスペースデブリが増加し、その回収が課題となっている。
また、宇宙空間のデブリ増加に加えて、数百から数千機に及ぶ大規模衛星コンステレーションの構築が始まり、軌道上の衝突事故のリスクが高まっている。このような大規模衛星コンステレーションは、メガコンステレーションと呼ばれる。
衝突回避のために、軌道上のミッション終了後の軌道離脱（ＰＭＤ）あるいは故障した衛星、および浮遊するロケット上段といったデブリをデブリ除去衛星といった外的手段により軌道離脱させるＡＤＲの必要性が訴求されている。また、このようなＡＤＲの必要性について、ＳＴＭとして国際的な議論が始まっている。なお、ＰＭＤは、Ｐｏｓｔ Ｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｏｓａｌの略語である。ＡＤＲは、Ａｃｔｉｖｅ Ｄｅｂｒｉｓ Ｒｅｍｏｖａｌの略語である。ＳＴＭは、Ｓｐａｃｅ Ｔｒａｆｆｉｃ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔの略語である。

メガコンステレーションの登場に伴う宇宙物体数の増加と、デブリの増加に伴い、宇宙物体の衝突リスクが高くなっている。特に、地球観測用光学衛星が多用する太陽同期軌道ＬＳＴ（Ｌｏｃａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｉｍｅ）１０：３０近傍かつ軌道高度５００ｋｍから８００ｋｍ程度の軌道は、複数国および複数事業者の衛星がひしめく密集軌道である。この密集軌道にデブリが侵入すると、衝突リスクが高くなる。
また、極軌道を用いた衛星コンステレーションでは、全ての軌道面の衛星が極域を通過する。よって、極域およびその周辺の高緯度地域が密集領域となる。そして、その密集軌道にデブリが侵入すると、衝突リスクが高くなる。
これらの密集軌道および密集領域においては衝突回避機能を持たない衛星が存在するため、一部の衛星だけが衝突回避行動をとると、近傍の別の衛星に衝突するリスクもある。

特許文献１には、タンブルあるいは回転しているスペースデブリを捕獲する技術が開示されている。

特開２０１２－２３６５９１号公報

特許文献１には、ロープ状の物体でデブリを捕獲し、捕獲したデブリを牽引する牽引人工衛星が開示されている。しかし、デブリが密集軌道に侵入する危険性については考慮されていない。

本開示は、主に、密集軌道あるいは密集領域へデブリが侵入することを防止するデブリ除去衛星を提供することを目的とする。

本開示に係るデブリ除去衛星は、
宇宙空間におけるデブリを捕獲し、混雑軌道領域への侵入を阻止する。
デブリ除去衛星は、
デブリを６自由度拘束して捕獲する捕獲装置と、
太陽センサと、
複数のスラスタを備えた推進装置と
を備え、
前記捕獲装置は、
前記複数のスラスタのうち最大噴射能力を持つスラスタの噴射方向と反対方向に配置され、
前記太陽センサは、指向方向が前記最大噴射能力を持つスラスタの噴射ベクトルから傾いている。

本開示に係るデブリ除去衛星では、宇宙空間におけるデブリを捕獲し、混雑軌道領域への侵入を阻止し、デブリを６自由度拘束して捕獲する捕獲装置と、太陽センサと、複数のスラスタを備えた推進装置とを備え、捕獲装置が、複数のスラスタのうち最大噴射能力を持つスラスタの噴射方向と反対方向に配置され、太陽センサは、指向方向が最大噴射能力を持つスラスタの噴射ベクトルから傾いている。このように、太陽センサを太陽指向する姿勢とすると、デブリ除去衛星は極域において減速用スラスタが軌道面内の軌道逆方向に噴射することになる。よって、推進系の効率が高くなるという効果を奏する。

地上に対し、複数衛星が連携して地球の全球に亘り通信サービスを実現する例。 単一軌道面の複数衛星が地球観測サービスを実現する例。 極域近傍で交差する複数の軌道面を有する衛星コンステレーションの例。 極域以外で交差する複数の軌道面を有する衛星コンステレーションの例。 実施の形態１に係るデブリ除去システムの構成図。 実施の形態１に係るデブリ除去衛星の構成図。 実施の形態１に係るデブリ除去衛星を用いたデブリ除去方法のフロー図。 実施の形態１に係るデブリ除去衛星において捕獲対象デブリを捕獲した状態の３面模式図。 実施の形態１に係る太陽センサの取付例。 実施の形態１に係るデブリ除去衛星のデブリ捕獲後の推進動作例。 実施の形態１に係るデブリ除去衛星において、ＬＳＴ１１：００程度を想定して若干太陽方向が面外にずれた例。 実施の形態１に係るデブリ除去衛星において、ＬＳＴ１１：００程度を想定して若干太陽方向が面外にずれた例。 実施の形態１の変形例に係るデブリ除去衛星のデブリ捕獲後の推進動作例。 実施の形態１の変形例に係るデブリ除去衛星のデブリ捕獲後の推進動作例。 実施の形態１の変形例に係るデブリ除去システムの構成図。 実施の形態２に係るデブリ捕獲状態のデブリ除去衛星において、進行方向である＋Ｚ方向に対して反転する手順の例。 実施の形態２に係るデブリ捕獲状態のデブリ除去衛星において、回転動作を抑止する手順の例。 実施の形態２に係るデブリ除去衛星において、不要な回転を発生させない手順の例。 実施の形態３に係るデブリ除去衛星において捕獲対象デブリを捕獲した状態の２面模式図。

以下、本開示の実施の形態について、図を用いて説明する。なお、各図中、同一または相当する部分には、同一符号を付している。実施の形態の説明において、同一または相当する部分については、説明を適宜省略または簡略化する。また、以下の図面では各構成の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、実施の形態の説明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「後」、「表」、「裏」といった方向あるいは位置が示されている場合がある。それらの表記は、説明の便宜上、そのように記載しているだけであって、装置、器具、あるいは部品といった構成の配置および向きを限定するものではない。

実施の形態１．
デブリ除去衛星がデオービットする過程において、低軌道の混雑軌道、あるいは、極域周辺の密集領域を通過する場合、偏在的に衝突リスクが高くなる。低軌道の混雑軌道とは、例えば、太陽同期ＬＳＴ１０：３０近傍、かつ、高度５００ｋｍから８００ｋｍ程度の軌道である。極域周辺の密集領域とは、極域およびその周辺の高緯度地域である。
以下の説明において、太陽同期軌道ＬＳＴ１１：００近傍かつ高度１０００ｋｍ程度の軌道あるいは極域を含む極域周辺の密集領域を、混雑軌道領域Ｒｃと呼ぶ。混雑軌道領域Ｒｃは、衛星コンステレーションを形成する複数の衛星により混雑する軌道または領域である。

ここで、衛星コンステレーションの具体例について説明する。

図１は、地上に対し、複数衛星が連携して地球７０の全球に亘り通信サービスを実現する例を示す図である。
図１は、全球に亘り通信サービスを実現する衛星コンステレーション２０を示している。
同一軌道面を同一高度で飛行している複数の衛星の各衛星では、地上に対する通信サービス範囲が後続衛星の通信サービス範囲とオーバーラップしている。よって、このような複数の衛星によれば、地上の特定地点に対して、同一軌道面上の複数の衛星が時分割的に交互に交代しながら通信サービスを提供することができる。また、隣接軌道面を設けることにより、隣接軌道間の地上に対する通信サービスを面的に網羅することが可能となる。同様に、地球の周りに多数の軌道面を概ね均等配置すれば、全球に亘り地上に対する通信サービスが可能となる。

図２は、単一軌道面の複数衛星が地球観測サービスを実現する例を示す図である。
図２は、地球観測サービスを実現する衛星コンステレーション２０を示している。図２の衛星コンステレーション２０は、光学センサあるいは合成開口レーダといった電波センサである地球観測装置を具備した衛星が同一軌道面を同一高度で飛行する。このように、地上の撮像範囲が時間遅れで後続衛星がオーバーラップする衛星群３０１では、地上の特定地点に対して軌道上複数の衛星が時分割的に交互に交代しながら地上画像を撮像することにより地球観測サービスを提供する。

このように、衛星コンステレーション２０は、各軌道面の複数の衛星からなる衛星群３０１により構成される。衛星コンステレーション２０では、衛星群３０１が連携してサービスを提供する。衛星コンステレーション２０とは、具体的には、図１に示すような通信事業サービス会社、あるいは、図２に示すような観測事業サービス会社による１つの衛星群から成る衛星コンステレーションを指す。

図３は、極域近傍で交差する複数の軌道面２１を有する衛星コンステレーション２０の例である。また、図４は、極域以外で交差する複数の軌道面２１を有する衛星コンステレーション２０の例である。
図３の衛星コンステレーション２０では、複数の軌道面の各軌道面２１の軌道傾斜角が約９０度であり、かつ、複数の軌道面の各軌道面２１が互いに異なる面に存在する。
図４の衛星コンステレーション２０では、複数の軌道面の各軌道面２１の軌道傾斜角が約９０度ではなく、かつ、複数の軌道面の各軌道面２１が互いに異なる面に存在する。

図３の衛星コンステレーション２０では、任意の２つの軌道面が極域近傍の地点で交差する。また、図４の衛星コンステレーション２０では、任意の２つの軌道面が極域以外の地点で交差する。図３では、極域近傍において、衛星３０の衝突が発生する可能性がある。また、図４に示すように、軌道傾斜角が９０度よりも傾斜している複数の軌道面の交点は軌道傾斜角に応じて極域から離れていく。また、軌道面の組合せによって赤道近傍を含む多様な位置で軌道面が交差する可能性がある。このため、衛星３０の衝突が発生する可能性のある場所が多様化する。以下の説明では、衛星３０を人工衛星と呼ぶ場合もある。

混雑軌道領域Ｒｃのように偏在的に衝突リスクが高くなる領域におけるデオービットについては、現在議論されているＰＭＤあるいはＡＤＲといった軌道離脱行為の規定だけでは不十分である。大気圏突入までのデオービット過程において、偏在リスクの高い領域を回避して降下する軌道降下時能動的制御運用が必要となる。このような軌道降下時能動的制御運用を、アクティブデオービット運用と呼ぶ。デオービット過程で運用制御して、軌道面、高度、および、変更実施時期等をコントロールすることにより、衝突が回避可能となる。

また、デブリが、混雑軌道領域Ｒｃに侵入しないようにコントロールする必要がある。本実施の形態では、混雑軌道領域Ｒｃに侵入する前にデブリを除去するデブリ除去衛星について説明する。

デブリが混雑軌道領域Ｒｃに侵入することを警告するデブリ侵入警報が発令されてから、デブリ除去衛星を整備したのでは手遅れになる。このため、予めデブリ除去衛星の完成品を作り置き、緊急時にデブリ除去衛星を即応的に打ち上げることが合理的である。通常、衛星の設計は、投入する軌道条件に応じて、電源パドル系の設計あるいは熱設計が異なる。このため、衛星の完成品の作り置きは難しい。
本実施の形態では、衝突危険度の高い混雑軌道領域Ｒｃが太陽同期軌道の特定エリアと極域に集中していることを踏まえ、双方に対して同一設計のデブリ除去衛星で対応することを可能とする。

＊＊＊構成の説明＊＊＊
図５は、本実施の形態に係るデブリ除去システム５００の構成を示す図である。
図６は、本実施の形態に係るデブリ除去衛星３００の構成を示す図である。
デブリ除去システム５００は、地上設備６００であるデブリ除去制御装置１００と、デブリ除去衛星３００とを備える。

デブリ２００は、具体的には、故障して制御不能となった人工衛星、ミッションを終えた人工衛星、あるいは、ロケットの残骸といった物体である。以下の説明では、デブリ除去衛星３００が捕獲する対象のデブリを捕獲対象デブリ２０１とする。

デブリ除去衛星３００は、宇宙空間におけるデブリ２００を除去する衛星である。デブリ除去衛星３００は、デブリ除去制御装置１００と通信する。デブリ除去衛星３００とデブリ除去制御装置１００とは、デブリ除去制御装置１００の機器通信装置９５０と、デブリ除去衛星３００の衛星通信装置１３１とを介して通信する。

デブリ除去制御装置１００は、地上に設置された設備であり、デブリ除去衛星３００を運用制御する。例えば、デブリ除去制御装置１００は、地上アンテナ装置、地上アンテナ装置に接続された通信装置、あるいは電子計算機といった地上局と、地上局にネットワークで接続されたサーバあるいは端末としての地上設備から構成されてもよい。また、デブリ除去制御装置１００は、航空機、自走車両、あるいは移動端末といった移動体に搭載された通信装置を含んでもよい。デブリ除去制御装置１００は、デブリ除去衛星３００を制御し、ロケット残骸あるいは故障衛星といったデブリを回収および除去する装置である。デブリ除去制御装置１００は、地上装置、あるいは地上設備６００ともいう。

デブリ除去制御装置１００は、コンピュータを備える。デブリ除去制御装置１００は、プロセッサ９１０を備えるとともに、メモリ９２１、補助記憶装置９２２、入力インタフェース９３０、出力インタフェース９４０、および機器通信装置９５０といった他のハードウェアを備える。プロセッサ９１０は、信号線を介して他のハードウェアと接続され、これら他のハードウェアを制御する。

デブリ除去制御装置１００は、機能要素として、制御部１１０を備える。制御部１１０の機能は、ハードウェアあるいはソフトウェアにより実現される。

プロセッサ９１０は、デブリ除去プログラムを実行する装置である。デブリ除去プログラムは、制御部１１０の機能を実現するプログラムである。
プロセッサ９１０は、演算処理を行うＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）である。プロセッサ９１０の具体例は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）である。

メモリ９２１は、データを一時的に記憶する記憶装置である。メモリ９２１の具体例は、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、あるいはＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）である。
補助記憶装置９２２は、データを保管する記憶装置である。補助記憶装置９２２の具体例は、ＨＤＤである。また、補助記憶装置９２２は、ＳＤ（登録商標）メモリカード、ＣＦ、ＮＡＮＤフラッシュ、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ブルーレイ（登録商標）ディスク、ＤＶＤといった可搬記憶媒体であってもよい。なお、ＨＤＤは、Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅの略語である。ＳＤ（登録商標）は、Ｓｅｃｕｒｅ Ｄｉｇｉｔａｌの略語である。ＣＦは、ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ（登録商標）の略語である。ＤＶＤは、Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋの略語である。

入力インタフェース９３０は、マウス、キーボード、あるいはタッチパネルといった入力装置と接続されるポートである。入力インタフェース９３０は、具体的には、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）端子である。なお、入力インタフェース９３０は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）と接続されるポートであってもよい。

出力インタフェース９４０は、ディスプレイといった出力機器のケーブルが接続されるポートである。出力インタフェース９４０は、具体的には、ＵＳＢ端子またはＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）端子である。ディスプレイは、具体的には、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）である。

機器通信装置９５０は、レシーバとトランスミッタを有する。機器通信装置９５０は、具体的には、通信チップまたはＮＩＣ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｃａｒｄ）である。デブリ除去制御装置１００は、機器通信装置９５０を介して、デブリ除去衛星３００あるいはその他の装置との通信を行う。

デブリ除去プログラムは、プロセッサ９１０に読み込まれ、プロセッサ９１０によって実行される。メモリ９２１には、デブリ除去プログラムだけでなく、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）も記憶されている。プロセッサ９１０は、ＯＳを実行しながら、デブリ除去プログラムを実行する。デブリ除去プログラムおよびＯＳは、補助記憶装置９２２に記憶されていてもよい。補助記憶装置９２２に記憶されているデブリ除去プログラムおよびＯＳは、メモリ９２１にロードされ、プロセッサ９１０によって実行される。なお、デブリ除去プログラムの一部または全部がＯＳに組み込まれていてもよい。

デブリ除去制御装置１００は、プロセッサ９１０を代替する複数のプロセッサを備えていてもよい。これら複数のプロセッサは、デブリ除去プログラムの実行を分担する。それぞれのプロセッサは、プロセッサ９１０と同じようにデブリ除去プログラムを実行する装置である。

デブリ除去プログラムにより利用、処理または出力されるデータ、情報、信号値および変数値は、メモリ９２１、補助記憶装置９２２、または、プロセッサ９１０内のレジスタあるいはキャッシュメモリに記憶される。

制御部１１０の「部」を「処理」、「手順」あるいは「工程」に読み替えてもよい。また制御処理の「処理」を「プログラム」、「プログラムプロダクト」または「プログラムを記録したコンピュータ読取可能な記憶媒体」に読み替えてもよい。
デブリ除去プログラムは、上記の制御部１１０の「部」を「処理」、「手順」あるいは「工程」に読み替えた各処理、各手順あるいは各工程を、コンピュータに実行させる。また、デブリ除去方法は、デブリ除去制御装置１００がデブリ除去プログラムを実行することにより行われる方法を含む。
デブリ除去プログラムは、コンピュータ読取可能な記録媒体あるいは記憶媒体に格納されて提供されてもよい。また、デブリ除去プログラムは、プログラムプロダクトとして提供されてもよい。

図６を用いて、本実施の形態に係るデブリ除去衛星３００の構成について説明する。
デブリ除去衛星３００は、人工衛星である。デブリ除去衛星３００は、デブリ除去を目的に製造された衛星である。あるいは、デブリ除去衛星３００は、観測衛星、あるいは、通信衛星を兼ねた衛星でもよい。デブリ除去衛星３００は、衛星通信装置１３１、コマンドデータ処理装置１３２、姿勢軌道制御装置１３３、推進装置１３４、捕獲装置１３５、ミッションデータ処理装置１３６、および電源装置１３７といった装置を備える。

捕獲装置１３５は、捕獲対象デブリ２０１を捕獲する装置である。捕獲装置１３５は、例えば、捕獲対象デブリ２０１を６自由度拘束することにより、捕獲対象デブリ２０１を捕獲する。捕獲装置１３５は、捕獲対象デブリ２０１の捕獲状況を表す捕獲データを、他のデブリ除去衛星３００あるいはデブリ除去制御装置１００に送信してもよい。

推進装置１３４は、デブリ除去衛星３００の速度を変化させるための装置である。具体的には、推進装置１３４は、化学推進方式のスラスタ３４１と化学燃料を格納する推薬タンク３４２とを備える。また、推進装置１３４は、電気推進方式のスラスタ３４１と電気推進方式の燃料を格納する推薬タンク３４２とを、さらに備えていてもよい。例えば、推進装置１３４は、ヒドラジンスラスタ、イオンエンジン、またはホールスラスタである。
また、推薬タンク３４２は、捕獲対象デブリ２０１を大気圏まで降下させる量の推薬を格納するタンク容量である。推薬タンク３４２は、自衛星であるデブリ除去衛星３００の動作に必要な推薬に加えて、捕獲対象デブリ２０１を大気圏まで降下させる量の推薬を格納するタンク容量である。

衛星通信装置１３１は、コマンドを受信し、捕獲データを送信するための装置である。コマンドは、地上から送信される信号であり、コマンドデータ処理装置１３２を経由して、データもしくは制御信号として、姿勢軌道制御装置１３３あるいは捕獲装置１３５に伝達される。捕獲データは、捕獲装置１３５が行う捕獲動作を表すデータであり、ミッションデータ処理装置１３６を経由して、衛星通信装置１３１を用いて地上もしくはデータ中継衛星に送信される。例えば、捕獲データは、捕獲対象デブリ２０１の捕獲の状態を表す。

姿勢軌道制御装置１３３は、デブリ除去衛星３００の姿勢および角速度、捕獲装置１３５の向きといった姿勢要素、および、デブリ除去衛星３００の軌道要素を制御するための装置である。姿勢軌道制御装置１３３は、各姿勢要素を所望の方向に変化させる。もしくは、姿勢軌道制御装置１３３は、各姿勢要素を所望の方向に維持する。姿勢軌道制御装置１３３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、姿勢制御に利用される。姿勢センサは、具体的には、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、あるいは磁気センサといったセンサである。本実施の形態では、太陽センサ３３１を備えるものとする。また、太陽センサ３３１に替えて、恒星センサ３３２を用いてもよい。また、太陽センサ３３１と恒星センサ３３２との両方を具備していてもよい。

アクチュエータは、具体的には、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・ジャイロといった機器である。
コントローラは、姿勢センサの計測データまたは地球からの制御コマンドに基づいて制御プログラムを実行することによって、アクチュエータを制御する。

また、姿勢軌道制御装置１３３は、ＧＰＳＲ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ）とコントローラとを備える。具体的には、アクチュエータは、姿勢・軌道制御スラスタである。コントローラは、姿勢センサ、ＧＰＳＲの計測データ、または地球からの制御コマンドに基づいて制御プログラムを実行し、姿勢と推進装置１３４を制御することで、軌道制御を行う。

電源装置１３７は、具体的には、太陽電池、バッテリ、および電力制御装置といった機器を備える。電源装置１３７は、デブリ除去衛星３００に搭載される各機器に電力を供給する。また、電源装置１３７は、太陽電池として、太陽電池パドル３７１を備える。太陽電池パドル３７１は、混雑軌道領域Ｒｃより高い軌道高度の軌道で運用可能である。具体的には、太陽電池パドル３７１は、太陽同期軌道ＬＳＴ１１：００近傍で、かつ、高度１０００ｋｍ程度の軌道で長期運用ができる太陽電池パドルである。

ここで、姿勢軌道制御装置１３３に備わるコントローラの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制御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、具体的には、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。

制御部１１０は、デブリ除去衛星３００に送信する制御コマンド５１を生成する。制御コマンド５１には、例えば、捕獲コマンド５１１と、軌道制御コマンド５１２とが含まれる。

＊＊＊動作の説明＊＊＊
図７を用いて、本実施の形態に係るデブリ除去衛星３００を用いたデブリ除去方法について説明する。

ステップＳ１０１において、デブリ除去衛星３００が予め打ち上げ衛星として作り置きされる。デブリ除去衛星３００の構成は図６で説明した通りである。

ステップＳ１０２において、デブリ侵入警報が発令されたか否かが判定される。デブリ侵入警報が発令されると、ステップＳ１０３に進む。
混雑軌道領域Ｒｃへのデブリ侵入警報は、例えば、衛星軌道の予報値公開情報と、ＳＳＡ事業者が保有するデブリ情報とに基づいて発令される。衛星軌道の予報値公開情報は、混雑軌道を飛翔する衛星事業者から提供される情報である。また、ＳＳＡは、Ｓｐａｃｅ Ｓｉｔｕａｔｉｏｎ Ａｗａｒｅｎｅｓｓの略語である。ＳＳＡ事業者ないし軌道解析サービス事業者は、衛星軌道の予報値公開情報とデブリ情報とに基づいて軌道解析を実施し、混雑軌道へのデブリ侵入が予見された場合にデブリ侵入警報を通報する。

ステップＳ１０３において、推薬タンク３４２に推薬が充電される。
ステップＳ１０４において、デブリ除去衛星３００が、予め打ち上げ用ロケットとして作り置かれていたロケットにより打ち上げられる。

ステップＳ１０５において、デブリ除去衛星３００が、デブリ侵入警報の対象のデブリである捕獲対象デブリ２０１を混雑軌道領域Ｒｃより高い軌道高度において捕獲する。具体的には、デブリ除去衛星３００は、捕獲対象デブリ２０１を６自由度拘束することにより、捕獲対象デブリ２０１を捕獲する。
デブリ捕獲方法としては、小型デブリの捕獲であればロボットアームで把持する方法が有効である。また、大型デブリ捕獲の場合は、親衛星および子衛星でデブリを挟み込む方法が有効である。

ここで、デブリ除去衛星３００によるデブリ捕獲に伴う軌道上姿勢の調整方法の例について説明する。デブリの捕獲装置１３５が適切にデブリを捕獲するために、例えば、ロボットアームで把持する方法が有効である。しかし、把持するのに好適なデブリの部位は限定される場合が多い。デブリ除去衛星３００は、軌道上でランデブと呼ばれる接近と姿勢制御により、デブリにおける把持好適部位に捕獲装置１３５を近づけ、最終的にドッキングするのと同様にデブリを捕獲する。このとき、デブリ除去衛星３００は、デブリを６自由度拘束して固定する。具体的には、デブリ除去衛星３００に具備されたカメラにより、デブリの運動状態、および、デブリを把持する部位を撮像し、視覚的に確認しながら捕獲するのが妥当である。
なお、デブリ捕獲後には、デブリ除去衛星３００において一部のスラスタの噴射口が遮蔽されて使用できない可能性があるため、デブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００の進行方向を反転する必要が生じる可能性が有る。

ステップＳ１０６において、デブリ除去衛星３００が、捕獲対象デブリ２０１を捕獲した状態で推進装置１３４を動作させ、捕獲対象デブリ２０１の混雑軌道領域Ｒｃへの侵入を阻止する。捕獲対象デブリ２０１の混雑軌道領域Ｒｃへの侵入を阻止するとは、捕獲対象デブリ２０１が自由落下により混雑軌道領域Ｒｃへ侵入してしまうのを阻止することを意味する。
その後、デブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００は、衝突を回避しながら捕獲対象デブリ２０１を大気圏まで降下させる。

混雑軌道侵入を阻止する方法として、例えば、アクティブデオービット運用を実施する。アクティブデオービット運用により、推進装置を動作させて軌道高度を変更し、混雑軌道へ侵入する時間を遅延させることにより、混雑軌道面が地軸周りに回転して通過経路から通り過ぎるのを待つ方法が有効である。
また、極および高緯度域へのデブリ侵入警報の通報を受けた場合は、軌道傾斜角を徐々に変更して低緯度方向に移動する方法が有効である。
このように、デブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００は、デブリの混雑軌道領域Ｒｃへの侵入を阻止し、宇宙環境を守ることができるという効果がある。

次に、図８および図９を用いて、本実施の形態に係るデブリ除去衛星３００の構成例について説明する。

図８は、本実施の形態に係るデブリ除去衛星３００において捕獲対象デブリ２０１を捕獲した状態の３面模式図である。

図８では、ロケット打ち上げ時における－Ｚ方向を、デブリ除去衛星３００におけるロケットインタフェース側とした場合、デブリ除去衛星３００は、打ち上げ機軸方向、すなわち＋Ｚ方向に捕獲装置１３５を備える。また、デブリ除去衛星３００は、±Ｘ、±Ｙ、±Ｚ方向に噴射する推進系としてスラスタ３４１を備える。ただし、＋Ｚ方向に噴射する推進系は、デブリ捕獲後に噴射方向が捕獲対象デブリ２０１で遮蔽される可能性がある。

推進装置１３４としては、デブリ侵入警報の発令後の緊急事態では、即効性の高い化学推進方式の採用が合理的である。よって、デブリ除去衛星３００において、自衛星の動作も、デブリ捕獲後の動作も化学推進方式とする場合には、推薬タンク３４２は、自衛星の動作に必要な推薬に加えて捕獲対象デブリ２０１を大気圏まで降下させるための推薬を格納するタンク容量を具備する。

一方、デブリ除去衛星３００を打ち上げて、捕獲対象デブリ２０１を捕獲するまでの動作、および、デブリ侵入警報が発令されていない平時の動作については、電気推進方式の推進装置１３４を採用してもよい。しかしながら、デブリ侵入警報、あるいは、衝突警報が発令された後の緊急事態においては、デブリ除去衛星３００は、化学推進方式による大推力で短時間に軌道あるいは姿勢を変更する能力が必要となる。
したがって、平時の電気推進と緊急時の化学推進を併用する場合には、推薬タンク３４２として、電気推進方式と化学推進方式との各々の推薬タンクを具備することになる。つまり、自衛星の動作に必要な電気推進用の推薬タンクの他に、捕獲対象デブリ２０１を大気圏まで降下させるための化学推薬を格納する推薬タンクを具備することになる。

本実施の形態に係る太陽電池パドル３７１は、例えば、太陽同期軌道ＬＳＴ１１：００近傍で、かつ、高度１０００ｋｍ程度の軌道で長期運用が可能である。太陽電池パドル３７１は、飛翔方向＋Ｚに対して直交する＋Ｘを地球指向して飛翔する場合には、Ｙ軸周りに回動する太陽電池パドルとする。これにより、太陽電池パドル３７１による効果的な電力発生が可能となる。また、別の形態として、デブリ除去衛星３００が、デブリ除去衛星３００の特定の方向が常に太陽指向するように飛翔する場合は、太陽電池パドルを太陽に向けて固定する形態をとることもある。

図９は、本実施の形態に係る太陽センサ３３１の取付例を示す図である。
推進装置１３４は、太陽センサ３３１の視線方向に噴射する噴射口を持つスラスタ３４１を備えている。デブリ除去衛星３００は、デブリ捕獲後に太陽指向して軌道高度を降下させる。

図１０は、本実施の形態に係るデブリ除去衛星３００のデブリ捕獲後の推進動作例を示す図である。
デブリ除去衛星３００において、捕獲装置１３５が動作できる部位の位置あるいは方向が限定される場合がある。このとき、デブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００は、捕獲前のデブリの運動状態あるいは姿勢に応じた方向を向いて、２体結合状態の運動を継続することになる。よって、デブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００は、慣性空間に対して姿勢を見失うリスクがある。宇宙空間において姿勢を喪失した場合、最も効果的な姿勢再確立の手段が太陽センサ３３１による太陽方向の検知と太陽指向による姿勢確立である。

例えば、太陽同期軌道のＬＳＴ１２：００において、－Ｚ方向に太陽センサ３３１が指向し、デブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００の減速をするための主たるスラスタの噴射方向が－Ｚ方向に指向している場合を想定する。
このとき、デブリ除去衛星３００は、太陽センサ３３１で太陽方向を検出し、－Ｚ方向を太陽指向制御して、極軌道を飛翔する軌道において軌道面内で太陽方向に飛翔する際に－Ｚ方向のスラスタを噴射する。これにより、デブリ除去衛星３００は、進行方向に対する逆噴射をしたことになり、減速し、軌道高度が低下する。
また、混雑軌道への侵入リスクがあり、高度を維持する、ないしは再び高度を上昇させる必要がある場合がある。このような場合には、デブリ除去衛星３００は、軌道面内で太陽方向と逆方向に飛翔する際に－Ｚ方向のスラスタを噴射する。これにより、デブリ除去衛星３００は、進行方向に対する正噴射となるので、増速し、軌道高度が上昇する。

密集軌道である太陽同期軌道ＬＳＴ１０：３０近傍、かつ、軌道高度５００ｋｍから８００ｋｍ程度へ侵入する前のデブリを除去するためには、予め当該軌道面の軌道傾斜角を持ち、それよりも軌道高度の高い位置でデブリ除去する必要がある。この軌道傾斜角と軌道高度の組合せでは、軌道面の回転が若干太陽同期軌道よりも遅くなる。このため、軌道面はゆっくりとＬＳＴ１２：００近傍からＬＳＴ９：００方向に回転することになる。

密集軌道の中でＬＳＴ１１：００の軌道面に侵入するデブリを、予めそれよりも高い高度で捕獲するために、デブリ除去衛星３００は、例えば、次のように運用される。
（１）デブリ除去衛星を、ＬＳＴ１１：００よりもＬＳＴ１２：００側の軌道高度１０００ｋｍ程度に打ち上げ、徐々に軌道高度を低下させながら運用する。
（２）（１）により、徐々に軌道面のＬＳＴが１１：００⇒１０：００⇒９：００と回転していくので１０：３０近傍の密集軌道面に侵入しつつあるデブリを予め作り置いた衛星によって除去可能となる。

ＬＳＴ１２：００の軌道面で－Ｚ軸を太陽指向すれば、極域において軌道面内に進行方向の正方向と逆方向が発生する位置関係であった。しかし、ＬＳＴが１２：００から離れるにつれて、太陽方向と軌道面内の進行方向との間に面外方向ベクトルが生じることとなる。
デブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００では、軌道制御の厳密性が要求されるわけではないので、面外方向ベクトル成分を無視して運用しても大きな問題は発生しない。

図１１および図１２は、本実施の形態に係るデブリ除去衛星３００において、ＬＳＴ１１：００程度を想定して若干太陽方向が面外にずれた例である。
図１２に示すように、軌道面が赤道を通過する昇交点および降交点において軌道面と直交方向にスラスタを噴射すると、軌道傾斜角を変更する効果もある。このため、面外成分を利用して、密集軌道面の軌道傾斜角から遠ざけることにより衝突確率を低減する効果もある。

予め作り置いたデブリ除去衛星３００を、予め作り置いたロケットで打ち上げる理由は、緊急事態における即応性を確保するためである。デブリが密集軌道面といった混雑軌道領域Ｒｃに侵入することが軌道衝突解析により予見された場合に、それから衛星調達をしたのでは間に合わないリスクが高い。通常衛星調達には１年以上要するので、予測衝突時期から１年以内に発覚したデブリ衝突を回避するためには、予め作り置いた衛星を作り置いたロケットで打ち上げる即応型デブリ除去衛星システムを準備する必要がある。デブリ除去衛星としては、予め即応型衛星として整備した上で、打ち上げ直前に推薬充填と電源系の充電を施して打ち上げるのが現実的である。打ち上げロケットとしては、一般的に固体燃料を用いたロケットは予め完成品を作り置き、必要時に打ち上げる即応システムに好適である。

＊＊＊他の構成＊＊＊
＜変形例１＞
図１３および図１４は、本実施の形態の変形例に係るデブリ除去衛星３００のデブリ捕獲後の推進動作例を示す図である。
図１３および図１４では、捕獲装置１３５は、複数のスラスタのうち最大噴射能力を持つスラスタ３４１ａの噴射方向と反対方向に配置されている。また、図１３および図１４では、太陽センサ３３１の指向方向が、最大噴射能力を持つスラスタ３４１ａの噴射ベクトルから所定角度だけ傾いている。例えば、太陽センサ３３１の指向方向を、最大噴射能力を持つスラスタ３４１ａの噴射ベクトルから約７．５ｄｅｇオフセットさせている。

図１４に示すように、北極から見て太陽同期軌道ＬＳＴ１２：００の太陽方向を０ｄｅｇとした場合、ＬＳＴ１１：００の軌道面は反時計回りに７．５ｄｅｇ回転した位置にある。同様にＬＳＴ１０：００の軌道面は１５ｄｅｇ回転した位置にある。したがって、デブリ除去衛星３００について、衛星座標系Ｘ軸周りに－７．５ｄｅｇ、太陽センサ３３１の指向方向を傾斜させる。このように、ＬＳＴ１１：００の軌道において、太陽センサ３３１を太陽指向する姿勢とすると、デブリ除去衛星３００は極域において減速用スラスタが軌道面内の軌道逆方向に噴射することになる。よって、推進系の効率が高くなるという効果がある。

＜変形例２＞
本実施の形態および変形例１では、太陽センサ３３１を用いる態様ついて説明した。しかし、太陽センサ３３１に替えて恒星センサ３３２を用いてもよい。機能的には恒星センサ３３２でも代替可能である。デブリ捕獲後のデブリ除去衛星３００が高速回転運動しているような状況下では、太陽センサ３３１の方が目標補足しやすい。しかし、恒星センサ３３２の性能も向上しており、恒星マップと取得データをマッチングして慣性空間における姿勢を計測することにより、太陽センサ３３１を用いる場合と同様の動作が可能となる。なお、恒星センサ３３２は複数搭載し、衛星上の配置は任意となる。このため、デブリ捕獲後のデブリ除去衛星３００の飛翔方向、および、最大噴射能力を持つスラスタの噴射ベクトルとスターセンサの相対関係は予め設計段階で決めておくことになる。

＜変形例３＞
本実施の形態では、制御部１１０の機能がソフトウェアで実現される。変形例として、制御部１１０の機能がハードウェアで実現されてもよい。

図１５は、本実施の形態の変形例に係るデブリ除去システム５００の構成を示す図である。
デブリ除去制御装置１００は、プロセッサ９１０に替えて電子回路９０９を備える。
電子回路９０９は、制御部１１０の機能を実現する専用の電子回路である。
電子回路９０９は、具体的には、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、ロジックＩＣ、ＧＡ、ＡＳＩＣ、または、ＦＰＧＡである。ＧＡは、Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙの略語である。
制御部１１０の機能は、１つの電子回路で実現されてもよいし、複数の電子回路に分散して実現されてもよい。
別の変形例として、制御部１１０の一部の機能が電子回路で実現され、残りの機能がソフトウェアで実現されてもよい。

プロセッサと電子回路の各々は、プロセッシングサーキットリとも呼ばれる。つまり、デブリ除去制御装置１００において、制御部１１０の機能は、プロセッシングサーキットリにより実現される。

実施の形態２．
本実施の形態では、主に、実施の形態１と異なる点について説明する。なお、実施の形態１と同様の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１６は、本実施の形態に係るデブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００において、進行方向である＋Ｚ方向に対して反転する手順の例を示す図である。
本実施の形態では、デブリ除去衛星３００の捕獲装置１３５は、複数のスラスタのうち最大噴射能力を持つスラスタ３４１ａの噴射口と逆方向に配置される。また、捕獲装置１３５は、最大噴射能力を持つスラスタ３４１ａの噴射方向と直交する軸の正方向と負方向に噴射口を持つスラスタ３４１ｂ，３４１ｃを具備する。
直交方向に配置したスラスタ３４１ｂ，３４１ｃの噴射により、デブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００の重心周りにトルクが付与される。また、最大噴射能力を持つスラスタ３４１ａの噴射ベクトルは、デブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００の重心を通り、かつ、飛翔方向逆方向とする。

デブリ除去衛星３００は、最大噴射能力を持つスラスタ３４１ａにより、デブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００を減速させて大気圏突入させる。この大気圏突入のために、当該スラスタ３４１ａの噴射ベクトルが、デブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００の重心Ｃを通り、かつ、噴射ベクトルの向きが飛翔方向と逆方向となるような姿勢で、デブリ除去衛星３００を飛翔させる必要がある。

しかしながら、デブリ捕獲後のデブリ除去衛星３００は、デブリの初期姿勢と運動状態、および、捕獲装置のアクセス可能位置に依存して、姿勢と運動状態が決まる。このため、所望の姿勢となるまで、デブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００の姿勢を変更する必要がある。また、大型デブリを捕獲した場合の重心位置によっては、デブリ除去衛星単体の姿勢制御方法では姿勢変更が困難となる可能性がある。

本実施の形態では、重心から離れたスラスタの併進力を重心周りのトルクとして活用して、デブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００の姿勢を変更する。

図１６では、Ｚ軸上で捕獲装置１３５と最大噴射能力を持つスラスタ３４１ａが反対側に配置される。デブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００に対し、Ｚ軸と直交する＋Ｘ方向スラスタ３４１ｂにより重心周りの回転トルクが付与される。次に、デブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００に対し、デブリ除去衛星３００が所望の位置で停止するように、－Ｘ方向スラスタ３４１ｃにより反対方向の回転トルクが付与される。反対方向の回転トルクがブレーキとなり、デブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００が停止する。
そして、飛翔方向である＋Ｚ方向に対して最大噴射能力を持つスラスタ３４１ａを－Ｚ方向に噴射することにより、デブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００は減速し、軌道高度が低下する。

なお、「最大噴射能力を持つスラスタ」は、軌道高度を低下させるための減速手段の総称として使ったものであり、複数のスラスタで構成してもよい。複数スラスタで実現する場合は、位置に対して、同時噴射した合ベクトルがデブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００の重心を通り、飛翔反対方向とする。この際複数のベクトルにより重心周りの回転トルクが生じないよう配置と噴射量のバランスを調整する。

図１７は、本実施の形態に係るデブリ捕獲状態のデブリ除去衛星３００において、回転動作を抑止する手順の例を示す図である。
デブリが不慮の回転動作をしている場合は、回転を抑制して回転運用を静止させる必要がある。大型デブリを捕獲した状態のデブリ除去衛星３００の重心位置は、デブリ除去衛星単体の重心位置から距離が離れる。このため、抑圧したい回転軸とは異なる回転軸に対して、不要なトルクを発生してしまう虞がある。

図１８は、本実施の形態に係るデブリ除去衛星３００において、不要な回転を発生させない手順の例を示す図である。
図１８では、複数のスラスタは、デブリ捕獲状態の重心との距離が各々異なる複数の位置に配置されている。デブリ除去衛星３００は、最大噴射能力を持つスラスタ３４１ａの噴射ベクトル周りのトルク発生において、距離に反比例する推力バランスでスラスタを動作させる。これにより、デブリ除去衛星３００では、最大噴射能力を持つスラスタ３４１ａの噴射ベクトルと直交する軸周りのトルクの発生を防止する。

大型デブリを捕獲した状態のデブリ除去衛星３００の重心位置は、デブリ除去衛星単体の重心位置から距離が離れる。このため、抑圧したい回転軸とは異なる回転軸に対して、不要なトルクを発生してしまう虞がある。図１８に示すように、重心からの距離が異なる複数のスラスタの推力を、距離に反比例するバランスで動作させることにより、所望の回転軸に対する回転抑圧トルクは発生させつつ、それと異なる回転軸に対して不要なトルク発生を抑制する。
具体的には、噴射ベクトルｘ１のスラスタ３４１ｃと重心との距離をＬ１とし、噴射ベクトルｘ２のスラスタ３４１ｂと重心との距離をＬ２とする。このとき、ｘ１×Ｌ１－ｘ２×Ｌ２＝０となるように、スラスタ３４１ｃ，３４１ｃの噴射ベクトルを調整する。これにより、所望の回転軸に対する回転抑圧トルクは発生させつつ、それと異なる回転軸に対して不要なトルク発生を抑制することができる。

また、本実施の形態に係るデブリ除去衛星３００において、最大噴射能力を持つスラスタ３４１ａが噴射ベクトルを変更可能とする。合理的に軌道高度を低下させるためには、最大噴射能力を持つスラスタ３４１ａの噴射ベクトルがデブリ捕獲後のデブリ除去衛星３００の重心を通り、かつ、飛翔方向と逆向きに設定されるべきである。しかし、デブリの状態が予め不確定な場合に、重心位置が予測とは異なるリスクがある。その際、スラスタの噴射ベクトルがデブリ捕獲後のデブリ除去衛星３００の重心を通るように調整可能であれば、所望の状態を実現しやすいという効果がある。

＊＊＊実施の形態１，２の効果の説明＊＊＊
低軌道衛星のデオービットでは、衛星進行方向と逆方向に推進器を動作して軌道高度を低下させ、大気圏突入により焼き尽くす手法が一般的である。しかしながら、昨今計画されているメガコンステレーションは、軌道高度が１０００ｋｍ以上と低軌道周回衛星よりも高高度である。このため、寿命末期あるいは故障時にデオービットする際に、より低軌道高度を飛行する衛星に衝突するリスクがある。
また、メガコンステレーションでは軌道面も多様に構成され、それぞれの軌道面に多数衛星が隊列飛行している。そのため、デオービット時に衛星が通過する軌道経路も多岐に渡る。特に太陽同期軌道のＬＳＴ１０：３０近傍および極域といった低軌道衛星の混雑軌道領域を通過する可能性がある場合に、衝突確率が高い。

また、デオービットを自由落下に依存する場合は、徐々に高度を低下させるのに伴って、軌道面が回転するため、いかなる軌道面からデオービットした衛星にも太陽同期衛星の混雑軌道を通過する可能性がある。
また、極域付近を通過する軌道傾斜角略９０°近傍の軌道面で構成される衛星コンステレーションの衛星をデオービットする場合、軌道高度が低下しても軌道傾斜角が概ね同様なため、より低軌道の極軌道衛星と衝突する確率が高い。
また、混雑軌道への侵入警報が出てから対処する手段を整備したのでは手遅れになる。

上述した実施の形態では、以下のように衝突を避けることができる。
混雑軌道面通過を回避するために、軌道面の回転を利用して、混雑軌道通過前に落下を早めて通過する。あるいは、逆に混雑軌道面が通り過ぎた後に、閑散とした軌道面に落下させることにより衝突を回避する。
混雑軌道面を通過するタイミングを変更する手段としては、デオービットする衛星を加速すれば軌道高度が上昇し、落下タイミングを遅らせることができる。また、デオービットする衛星を減速すれば軌道高度降下が加速するので、落下タイミングを早めることができる。また、当該軌道高度での滞留時間に応じて、摂動により軌道面が回転する効果があるので、混雑軌道の通過を待つことが可能となる。
なお、デオービットする衛星の昇交点ないし降交点通過時に進行方向と直交方向に推進器を動作することで、軌道傾斜角が変更できるので、軌道面の回転を加速することも可能である。軌道傾斜角を意図的に変更することにより、極域で混雑する高度では、極域を通過しないよう、軌道面を変更することにより、衝突を回避する。

また、上述した実施の形態では、予め作り置いた即応型衛星を予め作り置いたロケットで打ち上げることにより即応性を確保し、緊急事態へ対応可能とする。上述した実施の形態では、予めデブリ除去衛星の緊急対応が必要となる混雑軌道領域として、太陽同期ＬＳＴ１１：００近傍への軌道投入を設計前提とすることにより完成品の作り置きを可能とする。太陽同期衛星は極軌道衛星の一種なので、この設計前提で整備されたデブリ除去衛星は、極および高緯度域におけるデブリ除去目的にも利用可能である。

太陽同期軌道となる軌道パラメータの例として、以下の組み合わせがある。
・軌道高度５００ｋｍ、軌道傾斜角９７．４度
・軌道高度８００ｋｍ、軌道傾斜角９８．６度
・軌道高度１０００ｋｍ、軌道傾斜角９９．５度
円軌道の太陽同期性は軌道高度と軌道傾斜角の相関で一意に決まる。
仮に地球が完全な球体であれば軌道面の法線方向は慣性空間上で固定されるが、現実的には地球が扁平形状をしているために、軌道面の法線が緯度方向に回転する効果が生まれ、１年間で法線が１回転する条件において、太陽同期軌道となる。

例えば、軌道高度１０００ｋｍ、軌道傾斜角９８．６度の軌道面にデブリ除去衛星を投入すると、軌道面の回転速度が増速する方向に寄与する。よって、密集軌道高度５００～８００ｋｍよりも高高度の１０００ｋｍ程度のＬＳＴ１１：００の軌道面にデブリ除去衛星を投入すれば、ＬＳＴ１０：３０近傍に分布する密集軌道に侵入するデブリを捕獲することが可能である。定性的に自衛星よりも低高度を飛翔し、ＬＳＴが相対的に早い時間の軌道面であれば、時間を待てば会合できるからである。
但し軌道傾斜角の微小な差で生じる法線の回転速度は極めて遅いので、デブリ侵入の軌道条件が高精度で予測できれば、ロケット打ち上げ時にデブリ捕獲のための最適位置に軌道投入することが望ましい。

少なくともＬＳＴ１１：００、かつ、軌道高度１０００ｋｍを前提条件として設計されたデブリ除去衛星は、ＬＳＴ１０：３０近傍、かつ、軌道高度５００ｋｍから８００ｋｍのデブリ除去の運用に問題なく対応できる。また、極域および高緯度域でのデブリ除去の運用にも対応できる。

以上のように、上記の実施の形態に係るデブリ除去システムによれば、デブリの混雑軌道領域Ｒｃへの侵入を阻止し、宇宙環境を守ることができるという効果がある。

実施の形態３．
本実施の形態では、主に、実施の形態１，２と異なる点について説明する。なお、実施の形態１，２と同様の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１９は、本実施の形態に係るデブリ除去衛星３００において捕獲対象デブリ２０１を捕獲した状態の２面模式図である。
図１９において、飛翔体４００は、デブリ捕獲後にデブリ２００とデブリ除去衛星３００が結合した状態である。本実施の形態では、飛翔体４００の重心位置Ｃが、推進装置１３４の進行方向ベクトルＶの直線上となっている。
推進装置１３４の進行方向ベクトルＶとは、推進装置１３４の推進ベクトルともいう。推進装置１３４の進行方向ベクトルＶとは、例えば、最大噴射能力を持つスラスタ３４１の噴射ベクトルの場合がある。

デブリ除去制御装置１００において、制御部１１０は、飛翔体４００の重心位置Ｃが、推進装置１３４の進行方向ベクトルＶの直線上となるように推進装置１３４を制御する制御コマンド５１をデブリ除去衛星３００に送信する。
より具体的には、推進装置１３４は、複数のスラスタ３４１を備える。
制御部１１０は、飛翔体４００の重心位置Ｃが、推進装置１３４の進行方向ベクトルＶの直線上となるように複数のスラスタ３４１を制御する制御コマンド５１を送信する。

現実的には、非協力的ターゲットの捕獲後重心は、都合よく固定スラスタの推進ベクトルの延長上に来るとは限らない。よって、デブリ除去制御装置１００は、複数のスラスタ３４１を制御して重心方向に向かって推進ベクトルを制御するのが現実的である。

デブリ除去衛星３００によりデブリ捕獲後に、飛翔体の重心位置が遠くなり、推進装置の制御が困難となることが想定される。本実施の形態に係るデブリ除去衛星３００およびデブリ除去制御装置１００によれば、デブリ除去衛星が捕獲後に連接した飛翔体の重心位置が遠くなった場合でも、推進装置を制御し易くすることができるという効果を奏する。

以上の実施の形態１から３では、デブリ除去制御装置の各部を独立した機能ブロックとして説明した。しかし、デブリ除去制御装置の構成は、上述した実施の形態のような構成でなくてもよい。デブリ除去制御装置の機能ブロックは、上述した実施の形態で説明した機能を実現することができれば、どのような構成でもよい。また、デブリ除去制御装置は、１つの装置でも、複数の装置から構成されたシステムでもよい。
また、実施の形態１から３のうち、複数の部分を組み合わせて実施しても構わない。あるいは、これらの実施の形態のうち、１つの部分を実施しても構わない。その他、これらの実施の形態を、全体としてあるいは部分的に、どのように組み合わせて実施しても構わない。
すなわち、実施の形態１から３では、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

なお、上述した実施の形態は、本質的に好ましい例示であって、本開示の範囲、本開示の適用物の範囲、および本開示の用途の範囲を制限することを意図するものではない。上述した実施の形態は、必要に応じて種々の変更が可能である。

２０ 衛星コンステレーション、２１ 軌道面、３０ 衛星、７０ 地球、８０ 太陽、１００ デブリ除去制御装置、１１０ 制御部、１３１ 衛星通信装置、１３２ コマンドデータ処理装置、１３３ 姿勢軌道制御装置、１３４ 推進装置、１３５ 捕獲装置、１３６ ミッションデータ処理装置、１３７ 電源装置、２００ デブリ、２０１ 捕獲対象デブリ、３３１ 太陽センサ、３３２ 恒星センサ、３４１，３４１ａ，３４１ｂ，３４１ｃ スラスタ、３４２ 推薬タンク、３７１ 太陽電池パドル、３００ デブリ除去衛星、３０１ 衛星群、４００ 飛翔体、５００ デブリ除去システム、５１１ 捕獲コマンド、５１２ 軌道制御コマンド、６００ 地上設備、９０９ 電子回路、９１０ プロセッサ、９２１ メモリ、９２２ 補助記憶装置、９３０ 入力インタフェース、９４０ 出力インタフェース、９５０ 通信装置、Ｃ 重心、Ｒｃ 混雑軌道領域。

Claims (14)

1. 宇宙空間におけるデブリを捕獲し、混雑軌道領域への侵入を阻止するデブリ除去衛星において、
   デブリを６自由度拘束して捕獲する捕獲装置と、
   太陽センサと、
   複数のスラスタを備えた推進装置と
   を備え、
   前記捕獲装置は、
   前記複数のスラスタのうち最大噴射能力を持つスラスタの噴射方向と反対方向に配置され、
   前記太陽センサは、指向方向が前記最大噴射能力を持つスラスタの噴射ベクトルから傾いているデブリ除去衛星。
2. 宇宙空間におけるデブリを除去するデブリ除去衛星において、
   デブリを６自由度拘束して捕獲する捕獲装置と、
   複数のスラスタを備えた推進装置と
   を備え、
   前記捕獲装置は、
   前記複数のスラスタのうち最大噴射能力を持つスラスタの噴射口と逆方向に配置され、
   前記推進装置は、
   前記最大噴射能力を持つスラスタの噴射方向と直交する軸の正方向と負方向に噴射口を持つスラスタを具備し、直交方向に配置したスラスタの噴射によりデブリ捕獲状態の前記デブリ除去衛星の重心周りにトルクを付与し、前記最大噴射能力を持つスラスタの噴射ベクトルが前記重心を通り、かつ、飛翔方向逆方向であるデブリ除去衛星。
3. 宇宙空間におけるデブリを除去するデブリ除去衛星において、
   デブリを６自由度拘束して捕獲する捕獲装置と、
   複数のスラスタを備えた推進装置と
   を備え、
   前記複数のスラスタは、デブリ捕獲状態のデブリ除去衛星の重心との距離が各々異なる複数の位置に配置され、
   前記デブリ除去衛星は、
   前記複数のスラスタのうち最大噴射能力を持つスラスタの噴射ベクトル周りのトルク発生において、距離に反比例する推力バランスでスラスタを動作させることにより、前記噴射ベクトルと直交する軸周りのトルクの発生を防止するデブリ除去衛星。
4. 前記最大噴射能力を持つスラスタは、噴射ベクトルを変更可能である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のデブリ除去衛星。
5. 捕獲したデブリと前記デブリ除去衛星とが結合した２体結合状態の飛翔体における重心位置が、前記デブリ除去衛星から離れた位置であって前記捕獲したデブリ内の位置にある請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のデブリ除去衛星。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のデブリ除去衛星を運用制御する地上設備。
7. 宇宙空間におけるデブリを除去する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のデブリ除去衛星において、
   デブリ捕獲後にデブリと前記デブリ除去衛星が結合した飛翔体の重心位置が、前記推進装置の進行方向ベクトルの直線上となるデブリ除去衛星。
8. 宇宙空間におけるデブリを除去する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のデブリ除去衛星に具備され、
   前記デブリ除去衛星と通信する通信装置と、
   前記デブリ除去衛星の具備する推進装置を制御する制御コマンドを生成する制御部と
   を具備し、
   前記制御部は、
   デブリ捕獲後にデブリと前記デブリ除去衛星が結合した飛翔体の重心位置が、前記推進装置の進行方向ベクトルの直線上となるように前記推進装置を制御する前記制御コマンドを送信するデブリ除去制御装置。
9. 複数のスラスタを備える推進装置を具備する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のデブリ除去衛星と通信する通信装置と、
   前記デブリ除去衛星の具備する前記複数のスラスタを制御する制御コマンドを生成する制御部と
   を具備し、
   前記制御部は、
   デブリ捕獲後にデブリと前記デブリ除去衛星が結合した飛翔体の重心位置が、前記推進装置の進行方向ベクトルの直線上となるように前記複数のスラスタを制御する前記制御コマンドを送信するデブリ除去制御装置。
10. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のデブリ除去衛星と通信する通信装置と、
    前記デブリ除去衛星の具備する推進装置を制御する制御コマンドを生成する制御部と
    を具備するデブリ除去制御装置が行うデブリ除去制御方法において、
    前記制御部が、デブリ捕獲後にデブリと前記デブリ除去衛星が結合した飛翔体の重心位置が、前記推進装置の進行方向ベクトルの直線上となるように前記推進装置を制御する前記制御コマンドを送信するデブリ除去制御方法。
11. 複数のスラスタを備える推進装置を具備する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のデブリ除去衛星と通信する通信装置と、
    前記デブリ除去衛星の具備する前記複数のスラスタを制御する制御コマンドを生成する制御部と
    を具備するデブリ除去制御装置のデブリ除去制御方法において、
    前記制御部が、デブリ捕獲後にデブリと前記デブリ除去衛星が結合した飛翔体の重心位置が、前記推進装置の進行方向ベクトルの直線上となるように前記複数のスラスタを制御する前記制御コマンドを送信するデブリ除去制御方法。
12. 請求項７に記載のデブリ除去衛星を運用制御する地上設備。
13. 宇宙空間におけるデブリを捕獲し、混雑軌道領域への侵入を阻止するデブリ除去衛星において、
    デブリを６自由度拘束して捕獲する捕獲装置と、
    複数のスラスタを備えた推進装置と
    を備え、
    前記捕獲装置は、
    前記複数のスラスタのうち最大噴射能力を持つスラスタの噴射口と逆方向に配置され、
    前記推進装置は、
    前記最大噴射能力を持つスラスタの噴射方向と直交する軸の正方向と負方向に噴射口を持つスラスタを具備し、直交方向に配置したスラスタの噴射によりデブリ捕獲状態の前記デブリ除去衛星の重心周りにトルクを付与し、前記最大噴射能力を持つスラスタの噴射ベクトルが前記重心を通り、かつ、飛翔方向逆方向であるデブリ除去衛星。
14. 宇宙空間におけるデブリを捕獲し、混雑軌道領域への侵入を阻止するデブリ除去衛星において、
    デブリを６自由度拘束して捕獲する捕獲装置と、
    複数のスラスタを備えた推進装置と
    を備え、
    前記複数のスラスタは、デブリ捕獲状態のデブリ除去衛星の重心との距離が各々異なる複数の位置に配置され、
    前記デブリ除去衛星は、
    前記複数のスラスタのうち最大噴射能力を持つスラスタの噴射ベクトル周りのトルク発生において、距離に反比例する推力バランスでスラスタを動作させることにより、前記噴射ベクトルと直交する軸周りのトルクの発生を防止するデブリ除去衛星。

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