準天頂衛星システムと「みちびき」シリーズの軌道2017/08/13

今年6月1日に打ち上げが成功した準天頂衛星「みちびき2号」。そして間もなく打ち上げが予定されている「みちびき3号」(右下画像・出典:内閣府宇宙開発戦略推進事務局)。「衛星の軌道」を設計しながら、準天頂衛星とはどういうものか理解してみましょう。

みちびき2号

みちびき2号(準天頂衛星)

みちびき3号

みちびき3号(静止衛星)
今や私たちの生活は地球周回型の人工衛星なしで考えることができません。BS放送に使われる放送衛星、ネットや電話に欠かせない通信衛星、気象変化や台風状況などをほぼリアルタイムに得る気象衛星等々。また日常で意識することはありませんが、国家の安全を守る軍事衛星や、純粋に地球環境を調査する科学衛星も挙げられるでしょう。

その中のひとつに「自分の位置を知る」ための測位衛星と呼ばれる人工衛星のグループ(衛星コンステレーション)があります。俗にGPS(Global Positioning System)と言われるものはこれに属する米国の衛星群ですが、他の国のシステムも多様にあります。一連の衛星群を使った「位置を知るための体系」をGNSS(Global Navigation Satellite System):衛星測位/衛星航法システムと言います。地上だけでなく衛星とやり取りできる範囲なら宇宙空間でも使えます。スペースシャトルの飛行もGPS航法を利用したと毛利宇宙飛行士がおっしゃってました。

この衛星は一機あれば事足りるわけではなく、多くの場合4機以上の衛星を同時補足しないと位置特定ができません。今日現在GPS衛星は約30機がタイミングをずらして飛び回っており、日本の空に入れ替わり立ち替わり常時10機前後姿を見せています。(GPS以外の測位衛星も合わせたら50機前後!)

「位置を知るってそんなに重要?」と思う方も多いでしょう。でも考えてみてください。どうやって飛行機が衝突せず世界中飛べますか?目印のない遠洋で船舶が迷子にならないための方法は?大地震が起こる前兆として大地がわずかに動くのを捕捉する手段は?これらが実現できるのも全てGNSSのおかげです。現在のカーナビ・街ナビ、徘徊者捜索、動物生態調査、将来の自動運転や自動配送に至るまでGNSSの恩恵は計り知れません。

準天頂衛星を考える1
ところで日本のように中緯度の国がGNSSを組み上げるためには、ちょっとした苦労があります。衛星を使って位置を知るには「人工衛星とやり取りできる」つまり「衛星が空に見える」ことが必須条件。じゃ、私たちが地面に立って見上げる空って、具体的に宇宙のどこを見ているのでしょう?これ意外に想像しにくいんですよね。

左図はこのことを簡単に描いたもの。私たちが感じるのは水平に広がる地面と、垂直上向きの天頂を中心に広がる空。でも地軸を立てて地球全体を考えると、個人が見る空は斜めの天窓となります。しかも地球は24時間周期で自転しますから、天窓の方向は1日1回回るのです。また大抵はビルや樹木など多くの物体が空を隠しているから、場所によっては窓が狭いでしょう。更に日本は南から北まで約25°も緯度差があり、これは天頂方向の差に等しい値。私たちが見ている宇宙は「小さな窓越しに時々刻々変化する景色で、場所によっても差がある」のです。日本の全ての地域で満足できる人工衛星を都合よく飛ばすことなんてできるのでしょうか?

気象衛星やBS、CSなどの「赤道静止衛星」を考えてみましょう。BS・CSアンテナを設置してる方はお分かりでしょうが、アンテナの向きが衛星のいる方向ですね。一日一回ズレてしまう…なんてことありません。これは衛星が天の赤道に沿って公転し、公転周期を地球自転にピッタリ合わせているから。走ってるバスの窓から見ると、同速度で併走する車が止まって見えるでしょう?

太陽系天体の軌道
もし衛星公転と地球自転が合わないと「一日に30分しかテレビ映らん!」とか「特定の時間しか台風の位置が分からないよ」ってことになるでしょう。大多数の人工衛星は地上に対して動いているので、通信するなら各自のアンテナを動かして追尾しなければなりませんし、地平下に沈んでしまう時間もあるでしょう。アンテナを動かさなくて済むよう逆に衛星を動かして(空の一箇所に止まって見えるように)追尾の負担を肩代わりさせたものが静止衛星なのです。「静止」と言ってるのは見た目だけで、実際は地球と同じ速度で公転していますよ。当たり前に思えるけど、これだけでもすごい技術が必要ですね。静止衛星軌道はGNSSを構成する大事なアイディアです。

ところが前述のように南側に障害物があるところでは静止衛星が見えない可能性が出てきます。山で豪雨に遭い、助けを呼ぼうにも動けない。樹木に遮られて南の空も見えない…こんな状況、今年だけでもたくさん起きた可能性がありますね。自分の位置を相手に知らせるにも視界の広さに左右されるのは困りもの。GNSSは静止軌道衛星だけでは力不足で、空に広く展開する必要があります。

携帯電話のいくつかは基地局が衛星とやり取りする情報を補助的に使うため、狭い空や室内でも居場所を特定できる仕組みを備えてますが、この話は携帯電話に限りません。例えば動き回る車のカーナビアンテナを常に南空の一角へ向けなくてはならないのは厄介。「上に向けてポン」と置くだけで済ませたいですよね。だから「できるだけ日本上空の高い位置に留まる衛星」の重要さが見出されたのです。

こんな衛星は無理そう…
それじゃ左図のように静止衛星を赤道面から「そっくり持ち上げて」日本上空に24時間留まる衛星を飛ばせばいいんじゃないかって思えますが、残念ながらこれはNG。「衛星軌道面は必ず母星中心を通る」ケプラーの法則(第一則)という制約があるからです。これは「太陽−金星」でも「木星−イオ」でも「地球−人工衛星」でも成り立ちます。

太陽を回る天体はどの軌道を取っても必ず軌道面上に太陽中心があります(右上図/ステラナビゲーター使用)。同様に地球系を回る衛星はお月さまを含め例外なく軌道面上に地球中心があります。最低限の推進力しか持たない人工衛星では左図Bのような軌道は物理的にあり得ません。衛星Bの軌道面中心には地軸があるけれど、地球中心は外れてますから。もちろん長距離ロケットのような飛行制御可能なものを考えれば作れなくはないけれど、燃料消費と軌道制御の手間が膨大だから二日と持たないでしょう。

準天頂衛星を考える2
さあ困った…という訳で、条件を緩めることにしましょう。それが「衛星は24時間一箇所に留まらなくてよい(でもできるだけ長く天頂付近に!)」という考え方。利用可能時間が不足するぶんは「複数の衛星を交代させることで連続使用可能」にしてしまう物量作戦です。右図はこれを描いたもの。前述したアイディア1に加え、軌道を傾けて衛星直下に日本が来る時間を作るアイディア2、円軌道ではなく楕円軌道にすることで日本上空の飛行を遅くする(長時間留まる)アイディア3が肝です。(アイディア3はケプラーの法則の第二則のことですね。)

これを具体化したものが日本の「準天頂衛星システム」(QZSS:Quasi-Zenith Satellite System)なのでした。タイミングをずらした複数の衛星をこの軌道に沿って各々24時間周期で飛ばせば、代わる代わる日本の天頂付近に衛星が見えることになるでしょう。数を増やすほど衛星がひとつも捕まらない時間は減ります。またQZSSの信号形式はGPSに合わせてあるので、組み合わせて使えば精度の向上が期待できます。(※注:みちびき1号・2号・4号が準天頂衛星軌道なのに対し、今回打ち上げられるみちびき3号は静止衛星軌道です。)

アメリカのGPS衛星群は1978年に最初の実験機が上がってから40年近く経ちます。世界中どこでも位置特定可能と言う目的があるため、時間もお金も膨大でした。準天頂衛星システムは2010年に「みちびき1号」が打ち上げられ、今年2017年10月には4号も上がる予定です。利用を日本近隣に特化してるため必要のないエリアには飛ばしませんが、それでも計画上の7機体制を確立するのに2023年までかかります。一度の失敗もなく、強固なシステムになってほしいですね。

参考:
やっと捉えたみちびき2号、明け方には月と金星も(2017/07/21)

やっと捉えたみちびき2号、明け方には月と金星も2017/07/21

20170721準天頂衛星「みちびき2号」
昨夜から今朝にかけて時々薄雲が湧きましたが、それなりの星夜でした。幾つか観察したものがありましたが、その中から2つご紹介します。

まずは今年6月1日に打ち上げが成功した準天頂衛星「みちびき2号」をようやく捉えたこと。軌道に乗って以降何回か挑戦していたのですが、なかなか難しい対象でした。静止衛星なら暗くても止まっているため、望遠鏡を向けさえすれば十分な露出で写せます。でもみちびき2号は静止衛星並みの暗さなのに動いてしまうため、カメラセンサーの一箇所に光を集めることができません。幾つかの工夫が必要なのですが、それはまたあらためて記事にする予定です。

左上画像は日付が21日になって30分経ったころ撮影したもの。今回は静止衛星撮影同様に固定撮影にしました。αDelと書いてある明るい軌跡がいるか座α星。たくさんの星々が東から西(左から右)へ移動する中で、消えそうなほど暗い軌跡が斜め右上に向かって移動していますね(赤矢印にはさまれた位置)。これがみちびき2号です。とても暗いため高感度撮影&ハイコントラスト処理で、画質はざらついています。

みちびき2号は2010年に打ち上げられたみちびき1号とほぼ同じコースを飛んでいますが、日本上空にやって来るタイミングが違います。2017年内に3号と4号が打ち上げられる予定で、2023年頃までには7機体制を目指しています。そうなると代わる代わる日本の天頂近くに衛星がいる状態となり、得られる恩恵は計り知れないでしょう。

20170721月と金星
さてお次は明け方の月と金星の接近。今朝は金星より月のほうが低く、金星が見えてもしばらく月の姿は見えません。ところが待っても待っても月が見えず、おかしいと感じました。よくよく見ると低空に雲があったのです。月が雲を抜けるまでにすっかり薄明時間となってしまいました。

でもおかげでとても素晴らしい光景を目に焼き付けることができました。右は3:30近くの撮影で、諸事情により画像上を天の北方向に向けています。実際は月と金星が上下に並んでいました。月を露出オーバー気味に撮影しましたが、暗い星や地球照がとてもよく分かりますね。次に両天体が接近するのは約1ヶ月後の8月19日明け方。離角は今回と同じくらいですが位置関係は変わります。

参考:
アーカイブ:昼間に月と金星が近い日

七夕夜を満喫しました2017/07/08

20170707月面A
昨夜から今朝にかけては湿度が高く、やや霞んだ空でした。でも夜半前に少し曇った程度で、梅雨明けを思わせるような快晴夜。ありがたいことです。

七夕の星を目で追った後、22時ごろ隣家の屋根から顔を出した月を眺めました。ちょうどタイミングよく月面Aが見えたので撮影してみました(右画像)。アーカイブ:月面Aの一覧によると今回の月面中央経度は-0.42°なので、条件最良というわけではありません。実際、Aの横棒はあまり見えませんでした。でも気流は落ち着いていたし、子午線通過のタイミングで月面A地形が見えるのはラッキーなことです。晴れただけでも感謝ですよね。

この月の太陽黄経差は162.05°、撮影高度34.6°、月齢は13.44です。月の北が画像上方向にしていますので、Aの形はひっくり返っています。とても小さな形ですから、見たい場合はそれなりの望遠鏡が必要です。

20170707月と土星
月の5°西側には土星がいました。一緒に撮ったのが左画像です。間もなく満月ですからとても明るく、それに比べて土星のしょぼいことと言ったら…。この画像は段階露光でかなり手を入れていますが、普通に撮影したら月明かりで何もかも真っ白になってしまいます。

この辺りは天の川のど真ん中ですから、土星の他に幾つもの有名天体が月に接近していました。どこまで撮影できるか、という試行錯誤もしています。

20170707月と土星とM天体
マーカーを入れたのが右画像。干潟星雲M8、三裂星雲M20は有名どころですが、さすがに散光星雲そのものはほとんど写りません。でも両星雲とも星団と重なっているため、星が多く写ってくれるので存在場所が分かります。M21とM23は散開星団。画像に辛うじて写りました。他に小さなNGC天体なども数多く見えるエリアですが、さすがに写っていませんね。

20170708七夕の星とISS
日付が8日に変わって午前3時。月は西へ沈みかけ、夏の大三角も天頂から西空へ移る時間です。タイミングよく織姫星の側を国際宇宙ステーション(ISS)が通りかかることが分かったので、カメラ片手に見晴らしよいところに出かけました。

沈もうとしている月は朱色に見えて不気味でしたが、こんなに低くても空を明るく照らしてしまいます。霞と光害のせいで空はまっ白。でも丹念に歩き回り、月以外の直接光がない絶好の場所を発見しました。そうして撮影したのが左画像です。下部シルエットの中央右寄りに腕の影が…事件のにおいがする!(笑)ただの銅像ですけどね。

20170708七夕の星とISS
なんとか七夕の星たちは写ったけれど、天の川は無理…。でもISSはベガよりも圧倒的に明るく、度肝を抜かれました。そう言えば九州工業大学の留学生によって設計製作された人工衛星が、七夕にあわせて(?)ISSから放出されたばかりでした。

撮影は9秒露光+1秒休みの繰り返しをコンポジットしています。移動するISSは点線になります。ベガとの距離はわずか数分角というオーダー。我が家から北へ数キロのところでISSがベガを隠す珍現象が見えたはずです。どこにどんな星があるかは右のマーカー付き画像をご覧ください。久しぶりに明け方の空に響き渡るホトトギスが聞こえました。七夕の夜、実に盛りだくさんでおなかいっぱいです。

参考:
アーカイブ:月の形(黄経差144度以上、180度未満)

8月の皆既日食で月影は気象衛星から見えるかな?2017/06/25

20170821日食図
昨日に月が新月を迎えました。この月が地球をもうふた巡りすると…つまり2回後の新月(2017年8月21日UT、日本時間で22日になりたての頃)のとき、北アメリカ大陸を横断する皆既日食が起こります。気軽に旅行へ行ける土地での条件良い皆既日食…ということで、日食ファンのみならず期待を寄せる方も多いでしょう。

左は今回の日食図(元画像:NASA Eclipse Web Site)。アメリカを横断する日食としては約100年ぶり、という報道を見かけました。横断の定義が曖昧ですが、経路が北アメリカ大陸にかかっていたり、金環日食まで含めると結構な件数あります。

右下図は1901年以降2020年までに起こった(起こる)北アメリカ付近の日食図(引用元同じ)。もはやどこがどれだか分からなくなってますが…青ベルトが皆既、赤ベルトは金環です。まぁ、「合衆国を太平洋から大西洋まで横断する皆既日食」ということなら、1918年6月8日以来でしょう。ちなみに全く関係ないけど「アメリカ横断ウルトラクイズ」初回は1977年だそうですから、そこから40年ぶりですね。

北アメリカ付近でこの100年あまりに起きた日食
アメリカ国内でも多くの天文ファンが活動していますから、大盛り上がりが予想されます。豊富な機材を駆使して素晴らしい映像記録が期待できるでしょう。ドローンが大流行のご時世なので、上空から観察旅行者の様子や移動してくる月の影を撮影する強者がたくさんいそうです。ただ心配なのは、現在合衆国の西半分が異常高温に見舞われていること。気温が40度を軽く超す毎日だそうで、人も機材も壊れそうです。高気温だと航空機が飛べないので、移動も大変。8月までに解消しているとよいのですが…。

20170821a
さて日食旅行に行ける方はいいのですが、行けない場合はテレビやネット中継で見ることになるでしょう。当ブログでは毎度お馴染み「気象衛星」を通した月影の観察も併せてお勧めしたいところです(関連記事1関連記事2)。でも、このアメリカ日食による月の影、日本の気象衛星から捉えられるのでしょうか?そう思って計算したのが左図。気象衛星ひまわり8号からは日食開始1時間程度なら見えそう。ただ、この頃は地球そのものの影と入り交じってはっきり見えないかも知れません。うむむ…。

そこで考えたのは、他国の気象衛星が使えないかと言うこと。例えばアメリカが管理するGOESシリーズはちょうど日食エリアをカバーしています。ひとまず地球を監視する多数の静止気象衛星のなかから4つ選び、日食図を衛星可視範囲に変換描画するプログラムを作りました。一例ですが、右下図は緯度経度とも0°上空に位置するヨーロッパのMeteosat-10による今回の日食図。大西洋まで伸びる皆既日食帯を見事にカバーしていますね。色々興味が湧いたので、2015年以降今回までの全日食についてシミュレートも行いました。
20170821c
結果は別途アーカイブにまとめましたので、興味のある方は参考にしてください。時間があれば将来の日食でも行ってみようと思います。なお紫線は中心食帯(※月影の中心は必ず紫線のどこかに存在)、オレンジ線は内部で太陽がわずかでも欠けて見える範囲。日食図は何本もの曲線で構成されますが、一本一本意味があります。これも前出アーカイブの解説図をご覧ください。

原理上は衛星が静止してなくても、撮像範囲が日食エリアを向いているならば写るはず。でも周回衛星は直前にならないと正確な位置計算ができません。よって今回のシミュレーションは静止衛星のみとしました。宇宙からなら現地の天気に関係なく安心して見ることができますね。