衛星追跡：包括的ガイド

人工衛星を正確に追跡する能力は、宇宙活動の安全確保から科学研究や通信の実現まで、幅広い応用にとって極めて重要です。このガイドでは、衛星追跡の手法、技術、そして現代の宇宙環境におけるその重要性について包括的に概説します。これらの手法を理解することは、宇宙探査、衛星通信、または宇宙状況把握（SSA）に関わるすべての人にとって不可欠です。

なぜ衛星を追跡するのか？

衛星追跡は、単に衛星がどこにあるかを知る以上の意味を持ち、以下の重要な要素となっています：

• 衝突回避： 軌道上の衛星とスペースデブリの数が増加する中、追跡によって運用者は潜在的な衝突を予測・回避し、さらに多くのデブリを発生させる可能性のある壊滅的な事象を防ぐことができます。
• ミッション計画： 正確な追跡データは、衛星の軌道修正、通信ウィンドウの最適化、地球観測活動のスケジューリングを計画する上で不可欠です。
• 宇宙状況把握（SSA）： 追跡は、軌道上にあるすべての物体の位置や振る舞いを含む、宇宙環境のより広範な理解に貢献します。
• 科学研究： 追跡データは、軌道力学の研究、軌道決定モデルの改善、地球の大気や重力場の研究に利用できます。
• 資産の保護： 自らの衛星の位置と軌道を知ることで、意図的な妨害を含む潜在的な脅威から衛星を保護することができます。
• 宇宙法および条約の執行： 追跡は、国際的な宇宙法および条約の遵守を監視・検証することに貢献します。

衛星軌道の基礎

特定の追跡手法に踏み込む前に、衛星軌道の基本を理解することが重要です。衛星は、ケプラーの惑星運動の法則とニュートンの万有引力の法則に支配される予測可能な経路をたどって地球を周回します。これらの法則は、軌道の形状（楕円）、衛星の速度（地球に近いほど速い）、そして軌道周期と軌道の大きさの関係を記述します。

いくつかの軌道要素が、衛星軌道の形状と向きを定義します：

• 軌道長半径 (a): 楕円軌道の最も長い直径の半分。
• 離心率 (e): 楕円の形状を表します（円の場合は0、非常に細長い楕円の場合は1に近い）。
• 軌道傾斜角 (i): 軌道面と地球の赤道面との間の角度。
• 昇交点赤経 (Ω): 春分点と、軌道が南から北へ赤道を横切る点との間の角度。
• 近地点引数 (ω): 昇交点と、地球への最接近点（近地点）との間の角度。
• 真近点角 (ν): 近地点と衛星の現在位置との間の角度。

これらの要素は、元期（その要素が有効な時刻）と共に、ある特定の瞬間における衛星の軌道を完全に記述します。2行軌道要素形式（TLE）は、これらの軌道要素を表現するための一般的な形式であり、衛星の位置を予測するために広く使用されています。

衛星追跡の手法

衛星を追跡するためには様々な手法が用いられ、それぞれに長所と短所があります。これらの手法は、大まかに以下のように分類できます：

• レーダー追跡
• 光学追跡
• テレメトリ追跡
• 干渉法
• レーザー測距（SLR）

レーダー追跡

レーダー（Radio Detection and Ranging）は、特に低軌道（LEO）の物体に対して広く用いられる衛星追跡手法です。レーダーシステムは電波を発射し、衛星からの反射信号を検出します。反射信号の時間遅延と周波数シフトを測定することで、レーダーは衛星の距離、速度、位置を決定できます。

レーダーシステムの種類：

• 地上レーダー： 地球の表面に設置され、頭上を通過する衛星を追跡できます。例として、米国の宇宙監視ネットワーク（SSN）レーダーや、欧州のEISCATレーダー、日本のスペースガード協会が運用するレーダーなどがあります。
• 宇宙搭載レーダー： 地球を周回し、より広い視野を持ち、異なる軌道面の衛星を追跡できます。例として、SSA研究に使用される衛星に搭載された実験的なレーダーペイロードがあります。
• フェーズドアレイレーダー： これらの先進的なレーダーシステムは、複数のアンテナを使用して電子的にレーダービームを操作し、空の高速スキャンと複数物体の同時追跡を可能にします。

レーダー追跡の利点：

• 全天候能力： レーダーは、雲や暗闇を含むすべての気象条件で運用できます。
• 長距離： 強力なレーダーシステムは、かなりの距離にある衛星を追跡できます。
• 正確な距離と速度の測定： レーダーは、軌道決定に不可欠な距離と速度の精密な測定値を提供します。

レーダー追跡の欠点：

• 限定的な角分解能： レーダーは光学追跡に比べて角分解能が低いため、小さな物体や近接した物体の追跡がより困難です。
• 電力要件： レーダーシステムは、特に長距離追跡のために、運用にかなりの電力を必要とします。
• クラッターと干渉： レーダー信号は、グランドクラッター、大気干渉、意図的なジャミングの影響を受ける可能性があります。

例： 米国の宇宙監視ネットワーク（SSN）は、軌道上にある20,000以上の物体を追跡するレーダーおよび光学センサーのグローバルネットワークです。SSNは、Perimeter Acquisition Radar Attack Characterization System（PARCS）やスペースフェンスなどのレーダーシステムを使用して、衛星とスペースデブリを監視しています。

光学追跡

光学追跡は、望遠鏡とカメラを使用して衛星を観測・追跡します。光学センサーは、背景の恒星に対する衛星の角度位置を測定します。これらの測定値は、正確な時刻データと組み合わせて、衛星の軌道を決定するために使用されます。

光学追跡システムの種類：

• 地上望遠鏡： これらの望遠鏡は、小型の自動望遠鏡から大型の研究用観測所まで多岐にわたります。例として、スペインのテネリフェ島にあるESA光学地上局や、米空軍が運用するGEODSS（地上配備型電気光学深宇宙探査）サイトなどがあります。
• 宇宙望遠鏡： ハッブル宇宙望遠鏡や専用のSSA望遠鏡などの周回望遠鏡は、宇宙の遮るもののない視界を提供し、地上からの観測が困難な衛星を追跡できます。
• 電気光学（EO）センサー： これらのセンサーは、CCD（電荷結合素子）やCMOS（相補型金属酸化膜半導体）センサーなどの電子検出器を使用して衛星の画像をキャプチャします。

光学追跡の利点：

• 高い角分解能： 光学望遠鏡は高い角分解能を提供し、小さな物体の追跡や近接した物体の分解を可能にします。
• 受動的センシング： 光学追跡は受動的センシング技術であり、他の衛星に干渉したり、敵対者に検出されたりする可能性のある信号を一切放出しません。
• 小型物体に対する費用対効果： 比較的小さな望遠鏡でも物体を追跡できるため、SSAにとって費用対効果の高いソリューションとなります。

光学追跡の欠点：

• 天候に依存： 光学追跡は、雲、雨、霧などの気象条件によって制限されます。
• 日中の制約： 地上からの光学追跡は通常、夜間の観測に限定されますが、特殊な技術を用いて薄明時に衛星を追跡することも可能です。
• 大気の影響： 地球の大気は画像を歪ませ、光学追跡測定の精度を低下させる可能性があります。補償光学技術を使用してこれらの影響を軽減することができます。

例： 宇宙監視望遠鏡（SST）は、深宇宙の小さな物体を検出・追跡するために米空軍が開発した地上光学望遠鏡です。SSTは広い視野を持ち、広範囲の空を迅速にスキャンすることができます。

テレメトリ追跡

テレメトリ追跡は、衛星自体から送信される無線信号を受信・分析することに依存します。これらの信号には、衛星の健全性、状態、位置に関するデータが含まれています。これらの信号を監視することで、地上局は衛星を追跡し、その性能を評価できます。

テレメトリ追跡の構成要素：

• 衛星送信機： 衛星には、テレメトリデータを地上局に放送するための送信機が装備されています。
• 地上局： 大型アンテナを備えた地上局がテレメトリ信号を受信・処理します。これらの局は、NASAのディープスペースネットワーク（DSN）や欧州宇宙追跡ネットワーク（ESTRACK）などのグローバルネットワークの一部であることがよくあります。
• 信号処理： 受信した信号は、衛星の位置、姿勢、温度、電力レベル、その他のパラメータに関する情報を含むテレメトリデータを抽出するために処理されます。

テレメトリ追跡の利点：

• 衛星位置の直接測定： テレメトリデータには、GPSやスタートラッカーなどの搭載ナビゲーションシステムから取得された衛星位置の直接測定値が含まれることがよくあります。
• 継続的な監視： テレメトリ追跡は、衛星の健全性と状態を継続的に監視し、運用者が異常をリアルタイムで検出・対応できるようにします。
• 高精度： テレメトリデータは、特に他の追跡方法と組み合わせることで、非常に正確な位置情報を提供できます。

テレメトリ追跡の欠点：

• 衛星の協力への依存： テレメトリ追跡は衛星が信号を送信することに依存しており、衛星が故障している場合や運用者が意図的に送信機を無効にしている場合は不可能です。
• 限定的なカバレッジ： 地上局のカバレッジエリアは限られているため、衛星が常に地上局の範囲内にあるとは限りません。
• 干渉に対する脆弱性： テレメトリ信号は、他の無線源からの干渉の影響を受ける可能性があります。

例： NASAのディープスペースネットワーク（DSN）は、惑星間宇宙船ミッションをサポートする大型アンテナのグローバルネットワークです。DSNは、宇宙船のテレメトリ信号を受信・分析することで追跡し、航法およびミッション運用に不可欠なデータを提供します。

干渉法

干渉法は、複数のアンテナからの信号を組み合わせて、単一のアンテナで提供できるよりも高い角分解能を達成します。この技術は、異なるアンテナで受信した信号の到達時間または位相の差を測定することで衛星を追跡するために使用されます。

干渉計の種類：

• 電波干渉計： これらの干渉計は、電波を使用して衛星を追跡します。例として、米国の超大型干渉電波望遠鏡群（VLA）やチリのアタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計（ALMA）があります。
• 光干渉計： これらの干渉計は、可視光を使用して衛星を追跡します。光干渉法は、光の波長が短いため電波干渉法よりも困難ですが、非常に高い角分解能を提供できます。

干渉法の利点：

• 高い角分解能： 干渉法は非常に高い角分解能を提供し、小さな物体の追跡や近接した物体の分解を可能にします。
• 精度の向上： 複数のアンテナからの信号を組み合わせることで、干渉法は衛星追跡測定の精度を向上させることができます。

干渉法の欠点：

• 複雑なシステム： 干渉計は、構築および運用に複雑で高価なシステムです。
• データ処理： 干渉法は、複数のアンテナからの信号を組み合わせるために高度なデータ処理技術を必要とします。
• 大気の影響への感度： 大気乱流は、特に光波長において、干渉法測定の精度に影響を与える可能性があります。

例： 超長基線アレイ（VLBA）は、米国全土に配置された電波望遠鏡のネットワークです。VLBAは、衛星やその他の天体を非常に高い精度で追跡するために使用されます。

衛星レーザー測距（SLR）

衛星レーザー測距（SLR）は、地上局と衛星の間の距離を決定するための非常に正確な技術です。SLR局は、逆反射器を備えた衛星に短いレーザー光パルスを送信します。逆反射器はレーザー光を地上局に反射し、光が衛星まで往復するのにかかる時間が測定されます。この時間測定値と光速を組み合わせて、衛星までの距離を計算します。

SLRシステムの構成要素：

• レーザー送信機： レーザー送信機は、短いレーザー光パルスを生成します。
• 望遠鏡： 望遠鏡は、レーザービームを衛星に向け、反射光を収集するために使用されます。
• 逆反射器： 衛星には、光が来た方向に反射させる特殊な鏡である逆反射器が装備されています。
• タイミングシステム： タイミングシステムは、レーザー光が衛星まで往復するのにかかる時間を非常に高い精度で測定します。

SLRの利点：

• 高精度： SLRは、数ミリメートルの精度で衛星の距離を決定する最も正確な方法の1つです。
• 衛星の協力に依存しない： SLRは衛星が信号を送信することに依存しないため、非協力的な衛星やスペースデブリの追跡に使用できます。
• 他の追跡システムの較正： SLRデータは、レーダーや光学望遠鏡などの他の衛星追跡システムを較正・検証するために使用できます。

SLRの欠点：

• 天候に依存： SLRは、雲、雨、霧などの気象条件によって制限されます。
• 衛星数の制限： 逆反射器を装備した衛星のみがSLRによって追跡できます。
• 高コスト： SLR局は、構築および運用に費用がかかります。

例： 国際レーザー測距事業（ILRS）は、科学的および測地学的な目的で衛星を追跡するSLR局のグローバルネットワークです。ILRSは、軌道決定、地球回転の研究、海面水位変動の監視のためのデータを提供します。

軌道決定と予測

衛星追跡手法から得られたデータは、衛星軌道を決定・予測するために使用されます。軌道決定は、追跡測定値に基づいて衛星の軌道要素を推定することを含みます。軌道予測は、これらの要素を使用して衛星の将来の位置を計算することを含みます。

軌道決定と予測の技術：

• バッチ最小二乗法： これは、観測された追跡測定値と軌道モデルによって予測された値との差を最小化する、軌道決定のための古典的な方法です。
• シーケンシャルフィルタリング： この方法はカルマンフィルターを使用して軌道要素を再帰的に推定し、新しい追跡測定値が受信されるたびに推定値を更新します。
• 特殊摂動法： これらの方法は、地球の非球形重力場、大気抵抗、太陽放射圧などの様々な摂動の影響を考慮して、数値積分を使用して衛星の軌道を伝播させます。
• 一般摂動法： これらの方法は、解析的近似を使用して衛星軌道に対する摂動の影響をモデル化します。

衛星追跡における課題

衛星追跡はいくつかの課題に直面しています：

• スペースデブリ： 軌道上のスペースデブリの増加は、運用中の衛星に重大な脅威をもたらします。スペースデブリの追跡は、その小さなサイズ、不規則な形状、予測不可能な軌道のため困難です。
• 小型衛星： CubeSatなどの小型衛星の急増により、軌道上のすべての物体を追跡することがより困難になっています。
• 軌道修正を行う衛星： 頻繁に軌道修正を行う衛星は、軌道が常に変化するため追跡が困難な場合があります。
• 非協力的衛星： 運用を終了した衛星やスパイ衛星などの非協力的衛星は、テレメトリデータを送信しないため追跡が困難です。
• 大気の影響： 地球の大気は、光学信号やレーダー信号を歪ませ、衛星追跡測定の精度を低下させる可能性があります。
• データ融合： 異なる追跡センサーからのデータを組み合わせて軌道決定の精度と信頼性を向上させることは、複雑で困難な課題です。

衛星追跡の未来

衛星追跡の未来は、以下のようなより高度な追跡技術の開発を伴うでしょう：

• 高度なレーダーシステム： 角分解能が向上した、より強力で感度の高いレーダーシステム。
• 宇宙搭載センサー： 宇宙環境の継続的な監視のための、宇宙搭載レーダーおよび光学センサーの配備の増加。
• 人工知能（AI）と機械学習（ML）： 自動追跡、軌道決定、異常検出のためのAIおよびMLアルゴリズム。
• 改善されたデータ融合技術： 軌道決定の精度と信頼性を向上させるための、異なるセンサーからのデータを組み合わせるより洗練された技術。
• グローバルな協力： 宇宙状況把握を向上させるための、国際協力とデータ共有の強化。

結論

衛星追跡は、宇宙活動の安全性と持続可能性を確保するための重要な能力です。様々な追跡手法、技術、課題を理解することで、私たちは宇宙資産をより良く保護し、科学研究を可能にし、宇宙環境の責任ある利用を促進することができます。軌道上の衛星とスペースデブリの数が増え続けるにつれて、衛星追跡の重要性は今後ますます高まるでしょう。すべての人が安全で持続可能な宇宙環境を維持するためには、高度な追跡技術の研究開発への継続的な投資が不可欠です。