ミッション解析書東工大ガンマ線バースト観測衛星

1.ミッション1.1 ミッション背景宇宙の か な た か ら 数秒間か ら 数十秒間に わ た っ て 大量の ガ ン マ 線が 降り 注ぎ ，

激し く 時間変動す る 不思議な 現象が あ る ．宇宙ガ ン マ 線バ ース ト と 呼ば れ る こ

の 現象は ，1960年代に ア メ リ カ の ロ ス ア ラ モ ス 研究所が 原爆実験探知用衛星と し て

打ち 上げ た ベ ラ 衛星で 最初に 確認さ れ た ．検出さ れ た ガ ン マ 線バ ース ト の 到来

方向は 地球，月，太陽や 惑星の 方向と は 一致し な か っ た ．そ の 後30年に わ た り ，ガ

ン マ 線バ ース ト が 銀河系内の 天体現象か ，宇宙論的な 距離で の 現象か と い う こ と を

巡っ て 論争が 繰り 広げ ら れ て き た ．し か し 1990年代前半，CGRO衛星の BATSE 検出器が

全天を 系統的に 探査し ，ガ ン マ 線バ ース ト が 宇宙全体に 等方的に 分布し て い る 事を 突

き 止め ，宇宙論的距離で 起こ る 現象で あ る こ と を 解明し た ．さ ら に 1990年代後半に

は ，イ タ リ ア の BeppoSAX 衛星が X線の 残光を 一分角の 精度で 決定し ，地上に お い て 光

学望遠鏡が 可視光領域の 残光を 観測し た ．そ し て こ の 残光に 伴う 赤方偏移を 測る こ と

で バ ース ト 源ま で の 距離を 見積も る こ と が で き ，そ の 起源が 最も 遠方の ク

ェ ーサ ーと 並ぶ ほ ど 極め て 遠い 天体で 起こ る 現象で あ る 事が 明ら か に な っ

た ．し か も こ の ガ ン マ 線バ ース ト の 全エ ネ ル ギ ー放出量を 推定し た と こ

ろ ，超新星爆発を 超え る 宇宙で 最大規模の 爆発現象で あ る こ と が 分か っ た ．し か し ，

ガ ン マ 線バ ース ト の 正体は 未だ に 明ら か に さ れ て お ら ず ，宇宙物理に 残さ

れ た 最大の 謎の 一つ で あ る ．

1.2 ミ ッ シ ョ ン 意 義　ガ ン マ 線バ ース ト 現象が 未だ に 解明さ れ て い な い 原因と し て ，地球大気で の

吸収の た め 地上で の X 線及び ガ ン マ 線の 観測が 難し い こ と ，ガ ン マ 線バ ース

ト の 起こ る 方向が 予想で き な い こ と ，及び ガ ン マ 線バ ース ト の 現象継続時間が

短い こ と が 挙げ ら れ る ．そ の た め ，衛星を 用い て ガ ン マ 線バ ース ト の 発生

を 検知す る と 共に バ ース ト 位置を 決定し ，早急に 地上に 通達す る シ ス テ ム が 必要

と さ れ て い る ．ガ ン マ 線バ ース ト は 現在の と こ ろ ，z~10（宇宙年齢の 98%に 相当

す る ）の 領域を 越え る 最深の 宇宙を 探る 可能性を も つ 唯一の 天体で あ る ．ガ ン マ

線バ ース ト の 起き て い る 環境を 知る こ と は ，星・銀河が 形成さ れ は じ め た 時期

以降の 宇宙の 様子を 知る 重要な 手が か り に な る ．最近，宇宙初期に 非常に 大質量の 天体が

形成さ れ た と い う 仮説が 脚光を 浴び つ つ あ る が ，ガ ン マ 線バ ース ト の 起源

を 調べ る こ と に よ り こ の 宇宙初期の 様子が 明ら か に な り ，ひ い て は 我々の

銀河系の 形成に 関す る 重要な 鍵が 得ら れ る と 期待さ れ る ．

こ の た め ，本衛星は 「2 種類の 観測機器を 用い た ，軟X線～ガ ン マ 線領域（0.5 ～200keV ）

に お け る ガ ン マ 線バ ース ト の 検出，位置通報，強度変化測定，ス ペ ク ト ル 測定」を 行

う こ と を 目的と す る ．こ の こ と が ピ ギ ーバ ッ ク 衛星の サ イ ズ で 可能と

な れ ば ，ガ ン マ 線バ ース ト 現象の 解明へ 向け て の 新た な 一歩と な る で あ ろ

う ．

1.3 本 衛 星 の 特 徴 ， お よ び 新 規 性①　広視野の 確保，高精度な 位置決定能力

　ガ ン マ 線バ ース ト 位置検出器Hard X-ray Spectrometer(HXS)と し て は ，日本の 小田稔先生が 考案

し た 「回転す だ れ コ リ メ ータ 」を 採用す る ．本衛星は 非常に 小型で あ る た め ガ

ン マ 線検出器の 有効面積が 限ら れ る が ，ス ピ ン 衛星で あ る 特性を 活か し て ，広い

視野と 非常に 正確な 位置決定を 同時に 実現す る ．監視領域は 反太陽側半天と す る ．監視す る 立

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体角は ，現在稼動中の ガ ン マ 線バ ース ト 観測衛星HETE-2 衛星に 比べ て 4 倍以上で あ り ，検

出で き る ガ ン マ 線バ ース ト 頻度は HETE-2 の 約2 倍の 年間30個以上を 期待で き る ．ガ

ン マ 線バ ース ト 発生位置の 通報に 加え て ，定常X 線源の デ ータ を 用い た 検出器と 衛星

の 姿勢の 較正，X線新星や ト ラ ン ジ ェ ッ ト 天体の 監視観測も 行う ．

②　広エ ネ ル ギ ー範囲に わ た る 観測

　通常用い ら れ て い る 光電子増倍管は 光に 対す る 感度が 悪く （量子効率 ），検出器

の 性能を 十分に 引き 出す こ と が で き な い ．そ こ で 今回，ガ ン マ 線検出器で あ

る シ ン チ レ ーシ ョ ン ・カ ウ ン タ ーの 読み 出し に Avalanche Photo Diode （APD）を 採用

す る ．最近，医療や 工業用と し て 開発さ れ た APDは 光電子増倍管の ４倍の 感度（ ）

を 持つ 優れ た 半導体素子で あ る が ，過去に 衛星に 搭載さ れ た 例は な い ． よ っ て

こ の APDの 宇宙環境で の 性能を 確か め る 事も 本衛星の 重要な 使命で あ る ．ま た ，APD

が 単体で X線に 感度を 持ち ，Soft X-ray Spectrometer（SXS）検出器と し て の 性能を 持つ 事を 利用

し て ，低エ ネ ル ギ ー領域で の ガ ン マ 線バ ース ト の ス ペ ク ト ル の 検出を 試

み る ．こ の SXSは 10keV 以下で 8% 以下の エ ネ ル ギ ー分解能を 実現し ，HXSで は 観測が

難し い 鉄輝線( ～6keV) に も 十分な 感度を 有す る ．つ ま り ，こ れ ま で 残光の み に 認

め ら れ て い た 鉄輝線を バ ース ト 光内か ら 直接，検出で き る 可能性が あ る ．こ の

観測に よ り ，ガ ン マ 線バ ース ト の 赤方偏移が 分か る ．ま た ，1keV 以下の ス ペ ク

ト ル は 星間物質に よ る 強い 吸収を 受け る ．こ の 吸収量を 測定す る 事に よ り ，ガ

ン マ 線バ ース ト の 発生し た 環境や 距離を 推定す る こ と が で き る ．今回の 様な 軟

X線を 用い た ア プ ロ ーチ か ら ，バ ース ト 発生源を 特定す る 試み は 未だ か つ て

行わ れ た こ と が な く ，こ れ ら の 観測に よ っ て ガ ン マ 線バ ース ト の 起源

に 関し て 新し い 知見を 得る こ と が 期待さ れ る ．

③　学生主導で の 実用小型衛星の 開発

　世界各国か ら ガ ン マ 線バ ース ト 観測衛星が 打ち 上げ ら れ て お り ，そ れ ぞ れ

が 特色あ る 性能を 持っ て い る が ，今回我々は 東工大工学部，理学部の 学生連携主導に よ っ

て 50cm 立方，50kgと い う 制限の も と で 衛星を 開発し ，ガ ン マ 線バ ース ト を 観測す

る こ と に 挑戦す る ．大型衛星に 付随し た ピ ギ ーバ ッ ク 衛星の 利用が 注目さ れ て

い る が ，単独の 大学且つ 学生主導で 既存の ガ ン マ 線バ ース ト 衛星に 比肩し 得る 小型衛星

の 開発に チ ャ レ ン ジ す る こ と で ，こ の 相乗り 衛星の 新た な 在り 方の 一つ を

提示し ，今後の 宇宙開発の 発展に 大き く 寄与す る こ と を 目指す ．

④　ピ ギ ーバ ッ ク 衛星に よ る 衛星開発サ イ ク ル の 短期化

ガ ン マ 線バ ース ト の よ う な ，突発的に ，様々な 方向か ら 発生す る 現象の 場合，

そ の 原因解明の た め に は ，現象に 関す る デ ータ を で き る 限り 多く ，し か も

様々な 方法で 取得す る 必要が あ る ．ま た ，こ の よ う な 突発天体を 観測す る 衛星が 継

続的に 開発打上運用さ れ る こ と が 望ま し い ．ガ ン マ 線バ ース ト 観測衛星に つ い

て は ，HETE-2 の よ う に 100kg 程度の 比較的小型の も の か ら ，10ト ン を 超え る 大型

の 衛星に よ る も の ま で い く つ か の 例が あ る ．実際，大型衛星で は 検出器の 有効面

積を 大き く す る こ と が 可能に な る な ど ，メ リ ッ ト は 大き い ．し か し ，開

発期間が 長期間で コ ス ト 高の た め 頻繁に 衛星を 打ち 上げ る こ と は 難し い た め ，

観測セ ン サ も 一世代前の も の を 使わ ざ る を 得ず ，最新の セ ン サ を 使っ た 有意義

な 観測が で き な い な ど の 問題も あ る と 考え ら れ る ．ま た ，衛星の 打ち 上げ

失敗に よ る リ ス ク も 大き い ．

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一方，ピ ギ ーバ ッ ク 衛星の よ う な 小型衛星は ，比較的安価，開発期間が 短期，打ち 上げ 機

会も 今後増加す る 可能性が 高い と い う 特徴が あ る ．こ の た め ，ピ ギ ーバ ッ ク 衛

星を 使用す れ ば ガ ン マ 線バ ース ト 観測の 機会が 増加し ，現象解明の へ 向け て の 貴重

な デ ータ を 取得す る こ と が 可能に な る ．さ ら に ，打ち 上げ 機会が 増え ，開発期間

も 短く な る こ と で 最新の セ ン サ を 搭載す る こ と も 可能に な る た め ，1 つ

の 衛星で よ り 有意義な デ ータ を 取得す る こ と が 可能に な る ．

2.ガ ン マ 線 バ ー ス ト 観 測

本章で は ，ま ず 観測機器の 観測原理・構成に つ い て 述べ る ．次に ，C&DH系や 通信系を

設計す る 際に 必要な デ ータ 量に つ い て の 見積も り ，お よ び 構造系，電源系を 設計す

る 際に 必要な ，観測機器の 重量，サ イ ズ に つ い て 見積も り を 行う ．次に 他の 衛星に

搭載さ れ た 観測機器と の 比較を 行い ，本観測機器に 搭載さ れ た 観測機器が ，小型な が ら

も 大変高い 位置分解能と 検出感度を 持つ こ と を 示す ．

2.1 　 観 測 機 器　本衛星で は ，軟X 線か ら ガ ン マ 線領域（0.5 ～200keV ）に お け る ガ ン マ 線バ ース

ト の 検出，地上観測局へ の 位置通報，強度変化，ス ペ ク ト ル の 測定を 行う ．HXS，SXSの 2 種

類の 検出器を 用い る 事で こ れ を 実現す る ．

2.1.1　ガ ン マ 線バ ース ト 位置検出器HXS

　HXSは NaI シ ン チ レ ーシ ョ ン 及び APDの 前面に す だ れ コ リ メ ータ を 組み 合

わ せ た 検出器で ，5~200keV の X線に 感度を も つ ．す だ れ コ リ メ ータ に よ っ て

ガ ン マ 線バ ース ト の 位置を 決定す る と と も に ，中高エ ネ ル ギ ーX 線領域ス ペ

ク ト ル と 強度変化を 計測す る ．

す だ れ の 原理　ガ ン マ 線バ ース ト 位置検出器HXSに お い て す だ れ コ リ メ ータ

を 使用す る が ，そ れ は 自転軸と 垂直方向に 回転す る 検出器の 前に 2 枚の す だ れ を 被

せ た も の で あ る ．す だ れ は X線及び エ ネ ル ギ ーの 低い ガ ン マ 線を 遮断す

る の で ，衛星の 回転と と も に ，平行に 置か れ た す だ れ の 間か ら X線源が 見え 隠

れ す る こ と で ，検出器の 感知す る X 線強度が 周期的に 変化す る ．そ の 周期変調の 特徴

か ら ，す だ れ を 通っ て き た ガ ン マ 線バ ース ト の 位置を 推定す る (Fig.2.1.1) ．空

間変調周期は す だ れ の ピ ッ チ a と 2 層の す だ れ の 間隔Dで 決定さ れ る ．本衛星で

は a/D ＝(0.45~1.0mm)/30mm ＝51.6~115分角の 周期で X 線強度を 変調さ せ ，幾何学的に は 最高51.6分角

の 空間分解能を 持つ ．変調周期の 中を 細か く サ ン プ ル し ，十分な フ ォ ト ン 数を た

め て 統計精度を あ げ る こ と で 最高5 分角ま で 位置決定精度を 向上さ せ る こ と が で

き る ．

HXS の 構造 　本衛星に 搭載を 考え て い る HXSを Fig2.1.2 に 示す ．す だ れ は ，衛星「よ

う こ う 」で 使用さ れ た も の と 同じ く ，厚さ 50μm の タ ン グ ス テ ン 薄板を エ

ッ チ ン グ し て 製作し ，5 層積層し て 厚さ 250μm と す る ．「よ う こ う 」で は ，

100μm ピ ッ チ ，50μm 開口と い う 仕様だ っ た の で ，最も 細か い も の で も 450μm ピ

ッ チ ，225μm 開口と い う 今回の 仕様に 製作上の 困難は な い ．検出器に 近い 方の す だ れ

は 2 つ に 分か れ て お り 独立に X線を 計数す る が ，互い に 逆位相に 配置さ れ て い

る ．つ ま り ，2 つ の す だ れ （検出器）か ら 得ら れ る 計数の 和は 無変調と な り ，計

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数の 差が す だ れ 変調さ れ た 計数信号と な る ．こ の X線強度の プ ロ フ ァ イ ル を

利用し て ガ ン マ 線バ ース ト の 方位角を 算出す る ．す だ れ の 焦点面検出器と し て

は ，NaI シ ン チ レ ーシ ョ ン ・カ ウ ン タ ーを 使用す る ．HETE-2 の ガ ン マ 線検出器

FREGATE に な ら い ，ク リ ス タ ル 劈開面を 用い た 4cm×4cm 大，5mm 厚の 結晶を 1 検出器

あ た り 6 枚（1 面あ た り 12枚）並べ る ．入射窓は 厚さ 200μm ベ リ リ ウ ム と し ，検出

エ ネ ル ギ ー下限を 5keV と す る ．シ ン チ レ ーシ ョ ン 光の 読み 出し に は ，APD

を 用い る ．先程も 述べ た よ う に ，APDは 通常使用す る 光電子増倍管に 比較し て 4 倍以上

の 集光能力を 有し ，ま た 非常に コ ン パ ク ト で あ る た め ，そ の 使用に よ っ て

小型で も 高精度の ス ペ ク ト ル 検出を 実現す る こ と が で き る ．な お ，各検出器は

上下（ス ピ ン 軸と 検出器視野中心を 含む 面内）に ±60 度，左右方向に ±75 度の 視野を も つ ．

X線検出器 X線検出器

D

a

X線の入射角度

すだれの

透過

率

a/D

Fig.2.1.1 す だ れ コ リ メ ータ の 原理図

衛星に お け る HXS 配置 　検出器は ，Fig.2.1.3 に 示す よ う に ，衛星の ス ピ ン 軸か ら 45度

傾け て ，互い に 位相角を 90度ず ら し た 4 方向に 2 台（1 セ ッ ト ）ず つ ，計8 台配置す

る ．各々の 検出器の 視野を オ ーバ ーラ ッ プ し つ つ ，合わ せ て 半天を 超え る 領域を

カ バ ーす る ．検出器が ス ピ ン 軸と 完全に 垂直で あ る と 仰角成分の 自由度を 残し て

し ま う が ，ス ピ ン 軸か ら 傾け る こ と に よ っ て ，バ ース ト 源の 天頂か ら

の 離角を 知る こ と が で き る (Fig.2.1.4) ．

HXSすだれ

NaI+ APD ElectronicCircuit 　

全体図 観測器拡大図 HXS SXS

　　　　　Fig.2.1.2 　HXSの 構造　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Fig.2.1.3 　HXS配置

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8°天頂角

5°天頂角

3°天頂角

0° 90° 180°270°180°

3°

5°8°0°

90°

180°

270°

Fig.2.1.4 　天頂角と 方位角の 決定

検出器全体の 総有効面積は ，低エ ネ ル ギ ー領域（E<40keV）で は す だ れ に よ る 開口率が

25%な の で 192cm2，す だ れ を 透過す る 高エ ネ ル ギ ー領域（40keV ＜E<200keV ）で は 768

cm2 と な る ．計数率は HETE FREGATE が ，全160 cm2 に 対し て 2500c/s 程度で ，そ の ほ と

ん ど が 低エ ネ ル ギ ー領域で あ っ た こ と を 考え る と ，ほ ぼ 同程度で あ る と

予測さ れ る ．ま た ，4 方向の す だ れ は そ れ ぞ れ 異な る ピ ッ チ と 回転角を 持

っ て 配置さ れ る (Table2.1.1 ，Fig.2.1.5)．こ の よ う に ，わ ず か に ピ ッ チ の 異な る

す だ れ を 用意し た の は ，す だ れ コ リ メ ータ の 周期的不定性を ，異な る 変調周期

を 持つ 複数の デ ータ プ ロ フ ァ イ ル を 組み 合わ せ る 事に よ り 排除す る た め

で あ る ． ま た ，回転角を 変え た す だ れ を 複数用意す る こ と で 仰角の 決定精度を

高め る 事が で き る ．

Table2.1.1 す だ れ の 構成と 配置

方位 ピッチ すだれの回転角 空間分解能 ＋X 500μm －15° 57.3’ ＋Y 450μm ＋15° 51.6’ －X 1000μm －30° 114.5’ －Y 900μm ＋30° 103.1’

+15°-15° +30°-30°

-X+X -Y+Y

Fig.2.1.5 　す だ れ の 回転角

2.1.2　軟X線観測器SXSSXSは ，0.5 ～15keV の 軟X 線領域に 感度を も ち ，HXSよ り

も 高い 分解能で 低エ ネ ル ギ ーX 線領域に お け る ス ペ

ク ト ル と 光度曲線を 計測す る ．SXS は 先 程も 述 べ た

APD( 各2 cm2) を ユ ニ ッ ト 化し て 構成さ れ ，全体で 96 cm2

の 有効面積を 確保す る ．Fig 2.1.6 に 構造図を 示す ．

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SXS(Sensor Part) APD

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2.2 　 搭 載 機 器 サ イ ズ ・ 重 量 ・ 電 力　搭載す る ハ ード ウ ェ ア の 一覧を Table2.2.1 ，Table2.2.2 に 示す ．

Fig.2.1.6 　SXSの 構造

Table2.2.1 　 HXS

体積(mm) 重量(g) 消費電力(W) 個数 全重量(g) 全消費電力(W) すだれコリメータ(2層) 170×130×30 200 0 4 800 0 センサ＋回路A 940 0.24 4 3760 0.96 アナログ回路B 440 0.66 4 1760 2.64 デジタル回路C 230 0.94 4 920 3.76 高圧/温度モニタ

170×130×50

270 0.60 4 1080 2.40 計 8320 9.76

Table2.2.2 　 SXS

体積(mm) 重量(g) 消費電力(W) 個数 全重量(g) 全消費電力(W)

センサ＋回路 60×60×30 290 0.12 8 2320 0.96 アナログ回路B 260 0.33 4 1040 1.32 デジタル回路C 180 0.84 4 720 3.36 高圧/温度モニタ

120×120×30 270 0.60 4 1080 2.40

計 5160 8.04

2.3 　 出 力 デ ー タ 形 式 ・ 容 量　最終的に 地上局へ 伝送す る デ ータ 形式は 次の 3 種類で あ る ．

バ ース ト デ ータ 　バ ース ト 発生時に の み 取得し ，検出さ れ た 光子一つ 一つ に 対し

て イ ベ ン ト デ ータ を 生成す る ．バ ース ト 位置の 決定及び ス ペ ク ト ル の 取得

を 行う 事が で き る ．バ ース ト 1 個に 対し ト リ ガ 前の 40秒間を 含む 128 秒間分の デ

ータ を 取得す る ．た だ し バ ース ト 1 個に つ き 最大1MByte ま で と す る ．す な

わ ち 上限512k個の X線イ ベ ン ト を サ ン プ ル 可能で あ る ．

時系列デ ータ 　1ms 毎の イ ベ ン ト デ ータ か ら 4 秒間の 時間分解能で ，数バ ン ド に わ

た っ て そ の 計数率を 記録す る ．カ ウ ン タ 1 台あ た り ，最大1000c/s の 可能性が あ

る た め ，1 バ ン ド あ た り 12bit が 必要で あ る ．一日に 40ksec 取得す る ．

す だ れ 変調デ ータ 　各面2 つ の 検出器に つ い て ，“ push”-“pull” の 変調差分を 4 周積分し

た ヒ ス ト グ ラ ム を ，1 バ ン ド （6~25keV ）に お い て 記録す る ．す だ れ の 最小

ピ ッ チ （51.6分角）が 6 ビ ン 以上に な る よ う に 125Hz で サ ン プ リ ン グ す る ．

　「時系列デ ータ 」，「す だ れ デ ータ 」は 定常的に 各検出器か ら 生成し ，ヒ ス ト グ ラ

ム 形式に し て ，検出器の 健康監視，定常X 線源の 監視，及び 定常X 線を 用い た 姿勢較正に 用い

る ．HXSで は 3 種類の デ ータ す べ て を ，SXSで は バ ース ト デ ータ ，時系列デ ータ

の 2 種類を 生成す る ．以下に 生成さ れ る パ ケ ッ ト デ ータ を 示す ．

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4＊計数データ：秒積分計数HXS 0 7＊ ～ ：検出器Band 0 5-10keV, Band 1 10-20keV,＊ ： ：

ヘッダ

時刻 Photonデータ数

Photon ( 256 )データ 最大 個

・・・

時刻 ID検出器 パルス波高

24bit 8bit 16bit

6bit 3bit 7bit

( 4128bit/ Packet)バーストデータ 可変長：最大

ヘッダ

時刻

1計数データ＃

HXS 0 HXS 2

Band 0

16bit 72bit

HXS 1

12bit

(11536bit/ Packet)時系列データ

HXS 7・・・20計数データ＃2計数データ＃ ・・・

576bit

Band 1

12bit

Band 2 Band 3

12bit

Band 4

12bit

Band 5

12bit 12bit

時刻

#1計数データ

Face 0

(20016bit/ Packet)すだれ変調データ

16bit 8bit

32bit

GPS Time of Day (64ms )＊ヘッダ時刻： 分解能Photon GPS Time of Day (1ms 6bit)＊ 時刻： 分解能 下位

ID 0 7＊検出器 ：検出器 ～

GPS Time of Day (4s )＊ヘッダ時刻： 分解能

GPS Time of Day (4s )＊ヘッダ時刻： 分解能

Band 2 20-50keV, Band 3 50-100keV,： ：Band 4 100-200keV, Band 5 >200keV： ：

Face 0 3＊ ～ ：面

Face 1 Face 2 Face 32499計数データ＃2計数データ＃ ・・・

ヘッダ

Fig. 2.3.1 HXS デ ータ

ヘッダ

時刻 Photonデータ数

Photon ( 256 )データ 最大 個

・・・

時刻 ID検出器 パルス波高

24bit 8bit 16bit

6bit 2bit 8bit

( 4128bit/ Packet)バーストデータ 可変長：最大

ヘッダ

時刻

1計数データ＃

SXS (+X)

Band 0

16bit 36bit

12bit

(11536bit/ Packet)時系列データ

20計数データ＃2計数データ＃ ・・・

144bit

Band 1

12bit

Band 2

12bit

SXS (+Y) SXS (-X) SXS (-Y)

Band 0 0.5-2keV, Band 1 2-5keV, Band 2 5-15keV＊ ： ： ：

Fig. 2.3.2 SXS デ ータ

よ っ て ，HXS，SXSに お け る 一日あ た り の デ ータ 生成量を 見積も る と 以下の よ

う に な り ，合わ せ て 8MByte/Day の デ ータ 容量と な る ．

バーストデータ 時系列データ すだれ変調データ HXS 1MByte (Max)/Day 1Packet÷ 80sec× 40ksec = 721kByte/Day 1Packet÷ 80sec× 40ksec = 5MByte/Day SXS 1MByte(Max) 1Packet÷ 80sec× 40ksec =180kByte/day －

2.4 　 こ れ ま で に 打 ち 上 げ ら れ た 衛 星 と の 比 較 ， 検 出 器 の 特 長　本衛星の 仕様を ，既に 打ち 上げ ら れ た ガ ン マ 線バ ース ト 観測衛星と の 比較も 含め

て Table2.4.1 に ま と め る ．他の 衛星と の サ イ ズ 比を 考慮す る と ，広い 視野を 持つ

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こ と が 分か る ．ま た 回転式す だ れ コ リ メ ータ を 使用す る こ と に よ り 非常

に 精度の 高い 位置決定精度を 持つ ．

Table2.4.1

HETE-2 BATSE 本衛星 構成 CCD＋PC＋NaI NaI(Tl) APD＋NaI 視野* ~1str 全天 半天 観測エネルギ範囲 0.5~400keV 25k~10MeV 0.5~200keV 有効面積（マスク込み） 18/115/160 cm2 2025 cm2 96/192 cm2 有効面積(マスクなし) 72/350/160 cm2 - 96/768 cm2 位置決定精度 '11 2~5° '5 時間分解能 ms1 64ms 1ms 全重量 120kg 16ton 50kg

*全天は4π str．

3.衛 星 シ ス テ ム 検 討

3.1 要 求 の 整 理ま ず ，本衛星を 設計し て い く に あ た り ，ミ ッ シ ョ ン 要求，お よ び ピ ギ ー

バ ッ ク 衛星の 制約条件を 整理す る ．

3.1.1　ミ ッ シ ョ ン 要求

本衛星の ミ ッ シ ョ ン は ガ ン マ 線バ ース ト 観測で あ り ，具体的に は

・ 回転式す だ れ コ リ メ ータ を 使用し た ，高精度の ガ ン マ 線バ ース ト 源の 位置

決定

・ 広視野・広エ ネ ル ギ ー範囲に わ た る ガ ン マ 線バ ース ト 観測

を 目的と す る ．こ れ ら を 実現す る た め 要求と し て ，以下の も の が あ げ ら

れ る ．

Table 3.1.1 ミ ッ シ ョ ン 要求

ミ ッ シ

ョ ン 要求

具体的な 内容

①高い 姿勢決定

精度

観測機器が 5 分角程度の 精度で ガ ン マ 線バ ース ト 源の 位置を 検出可能

な た め ，衛星に は さ ら に 高い 姿勢決定精度が 必要．

②観測機器の 反

太陽指向制御

太陽は 巨大な ガ ン マ 線発生源で あ り ，ガ ン マ 線強度は ガ ン マ 線

バ ース ト の そ れ よ り も 大き い ．こ の た め 観測機器視野内に 太

陽が 入る と ガ ン マ バ ース ト の 正確な 観測を 行う こ と は で

き な い ．よ っ て ，衛星は 常に 反太陽方向を 指向し て い る 必要が

あ る ．ま た ，X 線検出器に 関し て は 地球に 反射し た 太陽光に よ っ

て も 正確な 観測が 妨げ ら れ る た め ，で き る 限り 昼地球が 視野

に 入る こ と も 避け る 必要が あ る ．

③観測機器の 回

転

小型，小電力か つ 高機能の 観測機器を 実現す る た め に ，回転式す だ れ

コ リ メ ータ を 採用し て い る ．こ の た め ，す だ れ コ リ メ

ータ を 回転さ せ る 必要が あ る ．

④姿勢安定 回転式す だ れ コ リ メ ータ に よ る 観測に 支障の な い 程度（コ リ

メ ータ の 回転軸の 変動が 30秒に 0.1° 程度）の 姿勢安定を 保持す る 必要が

あ る ．

⑤ 地 上 へ の ガ ン マ 線バ ース ト 現象は ，長い も の で も 数分間し か 継続し な

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ミッション解析書　　　　　東工大ガンマ線バースト観測衛星

バ ース ト 警

報

い 現象で あ る た め ，ガ ン マ 線バ ース ト を 検出後，早急に 発生源

を 特定し ，地上に 位置を 知ら せ る 必要が あ る ．

⑥観測機器の 熱

制御

観測機器の 感度，お よ び 一部の 姿勢決定機器の 感度向上の た め ，そ れ

ら の 温度を －10度前後に 保つ 必要が あ る ．

3.1.2　ピ ギ ーバ ッ ク 衛星の 制約事項　

本衛星は ， H-2A ロ ケ ッ ト の ピ ギ ーバ ッ ク 衛星を 想定し て い る た め ，

50kg，50cm 立方と い う 重量，サ イ ズ の 制約だ け で な く ，衛星の 軌道に 関し て も ，主

衛星に 大き く 左右さ れ る こ と が 考え ら れ る ． 以下に ，現在発表さ れ て い る H-

2A ロ ケ ッ ト の 打ち 上げ 計画を 示す ．

Table. 3.1.2 打上げ 予定（H-ⅡA ロ ケ ッ ト ，種子島）

http://www.nasda.go.jp/Press/launch_future_j.html 2002.5.5 更新　2001.8.22付 宇宙開発委員会　計画・評価部会に よ る

審議反映

年度，時期 衛星，ミ ッ シ ョ ン 運用軌道 そ の 他

平成１４年度 DRTS （デ ータ 中継技術衛星）

USERS （次世代型無人宇宙実験シ

ス テ ム ）

静止衛星軌道：東経90度付近（暫定）軌道高度約500km円軌道

軌道傾斜角約30.4度

離心率0 ～0.002

平成１４年度 ADEOS-Ⅱ （環境観測技術衛星）

μ-Lab Sat（小型研究衛星）

WEOSS （鯨生態観測衛星）

Fed Sat( 豪州小型衛星)

高度802.9km の 太陽同期準回帰軌道

傾斜角98.62 度, 周期約101 分

降交点地方時　AM10 ：30±15

TDRSS 使用

ピ ギ ーバ

ッ ク

ピ ギ ーバ

ッ ク

平成１４年度 情報収集衛星 記述な し

平成１５年度 MTSAT-1R （運輸多 目的衛星新 1 号

機）

H-IIA ロ ケ ッ ト 上段の 再々

着火実験

記述な し

記述な し

平成15年度 情報収集衛星 記述な し

平成１６年度 ALOS （陸域観測技術衛星） 高度約700kmの 太陽同期準回帰軌道

軌道傾斜角 約98度

周期 約99分／周回日数 約45日

降交点通過地方時 午前10時30分+-15

分

平成１６年度 ETS-Ⅷ （技術試験衛星VIII 型） 静止衛星軌道

東経146 度（暫定）

平成１７年度 増強型試験機（飛行実証試験） 記述な し

平成１７年度 SELENE（月周回衛星） な し

平成１７年度 HTV （宇宙ス テ ーシ ョ ン

補給機）

宇宙ス テ ーシ ョ ン 軌道

高度460km ～350km

軌道傾斜51.6度

平成１７年度 i-Space（超高速イ ン タ ーネ 記述な し

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ミッション解析書　　　　　東工大ガンマ線バースト観測衛星

ッ ト 衛星）

Table.2.1か ら も わ か る よ う に ，現段階で 発表さ れ て い る 主衛星の 軌道は ，太陽同

期軌道か 静止軌道が 多い こ と が わ か る ．こ の た め ，H-2A の ピ ギ ーバ ッ ク 衛星

が 打ち 上げ ら れ る 軌道と し て は ，太陽同期軌道か GTO 軌道の 可能性が 高い と 考え ら

れ る ．こ れ ら を 下表に ま と め る ．

Table 3.1.3 ピ ギ ーバ ッ ク 衛星の 制約事項

制約項目 内容

重量 50ｋg

サ イ ズ 打上げ 時、50cm×50cm×50cm の 空間に 収ま る 形状

打ち 上げ ロ

ケ ッ ト

H-2A

衛星軌道 同時に 打ち 上げ ら れ る 主衛星に よ る ．GTO 軌道，も し

く は 太陽同期軌道の 可能性大．

3.2 　 衛 星 シ ス テ ム コ ン フ ィ ギ ュ レ ー シ ョ ンこ れ ま で に 述べ た ミ ッ シ ョ ン 要求，お よ び ピ ギ ーバ ッ ク の 制約条件を

元に ，衛星の コ ン フ ィ ギ ュ レ ーシ ョ ン を 決定す る ．

3.2.1　衛星の 軌道

衛星の 軌道で あ る が ，Table 3.1.1 に 示し た よ う に ，ミ ッ シ ョ ン 要求②で 観測機器

の 反太陽指向制御が 要求さ れ て い る た め ，こ れ を 満た す 軌道を 選択す る 必要が あ

る ．

Table 3.2.1 軌道の 選定

要求 軌道 要求に 答え る た め に 必要な 衛星シ ス テ ム

ミ ッ シ ョ

ン 要求②

観測機器の

反太陽指向制御

太陽同期軌道 太陽か ら 見た 軌道面の 角度が 常に 一定で あ る た

め ，ス ピ ン 安定化方式に よ る 制御で も ，ス ピ ン

軸と 直交す る 面に 観測機器を 搭載す る こ と 要求に

こ た え る こ と が 可能．

GTO 軌道 3 軸制御を 行う こ と に よ り 要求に こ た え る こ

と が 可能．

　

つ ま り ，本衛星で ど の 姿勢制御方法が 実現可能で あ る か に よ っ て ，衛星の 軌道を 選

択す る 必要が あ る と い え る ．3.2.2章，お よ び 衛星設計解析書の 姿勢制御系の と こ ろ

で も 述べ る が ，上記ミ ッ シ ョ ン 要求②以外の 要求も 考慮に い れ る と ，本衛星の 姿勢

制御系に は ス ピ ン 安定方式採用す る こ と が 最適で あ る と 考え ら れ る た め ，

Table 3.2.1 よ り 本衛星の 軌道と し て は ，太陽同期軌道を 選択し た ．H-2A ロ ケ ッ ト で 打

ち 上げ ら れ る 衛星の う ち ，太陽同期軌道で あ り ，本衛星の 開発時期を 考え た 場合に 時期

的に も ふ さ わ し い も の と し て ，陸域観測技術衛星 ALOS が あ る ．本衛星で は ，

ALOS の 相乗り 衛星を 想定し て 設計を 行う ．以下に ，ALOS の 軌道を 示す ．

Table.3.2.2 　 ALOS の 軌道

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ミッション解析書　　　　　東工大ガンマ線バースト観測衛星

軌道 太陽同期準回帰軌道

軌道高度 約700km

軌道傾斜角 約98度

軌道周期 99分

周回日数 約45日

降交点通過地方時 午前10時30分±15 分

軌道高度700km，太陽同期軌道に お い て 本衛星の ミ ッ シ ョ ン を 行う 際に は ，GTO 軌道

と 比べ ，以下の よ う な メ リ ッ ト ，デ メ リ ッ ト が あ る と 考え ら れ ，そ れ

ら に 対す る 各種検討事項に つ い て は ，こ の あ と の 章で 述べ る ．

Table.3.2.3 本ミ ッ シ ョ ン に お け る 太陽同期軌道の メ リ ッ ト ・デ メ リ ッ ト

メ リ

ッ ト

①観測機器の 反太陽指向制御が 容易

②太陽電池パ ド ル の 太陽志向

が 容易

③GTO 軌道と く ら べ 通信距離

が 短い た め ，通信機の 小電力

化が 可能

デ メ

リ ッ

ト

①低軌道で あ る た め ，地球

が 観測視野に 入り や す く ，

観測機器の 視野が 狭ま る ．

②デ ータ リ レ ー衛星を 使用

し な い 場合，常時通信を 行う

た め に は 地球表面上に 多数

の 地上局を 配置す る 必要が

あ る ．

③常に ，太陽入射角が 一定の た

め ，熱設計が 難．

⇒観測視野の 見積も り を 行い ，そ れ が 十分に

科学的意義が あ る か を 検討す る ．

⇒地上局の 配置を 検討し ，常時通信で き な い で

き な い 場合に は ，ど の 程度の 通信途絶時間が

発生す る か を 検討し ，こ れ が ，ガ ン マ 線

バ ース ト 警報と し て 十分機能す る か ど う

か を 検討す る ．

⇒熱解析に よ り 各機器の 温度を 検討し ，要求を 満

た し て い な い 場合に は ，能動的熱制御を 検討

す る ．

3.2.2　衛星の 姿勢制御

本衛星の 姿勢制御に つ い て Table 3.1.1 の ミ ッ シ ョ ン 要求と 照ら し 合わ せ 検討し た

結果，ス ピ ン 安定化方式を 採用し た ．姿勢制御方式の ト レ ード オ フ や 具体的な 制御方法に

つ い て は 衛星設計解析書で 詳し く 述べ る ．以下に ス ピ ン 安定方式を 採用し た こ と

に よ る メ リ ッ ト を 示す ．

Table 3.2.4 ス ピ ン 安定方式採用の メ リ ッ ト

ミ ッ シ

ョ ン 要求

①高い 姿勢決定

精度

他の 姿勢制御方法と 比べ ，姿勢制御機器の 搭載が 少な く て す む ．

⇒高精度の 姿勢決定機器を 搭載す る こ と が 可能．

②反太陽指向制御 太陽同期軌道を 想定し て い る た め ，衛星の 軌道面か ら み た 太陽方向

は 一定．

⇒一度ス ピ ン 軸を 太陽方向に 向け れ ば 観測機器を 反太陽方向に 指向し

つ づ け る こ と が 可能．

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ミッション解析書　　　　　東工大ガンマ線バースト観測衛星

③観測機器の 回

転

衛星本体が 回転し て い る た め ，観測機器を 衛星本体に 取り 付け る だ

け で 実現可能．

④姿勢安定 衛星の ス ピ ン レ ート を 3rpm に す る こ と で ，軌道上で の 外乱

に よ る 姿勢変動を 要求以内に 抑え る こ と が 可能．

3.2.3　ス ピ ン 衛星の ス ピ ン 軸の 決定

こ こ で は ，衛星の ス ピ ン 軸と 太陽光の な す 角の 検討を 行う ．ま ず ，Fig3.2.1 の

よ う に 角度θ を 定義す る ．こ れ は 極方向か ら 地球を 見た 図で あ り ，こ こ で は 簡

単の た め に ，衛星の 軌道は 一直線で 描い て い る が ，本来は 衛星の 軌道傾斜角は 約97度で

あ る た め ，衛星軌道は 厳密に 描く と Fig.3.2.1 の よ う に は 見え な い ．さ ら に ，こ

こ で は 簡単の た め ，ス ピ ン 軸ベ ク ト ル は 常に 赤道面に 平行に 保つ も の と す

る ．定常運用時の ス ピ ン 軸ベ ク ト ル と 太陽ベ ク ト ル の な す 角θ は 単純に は 決定

で き ず ，θ の 値に よ っ て 以下の 様に 各サ ブ シ ス テ ム に 影響を 与え る ．

Table 3.2.5 太 陽 ベ ク ト ル と ス ピ ン 軸 の な す 角 θ へ の要 求サ ブ シ

ス テ ム

θ の 値の 変化に よ

る 影響

θ の 要求

姿勢制御，決定

系

重力傾斜ト ル ク な

ど 外乱が 変化

重力傾斜ト ル ク は 変化す る が ，姿勢制御に は そ れ

ほ ど 影響は な い た め ，特に 要求は な し

通信系 S バ ン ド ア ン

テ ナ の 配置に 影響

ア ン テ ナ 切り 替え な ど の 増加を さ け る た

め ，ア ン テ ナ 構成が 最も シ ン プ ル に な る よ

う な 角度が 望ま し い ．

θ ＝0 度で あ れ ば ，ア ン テ ナ は 2 つ で す む ．

電源系 太陽電池の 発生電力に

影響

θ ＝45度を 越え る と 電力的に 破綻

構造，熱制御系 熱制御に 影響 θ ＝0 度：観測機器冷却が 容易に な る が ，太陽電池パ ド ル

の 温度が 上昇す れ ば 性能が 劣化．

θ が 大き す ぎ る と ，観測機器側に 太陽光が 当た っ て

し ま い ，観測器の 冷却が 難．

観測機器系 観測機器の 視野に 影響 で き る 限り 広範囲を 観測し た い ．

　そ こ で ，ま ず ，観測機器の 視野に つ い て 検討を 行っ た ．こ こ で は ，ま ず 仮定

と し て ，

①観測機器視野に 少し で も 昼地球が 入る 場合に は 観測可能時間に は カ ウ ン ト し な い ．

②日陰の 地球を 見た 場合に は 観測可能時間に は カ ウ ン ト す る が ，視野の う ち ど

の 程度地球が 入る か に つ い て は 計算を 行う ．

Fig3.2.2 に 計算結果を 示す ．破線は ，角度θ と 一周期中に 観測可能な 時間の 割合の 関係を 表し

て お り ，実線は ，角度θ と 観測可能時間中に 観測機器の 視野が 平均何パ ーセ ン ト 夜地球に 隠

れ ず 確保で き て い る か を 示し て い る ．例え ば θ=0.0 度の 時は ，軌道一周期中，50パ

ーセ ン ト の 時間は 昼地球が 視野に 入ら ず 観測を 行う こ と が 可能で あ り ，観測が 可能

な 時間中平均90パ ーセ ン ト の 視野が 夜地球に 邪魔さ れ る こ と な く 有効で あ る こ

と を 示し て い る ．

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ミッション解析書　　　　　東工大ガンマ線バースト観測衛星

22.5

Sun

θ

-22.5

Satellite

EARTH

N

-50 0 500

20

40

60

80

太陽光ベクトルとスピン軸がなす角(deg)

比率（

%）

地球一周中に観測可能な時間の比率観測可能時間中に確保可能な視野の比率(平均)

Fig3.2.1 ス ピ ン 軸ベ ク ト ル と 太陽光の な す 角 　Fig.3.2.2 　視野

計算

　上記の 検討の 結果，観測機器と し て は ，θ ＝0 度程度が 最も 視野を 確保す る こ と が 可能

で あ る こ と が わ か っ た ．通信系，電源系と し て は θ ＝0 度が 最も 理想的な 条件で

あ り ，ま た ，熱解析の 結果か ら も θ ＝0 度で も 問題な い と の 結果が え ら れ た の

で ，本衛星で は ，衛星の ス ピ ン 軸と 太陽光の な す 角θ を 0 度と す る こ と と し た ．

3.3 　 衛 星 の 仕 様こ れ ま で の 検討結果を 元に ，衛星の 大ま か な 仕様を 決定し た ．以下に 示す ．詳細に

つ い て は ，衛星設計解析書を 参照．

Table.3.3.1 衛星仕様

サ イ ズ 50cm x 50cm x 50cm

重量 50kg

打 ち 上 げ

ロ ケ ッ

ト

H-2A ロ ケ ッ ト

軌道 太陽同期軌道　：　軌道高度約700 ｋｍ，降交点通過地方時　午前10時30分+-15分　（ALOS

と 相乗り ）

分離方式 マ ル マ ン バ ン ド

設計寿命 1 年

観測機器系 ガ ン マ 線バ ース ト 位置検出器（HXS）　位置決定精度　5 分角　（5 ～200ke

V）

ソ フ ト X線検出器（SXS）　　広視野，広い エ ネ ル ギ ー領域　　　（0.5 ～

15keV ）

姿勢制御

姿勢決定系

磁気ト ル カ を 使用し た ス ピ ン 安定方式．

2 種 類の ジ ャ イ ロ ，太陽セ ン サ ，恒星セ ン サ ，磁気セ ン

サ ，GPS．

C&DH系 搭載機器の 処理系の 高速化を 目指し ，民生品の MPU を 使用．

冗長系を 組む こ と に よ る 信頼性の 確保．

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ミッション解析書　　　　　東工大ガンマ線バースト観測衛星

通信系 S-band送信機（サ イ エ ン ス デ ータ ）PSK　120kbps

UHF送信機（テ レ メ ト リ ）GMSK 2400bps ，

UHF受信機（コ マ ン ド ）GMSK 2400bps ，プ ロ グ ラ ム 書き 換え 時は

9600bps

S-bandア ン テ ナ は 切り 替え て 使用，UHFア ン テ ナ は 4 本．

電源系 太陽電池は マ ル チ ジ ャ ン ク シ ョ ン GaAs （効率26.5％）を 使用．

発生電力約160W

太陽電池セ ル 発生電力制御：シ ーケ ン シ ャ ル シ ャ ン ト 方式

バ ッ テ リ バ ス 電力制御：非安定化バ ス 方式

リ チ ウ ム イ オ ン バ ッ テ リ を 搭載．（運用時，お よ び 初期シ

ーケ ン ス 時に 使用）

構造，熱制御系 層状構造，パ ッ シ ブ 熱制御

以下に 本衛星の 機能ブ ロ ッ ク 図を 示す ．

BatteryCharger

Electrical Power Subsystem

Loads

Battery

Shunt

SolarA

rray

MAM

GYRO1

GYRO2

FSSA

Atittude Determinationand Control

MACMAC

ASC-CHU

ASC-DPU

Star TrackerSun Data

CMD

CMD

AttitudeAngle

AttitudeAngle

Magnetic Field Data

AttitudeAngle

C&DH

C&DH

C&DH

C&DH

C&DH

C&DH

C&DH

C&DH

Instrument Subsystem

HXSHXSHXSHXS

GRB Data

CMD

SXSHXSHXSSXS

GRB Data

CMD

Thermal ControlStructureHarness

Command & Data Handling

Voter

MultipleIF

unit

MemoryControler

MPU

SDRAMECC

SDRAMECC

SDRAM

MemoryControler

MPU

SDRAMECC

SDRAMECC

SDRAM

MemoryControler

MPU

SDRAMECC

SDRAMSDRAM

ADC MUX

CMDTLM

CMD

CMDTLM

CMDTLM

CMDTLM

CMDTLM

STX

MAC

TLM GPS

ASC-DPU

GYRO1

SXS x4

HXS x4

FSSAMAM

GYRO2

TS

CMD S-NUTCMD SSW

CMDTLM

MOD_TLM

C&DH

C&DH

Structure and Mechanism

SNHXSHXSS-NUT

CMDC&DH

S-ANT

UDIP

URX

U-ANT

Communuication Subsystem

UTX

Mod-TLM

STX

SSWUHYB CMD

CMD,DATA

TLM

CMD,DATA

TLM

C&DH

C&DH

C&DH

Fig.3.3.1 全体ブ ロ ッ ク 図

ま た ，衛星の 外観図を 示す ．

　　　　 Fig.3.3.2 衛星外観図（上面か ら み た 図） 　　　　　　　　　　Fig.3.3.3 　衛星外観図（底

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ミッション解析書　　　　　東工大ガンマ線バースト観測衛星

面か ら み た 図）

4.ミ ッ シ ョ ン シ ー ケ ン ス

4.1 　 ミ ッ シ ョ ン シ ー ケ ン ス

打ち上げ(H-2Aロケット)

ALOS分離

衛星分離

　スピンアップ or　 デスピン

ALOS分離確認

ニューテーションダンピング

スピン安定

マグネトルカ磁気センサジャイロ2

UHF送信機受信機OBC

通信リンク確立（コマンドアップリンク） UHF送信機

受信機OBC

OBCマルマンバンド分離機構

使用機器

太陽方向へスピン軸変更

太陽センサ，太陽電池電圧からの太陽位置推定

マグネトルカ磁気センサジャイロ2

UHF送信機受信機太陽センサ

OBC

Phase:AInitial A

ttitude Control

Phase:BPrecession M

aneuver

マグネトルカ，磁気センサジャイロ1，UHF送信機，受信機太陽センサ，GPS受信機，OBC

Sバンド送信機

プリセッションマヌーバ

太陽電池パドル展開

スピン軸決定

スピン軸決定

マグネトルカ，磁気センサジャイロ1，UHF送信機，受信機太陽センサ，展開機構，OBC

マグネトルカ，磁気センサジャイロ1，UHF送信機受信機，太陽センサ

GPS受信機，OBC，恒星センサ

充電モード

Phase:CD

ayLight Phase

充電モード

観測一時停止

地球からの太陽光反射より，SXS観測機器観測不能

地球からの太陽光反射より，恒星センサ動作難

日照時

GPS，太陽センサ，ジャイロを使っての姿勢決定

恒星センサ，観測機器とのアライメント調整

日陰時（アラインメント調整前）

観測機器キャリブレーション

観測開始

アラインメント調整後

Phase:DE

clipse Phase

Phase B

Phase A

マグネトルカ，磁気センサジャイロ1，UHF送信機，受信機太陽センサ，GPS受信機，OBC恒星センサ，Sバンド送信機

HXS,SXS

使用機器

使用機器 使用機器

Fig. 4.1.1　ミ ッ シ ョ ン シ ーケ ン ス

本衛星の 運用シ ーケ ン ス を 以下に 示す ．

・H-2A ロ ケ ッ ト か ら の 分離

本衛星は ピ ギ ーバ ッ ク 衛星で あ る た め ，通常の 衛星の よ う に ス ピ ン テ ーブ

ル に よ っ て 回転が 与え ら れ て 放出さ れ る の で は な く ，マ ル マ ン バ ン

ド に よ り ロ ケ ッ ト か ら 分離さ れ る 形で 宇宙空間へ 放出さ れ る と 考え ら れ

る ．放出時の 衛星の 回転速度は 衛星の 分離状態や ，ロ ケ ッ ト の 回転速度に よ る が ，本衛星

で は ロ ケ ッ ト 分離時の 初期回転角速度を 10rpm と 想定し て い る ．

・初期姿勢制御（Phase: A Initial attitude control phase ）

ロ ケ ッ ト か ら 放出後，衛星は ス ピ ン 安定す る た め に ，ス ピ ン 軸を 最大慣性主

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ミッション解析書　　　　　東工大ガンマ線バースト観測衛星

軸周り に 調整し ，ス ピ ン 速度制御を 行う 必要が あ る ．ま た ，太陽電池パ ド ル を 確実

に 展開す る た め に ，ニ ュ ーテ ーシ ョ ン を 除去す る 必要も あ る ．こ れ ら の ，

デ ス ピ ン （も し く は ス ピ ン ア ッ プ ），ニ ュ ーテ ーシ ョ ン ダ ン ピ ン グ

は ，す べ て 磁気ト ル カ を 用い て 行う ．こ の 段階で は ，太陽電池パ ド ル が 展開さ

れ て い な い た め ，最悪姿勢（つ ま り ，太陽方向に マ ル マ ン バ ン ド が 取り 付け

ら れ た 面，も し く は 観測機器が と り つ け ら れ た 面が 指向し た 場合）で は ，太陽

電池か ら の 電力が 期待で き な い ．こ の た め ，こ の フ ェ ーズ で は ，電力は す

べ て バ ッ テ リ か ら 供給す る こ と を 想定す る 必要が あ り ，省電力の 検討が 必要

と な る ．こ の た め ，本フ ェ ーズ で は ，最低限必要な 機器の み 動作さ せ る ．衛星の

ハ ウ ス キ ーピ ン グ デ ータ は UHF帯で ダ ウ ン リ ン ク さ れ る ．

・ス ピ ン 軸変更制御 (Phase : B Precession Maneuver phase)

ミ ッ シ ョ ン 要求で あ る 3rpm で の 低速ス ピ ン 安定後，ス ピ ン 軸変更を 行い ，

ス ピ ン 軸を 太陽電池が 太陽を 指向す る よ う に 磁気ト ル カ を も ち い て 傾け る ．

そ の 後太陽電池パ ド ル を 展開す る ．

・待機モ ード （日照時）(Phase : C Day light phase)

本衛星で は ，ガ ン マ 線バ ース ト 観測機器を 反太陽方向に 指向さ せ て い る が ，そ

の 際に 地球の 日照部分が 観測機器の 視野に 入っ て し ま う ．こ の 場合，地球か ら の 太陽光

の 反射光の 影響で ，ソ フ ト X線検出器SXSは 観測を 行う こ と が で き な い （た だ し ，

ガ ン マ 線バ ース ト 位置検出器HXSは 観測可能で あ る ）．ま た ，恒星セ ン サ も 同様，地球

が 視野に 入っ て い る 場合に は 衛星の 姿勢決定を 行う こ と は で き な い ．こ の た

め ，観測機器の 視野に 地球の 日照部が 入っ て い る 場合に は ，基本的に は 観測は 行わ ず

に ，デ ータ の ダ ウ ン リ ン ク や バ ッ テ リ 充電を 行う ．

・キ ャ リ ブ レ ーシ ョ ン モ ード （日陰時）((Phase : D Eclipse phase)

恒星セ ン サ の キ ャ リ ブ レ ーシ ョ ン 後，恒星セ ン サ と ，観測機器の 位置ア ラ

イ メ ン ト 測定を 行い ，ソ フ ト ウ ェ ア で そ れ ぞ れ の 幾何学的位置を 補正す る ．

こ の 作業は 打ち 上げ 前に で き れ ば 問題な い が ，こ の た め の 地上の 設備が 必要

に な る た め ，必ず し も 打ち 上げ 前ま で に 地上で 試験が 行え る と は 限ら な い ．

実際，HETE-2 で は こ の 較正に 半年も か か っ て お り ，こ の キ ャ リ ブ レ ーシ ョ

ン モ ード 迅速に 行う 必要が あ る ．キ ャ リ ブ レ ーシ ョ ン の 際に は ，プ ロ グ

ラ ム の 書き 換え な ど 比較的デ ータ 容量の 多い ア ッ プ リ ン ク が 必要と な る ．

こ の た め ，ア ッ プ リ ン ク 可能局は ま ず UHF帯を 使用し て ，通常の 2400bps か ら

9600bps に 伝送レ ート を 変え ，ア ッ プ リ ン ク を 行う ．

・観測モ ード （日陰時）(Eclipse)

視野に 昼地球が 入ら な い こ と が 確認さ れ た 後，観測を 開始す る ．詳細は ，5 章参照．

　前述の よ う に HETE-2 が 観測機器と 恒星セ ン サ の キ ャ リ ブ レ ーシ ョ ン に 6 ヶ

月を 要し た こ と を 考え ，ま た ，

科学的観測意義が あ る 観測期間と し て

6 ヶ 月が 想定さ れ て い る た め ，

本衛星は 寿命と し て 1 年以上を 想定し

て い る ．

5.衛 星 の 運 用 （ 定 常 運 用 ）

5.1 衛 星 の 運 用

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Radio SiteOptical

HETE-2

GRB

GCNGCNGSSatellite GS

GeV/TeV Site

Titech GRB

GSGSN

GSTitech GS

ミッション解析書　　　　　東工大ガンマ線バースト観測衛星

本衛星の 運用方法に つ い て 述べ る ．Fig.5.1.1 の 運用時の 全体シ ス テ ム 構成に 示す よ

う に ，本衛星は 既存の ガ ン マ 線観測衛星と 連携を 取り な が ら 相互に 補完的な 観測を 行

い ，全世界的な 観測網を 構築す る ．即ち ，衛星運用地上局，サ ブ 地上局，フ ォ ロ ーア ッ プ 観

測用ロ ボ ッ ト 望遠鏡，イ ン タ ーネ ッ ト 利用遠隔操作／運用観測か ら な る 国際協力体制で

あ る ．基本的な 体制は HETE-2 観測網に よ っ て 実証さ れ て い る ．こ こ で は ，本衛星

を 運用す る 際に さ ら に 必要と な る 事項に つ い て 簡単に 述べ る ．

Fig.5.1.1 　運用時の 全体シ ス テ ム 構成

5.2 地 上 局地上局の 主な 役割は 以下で あ る ．

1) バ ース ト 警報の 受信，HK デ ータ の ダ ウ ン リ ン ク 受信．（UHF）

2) 姿勢制御，ミ ッ シ ョ ン 機器制御の た め の 衛星へ の コ マ ン ド ア ッ プ リ ン ク

（UHF）．

3) プ ロ グ ラ ム ア ッ プ デ ート （UHF）．

4) 観測デ ータ ダ ウ ン リ ン ク （SHF）．

地上局と 常時通信接続を 行う 方法と し て は ，TDRS な ど の デ ータ 中継衛星を 使用す る 方

法が 考え ら れ る が ，ピ ギ ーバ ッ ク 衛星と い う 小型の 衛星で は ，デ ータ 中継衛星

の 使用は 難し い と 判断し た ．詳細は ，衛星設計解析書で 述べ る ．デ ータ 中継衛星が 使用で

き な い 以上，地上局の み に よ る 常時通信接続は 困難で あ る ．た だ 許さ れ た 環境の 中

で ，あ る 程度継続し た 通信時間を 確保す る こ と は 可能で あ り （後述），そ の 場合で

も ガ ン マ 線バ ース ト 警報は 意義が あ る と 言え る ．

　今回の ガ ン マ 線同時観測ミ ッ シ ョ ン の 地上局と し て HETE-2 の GRB Coordinates Network

(GCN)を 含む Ground Station Network(GSN) を 構築す る ．東工大地上局を 含む メ イ ン 地上局（役割

1 ），2)，3)，4)），サ ブ 地上局（役割1 ），2)）の 2 種類を 設け る ．東工大地上局が 全地上局を 統括

し ，す べ て の コ マ ン ド 送信命令を 出し ，す べ て の ダ ウ ン リ ン ク デ ータ

を 受け 取る ．地上局の 役割1)と し て ，メ イ ン 地上局，サ ブ 地上局の 違い に 拘ら ず ，

す べ て の 地上局で は ガ ン マ 線バ ース ト 発生時の 警報を UHFに お い て 受信で き

る よ う に な っ て い る ．警報を 受信し た 場合は た だ ち に GSNを 通じ て 世界中に

通知さ れ ，即座に 同時観測に 入れ る よ う に 地上局シ ス テ ム を 構成す る ．Fig.5.2.1 に 現

在想定し て い る GSNの 地上局分布を 示す ．ア ン テ ナ マ ーク の 4 点が メ イ ン 地上局，

そ の 他が サ ブ 地上局で あ る ．

Fig.5.2.1 　地上局分布

5.2.1 メ イ ン 地上局

　HETE の 主地上局3 つ と こ れ ら を 統括す る 東工大地上局に よ っ て 構成す る ．中緯度地域

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ミッション解析書　　　　　東工大ガンマ線バースト観測衛星

に 配置し ，そ の 重要な 役割は 観測デ ータ の ダ ウ ン リ ン ク 受信を 行う こ と で あ

る ．観測デ ータ に 関し て は ，SHFに お け る 高デ ータ ダ ウ ン リ ン ク を 実現す

る た め ，各地上局に 衛星追尾ア ン テ ナ を 備え る ．ま た プ ロ グ ラ ム ア ッ プ デ

ート を UHFに お い て 行う た め ，UHFの ハ イ ゲ イ ン ア ン テ ナ も 設置す る ．

SHFで は 仰角30度以上，UHFで は 仰角5 度以上に お い て 通信を 行う ．メ イ ン 地上局は 以下

の よ う に 配置さ れ る ．

Table 5.2.1

メイン地上局 緯度，経度 東工大 139.7E, 35.6N Cayenne 51.9W, 4.9N Kwajalein 167.7E, 8.7N Singapore 103.8E, 1.3N

　本衛星の 軌道は 太陽同期で あ る た め ，一つ の メ イ ン 地上局と の 通信時間は 非常に 限

ら れ て い る ．限ら れ た 時間の 中で の 観測デ ータ の ダ ウ ン リ ン ク ，プ ロ グ

ラ ム の ア ッ プ リ ン ク が 行え る か 検討し た ．2004/01/01~2004/01/10 ま で の 十日間，衛

星と 各メ イ ン 地上局の 通信時間を Table 　5.2.2に 示す ．

Table 5.2.2

Cayenne Titech Kwajalein Singapore

Start Time

(UTCG)

Stop Time

(UTCG)

通信時間

(sec)

通信時間

(sec)

通信時間

(sec)

通信時間

(sec)

総通信時間

(sec)

1/1 1:38 AM 1/1 1:42 AM 205.884 254.365 270.943 226.398

1/1 1:57 PM 1/1 2:01 PM 269.099 279.059 248.014 1753.762

1/2 2:21 AM 1/2 2:25 AM 240.903 146.584 80.802

1/2 2:41 PM 1/2 2:43 PM 123.100 271.490 862.879

1/3 1:45 PM 1/3 1:49 PM 214.724 278.739 282.846 273.450

1/3 279.853 280.085 101.353 1711.050

1/4 2:09 AM 1/4 2:13 AM 278.262 132.529 221.014

1/4 2:28 PM 1/4 2:32 PM 234.437 866.242

1/5 1:35 PM 1/5 1:35 PM 29.727 280.125 261.664 282.313

1/5 257.886 278.010 228.374 1618.099

1/6 1:57 AM 1/6 2:01 AM 279.855 142.422 160.486 71.951

1/6 2:15 PM 1/6 2:20 PM 276.119 226.757 1157.590

1/7 258.170 197.111 257.015

1/7 206.823 240.582 274.177 1433.878

1/8 1:45 AM 1/8 1:49 AM 246.564 227.697 247.714 171.117

1/8 2:04 PM 1/8 2:08 PM 281.259 268.213 208.838 1651.402

1/9 2:28 AM 1/9 2:31 AM 196.063 204.494 141.043 183.552

86.259 282.078 1093.489

*Cayenne 地上局以外は ，通信開始時間・通信終了時間を 省略し た ．

観測デ ータ ダ ウ ン リ ン ク

　平均約1300秒/Dayの SHF通信時間が 確保で き る ．伝送デ ータ レ ート は 120kbps で あ る か

ら 一日の 平均ダ ウ ン リ ン ク 可能容量は （120kbps×1300sec÷8bit = 19.5MByte/Day ）と な る ．一日

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の SHFに お け る ダ ウ ン リ ン ク デ ータ 容量要求は 12.33MByte で あ る の で 十分に

満た す ．

プ ロ グ ラ ム ア ッ プ デ ート

　プ ロ グ ラ ム ア ッ プ デ ート に は UHFを 用い る ．最高300kByteの プ ロ グ ラ ム

デ ータ を 見積も り ，一回の パ ス で す べ て ア ッ プ ロ ード す る と 仮定す る と

（300kByte×8bit÷9600bps = 250sec ）つ ま り ，250 秒以上の 通信継続時間が あ れ ば ，1 回の パ ス

で ア ッ プ ロ ード す る 事が 可能で あ る ．上記Table5.1.2 よ り 半数近く の パ ス で 条件

を 満た す の で 問題な い と 思わ れ る ．条件の 見合う パ ス で ア ッ プ ロ ード を 行

え ば よ い ．

5.2.2　サ ブ 地上局

世界各地の ガ ン マ 線バ ース ト 観測を 行っ て お り ，協力を 期待で き る 研究所・大学に

よ っ て 構成さ れ る ．こ れ ら の 地上局で は 既に 環境が 整っ て い る 場合も あ る

し ，そ う で な く て も 簡易に 地上局を 構成で き る ．通常は UHFに お け る HK デ ー

タ の 受信を 行う ．受信さ れ た HK デ ータ は GSNの 仕様に よ り 常に 世界中か ら モ ニ

タ リ ン グ で き る よ う に な っ て い る ．バ ース ト 発生時に は ，バ ース ト 警報

を 受信す る ．仰角5 度以上で 通信を 行う ．

5.2.3　イ ン タ ーネ ッ ト 遠隔操作型地上局／ロ ボ ッ ト 望遠鏡ネ ッ ト ワ ーク

世界中の 大学等が 所有す る 地上局設備（ア マ チ ュ ア 無線家の 無線局設備も 含む ）を ，イ

ン タ ーネ ッ ト を 用い て 遠隔操作す る こ と で ，人工衛星の 可視時間の 拡大，テ レ メ

ト リ デ ータ の 共有化な ど を 行う こ と を 目的と し て ，地上局ネ ッ ト ワ ーク （ＧＳ

Ｎ）の 構築を 進め る ．こ れ は ま た ，世界中に 展開さ れ て い る 天体観測網を 利用し て ，

ロ ボ ッ ト 望遠鏡を 配備し ，そ の 自動遠隔操作を も 可能に す る こ と を 目指す ．HETE-2

観測網で も ，ロ ボ ッ ト 望遠鏡に よ る 自動観測を 一部行っ て お り ，そ の 機能を 拡張す

る こ と に な る ．東工大松永研で は ，転送プ ロ ト コ ル ＳＯＡＰを 基盤と し た ＧＳＮプ

ロ ト コ ル の 概要と 実装、基礎遠隔操作実験な ど を 鋭意実施し て お り ，そ の 技術を 応用

す る ．

5.3 　継続通信時間

　既に 述べ た よ う に ，地上局だ け で 地球全体に 通信網を 巡ら す こ と は で き な い

が ，実際に 通信可能時間を 見積る と ，例え ば 2004/01/01~2004/01/10 に つ い て STKを 用い て 計

算を 行っ た と こ ろ ，あ る 地上局の 通信リ ン ク 途絶か ら 次の 地上局と の 通信リ ン

ク を 確立す る ま で の 平均時間は 約9.0 分で あ り ，通信が 途絶し て い る 総時間は 9.9 時

間/24 時間と な っ た ．あ る 程度の 制限は あ る が ，比較的広範囲を 網羅で き る ．

6. 結 論

ピ ギ ーバ ッ ク 衛星を 用い た ガ ン マ 線バ ース ト 観測衛星を 提案し ，設計を お こ

な っ た ．こ の 結果，本衛星の よ う な 大変小型な 衛星に お い て も ，今ま で の 大型観測

衛星に 十分引け を 取ら な い 有意義な 観測を 行え る 可能性が あ る こ と を 示し た ．特

に 今回の ミ ッ シ ョ ン の 目的で あ る 「ガ ン マ 線バ ース ト 」は ，未だ そ の 起源

が 解明さ れ て お ら ず ，高エ ネ ル ギ ー宇宙物理学に 残さ れ た 最大の 謎の 一つ で あ

る ．本衛星は ，こ の 世界中が 注目す る 天体現象の 観測を 比較的安価で ，短い 開発期間で ，し

か も ，今後打ち 上げ 機会が 増加す る で あ ろ う ピ ギ ーバ ッ ク 衛星で 観測す る こ

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と が 可能で あ る と い う こ と を 示し た ．こ の こ と は ，今後も 最新の セ ン サ

を 搭載し た 小型な が ら も 高精度ガ ン マ 線バ ース ト 観測機器を 宇宙空間に 継続的に 送り

込む こ と が 可能に な る こ と を 意味す る ．こ れ に よ り ガ ン マ 線バ ース ト

の 現象解明が 一層加速さ れ る こ と が 期待で き る ．

ま た ，本衛星の 応用例と し て ，複数衛星に よ る ガ ン マ 線バ ース ト 同時観測が あ げ

ら れ る ．H-2A を 打ち 上げ ロ ケ ッ ト と し て 使用し た 場合，一回の ロ ケ ッ ト 打

ち 上げ に 最大4 個ま で の ピ ギ ーバ ッ ク 衛星が 搭載可能に な る た め ，一度に 複数の

衛星を 打ち 上げ る こ と が 可能に な る ．一度に 打ち 上げ ら れ た そ れ ぞ れ の 衛星

を 異な る 軌道へ 投入し た り ，同じ 軌道平面で も 位相を ず ら し て 軌道投入し た り す

れ ば ，地球に よ る 掩蔽時や 放射線帯に よ る 観測不能時間を 補完し 合い ，複数衛星シ ス テ

ム 全体と し て 常時広範囲の 観測が 可能に な る こ と も 期待で き る ．

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