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精密相対誘導制御技術の研究

実績例:「こうのとり」(HTV)のランデブードッキング技術
実績例:「こうのとり」(HTV)のランデブードッキング技術

宇宙ステーションに物資を運ぶこうのとり(HTV)や小惑星からのサンプルを回収するはやぶさ/はやぶさ2に見るように、ターゲットに接近し相対位置を制御する技術は、様々なミッションの実現に必要なキー技術です。JAXAでは、培った技術の布石が、宇宙デブリ問題の解決、人類の活動領域の拡大、先端的科学ミッション・地球観測ミッションの実現などに結実することを狙い、これら将来のミッションに必要となる新しい精密相対誘導制御技術の研究開発を進めています。



研究の概要

デブリ除去のための航法誘導制御技術の研究

近年、宇宙デブリ問題への関心が高まっています。第一研究ユニットでは、これまでに培った宇宙ステーション等の協力的ターゲットへのランデブ技術を基盤に、宇宙デブリに適用できる相対航法技術、運動推定技術、運動に追従する相対制御技術等の新規キー技術を開発し、連鎖的衝突により宇宙環境を悪化させる確率の高い大型デブリを安全・確実に除去できる能力の獲得を目指しています。



研究成果(より詳細な研究内容)

デブリ除去のための航法誘導制御技術の研究

近年、宇宙デブリの問題は深刻に懸念すべき課題として認知されるようになってきています。環境改善のためには、大量の小型デブリの発生源となる潜在的確率が高い「混雑軌道に存在する大型デブリ」の積極的除去(ADR:Active Debris Removal)が効果的です。ADRの実現のためには、除去衛星が デブリに接近し、何らかの作業を行う必要があります。デブリは誘導制御分野の用語で「非協力的ターゲット」に相当し、接近には技術的課題が多々あります。デブリは接近・捕獲をサポートする姿勢・軌道制御ができず、航法を容易にする通信機能、画像マーカ、レーザリフレクタ等を具備していません。そのため、確実な相対航法が困難な対象であり、このため、ETS-VII,HTVで実現されてきた協力的ターゲットへのランデブから一段階進んだ技術的チャレンジが必要です。我々の研究グループでは、このような非協力的ターゲットに接近し、その特定の部位に同期した相対制御を行い、デブリ除去デバイスを取り付けるための航法誘導制御技術の開発を総合的に行っています。


図1は、デブリへの接近戦略の概要です。地上レーダによる軌道決定値を頼りに接近を開始し、可視光カメラ、赤外線カメラでターゲットを発見します。カメラ画像を利用した相対航法を開始し、接近とともに相対位置情報の精度を高めていきます。

図1 デブリへの接近の概念図図1 デブリへの接近の概念図
デブリを可視光カメラ、赤外カメラにて発見し、自律的相対航法を開始、接近に従い相対航法精度を上げていく。

図2は、接近軌道設計の過程を示しています。赤い楕円が誘導誤差を示します。図には2通りの接近軌道が示されています。さまざまな軌道を模索し、原点に位置するターゲットに衝突する可能性が極小となるような接近軌道を設計します。

図2 接近軌道設計の過程の例図2 接近軌道設計の過程の例
青線が軌跡、赤楕円が誘導誤差。SOR、DCRという二つの接近軌道を比較検討したもの。基本的に、宇宙機が動作停止してもターゲットに衝突しないことを重視して設計していく。

図3は、デブリに非常に接近した状況における画像航法の実験の様子を示します。画像マーカ等のないターゲットが対象でも、確実に相対航法を継続できるシステムの構築を目指しています。上記のような検討を統合して、非協力的ターゲットに対応できる航法誘導制御システムにまとめ上げるのが研究の目標です。

図3 デブリ直近における画像航法の実験
図3 デブリ直近における画像航法の実験
ターゲットの輝度が時々刻々激しく変化するため確実な画像処理は容易でない。


発表論文等

  • Toru Yamamoto, Hiroyuki Okamoto, Satomi Kawamoto, “Cost analysis of active debris removal scenarios and system architectures”, 7th European Conference on Space Debris, Darmstadt, 2017
  • Yu Nakajima, Shinji Mitani, Hiroumi Tani, Naomi Murakami, Toru Yamamoto, and Koji Yamanaka. "Detumbling Space Debris via Thruster Plume Impingement", AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference, AIAA SPACE Forum, AIAA 2016-5660, 2016
  • Naomi Murakami, Toru Yamamoto, “Rendezvous Strategy for the Active Debris Removal Missions”, Space Debris Workshop, 2016
  • Toru Yamamoto, Naomi Murakami, Yu Nakajima, Koji Yamanaka, “Navigation and Trajectory Design for Japanese Active Debris Removal Mission”, 24th International Symposium on Space Flight Dynamics (ISSFD), Laurel, Maryland, 2014