TSUBAME概要/Overview

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TSUBAMEプロジェクトとは

地球・天体観測技術実証衛星「TSUBAME」は,第12回衛星設計コンテストで設計大賞を受賞した ”偏光X線観測衛星「燕」” のコンセプトのもと,これまでのCuteシリーズの開発・運用経験から得られた知見を反映させることで誕生した衛星です.本衛星が目指す目標は,以下の3つです.

1. 挑戦的な先端ミッションの早期実証
○ 超小型CMGによる高速姿勢変更技術の実証
○ 超小型光学カメラによる高分解能撮像の実証

2. 超小型衛星による宇宙科学分野での成果獲得
○ X線偏光観測装置を用いたガンマ線バーストの観測

3. 高機能小型衛星バスの開発技術の獲得
○ 参画機関との技術協力関係の構築
○ ポイントを押さえた信頼性確認方法の確立
(高速姿勢変更+高精度観測)用衛星バスシステムの提供

これらの目的には,「低コスト・短期間開発という超小型衛星の特長」を生かすことと共に,今後の超小型衛星開発をさらに発展させていくための重要な要素が集約されています.そして,この挑戦的な先端ミッションとして,TSUBAMEでは,「コントロール・モーメント・ジャイロ (CMG)」と呼ばれる姿勢制御装置を用いた姿勢決定制御技術の実証を行います.

コントロール・モーメント・ジャイロ(CMG)とは,回転する円盤(フライホイール)の力を利用して,国際宇宙ステーションのような大型の宇宙機の姿勢を制御する姿勢制御装置です.TSUBAMEでは,このCMGの力を超小型衛星に適応することで,大型衛星では実現困難な高速姿勢変更を実現します.さらに,CMGによる迅速な姿勢変更を利用したミッションとして,「超小型光学カメラを用いた可視地球観測(工学ミッション)」および,深宇宙で起こる天体の突発的爆発現象である「ガンマ線バーストの硬X線偏光観測(理工学融合ミッション)」を実施します.

ミッション

地球・天体観測技術実証衛星「TSUBAME」では,CMGによる迅速な姿勢変更を利用して,以下の2つのミッションを実施します.

[1]可視地球観測ミッション(一点継続指向撮影,パノラマ撮影)
TSUBAMEでは,民生用汎用レンズや民生用イメージセンサを効果的に活用した汎用性の高い超小型光学カメラシステムを開発し,図 1に示すような長時間の定点撮影や多点の連続撮影による地球観測を行います.開発する小型の高解像度カメラシステムでは,ピクセル解像度4秒角,分解能10秒角の超小型光学カメラを搭載することで,高精細な画像を取得します.また,CMGを用いた高速姿勢変更を利用して,一度に多くの観測地点を撮影することで,広範囲の情報を取得することができます.

図1 1点・多点地球観測

[2]ガンマ線バーストの硬X線偏光観測
ガンマ線バースト(GRB)とは,観測可能な天体中で最も明るい物理現象であり,この内部構造や発生原理を詳しく調べることで,宇宙創成のメカニズムの解明に大きく寄与できると考えられています.ところが,このガンマ線バーストは,発生場所の特定が困難であり,初期放射の継続時間が数秒から数十秒と非常に短時間の現象です.このため,姿勢変更に1分以上の時間がかかってしまう大型衛星では,初期放射に対するポインティング観測が非常に難しいという現状があります.そこでTSUBAMEでは,図2に示すようなシーケンスに沿って,突発天体を自ら検出し,CMGを用いた高速姿勢変更を行います.そして,ガンマ線バーストの発生から15秒以内に偏光観測を開始します.

図2 ガンマ線バースト観測のシーケンス

TSUBAME Project

Experimental micro-satellite for Earth Remote Sensing and High Enegy Astrophysics, TSUBAME is based on the concept of “X-ray polarization observation” and was awarded the grand prize in the 12th Satellite Design Contest. TSUBAME was designed and built to reflect the knowledge and experience gained during the development of the CUTE cubesat series. The satellite has 3 main premises:

1. Demonstration of leading edge challenging missions:
• Demonstration of high-speed attitude maneuvering using micro control moment gyroscopes (CMGs).
• Demonstration of high-resolution imaging with an ultra small optical camera.

2. Achievements in space engineering with ultra-small satellites:
• Observation of gamma ray bursts using an X-ray polarization observation device.

3. Development of high-performance small satellite bus:
• Development of technical cooperation relationships with participating institutions involved in the project.
• Establishment of reliable methods of verification for satellite bus system (high-speed attitude maneuver + high-precision observation)

For these purposes, the low cost and short development time for an ultra-small satellite is an important element and will be taken advantage of for the continuing development of ultra-small satellites in the future. Also, in regards to the challenging mission objectives, TSUBAME will perform a technology demonstration of attitude control and determination using a device called the control moment gyroscope (CMG).

Control moment gyroscopes (CMGs) utilize the force generated by the spinning flywheel and gimbal to rotate and control the attitude of the spacecraft. It is a common attitude control system which is also used in the International Space Station. In the case of TSUBAME, the force of the CMG is adapted into the ultra small satellite which allows for faster and more precise attitude control which is often difficult with larger satellites and spacecraft. Furthermore, the following missions will be carried out using the high-speed attitude maneuvering capability of CMGs: visible Earth observation using an ultra small optical camera (engineering mission) and observation of sudden explosions of astronomical phenomena which occur in deep space; hard X-ray polarization observations of gamma ray bursts (science mission).

Mission

The Earth-astronomical observation technology demonstration satellite, TSUBAME will conduct the following missions using rapid attitude maneuvering using CMGs:

1. Visible Earth Observation Mission (Panoramic Photography)
Commercially available consumer image sensors and general purposes lenses are effectively utilized to develop the ultra-small, highly versatile optical camera system. As shown in figure 1, TSUBAME will attempt to carry out continuous fixed point shooting as well as continuous multi point shooting. In the compact high resolution camera system, an ultra small optical camera of 4 arcsec pixel resolution and 10 arcsec resolution is mounted to capture high definition images. Furthermore, by utilizing the high-speed attitude maneuvering capability, a wide range of information can be acquired by photographing many observation points in a single attempt.

Figure 1. – left: single point observation. Right: multi point observation.

2. Hard X-ray Polarization Observations of Gamma Ray Bursts
A gamma ray burst (GRB) is an astronomical phenomenon where an explosive burst of energy is released, mainly in the form of gamma rays. It is thought to be the brightest observable celestial body and by examining the generation and internal structure of such a phenomenon can provide and contribute significant information to the underlying mechanisms to the creation of the universe. However, the location of GRBs are random and difficult to pinpoint. Furthermore, the duration of the whole event is very short and can last from 10 milliseconds to a few minutes at most. For this reason, it is difficult for larger satellites to detect and observe gamma ray bursts as the time required to change the attitude of the larger satellites exceed the lifespan of the GRB. To counter this potentially challenging design problem, TSUBAME is a microsatellite capable of high speed attitude control and determination in the event of any sudden burst occurrences. Figure 2 shows the initial sequence and observation process of TSUBAME. Upon detection of the GRB, TSUBAME will orient itself to the burst direction and begin polarization observation within 15seconds.

Figure 2 – Observation sequence of a gamma ray burst.

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