「みちびき初号機後継機」打ち上げ成功、日本独自の衛星測位システムに弾み

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●性能・信頼性向上と長寿命化を図った、みちびき初号機の後継機

三菱重工は2021年10月26日、準天頂衛星「みちびき初号機後継機」を搭載したH-IIAロケット44号機の打ち上げに成功した。

同衛星は2010年に打ち上げられた「みちびき初号機」の後継機で、新技術により耐久性の向上や長寿命化、サービスの安定化を図るとともに、将来の日本独自の衛星測位システム構築に向けた大きな一歩となった。

みちびき初号機後継機を搭載したH-IIAロケット44号機は、日本時間10月26日11時19分37秒、鹿児島県にある種子島宇宙センターの大型ロケット発射場から離昇した。

ロケットは固体ロケット・ブースター(SRB-A)や衛星フェアリング、第1段機体や第2段機体を分離しながら順調に飛行し、離昇から28分6秒後にみちびき初号機後継機を分離。打ち上げは成功した。

26日13時30分時点で、衛星の状態は正常だという。

今後、打ち上げから約10日後には準天頂軌道に到達。衛星の搭載機器の機能確認などを行ったのち、2022年月からサービス開始を予定している。

準天頂衛星システム「みちびき」

「みちびき」は日本の衛星測位システムで、内閣府が主体となり、PFI事業で委託を受けた準天頂衛星システムサービスが整備、運用を担当している。

「みちびき」は、日本周辺と東アジア、オセアニア地域に対して、米国の全地球衛星測位システム「GPS」と互換性のある信号を出し、補完と補強を行うことを目的としている。

GPSは、地球の周囲に約24機の衛星を配備し、全世界での測位を可能にしている。スマートフォンなどがGPSを使って測位するには、最低4機の衛星から信号を受け取る必要がある。しかし、日本は都市部や山間部が多く、衛星からの信号がビルや樹木などに遮られたり、反射したりして、信号が安定的に得られないことがあった。

また、位置情報を安定して得たり、精度を高めたりするためには、5機以上の衛星を使うことが望ましい。

そこで「みちびき」は、GPSとは異なり、日本やその周辺地域の上空に長く滞在できるように衛星を配備することで、こうした問題や課題を解決することを目的としている。

それを実現する鍵が軌道である。「みちびき」の各衛星は、「静止軌道」と「準天頂軌道」の2種類の軌道に配備される。

静止軌道は、赤道上の高度約3万5800kmの円軌道で、地球の自転と同期して約24時間で1周する。そのため、衛星は地上からは静止したように見え、気象衛星や放送・通信衛星が配備されていることでもおなじみである。

一方の準天頂軌道は、静止軌道に対して軌道面を40~50度傾けた楕円軌道で、静止軌道と同様に地球の自転と同期して約24時間で1周する。ただし傾いていること、楕円であることから、打ち上げられた経度付近を中心に、空に8の字を描くように回ることができ、「みちびき」の場合は日本の真上に長く滞在できるという特徴をもつ。

この2種類の軌道に、測位信号を出す衛星を複数配備することで、日本の天頂付近と南の空につねに測位衛星が位置できるようになり、そして既存のGPS衛星と組み合わせることで、日本周辺などでの高精度かつ安定的な測位を可能にしているのである。

また、GPS衛星の補完だけでなく、地上にある電子基準点と、「みちびき」のみが出せる信号、そして専用の受信端末を使うことで、cm級の高い精度での測位も可能になる。くわえて、専用通信端末に対して、災害時などに通報を出したり安否確認したりできる、メッセージ・サービスも提供している。

「みちびき」は2010年9月11日、試験機となる初号機(1号機)が打ち上げられ、測位に必要な機能の技術実証を行った。その成果を踏まえ、量産機の開発、製造が始まり、2017年6月1日に2号機が準天頂軌道へ、2017年8月11日に3号機が静止軌道へ、そして2017年10月10日に4号機が準天頂軌道へそれぞれ打ち上げられた。

この準天頂軌道に3機、静止軌道に1機の計4機体制をもって、準天頂衛星システムは完成となり、試験期間を経て、2018年11月1日から正式にサービスが開始された。

みちびき初号機後継機

今回打ち上げられた「みちびき初号機後継機」は、打ち上げから11年が経過し、老朽化が進んだ初号機の後継機である。製造は三菱電機が担当。打ち上げ時の質量は4000kgで、設計寿命は15年以上が見込まれている。

基本的な役割などは初号機と同じだが、2号機以降の開発成果などが取り入れられ、性能・信頼性向上、長寿命化が図られている。

たとえば、測位に必要な正確な時刻信号を出すためのルビジウム原子時計は、初号機では2個搭載していたものの、2号機以降は3個となり、今回の初号機後継機でも踏襲。冗長化により、サービスの信頼性を向上させた。また、L帯の信号を出すアンテナが、ヘリカルアンテナから平面アンテナになり軽量化などを実現。また、太陽電池パドルも改良により効率化し、発電力が5.3kWから6.3kWへ向上している。

さらに、これまでの「みちびき」にはない、「L1C/B」という信号を出せる機能も追加されている。「みちびき」をはじめ、GPSなど他国の測位衛星なども、測位信号を出す電波には「L帯」という同じ帯域を使っていることから、周波数の干渉が起こることがあった。L1C/Bでは、「BOC(Binary Offset Carrier)変調」という電波の変調方式を使うことで、干渉レベルを低減することができるようになっている。

会見した前田剛氏(内閣府 宇宙開発戦略推進事務局 準天頂衛星システム戦略室 企画官)によると、「干渉が課題だということは、ずいぶん前からGPSを運用している米国などと議論してきており、一定の調整が固まったことで、今回の『みちびき初号機後継機』からL1C/B信号を提供できることになりました。今後打ち上げ予定の「みちびき」の5号機以降でも、この変調方式を継続して採用する計画です」と述べた。

なお、L1C/Bの信号を受信するためには、この変調方式に対応した機器が必要となるという。前田氏によると、「現在、受信機メーカーと技術的な調整を並行して進めているところです。ただ、この変調方式は受信機に大きな負担はないと考えています」と述べた。

みちびき初号機後継機は今後、11月3日ごろには運用を行う準天頂軌道に到達。その後、約2か月かけて衛星の搭載機器の機能確認を実施し、その後約1か月かけてQZSS End to End確認を行い、さらに1か月かけて測位チューニングを行う。サービス開始は2022年3月以降を予定している。

運用開始後、初号機はサービスからは退き、待機(バックアップ)衛星として運用されることになっている。

●2023年度には日本独自の衛星測位システムへ、H3打ち上げに向けた準備も進む

7機体制による日本独自の衛星測位システムへ

現在、すでに多くのスマートフォンやカーナビが「みちびき」からの電波受信に対応しているほか、「みちびき」の各種サービスを活用した新しいサービスや技術、ビジネスの実用化や振興に向けた取り組みも行われている。

また内閣府の宇宙基本計画においては、「我が国の安全保障能力の維持・強化に必要不可欠な位置の認識・標定及び時刻同期の能力を自立的に確保するため」とし、2023年度をめどに、「みちびき」の衛星数を現在の4機から7機へ増やすことが明記されている。

この7機体制が実現すれば、GPSの補完、補強サービスがより安定する。さらに、日本周辺限定ではあるものの、GPSに依存しない、すなわち「みちびき」のみで、自立した衛星測位システムとしても機能でき、ある程度の精度で独立した測位が可能になる。

宇宙基本計画ではまた、「持続測位能力を維持・向上するために必要な後継機の開発に着手する」とも定められている。

現在地球のまわりには、米国のGPSのほか、欧州の「ガリレオ」、ロシアの「GLONASS」、そして中国の「北斗」といった全地球衛星測位システムが配備されており、市販されている大半のスマートフォンやカーナビは、これらのシステムを併用して、測位の安定性や精度を高める「マルチGNSS」技術が使われている。

ただ、いずれかのシステムがトラブルなどで停止する可能性があり、また日本にとっては、民生品はともかく、とくに安全保障にかかわる機器や目的においては、ロシアや中国のシステムを利用することに懸念もある。だが、7機体制が確立された「みちびき」があれば、日本周辺などにおいて、トラブル時に精度の低下が避けられるほか、他国への依存度を下げることができる。

打ち上げ後の記者会見に登壇した、内閣府 宇宙開発戦略推進事務局 審議官の岡村直子氏は「準天頂衛星システムが提供する位置・時刻情報は、我が国の経済社会活動とデジタル化を支える重要な社会基盤です」とその意義を強調。

「今後も幅広い分野で利活用が進み、イノベーションや新たなビジネスの創出に貢献することを期待しています。そして7機体制を確立することによって、我が国の安全保障の能力の維持強化を自立的に確立することが可能となります」と期待を語った。

H3ロケットへの準備も着々

H-IIAロケットは三菱重工が運用する日本の基幹ロケットで、2001年の初打ち上げから今年で20周年を迎えた。今回が44機目の打ち上げで、43号機から約11か月ぶりの打ち上げとなった。

今回の打ち上げ成功で、44機中43機が成功となり、打ち上げ成功率は97.7%。また、6号機は失敗したものの、7号機以降は38機が連続成功している。

現在、三菱重工と宇宙航空研究開発機構(JAXA)は、H-IIAの後継機となる「H3」ロケットの開発を進めており、今年度中の試験機1号機の打ち上げを目指している。

H-IIA打上執行責任者を務める、三菱重工の徳永建氏は「H-IIAの打ち上げから20年、やっと節目のところに来たという感じです。一つひとつ、確実に、着実に打ち上げることをモットーとして、その結果ここに来られたことは非常に喜ばしいです。H-IIAでの取り組みは、そのままH3でも活かしていけると思っています。これまでの実績をそのまま引き継げるよう、これからもやっていきたいと思います」と感想を述べた。

なお、今回の打ち上げでは、H3用に開発された新型のロケット運搬台車、通称「ドーリー」が使われた。

ドーリーは、ロケットが上に立った状態の移動発射台を載せ、ロケットが組み立てられる大型ロケット組立棟(VAB)から、打ち上げを行う射点まで運ぶ役割をもつ。組立棟から射点まではおよそ500mで、同型の車輌が2輌で1組となり、協調して約30分かけて運ぶ。

これまで、H-IIA用の移動発射台「ML1」やH3用の移動発射台「ML5」を搭載しての走行試験や、H3の極低温点検時にH3の試験機を載せて運んだことはあるが、実際に衛星を搭載して飛び立つロケットを載せて運んだのは、今回が初めてだった。

徳永氏は「機体移動には私も立ち会いましたが、動きが非常にスムーズで、機体を射座に据え置く際もスムーズであり、心配になることはありませんでした。これまで使っていたドーリーと比べてもスムーズでした」と語った。

なお、今後も基本的には新型ドーリーを使用し、運用が順調に進めば、時期は未定なものの、旧型のドーリーは退役となるという。

初打ち上げから20年を迎えたH-IIA。実績を着実に積み上げていく一方で、それを受け継ぎ、さらに高めることを目指した新世代のH3の開発、そして初打ち上げに向けた準備が進む。

これから日本は冬を迎えるが、種子島をはじめとするH3にかかわる各地の拠点、そして技術者と技能者にとっては、年度末に向けて、暑く熱い"ロケットの夏"が続くことになる。

・三菱重工 | H-IIAロケット44号機による準天頂衛星初号機後継機の打上げ結果について

H-IIAロケット44号機打上げライブ中継 / Live streaming for the launch of H-IIA Launch Vehicle No.44 - YouTube

みちびき初号機後継機の概要|みちびき初号機後継機特設サイト

「サービスの概要」一覧|サービス概要|みちびき(準天頂衛星システム:QZSS)公式サイト - 内閣府

宇宙基本計画 - 内閣府

鳥嶋真也

とりしましんや