(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
劣化の進行速度が異なる２種類以上の光学機器を搭載された人工衛星において、
人工衛星の測距残差を経時的に測定する手段、
得られた測距残差より人工衛星の各緯度領域における特定の周波数を検出する手段、
その特定周波数における測距残差を検出する手段、
光学機器の劣化前後における測距残差の強度変化を検出する手段、
とを有する劣化進行の速い光学機器の劣化過程を検出する装置。
【請求項２】
劣化の進行速度が異なる２種類以上の光学機器を搭載された人工衛星において、
人工衛星の測距残差を経時的に測定するステップ、
得られた測距残差より人工衛星の各緯度領域における特定の周波数を検出するステップ、
その特定周波数における測距残差を検出するステップ、
光学機器の劣化前後における測距残差の強度変化を検出するステップ、
とを有する劣化進行の速い光学機器の劣化過程を検出する方法。
【請求項３】劣化の進行速度の異なる２種類以上の光学機器が逆反射鏡である
請求項１に記載の光学機器の劣化過程を検出する装置。
【請求項４】
劣化の進行速度の異なる２種類以上の光学機器が逆反射鏡である
請求項２に記載の光学機器の劣化過程を検出する方法。
【請求項５】
光学機器を取り付ける人工衛星の表面を、人工衛星の赤道に平行な面で幾つかの領域に区分し、
劣化の進行速度の遅い反射鏡搭載面及び劣化進行速度の速い反射鏡搭載面の２種類の搭載面を有する領域と、
データ解析の際のスタンダードとして劣化速度の遅い反射鏡のみを、若しくは前記２種類の反射鏡を半数ずつ混在させた反射鏡搭載面を等間隔に搭載する領域とに分けて、
人工衛星の測距残差を経時的に測定する
請求項１又は３に記載の光学機器の劣化過程を検出する装置。
【請求項６】
光学機器を取り付ける人工衛星の表面を、人工衛星の赤道に平行な面で幾つかの領域に区分し、
劣化の進行速度の遅い反射鏡搭載面及び劣化進行速度の速い反射鏡搭載面の２種類の搭載面を有する領域と、
データ解析の際のスタンダードとして劣化速度の遅い反射鏡のみを、若しくは前記２種類の反射鏡を半数ずつ混在させた反射鏡搭載面を等間隔に搭載する領域とに分けて、
人工衛星の測距残差を経時的に測定する
請求項２又は４に記載の光学機器の劣化過程を検出する方法。
【請求項７】
球形の人工衛星において、
その人工衛星の赤道に平行な面で６つの領域に区分し、
人工衛星の赤道に関して、上半球・下半球それぞれで、赤道付近の低緯度領域の面に溶融石英反射鏡とＢＫ７反射鏡を６枚一組として交互に、
高緯度領域の面にはデータ解析の際のスタンダードとして劣化の遅い溶融石英反射鏡のみ、若しくは劣化進行の異なる２種類の反射鏡を３枚ずつ混在させた反射鏡搭載面を等間隔に配置した
請求項１、３、若しくは５のいずれかに記載の光学機器の劣化過程を検出する装置。
【請求項８】
球形の人工衛星において、
その人工衛星の赤道に平行な面で６つの領域に区分し、
人工衛星の赤道に関して、上半球・下半球それぞれで、赤道付近の低緯度領域の面に溶融石英反射鏡とＢＫ７反射鏡を６枚一組として交互に、
高緯度領域の面にはデータ解析の際のスタンダードとして劣化の遅い溶融石英反射鏡のみ、若しくは劣化進行の異なる２種類の反射鏡を３枚ずつ混在させた反射鏡搭載面を等間隔に配置した
請求項２、４、若しくは６のいずれかに記載の光学機器の劣化過程を検出する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、人工衛星に搭載される光学機器の劣化の検出方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、宇宙空間において人工衛星に搭載される反射鏡等の光学機器は、宇宙空間において反射鏡の平面部の歪み等の劣化が進行すると考えられる。しかしこれまで、これら光学機器の宇宙空間における劣化の様子を観察する技術手段は無かった。例えば、人工衛星の軌道を決める衛星レーザー測距観測では、各観測局は衛星からの信号の有無は認識するが、信号強度、即ち光学機器の反射率に対する感度はほとんどないため、光学機器の劣化に伴う信号強度の低下の検出は技術的に困難であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本願発明では宇宙空間における人工衛星に搭載される反射鏡（コーナーキューブリフレクタ）、望遠鏡、アンテナ等の光学機器の劣化検出に寄与する方法及び装置を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、劣化の進行速度が異なる２種類以上の光学機器を搭載された人工衛星において、人工衛星の測距残差を経時的に測定し、得られた測距残差より人工衛星の特定周波数を検出し、特定周波数における測距残差を検出し、光学機器の劣化前後における測距残差の強度変化を検出することを特徴とする。
【０００５】
ここで、劣化の進行速度の異なる２種類以上の光学機器を逆反射鏡としてもよい。
また、光学機器を取り付ける人工衛星の表面を、人工衛星の赤道に平行な面で幾つかの領域に区分し、劣化の進行速度の遅い反射鏡搭載面及び劣化進行速度の速い反射鏡搭載面の２種類の搭載面を有する領域と、データ解析の際のスタンダードとして劣化速度の遅い反射鏡のみを、若しくは前記２種類の反射鏡を半数ずつ混在させた反射鏡搭載面を等間隔に搭載する領域とに分けて、人工衛星の測距残差を経時的に測定してもよい。
【０００６】
球形の人工衛星において、その人工衛星の赤道に平行な面で６つの領域に区分し、人工衛星の赤道に関して、上半球・下半球それぞれで、赤道付近の低緯度領域の面に溶融石英反射鏡とＢＫ７反射鏡を６枚一組として交互に、高緯度領域の面にはデータ解析の際のスタンダードとして劣化の遅い溶融石英反射鏡のみ、若しくは劣化進行の異なる２種類の反射鏡を３枚ずつ混在させた反射鏡搭載面を等間隔に配置してもよい。
【０００７】
【発明の実施の態様】
本願発明においては、宇宙空間にある人工衛星に搭載された光学機器の劣化の様子を、地上局での衛星レーザー測距観測において検出する。
この衛星レーザ測距は、望遠鏡、短パルスレーザー、時計装置等を配備した地上の観測局から、レーザーパルスを人工衛星に発射し、それを人工衛星上に搭載された逆反射鏡（コーナーキューブリフレクタ）によって、光の進行方向を１８０度変え、逆反射されて戻ってきた光信号をその観測局で受信するまでの時間間隔を測定するものである。すなわち、測距は、地上の観測局より発されたレーザ光が人工衛星の反射鏡によって反射され、再び観測局に戻ってくる時間を測定することによって行われる。
この光の往復時間を測距値といい、これは衛星が地平線から上って地平線へ下りるまでのパスの間に大きく変化するが、この変化量のうち、力学モデル等で記述可能な変化の量を差し引いたものを測距値の残差という。この残差は、測定装置の誤差などによって現れる。
【０００８】
スペクトル解析などを通して詳しく解析することにより、この測距残差のばらつきのパターンの違いに表れる反射鏡の劣化の様子を観測できる。図５と図６（残差のポーラーダイアグラム）に示されるように、劣化前（図５）の反射鏡は両種類とも残差が大きく、衛星が地球からより近く見えることを反映している。劣化後（図６）の反射鏡は反射鏡を配置していないパネル同様となり、残差が小さく現れることとなる。
【０００９】
本願発明者は逆反射鏡が劣化した場合に、この測距値の残差が見られなくなる（小さくなる）ことに注目し、人工衛星に搭載する反射鏡等の光学機器の配置を適当なものとすることで、通常のレーザー測距観測の手法を用いて、宇宙空間における人工衛星に搭載された反射鏡の劣化の様子を検出できるとの知見を得た。
これまでは、このような試みはなされておらず、反射鏡の平面部の歪み等の劣化進行が遅いとされる高価な材質のものが使用されており、その配置は測距残差のばらつきを最小限に抑えるよう衛星表面上に均等になされていた。
【００１０】
本願発明においては、劣化の進行が速い反射鏡（例えば、BK７等）と劣化の進行が遅い反射鏡（例えば、溶融石英等）を人工衛星上に特定の配列で配置することにより、劣化進行が速い反射鏡の劣化進行の様子を測定する。
また、劣化進行が遅い反射鏡も併せて配置することにより、劣化進行と同時に人工衛星のスピンレートも定められることにより、反射鏡の劣化進行のみを測定していることが裏付けられる。すなわち、単に測距値の残差にばらつきが出る光学機器の配置のみでなく、衛星球面上の一部にはデータ解析の際のスタンダードとなる光学機器の配置が必要であり、好ましくは、劣化の遅い反射鏡のみ、又は２種類を半数ずつまぜたものを均等に配置してもよい。
【００１１】
【実施例】
以下、実施例について説明する。具体的な光学機器の配置例としては、合計１２６個の反射鏡を６個１組として衛星表面のパネルに設置する。衛星の赤道付近の低緯度領域には劣化の遅い反射鏡のみの部分、劣化の速い反射鏡のみの部分を一定間隔で並べ、高緯度領域には劣化の遅い反射鏡と劣化の速い反射鏡を３個ずつとして一様に混在させ、上半球の極領域には劣化の遅い反射鏡のみを配置するものである（図１）。
図１は、人工衛星の反射鏡の配置に関する本発明の一実施例である。
まず、衛星の赤道面を緯度０度にとり、上半球、下半球それぞれ３０度、６０度の緯線で３分割し、緯度０度から３０度を低緯度領域、３０度から６０度を高緯度領域、６０度から９０度極領域とする。低緯度領域には、上下半球各１２枚のパネル、高緯度領域には８枚のパネル、極領域には１枚のパネルが設置されており、低・高緯度領域には１枚おきに、極領域は上半球にのみ反射鏡を配置する。
反射鏡は、溶融石英とＢＫ７の２種類を用い、円周上に並べた６個の反射鏡を１組として衛星表面のパネルに設置する。低緯度領域には下半球では経度０度地点から、上半球では経度３０度地点から６０度おきに劣化速度の遅い反射鏡のみ６個を配置したパネルと、劣化速度の速い反射鏡のみ６個配置したパネルを交互に設置し、高緯度領域には上・下半球共に、経度４５度から９０度おきに劣化速度の遅い反射鏡と劣化速度の速い反射鏡を３個ずつを混在させたパネルを設置する。また、上半球の極領域には劣化速度の遅い反射鏡のみ６個を配置したパネルを設置する。
【００１２】
本実施例において劣化速度の遅い反射鏡としては、溶融石英を用いる。これは特殊ガラスの一種で、シリコンと酸素の化学結合により形成される。広い温度動作範囲をもち、熱衝撃に対する安定性と抵抗性があるため、宇宙空間でも耐性があり、従来より多用されている。一方劣化速度の速い反射鏡としては、SCHOTTが製造するBK7を用いる。これは、一般的な光学ガラスの一種、ホウケイ酸クラウン光学ガラスである。安価であるが、溶融石英に比べて耐性が低く、熱衝撃などで表面が変形、すなわち劣化しやすい。
【００１３】
図１に示した反射鏡の並べ方の場合についての周波数とその測距残差を図２乃至図４（スペクトル解析のグラフ）に示した。各グラフの縦軸は測距残差を示し、横軸は周波数を示したのもで、図２は低緯度領域（実験群（緯度１５、２０度））、図３は高緯度領域（コントロール１群（緯度４５，５０度））及び図４は極領域（コントロール２群（緯度６５，７０度））を示した。
図３では、劣化進行の遅い反射鏡のみを４面使用して、劣化前後においても周波数４の測距残差が不変であることが示される。一方、図２では、測距残差のパターンがＢＫ７劣化前には低緯度領域に於いては６の周波数（衛星の３６０度の自転の間に６回）、高緯度に於いては４の周波数で極大を示すのに対し，劣化後には低緯度領域に於いて周波数３、高緯度領域に於いて周波数４となる。この周波数６から３への変化が劣化の過程そのものを反映している。尚、図４では反射鏡の搭載がない領域では、いずれの周波数においてもその測距残差が見られないことから、図２及び３の周波数、測距残差は、人工衛星に搭載された反射鏡が反映されていることが示される。
【００１４】
観測データをスペクトル解析すると、その結果は劣化前後で大きく変化する。世界中の各観測局からのデータを継続して解析することにより、劣化の進行を確認できる。図２及び図３はH2A-LRE衛星の場合の、スペクトル解析のシミュレーションである。劣化前後のさまざまなレーザーの入射角における測距残差の大きさを周波数であらわしている。劣化前のスペクトル（図２）に対し、劣化後（図3）のパターンを比較すると、溶融石英とBK7を一様に混在させた±３５°よりも高緯度領域のスペクトルは、劣化前後でほとんど変化していないのに対して、溶融石英とBK7を交互に並べた±３0°より赤道寄りの低緯度領域では、特に残差スペクトルの差異が顕著である。これはBK7部分が劣化すると、レーザーを反射しなくなるため現れる現象である。すなわち、この変化により、劣化の進行の検出が可能となるのである。
【００１５】
前述の並べ方や、光学機器の材質に限らず、劣化速度の異なる２種類の光学機器を用い、その大きさや、人工衛星の大きさ、スピン速度とレーザーショットのタイミングなどによって、劣化前後で測距値残差のパターンが変わるように光学機器の配列を工夫することで、劣化の進行を検知できる。
【００１６】
また、何らかの原因で、衛星のスピン速度や、光学機器の劣化速度に大きな変動が生じた場合も、スピン速度を決定することができる。これは、衛星の緯度別に２種類の光学機器を交互に配置した領域と、２種類を混在させて一様に配置、または劣化速度の遅い光学機器のみを配置した領域を作ることによって、スペクトルに現れる測距残差の周波数の変化が光学機器の劣化によるものなのか、スピン速度の変化によるものなのか判別が可能になることによるものである。即ち、２種類を混在、または劣化速度の遅い光学機器のみを配置した領域が２種類の光学機器を交互に配置した領域に対するスタンダードとなり、劣化速度の速い光学機器が劣化し、２種類を交互に配置した領域の周波数が半減した場合、この周波数の変化がスピン速度の急激な減衰によるものではないことが、スタンダードとなる領域の周波数が変化していないことによって確認可能となるものである。
【００１７】
また同時に、人工衛星のスピン速度の変化測定も可能である。衛星のスピン運動の減衰と、光学機器の劣化の進行は同様の数値データの変化を与えるため、従来の人工衛星の光学機器の配置では数値データの変化がどちらの影響によるものか判別不可能であった。しかし、本発明の構成では、劣化進行の異なる反射鏡を配置し、劣化進行の遅い反射鏡をコントロールとしているので、仮に衛星のスピン運動や光学機器劣化の進行が大きく変動し、周波数が大きく減少することがあっても、スピンレートが急激に減衰したのか、光学機器の劣化が急激に進んだのか区別することができる。また、人工衛星のスピン速度の絶対値に関しても、衛星レーザー測距のデータを基に周波数解析を行うことで、一周期の時間から人工衛星のスピンレートを算出することができる。
【００１８】
本願発明の使用例としては、衛星の軌道をヴァン・アレン放射線帯を通過するよう設定し、この領域での光学機器の劣化を測定することが挙げられる。このヴァン・アレン放射線帯とは、太陽の黒点活動により放出された高エネルギーの陽子や電子などの粒子が地球磁場の影響を受けて地球磁気圏内で捕らえられ、大量に存在する領域で、地球磁場と直交するドーナツ状の分布を示す。粒子の種類やエネルギー別の分布は一様でなく、例えば0.15MeV〜5MeV程度の陽子の分布は、高度６０００ｋｍあたりに極小があり、高度３６００ｋｍあたりが極大（陽子の流速9×105/cm・s2）の内部帯、２００００ｋｍあたりが極大（陽子の流速4×108/cm・s2）の外部帯が存在する。同じ陽子でも、３０MeV以上の高エネルギーのものは、内部帯に3×104/cm・s2程度であり、外部帯では急激に減少し、また４０MeV以上の電子の分布は内部帯、外部帯の区別がつかず、約108/cm・s2で一様に分布する。内部帯の陽子は宇宙線から生じた中性子が拡散の過程で崩壊して陽子に変わり、地球磁場内に閉じこめられたもの、また外部帯の粒子はオーロラ活動、磁気圏嵐に際して地球半径の数倍から数十倍以遠御磁気圏尾で加速され、地球近傍に輸送、さらに加速されたものであると考えられている。高エネルギー粒子の存在は光学機器を含めた人工衛星の機材の劣化に大きく影響するため、通常の人工衛星の軌道はこの領域を避けている。この領域での光学機器の劣化進行が測定できれば、経時的に劣化の様子が検出でき、人工衛星における材料の新たな知見が得られるようになる。
【００１９】
【発明の効果】
人工衛星の表面に搭載される光学機器は宇宙空間における放射線などによって劣化が進行すると考えられている。本発明は、以上説明したような構成を持つことにより、これまで実際に計測された例がほとんどなかった光学機器の劣化の過程を検出できる効果がある。さまざまな材質の光学機器の宇宙空間における劣化の過程を明らかにすることにより、人工衛星の目的に合わせて、より安価な材質の光学機器を選ぶこともできる。人工衛星は、地球磁場の影響などにより、そのスピンレートが減衰するものであるが、スピンレートが大きく変動した場合も、以上説明したような構成を持つことによって、光学機器の劣化の進行の変動によるデータの変化との判別が可能となる効果がある。
【００２０】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係わる人工衛星の表面に搭載する反射鏡の配置を示す図である。
【図２】本発明の一実施例をH2A-LRE衛星の場合で、BK7劣化前のスペクトル解析をシミュレーションした図である（低緯度領域）。
【図３】本発明の一実施例をH2A-LRE衛星の場合で、BK7劣化後のスペクトル解析をシミュレーションした図である（高緯度領域）。
【図４】本発明の一実施例をH2A-LRE衛星の場合で、BK7劣化後のスペクトル解析をシミュレーションした図である（極緯度領域）。
【図５】本発明の一実施例をH2A-LRE衛星の場合で、BK7劣化前の重心補正値の入射角依存性をシミュレーションした図である。
【図６】本発明の一実施例をH2A-LRE衛星の場合で、BK7劣化後の重心補正値の入射角依存性をシミュレーションした図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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