惑星大気・プラズマ圏現象の長期連続観測を目指した
極周回成層圏テレスコープの開発
Development of a polar stratospheric telescope for long-term observations ofplanetary atmospheres and plasmaspheres（地球電磁気・地球惑星圏学会推薦）
代表研究者

立教大学

田口真

協同研究者

北海道大学

高橋幸弘

Rikkyo University

Makoto TAGUCHI

Hokkaido University

Yukihiro TAKAHASHI

Phenomena in the planetary atmospheres and plasmaspheres have been studied by various methods usingemissions emitted from there in the spectral regions from radio wave to X-ray. A balloon-borne telescope is
proposed as a new platform for optical remote sensing of planets. Since it is floated in the stratosphere, fineweather condition, excellent seeing and high transmittance of the atmosphere in the near ultraviolet and infrared
regions are expected. Especially a planet can be continuously monitored by a long-period circumpolar flight. For
these reasons we have been developing a circumpolar balloon-borne telescope system FUJIN for planetaryobservations. The FUJIN-1 experiment targeting Venus was scheduled to be conducted in Taikicho in Hokkaido inMay/June 2013 for function test of the system. The prelaunch ground-test results showed its high attitude controland pointing performance enough for achieving the requirements under the stratospheric condition. Unfortunately
the experiment was canceled, because a serious trouble happened in the bus system of the balloon experimentprior to our one. The FUJIN-2 gondola is being designed for a future long-duration experiment in Kiruna inSweden. The FUJIN-2 experiment is planned to be conducted at ESRANGE in April/May 2015 for a 24 to 48
hours flight.

シーイングや天候条件のため満足な観測ができ研究目的
我々は望遠鏡による光学観測を通じて惑星ない状況である。そこで、高度 30 km 以上の成大気・プラズマの研究している。しかし、国内層圏では、大気が安定しているうえに大気密度外の大型望遠鏡はマシンタイムが限られる上に、が地上の 1/100 以下になるため、地上と比較しEastward during winterWestward during summer

図 1．極周回成層圏テレスコープの航跡予想図。スウェーデン・キルナにある民間の気球放球場
ESRANGE から放球した場合、夏期（右）は東風に乗ってグリーンランド・カナダ・アラスカ・ロシア上空を通過する。冬期は（左）は西風になるので逆回りとなる。

てシーイングが格段に向上することに着目した。

ットした位置に望遠鏡を設置している。ゴンド

口径 200 mm クラスの小望遠鏡でも回折限界のラはよりもどし機構を介して気球と接続される。

角度分解能が達成できれば、地上の大口径望遠よりもどし機構の上下間の電気的接続のために鏡に引けをとらない空間分解能での観測が期待スリップリングを備えている。

される。さらに、極域成層圏では天体を 24 時間

ゴンドラは特定の側面を常に太陽方向に向以上にわたって連続的に観測可能なウィンドウ

けて姿勢を安定化する。太陽電池パネルは常にが存在し、図 1 に示すように、風の条件が適す

太陽を向く側面に取り付けられ、望遠鏡に直接る放球日を選べば、極周回風に乗ってほぼ等緯太陽光があたらないように日除けの役割もする。

度を地球一周して放球地点まで戻すことも可能

日陰中の動作に必要な電力はリチウムイオン電である。そこで、我々は地上大型望遠鏡や衛星池から供給する。太陽電池がなくても、バッテ望遠鏡の 1/100 以下のコストでそれらと並ぶ性リーのみで 6 時間以上の動作が可能である。電能を発揮する第三の惑星観測望遠鏡として、極源系には着水前に電源を遮断するためのスイッ周回成層圏テレスコープを提案した。最終的にチを備える。また、電源ラインはすべて防水処

は、極周回成層圏テレスコープによって、諸惑置がされている。

星表面を連続観測しそれらの大気・プラズマの物理を研究することを目的とする。

ゴンドラ方位角はコントロールモーメントジャイロとよりもどし機構により～0.5°の精度で制御される。ゴンドラ方位角はサンセンサー研究経過及び GA（地磁気）センサーで知る。速度制御

１．極周回成層圏テレスコープシステムのため、ジャイロを搭載する。中緯度での実験

我々は 2002 年から極周回成層圏テレスコープの開発を開始した。2009 年にシステムの性能確認を目的として最初の気球実験を実施したが、搭載コンピュータの不具合のため満足な実験結果を得ることができなかった。その後、不具合箇所の改修を施した上で、新たに開発したシステムを FUJIN-1 と名付けた。図 2 に 2013 年度第一次気球実験の際に、大樹航空宇宙実験場で放球時の姿に組み上げられた FUJIN-1 の全体写真を示す。我々は極域での本格観測を目指した極周回成層圏テレスコープを並行して開発中である。そちらはFUJIN-2 と名付けた。2009 年の気球実験で使用した機材（プロトモデル）及び FUJIN-1、FUJIN-2 の比較表を表 1に示す。
ゴンドラはアルミ引き抜き材を組み上げた直方体が基本形である。その上段に姿勢制御用コントロールモーメ
ントジャイロ及びバッテリー、下段にPC 等を納めた気密容器と望遠鏡を配置している。望遠鏡の視野を確保するためにゴンドラ中心軸よりややオフセ

図 2．フライトレディー状態の気球搭載望遠鏡システム。

では姿勢検知用として地磁気センサーのみで可らない。それ以下の場合でも太陽光が直接望遠能だが、将来の極域での実験では地磁気センサ鏡開口部に入射しないように、フードを備える。

ーは精度が悪くなるため、代わりにサンセンサ

望遠鏡視野内での目標天体の追尾誤差は光学系ーを使用する。そのための試験として大樹町での途中に配置した 2 軸可動ミラーマウントでリの実験でも日照中はサンセンサーを使用する。

アルタイム補正される。

ゴンドラの姿勢及び望遠鏡の経緯台はオンボー

光学系は市販の口径 300mm シュミットカセ

ド FPGA で制御され、望遠鏡視野内（～0.028°）

グレン望遠鏡（MEADE 社製）を用いる。合焦に目標天体をとらえる。望遠鏡視野に天体をと機構はモータで遠隔操作可能である。カセグレらえるためにスターセンサーを 2 台備える。スン焦点手前で光路を波長によって３つに分ける。

ターセンサーの視野はそれぞれ 5.6°×4.2°及び

波長 450nm 以下及び波長 750nm 以上の光はそ0.93°×0.70°である。望遠鏡は高度角 0°～70°のれぞれ個別のデジタル CCD カメラで撮像され範囲の天体を視野に入れられる。天体の太陽離る。波長 550～630nm の光は 4 分割アノード付角（方位角方向）が 25°以上であれば、太陽光位置検出光電子増倍管に導かれ、そこから出力は太陽電池パネルに遮られて望遠鏡に直接当たされる天体の位置検出信号を 2 軸可動ミラーマ

表 1．プロトモデル、FUJIN-1、FUIJN-2 の比較
プロトモデル

FUJIN-1

FUJIN-2

目的

技術試験

←

科学観測

観測対象

金星

金星、（木星、水星）

金星、木星

望遠鏡

300 mm シュミットカセ
グレン←

400 mm カセグレンナス
ミス焦点

観測波長

400 nm 及び 900 nm←

10 波長(TBD)

検出器

CCD カメラ 2 台←

CCD カメラ 1 台←←

コントロールモーメント
方位角制御

ジャイロ及びアクティブ
デカップリングモーター

電源寸法太陽電池及び NiMH 電池
1.3 m (W)×1.3 m (D)×太陽電池及びリチウムイオン電池

←←

TBD

3.3 m (H)
重量778 kg

790 kg

TBD

消費電力（観測時）

283W

72.2W

TBD

シリアル 1 系統

シリアル 1 系統

接点 12 系統

接点 4 系統

アップリンク

ダウンリンク

放球場所

放球日シリアル 1 系統
アナログビデオ 1 系統
大樹航空宇宙実験場（北海道広尾郡大樹町）
2009 年 6 月 3 日←←
2012 年 8 月（中止）2013 年 6 月（中止）

TCP/IP

TCP/IPESRANGE（スウェーデン・キルナ）
2015 年 4-5 月（予定）ウント制御に用いる。2 軸可動ミラーマウントの準備を進めて、フライト直前の状態まで仕上及び光電子増倍管は高電圧を使用するため 1 気げたが、実際のフライトは外的要因のために実圧封じの気密容器に収納されている。

現しなかった。しかし、それまでに実施した数FPGA は 2 軸ミラーマウント、光電子増倍管多くのまた長時間に及ぶ地上試験の結果、実際へ供給する高圧電圧、望遠鏡焦点調節機構を制の成層圏環境下で FUJIN-1 は所定の性能を発揮御する。

すると自信を持って言える。北極での本格観測

CCD カメラからのビデオ信号はアナログ信のスケジュールを勘案すると、国内実験にこれ号化されてリアルタイムで地上に降ろされると以上労力をかけても、得られるものは少ないと同時に搭載 SD メモリーに記録される。DC/DC判断している。これまでの実験成果のレビューコンバータ、2 軸可動ミラーマウント用電源、を近々実施し、次のステップに進むことを予定

プリアンプは 1 気圧封じ容器に収納される。気している。

密容器は成層圏気圧下での動作を保証すると同2015 年度以降、北極での本格的実験に供する

時に、着水時に内蔵する電子機器を浸水から守新しい極周回成層圏テレスコープ FUJIN-2 の開る。

発を進めている。2011 年度に新しいカセグレン

発泡スチロールフロートが着水後の浮力を式望遠鏡を製作した。口径は 400 mm、合成 F発生する。発泡スチロールフロートは着水時のは 30～40 の可変である。経緯台は逆さフォーク緩衝材も兼ねる。

式で、ナスミス焦点 2 カ所を備える。現在、望遠鏡に取り付ける分光装置の設計を進めており、２．実験経過今年度内に完成する予定である。望遠鏡の大型2012 年 5 月までに相模原の宇宙科学研究所に化に伴って、ゴンドラ全体の構造も再設計・再おいて FUJIN-1 の地上試験を完了し、6 月に大製 作 す る 。シ ス テ ム の 基 幹 部 分 の 設計 思 想 は樹航空宇宙実験場に移動し、実験準備作業を行FUJIN-1 のそれを踏襲する。

った。8 月 3 日にゴンドラを放球台へ移動し、2015 年 4-5 月に ESRANGE にて金星を観測対最終噛合試験ですべて正常であることを確認し象とした 1-2 日間の長時間連続観測を計画してた。その後、8 月中旬まで地上及び高層気象がいる。本研究助成によって科学的な成果は得ら放球に適する日を待ったが、条件が整わず、実れなかったが、次のステップへ進む準備を整え験を見送ることとした。

ることができた。

実験機材は一旦全て宇宙科学研究所に引き上げ、2013 年 4 月までスターセンサーの増設、研究の発表

CCD カメラアナログビデオ出力の階調増、フー口頭発表

ドの新調などマイナーな改修及び地上試験を行

1.

った。

真他：気球搭載望遠鏡による惑星大気観測、大気球シンポジウム、相模原、2013 年 5 月 2 日より再び大樹航空宇宙実験場
において実験準備作業を進め、5 月末にはフラ田口
2011

2.

10

山元夢摘

他：気球搭載望遠鏡による惑星イトレディー状態になった。今回の気球実験で大気観測、地球電磁気・地球惑星圏学会

は金星及びオプションで木星と水星をターゲッ

第 130 回講演会、神戸、2011

トとした機能確認試験を計画していた。しかし、

3.

山元夢摘

11

他：気球搭載望遠鏡による惑星

残念ながら、我々の実験の直前に実施された大大気の観測、宇宙科学シンポジウム、相模型気球実験において、気球バス機器側に深刻な原、2012

1

荘司泰弘

他：1mφ級気球望遠鏡による惑不具合があり、我々の実験はまたもやキャンセ

4.

ルされた。

星長時間観測のフィジビリティスタディ、
宇宙科学シンポジウム相模原、2012

考察
2012 年度、2013 年度と 2 年続けて気球実験

5.

1

T. Nakano et al.: Performance Evaluation ofPointing Control System of the Balloon-BorneTelescope, 13th ISCOPS, Kyoto, 2012
6.

5

T. Nakano et al.: The Pointing Control Methodof Balloon-Borne Telescope Compensating theMotion of Flexible Base, 2012 IEEE/SICE
International

Symposium

Integration, Fukuoka, 2012
7.

onSystem

12Y. Shoji et al.: A balloon-borne telescope forplanetary observations, The 39th COSPAR
Scientific Assembly, Mysore, India, 2012

8.

田口真

7

他：極周回成層圏テレスコープによる惑星大気観測、日本天文学会 2012
年秋季年会、大分大学、20129.

田口真

9他：B12-03「気球搭載望遠鏡による惑星大気観測」実験経過報告、2012 年度大気球シンポジウム、宇宙科学研究所、
2012

1010. 山元夢摘

他：気球搭載望遠鏡による惑星大気観測、第 132 回 SGEPSS 総会および講演会、札幌コンベンションセンター 、2012
1011. 山元夢摘

他：極域周回成層圏テレスコー

プ(FUJIN)による惑星大気観測、宇宙科学シンポジウム、宇宙科学研究所、2013

1

12. M. Taguchi et al.: Observation of Planets by aCircumpolar

StratosphericTelescope,Symposium on Planetary Science 2013, Sendai,2013

2

誌上発表
1.

T. Nakano, et al.: Performance evaluation forpointing control system of the balloon-borne
telescope, Advances in the AstronauticalSciences, 146, 381-391, 2013

2.

T. Nakano et al.: The pointing control methodof balloon-borne telescope compensating themotion of flexible base, 2012 IEEE/SICEInternational

Symposium

Integration (SII), 313-318, 2012onSystem