気球VLBIの検討報告

⼟土居明広1、河野裕介2、⼩小⼭山友明2、本間希樹2、秋⼭山和徳3、⽊木村公洋4、（気球VLBI検討協⼒力力者：  鈴鈴⽊木駿策2  、芝井広5、岡⽥田望4、⼩小川英夫4、⽯石村康⽣生6、坂東信尚7、福家英之8、莊司泰弘8、 　吉⽥田哲也8、後藤健9、佐藤英⼀一9、成⽥田正直1、紀基樹1、坂井真⼀一郎郎7、⽥田中宏明10、坂本啓11  ）1宇宙科学研究所宇宙物理理、2国⽴立立天⽂文台⽔水沢VLBI観測所、3東京⼤大学、4⼤大阪府⽴立立⼤大学、5⼤大阪⼤大学、6JAXA構造G、7JAXA制御G、
8JAXA⼤大気球G、9JAXA材料料G、10防衛⼤大学校、11東京⼯工業⼤大学

Balloon VLBI	

要旨 　成層圏は、高周波数の電波帯の天文観測にとって、大気の影響をほぼ完全に避けることのできるサイトである。 将来の高周波電波干渉計/VLBIにとって、地上の電波望遠鏡・スペースの人工衛星に次いで第三の観測プラットフォームとなりうる、気球搭載型の電波望遠鏡VLBI局の検討をおこなっている。 成層圏における VLBI 観測はこれまで実現されていない。 本講演では、地上VLBI局との基線の間で 22 GHz 帯でのフリンジ検出を目指す気球ミッションの概要、概念検討、開発計画と開発状況をご報告する。 北海道広尾郡大樹町の JAXA 大樹航空宇宙実験場からの放球を想定し、選定したターゲット天体の観測に必要な、電波望遠鏡システム・VLBIシステム・ゴンドラシステムの構成と性能を検討した。 周波数標準と高速データ記録系を含めた、VLBI局として必要なコンポーネントはすべて搭載するうえ、電源供給・局位置決定・姿勢決定・姿勢・指向制御などの飛翔体に必要なシステムを 500 kg のペイロードの中で実現する。 気球VLBI を実現するための技術的課題は、(1) 指向精度、(2) 主鏡の鏡面精度、(3)VLBI 高速データ処理系の排熱、(4) 周波数標準系の搭載、(5) 局位置精度などがあげられる。 本講演では、これらの課題とそれに対する開発検証方法の一部についても議論する。 今年度は、搭載性と技術的成熟度を考慮して選定したBVA タイプのOCXO について、気球環境での加速度環境変化に対する周波数安定度の評
価・制御の実験を臼田宇宙空間観測所でおこなう（JAXA搭載機器開発経費）。 また、製作中の気球搭載用電波望遠鏡を用いてのホログラフィー地上実験を今年度おこなう準備を進めており（JAXA戦略的開発経費）、将来の衛星搭載を見据えて別途開発されている形状制御スマートリフレクタを評価する。 また、システム全体を統括する搭載PCのリアルタイム制御性を確保するための技術検討もおこなっている。 2013年11月14-15日におこなわれる大気球シンポジウムへ向けて、ミッション提案および再来年度の放球の申請をおこなった。 本検討は、将来ミッションの種の1つとしてのフィージビリティスタディと、VLBIグループの人材・開発能力を培う土壌になるようにとおこなっている。

ミッションの概要	
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VLBI を気球でおこなう意義	

課題と解決策	(z{J|z¥ ®{|zz p¢§)L¥ª­yPnS¯2
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周波数標準		

候補周波数標準
Oscilloquartz OCXO8607
SC Cut BVA 型

requirement

気球環境→加速度の影響の評価が重要
通常Tipover testで評価
OCXO8607 g-sensitivity 5E-10周波数偏差df/f=2E-3x5E-10 ~ 1E-12：観測に影響→評価試験、補正方法を計画

加速度と周波数偏差vig [1992]

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電波望遠鏡部	

目的
気球搭載予定の周波数標準を小型ゴンドラに搭載し、振り子運動による加速度変動を与え、周波数の変動を計測する。またコヒーレンスを得るための補正方法の実証を行う。	

搭載機器（TBD)
・周波数標準 OCXO8607
・加速度計 Jewell社LMSサーボ型
・2軸傾斜計 Jewell社LCF 2000
・角速度計 JAE社JG-35FD/JG34
・STT
検討中・PLDRONEYXN microwave社

ホログラフィーシミュレーション
GRASP（電磁界解析ソフトウェア）でSMART副鏡の変位を模擬

概要
口径1500m
焦点距離488mm
材質
アルミニウムAz/El マウント方式

位相比較装置・参照周波数標準JAXA臼田観測所水素メーザ
・参照SYNTH Agilent8257D・OCTAD (OCTAVEADC）
・計測ソフトウェア
FFT位相計測型、豊田（2013）

ホログラフィー：主鏡面電流振幅分布	

ホログラフィー処理
主鏡の変形に変換して評価
ホログラフィー：主鏡面変位分布（スリットあり）
副鏡の６セグメントごとの変位が主鏡面の変位として再現できることが確認できた
左上図
アンテナビームパタン
副鏡変位あり左下図
アンテナビームパタン
副鏡面に６つスリットを入れてセグメントごとに変位させた場合	

将来計画との連携
JAXAで進めているSMART構造研究と連携して気球望遠鏡開発中。2013年度のSMART副鏡試作試験では副鏡内部に6本のアクチュエタをもち、主鏡のひずみを副鏡で補償することを目指している。このSMART副鏡を気球望遠鏡に搭載し、電波望遠鏡としての性能評価を行う。気球フライトモデルでは別途簡易な副鏡を搭載する予定。

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OCXO周波数安定度評価試験

必要周波数安定度 アラン分散1E-13 @t=1-20sec (コヒーレンスロス5%)

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※ 赤枠は入力値
白枠は計算値	

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jkn zhkilq {jlmi {	光学系設計	

搭載PC	

コルゲートホーンの設計	
1

25218

22.0155

10 20
4-᷑4.5 ỿἼ(P.C.D. 130)195.98452-᷑1.57 ἠἕἁἦὅ

32.0424 28

ȭ110

ȭ150᷑9.4‫ڧ‬8.2

ȭ95.84517‫ڧ‬8.2

17A

12.2

4-᷑2.7 ỿἼ‫ڧ‬8.2᩿㠃A‫ڧ‬22.2

7.99992.72
2.72
Slot width = Ridge width = 2.72 mm
1

Slot depth
S16.40 mm
S25.44 mm
S34.80 mm
S44.40 mm
S54.16 mm
͐4.44.16B

4.86.4253

5.44

構造解析（静荷重）	

=×{{ØÄÑ©ÉµÐÓÅw=~~9o©ub<o=8¼µ¶Ñ¾¨ij¨%._w©=84cz³ij¨JTy/¦QUVz{Z]ØzJM×{|z<* £)L ¦Sc4$$²U³xyw¾ÉÓ¾ËÁ½ÍÑ¦©t/E©,s®£¢§¦e£¥±¬­¾ÉÓ¾NÛqH'w&@©vH(If©WB©È¾Ä¼µÄ
d:½¾ÂÌ¦©twÔKÒTXNDC1kP+0ÕwÐºÁÄ©¡3N?Ô5ÒrsÒ $ÕªJ¡

S34

4.16 mmBᩘ㔞 㻝ᅗ␒㻜㻝㻌 Ẽ⌫GHzᖏࢥࣝࢤ࣮ࢺ࣮࣍ࣥ
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2OPC（Operation PC)
プロセス遅延試験
開発の簡素化を目指しLinuxベースPCの気球搭載を検討
中→マルチタスクOSによるプロセス遅延が問題となるか？

上図（下）
気球搭載検討中車載用PCInterface社製Atom Z520PT
Debian 5.0 （大阪大白井2011）

左図：パケット遅延試験結果
DUTのPCからLinuxシステムコールをもちいて2.5msec周期でUDPパケットを他のPCに送信し、受信タイミングのずれをより高精度なCPUtimeで計測（1000秒の計測を3回試行）。
その結果、数10msec程度の遅延がたびたび発生し、70msec近い遅延もまれに発生することが明らかとなった。姿勢制御等の気球運用でこれらの遅延が発生することを想定してシステム設計を行うことが重要であることが分かった。