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日本惑星科学会誌 Vol. 23, No. 1, 2014

一番星へ行こう！
日本の金星探査機の挑戦 その22
～米国航空宇宙局深宇宙ネットワークの活躍と貢献～
戸田 知朗 ，あかつきプロジェクトチーム
1（要旨）「あかつき」の長い旅路に寄り添ってきたのは，臼田宇宙空間観測所ばかりではない．米国航空宇宙局深宇宙ネットワーク（NASA Deep Space Network）という頼もしい仲間が，打上げから，金星軌道投入へ向けた軌道修正，そして軌道投入失敗の時も，その直後の「あかつき」探索も常に支えてきてくれた．
「あかつき」に限らず NASA DSN 支援は，我が国の深宇宙探査プログラムに深く結びついて，今では欠かせない要素である．「あかつき」の重要な運用局面に常にあったこの DSN 支援を解説すると共に，翻って我が国の地上局のあり方とその将来についても議論することとしたい．そこには，DSN なしには成り立たない我が国の探査の限界も見えてくるはずである．

1. 深宇宙ネットワーク
我が国の深宇宙地上局は，言わずと知れた臼田宇宙空間観測所（UDSC : Usuda Deep Space Center）である．「さきがけ」，「すいせい」を駆ったハレー彗星探査以来，四半世紀に渡って日本の探査を支えてきた．
その口径 64 m のアンテナと通信設備は，単局の性能として今も色褪せない．しかし，時代はネットワークである．すなわち，世界規模で深宇宙局を展開し，24時間，探査機の一挙手一投足を見張る深宇宙ネットワ

図1： 臼田宇宙空間観測所と米国航空宇宙局深宇宙ネットワーク3拠点の位置関係．

ーク（DSN : Deep Space Network）でこそ極限の探査が可能になる．

図 1 に，UDSC と NASA DSN の位置関係を示した．

米国航空宇宙局（NASA : National Aeronautics andNASA DSN は Goldstone（北 米 ），Canberra（豪 州 ），Space Administration）は早くから DSN 整備に着手し，Madrid（欧州）の 3 拠点からなり，それぞれはコンプレその成果は日本の探査機をも存分に支えてきた．現在

ックスと呼ばれ，複数の深宇宙局をその内に擁して複も，その規模は口径 34 m の地上局を中心に発展して雑な運用を展開している．同時に複数の探査機を追尾い る． 欧 州 宇 宙 機 間（ESA : European Space A-できるのは当然ながら，1 つの探査機に対し複数局にgency）もまた，遅ればせなら 2013 年，自前の DSN のおける受信信号を合成加算することも，コンプレック完成を見た．これら 2 機関は地上運用も含めて独自にス間の基線を用いて探査機の位置決定を行うこともで深宇宙探査遂行を完結する力を有すると同時に，DSNきる．ネットワークの威力は，単に地球をぐるりと可の相互利用について積極的な関係を築き始めている．

視時間を延長するだけではない．ESA も NASA DSN

1. 宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所
toda.tomoaki@jaxa.jp■2014遊星人Vol23-1.indd

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ほどではないにしても，Cebreros（欧州），New Norcia（豪州），Malargue（南米）の 3 拠点に口径 35 ｍの地

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上局を 1 局ずつ配備している．

49行して）完了させたい．また，NASA DSN の地上局とUDSC しか自由にならない我が国の探査では，必然探査機地上運用装置間のデータ伝送の授受も，上記のに NASA DSN の支援を仰ぐことになってきた．
「は接続試験に合わせて，さながら探査機が NASA DSN

やぶさ」は我が国独自の探査に違いないが，その成功の先にあるかのように模擬した条件で実施したい．実は DSN 支援なしにはありえなかった．黎明期のよう際には，探査機側の開発速度に加え，機関間の調整ににフライバイをこなす程度のミッションであれば時間を要するのが原因で，この通り首尾よく運ぶことUDSC 単独で十分であったが，残念ながら単独局だけは少ない．
「あかつき」もまた，打上げの約半年前にでその先の探査活動に挑むことは難しい．「はやぶさ」

ようやく，この適合性試験にこぎ着けた．

だけでなく，「あかつき」も図らずもその難しさに直適合性試験の実施に必要な項目を表 1 にまとめた．

面してしまった [1]．金星軌道投入という運用を控えて，全てのミッションにおいて，この内容を覆うように試NASA DSN の支援を必須と考えていたわけだが，正験期間に応じて詳細項目の分量が絞られていく．
「あしくその通りだった．軌道投入に必要な精緻な軌道決かつき」の場合，2009 年 12 月 7 日～ 12 月 11 日の 5 日間

定には，Differential One Way Range（DDOR）と呼ばの内に，NASA DSN 専用の試験拠点で予定した計測れる先述のコンプレックス間基線を利用した位置決定を行った．
「あかつき」からは新しい X 帯搭載通信装技術が欠かせない．また，軌道投入前後に UDSC から置（X 帯は電波の周波数帯を指す）が採用されたのだが，非可視となる時間が不可避で，投入準備，投入異常時宇宙データシステム諮問委員会における宇宙通信方式の救済対応など，「あかつき」の不測の事態に備えるの国際標準化のおかげで UDSC 通信装置をほぼ標準唯一の手段だった．

装置と見なせ，事前に疎通確認を行えていたため，打上げ半年前の試験といえども大きな不安は無かったと²® ຅‫ޯޥ‬ἈỾἃἪἲỪୈ૵ẲܿỂỏỂẫ

いえる．試験拠点と国内地上運用センター間の接続性も，先行ミッションであった「はやぶさ」で十分経験深宇宙ネットワークの使用を確実なものとするため，が積まれていたため，大きな混乱は無かった．この後，どのミッションにおいても探査機側の通信装置とNASA DSN 各局と国内地上運用センター間の実際のNASA DSN の通信装置を接続する試験を，打上げ以回線接続試験（Ground Data System Test と 呼 ば れ前に（通常は，搭載通信装置フライトモデル開発に先る）が順次実施されていく．最終的に，打上げ手順に

表1：適合性試験に必要な手続き．

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図2：可視(パス)数による「あかつき」への深宇宙ネットワーク支援の実績．

図3：運用時間による「あかつき」への深宇宙ネットワーク支援の実績．

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図4：金星軌道投入時の地上局支援と臼田宇宙空間観測所の受信レベル履歴．

沿った「あかつき」の全体試験手順の中において，ON から OFF までの時間）によってまとめたものであNASA DSN との間で打上げ時と変わらぬ条件でのリる．横軸は協定世界時に合わせて計数した．

ハーサル（End-to-End Test）を行い，NASA DSN 側の「あかつき」打上げは協定世界時で 2010 年 5 月 20 日

審査（Mission Event Readiness Test Review という）であり，最初に NASA DSN Goldstone Complex であを経て打上げに備えることとなる．

かつきの産声を（電波ゆえに耳ではなく）目にする手はNASA DSN 側との最終調整としては，天候や機体ずであった．図 4 は，太陽捕捉後のスピンによって規（ロケット，探査機）の状況によって打上げ時刻や期日則的に変動する「あかつき」の受信信号を捕らえたが順延した場合の対応を考えねばならない．予め，天NASA DSN からの報告である．図 2 と図 3 には，6 月候を理由とする順延の場合のシナリオまで決めてある

まで TT&C（Telemetry, Tracking & Command）を中が，それ以上の遅延を招く場合には，NASA DSN 側

心 と し た 探 査 機 立 ち 上 げ の た め の 支 援 を，NASAの地上局確保の調整が喫緊となる．「あかつき」では，DSN から継続して受けた様子が現れている．7 月以降打上げ順延が 1 日生じたが，これは前もって想定したは，DDOR 運用のためのパスが増加し，2010 年 12 月

シナリオで吸収されて，新たな打上げ期日での対応はの金星軌道投入へ向けた軌道決定のための支援へシフ問題なくこなされた．

トした様子が顕著である．7 月以降は，探査機を姿勢（向き）も含めて静置して擾乱のなるべく少ない状態を3. 深宇宙ネットワークの活躍作るなど，精密な軌道決定のための補正データ取得が重点的に行われた時期でもあり，DDOR 運用頻度が

図 2 と図 3 に，これまでの NASA DSN 使用実績を急増している．また，軌道投入直前の 11 月は最終的まとめた．図 2 は可視運用（パス）の数によって，図 3な金星軌道への進入路を決めるために，やはり重点的は運用の目的を区別しない総運用時間（地上送信機に NASA DSN 支援を活用していた．

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図5：金星軌道再投入時における臼田宇宙空間観測所のコマンド回線予測．

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図6：金星軌道再投入時における臼田宇宙空間観測所のテレメトリ回線予測．

「あかつき」にとって問題の金星軌道投入であるが，障を被る可能性もある．
「あかつき」の事故原因の究

図 4 は投入前後での UDSC における受信レベルの推移

明が成ったのも，早々の復旧によって搭載保存データを表している．電波掩蔽による通信不可帯を抜けて再をいち早く地上に降ろせたことによる．探査機の位置

び信号を地上で捕捉する計画だったが，電波掩蔽終了喪失からの復旧は，人命救助同様，早期発見が鉄則で後も信号が見えていない．これが軌道投入失敗である．

あり，NASA DSN 支援の貢献は絶大なものであった．

その後，間もなく短時間，信号を発見できたが再び見NASA DSN 支援がなければ，既に探査機を失ってい失ってしまった．この後に DSS-63，DSS-65，DSS-25，たかもしれない．

DSS-24 とあるのは，「あかつき」探索に投入された「あかつき」は幸い，図 2 と図 3 が示すように，2011

NASA DSN の 地 上 局 で あ る．DSS-63 と DSS65 は，年 10 月と 11 月の軌道修正（これもまた，NASA DSN

Madrid Complex 内の 2 局であり，DSS-24 と DSS-25 はによる軌道決定支援を受けた）を経て，金星へ向かう

Goldstone Complex 内の 2 局である．DSS-63 と DSS-65軌道に無事乗っている．いよいよ金星再軌道投入であは，当初から異常時に備えて配備されていた局である

る．

が，その後の Goldstone Complex との継続性を考えて運用時間をぎりぎりまで延長して支援を受けた．この4. 深宇宙ネットワーク支援の今後

Madrid Complex での探索によって「あかつき」の微弱な信号が見つかり，その後の Goldstone Complex での「あかつき」の金星再軌道投入の計画が明らかにな追跡によって軌道決定までもが可能となり，翌日のりつつある [2]．この計画に基づいて UDSC から運用UDSC 可視における確実な「あかつき」捕捉に繋がった．

する場合の回線評価結果が図 5 と図 6 である．図 5 に明らかに，NASA DSN 支援がなければ，翌 UDSC 可

コマンド回線（地上局から探査機），図 6 にテレメトリ視で更に位置誤差の増した条件で，「あかつき」の電回線（探査機から地上局）をまとめてある．横軸は，波探索から始めなければならなかった．例え，「あか2014 年 4 月から始まる協定世界時である．

つき」信号を見出せても，安定した運用を再開するた「あかつき」には様々なアンテナが目的をもって搭めの軌道決定には更に時間を要しただろう．その間に載されているが，目下，主力となっているのは中利得

適切な姿勢を保持できず，観測機器などは致命的な故アンテナ（MGA: Medium Gain Antenna）である．こ■2014遊星人Vol23-1.indd

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れは 1 軸ジンバルに乗った矩形ホーンアンテナであり，海外機関での深宇宙ネットワーク展開の背景には，「あかつき」の太陽電池パドルを通る軸が軌道面あるKa 帯採用の流れもある．Ka 帯は現状の X 帯より高い

いは太陽−金星−地球を含む面に垂直である限りは，周波数の利用を目指すもので，地上局はこれによってジンバル駆動によってアンテナを地球方向へ向けるこ

64 m より小口径でありながら，64 m と同当の回線品とで一定の回線を期待できる．中利得アンテナは 2 台質を潜在的に確保できる．潜在的に，というのは，運あり，互いに逆方向を向いてパドルの周囲 360°に対用技術，つまり使いこなす技術がまだまだ必要とされ応できる．図 5 から，中利得アンテナを適切に選択する発展途上の技術だからである．
我が国も「はやぶさ 2」

ればコマンド回線は常時確保可能であると分かるが，の搭載側で Ka 帯を採用したが，先述のように臼田後

図 6 のようにテレメトリ回線の確保は難しい．ほとん

継の議論は空転していて，Ka 帯に対応する地上局のどの期間でデータレートは 512bps（bit per second）以見通しは立っていない．そのような状況では，やはり下となって，軌道投入運用の結果分析に必要なテレメ海外機関の地上局の支援を頼みにするしかない．Ka

トリデータは選別しなければ入手困難である．このよ

帯運用の機会は NASA DSN においてもまだ貴重で，うな状況にも，NASA DSN 支援を受けて可視時間を貴重な運用データをただ海外機関向けに提供するよう延長することが非常に効果的といえる．

なものである．

軌道投入後半，2016 年頭に多く現れるデータレー

我が国のあるべき深宇宙局としては，海外機関の衛トの断続（グラフ上は縦線に見える）は，金星掩蔽によ

星，探査機に比べて小さく，とかく搭載資源が限られる通信の遮断を表している．これらは 1 日を越えるこて搭載通信能力も当然に抑制せねばならない，そんなとはなく 1 次的な遮断であるが，異常時対応には障害国内探査機の劣勢な能力を十分補強できるものでありと な る 可 能 性 が 大 き く， こ の 場 合 も 時 間 差 に よ る

たい．UDSC は，これをよく見通して四半世紀に通用NASA DSN 支援での可視時間確保が有効である．

する設計であった．このような地上局の能力は当然な

2010 年の軌道投入では，事前の軌道決定と異常後のがら，海外機関に運用を 100% 依存したり，海外機関救済作業に NASA DSN の貢献があったことを述べたと同じ地上局一式をそのまま購入したりすることで獲が， こ の よ う に 次 回 投 入 時 は デ ー タ 収 集 の 点 で も得できはしない．もしこのような後継局を持てない将NASA DSN の支援への期待が大きい．

来が来るとしたら，それはロケットにしろ，探査機にしろ，埋め合わせのために今ある以上に開発規模を拡

5. 我が国の深宇宙局のこれから大して，欧米並みに大型ミッションを推進していくことを期待しなければならないが，イプシロンロケット

深宇宙局を始め地上局はインフラに分類されている．

を中心に小型衛星による科学探査の前途を切り拓こう

これは射点の打上げ設備などと同じ分類だが，開発側とする宇宙科学ロードマップ [3] の志向とは明らかにの意識は大分違っている．探査機の打上げから運用ま矛盾している．我が国の探査は，このような矛盾にどでの流れを追うと（これは，技術開発の順序そのものこまで耐えていけるのだろうか？

でもある），ロケットとそれに付随する打上げ設備の整備がまず行われ，次いで探査機や衛星の開発へ広が参照文献っていく．最下流の地上局の開発は常に最も後発である．欧米の組織や人材の現状を知れば，この傾斜は技[1] 中村正人，遊星人 20, 1, 68.

術の成熟と共に解消していくかに見えるが，国内では[2] Chikako, H. et al., 2012, 23rd International Symposium

依然として強い根を張っている．残念ながら ､ 海外機
関との比較において，国内は地上局の能力の重要性に最も疎いかもしれない．既に建設から四半世紀を過ぎ

on Space Flight Dynamics.
[3] 「宇宙科学・探査ロードマップについて」，第7回
宇宙科学探査部会資料.

た現行の UDSC と対になり，またそれを後継していく
深宇宙局の整備は探査活動の継続のために急務であるが，一向に動きが見えないままである．

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