超低高度衛星技術試験機（SLATS）の開発と将来への展望平成27年6月17日
宇宙航空研究開発機構
第一宇宙技術部門
SLATSプロジェクトマネージャ
佐々木 雅範講演内容
1. 超低高度軌道の活用の意義/価値
2. SLATS概要（目的、諸元、ミッション等）
3. SLATS成功基準
4. SLATS開発スケジュール
5. 将来の超低高度衛星への展望
6. まとめ1１． 超低高度軌道の活用の意義・価値（超低高度の特色）
800

大気密度
従来高度の衛星（高度600-800km）

700
600

高度[km]

500

大気密度約1000倍に増加⇒ 大気抵抗も約1000倍に増加

分解能向上の新たな手段

400
大気抵抗による高度低下をイオンエンジンで補償

300
200

超低高度衛星（高度200-300km）

10001.0E-15

1.0E-13

1.0E-11
1.0E-09
1.0E-07
1.0E-05
1.0E-10大気密度[kg/m3]

1.0E-03

1.0E-01

1.0E+012１． 超低高度軌道の活用の意義・価値（１）軌道高度と観測センサ性能の関係①光学・熱赤外観測における地上分解能 ：②SAR観測におけるレーダ送信電力：③LIDAR観測におけるレーザの送信電力 ：分解能 ∝ 高度
送信電力 ∝ 高度の3乗
送信電力 ∝ 高度の2乗（２）軌道高度を下げると、センサはそのままで性能向上が可能① 光学センサの分解能向上。
② アクティブセンサ（SAR、LIDAR等）の信号品質（S/N）の向上。

（３）同じセンサ性能なら、小型化・省電力化が可能 ⇒ 衛星の小型化・低コスト化
800

700

光学センサ有効開口径
70cm
50cm
30cm

700

600
500

500

センサそのままで高度低下で分解能向上

400
300

同じ性能なら高度低下でセンサの小型化

200

高度(km)

高度(km)

600

同じ性能なら高度低下
で省電力化
センサそのままで高度低下でセンサの信号品質の向上

400
300

TerraSAR-X（XバンドSAR）と同等の性能を維持する時に必要なセンサ出力
電力

200
100

1000

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

光学地上分解能（パンクロ）（cm）※分解能は開口径の回折限界と仮定。

0100200300

400

SAR出力電力[W]

500

600

700

800

3

１． 超低高度軌道の活用の意義・価値
今までにない自由度をもつ衛星を実現⇒

新たな衛星の使い道を拓く 従来の周回衛星は、ミッション期間中は一つの固定された軌道で運用。
 超低高度衛星は、燃料効率（比推力）がガスジェットの10倍以上を有するイオンエンジンを搭載するため、軌道変換の幅や回数が飛躍的に増加。
応用例として、太陽同期準回帰軌道と完全回帰軌道の併用運用を実現。
例 通常：5日回帰軌道 高度324km ⇔ 緊急時：完全回帰軌道（1日回帰） 高度268km『全球観測』と『同じ地点の高頻度/高分解能観測』をフレキシブルに選択
1000
800

800

700

700

(15rev/day,561km)

600
500
400

(16rev/day,268km)

300(98.9deg,888km)

900高度[km]

高度[km]

900

1000(14rev/day,888km)

200

600

(97.6deg,561km)

500
400
300

(96.6deg,268km)

200
1415
日周数[rev/day]

16

完全回帰軌道となる軌道高度と日周数の関係

96

9798
太陽同期軌道傾斜角[deg]99

軌道高度と太陽同期軌道傾斜角の関係

4

１． 超低高度軌道の活用の意義・価値
イオンエンジン技術
活用
超低高度衛星技術試験機

新たな軌道開拓により、衛星利用の新たな可能性を拓く

Super Low Altitude Test Satellite

超低高度衛星の例
高分解能
光学

小型・低コストで大幅な分解能向上を実現

新しい周波数によるSAR

Ku帯を利用して高分解能SARを実現

2次元風向・風速
LIDAR

世界初の2次元風向・風速観測を実現(SLATS)

超低高度の・飛行技術獲得
・環境データ取得
・リモセン衛星の事前試験

科学的な意義① 超低高度域の大気密度に関するデータ取得② 原子状酸素の材料への影
響に関するデータの取得

5

１． 超低高度軌道の活用の意義・価値
将来の超低高度衛星の実用化に向けた課題一覧
No

課題内容

[軌道上大気密度の予測精度の課題]
1

大気密度の予測精度が十分ではなく、衛星の軌道制御や姿勢制御への影響が懸念される。（大気密度は軌道高度600km→250kmで約1000倍）

対処案
飛行実証データにより、環境予測モデルの精度向上を図る。

⇒ SLATSにより対応[実用ミッションへ適用する際の課題]

2○ 実用ミッションでの長期運用を設定すると、下記の状況が発生し得る。
1) ミッション機器の大型化、消費電力の増加
2) 軌道保持用推薬が増大 ⇒ 衛星が大型化
3) より大推力のイオンエンジンや、それを駆動する大電力パネルが必要⇒ 再び2)へ○超低高度に対応したシステム設計等の工夫。

○ 軌道高度の低下により、地上局との通信時間が減少するため、データ伝送容量が減少する。（600km 10分程度 → 250km 4分程度）○搭載通信系の高速化や観測運用の制限等。

[電気推進系の課題]
3

衛星の長期間運用や大型化に向けては、イオンエンジンの長寿命化や大推力化が課題

大気抵抗軽減のための高効率な太陽電池パネルやバス機器の小型化・省電力化。

イオンエンジンの耐久性向上、大口径化、クラスタ化。

[各観測ミッションに対応した技術課題]
4○ 光学センサ：画素サイズ縮小と視点速度の上昇による入射光量の減少。
大気抵抗の増大や指向精度の悪化等。
○レーダセンサ：大気抵抗の増大や指向精度の悪化。干渉SAR観測を行うために必要な軌道保持精度等。

○S/N向上対策、指向精度及びMTFの向上対策、小型化、等○アンテナ等の高密度実装。軌
道保持精度の向上、等6

２．SLATS概要（目的/主要諸元）SLATSは超低高度軌道からの地球観測を実証することで、地球観測における新たな利用の可能性を拓くことを目的とし、下記のミッションを実施する。
SLATSのミッション① 超低高度衛星技術の実証＜SLATS主要諸元＞

超低高度域でのイオンエンジンによる軌道保持などの衛星運用を軌道上実証する。

② 大気密度・原子状酸素に関するデータの取得
超低高度域での衛星の軌道や姿勢の変動データや原子状酸素（AO)のデータを取得し、大気密度モデルの精度向上や超低高度衛星に係る設計基準への反映を行う。

③ 小型高分解能光学センサによる撮像実験
超低高度域にて衛星の軌道や姿勢と協調して撮像する実験を行う。

＜SLATS外観図＞
進行方向

衛星構体

太陽電池パドル

イオンエンジン

項目仕様

主要ミッションセンサ

(1) 小型高分解能光学センサ (SHIROP)(2) 原子状酸素ﾓﾆﾀｼｽﾃﾑ （AMO）(a) AO計測センサ（AOFS）(b) 材料劣化モニタ （MDM）

サイズ

2.5 (X)×5.2 (Y)×0.9 m (Z)（軌道上展開状態）

質量

400 kg以下

発生電力

1140W以上

設計寿命

2年以上

運用軌道

軌道高度 268km~180km

打上年度

平成28年度

打上ロケットH-IIAロケットによる相乗り打上げ（主衛星：GCOM-C）

7

２．SLATS概要（搭載ミッション機器）
SLATS搭載ミッション機器の概要①イオンエンジン② 材料劣化モニタ

イオンエンジンとGPSにより、自律的に高度保持を実施し、超低高度域での軌道保持技術を実証。

13種類の材料サンプルを、 原子状酸素計測センサ（QCM）合計8chをSLATS各カメラにより定期的に撮像し、材料サンプルの劣面に搭載し、原子状酸素化をモニタする。
による質量減少量（周波数変化）を計測する。

④ 小型高分解能光学センサ

小型の光学センサにより、高分解能撮像を行うとともに、大気抵抗やイオンエンジン噴射等の影響評価を行う。

12.2mmΦ③ 原子状酸素フルエンス計測

15.0mm
イオンエンジン（スラスタ部）外観

材料サンプル搭載例

原子状酸素計測センサ外観

小型高分解能光学センサ・望遠鏡部外観

超低高度衛星技術
簡素なイオンエンジン制御
アルゴリズムにより、効率的に高度保持する軌道制御技術を獲得

大気密度データ取得
データの不足している超低高度域の大気密度データを、軌道制御アルゴリズムに反映

原子状酸素データ取得
原子状酸素環境による材料への影響を把握し、長期間運用に必要な材料選定の知見獲得

撮像制御技術大気抵抗下における協調姿勢制御によるS/N補償技術を獲得

8

２．SLATS概要（参考：大気密度に関するデータ）（１） SLATSは衛星リソース、開発コストの観点から高精度加速度計を搭載していない。
（２） SLATSの大気密度データは、高度履歴（GPSR出力）および蓄積角運動量履歴（リアクションホイール出力）から算出する。
（３） 高度履歴（GPSR出力、約10秒周期）から得るデータから次式で定義する「大気抗力補正係数η」を算出する。

1 2
D = η ⋅ ρv C D S
2

D：大気抵抗[N]、ρ：大気モデル出力大気密度[kg/m3]、
η：大気抗力補正係数[-]、v:軌道速度[m/s]、CD：抗力係数[-]、S：参照面積[m2]モデル値

ここで、η はSLATSで用いられている大気モデルNRLMSISE-00による大気抗力と実際の大気抗力のずれを表す値となる。
1E-10
9E-11

大気密度[kg/m3]

8E-11
7E-11

η補正6E-11

True：JB2008(+10%)
真の大気密度の擬似データOpt：MSIS補正
η×MSIS大気密度

5E-11MSIS大気密度
MSIS

4E-113E-1100

1000

2000
3000
4000
5000
降交点通過直後からの経過秒[sec]6000

9２．SLATS概要（原子状酸素フルエンス計測）

高度 (km)

超低高度軌道域では、材料を劣化させうる原子状酸素（Atomic Oxygen, AO）の密度が大きく、衛星外表面の断熱に用いる多層インシュレーション（MLI）等の材料を侵食することから、衛星の外表面に対しては防護対策が必要となる。

1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0

Total（大気密度）

O（原子状酸素）

約1000倍

主な地球観測衛星の軌道

超低高度衛星の想定運用軌道

O2
N2Ar
He
H
N
高度が160km以下：
空力加熱が急増

105

1010
1015
1020
粒子密度 (particles/m3)1025

原子状酸素による材料劣化の例（国際宇宙ステーション
太陽電池パドル側面部
宇宙空間に1年間曝露後）
10

２．SLATS概要（原子状酸素フルエンス計測）① AOFS（原子状酸素フルエンスセンサ）仕様
コンポーネント

諸元

AOFSコントローラ（AOFS-CTRL）

主要機能：(1)SLATS- SCUとのテレメトリ/コマンド送受信処理(2)8個のMK24TQCMセンサのコントロール
外形：143mm×133mm×138mm

外観（コネクタソケットを含んだ図）

AOFSセンサヘッド（AOFS-H）

構成：QCM Research社製MK24TQCM×８個。
TQCM：温度制御機能付き水晶微小天秤
主要機能：(1) ポリイミド膜により原子状酸素衝突フルエンスを計測（６個）(2) コンタミネーション計測（２個）(3) センサ面保温機能（75℃に保温。最高80℃まで可能）
外形：12.2mmφ×15.0mmH（コネクタピン除く）

原子状酸素計測用センサ面にポリイミド膜を付着させ、ポリイミドが原子状酸素によってガス化することによる質量減少（周波数変化）を計測する

11

２．SLATS概要（原子状酸素フルエンス計測位置）+Y面内部に１個搭載+Y面に１個搭載-X面に１個搭載+X面に2個搭載
・シャッタ付き×１・コンタミセンサ×１+Z面に１個搭載

MDMに2個搭載
・シャッタ付き×１・コンタミセンサ×１12

２．SLATS概要（材料劣化モニタ）① MDM（材料劣化モニタ）仕様
コンポーネント

諸元

材料劣化モニタ
カメラ部（MDM-C）

主要機能：(1)SLATS- SCUとのテレメトリ/コマンド送受信処理(2) 材料サンプルの撮影、保存(3) 材料サンプルへの前面光照明
画素数：30万画素
外形：154mm×118mm×73mm（突起含む）

外観

カメラ部
材料劣化モニタ
サンプル部（MDM-S）

主要機能：(1)材料サンプルの保持(2)材料サンプルへの背面光照明(3)AOFS-H搭載およびシャッタ機能(4)MDM各機器への電力分配
外形：209mm×120mm×73mm（突起含む）

AOFS-H

材料サンプル

シャッター 13

２．SLATS概要（材料劣化モニタ搭載位置）
MDM-C

衛星進行方向MDM-S

衛星システム+Z面

材料サンプル（SLATS使用熱制御材、次世代耐AO材料等）（１） MDMによりAOによる材料サンプルの劣化を分解能100μm以下の光学画像で把握することが可能。
（２） MDMによるサンプル撮像は基本的には1週間に一度の頻度で行う予定である。
14

２．SLATS概要（運用軌道プロファイル概要）

GCOM-C投入軌道
高度 ：798 km
LST ：10:30
打上げ①（主衛星分離まで）

高度[km]

798

打上げ②（高度化ロケットによるSLATS分離まで）

イオンエンジン(IES)
IES・RCS併用
軌道遷移
高度保持運用

530～
～

268

高度保持開始条件
高度 ：268 km
LST ：約16:00

180

268km
250km
240km
31days
230km
220km
every
7days
180km
31days7days

0～～～～ 打上げ段階

以降、β角≦-60deg

定常段階

100200375

後期
利用段階

505

経過日数[day]15

３．SLATS成功基準
目的達成目標ミニマムサクセス*2

フルサクセス*1
エクストラサクセス*2①高度 *3220km(ノミナル）において、27日間以上、自律的に高度保持を実施し、高度超低高度軌道への投入が成功す
超低高度衛星技術
緊急高度上昇運用の有用性を示せ
ること
保持精度±1km(1σ)を満足することの実証
ること【判断時期：高度268km到達時点】 ②異なる高度から光学センサにより撮影できること①高度268kmから180kmにおいて、高度268kmより高い高度において、90日間を超えて大気密度に関す
大気密度大気密度に関するデータを取得で 高度268kmから180kmにおいて、90日間 のるデータを取得できること
データの取得*4
きること
大気密度に関するデータを取得できること②高度180kmより低い高度におい【判断時期：高度268km到達時点】て、大気密度に関するデータを取得できること①高度268kmから180kmにおいて、原子状酸素衝突フルエンスセンサ 高度268kmから180kmにおいて、90日間の原90日間を超えてFAOを計測できるが正常に動作することこと
子状酸素衝突フルエンス（FAO）を計測できる②高度180kmより低い高度においこと【判断時期：打上げ3ヶ月後】
原子状酸素*4て、FAOを計測できること
データの取得
材料劣化モニタ機器の全機能が 高度180km以上において、材料劣化状況を原子状酸素による材料劣化につい正常に動作すること
原子状酸素衝突フルエンスと共に取得できて新たな知見が得られること【判断時期：打上げ3ヶ月後】
ること
超低高度軌道（高度268km以下）に衛星姿勢と協調制御による画質向上の効果
小型高分解能光学 小型高分解能光学センサが正常おいて、衛星姿勢との協調制御にや大気抵抗及びイオンエンジン噴射によるセ ン サ に よ る 高 分 に動作し、撮像ができること
よる画質向上の効果や大気抵抗及画質への影響が評価できること
解能撮像【判断時期：高度268km到達時点】
びイオンエンジン噴射による画質への影響を評価できること。
*1 ：フルサクセスの達成判断時期は全て定常段階終了時とする。 *2 ：ミニマム/エクストラサクセスは、項目ごとに達成判断をする。
*3 ：高度は「平均軌道長半径－赤道半径」の値とする。 *4 ：ミッション期間中に取得できるデータを用い、環境モデルの評価解析を行う。

16４．SLATS開発スケジュール

FY24 / FY25

マイルストーン

研究

FY26

FY27

詳細設計

FY28

FY29

△設計審査
（システムCDR）△
開発完了審査

維持設計

射場

FY30

△
定常移行確認会

システム製作・試験

衛星システム開発
ミッション機器

バス機器製作・試験
ミッション機器製作・試験

ロケット関連打上げ準備
追跡管制設備の整備・運用準備

地上システム・運用

初期・定常運用

後期運用

17

５. 将来の超低高度衛星への展望
SLATSのミッション：将来の超低高度衛星の実現に向けた試験機① 超低高度衛星技術の実証＜SLATS＞

超低高度域でのイオンエンジンによる軌道保持などの衛星運用を軌道上実証する。

② 大気密度・原子状酸素に関するデータの取得
超低高度域での衛星の軌道や姿勢の変動データや原子状酸素（AO)のデータを取得し、大気密度モデルの精度向上や超低高度衛星に係る設計基準への反映を行う。

③ 小型高分解能光学センサによる撮像実験
超低高度域にて衛星の軌道や姿勢と協調して撮像する実験を行う。

超低高度域のサイエンスや高分解能観測の成果を後継機に反映し、社会的課題の解決に貢献

将来の超低高度衛星の候補案
高分解能光学高分解能SAR

光学センサやSARを用いた高分解能観測により、特定地点を1日1回以上の高頻度かつ詳細な画像情報として、防災関連事業に提供。

風向・風速LIDAR

LIDAR観測にて、風向・風速データを取得し、気象予測モデルの精度向上。

18

５. 将来の超低高度衛星への展望
社会的・科学的課題の解決に向けた体制の全体像(案)
想定する社会的課題、科学的課題、技術的課題
超低高度衛星の貢献が期待できると考える課題と対応の例
１．社会的課題①防災分野： 画像情報の把握、等 例：超低高度から光学センサやSARを用いた高分解能観測をすることで、対象地点を高頻度(1日1回)かつ詳細な画像情報をユーザに提供することで貢献、等。
②気象環境分野： 気象予報精度の向上、等 例：超低高度からのLIDAR観測にて、風向・風速データを取得し、気象予測モデルに同化させることで、気象予測モデルの精度向上に貢献、等。
２．科学的課題①高層大気サイエンス分野： 超低高度域の実測データを一定期間取得、等
 例：超低高度域の大気密度、プラズマ、磁気等の実測データが極めて少ないことが課題であり、大気密度等を一定期間にわたり実測することで高層大気サイエンス分野の科学的課題の解決に貢献、等。
３．技術的課題①超低高度域における大気密度に関する日変化、時間変化の予測精度の向上
 例：SLATS及びSLATS後継機の運用にて得られるデータに基づき精度向上を図り、衛星の姿勢・軌道制御精度の向上、長寿命化、低コスト化を実現し、超低高度衛星の利用拡大を図る。
19

５. 将来の超低高度衛星への展望

現在想定している超低高度ミッションは多岐にわたり、JAXA単独ですべてのミッションの研究開発やデータの利用、社会課題の解決は不可能。
このため、研究機関、大学、企業、利用ユーザ等と事業を分担・協力して進めていくことが不可欠と認識。
分担例①JAXAは超低高度衛星にかかわる衛星システム技術、運用技術や宇宙特有の望遠鏡・アンテナ・搭載装置にかかわる技術の開発を担当。
②センサにかかわる研究・技術に優れた研究機関が、当該センサの研究・開発を担当。
③サイエンスや利用研究を行う機関等が、センサ観測等によって得られたデータの利用を担当。
上記の活動を通じて、超低高度軌道の利用価値の最大化を図る。

20

６. まとめ
現在開発中の超低高度衛星技術試験機（SLATS）の開発計画と将来の超低高度衛星への展望についてご紹介しました。
これまであまり人工衛星で利用されてこなかった超低高度域（200km～300km程度）を活用することにより、新しい人工衛星の利用が生まれ、防災・気象・環境等の数多くの分野において社会的課題の解決に貢献するものと考えております。
社会的課題の解決に橋渡ししていくには、科学的課題や技術的課題を抽出し、解決するための体制つくりが不可欠と捉えています。
NICT殿をはじめ、さまざまな研究機関、大学、企業等の研究者・技術者やユーザの方々のご協力・ご支援をいただき、超低高度軌道の価値の最大化するためのミッション検討を進めていきたいと考えております。

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