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日本惑星科学会誌Vol. 33, No. 2, 2024

みんなでふたたび木星へ，そして氷衛星へ その10～JUICE 搭載ガニメデレーザ⾼度計GALA の性能モデルシミュレーション～
荒木 博志1,2，塩谷 圭吾3,2，小林 正規4，野田 寛大1,2，並木 則行1,2，木村 淳5，
押上 祥子3，リンゲナウバー カイ6, スターク アレクサンダー6，フスマン ハウケ6
（要旨）2023 年 4月14日，ギアナ宇宙センターから打上げられた木星 氷衛星探 査機 ( J U ICE )にドイツ，日本，スイス，スペイン間の国際協力によって開発されたガニメデレーザ 高度計 (GA ny mede L a ser
A lt i meter ; GA L A)が搭載されています．GA L Aは氷衛星の定量的な地形データを世界で初めて取得し，氷衛星の表層テクトニクスや内部海の有無などの研究を大きく進展させることが期待されています．
極限的な性能が要求されるGA L Aの開発では，レーザの発生から送受信，距離情報への換算までの全体を通じた「性能モデルシミュレーション」が特に重要です．このシミュレーションは当初はドイツチームを中心として行われていましたが，日本側からの提案により，日本チームでも独立に行うこととなりました．
その主な狙いは，①決定的に重要なシミュレーションのダブルチェック，②日本側でのハードウエア開発における活用，③日本側での科学研究の構想・提案等での活用，です．その結果 GA L Aサイエンス要求は木星近傍の放射線環境においても達成できることを確認できました．本稿ではその概要を解説します[ 1]．

1. はじめにザ測距にもとづく定量的な地形データを世界で初めて取得する予定です．特に極周回観測を予定してい2023 年 4月14日，木星氷衛星探 査機 ( J U ICE )がるガニメデでは世界初の氷衛星全球地形データを取ギアナ宇 宙センターから打上げられ2031年の木 星得予定で，氷衛星の表層テクトニクスや内部海の有系 到着を目指して現 在も順調に飛 行を続けていま無についての詳細な研究につながると期待されていす [2]．J U ICE は 欧 州 宇 宙 機 関 ( E SA : Eu ropea nます[ 3- 6]．

Space Agency) 主 導 で 開 発 され， そ の 搭 載 機

極限的な性能を目指す科学機器としてのレーザ高器 の一つにドイツ，日本，スイス，スペイン間の国度計の開発では，レーザの発生・照射から天体表面際 協 力によって開 発されたガニメデレーザ 高度 計での反射特性，そして反射波の受信・距離情報への(GA ny mede Laser A lt imeter ; GA LA)がありま変換までの信号とその誤差の正確なシミュレーショ

す．GA L Aは 波 長 1064 nmの 赤 外 線レーザパルスンが特に重要です．この「性能モデルシミュレーショを軌道上から氷衛星表面に向けて発射して反射パルン」は，当初はドイツチームを中心になされていまし

スを受信し，その往復時間を正確に測定して距離情た．しかし日本側の開発 が 本 格 化した初期の段階報に換算します．木星氷衛星においてGA L Aはレーで，日本チーム側からの提案により，日本チームにお1.国立天文台
2.総合研究大学院大学
3.宇宙航空研究開発機構
4.千葉工業大学
5.大阪大学
6.ドイツ航空宇宙センター
araki.hiroshi@nao.ac.jp

いても性能モデルを開発してシミュレーションを行うこととなりました．その主な狙いは以下の通りです．
① 事の重要性に鑑み，是非ともダブルチェックを行いたい．
② 日本側のハードウエア開発において，設計上の選択やテストデータの特 性が GA L A 全体の性能にみんなでふたたび木星へ，そして氷衛星へ その10 ～JUICE 搭載ガニメデレーザ⾼度計GALA の性能モデルシミュレーション～／荒木，他

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どう影響するかを，性能モデルのソフト内に手をとの比較検討を円滑に進めることができました．サ

入れつつ日本側で迅速に高頻度でチェックできるイエンス要求と機 器 性能 ( “ 測距 精度＋DP ” ) の整 合ようにしたい．

性を確認するのに適した立場にあったと言えます．

③ 日本側での科学研究の構想や提案・推進の際に，性能モデルのソフト内に手を入れるところまで踏み込 んで，GA L Aのデータやその精度をシミュレーションで再現できるようにしたい．

3. GAL A性能設計の進め方と結果
日本チームでは GA L Aの 観 測を以下の4 種に分ダブルチェックのためには，性能モデルシミュレー

け，それぞれの観測における要求事項を測距精度

ションはドイツ側とは基 本的に独立に行うことが 不と誤測距確率（P robabi l it y of Fa lse Detect ion ;可欠です．一方日本チームとドイツチームは良好な協PF D) で 以 下 の よう に 整 理 し まし た ( こ こ で は力関係にあり[2]，日本チームでも性能モデルを開発

PF D =1-DPとします）．

したことによって，結果の照合や派生する技術面・科【A】エウロパのフライバイで高度1300 k m以下かつPF D 0. 2未満学面での議論が可能になっています．日本側のハードウエアの開発の傍ら，性能モデルシミュレーション【B】高 度 500 k m の ガニメデ 周 回 軌 道 (G C O 500)にも自主的に取り組むのは大変でしたが，遂行したで 測 距 精 度 10 m 未 満 か つ PF D 0. 2未 満
（G C O 500 最悪条件）

価値は大いにあったと考えています．本稿では，我々の性能モデルシミュレーションについて解説します【C】G C O 500で測距精度 2 m 未満かつPF D 0.1未満（G C O 500 標準条件）[ 1]．

2. GALAサイエンス要求と性能設計
GA L Aサイエンス要求と性能設 計の整 合 性確 認

【D】G C O 500で測距精度 1 m 未満かつPF D 0.1未満（G C O 500 最良条件）
以下3.1節ではR _ S N Rを数値計算から導き，3. 2
節で GA L A性能モデルの概要を紹介します．3. 3 節

は以下のような流れで行いました[ 1]．

では木星近傍環境下で劣化したA PD 特性を考慮し〈1〉 サイエンス 要 求 か ら GA L A 測 距 精 度 とGA L A性能モデルからC _ SN Rを計算し，「C _ SN R

そ の 精 度 を 満 た す 検 出 確 率 ( Detect ion> R _ SN R」をもってサイエンス要求が満たされている

P robabi l it y ; DP )を決める．

かを確認します．S/ Nは「信号のピーク値の二乗」と加〈2〉〈1〉の“ 測距精度+DP ”の要求を満たすGA L Aえた「ガウシアンノイズの分散」の比と定義しました．

受信パルスのS / N( R _ S N R )を計算する．
〈3〉 GA L Aの 性 能 モデル を 使 って 現 実 的 な S /N( C _ S N R )を計算する．

3.1

GAL A適合フィルター出力のシミュレーション

GA L Aは正確な距離測定のため，A PD 等で発生〈4〉 R _ S N R＜C _ S N Rをもって 実 現 可 能 性を 判するノイズが混入した入力信号のS / Nを最大化する

断．必要に応じて〈3〉→〈4〉をくり返す．

適合フィルター機能（式 ( 1)と( 2)）を組み込んでいまレーザ高度計の性能を規定するのは〈1〉の“ 測距す．この機能のGA L Aへの実装はスイスチームが行精度＋DP ” ですが， これは受信パルスの S / N で決いましたが，GA L Aサイエンス要求検証のため日本まります．日本チームは GA L Aの 受 光 光 学系及びチームでもシミュレーションを行いました．

受光素子アバランシェフォトダイオード（Ava la nche
Photo D iode ; A PD）を含むアナログ信号処理部など受信パルスのクオリティを左右するパートの設計製作を担当していました[ 1]．特にC _ S N R計 算で不可欠な木星近傍環境を模擬する放射線照射実 験を主導しA PDの特 性劣化を明らかにしたことは重要

ここで t 0 は信号のピーク時刻，(t)は適合フィルターで，これによりC _ S N Rの現実的な計 算とR _ S N R

入力（ノイズを含む反射パルス），y (t)は同じく出力，

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図1：青線は HAYABUSA-2 LIDAR 地上実験で得られた反射レーザ信号例．ピーク値は 505 nsec で 1 とした．赤線は青線＋正規ランダムノイズで模擬されたGALA 適合フィル
ターへの入力信号で，見やすさのためグラフを縦軸方向にずらした．緑線はGALA適合フィルターの出力．時間分解能は5nsec．文献[1]のFig.1を転載．

日本惑星科学会誌Vol. 33, No. 2, 2024

図2：GALA適合フィルターの出力信号のS/Nが18.62から23.26の場合，検出確率(DP；縦軸)は測距精度（横軸）に従って増える．A，Bの条件(測距精度<10 m，PFD<0.2)の達成にはS/N=22以上が必要（表１参照）．文献[1]のFig.2を転載．
表1：GALA観測要求とR_SNR（ 文献[1]のTable 1を改変）．

載レーザ高度計（L I DA R )の地上実験中に得られたレーザ反射信号にB ox Mu l ler法で生成したガウシ
アンノイズを加えたものを使いフィルター応答関数の
図3：図2と同じくS/Nが39.63から122.19の 場 合を示 す．条 件C(測距精度<2 m，PFD<0.1)の達成にはS/N=43以上，条件D(測距精度<1 m，PFD<0.1)には122以上が必要（表1参照）．文献[1]のFig.3を転載．

F W H Mを60 nsecとしました[ 1]．
この疑似 入力信号をGA L A 適合フィルターへ入力させる試行を1000回行い，計算された出力信号のピークタイミングが設定した時間幅（測距精度）内に入る検出確率 ( DP =1- PF D)を調べました．観測【A】

h(t) は 適 合フィルター の 応 答 関 数 で す．GA L Aでと【B】の結果を図2に，【 C】と【D】の結果を図3に示しはh(t)をガウス関数としており，そのF W H M（Fu l lます．DPは出力信号のS / Nとともに増加する（PF D

Widt h H a l f Ma x i mu m ;半値全幅）は地上からコは逆に減少する）ことがわかります．表 1に
【A】～
【D】

マンドで変更することができます．理想的なGA L Aの結果をまとめました．

適合フィルターは各リターンパルスの時間反転した関数ですが, ガウス関数でもF W H Mを適切に設定す3. 2

G A L A 性能モデルによるC _ SNRることで y (t)のS / Nを大幅に改善することができま

R _ S N Rの達 成可能 性を確 認するためE SAの水す．ここでは観測【A】の要求距離精度を10 m未満と星探 査機 B epi - C olomboに搭載されているレーザします．

高度計( Bepi- Colombo Laser Altimeter ( BELA))

図１は GA L A 適 合フィルターの入 出力信号 のシの数値性能モデルにGA L Aの仕様と観測条件を適ミュレーション例です．入力信号として，はやぶさ2 搭用してGA L A 出 力 信 号 の S / N( C _ S N R )を計 算しみんなでふたたび木星へ，そして氷衛星へ その10 ～JUICE 搭載ガニメデレーザ⾼度計GALA の性能モデルシミュレーション～／荒木，他

R _ S N Rと比較します．サイエンス要求を満たすには
C _ S N R > R _ S N Rが必要です．

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ました．
GA LAのノイズは主にA PDで生じ，受信光信号と氷 衛 星 の 表 面 で 反 射 さ れ た レ ー ザパルス は独立した成分( N I )と依存する成分( N I I )に分けられま

GA LA受 信 望 遠 鏡に入り， アバランシェフォトダイ

す．N I はガニメデ表面からの太陽反射光や黒体輻射オード(A PD)で検出され，A PD ユニットのトランスのような背景光ノイズとA PDの暗電流ノイズで決まインピーダンスアンプ(TI A)で電圧に変換されます．

り，N I I はnγ_ i n に比例するショットノイズとnγ_ i n 2 に比

電圧信号は離散化されてGA LA 適合フィルターに入例するスペックルノイズに分けられ，それぞれ以下の力されます．適合フィルターからの最終出力信号の等( 9) ~ ( 13)式で表されます[9,10]．

価電流パワーSIは以下の式で表されます [ 7-10]．ここで，qは素電荷，nγ_ i n はA PDに入射する光子数，

ここでは太 陽放 射の散 乱による単位時間当たりの検出光子数，は太陽放射のパワースペク

nγ_ out は出射レーザパルスに含まれる光 子 数， σ t , z

トル，

は氷衛星表面からの黒体放射による光子

は受信パルスの時間幅（半値半幅），σp はTI Aの帯数，は黒体放射のパワースペクトルです．

域幅 ( B 0 )と等価な時間，σ 0 は出射レーザパルスの時間幅（半値半幅)です．他のパラメータは表 2にまとめに比べて無視できます．
バルク暗電流，は表面暗電流，はノイズフロア，ははは A PDにお

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ける暗電流のスペクトル密度です．その他のパラメー

k radに対しては= 241 n A ,=100 pA，同様

タは表 2にまとめました．C _ S N Rは， ， ， で次にA PD 供試体15サンプルの電流測定からT N I D 基のように表されます．

準10 8 MeV/gに対し=170 pA，総合してミッション終了 時 のA PDノイズパラメータは=241 n A ,木星近傍におけるC _ SNRとR _ SNRの比較

I _ DB =170 pAと評 価されました [ 1]．表 2にその他

GA L A性能モデルによるC _ S N Rは，式 ( 14)によパラメータの評 価 値 及び C _ S N R , R _ S N Rを掲載

り計算できますが，そこで使うA PDのパラメータはします．C _ S N R > R _ S N Rであること，すなわち木星近傍の厳しい放射環境により劣化した現実的な

GA L Aはミッション終了までサイエンス要求を満た値を使用する必要があります[11]．ここではこれらのすデータを取得できることがわかりました．

3. 3

劣化を実験的に求め，その結果をもとに現実的なモデルシミュレーションを行った結果を紹介します．
我々は A PD が 木 星 近傍でさらされ る放 射 線 環

4. おわりに境 を 模 擬 する た め2 MeV 電 子 ビームと50 MeV

本 稿はJU ICE 搭載ガニメデレーザ高度計 (GALA)

陽 子ビームのA PD 照 射 実 験を行い， 供 試 体 の 光のサイエンス目標が木星近傍の過酷な放射線環境で電 流と暗 電 流の 測 定 することでゲイン(ga in , M )，も達成できることを[ 1]に従って解説しました．この)， 応 答 性

論文は2019 年に発表したものですが，J U ICE 打上(responsivity, Res ( M ))，過剰ノイズ指数 (x)，表面げを翌月に控えた2023 年3月1日～3日，ドイツ航空

量 子 効 率 (qua ntum ef f iciency,)，バルク暗電流宇宙センター（DL R）で GA L A開発チーム全体会合)の劣化を評価しました．

があり久しぶりに本 稿の内容を紹介しました．日本

暗電流(sur face da rk current ,( bulk da rk current ,ま ず 木 星 磁 気 圏 に お け るJ U ICE - GA L A 内

チームの代表である塩谷氏と小林氏からは日本の開部 に あ る A PD が 受 け る 放 射 線 量 を G ea nt4,発担当グループ(GA L A-Japa n) の貢献や担当箇所

FA S T R A D, GR A S などの専用ソフトウェアを用の開発経緯と結果が紹介されています [ 12]．40人程

いて１次 放 射 線 だけでなく衛星内部の2次 放 射 線が参加したこのような全体会は2014 年5月に東工大も考 慮して安 全 係 数 2で 推 定し，J U ICEミッショで開かれて以来であり，関係者一同久々の再会でしン 終 了 時 の T I D ( Tot a l Ioni zed D ose) お よ び

た．

T N I D ( Tot a l Non-Ioni zed D ose) 基 準 は そ れ

日本側のハードウエアの開発の傍ら，性能モデル

ぞれ 30 k radおよび 108 MeV/g ( マージン20%)とシミュレーションにも自主的に取り組むのは大変で

見 積もりました [ 11]．日本チームはこの結果をもとした．とは言えその甲斐あって，日本チームでも性能にA PD 供 試 体への放 射 試 験を計 画し， はじめにモデルを開発したことによって，結果の照合や派 生2016 年 4月18日から22日にかけてフランス国立航空する技術面・科学面での議論が可能になっています．

宇 宙 局 ( Nat iona l d ' Études et de Recherches

開発した性能モデルは今後も実際のデータを扱い終Aérospat ia les , ON E R A) の 施 設 で2 MeV 電 子えるまで，目的に応じて手を加えつつ活用して行くもビームの照 射 実 験を行いました．続いてA PD放 射のであり，本件を遂行した価値は大いにあったと考線検 査によく用いられる50 MeV 陽 子 線を用いて，えています．

2016 年5月11日に 放 射 線 医 学 総 合 研 究 所 ( N I R S )J U ICEの打上げ後，2023 年5月15日に軌道上初の施 設 で 陽 子 線 放 射 試 験 を行 いました．いず れ期チェックがありGA L Aは非常に良好な結果でしもA PD 供 試 体 は GA L Aフライト品と同一ロットのた [2]．今 年 8月には地球 ―月フライバイを予定してA PD，C 3 0 9 5 4E -T C ( Excel it a s Tech nolog ies

おり，月をターゲットとした測距実験も計画されていC or p. ) を用い，実機と運用条件を揃えるため約350ます．GA L Aの実測距性能を確認できるまたとないVのバイアス電圧を印加して試験しました．

チャンスになるはずです．J U ICEはこれを含め地球ON E R Aにおける照 射 実 験 後，A PD 供 試 体12に3回，金星に1回のフライバイを計画しており2031

サンプルの光電流と暗電流の測定からT I D 基 準 30

年7月の木星周回軌道投入までの道のりはまだ先がみんなでふたたび木星へ，そして氷衛星へ その10 ～JUICE 搭載ガニメデレーザ⾼度計GALA の性能モデルシミュレーション～／荒木，他

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表2：GALA仕様，観測条件，R_SNRとC_SNR．2 MeV電子ビームと50 MeV陽子ビームを用いた放射線試験により，'[♯]'で指定されたパラメータを再評価した．文献[1]のTable 2を改変．

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長いです．しかし行く先は氷衛星という地球型惑星とは異質かつ非常にデータの乏しい新世界です．氷衛星の地形・地質，あるいは衛星系の力学，測地学，内部構造，進化に関心がある方にとってはまさにフロンティアへの旅ではないでしょうか？未 知の氷衛
星の世界に切り込んでみたい方は老若問わずご連絡ください．今後もJ U ICE - GA L Aにご注目いただければ幸いです．

参考文献[1] Araki, H. et al., 2019, Trans. JSASS Aerospace
Tech. Japan 17, 150.
[2] 塩谷圭吾ほか，
2023, 遊星人 32, 302.
[3] Kimura, J. et al., 2019, Trans. JSASS Aerospace
Tech. Japan 17, 234.
[4] Hussmann, H. et al., 2019, CEAS Space J. 11,381.
[5] 塩谷圭吾ほか，
2020, 遊星人 29, 153.
[6] Enya, K. et al., 2022, Adv. Space Res. 69, 2283.
[7] Thomas, N. et al., 2007, Planet. Space Sci. 55,1398.
[8] Gunderson, K. et al., 2006, IEEE Trans. Geosci.
Remote Sens. 44, pp. 3308.
[9] Santovito, M. et al., 2006, Planet. Space Sci. 54,645.
[10] Gunderson, K. and Thomas, N., 2010, Planet.
Space Sci. 58, 309.
[11] Kobayashi, S. et al., 2016, JpGU Meeting abstract, PPS11-P08.
[12] https://www.miz.nao.ac.jp/rise/node/683.html

みんなでふたたび木星へ，そして氷衛星へ その10 ～JUICE 搭載ガニメデレーザ⾼度計GALA の性能モデルシミュレーション～／荒木，他171著者紹介
荒木 博志

木村 淳
自然 科 学 研 究 機 構 国 立 天 文 台

大阪大学大学院理学 研究科助助教．東京大学大学院理学系研教．東京大学大学院理学系研究究科地球惑星科学専攻博士課程科博士課程修了．博士（理学）．東修 了．博 士（理 学）．1996 年より

京大学地震研究所研究員，宇宙現職．専門は月惑星測地学，衛星

航 空研究開 発機 構招聘 研究員，レーザ 測 距など．日本 惑 星科 学会、日本測地学会に所属．

北海道大学博士研究員，東京工業大学地球生命研究所研究員を経て，2016年10月より現職．専門は惑星物理学，惑星進化学．日本惑星塩谷 圭吾

科学会，日本天文学会，生命の起原および進化学会
宇宙科学研究所 准教授．GA LAなどに所属．

Japa nプロジェクトマネージャー．
宇宙用機器開発およびプロジェク

押上 祥子

ト推進により新しい科学研究を目

宇宙航空研究開発機構宇宙科学 研究所 月惑星探指 す．太 陽系 探 査と系 外 惑 星科査データ解析グループ研究開発員．九州大学大学院

学 の両分 野で 活 動 する．主な科

理学府地球惑星科学専攻 博士後期課程修了．博士

学目標は氷衛星の地下海，宇宙における生命関連環（理学）．名古屋大学大学院環境学研究科地球環境

境・物質および宇宙生命そのものの探究．

科学 専攻研究員，国立天文台R I S E月惑星探 査検
討室研究員，工学院大学学習支援センター講師，国野田 寛大

立 天文台天文シミュレーションプロジェクト研究支

自然科学 研究機構国立天文台助教．東京大学大学援員などを経て2019年5月より現職．専門はリモート

院理学系研究科地球惑星科学 専攻 博士課 程修了．

センシングデータ解析，惑星地質学．日本惑星科学博士（理 学）．オーストリア科 学院 宇 宙 科 学 研 究 所会，日本地球惑星科学連合，日本リモートセンシング

PDを経て2003年より現職．専門は惑星測地学など．

学会に所属．

並木 則行
自然 科学 研究機 構国立天文台 教 授 / R ISE 月 惑 星 探 査
プロジ ェ クト 長．総 合 研 究 大学 院 大 学 天 文 科 学 コ ース 教
授 ．M a s sachusett s I nst ituteof Te ch nolog y, D epa r t mentof Ea rt h , At mospher ic , a nd Pla neta ry
Sciences,Geophysics専 攻，Ph . D. 取得．九州大 学
理学部地球惑星科学科 助手，同助教，千葉工業大学 惑星探査研究センター副所長を経て2014年4月より現職．専門は惑星科学．日本惑星科学会に所属．
日本惑星科学会長を務める．