金星探査機「あかつき」の科学データ取得戦略

宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所
今村 剛

金星気象衛星あかつき• 日本初の金星探査機（月以外の天体を周回するのはこれが初）• 金星周回軌道から雲の下まで透視するリモートセンシングによって地球の双子星の気候のしくみに迫る– 高速大気循環「スーパーローテーション」はなぜ起こるのか– 子午面循環はどうなっているのか– 全球を隙間無くおおう雲はどう作られるのか– 氷晶の生じない大気に雷は起こるか• 打上2010年夏（H2A）、同年冬に周回軌道投入に失敗• 2015年末に改めて金星周回軌道投入に挑戦

４．あかつきの軌道(太陽周回軌道）及び現在位置軌道投入失敗（2010年12月7日)

地球の軌道
太陽あかつきの軌道
周期 203日
金星の軌道
周期 225日
軌道投入用エンジンは壊れたが、姿勢制御用の副エンジンを使って2015年末に改めて金星周回軌道に投入する。

極循環

地球

フェレル循環

金星偏西風

ハドレー循環スーパーローテーション貿易風

冬
フェレル循環

火星タイタン偏西風
ハドレー循環スーパーローテーション
夏スーパーローテーションの様々な仮説
成層圏

加速域
熱潮汐波

波や乱流

雲
対流圏

重力波

ハドレー
循環

熱潮汐波

ケルビン波
北極

赤道

南極

北極

赤道

南極

北極

赤道

南極

惑星スケールの流体波動や循環の働きで固体惑星から大気上層へと角運動量が運び上げられる

組み立て中のあかつき
雷・大気光カメラ

超高安定発振器

中間赤外カメラ
紫外イメージャ1ミクロンカメラ
2ミクロンカメラ

Onboard instruments
Instrument
1-µm Camera
IR1

FOV Detector
Filters
Width
12° Si-CSD/CCD
1.01 µm (night) 0.04 µm
1024 x 1024 pix 0.97 µm (night) 0.04 µm
0.90 µm (night) 0.03 µm
0.90 µm (day) 0.01 µm
2-µm Camera
12° PtSi-CSD/CCD 1.735 µm (night) 0.04 µm
IR21024 x 1024 pix 2.26 µm (night) 0.06 µm
2.32 µm (night) 0.04 µm
2.02 µm (day) 0.04 µm
1.65 µm (cruise) 0.3 µm
UltraViolet Imager
12° Si-CCD
283 nm (day)
15 nm
UVI
1024 x 1024 pix 365 nm (day)15 nm
Longwave IR Camera 12° Bolometer
10 µm
4 µm
LIR
240 x 320 pix(day/night)
Lightning & Airglow 16° 8 x 8 APD
777.4 nm (night) 4.2 nm
Camera(50kHz sampling 552.5 nm (night) 4.7 nm
LACin lightning
557.7 nm (night) 3.1 nm
mode)
630.0 nm (night) 3.5 nm
Ultra-stable oscillator
X-bandfor Radio Science RS(8.4GHz)

Targets
Surface, Clouds
H2O vapor
Surface, Clouds
CloudsClouds, Particle size
CO below clouds
Cloud-top height
Zodiacal light
SO2 at cloud top
Unknown absorber
Cloud-top
temperature
OI lightning
O2 HerzbergII ariglow
OI airglow
OI airglow
Vertical prifiles of T,
H2SO4 (g), Ne厚い大気を
3次元観測

あかつき
気温・硫酸蒸気の高度
分布 (電波掩蔽)
大気光(雷・大気光カメラ
二酸化硫黄(紫外イメージャ)
雲の温度(中間赤外カメラ)
下層の雲(1µm/2µmカメラ)
風速ベクトル(雲の動きから)
一酸化炭素(2µmカメラ)
雷放電(雷・大気光カメラ)
水蒸気(1µmカメラ)

成層圏

90 km

硫酸雲

65 km
50 km

対流圏

35-50 km
10 km
地表物質・活火山(1µmカメラ)

地表面

雲追跡による流体運動の可視化→長期連続観測が要
金星紫外画像を用いた
雲追跡風(Kouyama et al. 2012)

風速変動のスペクトル解析(Kouyama et al. 2013)

4.8日周期変動の風速場(Kouyama et al. 2013)

観測計画
高速の気流に流される雲や微量ガスの運動、また地表面の様子を、連続的に撮影して動画として可視化する

雲の層構造を横から見る

軌道周期30時間
地上局へクローズアップ撮影
大気を水平に貫く電波を地球で受信して大気の層構造をとらえる

雲の凸凹を立体視
雷や大気の蛍光を検出ビットレート (kbps)

データ転送レート

周回軌道投入後の日数 ビットレートが最も高い時期でも1日に送ることのできるデータ量は 70 MB 程度。平均的にはもっと少ない。

 画像1枚あたり 2MBなので、1日あたり数十枚。複数高度の大気運動を継続的にモニターするには、よく練った観測計画が必要。

金星周回軌道投入直後の軌道
Venus Cap ture Orbit in Ecliptic Coordinate

80,000Ecliptic Coordinate

2時間ごと夜面広域撮像
60,000

Y_Ec (km)太陽角制限(26o) Elliptic Orbit
により観測不可 about Venus
40,000

地球方向

雷・大気光（日陰） 20,000
電波掩蔽

Venus

2時間ごと夜面・昼面広域撮像

0

リム観測 Cap ture-20,000
電波掩蔽-20,000

020,000

40,000立体視 X_Ec (km)60,00080,000データ取得の考え方
 基本は2時間に1回の多波長撮像
 各観測波長において必要な観測頻度を明確化し、データ転送レートに応じて、観測頻度が低くても良いものから間引いていく。
 機上でメジアン処理、暗電流の差し引き、フラット画像による感度較正までを行ったものを地上局に送る。（必要に応じて生データも転送できる）
 基本は可逆圧縮 （非可逆圧縮も可能）
 同時にデータ取得したい波長ごとにひとまとめにして、1つのコマンドで連続実行されるようにしておき、運用を簡略化。
→‘観測プログラム’： はやぶさ2にも引き継がれている。

’観測プログラム’の例
Typical observation
modeNightside global view

Data volume, nocompression

Abbr.

night_delux

ND

night_slim

NSnight_delux_ir1

ND1

night_slim_ir1

NS1

day_delux

DD

day_slimDSvicinity_deluxDVvicinity_slim_2

DV2

UVI 365nm x2, LIR 10um

4.18 MBvicinity_slim_7

DV7

UVI 365nm x7, LIR 10um

14.18 MBlimb

LM

IR1 0.9um-day, UVI
365nm

Dayside global view

Dayside close-up

Cameras andwavelengths

Observation programIR2 1.73, 2.26, 2.32um,
LIR 10um
IR2 2.26um, LIR 10um
IR1 0.9um-night, 0.97um,1.01um
IR1 1.01um
IR1 0.9um-day, IR22.02um, UVI 283, 365nm,
LIR 10um
IR1 0.9um-day, IR2
2.02um, UVI 365nm, LIR
10um
UVI 283, 365nm, LIR
10um

6.18 MB2.18 MB
6 MB
2 MB
8.18 MB6.18 MB4.18 MB

Dayside stereo

Limb

4 MB

時期ごとの観測計画（例）画像データ処理パイプライン
画像データは地上に伝送された後、半自動化されたパイプライン処理が施される。

FITSデータファイル作成

気象データ作成（緯度経度展開、風速ベクトル）

幾何情報付加新たな観測計画高速の気流に流される雲や微量ガスの運動、また地表面の様子を、連続的に撮影して動画として可視化する

雲の層構造を横から見る

軌道周期
およそ1週間地上局へ
大気を水平に貫く電波を地球で受信して大気の層構造をとらえる

クローズアップ撮影
雲の凸凹を立体視
雷や大気の蛍光を検出まとめ• 「あかつき」ミッションでは、観測対象の時間変化を追いかけるために多くの画像データを継続的に取得する必要がある。
• 限られたデータ転送レートにおいて成果を最大化するために、観測波長ごとに必要な観測頻度を明確化し、観測頻度が低くても良いものから間引いていく。また機上でメジアン処理、暗電流の差し引き、フラット画像による感度較正まで行ったのち、画像圧縮を施してから転送する。
• 2015年に投入される予定の新たな周回軌道は当初予定より遠金点の遠い長楕円軌道。観測計画を改めて検討中。解像度が落ちるものの気象衛星としての観測はほぼ当初予定どおり実施する予定。