「はやぶさ2」の位置を精度よく推定する新手法
【2020年7月14日 JAXAはやぶさ2プロジェクト】
地球に向けて帰還中の探査機「はやぶさ2」が小惑星「リュウグウ」で集めた観測データは、今も解析が続いている。とりわけ注目されているのがリュウグウの地形に関する情報だが、生のデータを正しく表面の凹凸などの数値に変換するには、観測した時点における「はやぶさ2」とリュウグウの位置関係を正確に把握する必要がある。「はやぶさ2」の位置は地球と交信する際に電波が往復するのに所要した時間で推定できるが、その誤差は数百mにもなるため、補正なしでは計算に使えない。
これまで「はやぶさ2」の位置を補正するには「幾何学的な軌道決定」が使われていた。これは、「はやぶさ2」とリュウグウ表面間の距離をレーザーを使って精密に測定するレーザー高度計「LIDAR」のデータを用いて、すでにわかっている地形情報を元に、「はやぶさ2」とリュウグウの距離が測定したとおりになるように「はやぶさ2」の位置の推定値を補正するというものだ。
一方、国立天文台の山本圭香さんをはじめとする「はやぶさ2」LIDARチームは、LIDARの他に広角カメラ「ONC-W1」のイメージトラッキングデータを使った上で、「力学的な軌道決定」によって従来の幾何学的に決定された位置をさらに精度よく補正する手法を開発した。探査機は宇宙空間において絶えず様々な外力を受けているので、その影響で軌道も変化していく。これを見積もりながら、観測値とできるだけ矛盾のないように補正するのが力学的な軌道決定である。
イメージトラッキングデータはONC-W1が撮影した画像の画心座標を表すデータだ。同カメラによる撮影では、リュウグウ表面の太陽に照らされている部分は白く(明るく)、影になっている部分や宇宙空間は黒く(暗く)写る。明るい部分の座標の平均値が画心(輝度中心)座標であり、これにより、ONC-W1が宇宙空間においてどちらの方向を向いているかがわかる。カメラが撮影した画像自体はデータ量が多いため、探査機から地上に送ることができるデータ量の制約から、限られた時刻でしか利用できないが、イメージトラッキングデータは容量が小さいため頻繁に測定できるのが利点だ。
レーザー高度計「LIDAR」と広角カメラ「ONC-W1」(提供:JAXA、以下同)
LIDARが「はやぶさ2」とリュウグウの距離を測定するのに対して、イメージトラッキングデータは「はやぶさ2」のリュウグウに対する向きを示すので、両者を組み合わせることで「はやぶさ2」の位置を3次元的に把握できる。
力学的な軌道決定において、「はやぶさ2」に特に大きな影響を与える要素としてはリュウグウによる重力加速度と太陽輻射圧(太陽光が探査機を押す力)による加速度が挙げられる。研究チームは軌道推定の過程で、リュウグウのGM(万有引力定数とリュウグウの質量の積)の値および太陽輻射圧モデルの補正係数(計算に使用しているモデルを何倍すれば良いかという補正値)も同時に推定した。推定されたリュウグウのGM値は、29.8±0.3m3/s2だった。この値は異なる方法、過去にソフトウェアで推定された結果と誤差の範囲内で一致した。また、初期の太陽輻射圧モデルに対する補正係数は、1.13±0.16と推定された。
探査機の位置と速度を推定する仕組み
LIDARの距離情報だけを頼りに地形を当てはめることで軌道を決定する方法では、形がよく似た別の場所を参照してしまうことで、不正確な軌道が推定されてしまう場合があった。測距値に加えてイメージトラッキングデータを用い、力学的な軌道推定をすることで、こうした間違った地形への当てはめを修正することができ、軌道の改良に役立った。
今回研究チームが用いた軌道決定の方法は「はやぶさ2」ミッションだけでなく、将来の小天体ミッションに対しても精密な軌道を得るための軌道決定方法の一つとして役立つと期待される。
〈参照〉
- JAXAはやぶさ2プロジェクト:LIDAR測距データ、イメージトラッキングデータを用いたはやぶさ2の軌道推定
- Earth, Planets and Space:Dynamic precise orbit determination of Hayabusa2 using laser altimeter (LIDAR) and image tracking data sets 論文
- Icarus:Improving Hayabusa2 trajectory by combining LIDAR data and a shape model 国立天文台の松本晃治さんたちの研究チームによる軌道改良(LIDARの測距値をリュウグウ表面の地形に沿うように当てはめる手法)に関する論文
〈関連リンク〉
- 「はやぶさ2」:
- RISE月惑星探査プロジェクト:「はやぶさ2」はどこにいる?~レーザ高度計データによる軌道改良~
- 星ナビ.com 「はやぶさ2」ミッションレポート
関連記事
- 2022/03/28 小惑星リュウグウがかつて彗星だった可能性を指摘
- 2022/03/25 「はやぶさ2」帰還時の軌道を音で決定
- 2022/02/28 「はやぶさ2」が2026年フライバイの小惑星を地上から観測
- 2022/02/21 「はやぶさ2」が持ち帰ったリュウグウの花吹雪
- 2022/01/17 リュウグウ試料のカタログを公開
- 2021/12/28 リュウグウ試料から水・有機物・窒素化合物のスペクトルを検出
- 2021/12/07 「はやぶさ2」帰還から1年、試料の分析結果は来春公表予定
- 2021/09/08 空に浮かぶダイヤモンド、ベンヌとリュウグウの形の成因
- 2021/08/25 太陽系のかすかな塵の光をとらえる「はやぶさ2」
- 2021/06/28 リュウグウの謎に迫る!「スペース・サイエンス・ワールド星取県」7月4日ライブ配信
- 2021/06/18 リュウグウ試料の分析第2段階開始、大量の水や有機物を確認
- 2021/06/07 リュウグウの偏光度は太陽系小天体のうちで最大
- 2021/06/01 リュウグウに水より軽い岩塊、始原的微惑星の残りか
- 2021/04/30 「はやぶさ2」リュウグウ試料の分光で水・有機物の特徴を検出
- 2021/04/15 「HAYABUSA COMPLETE VERSION」予約受付開始
- 2021/03/10 「はやぶさ2」C室試料も分析中、カプセルを相模原・科博で展示
- 2021/02/10 「はやぶさ2」第1回着陸で採れた試料は3.1g以上
- 2021/01/29 2月6日「長野県は宇宙県」ミーティング開催、「はやぶさ2」オンライン講演も
- 2021/01/07 リュウグウは生まれながらにして乾いていたか
- 2020/12/28 「はやぶさ2」カプセルの残る2室も開封、1cm大の粒子を確認