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次の深宇宙探査の時代に向けて 深宇宙探査用地上局プロジェクト プロジェクトマネージャ 沼田健二

長野県佐久市のJAXA臼田宇宙空間観測所には日本一大きい、直径64mのパラボラアンテナがあります。この大型アンテナは1984年に整備され、1985年に日本が初めて惑星間空間に打ち上げたハレー彗星探査機「さきがけ」や「すいせい」との交信を行いました。その後も、このアンテナは小惑星探査機「はやぶさ」などの深宇宙探査機との通信を担い、現在も金星探査機「あかつき」や小惑星探査機「はやぶさ2」の運用に使われています。しかし、建設後30年以上が経過したことで老朽化が課題となり、2019年度の完成をめどに新たなアンテナを整備することになりました。


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新しいパラボラアンテナの開発

深宇宙探査用地上局プロジェクトについて教えてください。

新アンテナの完成予想図(提供:三菱電機)新アンテナの完成予想図(提供:三菱電機)

臼田宇宙空間観測所にある直径64mの大型パラボラアンテナの老朽化が進んでいること、また、次の深宇宙探査の時代に向けてより多くのデータを受信できるように、新しいパラボラアンテナを開発することになりました。そのために2015年11月に発足されたのが深宇宙探査用地上局プロジェクトチームです。

どのようなアンテナを作る計画ですか?

新しいアンテナの直径は54mで、宇宙探査機との交信は周波数X帯(8GHz)とKa帯(32GHz)で行います。アンテナを整備する新地上局は、臼田の64mアンテナから直線距離で1.3kmほど離れた国有林内で、佐久市にある蓼科スカイラインの道沿いです。

なぜその場所が選ばれたのでしょうか?

造成中の新アンテナの建設予定地(提供:竹花組) 造成中の新アンテナの建設予定地(提供:竹花組)造成中の新アンテナの建設予定地(提供:竹花組)

深宇宙を航行する探査機から送られてくる電波は微弱です。テレビや携帯電話、トラック等が使う無線のような電波の雑音が少ないところほど、弱い電波を受信しやすいため、都市部を避けてアンテナを建設します。アンテナを使って探査機の小さい声を聞くと思ってください。静かなところほど聞こえやすいですよね。また、電波を弱める雨が多く降らないこと。道路に近く工事車両の出入りが簡単なこと。そして、すでにJAXAの施設が存在し、地元の支援を得られやすいことも、この場所が選ばれた理由です。地元の方からは、なぜ臼田宇宙空間観測所の中に建設しないのかという声もいただきましたが、アンテナが大きいため、お互いの電波が干渉しない位置まで離す必要がありました。

どのような予定で開発が進められているのでしょうか?

2019年度の完成に向け、2016年10月上旬に、アンテナを含むシステム全体の仕様を決める基本設計を終えました。現在は、実際に図面を書く詳細設計を行うとともに、建設予定地の造成を進めています。2017年4月からは、重量約2100tのアンテナを支えるコンクリートの土台を作る基礎工事を始め、2018年4月からアンテナの本格的な組み立てを開始する予定です。12月~3月の冬季4ヵ月は降雪のため屋外作業ができず、スケジュール的には大変厳しいですが、「はやぶさ2」の運用に間に合うよう完成させたいです。「はやぶさ2」は現在小惑星「Ryugu」に向かって航行中で、2018年半ばに到着し、2019年末頃に小惑星を出発する予定です。

最新の技術を使った高性能アンテナ

新しいアンテナの直径は54mで、今の臼田のアンテナよりも10m小さいですが、受信性能はいかがでしょうか?

新アンテナの完成予想図(提供:三菱電機)新アンテナの完成予想図(提供:三菱電機)

新地上局のアンテナの主反射鏡の直径は、コスト的な制約もあり直径54mとなりました。現行局のアンテナは直径64mでテニスコート約12面分、新しいアンテナはテニスコート約9面分に相当します。これだけ小さくなった分、アンテナが探査機から届けられる電波を受信できる能力は従来の70%程度に落ちますが、それを補う対策をとり、受信性能を維持します。

その一つは、アンテナの主反射鏡の鏡面精度を上げることです。それにより現行局のアンテナよりも1.6倍、受信性能が向上します。反射鏡の表面が凸凹していると、電波を正しく集めることができませんが、表面すべてを同じ滑らかさで仕上げると電波が中心に集中し、受信する力が向上します。新しいアンテナでは、表面の凸凹を0.6mm以下におさえますが、これはクレジットカードよりも薄い厚さです。直径が54mもある巨大なパラボラアンテナは、傾けたり動かしたりするだけでも変形しますし、風や温度差でもわずかに形が変わりますので、この精度を保つためには熟練した技術が必要です。2013年に完成した南米チリの国立天文台アルマ望遠鏡に日本が開発を担当したパラボラアンテナがありますが、その新しい技術も取り入れながら、高性能のアンテナを作ります。

アンテナが小さくなっても受信性能を維持できるということは、それだけ技術が進歩したということですね。

そうです。新たなアンテナは指向精度も向上します。指向精度とは、探査機の方向にどれだけ正確にアンテナを向けられるかを表します。パラボラアンテナの役目は、電波を使って人工衛星や探査機の追跡管制を行うことです。アンテナを人工衛星や探査機に正確に向けて、飛ぶ位置や姿勢、搭載機器の状態を正しく把握するとともに、人工衛星や探査機の動きに修正が必要な場合は、指令信号(コマンドデータ)を送ってコントロールします。そのためには、アンテナの高い指向精度が求められるのです。新しいアンテナの指向精度は、例えば、約2.4km離れた場所からダーツボード(直径約0.4m)に矢を投げて、的を当てることができるほど、とても正確な角度で探査機にアンテナを向けられます。

現行局のアンテナの周波数はS帯(2GHz)とX帯(8GHz)ですが、新局のアンテナはX帯とKa帯(32GHz)です。Ka帯は周波数が高く、大容量の通信に向いており、最近のNASAやESA(ヨーロッパ宇宙機関)の深宇宙探査機にも使われています。その一方で、Ka帯は波長が小さい分、アンテナのビーム幅(指向性の鋭さの指標)がX帯に比べて4分の1程度に細くなります。そのため、指向精度が高くなければ、正確に探査機を追跡することができません。日本の技術が進歩したからこそ、Ka帯を扱えるようになったといえるでしょう。

Ka帯は「はやぶさ2」でも使われていますね。

小惑星探査機「はやぶさ2」(提供:池下章裕)小惑星探査機「はやぶさ2」(提供:池下章裕)

「はやぶさ2」にもKa帯のアンテナが搭載されています。しかし、残念ながら今は日本にKa帯に対応した地上局がないため、NASAの地上局を使わせてもらっています。新しいアンテナをできるだけ早く建設し、日本の地上局から「はやぶさ2」と交信できるようになれば、これまでの2倍のデータ受信が可能となる計画です。また、新しいアンテナは、「はやぶさ2」だけでなく、2018年に打ち上げられる予定の日欧共同による水星探査機との交信でも大いに活躍するはずです。

深宇宙探査の運用を切れ目なく継続するために

臼田宇宙空間観測所のこれまでの実績を教えてください。

臼田宇宙空間観測所の64mパラボラアンテナ臼田宇宙空間観測所の64mパラボラアンテナ

臼田宇宙空間観測所は、約30年前に日本唯一の深宇宙探査用地上局として整備されました。日本が初めて惑星間空間軌道に打ち上げたハレー彗星探査機「さきがけ」「すいせい」をはじめ、最近の月周回衛星「かぐや」や小惑星探査機「はやぶさ」、金星探査機「あかつき」まで、日本のすべての深宇宙探査機の追跡管制に関わっています。臼田のアンテナの活躍が広く知られるになったのは、行方不明になった「はやぶさ」を3ヵ月ぶりに発見したときだと思いますが、当時は、いつ現れるかわからない「はやぶさ」からの微弱な信号を、臼田宇宙空間観測所から毎日注意深く探し続けたと聞いています。また、「ボイジャー」などNASAの探査機の追跡管制を支援した実績もあります。

臼田のアンテナは深宇宙探査に欠かせない重要な役割を担ってきたのですね。

そうです。30年以上も深宇宙探査を支えてきた「縁の下の力持ち」といった存在なのです。しかし、臼田のアンテナは設計寿命を10年以上過ぎており、補修ができない部品もあります。現在および将来の深宇宙探査機の運用を切れ目なく確実に継続するためにも新たなアンテナが必要です。先ほど「はやぶさ」を発見したときの話をしましたが、あれは日本に地上局があったからこそできたのだと思います。

これまでどのようなご苦労がありましたか?

臼田の64mのパラボラアンテナが作られた当時の開発経験者はほとんど残っていません。そのため、手探りで進めざるを得ない課題も少なくありません。また、特にプロジェクト発足前の準備段階に私自身がほとんど関わっていなかったこともあり、限られた資金の中で、アンテナの利用側である探査機チームの要望を聞きつつ、経営層からの厳しいコスト低減のプレッシャーも受け、その折り合いをつけるのがとても難しかったです。探査機からの観測データを確実に入手するために、アンテナの性能をできるだけ高くしたいということも理解しますが、プロジェクトは、スケジュールや予算といった決められた制約の中で、目標を達成することで初めて価値が出ると思うんです。これはプロジェクトマネジメントの基本ですが、実際に責任者としてこれを実践するのは本当に大変でした。

最後に今後の抱負をお聞かせください。

プロジェクト発足からの1年間、生みの苦しみも味わいましたが、建設地の佐久市をはじめ多くの関係者の方々の支援にも支えられ、基本設計を終えることができました。これからもプロジェクトマネジメントの基本を忘れることなく、その成功のために力を尽くしたいと思います。また、私たちプロジェクトチームは、相模原の宇宙科学研究所と筑波宇宙センターのメンバーで成り立っていますので、お互いの苦手分野をカバーし合えるチームにしていきたいですね。各自がチームを意識した行動を起こすことでチームワーク力を高め、その力で目標を達成したいと思います。また、これまでの経験から、どんなことが起きても慌てずに、まっすぐに取り組んでいかなければならないと学びました。プロジェクトには想定していないさまざまなことが起こりますが、その一つ一つに真摯に立ち向かっていくしかありません。それを念頭に置いて、新アンテナの完成に向けて着実に進んでいきたいと思います。

宇宙で活躍する探査機ばかり注目されがちですが、その探査機の活躍を地道に支えているのが地上局です。JAXAにはこのような地上のプロジェクトもあることを皆さんに知っておいていただけると嬉しいです。

沼田健二(ぬまたけんじ)

沼田健二
JAXA 深宇宙探査用地上局プロジェクト プロジェクトマネージャ

1988年、熊本電波工業高等専門学校電波通信学科卒業後、NASDA(現JAXA)に入社し、種子島宇宙センター増田追跡管制所に赴任。その後、筑波宇宙センター中央追跡管制所、情報収集衛星システム開発グループ、チーフエンジニア室などを経て、2015年7月、宇宙科学研究所深宇宙探査用地上局プリプロチーム長。同年11月より現職。

[2016年11月公開]

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昨年、64mアンテナ後継機の54mアンテナを知りました。
64mの主鏡取り付けを思い出します。
数年前に見学に行きましたが、9/21に再度見学に行く予定です。
三菱電機の後輩たちに期待しています。
はやぶさ2・水星探査機との交信成功を祈ります。

ご意見、ありがとうございます。
いよいよ11月からアンテナAZレールの現地据付を予定しています。
ご期待に沿えるよう三菱電機の皆様と共に邁進する所存ですので、引続きご支援をお願い申し上げます。

ボイジャー2号海王星イベントに関わりました。電波速度で片道4時間もの深宇宙から減衰する微弱な信号を捉えた64mパラボラさんは圧倒的でした。直径64mの遠大な筒っぽの先に海王星とボイジャー2号が確かにいると感じた時、太陽系とはいえ宇宙の広さをつくづく感じたものでした。
Kaバンド対応の54mパラボラさんも、これから輝かしい歴史を刻んで行く事を期待しています。

ご意見、ありがとうございます。
深宇宙探査の歴史をしっかり支える屋台骨的存在となれるようチーム一丸となって頑張ります。引続き応援頂けますと幸いです。

影に徹する仕事は、地味やねんけど私は好き!!!

いつも探査機を見守ってくれてありがとう。
はやぶさの帰還までに、必ず臼田宇宙空間観測所に
足を運ぶつもり( ^ 0 ^ )
イベント情報もよろしくね♪


ご意見、ありがとうございます。
「地味やねんけど私は好き!!!」の言葉だけでも大きな励みになります。
今後の工事の様子等も発信していきますので、引続き応援をお願い致します。

新しいアンテナができると古いアンテナはどうなるのでしょう。
地球がラジオ電波を発信し始めてから既に百年以上経つ訳ですが、その半分以下の光年内の太陽系からは何の返信も無いのでしょうか?
たまにはそんな事を確認してみれば、もの凄い大発見が有るかも知れませんね!?

ご意見、ありがとうございます。
古いアンテナは・・・ごめんなさい、ここでお答えするのは難しいです。
新旧ともどもよろしくお願い致します。

未知の領域、深宇宙探査。
派手ではありませんが、とても夢のあるお仕事ですね。
プロジェクトの成功をお祈りしております。

ご意見、ありがとうございます。
ご期待を裏切らないようチーム一丸となって努力を続けます。
引続き応援頂けますと幸いです。

臼田局の開発に携わった者です。

当時はハレー彗星の地球接近と衛星打ち上げがタイトな時間スケジュールの中で
進行しており、是が非でも開発を完了させ、「さきがけ」(MST 5)君を送り出す為にがんばった記憶が思い出されます。
打ち上げ後の1周回目の追跡では、衛星速度に比してアンテナビームが狭いので
メイン波なのか大気反射波なのか、信号捕捉に神経を使ったことが思い出です。
この最初の捕捉が失敗すると、衛星軌道決定が不確かでその後の飛行計画に
支障でるからと緊張の連続でした。 (本番は大成功でした!)

今回、新たにアンテナ建設との事 
蓼科の環境は「素晴らしい天空の星空」と「山々の四季の自然」が素晴らしい
場所です。しかし自然はいろいろと試練や難題を課してきます。
ぜひ克服し新たな深宇宙の未知を調べて教えてください。

これからもチョコチョコお邪魔しますね。


ご意見、ありがとうございます。また、返事が遅れて申し訳御座いません。
先人のご意見、痛感致しております。臼田建設の記録等、過去の資料にも大変助けられております。私共も次の30年後に向けてより良い教訓を残せるよう対応していく所存です。引続きご指導頂けますと幸いです。よろしくお願い致します。

まずはKaバンドに対応した新しい深宇宙通信用のパラボナアンテナ建設。

その後は、NASAやESAにも肩を並べて互いに協力しあえるような深宇宙通信ネットワークが必要です。宇宙機に向いた時間帯だけでなく、24時間通信できるよう日本の国外にも深宇宙通信局が作られるべく、ぜひ予算どりをお願いします。

そうでないと、本当の太陽系大航海時代はやって来ない、と感じます。

ご意見、ありがとうございます。また、返事が遅れて申し訳ありません。
探査機側のシナリオと足並みを揃えつつ、海外局の実現に向けて、微力ながらご支援したいと思っております。
引続きご指導の程よろしくお願い致します。

臼田さんはボイジャーからの海王星の画像を受信したことでも有名ですよね。地学の教科書や宇宙の図鑑に乗っている鮮やかなメタンの雲の海王星はあの場所で受けたんだなあと思うとここでも世代交代があるんだなあと考えます。

ご意見、ありがとうございます。また、返事が遅れて申し訳ありません。
開発現場でも世代交代を実感しています。
また、今回の経験を次のアンテナ開発に活かせるよう苦心しているところです。
引続き応援を頂けますと幸いです。

臼田のアンテナが建設されている頃勝浦追跡所で勤務。ハレー彗星到来の時臼田の「さきがけ」「すいせい」追跡を勝浦のアンテナで支援したことが思い出されます。臼田には一度も行かなかったが懐かしい思い出です。深宇宙用アンテナはこれからもっと必要になるでしょう。目標に向かって頑張ってください。応援していきます。

ご意見、ありがとうございます。また、返事が遅れて申し訳ありません。
機会が御座いましたら是非佐久へお越し下さい。64mアンテナの巨大さには圧倒されます。
新アンテナは54mですが引続き応援を頂けますと幸いです。

臼田さんのことは、はやぶさの時に知りました。佐久さんのことも、いろいろ教えてくださるのを楽しみにしています。

ご意見、ありがとうございます。また、返事が遅くなり申し訳ありません。
今後、現地工事等の様子も随時発信していきたいと思っていますので、引続き応援を頂けますと幸いです。

「Saku」市のあるエストニアに住んでいます。次回、帰国した折には佐久にある臼田の施設に見学に生きたと思います。「Saku」のビール工場の見学にも行ってみたいです。

ご意見、ありがとうございます。また、返事が遅くなり申し訳ありません。
是非佐久市に見学にお越しください。
ビール工場は分かりませんが、日本酒の蔵元が多数あると伺っております。

アンテナがあってこそ、データが届くのだと改めて。
それに、これからもどんどん日本にできることが増えていくこと、すごく楽しみです!

ご意見、ありがとうございます。
また、返信が遅くなり申し訳ありません。
ご期待に応えられるアンテナになるよう頑張りますので、引続き応援頂けますと幸いです。

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