月面およびシスルナ圏での航法

「I still say, ‘Shoot for the Moon; you might get there.'」（それでも「月に向かいなさい。到達できるかもしれません。」と言います。）
— Buzz Aldrin氏

1957年10月4日金曜日、スプートニク1号は地球周回軌道への投入に成功した初の人工衛星となりました。スプートニク1号は、比較的小型な衛星であるにもかかわらず、月面およびシスルナ圏（月と地球の間の空間）ミッションの新時代を切り拓きました。

たとえば、有名なアポロ計画では、月面を科学的に探査するミッションを実施し、月環境で人が作業するための能力を開発するという目標が掲げられていました．これらの目標を達成するために、アポロ計画によって1967年から1972年の間に複数回のミッションが実行され、月面ミッションに関する知識が深まり、次世代の宇宙イノベーターに大きな影響を与えました。

最近では、アルテミス計画も登場し、最も重要な月面ミッションの1つとしての地位を急速に確立しました。アルテミス計画は、月を目指した有人宇宙飛行ミッションですが、それまでの計画よりもはるかに幅広い使命と独自の焦点を反映したものです。

ベースキャンプの建設や定期的に人員を派遣するための月面での持続的なインフラ整備など、長期的な進歩に焦点を当てています。アルテミス計画は、遠方逆行軌道（DRO: Distant Retrograde Orbit）など、これまで探査されなかった軌道オプションを使用している点も異なります。また、世界中のさまざまな政府機関と民間宇宙企業の協力を含む、国際協力を基盤として構成されています。

ミッションが成功するたびに、宇宙産業は人類が月面およびシスルナ圏を横断する能力があることを証明してきました。ただし、これは道のりが容易であることを意味するものではありません。このようなミッションを成功させるには、綿密な計画と正確で特化した軌道設計が必要となりますが、宇宙産業が成長するにつれて、道のりは一層厳しくなっています。

月およびシスルナでの航法

最もシンプルな月およびシスルナでの航法には、目的地に到達するための正しい経路の特定が必要です。ロケットを発射させるエンジンによって目的地までの推進力を得られますが、追跡および航法プロセスが目的地までの道案内をします。

従来、宇宙ミッションの追跡はすべて地上から行われてきました。これまでの地上配備型の直接追跡では、宇宙機と通信しながらその位置を観測するための地上アンテナのネットワークが必要です。

しかし、地上配備型の追跡は完璧ではありません。第一に、地上配備型の追跡はリソースが限られているという問題が常にあり、将来的にミッションの数が増えると、より制限されるようになります。

第二に、地上配備型の追跡に関連するさまざまな物理的効果によって、軌道解には周期的に不確かさが混入します。図1と図2は、範囲とドップラーによる地上配備型の照準線追跡で、（月が地球の周りを1周する）1か月にわたって不確かさが急激に増すことが示されています。

地上配備型の追跡の欠点に対処するために、研究者たちは宇宙産業向けの他の追跡形態も検討しています。

宇宙配備型のリレー

地上配備型の追跡に代わる手段の1つとして、宇宙配備型のリレーがあります。このアプローチは、月の裏側にあるChang’e 4探査機を追跡して通信するために打ち上げられた、中国のQueqiao中継衛星によっても実証されています。

図3に示すように、宇宙配備型のリレー追跡（通常は範囲とドップラーによって達成）は、月の周りの軌道の完全なカバレッジをもたらします。リレー追跡は、通信にも役立ちます。

現在展開されている追跡の別の形態は、宇宙配備型の光学追跡です。これは、光学センサーを搭載した1つの衛星が、星空を背景に被写体の写真を撮影することで、別の衛星を追跡する方法です。

宇宙配備型の光学追跡の利点の1つは、センサープラットフォームが物体観測角度を変化させ、軌道決定プロセスをサポートする大きな動きに対応できる点です。宇宙配備型の光学追跡装置は、場合によっては地上配備型の光学追跡装置ほど正確ではないものの、気象に起因する停電などの影響を受けないため、より良い選択肢となります。

月配備型の基地局

まだ実際に採用されていない航法方法の1つとして、アルテミス計画で提案されているような月の基地局から追跡する方法があります。これらの基地局により、地球からではなく月からの地上追跡が可能になります。月の基地局から月の衛星を追跡する場合、地球の地上局から地球を周回する衛星を追跡する方法と同じように形状を変更するメリットが得られます。

非航法信号

パッシブ無線周波数（RF）による追跡は、非航法信号を使用してシスルナおよび月における航法を実現する例です。パッシブRF追跡の仕組みを理解するために、図4と図5に、L1を中心とした軌道上の衛星と、地球に配置した2つの地上局へのダウンリンクを示します。ダウンリンクの二重収集により、到着時間差（TDOA）および到着周波数差（FDOA）測定値の生成が容易になります。これらの測定値を使用して、衛星自体のダウンリンクを使用して追跡が可能になります。

光学航法

光学航法（光学追跡とは異なる）では、衛星は航法の助けとなる写真を撮影します（多くの場合、自律的に撮影する）。図6に示すように、衛星がL1の近傍から地球と月の両方の写真を撮影し、それを使用して地球と月の方向、そして衛星自体の位置を決定します。費用対効果が比較的高い手法であり、ミッション要件に応じて、単独で使用することも、他の追跡データを強化するために使用することもできます。

全地球測位衛星システム

もう1つの航法方法は、全球測位システム（GPS: Global Positioning System）などの既存の全地球測位衛星システム（GNSS: Global Navigation Satellite System）信号を使用する方法です。既存のGNSSは地球近傍環境で動作するように設計されていますが、地球から遠く離れた宇宙空間でも有用であることが証明されています。

その一例が、Magnetospheric Multiscale Mission（MMS）とそれ専用に設計されたGPS受信機です。MMSでは、GPSコンステレーションの代表的な高度よりもはるかに高い位置でのGNSSの使用が調査され、月までの距離の半分ほどの位置でのGPSの使用が可能になりました。

月測位衛星システム（LNSS）

LNSSの設計では、月を周回する複数の衛星が採用されます。LNSSは、地球を周回するGNSSよりも少ない数の衛星を必要としながら、月の周りを高い軌道精度で周回できるようになります。

月面およびシスルナ圏へのさらなる進出

宇宙の未来には、無限の可能性があります。今後数年間で、次のアルテミス計画により、宇宙の次の時代に向けたステージが展開されようとしています。その計画は、もちろんアルテミス計画だけではありません。AGIのチーフ軌道科学者でAnsysフェローであるJim Woodburnによると、NASAの商業月面輸送サービス（CLPS: Commercial Lunar Payload Services）では、「航法の熱烈なファン」が注目するいくつかのペイロードが月に運ばれるそうです。これには、Firefly社のBlue Ghost Mission 1「Ghost Riders in the Sky」で打ち上げられるLunar GNSS Receiver Experiment（LuGRE）およびNext Generation Lunar Retroreflector（NGLR）が含まれます。

宇宙の未来は誰にもわかりません。しかし、専門家は、現状のデータに基づいた展望を教えてくれます。

Woodburnは次のように述べています。「宇宙での航法の未来は、これまで以上に興味深いものになるでしょう。シスルナ圏に関する最も大きなトレンドは、一般的な関心が大幅に高まることだけでなく、衛星の自律性を高めたいという動きです。計算能力の向上と、搭載されている人工知能（AI）および機械学習（ML）アルゴリズムを活用することで、月面と地上との接続の必要性が軽減され、位置、航法、時刻（PNT）システムが推進されることが期待されています。」この月面PNTシステムは、GPSのような機能を月近傍領域にもたらすことで、衛星航法、月面航法、月面通信にメリットをもたらすでしょう。

Ansysも、この未来を実現する上で重要な役割を担っています。宇宙ミッション同様に、Ansysのシミュレーションも成長と適応を続けます。さらに、Ansysには、月の周回軌道上の衛星を含む光学航法シミュレーションに月のランドマークを使用できる新しい機能が追加されたと、Woodburnは述べています。

「デジタルエンジニアリングワークフローが実現されることで、宇宙の探査、開発、商業化は、ますます加速することが期待されています。デジタルエンジニアリングプラクティスがプログラム開発の加速要因となる地上環境とは異なり、宇宙におけるデジタルエンジニアリングプラクティスは、現場でテストできない設計を反復できるようにする上で不可欠となります。」

シミュレーションを使用することで、エンジニアは実際のミッション条件を正確に反映したデジタル環境で、宇宙ミッションが直面する最も一般的な課題をモデル化することができます。こうしたワークフローのおかげで、安全に月まで航行し、戻ってくることができるのです。

詳細はこちら

軌道測定処理ソフトウェアであるAnsys Orbit Determination Tool Kit（ODTK）がミッションの設計と計画をどのようにサポートするかをご覧ください。