宇宙状況把握とは

宇宙状況把握（SSA）とは、地球周辺の宇宙空間に存在する物体の特定評価、追跡、および位置予測を行う活動を指します。政府や企業などの各機関は、地球軌道上、および月と地球の重力の影響を受ける宇宙空間（シスルナ圏）で増加する宇宙アセットを把握するためにSSAに取り組んでいます。

SSAを確立する最初のステップは、地上からの観測を利用して地球近傍物体を特定および追跡することです。その後、この宇宙監視データを用いて、各宇宙物体のデジタル表現を作成します。最後に、軌道力学をはじめとする物理学を適用し、時間の経過に伴い重力などの力によって決まる各物体の軌道を予測します。 

SSAの主な目的は、宇宙機とスペースデブリの衝突を防止することにあります。副次的な目的には、役割を終えた、または機能停止した宇宙機の再突入計画や、衝突または軌道上での爆発、敵対的為によって生じた破片の分析などがあります。

SSAは、宇宙交通管理システムの基盤となるデータおよびツールセットであり、望ましくない相互作用を防ぐだけでなく、制御可能な物体の軌道を積極的に管理するのにも役立ちます。

宇宙開発に携わる各機関、各国の軍、衛星オペレーターは、宇宙にあるハードウェアを保護して、できる限り機能を維持し、再突入時に他の宇宙機や地上の人々およびインフラに損害を与えないようにするために、SSA機能の開発に取り組んでいます。これらの組織は巨額の投資をかけたアセットを保護するだけでなく、こうしたアセットが提供する日常の商業活動や国家安全保障に不可欠な科学・通信・地球観測能力を維持することを目指しています。

欧州宇宙機関（ESA）の試算によれば、1957年にロシアがスプートニクを打ち上げて以降、政府や企業が地球軌道に投入した衛星は21,600基以上に上り、2025年時点でも14,200基以上の衛星が依然として稼働しているとのことです。さらに、打ち上げ時のハードウェアと650件以上の衝突によるデブリが加わり、長さが10cm以上ある54,000個の物体と、数百万個の小さな破片が軌道上に存在しています。 

地球低軌道（LEO）におけるデブリの個数（サイズ順）

地球近傍空間は広大ですが、衝突の可能性は統計的に無視できません。なぜなら、軌道上の物体がさまざまな軌道で非常に高速で移動しているのに加え、多くの衛星が地球表面の同じ地点を占有または通過する必要があるからです。追跡可能な物体がほぼ指数関数的に増加していること、宇宙通信・観測への依存度が高まっていること、SSAが国家安全保障上の戦略的役割を担っていること、さらには非同盟国政府による宇宙へのアクセスが拡大していることにより、宇宙運用、経済、政治におけるSSAの重要性は増しています。 

SSAの基盤は、古典物理学と相対論的物理学の両方を利用して、重力が軌道に及ぼす影響を予測する数値軌道力学です。こうした計算において最も重要な要素となるのは、太陽、地球、月からの重力です。

SSAシステムで宇宙物体を正確に追跡し、予測するには、以下の3つの要素を計算に含める必要があります。

1.宇宙物体の特性評価

SSAの第一の要素は、軌道上にある物体の特性評価です。SSAシステムは、このデータを収集するために、地上のレーダーと光学望遠鏡（総称して宇宙監視・追跡システム）を使用します。この追跡システムは、物体の位置と速度からその質量を推定します。また、内部および外部の情報源を用いて、物体を特定し、利用可能な形状および運用特性をすべて分類して整理します。

宇宙物体の追跡は、一度限りの作業ではありません。多くの物体は軌道を変えることがあり、宇宙天気による抗力や圧力などの小さな力によって軌道が予測不能に変化することもあります。SSAシステムは、人工物体に加えて、地球近傍小惑星も追跡します。

2.スペースデブリの追跡または予測

SSAの第二の要素は、スペースデブリの把握です。デブリは、爆発、宇宙機の機械的故障、物体同志の衝突などによって生じます。これらの事象による破砕は、複数方向に移動する微小粒子を生み出すため、高度なSSAシステムはスペースデブリの特性を捉え、実際の衝突または衝突の可能性によってデブリがどのように変化するかを予測します。 

3.宇宙天気の影響

SSAの第三の要素は、宇宙天気を考慮に入れることです。太陽嵐は放射線を発生させ、衛星軌道に擾乱や干渉を引き起こす可能性があります。このような現象の発生時には、荷電粒子によって地球上層大気の密度に影響が及び、その結果、衛星に抗力が発生し、軌道に影響を与える可能性があります。SSAを実施する際には、太陽放射を常に考慮し、宇宙天気の影響を計算に組み込んで予測する必要があります。

SSAに影響を与えるその他の要因

SSAによる追跡と予測に影響を与えるもう1つの要因は、軌道レベルでは非常に希薄な地球大気によって、特にLEOの地球近傍空間にある宇宙機にかかる抗力です。この抗力は、再突入計算においても重要な要素となります。

太陽放射による力と同様に、地球からの反射熱と可視光（アルベド）も宇宙機の運動に摂動を与えます。この摂動は、太陽と地球に対する宇宙機の位置の変化に応じて変動します。

衛星の姿勢制御システム（通常、一連のジャイロスコープで構成される）の故障も考慮しなければなりません。太陽と地球に対する宇宙機の姿勢は、機体が受ける放射圧や抗力の大きさに影響を与えることがあるため、非常に重要です。 

SSAシステムを確立し、維持することは非常に重要な取り組みです。これまでは、ほとんどのSSAシステムが政府機関によって導入されてきました。米国では、国防総省、宇宙軍、空軍、および商業活動を支援する国立海洋大気庁（NOAA）を通じて複数のSSAシステムを維持しており、宇宙監視ネットワーク（SSN）が主要なシステムとして機能しています。

欧州の宇宙安全プログラムの主要な管理者は、欧州宇宙機関（ESA）です。その他の国々も、自国の宇宙活動を支援する同様のシステムを保有しているか、大規模なシステムのいずれかと提携しています。商業宇宙飛行の拡大により、複数の商業用SSAソリューションが利用可能になり、さらに開発が進められています。

SSAを維持する上で直面する一般的な課題のいくつかを以下に示します。

宇宙機の増加と小型化

小型衛星（「スモールサット」）革命と打ち上げコストの低下により、宇宙機の数が大幅に増加しました。これらの小型物体は、そのサイズと膨大な数ゆえに、追跡がより困難になっています。

軌道上の一等地を巡る競争

衛星は地球の周囲に均等に分布しているわけではありません。静止軌道（GEO）上の複数の衛星は、地球表面に対して一定の位置を維持するために、同じ高度を共有しなければなりません。さらに、多くのオペレーターが自社の宇宙機を特定の地域上空に配置したいと考えており、GEOはますます混雑した空間になっています。LEO衛星も同様の問題を抱えています。これは、多くのミッションが同じ位置から観測や信号受信を行おうとしているためです。

コスト効率と精度の高い観測

SSNの構築と維持には、最新の光学およびレーダーセンシング技術が必要であり、多額の費用がかかります。また、軌道状況の複雑化に伴い、これらのシステムのコストも上昇しています。

データ管理および保存

各宇宙物体に関して収集されるデータの量は膨大です。これは、宇宙機やデブリが増加しているだけでなく、長年にわたる観測を経てSSAデータが収集されているためでもあります。

可視化

SSAデータを有用かつ実用的な方法で可視化することがますます難しくなっています。SSAチームが監視する宇宙空間の規模は膨大で、3次元空間に広がり、観測対象となる物体も増加しています。

予測

SSAシステムは、将来の軌道を予測し、潜在的な脅威を特定するとともに、衝突が発生したときにはスペースデブリをモデル化しなければなりません。また、エンジニアはSSAシステムを用いて、地球大気圏への再突入計画を立てたり、機能停止した宇宙機を安定軌道へ移動させて廃棄したりしています。 

SSAに取り組む組織は、直面している課題に対処するために、さまざまなツールを活用しています。

政策と戦略

SSAに関する解決策は、政策と戦略を中心に展開されます。多くの国際基準が存在しており、宇宙開発能力を有するほとんどの国が原則としてこれらに合意しています。これには、1967年の宇宙条約、1972年の宇宙損害責任条約、1976年の宇宙物体登録条約が含まれます。

最近では、加盟国に協力と責任ある行動を求めるガイドラインや戦略を提唱する団体も現れています。これらの合意は、以下のことを促進しています。

• スペースデブリの抑制
• 軌道上での破砕の最小化
• ミッション終了時の宇宙機の軌道離脱
• 衝突防止技術の導入
• 宇宙空間での物体の意図的破壊の回避

ソフトウェアとハードウェア

技術的ソリューションは、情報収集、宇宙交通管理（STM）ツールの実装、宇宙領域認識（SDA）ソリューションの活用を通じて国家安全保障問題の解決を支援するロバストなソフトウェアおよびハードウェアシステムで構成されます。

ハードウェアソリューションは、高速メモリ、GPU、クラウドコンピューティングなどの高度な計算能力を活用し、必要とされる膨大なデータ量と計算を処理します。また、ハードウェアは追跡システムで使用されるセンサーもサポートします。軌道上および地上の高度な光学センサーとレーダーシステムは、より正確でタイムリーな情報を提供することにおいて大きな進歩を遂げています。エンジニアは、Ansys HFSSなどのツールを用いて、より効果的なアンテナを設計するとともに、Ansys Zemax OpticStudioを活用してカメラ性能を向上させています。

ツールセットのソフトウェア面でSSAの課題に対処する鍵となるのは、SSAシステムソフトウェアを構築するためのロバストかつ柔軟なプラットフォームです。Ansys Systems Tool Kit（STK）などのソリューションは、宇宙空間にある物体やデブリの挙動を正確にモデル化して効率的に予測できる物理ベースの基盤を提供します。また、Ansys Orbital Determination Tool Kit（ODTK）のようなプラットフォームは、追跡データから宇宙機の未来の挙動を予測するのに役立ちます。柔軟かつ強力なプラットフォームを土台にすることで、固有のニーズに合わせてソフトウェアソリューションを開発することができます。 

地球外のシスルナ圏やその先への進出がさらに増加するにつれて、打ち上げやデブリに起因する地球軌道上の物体数も一層増加し続けるでしょう。数十年にわたって構築してきたSSAは、将来の宇宙環境をより安全なものにするための教訓とベストプラクティスを航空宇宙業界にもたらしてきました。

1.規則を遵守する

SSAの最初のステップは、宇宙機設計者およびオペレーターが、軌道上での共存に関する確立された方針とガイドラインに従うことです。

2.追跡技術に投資し、データを共有する

高品質な出力は高品質な入力に依存するため、SSAの維持は追跡データの精度と適時性に大きく依存します。また、データ共有によりSSAシステムの能力が向上します。

3.計算能力の向上を活用する

宇宙監視によって生み出される膨大なデータを管理するには、コンピュータハードウェアの高速化と高性能化に加えて、アルゴリズムの改善が必要です。量子コンピューティングの統計処理能力は、SSAに革命をもたらす可能性を秘めています。

4.データおよび予測分析の進歩を取り入れる

結局のところ、SSAは物理ベースのモデリングに根ざした予測およびデータ分析を中核としています。オペレーターは、標準的なデータ分析や、機械学習（ML）および人工知能（AI）の進歩を通じて、SSAを強化することができます。

5.高精度な物理ベースのデジタル表現を構築する

SSAが潜在的な脅威の予測と回避において真の力を発揮できるのは、地球周辺の環境の高精度なデジタル表現に基づいたデジタルミッションエンジニアリング（DME）を使用しているからです。このデジタル表現には、宇宙機、デブリ、宇宙天気といった主要な要素のほか、軌道上の物体の位置に影響を与えるあらゆる要因が含まれます。 

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