[論文レビュー] Measuring the absolute non-gravitational acceleration of a spacecraft: goals, devices, methods, performances

Benjamin Lenoir, Bruno Christophe+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、回転するステージを備えた静電式加速度計としてのGravity Advanced Package（GAP）を提示する。この手法により、宇宙船の非重力的加速度のバイアスなし測定が可能となり、一般相対性理論の太陽系スケールでの検証のための軌道再構築精度が著しく向上する。特許的な回転信号を用いて加速度計の向きを変調することで、機器のドリフトを抑制し、3時間の測定で1 pm·s⁻²の精度を達成する。

ABSTRACT

Space provides unique opportunities to test gravitation. By using an interplanetary spacecraft as a test mass, it is possible to test General Relativity at the Solar System distance scale. This requires to compute accurately the trajectory of the spacecraft, a process which relies on radio tracking and is limited by the uncertainty on the spacecraft non-gravitational acceleration. The Gravity Advanced Package (GAP) is designed to measure the non-gravitational acceleration without bias. It is composed of an electrostatic accelerometer supplemented by a rotating stage. This article presents the instrument and its performances, and describes the method to make unbiased measurements. Finally, it addresses briefly the improvement brought by the instrument as far as orbit reconstruction is concerned.

研究の動機と目的

• 太陽系スケールでの一般相対性理論の検証を目的とした、宇宙探査機の非重力的加速度を絶対的かつバイアスなしで測定し、高精度な軌道決定を実現すること。
• 太陽放射圧や熱的反動力などの非重力的力のモデル化における不確実性が引き起こす現在の軌道再構築の限界を是正すること。
• 欧州宇宙機関（ESA）が将来の基礎物理学ミッションのために推奨するレベルの10 pm·s⁻²の非重力的加速度測定精度を達成すること。
• 変動する非重力的加速度を直接測定することで、軌道フィッティングにおける相関パラメータと自由パラメータを低減すること。
• 太陽系距離スケールでの一般相対性理論の未来の検証を、深宇宙探査機を用いて実現すること。

提案手法

• GAPは、宇宙船に作用する外部力（非重力的加速度を含む）を測定するため、三軸静電式加速度計（MicroSTAR）を採用する。
• 圧電アクチュエータを備えた回転ステージが、加速度計のx軸まわりに回転させ、時間的に変化する信号を生成することで、バイアスと真の加速度を区別する。
• 変調関数の積分が、周期τの間でcos(θ(t))と乗じた結果が定数項、一次項、二次項に対してゼロとなるように変調信号を設計し、完全なバイアス除去を保証する。
• マスク時間（T_M）と変調周期（τ）の比に基づいて回転プロファイルを最適化し、T_M = 200 s、τ = 600 sの条件がノイズ性能を最適化することを示している。
• 変調されたデータの後処理により、各変調サイクルにおけるバイアスなし平均加速度が回復され、ノイズ特性はアラン分散およびパワースペクトル密度を用いて分析される。
• 信号とバイアスを短時間の間隔で時間のアフィン関数として扱い、ドリフト効果を解析的にキャンセル可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙空間における静電式加速度計を用いて、宇宙船の絶対的非重力的加速度をバイアスなしで測定する方法は何か？
• RQ2 加速度計測定における機器的ドリフトとバイアスを完全に排除するための、どの変調プロファイルと回転戦略が必要か？
• RQ3 GAPは、非重力的加速度を直接測定することによって、軌道再構築の精度をどの程度向上させるか？
• RQ4 GAPのノイズ性能は、太陽放射圧や熱的反動力の自然な変動と比較してどの程度優れているか？
• RQ5 GAPは、将来の宇宙における基礎物理学ミッションに求められる10 pm·s⁻²の精度水準に達成できるか？

主な発見

• 600 sの変調周期と200 sのマスク時間で、GAPはバイアスなし加速度測定において4.2 × 10⁻¹² m·s⁻²の精度を達成する。
• 3時間の積分時間で、平均非重力的加速度の不確実性は1 pm·s⁻²にまで低減され、宇宙ベースの重力実験に求められる10 pm·s⁻²の目標を満たす。
• バイアスなし測定のノイズは、関心領域の周波数範囲でほぼ白色でスペクトル的に平坦であるため、色のついたノイズの汚染が最小限である。
• GAPの測定ノイズのパワースペクトル密度は、10 AUにおける0.1 m²·kg⁻¹のボールスティック係数を持つ太陽放射圧の変動よりも顕著に低く、従来測定できなかった加速度を検出可能にする。
• 非重力的加速度を直接測定することで、モデル化の必要性が低減され、軌道フィッティングにおける相関パラメータが除去され、軌道再構築の精度が向上する。
• この手法の解析的フレームワークにより、変調信号が変調周期内でのm(t)、cos(θ(t))、および時間依存項を満たす3つの積分条件を満たせば、完全なバイアス除去が保証される。