[論文レビュー] Optical technologies for the observation of low Earth orbit objects

D. Hampf, Paul Wagner+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2015

Space Satellite Systems and Control参考文献 8被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、ドイツ航空宇宙センターのシュツットガルト観測所で開発された光学システムについて述べており、受動的光学追跡とレーザー距離測定を組み合わせることで、低地球軌道（LEO）のデブリを高精度で三次元追跡可能にする。二か所の観測所によるパララックス法または単一観測所のレーザー距離測定を用い、1.4アーセコンドの追跡精度を達成し、直接的な距離測定を可能にすることで、衝突回避のための軌道要素の決定精度が著しく向上する。

ABSTRACT

In order to avoid collisions with space debris, the near Earth orbit must be continuously scanned by either ground- or spaced-based facilities. For the low Earth orbit, radar telescopes are the workhorse for this task, especially due to their continuous availability. However, optical observation methods can deliver complementary information, especially towards high accuracy measurements. Passive-optical observations are inexpensive and can yield very precise information about the apparent position of the object in the sky via comparison with background stars. However, the object's distance from the observer is not readily accessible, which constitutes a major drawback of this approach for the precise calculation of the orbital elements. Two experimental methods have been devised to overcome this problem: Using two observatories a few kilometres apart, strictly simultaneous observations of the same object yield an accurate, instantaneous 3D position determination through measurement of the parallax. If only one observatory is available, a pulsed laser can be used in addition to the passive-optical channel to measure the distance to the object, in a similar fashion as used by the satellite laser ranging community. However, compared to conventional laser ranging, a stronger laser and more elaborate tracking algorithms are necessary. The two approaches can also be combined by illuminating the object with a pulsed laser from one observatory and measuring the return times at both observatories. These techniques are explored by German Aerospace Center in Stuttgart using its orbital debris research observatory, in cooperation with the Satellite Laser Ranging station in Graz and the Geodetic Observatory in Wettzell. This contribution will present some of the results and plans for further measurement campaigns.

研究の動機と目的

• 受動的および能動的光学手法を用いて、低地球軌道（LEO）の宇宙デブリの高精度な光学追跡を開発・実証すること。
• 受動的光学観測の限界（直接的な距離測定の欠如）を解消するために、レーザー距離測定技術を統合すること。
• 複数の地上局を用いたバイステージックレーザー距離測定により、正確な三次元軌道決定を可能にすること。
• 既存のSLR局と連携し、低コストで高精度な光学システムの宇宙デブリ監視における実用性と性能を評価すること。
• 軌道要素の更新精度とタイムリーさを向上させることで、コンジャクション解析および衝突回避を支援すること。

提案手法

• 高速かつ高精度なLEOオブジェクト追跡を実現するため、43 cmの開口部とダイレクトドライブ式赤道儀を備えたPlanewave CDK 17望遠鏡を用いる。
• 2.5×10⁻⁵ sから3600 sまでの統合時間を持つ、高感度の複数のカメラ（Andor Zyla sCMOS、FLI ProLine、Andor iXon Ultra）を用いる。
• 背景の星を基準にした正確な天体測定により、オブジェクトの2次元の見かけ上の位置を測定することで、受動的光学追跡を実施する。
• 1064 nmのパルスレーザー距離測定システムを導入し、100 mJのパルスエネルギー、単一光子検出器、および1ナノ秒未満の時間分解能（PicoHarp 300およびWhite Rabbit FMC-DEL）を用いて、正確な往復時間測定を実現する。
• 1つの局（例：Wettzell）を送信局とし、2つの他の局（シュツットガルトおよびグラーツ）を受信局とするバイステージックレーザー距離測定を実施することで、基準基準の幾何学的配置と測定精度を向上させる。
• 1.4アーセコンド（σ）のテストで2アーセコンドの追跡精度を達成する閉ループ制御システムを採用し、高速移動するLEOオブジェクトに対してレーザービームの整合を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高分解能カメラと正確な指向性を備えたシステムを用いることで、受動的光学追跡がLEOデブリオブジェクトに対して1アーセコンド未満の天体測定精度を達成できるか。
• RQ2 100 mJのパルスエネルギーを有するレーザー距離測定が、協力的でないLEOオブジェクトに対し、直接的な距離測定をどの程度可能にするか。
• RQ3 複数の地上局を用いたバイステージックレーザー距離測定は、単一観測所や受動的測定法と比較して、三次元軌道決定の精度と信頼性をどの程度向上させるか。
• RQ4 低コストでファイバー結合されたレーザー送信機システムが、長時間にわたる観測においても安定した高精度な追跡および距離測定を維持できるか。
• RQ5 単一光子検出器と1ナノ秒未満の時間分解能システムの統合が、宇宙デブリのレーザー距離測定における信号対雑音比と測定精度をどの程度向上させるか。

主な発見

• 2014年3月12日、観測所はQuikSCATオブジェクトに対して1.4アーセコンド（σ）の追跡精度を達成し、ほぼ回折限界性能を示した。
• Andor Zyla sCMOSカメラを用いた受動的光学観測により、高精度な2次元天体測定が可能になり、LEOオブジェクトの正確な角度位置測定が実現した。
• 1064 nmの100 mJパルスレーザーを用いた距離測定実験により、協力的および大型の非協力的オブジェクトに対する直接的距離測定の実現可能性が確認された。
• 低暗電流率と高い量子効率を有する単一光子検出器を用いることで、1%未満のデューティーサイクルで微弱な戻り信号を検出可能となった。
• PicoHarp 300およびWhite Rabbit FMC-DELカードを用いた1ナノ秒未満の時間分解能により、正確な往復時間測定が可能となり、高精度な距離測定に不可欠な要因となった。
• グラーツおよびWettzellのSLR局と連携した共同実験により、バイステージックレーザー距離測定が成功した。軌道要素の精度向上により、より正確な軌道予測が可能になる可能性がある。