[論文レビュー] Space Debris detection and tracking with the techniques of cosmic ray physics

H. Miyamoto, Matteo Battisti+46 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2019

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 8被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、宇宙線検出技術、特に宇宙空間に設置された蛍光望遠鏡（Mini-EUSO）を用いて、人工衛星の反射光を観測することで、宇宙ごみ（SD）の検出および追跡を行う手法を提案している。シミュレーションおよび実世界の試験により、ロケット体の検出が確認され、反射率約0.5、100 kmまでの距離で数cmサイズの宇宙ごみを検出可能なことが実証された。年間約45件のSD検出が予想される。

ABSTRACT

Space Debris (SD) consist of non-operational artificial objects orbiting around the Earth, which could possibly damage space vehicles, such as the International Space Station (ISS) or other manned spacecrafts. The vast majority of such objects are cm-sized, not catalogued and usually the tracking data are not precise enough. Here we present the feasibility study of SD detection and tracking with techniques usually employed in cosmic-ray physics. For this purpose, we have evaluated the possibility of using Mini-EUSO, a space-borne fluorescence telescope to be deployed on the ISS, to track SD illuminated by the Sun. By means of ESAF (EUSO Simulation and analysis Framework) simulation and by developing the trigger algorithms, we estimated the minimum size and maximum distances of detectable SD. We then studied the number of possible SD detections using an ESA software called MASTER (Meteoroid and SD Terrestrial Environment Reference). With the Mini-EUSO Engineering Model (Mini-EUSO EM), we performed some measurements to estimate the reflectance of the most common SD materials and to demonstrate the ability of Mini-EUSO to detect SD events. We also performed some tests in open-sky conditions, identifying and tracking fast-moving objects. In particular, the detection of a rocket body allowed us to confirm the simulation outcomes predictions and the expected performance of the detector.

研究の動機と目的

• 宇宙線物理学の手法を用いて宇宙ごみ（SD）の検出および追跡の可能性を評価すること。
• Mini-EUSOに類似した望遠鏡が、日の出・日の入り時に太陽光で照らされたSDを検出する性能を評価すること。
• 実験室および屋外での反射率測定結果を用いて、シミュレーション結果の妥当性を検証すること。
• 高速で移動するSD物体をリアルタイムで検出するためのトリガーアルゴリズムの開発およびテスト。
• ESA-FおよびMASTERシミュレーションを用いて、宇宙ごみの年間検出率を推定し、追跡精度を評価すること。

提案手法

• SDの反射光の伝播、検出器応答、再構成をシミュレートするために、ESAF（EUSO Simulation and Analysis Framework）を用いた。
• 25の仮想エレメントセル（EC）をフォトディテクターモジュール（PDM）上で走査するトリガーアルゴリズムを設計し、背景より3σ以上のピクセル過剰を示す連続5回分のL3_GTU（40.96 ms）を検出する。
• Mini-EUSOエンジニアリングモデル（EM）を用いて、一般的なSD材料の反射率を測定した。平均反射率は約0.5、磨かれたアルミニウムは0.92であった。
• ピノ・トリンエーゼ観測所で屋外観測を実施し、高速で移動する物体（ロケット体を含む）を検出した。
• 検出された物体のパラメータ（サイズ、距離、明るさ）をスケーリングし、さまざまな反射率および距離条件におけるSD検出性能を推定した。
• ESAFシミュレーションとMASTERソフトウェアを統合し、年間検出率の推定および追跡予測の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mini-EUSOに類似した望遠鏡は、表面から反射する太陽光を観測することで、宇宙ごみを検出可能か？
• RQ2 この手法を用いた場合、宇宙ごみの最小検出サイズおよび最大検出距離は何か？
• RQ3 リアルタイムで高速で移動する微光の宇宙ごみの軌跡を特定するためのトリガーアルゴリズムの正確性はどの程度か？
• RQ4 実験室で測定したSD材料の反射率は、シミュレーションの仮定とどの程度一致するか？
• RQ5 この手法を用いた場合、宇宙ごみの年間検出率はどの程度と予想されるか？

主な発見

• Mini-EUSO EMは、屋外観測においてロケット体を正常に検出でき、検出手法の実現可能性が裏付けられた。
• 検出されたロケット体（530 km軌道上、2.8 m × 2.6 m）は、望遠鏡から100 kmの距離に位置する半径5.6 cmの物体、または50 kmの距離に位置する半径2.8 cmの物体に相当し、シミュレーションの予測と一致した。
• 反射率測定では、電子回路基板で0.17から磨かれたアルミニウムで0.92までの値が得られ、シミュレーションで使用した平均値約0.5と一致しており、検出結果とも整合的であった。
• ESAFフレームワークおよびトリガーアルゴリズムを用いたシミュレーションでは、反射率0.5の宇宙ごみを年間約45件検出可能と予測された。
• 反射率が0.1であっても検出性能は妥当に保たれるが、観測データとより一貫性があるのは高い反射率の条件である。
• トリガーアルゴリズムはロケット体を正常に特定および追跡でき、リアルタイムでの宇宙ごみ検出および追跡の可能性が検証された。