宇宙スタートアップからのニーズが高まる地上システムとは〜作るだけじゃない。宇宙開発ビジネス動向(前編)

INTERVIEW

宇宙システム開発株式会社
代表取締役
広崎 朋史

宇宙スタートアップは、小型の人工衛星を目標の軌道上まで打ち上げて運用し、サービスを提供するというビジネスモデルです。一方で、彼らのビジネス提供には人工衛星の安定運用を実現するため地上システムが必要です。地上システムとは、大きく、利用・研究システム、ミッション運用システム、追跡管制システムに分かれており、人工衛星の軌道投入までの計画作成、過去や未来の軌道などの計算、人工衛星の観測計画の立案、観測機会検索の最適化などを行うものです。今回は、宇宙開発ビジネス動向に注目し、2回にわたって地上システムや有人宇宙技術開発を行う宇宙システム開発株式会社へお話を伺いしました。前編では、地上システムの概要や地上システムのサービス提供を行う会社設立の背景についてご紹介します。

宇宙スタートアップに地上システムが求められる理由

現在、宇宙開発では、小型ロケット・小型衛星のための多くの宇宙スタートアップが起業しています。しかし、人工衛星を軌道に乗せ、安全に運用するには、打ち上げ技術だけでなく、軌道計算を行うなどの地上システムが必須で、地上システムの運用やソフトウエア開発などに対するニーズが高まっています。これまでJAXAが打ち上げるような大型ロケットや大型の人工衛星の地上システムは、重工や電機メーカーなどの大手が担ってきましたが、小型ロケットや小型の人工衛星では予算的な問題でこれら大手に発注しにくいという問題がありました。

2005年に設立された宇宙システム開発株式会社(東京都中央区)は、人工衛星のための地上システムなどのソフトウエア開発と有人宇宙技術開発などを行っており、その技術的なポテンシャルやコスト面から、宇宙デブリ除去、衛星データ利用、通信などのための小型人工衛星の開発・運用などを行う宇宙開発ベンチャーからの受注が増えていると言います。

宇宙開発における地上システムという耳慣れないビジネス、そして夢とロマンの象徴のような有人宇宙開発というユニークな事業を行う宇宙システム開発。いったいなにをやっている企業なのか、同社代表取締役の広崎朋史(ひろさき・ともふみ)氏にお話をうかがいました。


宇宙システム開発株式会社 代表取締役 広崎朋史(ひろさき・ともふみ)
山口県出身。日本大学大学院理工学研究科修了。1991年、富士通株式会社、2005年、宇宙システム開発株式会社代表取締役。特定非営利活動法人有人ロケット研究会理事長。
宇宙システム開発株式会社 代表取締役 広崎朋史(ひろさき・ともふみ)
山口県出身。日本大学大学院理工学研究科修了。1991年、富士通株式会社、2005年、宇宙システム開発株式会社代表取締役。特定非営利活動法人有人ロケット研究会理事長。



──── 御社のビジネスで地上システムの内容は、全体としてどのようなものになるのでしょうか。

広崎氏(以下同):
人工衛星のための地上システムの提供とソフトウエアなどの開発です。地上システムは大きく、利用・研究システム、ミッション運用システム、追跡管制システムに分かれます。

利用・研究システムは人工衛星が運用を開始して地球観測や通信などのサービスを始めてから、ユーザーや研究者へデータなどを提供する窓口やデータの保存・管理などの実務作業が必要です。そうしたシステムを弊社でも提供しています。

ミッション運用システムというのは、人工衛星などの機器をどのように運用するのかの計画立案、機器から得られるデータを利用しやすい形式に変換処理することなどを指し、そのためのソフトウエア開発を含みます。

そして追跡管制システムは、人工衛星を地上からコントロールするためのシステムです。これは主に、人工衛星を動かすための運用計画立案、コマンドを送ることによる人工衛星の制御、人工衛星が正しく機能し、作動しているのかを確認するテレメトリ解析となります。


──── 単に人工衛星が軌道へ投入されるまでの計算などをするだけではないのですね。

そうです。宇宙スタートアップでは、小型の人工衛星を目標の軌道上まで打ち上げて運用し、サービスを提供するというビジネスモデルになっていますが、人工衛星が宇宙へ打ち上げられ、宇宙空間へ射出されてから目標の軌道へ投入し、維持されなければなりません。この過程での具体的な弊社のサポートとして、人工衛星の軌道投入までの計画作成、過去や未来の軌道などの計算、人工衛星の観測計画の立案、観測機会検索の最適化などを行っています。


地上局の立案自動化画面。人工衛星の地上システムを自動化する研究開発も行っている(提供:宇宙システム開発株式会社)
地上局の立案自動化画面。人工衛星の地上システムを自動化する研究開発も行っている(提供:宇宙システム開発株式会社)


地上システムは人工衛星の姿勢制御や軌道計算を行う

──── 地上システムでは、人工衛星が軌道上で機能を働き続ける間はずっとサポートするわけですか。

そういうケースもありますが、弊社が人工衛星の姿勢制御や軌道保持などのシステムを構築してしまえば、システム自体をお客様が運用される場合がほとんどです。追加の人工衛星に対応させたり、既存の人工衛星の運用方法を変えたりする場合はお客様のニーズに対応してカスタマイズすることになります。


──── 人工衛星を目標の軌道へ投入するまでにはどのような過程を経ているのでしょうか。

軌道へ投入されてからは、軌道を保持したり過去の軌道と未来の軌道を予測することになります。まず、基準軌道という人工衛星が地球を観測しやすい軌道があります。センサーごとに応じた軌道高度や軌道面という基準軌道が決まってきますので、お客様の人工衛星が搭載しているセンサーでデータを収集できる軌道を周回させたいというご希望に沿った軌道を計画し、投入させなければなりません。


──── こうした軌道計算はコンピューターがやってくれるのでしょうか。

今ではコンピューターのソフトウエアがやっています。昔は手計算に負うところもあったようですが、もう不可能に近い計算量、複雑さになっています。弊社では、一般的なPCのスペックで計算実行が可能な地球周回衛星イベント・シミュレーターSES(Satellite Event Simulator)と命名したパッケージソフトを独自開発し、使っています。


──── SESの機能にはどんなものがあるのでしょうか。

軌道決定、軌道予測、イベント予測、観測計算などの機能があります。軌道決定という機能は、人工衛星の過去の軌道について、いつ、どこを飛行していたのかの軌道を決めます。軌道決定は、GPS受信機から得られたデータを用いて算出します。


──── お客様は軌道計算をどのような目的で希望されるんでしょうか。

いろいろなケースがありますが、主に試験用の軌道、検証用の軌道、実運用の軌道など、さまざまなデータを求められています。例えば、人工衛星との通信で周波数を調整するため、ほかの人工衛星との電波干渉が起きる時間を算出してリスト化したいとか、日本全域をカバーする観測機会をリスト化したいといったご要望があります。



軌道予測を行う仕組み〜それぞれの人工衛星毎にRSPによる軌道計算を行う

──── 軌道予測というのはなんでしょうか。

地球観測衛星を例にとると、計画立案座標系の軌道を示すRSP(Reference System for Planning)というものがあり、目標とする基準軌道に乗っているとすれば、RSPという基準座標系を計算して出せば数年先までどんな軌道を取るのか、ある程度わかるようになります。

地球観測衛星は同じ場所を同じ条件(太陽の角度など)でデータを取得したいという目的がありますが、例えば20日間で地球の全周を観測したい軌道があるとすれば、最初の20日間のデータを取得して次の20日間もまったく同じ条件でデータを取得できなければなりません。そうした将来の軌道や条件を決めるのがRSPなのです。


──── RSPというのは、人工衛星によって異なるというわけでしょうか。

そうです。それぞれの人工衛星が取得したいデータ、センサーの種類などによっていろいろなRSPが計算によって得られます。


──── RSPを使えば、将来的な人工衛星の軌道が予測できるというわけですか。

そうですが、地球の大気の抵抗、重力場の影響、潮汐力などによって次第に軌道がズレたり、高度が落ちてきたりすることによって、同じような軌道を周回できなくなっていきます。こうして基準軌道からズレていくと、その人工衛星の目的の観測ができなくなってしまいますから、小型のロケットエンジンであるスラスタを噴かして基準軌道に戻す操作を行います。この操作を計画することで、基準軌道に戻して何時何分に目的の場所のデータを取得できるようになります。


──── 御社はこうしたRSPなどによる軌道計算をしているというわけですね。

はい、弊社はこのような計画立案の分野も得意としています。お客様によって、地球観測で複数の目的をおもちの場合があります。ここを観測したいし、ここも観測したいとなった場合、どちらを優先すべきかなど、観測したデータを地上へ下ろすためには地上のアンテナが受信できる軌道上の位置まで移動する必要がありますが、この通信ディレイの影響をなるべく少なくするためにはどういう軌道にすればいいのかという複雑な計算が計画立案です。


──── 軌道計算の計算式にはどういったものがあるのでしょうか。

軌道をどう表現するかで座標系は変わりますが、軌道の形を示しているのがケプラー軌道要素になります。これが基準軌道を計算する際の基本となります。


人工衛星の地上システムにおけるアンテナ制御画面(提供:宇宙システム開発株式会社)
人工衛星の地上システムにおけるアンテナ制御画面(提供:宇宙システム開発株式会社)


──── 軌道計算のためには、あらかじめどのような、どれくらいの情報をコンピューターにインプットしなければならないのでしょうか。

弊社のSESの機能に特別摂動法による軌道伝搬というものがあり、その中で軌道の乱れに影響する項目として、先程述べた大気の抵抗があり、これは簡易モデル、太陽活動と地磁気撹乱を考慮したモデルを選択できます。

さらに、重力場の偏り、月や太陽系の他の惑星、冥王星の重力、太陽の輻射圧、地球放射、地球反射、アインシュタインの相対理論による補正などがあります。人工衛星の軌道を乱す影響のことを摂動と言いますが、こうした補正項目を取り込むことでより計算の精度を向上させられ、どのくらいの精度を求めるかで、どこまでの摂動補正項を考慮するかが決まります。


──── この大気の抵抗というのは、人工衛星の形状にも影響されるのでしょうか。

そうですね。人工衛星の形状のほか、基本的には人工衛星の重心で計算するのですが、GPSを受信するGPSRという装置があって、その装置が人工衛星のどこに位置するのかも考慮しなければならないケースもあります。


──── 太陽系の他の惑星からの重力の影響というのは、冥王星まで考えればいいのでしょうか。

厳密さを求めるなら、太陽系外の恒星や惑星の重力も考慮しなければならないのでしょうけれど、計算を早くまわすためには冥王星くらいからの影響でほぼ大丈夫だと思います。ただ、先程のGPS装置による重心移動などのように、まだまだ必要な項目を追加していかなければならなくなると思っています。


──── SESのイベント予測という機能はどんなものですか。

予測された軌道の結果を使って、人工衛星と地上局、太陽、月などの位置関係を幾何的に解析することにより、軌道上でいつ何が起きるのかというイベントを予測する機能になります。例えば、人工衛星が地球の水平線上にあって通信可能な期間であるAOS(Acquisition of Signal)からLOS(Loss of Signal)、人工衛星の日照と日陰などの予測です。


──── 観測計算という機能はどんなものですか。

地球観測衛星で、人工衛星の軌道から地球上のどこを観測できるのか、いつ観測できるのかといった観測領域や観測機会の予測をする機能です。例えば、人工衛星が地球を観測できる機会には、早く観測したい、観測時間を短くしたいといったご要望がありますが、こうした期間や時間を最適化する場合に使います。


──── こうした観測計算は難しいのでしょうか。

そうですね。お客様がご希望の観測領域に対し、観測可能なすべての観測機会の検索結果が重複して出力されるわけですが、こうしたデータから効率的な観測を計画するには従来、人工衛星の運用に関して経験豊富な人材が選んでいました。この作業自体、かなり難しいのですが、それを実行できる人材もなかなかいません。

弊社では、最適化アルゴリズムを開発し、お客様がご希望の領域に対して最適化され、効率的な観測機会を検索することが可能です。また、最近のトレンドである複数の人工衛星によるコンステレーションなどに対応した抽出ができます。


観測機会検索結果を地図表示したもの。地球観測衛星の観測パターン生成で使われる(提供:宇宙システム開発株式会社)
観測機会検索結果を地図表示したもの。地球観測衛星の観測パターン生成で使われる(提供:宇宙システム開発株式会社)


地上システムのサービス提供を行う会社設立の背景と会社の強み

──── これまで御社はいくつくらいの人工衛星に関係してきたのでしょうか。また、こうしたサービスで御社の強みというのはどこにありますか。

10衛星以上です。日本には地上システムやアンテナの受信サービスを行っている企業はいくつかありますが、計画立案や軌道計算までやっている企業は弊社を含めて数社くらいしかないのではないかと思います。弊社以外は大手さんなので、弊社としてはコスト的な強み、つまり同じコストをかけるなら弊社のほうが確実に良いものを作ることができると自負しています。


──── 御社の設立はどのようなきっかけだったのでしょうか。

私と専務の二人で創業したのですが、それまでは大手企業で人工衛星の計画立案などの仕事をやっていました。ただ、自分の夢として月面や火星での基地建設など、有人宇宙の仕事をやりたかったという動機があったんです。

もちろん、今でこそ、有人の宇宙ビジネスが現実味を帯びてきましたが、まずは自分がそれまでやってきた人工衛星の地上システムで起業して足場を作り、その仕事をやりつつ、少しずつ有人宇宙の仕事も進めていこうと考えて弊社を立ち上げました。とはいえ、昨今の小型衛星ビジネスの機運の高まりとともに、おかげさまで地上システムの仕事のほうも活況を呈しています。


──── 創業されてから、大手企業にいらっしゃったときと違ってご苦労されたことはありますか。

会社勤めをしていた頃は人工衛星の計画立案でかなり経験や知見を積んできていましたから、計画立案の仕事には自信を持っていて、だからこそ起業したのですが、軌道計算のほうはそれなりにかじっている程度でしたから、創業当時は軌道計算の部分がネックになって苦労したことがありました。

ただ、その後、軌道計算に習熟した社員も入ってきていますので、現在の弊社ができる仕事として計画立案と軌道計算の2つの軸をもつことができています。その後、地上システム全般にも徐々に手を広げていき、人工衛星の打ち上げに関する仕事をほぼまかなえる事業内容になっています。


──── 人工衛星を打ち上げる際には、計画立案と軌道計算があればいいのでしょうか。

弊社としては計画立案と軌道計算が中心的な仕事になりますが、もちろんそのほかにも、人工衛星を制御する衛星管制という分野、観測したデータを処理して画像にしたり分析しやすく整理する画像処理、お客様からのご要望をとりまとめる仕事などいろいろあります。


──── ご自身はあまり軌道計算にはそれほど詳しくなかったとおっしゃっていましたが、軌道計算のほうが計画立案より難しいのでしょうか。

軌道計算は数学的難しさがありますがやることが明確で、それぞれの軌道計算には汎用性があって応用の効く引き出しのようなものがあり、その引き出しのことをライブラリといいますが、これは軌道計算のための一種の単体プログラムです。ライブラリを作っておけば、どんな人工衛星でも当てはめることができるのです。一方、計画立案のほうはまさにオーダーメイドで、お客様ごとにそれぞれ違った計画立案が必要になりますが、こちらもある程度、基盤を構築して対応しています。


──── では、軌道計算のプログラムがあれば、それをいろいろな人工衛星に応用できるということですか。

単に軌道解析するだけならそれでいいのですが、数年通用するような人工衛星の運用システムの軌道計算を作ろうとすると、軌道力学システムというものが必要です。それを作ろうとすると、多種多様な微調整が必要になるので、プログラムやライブラリだけあれば足りるものではでありません。つまり、軌道計算を運用できるシステムにするためには、必要最低限のプログラムだけでは難しいのです。

もちろん、複数の人工衛星を協調して運用させるコンステレーションというように、例えば同じお客様で一度に3機打ち上げるような場合は軌道の種類ごとの軌道計算だけですむかもしれませんが、基本的には一つひとつの人工衛星にはそれぞれ異なった計画立案が必要ですし、軌道計算も運用システムにするためには複数の人工衛星に対応するために新たに組み直さなければならないのです。




人工衛星に必須の技術、地上システムで実績を重ねてきた同社ですが、広崎氏の経験や知見が生かされた事業内容が経営の根幹にあるようです。しかし、広崎氏は有人宇宙開発のほうにより興味があると言います。後編では有人宇宙開発で注目される閉鎖型生態系による生命維持システムについてお話をうかがいます。

文・写真/石田雅彦

 

 

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