// 地上網と軌道上8 m鏡を、同じ電波望遠鏡にする · 1997-005A
はるか
HARUKA / HALCA (MUSES-B)
遠地点約21,000 kmの「はるか」は、地上の電波望遠鏡と同じ天体を同時に受け、地球直径の約3倍・30,000 km級の開口を合成した。天体信号だけでなく、軌道、原子時計の位相、地上局の記録時刻までをそろえて初めて像になる、世界初の本格的な宇宙VLBI観測所である。
01基本情報
長楕円軌道、大型展開鏡、双方向Ku-bandを一つの干渉計へ束ねた宇宙電波天文台。
| 打上げ | 1997-02-12 13:50 JST鹿児島宇宙空間観測所・内之浦 |
|---|---|
| 国際標識 | 1997-005A打上げ前名称 MUSES-B |
| 打上げ機 | M-Vロケット1号機 |
| 質量 | 約830 kg |
| 本体 | 1.5 × 1.5 × 1.0 m直方体bus |
| 主反射鏡 | 最大径10 m / 有効径8 mcable network + metal mesh |
| 軌道 | 近地点560 km / 遠地点約21,000 km |
|---|---|
| 傾斜角 | 31° |
| 周期 | 約6時間20分 |
| 受信帯 | 1.6 / 5 / 22 GHz科学観測は主に1.6・5 GHz |
| 科学data | 128 Mbps / 15 GHz Ku-band5 tracking stationsへreal-time送信 |
| 最終運用 | 2005-11-30運用期間8年9か月 |
02ミッション
「はるか」一機の受信dataは画像ではない。地上望遠鏡のdataと、同じ原子時計基準・高精度な復元軌道・同じ天体時刻で相関して初めて、地球より大きな望遠鏡の像になる。
高楕円軌道が基線を伸ばし、毎周回その向きを変える
地上VLBIの最大基線は地球の直径に制限される。「はるか」は近地点560 km・遠地点約21,000 km、傾斜角31°の軌道を6時間20分で回り、25台以上の地上電波望遠鏡との投影距離を変化させた。観測ごとに異なる空間周波数を埋め、最大約30,000 kmの合成開口でquasarや活動銀河核jetを撮像した。
8 m鏡は、打上げ後16日かけて望遠鏡になる
2月12日の初周回で太陽電池paddleとKu-band link antennaを展開し、14・16・21日の軌道制御で近地点を整えた。24日深夜から25日に副反射鏡を伸ばし、27〜28日にcable networkと金属meshの主反射鏡を有効径8 mへ展開した。主・副反射鏡が天体電波を2.5 m feed hornへ導き、三軸姿勢制御が大きな柔軟構造を天体へ向けた。
1.6 GHzと5 GHzが主力になった
受信系は1.60/1.73 GHz、4.7/5.0 GHz、22.0/22.3 GHzの三bandを計画した。22 GHz系は打上げ振動が原因とみられる大幅な感度低下を生じ、科学観測は1.6 GHzと5 GHzへ集中した。3月24日にW49NのOH maserを受信し、5月13日に宇宙―地上基線の最初のfringeを検出、7月から一般観測へ入った。
原子時計は地上に置き、位相を宇宙へ往復させる
link stationのhydrogen maser基準をKu-bandで衛星へ上げ、受信信号をsample・formatして128 Mbpsでreal-time downlinkした。機上に科学data recorderはなく、臼田、Green Bank、Goldstone、Canberra、Madridの5局がdataを磁気tapeへ記録した。地上望遠鏡のtape、復元軌道、tracking stationの時刻補正を三鷹など3相関局で合わせ、微弱な干渉縞を取り出した。
四つのreaction wheelのうち二つを失い、観測を終える
1999年に最初のreaction wheelが停止した後は三輪で観測を継続した。2003年1月に三軸制御を失い、7月に一度復帰したが、10月に再び姿勢を維持できなくなり、これが最後のVSOP観測となった。2005年11月30日の最終passではKu antenna gimbalを確認し、残存燃料をthrusterから放出してS-band送信機を停止した。
- 1997-02-12M-V-1で高楕円軌道へ20時31分の内之浦passまでに太陽電池paddleとKu-band antennaの展開を確認。
- 1997-02-14 / 16 / 21三回の軌道制御三軸制御を確立し、近地点を上げて観測軌道を整えた。
- 1997-02-24〜28副反射鏡・8 m主反射鏡を展開feed系を伸展し、二日にわたる主反射鏡展開を完了。
- 1997-05-13最初のspace fringeHALCA―臼田baselineの相関から干渉縞を検出。
- 1997-07General Observing Time開始世界の地上望遠鏡・tracking局・相関局を結ぶVSOP観測へ。
- 2003-10最後のVSOP観測二つのreaction wheel停止により三軸姿勢を維持できなくなった。
- 2005-11-30最終運用残存燃料を放出し、打上げから3,213日後に送信を終了。
03エピソード
宇宙VLBIでは、アンテナを開くだけでも、電波を受けるだけでも足りない。軌道と時計まで観測装置になる。
六本の4.8 mマストを、10 mmずつ確かめてから開く
1997年2月12日に打ち上げられたHALCAは、直径8 mの金属メッシュ主鏡を軌道上で初めて組み上げる必要があった。ISAS運用班は副鏡を本体から3.4 m上へ先に展開し、続いて六本のマストを二本ずつ約10 mm動かして各モーターを確認してから、全長4.8 m近くまで約10分かけて伸ばした。最後に各先端のtensionerを3 cm追加して鏡面を張る段階手順を選ぶ。その結果、2月28日に展開完了を確認し、柔らかな膜を一気に開く賭けではなく、停止して状態を読める工程として宇宙電波望遠鏡を成立させた。
最初の干渉縞は、予測軌道では見つからなかった
1997年5月7日、HALCA、臼田64 m、鹿島34 mはPKS 1519-273を1.6 GHzで同時観測した。しかし追跡局へ周波数を送る予測軌道の精度では、別々の時計で記録した波形を相関できない。ISASと国立天文台の班はrange・range-rateから復元軌道を作り、追跡局の時刻補正も加えて5月13日に探索を再開した。16 MHzの一帯域を200秒積分するとS/N 13の干渉縞が現れた。三月の不検出を装置故障と決めず、軌道と時刻を観測装置の一部として作り直した結果、地球外のアンテナをVLBI基線へ接続できた。
22 GHzの信号が一割でも、二つの帯域で望遠鏡を残す
1997年7月、地球を電波源にしたdrift scanから、22 GHz信号はfeedと低雑音増幅器の間を約10%しか通らず、実効system temperatureが約4,000 Kになると判明した。打上げ振動による感度低下が疑われ、高い周波数ほど得られるはずの角分解能を定常観測へ使えなくなった。そのためVSOP班は三帯域を均等に守ろうとせず、感度が成立する1.6 GHzと5 GHzへ観測時間、追跡局、相関処理を集中した。結果、22 GHzの未達を抱えながらも約30,000 kmの仮想開口で活動銀河核やmaserを観測する本来の科学を継続できた。
三輪必要な姿勢制御に二輪だけ残り、最後は燃料を空にする
HALCAの最後のVSOP観測は2003年10月だった。四基のreaction wheelのうち動作可能なのは二基とみられ、三軸安定に必要な三基目を失ったため、ISASは高精度な天体指向を再開できなかった。2005年11月30日02時28分UTの最終passでは、downlink antennaのgimbalを確認した後、thruster弁を開いて少量のhydrazineを使い切り、破裂の危険を減らした。最後にS-band送信機を停止し、打上げから3,213日の運用を終了した。通信できるうちに残留エネルギーを処理する判断までを、観測任務の終端として完結させた。
04軌道・観測
左は地球と同一縮尺で描いた6時間20分の長楕円軌道。右は別の観測幾何で、軌道上局と地上局が同じ天体波面を受け、変化するbaselineを合成する。
- 01長楕円軌道へ投入M-V-1がMUSES-Bを投入し、初の受信後に「はるか」と命名。
- 02初周回の展開太陽電池paddleと双方向Ku-band antennaを開き、電力・linkを確立。
- 03三回の軌道制御2月14・16・21日に近地点を調整し、6時間20分の観測軌道へ。
- 048 m望遠鏡を構成副反射鏡、続いてcable-mesh主反射鏡を展開。
- 05space VLBI観測地上望遠鏡と同時受信し、変化するbaselineから30,000 km級開口を合成。
- 06観測停止・最終pass2003年に三軸制御を失い、2005年に燃料放出と送信停止を実施。
05搭載機器
反射鏡、三つの受信band、位相link、高速伝送は一つのVLBI局として働く。地上望遠鏡は別の観測局で、dataは相関器で初めて結合される。
Large Deployable Reflector
最大径10 m・有効径8 m。cable networkと金属meshの主反射鏡、sub-reflector、2.5 m feed hornで天体電波を集める。
1.60 / 1.73 GHz Receiver
OH maser、pulsar、活動銀河核を観測した主力の18 cm帯低雑音受信系。
4.7 / 5.0 GHz Receiver
6 cm帯でquasarとAGN jetを高い角分解能で撮像する主力受信系。
22.0 / 22.3 GHz Receiver
計画された最高周波数band。打上げ後に感度低下が判明し、定常科学観測の中心から外れた。
Two-way Ku-band Reference
tracking stationのhydrogen maser基準をuplinkし、往復位相を測って宇宙局のclockを地上へ結ぶ。
128 Mbps Science Downlink
32 MHz幅のsampled signalを15 GHz帯でreal-time送信。5 link局が磁気tapeへ記録した。
06設計
有効径8 mの受信光路、三band受信、地上原子時計の位相uplink、128 Mbps downlink、復元軌道と地上望遠鏡dataが相関器で合流するまでを、実際の分岐関係で示す。
鏡は受信機を直列化せず、三bandへ分ける
主反射鏡と副反射鏡、2.5 m feed hornまでは共通光路だが、1.6、5、22 GHzのreceiverは周波数ごとの独立branchである。1.6・5 GHzの信号をsamplerへ選択入力し、128 Mbps streamへformatした。22 GHz branchの感度低下は他bandの光路や伝送を止めなかった。
VLBIのclockとrecordingは地上系にある
hydrogen maserの位相基準はlink stationから衛星へuplinkされ、往復linkが位相transfer誤差を測った。science streamは機上保存せず、可視中のtracking stationへreal-time送信してtapeへ記録した。地上望遠鏡は同じ天体を独立に記録し、相関器でHALCA tape、地上tape、復元軌道、時刻補正を合わせた。
reaction wheelとRCSは異なる仕事を受け持つ
四つのreaction wheelは大型鏡を天体へ向ける連続三軸制御を担い、RCS thrusterは初期軌道制御やsafe-hold、最終燃料処分に使われた。wheel二台停止後も通信とthrusterは生きていたが、VLBIが要求する三軸指向を作れず、科学観測は終了した。
07写真・図版
実機と観測成果を、出典・ライセンスとともに確認する。
08関連文献
軌道・展開・受信band・位相link・姿勢喪失まで追えるISAS/JAXAとNASAの一次資料。
- HALCA — Spacecraft
- VLBI Space Observatory Programme
- The HALCA (MUSES-B) Satellite
- Navigation of the Space VLBI Mission HALCA
- 「はるか」の運用状況