宇宙探査機はどうすればより鮮明に見えるようになるのでしょうか?

現在、天問1号は地球から約1億8400万キロ、火星から約90万キロ離れている。その前に、探査機は火星から約220万キロの距離に到達した際に、我が国初となる火星のクローズアップ写真を送信しました（図1）。写真では、アキダリア平原、クリセ平原、メリディアニ平原、スキアパレッリクレーター、マリネリス峡谷など、火星を象徴する地形がはっきりと見えます。しかし、専門家でない人にとっては、見ることができる情報はまだ少なすぎます。では、宇宙船、衛星、その他の検出器は、平原、山、高原などをより鮮明に見るにはどうすればよいのでしょうか。

図1 天問1号が撮影した火星

探査機が調査対象の惑星上のターゲットをはっきりと見るためには、衛星、宇宙船、その他の探査機に搭載されたカメラのいくつかの主要な指標を理解する必要があります。これらの指標は、スペクトル解像度、空間解像度、および時間解像度です。

スペクトル分解能は、簡単に言えば「色」を区別する能力として理解できます。白色光だけでも、一連の異なる色（波長）の光から構成されており（図 2）、人間が認識できるのは可視光だけです。可視光線を超えるスペクトルは機器によってのみ検出できます。スペクトル解像度とは、画像内のオブジェクトのスペクトルの詳細を区別する能力を指します。衛星センサーが物体の放射スペクトルを受信する際に識別できる最小の波長間隔です。間隔が狭くなると、スペクトル解像度もそれに応じて高くなります。同じスペクトル範囲では、画像バンドの数が多いほど、スペクトル解像度が高くなります。たとえば、ハイパースペクトル画像は、マルチスペクトル画像よりもスペクトル解像度が高くなります。高いスペクトル解像度は、画像オブジェクトの分類と識別にとって非常に重要です。高いスペクトル解像度には、空間解像度が低いという欠点もあります。今回、天問1号が撮影した画像は白黒写真のみで、可視光帯域の混合画像となっている。単一バンドなので、画像上ではグレースケール画像として表示されます。パンクロマティックリモートセンシング画像は、一般に空間解像度が高いですが、物体の色を表示できず、つまり画像にスペクトル情報がほとんどありません（図3）。では空間解像度とは何でしょうか?

図2 光の分散：白色光は実際には一連の異なる色の光から構成されている

図3 スペクトル分解能（左）と空間分解能（右）の模式図

空間分解能とは、一般的に、地上の最小の物体を検知する検出器の能力のことです。理論的には、リモートセンシング画像の空間的な詳細情報を区別する能力です。センサーが識別できる最小の対象物を指し、実際の衛星観測画像におけるピクセルに対応する地上範囲です。例えば、我が国の高分2号衛星の解像度は0.8mパンクロマティック/3.2mマルチスペクトルに達し、我が国の宇宙ベースの地球観測能力はサブメートル時代を迎えました。高分11号衛星の空間分解能はさらに0.1m[1]まで向上し、比較的高い空間分解能を達成した。高分11号衛星のパンクロマティック画像の空間解像度は0.1mであり、これは画像内の1ピクセルに対応する実際の地面のサイズが0.1m×0.1mであることを意味します。高い空間解像度の画像は、対象物の識別と視覚的な解釈において重要な役割を果たします。

空間解像度の大きさに関係する要因は何ですか?一般的に言えば、物体に近づくほど、より鮮明に見えるようになります。これを検出器の軌道高 H と呼びます。これは、検出器上のカメラの絞りサイズ D にも関係します。 「目」が大きいほど、より鮮明に見えるようになります。これは各国の科学の発展レベルとも密接に関係しており、つまり検出器上のピクセルサイズ a と関係しています。このことから、次の式が得られます[2]。

R=H*a/(D*F)

ここで、F=f/D（FはF値、fはカメラの絞りの焦点距離）

例えば、天問1号探査機の軌道上に搭載された6つのペイロードのうち2つは、中解像度カメラと高解像度カメラという光学撮像装置です。この高解像度カメラは、火星付近の軌道高度300キロメートルで0.6メートルの撮影解像度を持つ。関連メディアの報道によると、高解像度カメラの口径はわずか400mmである（図4）。

図4：火星高解像度カメラ主鏡（口径Φ400mm）

空間解像度が高ければ高いほど良いということでしょうか?実はそうでもないんです。諺にあるように、ネズミは管を通してしか虎を見ることができません。空間解像度が高ければ高いほど良いです。解像度が高くなるほど、可視範囲は狭くなります。つまり、詳細はわかりますが、全体像はわかりません。これは、地図上の場所を見つけるために虫眼鏡を使用するようなものです (図 5)。具体的な場所は (** 通り、** 村) ですが、それがどこに属するかご存知ですか?私たちはまだそれがどこにあるのか正確にはわからず、混乱しています。したがって、全体的な状況を把握するためには、明確に物事を見て、より広い視野を持つ必要があります。これには、より高い軌道を周回し、より広い範囲を観測することが必要になります。このとき、検出器の空間解像度はそれほど高くありません。この時、地図をズームアウトして探している場所が**郡、**市、**省にあると理解するのと同じように、大まかな範囲を理解しておくだけで十分です。その後は習得した知識に基づいて、探している場所がどこにあるかが自然にわかります。例えば、高分2号は低軌道衛星（軌道高度約600km）であるため、1回の撮影観測の視野は比較的狭いです。 2台のカメラを使用して画像をつなぎ合わせ、撮影幅は45kmです。 23°の横振りにより、5日間で地球表面のあらゆる領域を繰り返し観測することができます。以上の分析から、高分2号は比較的高い空間解像度を達成しているものの、観測範囲が不十分であるなどの問題が依然として残っていることがわかります。したがって、正確な位置情報が必要な場合は、高軌道検出器と低軌道検出器が連携して動作する必要があります。低軌道検出器は高解像度の画像を取得し、高軌道検出器はより広い範囲の画像を取得します。

図5 高解像度では狭い範囲しか近視眼的に見ることができない

より広い範囲をはっきりと見ることに加えて、観察するのに十分な時間も確保する必要があります。検出された惑星は継続的に回転していますが、低い軌道では惑星の回転速度が探査機の飛行速度よりも遅く、探査機は観測位置から急速に飛び去ってしまいます。したがって、観測位置が常に途切れることなく観測されているという保証はありません。そこで、時間分解能という概念が提案されています。名前が示すように、時間分解能は同じ場所を繰り返し観測する能力です。時間分解能は通常、再訪問期間とも呼ばれます。再訪問期間が短いほど、時間分解能が高くなります。高い時間分解能は、地上物体の動的変化を検出する上で重要な役割を果たします。地球の場合、自転周期は23時間56分4.09秒で、ほぼ24時間です。したがって、高校で習ったニュートンの万有引力の知識に基づいて、静止軌道の高度は約36,000キロメートルであると計算できます（図6）。これは大学入試でよく出題される問題です。計算できますか？探査機が静止軌道上にある限り、探査機の角速度は地球の自転の角速度と同じなので、探査機は常に同じ場所の上空を継続的に観測することになります。我が国は、初の静止軌道高解像度光学リモートセンシング衛星「高分4号」の開発に成功しました。高分2号とは異なり、高分4号は高軌道衛星である。高度36,000kmの静止同期軌道上にあるため、撮影された写真1枚で160,000平方キロメートルの範囲をカバーできます。 60枚の写真を撮影することで、西太平洋の1000万平方キロメートルをカバーすることができます。撮影時間は約4～12分です。基本的に、軍事ホットスポットにおける敵空母戦闘群のリアルタイム監視を実現し、敵空母戦闘群のリアルタイムの動態を把握することができ、これは極めて重要な軍事的意義を持ちます。しかし、高分4号衛星の空間解像度はわずか50メートルであるため、その画像では空母は数ピクセルで構成されたぼやけた画像にしか見えません。画素数が少なすぎるため、空母と洋上に散らばる超大型タンカーなどの目標を区別することが難しく、目標を直接特定するのには使えません。上記の問題は、一方では時間分解能の高い高軌道衛星を国勢調査に使用し、他方では空間分解能の高い低軌道衛星を詳細な調査に使用するなど、高軌道衛星と低軌道衛星を組み合わせることで、ある程度は解決できますが、依然として適時性が不十分であるという問題が残っています。そのため、高解像度の静止軌道衛星の開発は、我が国が軍事ホットスポットの動向をリアルタイムで監視する能力にとって大きな意義を持っています。同様に、火星の特定の場所に留まって長期間写真を撮影したい場合、火星の自転周期は24時間37分22.6秒で、地球が1回転する時間とほぼ同じですが、半径は地球の半分しかなく、同期静止軌道高度は約1万7000キロメートルです。

図6 静止軌道

では、高いスペクトル分解能、空間分解能、および高い時間分解能を備えた検出器はあるのでしょうか?この方法は、静止軌道カメラの口径を大きくして、高い空間解像度を保ちながら高い時間解像度を確保するというものです。例えば、GF-4の空間解像度は約50mです。海上であろうと陸上であろうと、継続的な戦場監視は非常に重要です。空間解像度が10メートルに達して初めて、海上で100メートルを超える中型の軍用船や民間船、航空母艦群などの大型目標を検出、ロック、追跡できるようになります。そのため、GF-4のカメラ口径は5倍の約3.5mまで拡大でき、可視帯域と赤外線帯域を使用して目標物をリアルタイムで追跡できるほか、低軌道のGF衛星と連携して動作することも可能です。低軌道衛星を使用して目標を検出してロックし、高軌道衛星を使用してリアルタイムの追跡と観測を行うことは、監視の優れた手段となっています。低軌道衛星の高解像度により、ローカルターゲットをはっきりと見ることができます。低軌道衛星の高解像度を利用して敵の軍艦、戦闘機、戦車、集結した部隊などを探知・識別することができ、高軌道静止軌道衛星カメラの高時間解像度を利用してそれらをリアルタイムで追跡することができます。

火星などの地球外惑星の探査に加えて、地球観測も将来の開発の重要な焦点です。高解像度の地球観測衛星は急速に発展しており、地球観測システムは当初の単一衛星モデルから現在の軽量・小型衛星群（図7）へと進化し、終日、全天候、全方位の精密な地球観測を実現しています。将来的には、地球観測衛星群は、通信衛星、航法衛星、航空機などの宇宙ノードと動的にネットワーク化され、宇宙ベースの宇宙情報ネットワークが確立され、インテリジェント航空宇宙情報のリアルタイムサービスが実現され、脳の知覚と認知プロセスをシミュレートするインテリジェント地球観測システムが形成されます。地理空間情報科学、コンピュータサイエンス、ビッグデータサイエンス、クラウドコンピューティング、脳科学、認知科学などの分野の知識を組み合わせることで、宇宙ベースの宇宙情報ネットワーク環境において、計測、較正、目標の知覚と認知、ユーザーへのサービスを統合したインテリジェントな地球観測「脳」システムが構築されます[3]。

図7 地球観測脳

参考文献

[1] ハオ・ジェ「地球観測衛星から地球観測脳へ」中国測量地図、2020年、10:10-13。

[2] 劉涛、「光学地球衛星の空間解像度の計算方法」、International Space、2013年、10ページ。

[3] 李徳仁、王實、沈星、他「地球観測衛星から地球観測脳へ」武漢大学誌、2017年、42(2):1-7