(機械翻訳)軌道上サービス 米軍事衛星の抗たん性を高める機会
On-Orbit Servicing
Opportunities for U.S. Military Satellite Resiliency
BY Hannah Duke
http://aerospace.csis.org/wp-content/uploads/2021/09/20210914_Duke_OSAM.pdf
(DeepL翻訳)
オンオービット・サービシング 米軍衛星の回復力を高めるチャンス
（ハンナ・デューク）
人工衛星は、宇宙の厳しい環境にほぼ自力で耐えています。何か問題が発生した場合、軌道上の衛星に物理的にアクセスすることは非常に困難です。これは、1957年に最初の衛星が打ち上げられて以来、ずっと続いていることです。例えば、家の中でエアコンが壊れても修理できない。家のエアコンが壊れても修理できないので、家を捨てて新しい家を買わなければなりません。あるいは、車のガソリンがなくなるたびに、廃車場に持っていって新しい車を買うとします。これが軌道上の人工衛星の扱いです。衛星は推進剤がなくなると、脱離して墓地軌道に退避します。また、太陽電池パネルが作動しないなどの不具合が発生した場合、単純な機械的な異常で数百万ドル、数十億ドルの損失が出る可能性があります。
静止軌道（GEO）に打ち上げられる軍事衛星は、10億ドル以上の費用がかかる。地上では、数百万ドルの軍事資産は放置されることはなく、定期的に整備され、時間をかけてアップグレードされます。宇宙での競争が激化する中、衛星の所有者や運用者は、地上で使用されているサービス機能を宇宙でどのように利用できるかを考える必要があります。これには、軌道上での強力なサービス能力の開発と、将来的に宇宙資産をサービス可能にすることが含まれます。
「10億ドルもかけてシステムを作ったのに、検査もせず、メンテナンスもせず、アップグレードもしないようなシステムは地球上には存在しません」。
- 元DARPARSGSプログラムマネージャー、ゴードン・ロズラー博士
軌道上サービス（OOS）とは、打ち上げ後の衛星へのアクセスを可能にする一連の新機能のことで、宇宙におけるロジスティックスとレジリエンスに革命を起こす可能性を秘めています。例えば、数年ごとにセンサーをアップグレードしたり、機能を追加したり、後悔しないように操縦したり、衛星を点検・修理したりすることができるようになれば、人工衛星の設計・打ち上げ・運用の方法が変わることになります。OOSは商業宇宙産業にも多くのメリットをもたらしますが、本稿では、OOSが国防総省（DoD）や宇宙における軍事中心のオペレーションにもたらすメリットに焦点を当てます。
軌道上サービス（OOS）とは？
一般的に、宇宙機のサービスに関する議論は、軌道上でのサービス、組立、製造（OSAM）という大きなグループに含まれます。このグループは幅広く、宇宙船の修理から宇宙ステーションの組み立て、宇宙での3Dプリントまでをカバーしています。これらの能力は互いに関連していますが、本稿では軌道上でのサービス（OOS）に焦点を当て、それがどのように宇宙での国防総省の活動のロジスティックスとレジリエンスを向上させるかについて説明します。
OOSとは、最初に打ち上げられた後、他の宇宙船（サービシング・ビークルとも呼ばれる）が衛星を観察したり変更したりすることと定義されます。
OOSとは、最初に打ち上げられた後、他の宇宙船（サービシング・ビークルとも呼ばれる）が衛星を観察したり変更したりすることと定義されます。OOSには、軌道上での衛星の検査、燃料補給、修理、再配置、アップグレードなどが含まれます。例えば、サービスビークルは、メンテナンスのための修理を行ったり、ステーションキーピングやマヌーバの機能を引き継いだり、推進剤を移送したりすることで、衛星の寿命を延ばすことができます。
軌道上の宇宙船にサービスを提供するというコンセプトは新しいものではなく、NASAは何十年も前から行っています。NASAの宇宙飛行士はハッブル宇宙望遠鏡の修理を何度も行っており、国際宇宙ステーションの修理も定期的に行っている。NASAの宇宙飛行士はハッブル宇宙望遠鏡を何度も修理し、国際宇宙ステーションも定期的に修理しています。しかし、NASAのサービスミッションには通常人間が参加しており、GEOのような高い軌道にある衛星のサービスには適していません。国防総省がOOSを実現するためには、自律型のロボット技術を活用する必要があります。
米国防総省の高等研究計画局（DARPA）は、2007年に「Orbital Express」プログラムでロボットによる燃料補給を実証しました。その後、ノースロップ・グラマン社の子会社であるスペースロジスティックス社が、2020年のMEV-1と2021年のMEV-2という2つの商業ミッションで、GEOにおけるOOS能力の実証に成功している。Mission Extension Vehicle（MEV）は、クライアントにドッキングし、MEVのスラスタを使ってクライアントの衛星の寿命を延ばします。このピギーバック方式により、クライアントの衛星が燃料切れになっても、MEVがその燃料を使ってクライアントの衛星を最大5年間稼働させることができる。また、DARPAには「Robotic Servicing of Geosynchronous Satellites（RSGS）」というプログラムがあり、修理、アップグレードの設置、検査、再配置が可能なロボットアームを開発しています。RSGSは2024年にスペースロジスティックス社のMRV（ミッション・ロボット・ビークル）衛星バスでこれらのロボットアームを打ち上げる予定です。
国防総省の宇宙戦略にOOSはどのように組み込まれているのですか？
衛星は現代の軍事活動に欠かせないものです。衛星は、通信、ミサイル警報、位置・航法・タイミング（PNT）、地球上の主要地域の観測などを行い、地上での活動を支えています。特にGEO（静止軌道）にある衛星は、数百万ドル規模の資産であり、開発には10年単位の時間を要するため、その保護と維持が重要となります。
軌道上サービスを利用することで、衛星の技術アップグレード、修理、点検が可能となり、衛星をより長く維持・運用することができる。また、軌道上でサービスを受けることにより、衛星の操縦が可能となり、取得までの期間を短縮することができます。これらの能力はいずれも、宇宙におけるロジスティックスとレジリエンスを向上させます。2020年に発表された宇宙軍の基礎資料「Spacepower」では、軍事宇宙力の5つのコア・コンピテンシーの1つとして、宇宙機動力とロジスティクス（SML）が取り上げられています。宇宙軍のドクトリンでは、宇宙空間での軍事機器や人員の移動と支援を可能にすると定義されています。「この出版物では、SMLの重要なアプリケーションとして、軌道維持について説明しています。軌道維持には、「宇宙船の消耗品を補充する」能力と、「宇宙船の検査、異常の解決、ハードウェアのメンテナンス、技術のアップグレード」を可能にする能力が含まれます。「これらの軌道上での持続的な活動は、軌道上でのサービスによって達成されます。
宇宙で優れたSMLを維持するためには、強力なOOS能力の開発が不可欠である。宇宙軍によると、現在、宇宙空間での優位性は比較的保たれていますが、米国の競合他社が宇宙開発への投資を続けていることから、この状況は変化する可能性があります。ロシアや中国など、宇宙開発に力を入れている国では、検査衛星を使ったランデブー・近接操作（RPO）など、軌道上での高度な能力を発揮しています。例えば、中国の検査衛星「Shijian-17」にはロボットアームが搭載されており、他の中国の衛星に接近するためにGEO内で様々な軌道修正を行っている。これは、OOS関連能力への投資の反映かもしれませんし、カウンタースペース能力の開発に関連しているのかもしれません。この種の能力の意図を見極めるのは困難です。いずれにしても、他の国々が宇宙空間や対抗空間のためにOOS能力を開発し続ける中で、国防総省はOOSが米軍の宇宙活動におけるロジスティックスとレジリエンスをどのように強化できるかを検討することが重要であると考えています。
"どの国も、ある領域（空、陸、海、宇宙、サイバー）において、その領域内での移動と維持のための優れた能力なしに、支配的な地位を維持したことはない。"
- 2020年宇宙産業基盤の現状報告書
国防総省にとってのOOSのメリット
衛星のアップグレード、燃料補給、修理、点検を可能にする軌道上サービス（OOS）は、衛星の耐障害性の向上に貢献します。また、OOSは軌道上のデブリを軽減することにも役立ちます。以下では、これらの機能が国防総省の宇宙での活動にどのように役立つかを説明します。
アップグレード
GEOに設置されている衛星は、開発期間が長く、寿命も長いため、常に最新の状態にしておくことは困難です。しかし、これは優れた宇宙活動を維持するために重要なことです。OOSは、新しい衛星を作って打ち上げるよりも低コストで、衛星の技術要素を軌道上でアップグレードする手段を提供することで、この問題を解決します。サービサー宇宙船は衛星にドッキングし、新しいセンサーや通信システム、故障した部品の代替品などのモジュールを取り付けることができますが、これはコンピュータのハードウェア部品を交換するのと同じです。センサーなどの部品を数年ごとに交換することで、衛星の防御力を高め、機密データをより確実に守ることができます。例えば、クライアント衛星に新しい防御用ペイロードを搭載して、妨害電波耐性を向上させたり、暗号化ハードウェアをアップグレードして通信システムを強化したりすることができます。
モジュール式のペイロードは、独自のスケジュールで開発・打ち上げができるため、比較的早く衛星に新しい機能を追加することができます。モジュールの利点は、打ち上げ前に衛星バスに組み込む必要がなく、すでに軌道上にあるクライアント衛星にサービスビークルがモジュールを取り付けるだけで済むことです。これにより、ミッションのコストを削減し、新しい機能の開発、打ち上げ、既存の軍事衛星への統合のスケジュールを早めることができます。宇宙空間での競争が激化する中、モジュールによるアップグレードプロセスは、国防総省が脅威に対してより迅速かつ効率的に対応するのに役立ちます。また、衛星がアップグレードされたり変更されたりした場合に、敵対者が衛星の能力を推測できるようになります。
この機能が役立つ例としては、次世代の進化型戦略衛星通信（ESS）プログラムや保護された戦術的SATCOM（PTS）システムに置き換えられつつある、妨害に強い軍用通信コンステレーションである先進超短波（AEHF）プログラムが挙げられます。既存のAEHF衛星にESS計画やPTS計画の新機能を搭載したモジュールを取り付けることができれば、これらのシステム間の移行に役立ちます。もし、AEHFがモジュール式のアップグレードをサポートするように設計されていれば、既存のコンステレーションを全面的に交換するのではなく、アップデートしながら構築することができ、数十億ドルの税金を節約することができたでしょう。このコンセプトは、海軍のEA-18Gグローラー機が、機体全体を交換するのではなく、外付けの次世代ジャマーポッドを装備して電子戦能力をアップグレードしているのと似ている。
DARPAのRSGSプログラムでは、アップグレードした新しいペイロードをロボットで取り付けることを実証したいと考えています。今のところ、ほとんどのホスト衛星はアップグレードをサポートするように設計されていないため、これらの取り付け可能なペイロードには独自の電源と通信手段が必要となる。しかし、将来の衛星では、データや電力の転送を可能にするインターフェースを搭載することができます。コンピュータのUSBポートのように、これらのインターフェースを業界全体で標準化することが重要になります。技術が急速に進歩する中で、OOSは技術の進化に合わせて、重要な軍事衛星の安全性と技術力を維持する方法を提供します。
燃料補給
衛星の寿命は、搭載されている推進剤の量によって決まります。推進剤がなければ、衛星は軌道上での位置や姿勢を維持することができず（ステーションキーピングと呼ばれる）、脱離または墓地軌道に退避しなければなりません。通常、衛星に搭載されているコンピュータやセンサーは太陽電池で駆動されているため、推進剤がなくなっても衛星は動作することができます。しかし、ステーションキーピングができなければ、衛星はミッションの目的を果たすことができません。
もし人工衛星にサービスビークルから燃料を補給することができれば、人工衛星の寿命を数年単位で延ばすことができます。サービシング・ビークルは、推進剤を転送することでクライアントに燃料を補給することができます。これは、スペースロジスティック社が2020年と2021年にインテルサット社の2機の衛星に行ったことと同様です。しかし、MEVはクライアントの衛星に直接燃料を補給するのではなく、クライアントにドッキングし、自分の燃料を使ってクライアントの寿命を延ばします。この "ピギーバック "延命サービスにより、現在2機のインテルサット衛星が最大5年間の通信を可能にしている。これは、本来サービスを受けることを想定していないクライアントにもサービスを提供できることを証明した重要なデモンストレーションでした。
同様のミッションとして、NASAの「軌道上サービス・組立・製造（OSAM）1」が予定されています。これは、地球低軌道（LEO）上で、給油を前提としていない米国政府の衛星「ランドサット7」にロボットによる給油サービスを実証する計画です。OOS宇宙船バスはMaxar Technologies社が設計したもので、NASAゴダードのペイロードである2本のロボットアームをサポートし、クライアントの衛星をつかみ、燃料を補給し、再配置します。MEVのピギーバックによる延命とは異なり、OSAM-1はクライアント衛星に直接燃料を補給することを目的としているため、このデモンストレーションは重要な概念実証となります。グラップルが標準化されていないと、すでに軌道上にある衛星にサービスを提供することは困難です。これらのミッションは、サービスやランデブー・近接運用（RPO）の基準を形成するのに役立っています。NASAのミッションには、マキサー社の別のペイロード「Space Infrastructure Dexterous Robot（SPIDER）」も含まれています。これは、軌道上での組み立てと製造を実演するロボットアームです。
衛星に直接燃料を補給したり、ピギーバック方式の延命サービスを利用したりすることで、古い衛星をより長く運用することができ、衛星のアーキテクチャを拡張することができます。墓地軌道にある衛星がまだ機能している場合は、MEVがインテルサット901に行ったように、サービス・ビークルがその衛星を運用軌道に戻すことができます。紛争時には、OOSビークルが退役した衛星を回収したり、燃料を補給したりして、完全な運用状態に戻すことができるので、意外な冗長性が生まれる可能性があります。
また、衛星が退役する前であっても、燃料を補給することで、軌道上の新しい場所に移動するのに十分な燃料を与えることができます。これは、戦略的または防衛的な目的に役立ちます。例えば、湾岸戦争の際には、ペルシャ湾を通過するGPS衛星の数を増やすことで、その地域での全地球測位システム（GPS）の利用可能性を高めるために、軍事衛星を操縦しました。また、衛星が危険な状態に陥った場合には、軌道上の位置を変えて防御するマヌーバも可能です。そのためには燃料を消費しなければならず、衛星の寿命が短くなってしまいます。しかし、燃料補給機能があれば、衛星の寿命を縮めることなく機動することができます。これは「悔いのないマヌーバ」と呼ばれ、優れたSMLの鍵となります。
また、衛星の寿命に必要な燃料を一度に打ち上げると、ミッションの重量が大幅に増加し、打上げ可能なオプションやコストが制限されてしまいます。衛星の軌道上で燃料を補給することができれば、より少ない推進剤で打ち上げることができ、打ち上げコストと重量を減らすことができるので、より多くの打ち上げ業者を利用することができます。これは、軍用機がより多くの荷物を運ぶために燃料を満タンにせずに離陸し、高度を上げてから燃料を補給するのと同じです。理想的には、将来の宇宙船には標準化された燃料バルブが装備され、サービス・ビークルから簡単に燃料を補給できるようになるだろう。
修理
衛星の耐障害性を高めるためには、宇宙資産を修理する能力が重要です。現在、軍事衛星のアンテナが壊れたり、太陽電池パネルが正常に展開しなかったりすると、ミッション全体が失敗し、何億ドルもの税金が失われることになります。機械的な問題を解決するのに必要な力は1ポンドにも満たない場合もありますが、軌道上の衛星に物理的にアクセスすることは現状では不可能なため、単純な機械的な異常は壊滅的な被害をもたらします。OOSは、そのような宇宙資産への物理的なアクセスを可能にします。DARPAのRSGSプログラムのもう一つの特徴は、ロボットアームを開発し、軌道上でのロボットによる修理が可能であることを実証し、衛星の耐障害性を高めるための重要なツールとなることです。
検査
OOSビークルは、カメラを使って衛星を近くまたは遠くから撮影することができます。これらの画像は、軌道上の衛星を点検するための新たな手段となります。衛星に異常が発生した場合、外部からの検査で問題を特定し、オペレータが異常を解決するのに役立ちます。また、修理やアップグレードを行う際にも、点検は重要な役割を果たします。修理やモジュールの取り付けを行うためには、サービス車両をクライアントに取り付ける必要があるため、RPOを行う前にクライアントを徹底的に検査することが重要です。例えば、スペースロジスティックスのMEVは、ドッキング前にカメラ、オンボード・コンピュータ、レーザー距離計を使ってインテルサットの衛星を徹底的に検査しました。徹底した点検機能がなければ、ドッキングの際に2つの宇宙船が衝突して、両方の宇宙船が損傷したり破壊されたりする危険性があります。
また、検査機能は、その場での宇宙状況認識（SSA）を向上させる。宇宙から画像を撮影して他の衛星を点検する能力は、宇宙領域をより透明化するため、重要な抑止力となります。その場での検査により、地上のセンサーでは不可能な宇宙物体のより詳細な特徴を把握することができます。また、宇宙空間での行動を追跡し、その目的を明確にすることもできます。例えば、軌道上での検査は、衛星の異常な動きが悪意のある活動によるものなのか、それとも単にスペースデブリを避けているだけなのかを判断するのに役立ちます。また、他国の衛星の状況を把握するためにも利用されています。例えば、米国の地球同期宇宙状況認識プログラム（GSSAP）には、他の宇宙物体の検査やRPOを行うことができる複数の衛星がGEO近傍に設置されています。GSSAPプログラムでは、サービス衛星を検査コンステレーションの一部として活用し、GEO帯の冗長性とカバー率を高めることができる。
デブリの軽減
優れた宇宙空間を維持するためには、環境を持続可能なものにすることが重要である。GEOは軍事活動にとって価値の高い軌道であるが、同時に限られた資源でもある。同様に、価値の高いLEO軌道も混雑してきており、デブリが運用中の宇宙船に衝突するリスクが高まっている。すべての運用軌道において、国防総省はOOSがどのように宇宙領域を持続可能にするかを検討すべきである。OOSは、燃料補給やアップグレードによって衛星の寿命を延ばし、宇宙資産の増殖を抑えることができる。衛星が寿命を迎えると、OOSビークルは衛星の軌道を外したり、衛星を墓地軌道に移すことができる。また、OOSは既存の軌道上のデブリを捕獲して移動させることで、軌道の整理にも役立ちます。最近開始されたELSA-d（End-of-Life Services by Astroscale demonstration）のような民間企業のミッションでは、寿命延長、EOL、デブリ軽減のためのサービス技術を開発しています。
2021年7月、国防長官は、宇宙における責任ある軍事行動の原則をまとめたメモを発表しました。その中に、"寿命の長いデブリの発生を制限する "という項目があります。デブリが "長命 "でないことを確認する方法は、OOSによって積極的にデブリを除去することです。国防総省は、宇宙での行動に関する国際的な規範を確立するための模範となり、デブリの軽減は、将来の軍事、民間、商業活動のために宇宙領域を持続可能にするための優先事項であり続けるべきである。
課題と推奨事項
鶏と卵の関係
OOS能力の開発が進むにつれ、国防総省がそのニーズを産業界に明確に伝えることが重要になる。民間企業がOOSの需要を感じていなければ、これらの能力を開発したり、投資を続けたりするインセンティブはほとんどない。しかし、商業的に利用可能なサービス機能がなければ、政府関係者も衛星をサービス可能にする必要性を感じないかもしれません。これは典型的な鶏と卵の問題です。国防総省は、DARPAのRSGSのようなプログラムへの投資を継続することで、このジレンマを解決することができます。RSGSは、ロボットによる軌道上サービスの技術的実現性をさらに高めることができます。RSGSがスペースロジスティック社と提携したことで、国防総省がこれらのサービスに時間と資源を投資することに関心を持っていることを商業部門に確信させることができます。ケーススタディや国防総省のサービスに対する具体的なニーズを共有することで、民間企業はどのサービス技術に優先的に投資すべきかの指針を得ることができます。
国防総省が新興のサービス産業を支援するためのもう一つの重要なステップは、将来の衛星をサービス可能なように設計することである。例えば、軍用衛星には、標準化されたグラップルフィクスチャ、燃料補給バルブ、モジュール式ペイロードを衛星バスに接続するためのインターフェースなどを搭載することができる。NASAは最近、Altius Space Machines、Honeybee Robotics、Orbit Fabという3つの民間企業と提携し、さまざまな自律型ロボットのグラップルフィクスチャーの開発・テストを開始しました。また、DARPAは、信頼性と責任感のあるOOS産業のための技術・安全基準の策定を目的としたCONFERS（Consortium for Execution of Rendezvous and Servicing Operations）を運営しています。DARPAは、CONFERSの主導権を産業界に移行し、商業部門がこれらの基準の策定により多くの発言力を持てるようにしようとしています。RPOのコンポーネントや手順が標準化されることで、この新興産業に対する投資家の信頼性が高まるでしょう。
政策課題
サービシング業界を発展させるためには、規制や責任問題に対処する必要があります。例えば、OOS事業者は通常、連邦政府に電波の共有を求めなければならない。特にGEOでは、国際電気通信連合（ITU）が軌道スロットごとにしか周波数を割り当てていないため、難しい問題となっていますが、サービシング・ビークルは複数の顧客にサービスを提供するために、複数のスロットを通過する必要があります。理想的には、サービシング・ビークルが独自の周波数割り当てを持ち、複数の軌道スロットにまたがって周波数にアクセスできるようにすることです。
もう一つの規制上の課題は、リモートセンシングライセンスです。サービス衛星は、顧客の衛星を点検するためにカメラを使用するため、地球の画像を撮影する目的でなくても、リモートセンシング・ライセンスが必要です。このライセンスを取得するには、国家安全保障上の審査があり、時間がかかります。このような規制の問題を解決するには、まず連邦政府がサービシングに関するハイレベルな政策の優先順位を示すことが必要です。その上で、OOS産業専用の別の規制を作ることで、官僚的な手続きを必要としなくなるでしょう。
さらに、これらのオペレーションに伴う責任が問題となることもあります。国際宇宙ステーション（ISS）では、多国間でのサービス契約の前例がありますが、OOS産業の発展には、より徹底した責任の所在を明らかにする必要があります。例えば、サービスパートナーシップに関心のある2つの当事者が責任を放棄することに同意した場合、何の関係もない第三者が何らかの影響を受けた場合はどうなるのでしょうか。民間人の宇宙での活動は、最終的には国が責任を負うことになるので、各国政府がその計画を承認しない場合、民間企業の活動は制限される可能性があります。
結論
OOS能力は、機動性と物流を可能にし、衛星システムの回復力と冗長性を高めることで、宇宙での軍事活動を強化することができる。衛星を軌道上でアップグレード、燃料補給、再配置、修理、点検できるようになれば、国防総省の宇宙空間での活動方法に革命をもたらすことができる。また、軌道上で衛星を操作することで、軌道上のデブリを軽減することができます。国防総省がRSGSのようなプログラムに投資しているのは、このような能力の開発に関心があるからです。SpaceLogisticsのような企業は、軍用衛星の耐障害性と冗長性を大幅に向上させる衛星ミッション拡張サービスをすでに実証している。強力な宇宙プログラムを持つ他の国々が高度なOOS能力を追求する中で、国防総省がこれらのサービスを宇宙活動に組み込むことは不可欠である。国防総省は、明確なニーズを示し、政策の優先順位を設定し、規制上の課題に対処することで、OOSへの商業投資を促進することができる。宇宙空間での競争が激化する中、国防総省の宇宙での優れた活動を維持するためには、軌道上でのサービスのような新しい機能を取り入れることが重要である。
謝辞
OOSに関する専門知識と見識を共有してくださったJoe Anderson氏、Nick Boensch氏、Renata Kommel氏、Thomas Roberts氏、Gordon Roesler氏、Charity Weeden氏に感謝いたします。
頭字語
CONFERS - ランデブーおよびサービング運用の実行に関するコンソーシアム
DARPA - 米国防総省高等研究計画局 DoD - 米国防総省
ELSA-d - アストロスケールのデモンストレーションによるエンド・オブ・ライフ・サービス
EOL - 生命の終わり
GEO - 静止衛星軌道
GSSAP - 地球同期宇宙状況認識プログラム
ISS - 国際宇宙ステーション
ITU - 国際電気通信連合
BL - 低軌道（地球周回軌道
BM - ミッション・エクステンション・ビークル
CN - 米国航空宇宙局 OOS - 軌道上サービス
CO - 軌道上でのサービス、組立、製造
RPO - ランデブーおよび近接操作（Rendezvous and proximity operations
RSGS - Robotic Servicing of Geosynchronous Satellites SPIDER - Space Infrastructure Dexterous Robot（宇宙インフラ器用ロボット
SSA - 宇宙状況認識