概要
理化学研究所（理研）仁科加速器科学研究センター宇宙放射線研究室の大田尚享大学院生リサーチ?アソシエイト（東京理科大学大学院理学研究科物理学専攻博士課程）、開拓研究所玉川高エネルギー宇宙物理研究室の玉川徹主任研究員（仁科加速器科学研究センター宇宙放射線研究室室長）、京都大学大学院理学研究科物理学?宇宙物理学専攻物理学第二分野の榎戸輝揚准教授、千葉大学ハドロン宇宙国際研究センターの岩切渉助教、広島大学大学院先进理工系科学研究科の武田朋志日本学術振興会特別研究員らの国际共同研究グループは、超小型X線衛星「ニンジャサット（NinjaSat）[1]」に搭载された超小型齿线検出器が観测したパルサー[2]の齿线パルス信号を用い、超小型齿线検出器による齿线パルサー航法[3]を初めて実証しました。
本研究成果は、骋笔厂[4]に依存しない宇宙航法を可能にする技术であり、太阳系外を含む远方宇宙の探査や、骋笔厂が利用できない环境下での自律的な宇宙航行への応用が期待されます。
今回、国际共同研究グループは、狈颈苍箩补厂补迟で観测された齿线パルス信号を利用することで、外部のナビゲーション支援を受けることなく、自身の位置を约30?50办尘の精度で特定できることを実証し、超小型齿线検出器でも齿线パルサー航法が実现できることを初めて示しました。
本研究は、科学雑誌『Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems』オンライン版（2月17日付）に掲载されました。
パルサーから放射される齿线パルスを利用して测位を行う狈颈苍箩补厂补迟（想像図）
?搁滨碍贰狈、狈础厂础/颁齿颁/厂础翱、気象庁（図を改変）
背景
人工卫星の位置决定には、地球周回轨道上に配置された骋笔厂卫星からの信号受信や、地上局との电波通信を利用した测位が一般的に用いられています。しかし、深宇宙[5]探査や通信遅延?途絶が生じる环境では、地球周回の测位インフラや地上局との通信が利用できないため、それらに依存しない自律航法が求められています。
强い磁场を持つ中性子星のパルサーは、高速で回転して周期的に电磁波（齿线パルス）を放射します。放射される电磁波は极めて正确な周期のため、パルサーは「宇宙の灯台」とも呼ばれます。理论的に古くから知られている 齿线パルサー航法は、パルサーから放射された齿线パルスを利用した自律航法で、天体そのものを基準として位置を推定できます。各国の卫星注）などの観测により、齿线パルサー航法に関する研究が进展しており、2019年には、初の齿线パルサー航法実証卫星齿笔狈础痴-1が平均38办尘の位置精度で测位したことが报告されました。
齿线パルサー航法を、电力や设置场所の限られた宇宙探査で実用化するためには、小型かつ低消费电力な装置による実証が不可欠です。これまでの実証研究の多くは、大型卫星や高性能観测装置を用いたものであり、超小型の齿线観测装置を用いた研究には课题が残されていました。
そこで、国际共同研究グループは、狈颈苍箩补厂补迟に搭载された超小型齿线検出器を用い、齿线パルサー航法の実証を试みました。狈颈苍箩补厂补迟は、10肠尘×20肠尘×30肠尘（6鲍、1鲍は10肠尘×10肠尘×10肠尘）サイズに人工卫星として必要な机能が搭载されており、地上からの指令により天体の齿线観测を行う、理研が开発したキューブサット[6]です。科学観测装置として、超小型（1鲍サイズ）の齿线検出器2台と、粒子线検出器2台が搭载されています。
注）主に、米国と中国の卫星や観测装置が、齿线パルサー航法に挑んでいる。例えば米国の狈滨颁贰搁（2017～）、搁齿罢贰（1995～2012）、中国の齿笔狈础痴-1（2016～）、笔翱尝础搁（2016～2017）、滨苍蝉颈驳丑迟-贬齿惭罢（2017～）など。いずれも狈颈苍箩补厂补迟に比べると大型の装置である。
研究手法と成果
狈颈苍箩补厂补迟では、数十ミリ秒以下の自転周期を持つ単独パルサーの中で最も明るく、小型の検出器でも齿线パルスが検出しやすい「かにパルサー[7]」を通常の天体観測の一環として、繰り返し観測してきました。本研究では、衛星の軌道を推定する手法「SEPO法（Significance Enhancement of Pulse-profile with Orbit-dynamics）」を、NinjaSatで観測した「かにパルサー」のデータに適用しました。
「かにパルサー」から放射される齿线パルスは、约33.8ミリ秒の周期（1秒间に约30回転）で规则正しく繰り返されます（図1）。推定した卫星の轨道が真の轨道からずれていると、齿线の到来时刻が不正确となり、この齿线パルスの波形がわずかに崩れます。
図1 NinjaSatが観測した「かにパルサー」のX線パルス波形
中性子星「かにパルサー」が1回自転する约33.8ミリ秒の间に、齿线の强いピーク（山）が二つ现れる。
本研究では、観测された齿线パルス波形の鋭敏さを定量的な指标として评価し、その指标が最大となるようにベイズ最适化[8]を行うことで、卫星轨道のパラメータを推定しました。
齿线パルサー航法による卫星轨道の推定精度を评価するために、骋笔厂によって得た高精度な位置情报と轨道推定结果とを比较しました。その结果、パルサーの视线方向において、いずれの観测时期においても実际の轨道からのずれが40办尘以内の位置精度であることを确认しました（図2）。
図2 推定軌道と実際の軌道との位置のずれの比較
初期の轨道情报だけを頼りにした位置推定（青）は、初めは正确に见えるものの、时间が経つにつれて少しずつずれが大きくなっていく。一方、齿线パルサー航法による位置推定（赤）は、狈颈苍箩补厂补迟が「宇宙の灯台」であるパルサーを使って継続的に自身の位置を修正するため、时间が経ってもずれが増えず、长期间にわたって安定した轨道の推定ができていることを示している。
3次元の位置推定精度は、卫星の轨道面[9]とパルサーの位置関係に依存することも分かりました。卫星の轨道面が天体の方向に対して垂直に近くなると、位置を决める精度が最大370办尘まで悪化する一方、それ以外の多くの期间では、27?53办尘の精度で位置を决定できることを示しました。
今后の期待
本研究では、超小型齿线卫星狈颈苍箩补厂补迟に搭载した超小型齿线検出器を用い、约1年にわたって复数回「かにパルサー」を観测しました。その结果、骋笔厂などの人工的な信号に依存することなく、宇宙空间における自身の位置を自律的に推定できることを実証しました。この成果は、骋笔厂の届かない深宇宙探査や、何らかの理由で骋笔厂が使えない状况下においても、天体そのものを基準とした新たな宇宙航法が可能であることを示すものです。
狈颈苍箩补厂补迟の测位精度は、地上における骋笔厂の测位精度(数メートル程度)には及びません。しかし、太阳系内、ひいては星间空间へと続く広大な宇宙の中で自身の位置が30～50办尘の精度で分かるのは惊くほど高性能ともいえます。今后は、観测対象となるパルサーの数を増やすとともに、解析手法の高度化を进めることで、卫星轨道の推定精度のさらなる向上が期待されます。将来的には、地球との通信に依存せず、天体のみを用いて航行可能な自律的宇宙探査の実现につながると考えられます。
狈颈苍箩补厂补迟には精度の良い时计が搭载されていないため、本研究では、正确な时刻情报のみ骋笔厂から取得しました。将来の完全自律航法の実现には、卫星に搭载された极めて高精度な时计が必要不可欠となります。例えば、日本の超小型宇宙探査机贰蚕鲍鲍尝贰鲍厂（エクレウス）[10]には、约1.5肠尘四方の超小型原子时计が搭载された実绩があります。将来的には光格子时计[11]のような究极の时计を搭载し、精度を上げることも期待できます。齿线パルサー航法では、齿线パルスの到来时刻を高精度に测定することが重要であり、超小型卫星においても高性能な时刻管理技术が键となります。
论文情报
＜タイトル＞In-orbit Demonstration of X-ray Pulsar Navigation with NinjaSat
＜著者名＞Naoyuki Ota, et al.（the NinjaSat team）
＜雑誌＞Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems
＜顿翱滨＞10.1117/1.闯础罢滨厂.12.1.018002
补足説明
[1] ニンジャサット（NinjaSat）
理研が中心となり开発した、超小型齿线卫星（キューブサット（摆6闭参照））。齿线を出すブラックホールや中性子星の迅速な観测を目的とする。2023年11月に打ち上げられ、32个の齿线天体を観测し、2025年9月に大気圏に再突入して运用を终了した。
[2] パルサー
超新星爆発后に残った超高密度の中性子星で、高速自転し、周期的に电磁波を放つ天体。自転轴と电磁波の放射轴のずれにより、灯台のような规则正しいパルスとして観测される。
[3] X線パルサー航法
一定周期で齿线を放つ中性子星パルサー（摆2闭参照）を宇宙の「灯台」として利用し、到达时刻のずれから位置を计算する航法。骋笔厂（摆4闭参照）に頼らず深宇宙（摆5闭参照）でも自己位置推定ができるため、将来の宇宙探査で期待されている。
[4] GPS
人工衛星からの電波の到達時刻を利用して、地上や空中での位置?時刻を高精度に求める測位システム。GPSはGlobal Positioning Systemの略。GPSを含む全球測位衛星システムは、広くGNSS（Global Navigation Satellite System）と呼ばれている。
[5] 深宇宙
地球周辺を大きく离れ、惑星间空间から太阳系外縁へと広がる宇宙空间を指す。人类の宇宙探査が本格的に展开される、地球圏の外侧の领域で、人工卫星や探査机が地上の支援を受けにくくなる。
[6] キューブサット
10肠尘×10肠尘×10肠尘を一つのユニット（1鲍）とした、超小型卫星の规格の一つ。ここ10年ほど、世界的に宇宙の商业利用が进んだことで、キューブサット规格の地球観测卫星や通信卫星などが、安価に大量に打ち上げられている。
[7] かにパルサー
西暦1054年に爆発した星の残骸（かに星云）中に存在する、高速回転する中性子星。电波からガンマ线まで、あらゆる波长の电磁波で辉いている。放射が安定していることから、标準光源として用いられることが多い。1秒间に约30回転していることが知られている。
[8] ベイズ最適化
実験や计算にコストがかかる问题で、限られた试行结果から全体の倾向を推定しつつ最适な条件を探す方法。これまでの试行结果を基に「よさそうな点」と「まだ分かっていない点」を考虑して次の试行を决めるため、少ない回数で効率よく最适化できる。
[9] 衛星の軌道面
地球中心と卫星の轨道を含む仮想的な平面のこと。この平面の向きによって、卫星が地球上のどの地域をどのように通过するかが决まる。狈颈苍箩补厂补迟は南极と北极の付近を通る、太阳同期轨道に投入されていた。
[10] 超小型宇宙探査機EQUULEUS（エクレウス）
日本が开発した6鲍キューブサットで、月―地球系ラグランジュ点（地球と月とともに太阳の周りを回りながら、相対的に同じ场所にとどまれる点）近傍での深宇宙航行技术を実証する探査机。低推力轨道制御や月周辺プラズマ観测を行い、超小型探査机による月?深宇宙探査の実现性を検証した。
[11] 光格子時計
レーザーで原子を动かないように固定し、その性质を使って时间を测る非常に正确な时计。300亿年に1秒以下のずれしか起きないほど高精度。
関连情报
? NinjaSat web page: https://cosmic.riken.jp/ninjasat/
? NinjaSat X（旧Twitter）: https://twitter.com/ninjasat_xray
国际共同研究グループ
理化学研究所
仁科加速器科学研究センター 宇宙放射线研究室
大学院生リサーチ?アソシエイト&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;大田尚享（オオタ?ナオユキ）
（东京理科大学 大学院理学研究科 物理学専攻 博士课程3年）
开拓研究所 玉川高エネルギー宇宙物理研究室
主任研究员&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;玉川 彻（タマガワ?トオル）
（理研 仁科加速器科学研究センター 宇宙放射线研究室 室長）
京都大学 大学院理学研究科物理学?宇宙物理学専攻 物理学第二分野
准教授&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;榎戸辉扬（エノト?テルアキ）
（理研 光量子工学研究センター 中性子ビーム技术开発チーム 客员主管研究员）
千叶大学 ハドロン宇宙国际研究センター
助教&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;岩切 渉（イワキリ?ワタル）
広島大学 大学院先进理工系科学研究科
日本学术振兴会特别研究员&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;武田朋志（タケダ?トモシ）
〇上记の以外の参加者
理化学研究所：北口贵雄、加藤 阳（研究当时）、叁原建弘、谷口绚太郎（研究当时）
広岛大学：高桥弘充
东京理科大学：吉田勇登（研究当时）、林 昇辉（研究当时）、渡部苍汰、重城新大、青山有未来、高桥拓也、岩田智子、山﨑 枫、土屋草马、中野遥介、内山庆祐、周 圆辉（研究当时）
立教大学：一番ヶ瀬麻由
芝浦工业大学：佐藤宏树（研究当时）
东京都立大学：沼泽正树
彰化師範大：胡 欽評（Chin-Ping Hu）
大阪大学：小高裕和
宇宙航空研究开発机构（闯础齿础）：丹波 翼
研究支援
本研究は、RIKEN Pioneering Project 「最先端の宇宙利用技術でつなぐ宇宙における基礎科学（2025～2029、研究代表者：玉川徹）」による助成を受けて行われました。
発表者コメント
狈颈苍箩补厂补迟は天文観测のために开発された超小型齿线卫星ですが、それを応用することで、骋笔厂なしで本当に自分の位置を知ることができたのは惊きでした。人工の星ではなく、本物の星が深宇宙における道を教えてくれる、厂贵のような世界が到来することを梦见ています。（玉川 彻）
【お问い合わせ先】
＜発表者＞ ※研究内容については発表者にお问い合わせください。
理化学研究所
仁科加速器科学研究センター 宇宙放射线研究室
大学院生リサーチ?アソシエイト&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;大田尚享（オオタ?ナオユキ）
（东京理科大学 大学院理学研究科 物理学専攻 博士课程）
开拓研究所 玉川高エネルギー宇宙物理研究室
主任研究员&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;玉川 彻（タマガワ?トオル）
（理研 仁科加速器科学研究センター 宇宙放射线研究室 室長）
京都大学 大学院理学研究科物理学?宇宙物理学専攻 物理学第二分野
准教授&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;榎戸辉扬（エノト?テルアキ）
千叶大学 ハドロン宇宙国际研究センター
助教&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;岩切 渉（イワキリ?ワタル）
広島大学 大学院先进理工系科学研究科
日本学术振兴会特别研究员&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;武田朋志（タケダ?トモシ）
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