【1万字で解説】地球観測衛星のセンサと天地人のJAXA兼業職員が注目する次世代センサ
天地人は、衛星データを使った土地評価コンサルを行っているJAXA認定ベンチャーです。地球観測衛星の広域かつ高空間分解能なリモートセンシングデータ（気象情報・地形情報等）や農業分野の様々なデータを活用した、土地評価サービス「天地人コンパス」を提供しています。
今回の記事では、はじめに人工衛星に搭載されているリモートセンシング技術について詳しくご紹介します。
また後半では、衛星開発に従事されていた天地人のJAXA兼業職員による、衛星搭載センサ開発の重要ポイント解説を記載します。
１．リモートセンシングとは？
リモートセンシングとは、「対象物に触れずに、離れたところから物体の形状や性質などを観測する技術」です。
人工衛星や航空機などに搭載したセンサを用いて、地表面や水面、大気中の様々な物質による反射波や放射を観測し、物体の識別を行います。
最近では、ドローン、車両、船舶など多様な手段によって、地球環境などの広域な観測から地域や都市など限られた範囲まで、多様なスケールの観測が行われています。また、それぞれの目的に応じて、様々なセンサが開発されています。
特に人工衛星や航空機によるリモートセンシングは、大気や地表の状況を広域かつ短時間で観測できることが特徴です。
この特徴を活かし、植生分布の把握、地表面形状の観測、水域の水質・水温の観測、気象状況の観測などが可能であり、幅広い分野で用いられています。
本記事では、「人工衛星による」リモートセンシングに着目し、詳しくご紹介していきます。
そもそも、皆さんは「人工衛星」にはどのようなものがあるかご存じでしょうか？
人工衛星には通信衛星、放送衛星、測地衛星、気象観測衛星、地球観測衛星、科学衛星など、様々な種類があります。それぞれの目的によって、搭載されている機器が異なります。
リモートセンシング技術は、主に地球観測衛星、気象観測衛星、電波モニタリング衛星（※）に搭載されています。
※電波モニタリング衛星とは、電波を発信する送信機を搭載している航空機や船舶等について、その電波を検知し、航空機（ADS-B）や船舶（AIS）の位置情報をモニタリングする衛星です。
今回は、その中でも天地人が扱う「地球観測衛星のリモートセンシング」に絞って、ご紹介していきます。
① 地球観測衛星によるリモートセンシング
地球観測衛星は、はるか上空の宇宙から、大気や地表面近くの地球環境の状態を観測しています。観測は、主に地球から放射・反射される「電磁波」を測定することによって行われます。
電磁波とは、γ線、Ｘ線などの放射線、紫外線、可視光線、赤外線などの光、マイクロ波、電波等を含む、波の総称です。
地球上のあらゆる物体は、電磁波が降り注いだとき、それぞれの物体を構成する物質の種類や状態に応じて、異なる波長の電磁波を反射・吸収・透過します。
また、それぞれの物体自身も、その温度に応じた電磁波を常に放射しています。
リモートセンシングでは、このような物体ごとの電磁波の反射・放射特性や、形状の情報などを利用して、物体の識別を行っています。
地球観測衛星には、観測できる波長の範囲が異なる、様々な種類のセンサが搭載されています。
②空間分解能と観測幅
空間分解能とは、物体の識別限界を表す言葉です。
空間分解能が高いほど、地上の細かい様子を観測するのに優れています。
空間分解能は、分解能、または解像度とも呼ばれます。
下の画像は、JAXAの第一宇宙技術部門のホームページよりお借りした筑波宇宙センター付近の可視画像で、左の画像の空間分解能が2.5m、右が0.8mです。
左の画像では建物の場所がなんとなくわかるだけで、はっきりとした形はわかりません。また、道路と緑地の境界も曖昧になっています。
しかし、右の画像では、建物はくっきり写り、道路には車らしきものも確認することができます。空間分解能が数メートル向上するだけで、建築物や道路の識別に変化が起こることがわかります。
観測幅とは、衛星軌道に直交する方向の、センサが観測可能な幅のことです。
衛星はこの観測幅の範囲を軌道に沿って帯状に観測し、使いやすいシーン（大きさ）に切り出して提供しています。
センサの種類により、観測幅や衛星画像1シーンの大きさは異なります。
衛星リモートセンシングでは、軌道やセンサの性能、通信容量などの制約により、観測幅と空間分解能はトレードオフの関係になっています。
例えば、地球観測に用いられる低軌道衛星の場合、1 日に地球を14 周回ります。
地球は赤道上で周囲長が約40,000kmであるため、衛星1基を用いて1日で全球を観測しようとした場合、
40,000/14≒2,800(km)
現実的に実現可能かどうかはさておき、2,800km程度もの観測幅が必要となります。
しかし、この観測幅で空間分解能を上げようとすればするほど、データ量が膨大になり、地上に伝送する能力を超えてしまいます。
そのため、高解像度センサの観測幅は、大きくても200km程度となっています。
一方で、地球規模の環境観測では空間分解能よりも観測幅を優先することで、広範囲を高頻度に観測できるようにしています。
このように、観測対象や目的に応じて、適切な空間分解能や観測幅を選択する必要があります。
適切な空間分解能と観測幅を選択し、全球での観測を可能とするために、地球観測衛星のコンステレーションを構築しようとする計画も見られます。
詳細は2022年7月1日配信のTenchijin Tech blogをご覧ください。
③ センサの種類
人工衛星で使用されるセンサは、大きく以下の2種類に分けられます。
（1）光学センサ（可視光線と近赤外線、中間赤外線、熱赤外線を観測する）
（2）マイクロ波センサ（マイクロ波で観測する）
また、これらをさらに
・受動センサ（対象物から反射・放射される光や電磁波を観測する）
・能動センサ（衛星から観測対象に向けて電磁波を照射し、その反射波を観測する）
の2種類に分けることができます。
（1）光学センサ
光学センサは、太陽光が物体に当たって反射した光や、物体からの放射熱を測定することができるセンサです。
以下に、主要な光学センサをご紹介します。
・可視・近赤外センサ
多くの人工衛星に搭載されている受動型センサです。
対象物の太陽光の反射の強さから、対象物の量や種類を識別します。
可視・近赤外センサでは、森林や田畑、河川、市街地、湖沼の状態を知ることが可能です。
雲があり直接太陽光が当たらない場合や、夜間は観測することができません。
・熱赤外センサ
地表面が太陽光を吸収して温度が上昇した時の熱エネルギーや、火山活動や火事の熱による熱赤外線など、地表面からの放射熱を観測する受動型センサです。
放射熱の強さから地表面温度を推定することが可能で、地面や海面の温度分布や、火山活動などの調査に使用されます。
雲がなければ夜間でも観測可能です。
・ライダー
可視・近赤外域の光を発射して、対象物に反射して戻ってくる強度や時間、波長の変化を測定する能動型センサです。
対象までの距離や状態を精密に計測でき、主に森林の樹高の測定、氷床の厚み、風速の測定に用いられます。
また、衛星以外の方法では、地表から上空大気へのレーザー照射による大気中エアロゾルの測定や、航空機による森林の3次元観測なども行われています。
（2）マイクロ波センサ
マイクロ波センサは、光学センサよりも高い空間分解能を得られる点や、天候や昼夜に左右されず観測することができる点が特徴です。
以下に、主要なマイクロ波センサを二つご紹介します。
・SAR（合成開口レーダー）
対象物に対して電波を放射し、その反射波の強さや位相で対象物の状態を知ることができる能動型センサです。
電波は雲を通過するため、昼夜問わず、また天候に左右されずに観測可能です。
主に、火山や地震活動などによる地形変化、森林伐採の監視、浸水域や船舶の動きを知るために使用されます。
・マイクロ波放射計
地表面および大気から自然に放射されているマイクロ波を観測することができる受動型センサです。
主に、海面の温度、大気の水蒸気量、降水量、海氷の分布、積雪の厚さなどの状況を知るために用いられます。
④マルチスペクトルセンサ・ハイパースペクトルセンサ
地球観測衛星で用いられるセンサには様々な種類があり、搭載センサによって得られるデータは異なります。また、観測できる波長の範囲はセンサごとに異なります。
リモートセンシングによる地球環境観測では、「マルチスペクトルセンサ」が主に用いられています。
マルチスペクトルセンサは、ある特定波長帯の電磁波のみを観測するセンサを複数組み合わせたセンサのことで、一度に複数の波長帯に関する情報を集めることができます。
一方、多くの衛星に搭載されている「光学センサ」の発展系として、「ハイパースペクトルセンサ」が注目されています。
ハイパースペクトルセンサとは
ハイパースペクトルセンサは、観測できる波長の多さに強みを持っているセンサです。
通常のマルチスペクトルの光学センサでは、入ってきた様々な波長を含む光を、まず特定の波長のみ通すフィルタにかけることで数個に分けています。その後、センサ内の受光素子により、波長ごとの光の強さを測定しています。
上図は、各衛星に搭載されているマルチスペクトルセンサが観測可能な波長帯を示したものです。
それぞれ、白い四角形に数字が振ってある部分の波長を観測可能であることを示しています。
どの衛星のセンサも、可視光と赤外線領域の波長を全て連続して観測しているのではなく、3～12個程度に観測可能な波長帯が分かれていることがわかります。
一方で、ハイパースペクトルセンサでは、入ってきた光をプリズムなどで分光させたものを観測しています。
そのため、波長は数10個～300個程度まで細かく分けて観測を行うことができ、より多彩な情報を捉えることが可能です。
下図は、元の光のスペクトル、マルチスペクトルセンサで観測可能な波長帯、ハイパースペクトルセンサで観測可能な波長帯を比較したものです。
元の光のスペクトルは図中の黒色の曲線で、複数の連続波長が入っています。
これをマルチスペクトルセンサで観測すると、ピンクで示された、いくつかの波長帯のみを観測できます。
一方、同じ光をハイパースペクトルセンサで観測すると、黄色の点で示された波長を観測できます。黄色の方がピンクよりも明らかに点が多く、より多くの波長を観測できることがわかります。
このように、ハイパースペクトルセンサには、観測波長域が広く、波長幅が細かく連続していることによって物体の識別能力が高いというメリットがあります。
また、観測可能な波長が多いことで、用途が限られない点もメリットです。マルチスペクトルの光学センサでは、限られた波長の組み合わせで、都市や植生分布などの対象物を観測しています。
一方、ハイパースペクトルセンサは観測可能な波長が多いため、非常に多くの波長の組み合わせが考えられます。
今後ハイパースペクトルセンサがより普及することで、今までは観測できなかった対象も観測可能になるかもしれません。
一方、ハイパースペクトルセンサにもデメリットがあります。それはセンサが高価な点です。
ハイパースペクトルセンサで用いるプリズムなどの分光装置の開発には、非常に高度な技術が必要です。また装置の小型化も難しいため、必然的にセンサを搭載する衛星も大きくなり、その分費用がかさんでしまいます。
そのため、民間企業によるハイパースペクトルセンサの開発はまだ発展途上であり、市場に出回っているデータの量はまだ不十分です。データの取り扱いについての情報が少ないため、扱いが難しい点も注意が必要です。
ハイパースペクトルセンサについては、過去のこちらの記事でもご紹介しています。
２．世界の衛星コンステレーションで使用されているセンサ
ここからは、今まで紹介したセンサが、「世界の衛星コンステレーションでどの程度使われているのか」についてご紹介したいと思います。
ここでは、
①可視・近赤外センサ
②熱赤外センサ
③SAR（合成開口レーダー）
④ハイパースペクトルセンサ
について、ぞれぞれ衛星数ランキングを取り上げていきます。
①可視・近赤外センサ
まず上のグラフは、企業ごとの光学センサ搭載の地球観測衛星数を多い順に並べたものです（2023年1月時点）。
打ち上げ予定数も併せてトップに立っているのは、SatRevという2016年創業のポーランドの会社です。自然災害の予測、無許可建設地など土地の調査、農業状況の観察などの事業を行っています。
既に打ち上げた数が最も多いのは、上から3番目のPlanetです。Planetは、2010年創業のアメリカ・サンフランシスコの企業です。
また、上図は温室効果ガス排出を観測する衛星数のグラフです。二酸化炭素やメタンといった温室効果ガスの観測にも、光学センサが用いられてます。
打ち上げ数（図中の緑色）が最も多いGHGSatは、以前のこちらの記事でご紹介しています。
GHGSatは、2011年に創業したカナダのスタートアップです。
GHGSatは温室効果ガスの排出を高解像度で検出できることを強みにしており、どの施設から排出されているかまで検知することが可能です。
衛星の開発だけではなくガスの排出検知サービスも提供しており、温室効果ガス観測の分野をリードしています。
②熱赤外センサ
前述したように、熱赤外センサは、地面や海面の温度分布や、火山活動などの調査に使用されます。
打ち上げ予定数1位のOrora Techは、宇宙から山火事の検出と監視に注力している、ドイツの企業です。4m×4m範囲の温度異常を検知することができます。
また、打ち上げ予定数2位のNorthStar Earth&Spaceはカナダの企業です。こちらは山火事ではなく、森林管理や農業分野の情報などを提供しています。
また、NorthStar Earth&Spaceは今年1月、アクセルスペースとパートナーシップを締結しました。アクセルスペースは、超小型人工衛星の開発や製造を手がける日本の宇宙スタートアップ企業です。
③SAR（合成開口レーダー）
続いて、マイクロ波センサの一つであるSAR（合成開口レーダー）です。
打ち上げ予定数1位のChina Electronicsは、中国の国有IT企業です。中国の民間企業であるSpacetyと提携し、Tianxian というSARコンステレーションを構築します。
また、打ち上げ数1位のICEYEは、SARデータを使った洪水の監視を主な事業とするフィンランドの企業です。洪水監視以外にも、山火事、強風、地震などの自然災害のモニタリングも行っています。
④ハイパースペクトルセンサ
最後に、ハイパースペクトルセンサのグラフです。
打ち上げ予定数が圧倒的に多いQuantum Generative Materials（GenMat）は、2021年にアメリカで創業された、半導体やその他の先端材料産業における研究開発の自動化やコスト削減を目指す材料工学企業です。
打ち上げ日はまだ未定ですが、4.75m解像度のハイパースペクトルイメージャをSpaceX Falcon-9で地球低軌道に打ち上げる予定です。ハイパースペクトルイメージャは、GenMat独自の計算材料ソフトウェアと組み合わせ、観測対象物を高精度で観測することが可能です。
また、上から5番目のPixxelはインドの企業で、先週公開したこちらの記事でご紹介しています。
Pixxelの小型ハイパースペクトル衛星によるコンステレーションは、24時間でグローバルをカバーする設計になっています。衛星開発だけでなく、そのデータ分析ツールも構築しており、注目が集まっている企業の一つです。
ここからは、天地人のJAXA兼業職員で、長年衛星開発に携わってきた稲岡さんによる、衛星搭載センサを開発する上で重要なポイントと、注目すべき次世代センサについての解説をご紹介していきます。
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