きく7号（技術試験衛星VII型、ETS-VII、Engineering Test Satellite-VII) は、チェイサ衛星「ひこぼし」と、ターゲット衛星「おりひめ」で構成される日本の人工衛星である。ランデブ・ドッキング技術（RVD）と、宇宙ロボット技術（RBT）の軌道上実験を目的として開発された。1998年（平成10年）7月に世界で初めて無人の、自動でのランデブ・ドッキング実験を成功させた。宇宙機として世界で初めてGPS航法で自動軌道制御された。機体の外側面にロボットアーム等を備え、自動や遠隔操縦での各種宇宙ロボット実験が実施された。
1997年（平成9年）11月に2衛星が結合した状態で打上げられ、2002年（平成14年）10月に運用を終了した。宇宙開発事業団（NASDA）、航空宇宙技術研究所（NAL）、通信総合研究所（CRL）、通商産業省が共同で開発。総開発費432億円、衛星開発費321億円。
概要 自動ランデブー・ドッキング技術実験、宇宙用ロボット技術及びシステム技術の実験、軌道上の原子状酸素の分布状態のモニタ、宇宙データシステム諮問委員会（CCSDS）勧告に基づく宇宙用データ伝送システムの開発、データ中継衛星を利用した複数衛星の同時運用技術の習得を目的としていた。きく7号ではこれらの様々な実験を地上施設から追跡・データ中継衛星(TDRS)を介して行うことができ、これは日本のみならず世界的にも最高峰の技術であった。この実験の成果が、後に宇宙ステーション補給機の無人ランデブー技術に活用された。
当時、アメリカのスペースシャトルなど人の操縦によるランデブードッキング技術は既に実用化されていたが、日本の宇宙開発を加速させるには操縦者の能力に左右されず信頼性の高い自動ドッキング技術を獲得する必要があると考えられていた。また、アポロ宇宙船やソユーズ宇宙船では20cm/s以下程度の慣性力を利用して結合する衝撃型ドッキングが行われてきたが、この方式では宇宙機が高剛性高強度で重量のあるドッキング機構を必要とするため、衝撃に弱い展開型太陽電池パドルを持つ無人宇宙機などに対しては条件が厳しく、低衝撃ドッキングの実現が求められていた。きく7号では、1cm/sの低速度で接近し機体同士の接触前に把持機構で捕獲する、非接触低衝撃型ドッキング機構が選定された。
2011年9月28日に、地上からの衛星搭載ロボットアーム遠隔制御実験の成果により、アメリカ航空宇宙学会（AIAA）による「2011 AIAA Space Automation and Robotics Award」をきぼうと共に受賞している。
衛星設計 実験システム回線 本衛星はNASAのデータ中継衛星TDRS（静止軌道、西経170度）を中継してデータ通信が行われる。衛星の1周回96分のうちTDRSと通信可能な時間は42分、ロボット制御実験の際はそのうち20分程度が実験に割り当てられる。原則として実験は電力が確保される日照の間に行われ、主に日本時間の未明から朝にかけて5から6周回の間に実施される。
制御コマンドはパケットデータ化され、NASDA筑波宇宙センターの地上運用系から、NASAのゴダード宇宙飛行センターに国際商用回線を使った有線で送られ、ホワイトサンズ試験施設の地上局からTDRSで中継し、本衛星で受信する。上り通信速度は4kbps。
テレメトリデータはコマンドと同じ経路を逆方向で通信され、下り回線は1.5Mbpsで、ロボット制御実験においては1.2Mbpsがビデオ信号2ch（ロボット全体像とハンドアイカメラ、JPEG圧縮で2フレーム/秒）、12kbpsが実験テレメトリに割り当てられる。ループの通信遅延は5秒から6秒。自律制御、遠隔制御、遠隔・自律融合操作の3モードで制御される。
通信回線 実験システムに用いる回線以外にも、ひこぼし、おりひめそれぞれ地上局と直接通信が可能であり、衛星間の直接通信も行われる。日本で初めて準拠のパケット方式を採用した。
ひこぼし通信回線（地上局）；コマンド：500bps、テレメトリ：2kbps おりひめ通信回線（地上局）；コマンド：500bps、テレメトリ：512bps SSAハイゲイン回線（TDRS）；コマンド：4kbps、テレメトリ：1.5Mbps SSAオムニ（無指向性）回線（TDRS）：コマンド：125bps、テレメトリ：5kbps 衛星間：S帯通信
ランデブ・ドッキング機器
ドッキング機構（DM）：ひこぼし搭載のラッチ機構部（DML）と、おりひめ搭載のラッチハンドル（DMH）各3体が直径800mmの円周上に120度間隔で、ラッチ爪が円周方向に、ラッチハンドルが放射状に配置される。捕獲・結合はラッチ爪の開閉とラッチ爪の固定されるテーブルの上下動の連動によって行われる。爪はバネによって開こうとする力が与えられ、ステッピングモータの回転駆動がボールねじによってテーブルの上下並進運動に変換される。捕獲にはノミナル距離532mmで爪を閉じ始める。ひこぼし側に緩衝機構を兼ねたVガイドがあり、近接センサの不調時に備えてVガイドの接触センサの信号を元に結合開始することも可能とした。分離時にはカム機構により18mm/sでおりひめを押し出すことができる。 サムネイル|近傍センサーマーカー部。丸いリフレクタを7個備える。（岐阜かかみがはら航空宇宙博物館展示品）サムネイル|近傍センサーヘッド部。カメラと赤色LEDを備える。（岐阜かかみがはら航空宇宙博物館展示品）近接センサ（PXS）：2m以内で使用。CCDカメラによる画像処理を使った航法センサで、96個の赤色LEDをパルス点灯させ、おりひめに搭載した超微細コーナーキューブリフレクタによる7個の円形マーカで構成する立体ターゲットマーカで反射した光を利用する。距離に応じて読み取るマーカ3個を切換えながら相対位置。姿勢を算出する。カメラは主系従系2系統の二重構成で2系同時計測される。要求精度（位置10mm、姿勢1deg）を満足した。 ランデブ・レーダ（RVR）：500m - 2mで使用。3次元計測可能な光レーザ・レーダ装置。ひこぼしに搭載するレーザダイオード（810nm、近赤外）をおりひめ上のリフレクタ（遠距離用：直径20cmの正六角形、近距離用：2cm角の正三角形）に投射し、反射光の位相差で距離を、二次元CCDで角度を測定する。バイアス精度（10cm）を満足した。 視覚系カメラ：ビューイングカメラ（おりひめの飛行状態のモニタ）とドッキングカメラ（ドッキング機構の動作状態をモニタ）があり、おりひめを当初計画500mを上回る1.5kmの距離で撮影成功した。宇宙機が他の宇宙機を撮影するのは日本初。 GPS受信機（GPSR）：1994年に打ち上げられたりゅうせい（OREX）搭載GPS受信機をベースに開発し、相対航法機能の付加、デジタル化を行い、約4割に小型・低消費電力化された。当時のGPS信号は測位精度を低下させる選択利用性（SA）が解除される前であり、絶対航法では100m程度の精度をと推定された。相対航法ではひこぼしの衛星選択や観測時刻をおりひめに合わせる形とし、絶対航法よりも両衛星の相対位置関係が高精度に得られる。要求仕様精度26mに対し、実際には5m程度の高精度で相対航法が可能と確認された。 実験機器
ロボットアーム把持機構 アーム長：2.4m 取扱いペイロード最大重量：430kg アーム先端速度；並進：50.0mm/s、回転：5.0deg/s アーム先端発生力：20N カメラ：4台（アーム肩、アーム先端、ほか2台） 軌道上交換ユニット（500×400×300mm、20kg） 窒素ガスタンクやコネクタ、遮断弁が内蔵され、ガスの排出や、衛星側タンクに用意された純水（ヒドラジンを模擬）をユニット側タンクに移送する、推薬補給模擬実験が行われた。無人の人工衛星上での燃料補給模擬実験は世界初。 アンテナ結合機構基礎実験装置（CRL） ターゲット衛星操作用機構 高機能ハンド実験装置（ARHシステム）（通産省） 質量：45kg、消費電力：約80W 実験ステージ：500×480×480mm ハンド：指3本、握力：30N、板バネ式コンプライアンス機構 アーム長さ：716mm、先端力：40N・7Nm タスクボード トラス構造物（NAL）
原子状酸素モニタ（AOM） 地球周回軌道上には酸素分子が紫外線で分解された原子状酸素があり、宇宙機の表面材を劣化させるなどの悪影響を与えることが知られており、存在量の観測のために原子状酸素モニタ（AOM：Atomic Oxygen Monitor）が搭載された。衛星は軌道上を約7.6km/sで移動しているため、軌道上に存在する原子状酸素はセンサに対して固有の運動エネルギーがあることを利用して衛星のアウトガス（真空中で衛星材料から放出される気体）を遮断分別して観測する設計になっており、センサはひこぼしのZ面（衛星間通信アンテナ側・天頂側）の衛星進行方向に向けて設置された。しかし、実際の計測ではノイズレベルが著しく高く、原子状酸素のデータを観測できない状態が継続した。衛星のアウトガスが予想より多量であったと考えられ、想定の真空度（10-6Pa）よりも100倍高い10-4Pa程度の真空環境であり分圧10-8Pa程度の原子状酸素が検出できなかった。
軌道上実験
ランデブ・ドッキング実験 ランデブ・ドッキング実験（RVD）では、相対距離に応じて搭載した近傍センサ（PXS）、ランデブレーダ（RVR）、GPS受信機（GPSR）のセンサ3種を切り替えながら運用される。実験計画ではFP1からFP6の6回に分けてそれぞれ異なる検証項目を実証する予定だったが計画を変更して合計3回の実験となった。FP1でのドッキングに成功した後、FP2では実験中に発生したひこぼしのスラスタ噴射異常のトラブルにより計画では500mの距離から再接近する予定だったが、安全処置機能により最大12km離れ、この運用で計画よりも多くの項目の実証が完了した。3回目のランデブ・ドッキングは残りの未検証の項目で再構成して実験する形となり、トータル3回のランデブ・ドッキングを実施した。
計画ではFP1、2、3の成功でミッションサクセス、FP4、5、6の成功でフルサクセスの予定で、実際にはFP2でミッションサクセス、3回目の実験でフルサクセスを達成した。3回のドッキングにおける精度（近接センサ測定値を最小二乗法で平滑化した値）は、位置7mm、速度0.6mm/s、姿勢0.2deg、姿勢レート0.02deg/sであり、要求値の1/10 - 1/3となる高精度な制御を達成した。ドッキング時の衝撃は最大で14mm/s2（0.0015G未満）だった。
（日時は日本時間） サムネイル|ドッキング機構（岐阜かかみがはら航空宇宙博物館展示品）
FP1 1998年7月7日 7:09、ひこぼしのドッキング機構がおりひめを分離し、1.8cm/sで離脱。おりひめが姿勢制御を開始し、ひこぼしの近接センサにより相対位置を制御して2m離れたVP点で15分間相対停止。7:27、地上からの指令によりひこぼしが1cm/sで接近を開始し、7:33にドッキング機構がおりひめを捕獲した。TDRSの通信リンクのある42分間のうちに実施され、計画されたミッションの中で最も難易度の高い自動ドッキングが世界で初めて成功した。
FP2
FP2は分離から結合まで3パスで実施する予定だったが、最終的に150パスに及ぶ長い運用となった。
1998年8月7日、おりひめを分離し、525mの距離に移動して2パス目で相対停止。3パス目で接近を開始したが、不可視時間中に姿勢異常を検知し自動飛行管理機能により470mの距離でアボート（中断）措置となり、2.6km地点まで離れて自動停止した。所定の復帰手順により5kmの退避点停止マヌーバの際に再び姿勢異常が発生した。Z方向（上下方向）スラスタの異常と推定され、Z並進制御とロール・ピッチ角の3自由度を6本のスラスタで制御するため、1本でも異常があると可制御性を失う構成であったため、Z方向のスラスタを極力噴射しないように接近を試みる事となった。
8 - 9日、10 - 13日に接近速度を遅くするなど工夫を加えて接近を試みるが、いずれもスラスタ噴射異常が発生し101m、150mでアボート（中止）となり、搭載ソフトウェアの改修を決断し、14 - 24日の間は2kmから12kmの距離域を保持する運用となった。
26 - 27日、改修したソフトウェアをアップロードした後、接近を再開しスラスタ異常によるアボートは発生したが追加された接近中断コマンドによって離れる割合を抑えることに成功し、8月27日に再度ドッキングすることに成功した。この運用で最大12km離れたことで、FP3で予定していたGPS相対航法を使った接近や、FP4で予定していた異常発生時の対応や運用管制の多くの項目までもが実証される結果となった。 サムネイル|HTVで実施されたRバー接近の手順
第3回ランデブ・ドッキング実験（FP6改） これまでの実験で実証されず残されていた、遠隔操縦による離脱・接近技術、Rバー接近飛行（HTVで行われるランデブー方式）、衝突回避マヌーバ、の3項目について1999年10月26 - 27日に実施した。接近時にスラスタ噴射異常を模してスラスタ配分則を切換える計画だったが、実際に#4スラスタに異常が発生し、地上からのコマンドで新スラスタ配分則に切換え、Vバー接近を継続することに成功した。これにより、計画していた基本技術実証のミッションサクセス、応用技術実証のフルサクセスレベルを達成した。 サムネイル|タスクボード（岐阜かかみがはら航空宇宙博物館展示品）
ロボット実験 チェイサ衛星のひこぼしには、全長2.4m、6関節のロボットアーム（ARA）を搭載し、先端のツール機構（把持機構とソケットレンチ）で衛星に取り付けられている各種実験機構を操作して動作が確認された。ロボットアームの動作と衛星の姿勢制御の協調、地上からの遠隔操作、タスクボード上に配置されたスイッチやスライドハンドル操作・小型浮遊物の収納などの軌道上サービス実験、画像フィードバックによる対象の追尾、おりひめを把持して移動させる実験、推薬の補給を模擬した実験、などが実証された。若田宇宙飛行士による遠隔操作も行われ、STSマニピュレータとの操作性も比較された。
運用史
計画 1990年頃までに日米共同プロジェクトとして熱帯降雨観測衛星（TRMM）の計画が進んでおり、日本は衛星に搭載する降雨レーダと打上げに使用するH-IIロケットを担当することで話が進んでいた。TRMMは中型衛星であり、H-IIロケットには別の中型衛星と相乗りすることが適切と考えられたが、既存の計画では適当な衛星がなく、TRMMを1996年夏に打上げるための相乗り衛星を検討する中、日米貿易摩擦によって通信衛星CS-4と放送衛星BS-4の計画が中止となり、予算の多少の余剰が出たところに宇宙ステーション時代の補給機や軌道上作業の技術実証衛星として本衛星の提案が始められた。 1990年（平成2年）、1991年（平成3年）にNASDA内部でランデブー・ドッキングと宇宙ロボット技術の軌道上実験を行うETS-VIIの概念設計を実施した。 1992年（平成4年） 4月、予備設計に着手。NASDAの他、通産省、通信総合研究所、航空宇宙技術研究機構のロボット実験機器を搭載する共同プロジェクトとなった。 12月、開発体制が決定。 1993年（平成5年） 4月、システム要求審査1（SRR1）を実施。システムの成立性とインタフェース整合性を確認。 7月、システム要求審査2（SRR2）を実施。システム仕様及び開発計画を確認。 12月、システム設計審査（SDR）で基本設計のベースラインを設定。 1994年（平成6年） 1月、基本設計開始、エンジニアリングモデル（EM）の開発に着手。 10月、システム基本設計審査（PDR）を実施。詳細設計開始。 1995年（平成7年）12月、詳細設計審査実施。東芝小向工場で衛星システムのインテグレーション開始。 1996年（平成8年） 8月、システムプロトフライトモデル（PFM）が筑波宇宙センターに搬入された。 1997年（平成9年） 3月19日、愛称を公募し、548点の応募に対して審査会を経て、ターゲット衛星が「おりひめ」、チェイサ衛星が「ひこぼし」、総称を「きく7号」と発表した。 10月末、衛星システムの開発を完了。
運用 サムネイル|きく7号実寸モデル。下部がチェイサ衛星（ひこぼし）、上部がターゲット衛星（おりひめ）。太陽電池パドルは外された状態（筑波宇宙センター展示品） 日時は日本時間。 1997年（平成9年） 11月28日 6:27、H-IIロケット6号機で熱帯降雨観測衛星(TRMM)と共に種子島宇宙センターから打ち上げられた。 打上げ14分12秒後、フェアリング内上部に搭載されていたTRMMを分離。 打上げ28分01秒後、本衛星が分離され、所定の軌道に投入された。 第0周回目、チェイサ衛星の太陽電池パドル展開、三軸姿勢確立確認。 第1周回目、ターゲット衛星の太陽電池パドル確認、チェイサ衛星の太陽電池パドルの太陽追尾を開始。 第2周回目、チェイサ衛星が定常姿勢制御状態に移行し、初期クリティカルフェーズを終了。 11月30日、第1回軌道変換テストマヌーバ後に衛星の姿勢異常と太陽電池パドルの回転停止が発生。同日中に姿勢の再捕捉とパドルの太陽追尾の再開が行われた。その後、原因調査に基づくソフトウェアの改修が行われた。 12月15日、16日、18日、20Nスラスタによる軌道変換が3回実施され、計画された軌道に投入された。 12月20日、チェイサ／ターゲット衛星間通信アンテナ及びデータ中継衛星用通信アンテナの展開と、ロボットアーム保持機構が開放された。 サムネイル|NASAの中継衛星TDRS1998年（平成10年） 1月7日 - 5月27日、衛星バス系、ミッション系初期機能確認を実施。ロボットアームの関節の一つが30度ずれた角度で取り付けられていることが判明し、システム計算上の修正によって実験に支障がないことが確認された。各種トラブルの対応があり3ヵ月で実施する予定だったが、初期確認に6カ月要した。 1月26日、おりひめとTDRSの通信試験を実施。 2月2日、ひこぼしのデータ中継衛星回線用S帯ハイゲイン回線の送信出力が低下が見られた（6月11日に解消）。 2月21日、データ中継衛星として利用する予定だった日本の通信衛星かけはし（COMETS）の静止軌道投入に失敗し、NASAのデータ中継衛星TDRSを使って運用することとなる。 5月28日、定常運用段階へ移行。 サムネイル|ひこぼし（チェイサ、奥）とおりひめ（ターゲット、手前）が分離した状態の模型7月7日（七夕）、最初のランデブー・ドッキング実験運用（FP1）を実施し、成功した。 8月7日、2度目のランデブー・ドッキング実験運用（FP2）を行ったが、スラスタの不調により予定していた軌道から逸脱してしまった。その後、何度か接近を試みたが、やはりスラスタの不調による軌道逸脱を繰り返した。その後、スラスタの不調に対応できるように搭載ソフトウェアの変更を行い、8月27日にドッキングし実験を終了した。 9月3日、ロボットアームの手先カメラで以上のあったスラスタの外観を目視検査したが、異常は認められず。 1999年（平成11年） 3月16日、若田光一宇宙飛行士によりロボットアームの遠隔操作実験が行われた。 4月６日 - 8日、欧州宇宙機関（ESA）とNASDAとの共同実験が実施された。筑波宇宙センター内に設置されたESAの装置からNASDA設備を経由し、ひこぼし搭載ロボットアームを動作させ、運用者支援技術に関する実験が行われた。 4月21日、NASDAによる実験終了。 5月20日、通産省による実験終了。 5月28日、NAL、CRLによる実験終了。 5月31日、定常運用段階終了。TDRSの利用期限と地上設備の2000年問題の非対応を考慮し、12月が衛星にとって発生電力低下時期にあたることから、11月末頃まで実験運用期間が追加される。 8月31日 - 9月1日、ロボットアームからおりひめを開放しアームから20cm程度離れた位置を自由浮遊させた後、ロボットアームの自動動作によって捕獲する実験を実施し、成功した。3回実施する予定だったが、予定より姿勢変動が大きかったことや通信不良などで1回のみの実施となった。 10月26日 5:13、ターゲット衛星を分離。未達成であった遠隔操縦による離脱・接近、衝突回避マヌーバ、Rバー接近飛行の技術実証が行われる。 10月27日 20:43、最終ドッキングが実施され成功した。Z軸スラスタの異常が発生していたが、ソフトウェア改修によって衛星機能を補完し、信頼性向上に寄与できることが実証された。 11月29日、最後のロボットアーム実験を実施した。 12月17日、TDRSの利用契約期限となり、TDRSを経由した本衛星の運用を終了した。これ以降は機器の経年劣化のデータ収集等を目的としたハウスキーピング（H/K）運用となった。 2000年（平成12年） 3月10日、姿勢制御ホイールのピッチ軸に異常を検知し、スラスタ制御モードに移行。 5月11日 6時頃、衛星の姿勢が異常になり、チェイサ衛星「ひこぼし」から衛星の状態を示すデータが入手できなくなった。結合状態にあるターゲット衛星「おりひめ」のデータによるとゆるやかに回転していると推定された。 6月10日、衛星姿勢回復作業を実施し、姿勢復帰。 6月14日 - 20日、軌道高度を上昇させ、通常の運用高度（高度約550km）に達する。 10月5日、姿勢制御モードがホイールモードからスラスタモードに移行。健全性を確認し、ホイールモードに復帰させた。ホイールのベアリング部が摩耗していると推定される。 10月25日 23:40、姿勢制御方式をホイールモードからホイールスラスタ併用モードに切り替えたところ、姿勢変動が発生し、故障検出機能によりスラスタモードに切り替わった。 10月26日 23:30、搭載機器に異常がないことを確認したためホイールモードに復帰させた。 2002年（平成14年） 6月19日、姿勢制御系の機器の動作が停止し、それ以降復旧しなかった。 10月21日、軌道高度予測を実施し、10月末に運用制約の高度520kmに達することがわかった。 10月30日 15:56、地上から停波コマンドを送信し、衛星の運用を終了した。 2015年（平成27年）11月13日、大気圏に再突入して消滅。
脚注
注釈
出典
関連事項 ランデブー (宇宙開発) 宇宙機のドッキングおよび係留 日本の宇宙開発 宇宙開発事業団（NASDA） きくシリーズ かけはし（COMETS） 熱帯降雨観測衛星（TRMM） コスモス186号,188号
外部リンク 技術試験衛星VII型「きく7号(ETS-VII)」おりひめ・ひこぼし (JAXA)
きく7号おりひめ・ひこぼし技術試験衛星VII型ETS-VII (旧NASDAサイトのキャッシュ) NASDA 項目別プレスリリース きく7号（おりひめ・ひこぼし）【記述試験衛星VII型】（WARP）