システム・運用#51

国際相互運用 — CCSDSとIOAGが支える宇宙機関間クロスサポートの枠組み

NASA/JPL、ESA、JAXA、Roscosmosはなぜバラバラに地上局網を作らず、標準化団体CCSDSと運用調整組織IOAGという2階建ての国際的な枠組みを築いてきたのか。これまでのレッスンで散発的に登場したCCSDS勧告番号が実は一つの目的でつながっていたことを整理し、クロスサポートを数理的に理解する。

前提知識: dsn

CCSDSIOAGクロスサポート国際協力相互運用性

この回で学ぶこと

DSN概論の回の最後で、私たちはJAXAの臼田局・内之浦局とNASA/JPLのDSNが互いの探査機を融通しあう**クロスサポート(cross support)**という仕組みに軽く触れ、「この国際協力・相互運用の仕組みについては、今後の回でさらに詳しく扱います」と予告しました。この回はその約束を果たす回です。

これまでの回を振り返ると、私たちはすでにCCSDSという団体の勧告番号に何度も出会ってきました。PCM/PSK/PMではCCSDS 401.0-B、CCSDS符号化標準の変遷では131.0-B系の勧告群、レンジングやDDORでも別のCCSDS番号が登場しました。これらは一見バラバラな技術文書の寄せ集めに見えますが、実は一貫した一つの目的——「ある国の宇宙機関が作った探査機と、別の国の宇宙機関が作った地上局が、初めて顔を合わせても通信できるようにする」——のもとで整備されてきたものです。

この回では、なぜ各国の宇宙機関がそれぞれ独自の地上局網を作るだけでなく、わざわざ国際的な標準化・運用調整の枠組みを作ってきたのかという歴史的・実務的背景を掘り下げ、**CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems、宇宙データシステム諮問委員会)とIOAG(Interagency Operations Advisory Group、機関間運用諮問グループ)**という2つの組織が、それぞれどういう役割分担で国際相互運用を実現しているのかを整理します。数式こそ少ない回ですが、「なぜ標準化が必要なのか」を組合せ論的な言葉で定式化し、標準化がなければ実現できなかったはずの実際の国際協力ミッションの例を見ていきます。

直感的導入: なぜ各国はバラバラに地上局を作ってきたのか、そしてなぜそれでは立ち行かなくなったのか

宇宙探査の黎明期、各国の宇宙機関は当然のようにそれぞれ独自の地上局網を築いてきました。アメリカのNASA/JPLはDSNの回で見た通りゴールドストーン・マドリード・キャンベラの3局体制を、欧州のESAはESTRACK(スペインのセブレロス、オーストラリアのニューノルシア、アルゼンチンのマラルグエなど)を、日本のJAXA(前身のISAS)は臼田・内之浦を、旧ソ連・ロシアのRoscosmosはエフパトリア(クリミア)やウスリースクなどの局を、それぞれ独立に整備してきました。

これは自然なことです。各国の宇宙機関は自国の探査機を自国の予算で作り、自国の地上局で追跡・運用するのが最も単純な構図であり、探査機の設計者と地上局の設計者が同じ組織内で密に連携できるという利点もあります。実際、初期の宇宙開発では、変調方式もレンジング方式もフレームフォーマットも、各国・各ミッションごとに独自に設計されることが珍しくありませんでした。

しかし1970年代後半から1980年代にかけて、この「各国バラバラ」の構図には無視できない限界が見え始めます。理由は大きく2つありました。

理由1: 単独の地上局網では、探査機を24時間切れ目なく追跡しきれない局面が出てくる。 DSNの回で見たように、地球の自転がある限り、たとえ3局体制を組んでいても、複数の探査機が同時に運用される混雑期には特定の局に負荷が集中します。自国の地上局網だけで手が回らないとき、地理的に都合の良い位置にある他国の地上局が一時的に肩代わりできれば、追跡の空白を埋められます。

理由2: 国際共同ミッションが増え、「一つの探査機を複数の機関が共同で運用する」あるいは「複数の探査機が同じ天体を同時に観測する」状況が生まれた。象徴的な出来事が1986年のハレー彗星探査です。このとき、ESAのジオット(Giotto)、日本のさきがけ・すいせい、旧ソ連のベガ1号・2号、アメリカの**ICE(International Cometary Explorer)**という、実に4つの宇宙機関の5機の探査機が、ほぼ同時期にハレー彗星に接近する「ハレー艦隊(Halley Armada)」を形成しました。各機関の探査機はそれぞれ自国の地上局で運用されていましたが、彗星への接近軌道の精密な決定や科学観測の連携のためには、機関間でのデータ・軌道情報の共有と、場合によっては地上局の相互支援が不可欠でした。このとき各探査機の変調方式やデータフォーマットがバラバラだったなら、機関を越えたデータ共有・相互運用は技術的にほぼ不可能だったはずです。

CCSDSはこうした背景の中、1982年に主要な宇宙機関(NASA、ESA、そして日本・欧州各国の宇宙機関の前身組織など)によって設立されました。「それぞれの国が別々に車輪を再発明するのをやめて、共通の技術基盤の上に立とう」という発想です。

定式化・整理その1: 相互運用性を組合せ論で捉える

CCSDSがなぜ必要なのかを、感覚的な話にとどめず、もう少し形式的に捉えてみましょう。

ある地上局の受信能力と、ある探査機の送信仕様は、それぞれいくつかのパラメータの組として特徴づけられます。

\Sigma_{\text{探査機}} = (f_c,\ M,\ C,\ F,\ P), \qquad \Sigma_{\text{地上局}} = (f_c',\ M',\ C',\ F',\ P')

ここで $f_c$ は使用周波数帯(S/X/Ka帯など)、 $M$ は変調方式(PCM/PSK/PM、QPSK/OQPSKなど)、 $C$ は誤り訂正符号化方式(LDPC、畳み込み符号など)、 $F$ はフレームフォーマット・同期パターン(ASMなど)、 $P$ はデータをミッション運用センターまで届ける上位プロトコルです。ある探査機とある地上局が実際に通信できる(クロスサポートが成立する)ための必要条件は、大まかに言えば

\Sigma_{\text{探査機}} \subseteq \Sigma_{\text{地上局}}

つまり探査機側が選んだパラメータの組を、地上局側が受信・復調できるパラメータの集合が包含していることです。

もし各宇宙機関がこれらのパラメータを完全に独立に、いわば連続的な設計空間から自由に選んでいたら、2つの独立に設計されたシステムのパラメータがたまたま一致する確率は実質的にゼロです。ある機関の探査機が別の機関の地上局にたまたま受信されるということは、標準化なしにはまず起こりません。

これを避けるには、2つの道があります。1つは、機関の組ごとに個別の技術協定を結び、その都度パラメータをすり合わせる相対型(bespoke)アプローチ。もう1つは、あらかじめ全機関が合意した共通の離散的な選択肢の集合(標準)を用意し、各機関がその中から選ぶ標準化アプローチです。

相対型アプローチのコストは、参加機関数 $N$ に対して組合せ的に増加します。すべての機関の組み合わせについて個別に協定を結ぶ必要があるなら、必要な協定の総数は

\binom{N}{2} = \frac{N(N-1)}{2}

です。CCSDS設立当初の中心的な参加機関がおよそ3〜5機関程度だったとすれば、必要な協定数は最大でも $\binom{5}{2}=10$ 程度に収まります。しかし現在、CCSDSには十数の正式な加盟宇宙機関(NASA、ESA、JAXA、Roscosmos、CNES、DLR、ASI、UKSA、CSA、CNSAなど)に加え、多数の準加盟・オブザーバー機関が参加しています。仮に $N=15$ とすると $\binom{15}{2}=105$ の協定が必要になり、新しい機関が1つ参加するたびに既存の全機関との協定を結び直す必要が生じます。これは技術的にも運用的にも現実的ではありません。

これに対して標準化アプローチのコストは、各機関が「共通の標準に自分のシステムを合わせる」という作業を一度行えばよいため、おおむね $N$ に比例するオーダーで済みます。新しい機関が参加するときも、既存の全機関と個別に交渉する必要はなく、公開されている標準に準拠しさえすれば、原理的にはすべての既存メンバーと即座に相互運用可能になります。CCSDSという組織の存在意義は、まさにこの $O(N^2)$ から $O(N)$ への転換を、通信の全レイヤーにわたって実現することにあると言えます。

定式化・整理その2: CCSDSの階層構造 — これまでの勧告番号は1つの体系だった

ここまでの回で登場したCCSDS勧告番号を振り返ってみると、実はこれらはOSI参照モデルに似た階層構造の中に整理されていることが分かります。

物理層(RF・変調): CCSDS 401.0-B (Radio Frequency and Modulation Systems) — PCM/PSK/PMやQPSK/OQPSKで扱った、周波数帯・変調方式そのものを規定。
同期・チャネル符号化層: CCSDS 131.0-B (TM Synchronization and Channel Coding) — 畳み込み符号やLDPC、フレーム同期など、ビット列としての信頼性を扱う層。
データリンク・フレーム層: 探査機からのテレメトリをフレーム単位に構造化する規定群。
上位プロトコル・データ配送層: 地上局が受信したデータを、実際に探査機を運用している遠隔地のミッション運用センターまでネットワーク越しに届けるための、SLE (Space Link Extension) と呼ばれる一連の勧告群。これは次々回に詳しく扱います。

つまりこれまで個別のレッスンで学んできた技術は、それぞれ異なる「層」を担いながら、すべて「異なる機関のシステムが相互運用できるようにする」という同じ設計思想のもとに規定されているわけです。ある探査機の送信機が401.0-Bに準拠した変調方式を使い、131.0-Bに準拠した符号化を行っていれば、その組み合わせを受信できるように設計された、どの国のどの地上局でも(SLEレベルでのデータ配送まで含めて)原理的に受信・復調できます。これがクロスサポートの技術的な土台です。

CCSDSの文書には色分けされた種別があり、Blue Book(勧告標準、義務的に遵守すべき規定。例: 401.0-B、131.0-B)、Green Book(情報レポート、背景や設計思想の解説。例: 130.0-G)、**Magenta Book(推奨プラクティス、運用上のガイダンス)**の3種が代表的です。私たちがこれまで参照してきた「-B」で終わる番号はすべてBlue Bookで、加盟機関がそれに準拠すると相互に約束している規定文書だということになります。

定式化・整理その3: IOAGとCCSDSの2階建て構造

標準化団体CCSDSがあれば十分かというと、そうではありません。CCSDSは主に技術者レベルの標準化団体であり、「どういう変調方式にするか」「どういうフレーム構造にするか」といった詳細な技術仕様を検討・制定する場です。しかし「そもそもどの分野を優先的に標準化すべきか」「どの機関とどの機関が、どの程度の運用協力をすべきか」という、より戦略的・組織的な意思決定を行う場は別に必要でした。

その役割を担うのがIOAG (Interagency Operations Advisory Group) です。IOAGは1998年に設立された、各宇宙機関の宇宙運用部門の代表者(マネジメント層)から構成される組織で、CCSDSより一段上の階層に位置づけられます。IOAGは自らプロトコルの詳細を設計するのではなく、

各機関が今後どのようなミッション運用上の相互運用ニーズを持っているか(例えば「火星に複数機関の探査機が集中する時期に、どう地上局・中継衛星のリソースを融通するか」)を集約し、
それを解決するために必要な技術標準の開発を、CCSDSをはじめとする技術標準化団体に**要請(タスク付け)**し、
完成した標準を各機関が実際に採用するよう、機関間の合意形成を主導する

という、いわば「要求元」と「調整役」を担います。IOAGは定期的にService Catalogと呼ばれる文書を発行し、参加機関が相互に提供しあえる地上局・中継サービスのカタログを整理しています。この2階建て構造——IOAGが戦略・要求を決め、CCSDSが技術標準に落とし込む——によって、国際相互運用の枠組みは「技術者の善意」だけに頼らず、組織的に維持されています。

実務での使われ方

火星探査における多機関地上局協力とリレー中継

現代の火星探査は、国際相互運用の枠組みが機能している最もわかりやすい実例です。NASAの複数の火星周回機(2001 Mars Odyssey、Mars Reconnaissance Orbiter)に加えて、ESAのMars Expressや**Trace Gas Orbiter (TGO)**が、火星表面のNASAのローバー(Curiosity、Perseverance)から届くUHF帯の信号を中継し、地球へ送り届けるという運用が日常的に行われています。この火星表面とのリンクは、アンテナ自動追尾やトランスポンダで扱ったような地球-探査機間の深宇宙リンクとは別に、CCSDS Proximity-1 Space Link Protocolという近接リンク専用の標準規格で行われており、ESAの周回機とNASAのローバーという異なる機関のハードウェア同士が、この共通規格によって初めて通信できています。標準化がなければ、ESAの周回機はNASAのローバーの信号を「言語として理解できない」電波としてしか受け取れなかったはずです。

DSNとESTRACKの相互支援

NASA/JPLのDSNとESAのESTRACKは、平時から定常的なクロスサポート協定を結んでいます。例えば2014年のESAの彗星探査機**ロゼッタ(Rosetta)による着陸機フィラエ(Philae)**のチュリュモフ・ゲラシメンコ彗星への着陸運用では、着陸という極めて重要な局面(クリティカルフェーズ)での通信途絶を避けるため、ESTRACKだけでなくDSNの局も追跡支援に加わりました。逆にNASAの複数の主要ミッションが同時に重要な局面を迎え、DSNだけでは追跡枠を賄いきれない時期には、ESTRACKやJAXAの局がNASAミッションの一時的な追跡を代行することもあります。これらはすべて、DSN概論の回で触れた周波数帯・変調方式・レンジング方式のCCSDS標準化があって初めて技術的に成立する協力体制です。

ボイジャーとアンテナアレイの国際協力

もう一つ印象的な例が、ボイジャー探査機のミッション後半における多局同時受信です。1989年のボイジャー2号による海王星フライバイでは、探査機からの信号が非常に微弱であったため、NASA/JPLはDSNキャンベラ局の70mアンテナだけでなく、オーストラリアの国立電波天文台であるCSIROのパークス(Parkes)64m電波望遠鏡、さらに米国内の電波望遠鏡群である**VLA(Very Large Array)**までも動員し、これらを電気的にアレイ合成(コヒーレントに足し合わせる)することで、実効的な受信アンテナの開口面積を大幅に稼ぎました。この「異なる機関・異なる国の異なる目的で作られたアンテナを1つの受信システムのように合成する」ことができたのは、ボイジャーが送信するPCM/PSK/PM信号の周波数・変調パラメータが公開・標準化された形式に沿っていたからにほかなりません。現在も、太陽系の外を飛び続けるボイジャー1号・2号からの極めて弱い信号を受信するために、DSNは同一局内の複数の34mアンテナをアレイ合成する運用を続けており、この考え方の延長線上にあります。

将来に向けた取り組み

IOAGは近年、月・火星探査の本格化(アルテミス計画関連のゲートウェイ・月面探査など)を見据え、複数機関が共同運用する月通信・測位ネットワークの相互運用要件の整理や、DTN(Delay/Disruption Tolerant Networking、惑星間インターネットの発想に基づく耐遅延ネットワーキング)の標準化促進など、次世代の相互運用課題にも取り組んでいます。CCSDSとIOAGが築いてきた「標準化による $O(N^2)$ から $O(N)$ への転換」という発想は、参加機関・参加ミッションが増え続ける今後の宇宙探査において、ますます重要性を増していくと考えられています。

演習問題

CCSDS設立当初の主要参加機関数を $N=4$ 、現在の正式加盟機関数を $N=15$ と仮定する。それぞれの場合について、すべての機関の組が個別に相互運用協定を結ぶとしたら何件の協定が必要になるか $\binom{N}{2}=\frac{N(N-1)}{2}$ を使って計算し、標準化アプローチと比較して協定数がどう変化するかを論じてください。
本文で「探査機側のパラメータの組 $\Sigma_{\text{探査機}}$ が、地上局側のパラメータの集合 $\Sigma_{\text{地上局}}$ に包含されていること」がクロスサポート成立の必要条件だと述べました。物理層(周波数・変調)だけが標準化されていて、上位のデータ配送プロトコル(SLE)が標準化されていない場合、実際の運用上どのような問題が起きると考えられるか、具体的に説明してください。
1986年のハレー彗星探査における「ハレー艦隊」(ESAのジオット、日本のさきがけ・すいせい、旧ソ連のベガ1号・2号、アメリカのICE)の例を踏まえ、複数機関が同時に同じ天体を観測する国際共同ミッションにおいて、標準化された通信規格がなぜ重要だったのかを、単なる「地上局の貸し借り」以外の観点(軌道情報の共有、科学データの相互利用など)からも考察してください。
IOAGとCCSDSはともに国際的な組織ですが、役割が異なります。それぞれの役割の違いを、「誰が何を決めるか」という観点から自分の言葉で整理し、なぜこの2階建ての構造が必要とされているのかを説明してください。

まとめと次回予告

各国の宇宙機関がそれぞれ独自の地上局網を築きながらも、1980年代以降、単独の網では賄いきれない運用上の要求(混雑期の追跡枠不足、国際共同ミッションでのデータ共有)に直面し、標準化による相互運用という道を選んできたことを見ました。CCSDSは1982年の設立以来、周波数・変調方式から符号化、フレームフォーマット、そして上位のデータ配送プロトコルに至るまで、階層的に整理された勧告群(Blue Book)を整備し続けています。これによって、相互運用協定のコストが機関数 $N$ の2乗のオーダーから $N$ のオーダーへと縮小され、火星探査における多機関中継協力や、DSN・ESTRACK間の相互支援、ボイジャーの国際的なアンテナアレイ合成といった、標準化なしには成立しなかったであろう協力体制が実現しています。そしてIOAGが機関間の戦略的な要求を集約し、CCSDSに技術標準の開発を委ねるという2階建ての構造が、この枠組みを組織的に支えています。

次々回は、この回で名前だけ触れたSLE (Space Link Extension) プロトコルを掘り下げ、地上局が受信した生のフレームデータを、実際にどうやって遠隔地のミッション運用センターまでネットワーク越しに届けているのかを扱います。その前に次回は、これまで扱ってきたRF(電波)による通信とはまったく異なる物理層——光通信(レーザー通信)——に軽く触れ、NASAの**DSOC(Deep Space Optical Communications)**実証機がなぜ次世代の深宇宙通信として注目されているのかを見ていきます。

参考文献

CCSDS, Overview of Space Communications Protocols, CCSDS 130.0-G (Green Book)
CCSDS 401.0-B, Radio Frequency and Modulation Systems, Part 1: Earth Stations and Spacecraft
CCSDS 131.0-B, TM Synchronization and Channel Coding
CCSDS, Cross Support Reference Model—Part 1: Space Link Extension (SLE) Services, CCSDS 910.4-B-2
CCSDS, Proximity-1 Space Link Protocol, CCSDS 211.0-B
IOAG, IOAG Service Catalog (最新版)
J. H. Yuen (ed.), Deep Space Telecommunications Systems Engineering, JPL Publication 82-76
NASA/JPL および ESA公式資料, DSN-ESTRACKクロスサポート協定・ボイジャー海王星フライバイ運用記録