Artemis IIの打ち上げで電離圏が乱れ、GPS信号に影響する可能性

打ち上げの各段階で電離圏に変化

Artemis IIの打ち上げでは、ロケットの各段が異なる高度で燃焼し、電離圏に波状の変化を生じさせました。特に第2段と第3段の燃焼による影響は大きく、GPS信号を持続的に妨げた可能性があります。電離圏の一部では電子密度が低下し、打ち上げによる大気の波は北米全域にも伝わりました。

電離圏は、電離した気体が広がる上空の領域です。GPS衛星から地上の受信機に届く電波は電離圏を通過するため、その状態によって伝搬の遅れや乱れが生じます。そのため、電離圏の変化は測位誤差や衛星信号の受信障害につながることがあります。

ロケットは上昇に伴って、燃焼する高度が変わります。今回の分析では、第1段は大きな推力を生みましたが、燃焼高度が低かったため電離圏への影響は限定的でした。一方、第2段と第3段の燃焼による変化は、GPS信号への影響が懸念される規模に達しました。

電波の乱れが測位に及ぼす影響

GPSなどの衛星測位では、複数の衛星から届く信号を使って受信機の位置を計算します。電離圏内で電子密度に偏りがあると、電波の位相が乱れ、信号が揺らいだり受信が不安定になったりすることがあります。電離圏の状態は測位誤差を左右する要因の一つです。

通常の電離圏を前提とした補正モデルは、状態が大きく乱れると正確に機能せず、受信機が正しい位置を計算できなくなる場合があります。NOAAの宇宙天気予報センターによると、穏やかな状態では単周波GPSの誤差が1メートル以下になることがありますが、強い宇宙天気の嵐では数十メートル以上に増える場合があります。電離圏が著しく乱れると、二周波受信機でも衛星信号を捕捉できず、測位が不正確になることがあります。

衛星測位の遅延は航空航法でも課題です。航空機の航法には測位精度に加えて安全性が求められるため、広域を対象とする衛星型や空港周辺を対象とする地上型の補強システムが使われています。局所的な電離圏の遅延勾配は、こうしたシステムにとって脅威となります。

過去のロケットでも観測された変化

2012年12月の北朝鮮のミサイル打ち上げを調べた研究では、GPSの全電子数データから、打ち上げに関連するV字形の電離圏擾乱が確認されました。擾乱の前縁は東西へ伝わり、速度は秒速1.8〜2.6キロと推定されました。ミサイル排気に伴う電子密度の減少は、電離圏上部の全電子数分布では見つかりませんでした。

宇宙天気の監視と航空航法

自然現象による電離圏の乱れでは、地磁気嵐が広い領域の電子密度を変化させ、GPS信号の伝搬遅延を増やすことがあります。地磁気嵐による電離圏擾乱は数時間続く場合があります。北米の航空航法を支える補強システムは、電離圏の状態を監視し、遅延を補正します。

米国の広域補強システムWAASは、北米に分散した基準局からGPSデータを集め、電離圏遅延の推定値や誤差の信頼限界を利用者に配信します。監視では、局所的な擾乱と北米規模の変化をそれぞれ評価します。擾乱が基準を超えるとサービスの利用を制限し、強い嵐の際には精密進入サービスを停止する一方、経路上のサービスは利用可能とする運用が記されています。