CanSat とロケット実験(‘99～） Nano-JASMINE ‘15 超小型衛星による新しいパラダイム ～ほどよしプロジェクトの成果～ 東京大学 中須賀真一 PRISM ‘09 CubeSat 03,05 Hodoyoshi-1 ‘14 目次 (1) FIRST以前：新しい宇宙開発への東大の挑戦 －超小型衛星登場 －新しい目的の発見 －教育から実利用へのステップアップ(利用の拡大） (2)「ほどよしプロジェクト」による実用化を目指して – ほどよし設計思想と要素技術開発の要点 – 衛星と利用開拓を目指したミッション (３)超小型衛星はどんな未来を拓くか？ 超小型化へ：超小型衛星の出現 東大・東工大のCubeSat（１ｋｇ 世界最小衛星）世界に先駆けて の打上げ運用成功（2003.6.30) – – – – 大学レベルの予算での開発 開発期間：2年 部品費：300万円 民生品でも10年以上の寿命 地上局での運用、周波数取得、ロ ケット調達まで自前で実施 – より高機能の10kg級衛星の開発 も(CUTE-1.7、PRISM、NJ) 1～50kg級衛星：教育目的からスター トし、実用（地球観測、宇宙科学）に向 けて各大学で開発が進む CubeSat XI-IV & XI-V ロシアでの 打ち上げ 登竜門：訓練の場 CanSats 1999-現在 教育目的の衛星プロジェクトの重要性 • 宇宙開発プロセスの実践的教育・工学教育： – 学生が衛星プロジェクトのすべて（ミッションの構想、シ ナリオ、設計、製作、試験、打ち上げ、運用）を経験する • 何が重要かを肌で知る！ – 何もないところから、アイデアを起こし、システムおよび その利用につなげるプロセスの重要性 – 作ったものの現実世界からのフィードバックを得る （宇宙ではこれまで難しかった！） • 学生によるマネジメント： – プロジェクトマネージャー、実験主任は学生が行いマネ ジメントやチームワーク等の経験を得る – ４つの管理：時間、人間、コスト、リスク・マネジメント – 効果的な会議、ドキュメンテーションの試行錯誤的習得 中・大型衛星の問題点と小型化 4.0 大型化の一途 3.5 衛 3.0 星 2.5 重 量 2.0 （ ト 1.5 ン ） 1.0 1機200億 円以上 かぐや （3ｔ） ・1機数百億円の莫大なコスト ・5～10年の長期開発必要 ・失敗を許さない超保守設計 1機30-60億 円 ・ほとんど国のみが顧客 ・広がらない宇宙利用 ・技術革新のスピード乏しい 0.5 0 1975 だいち （４ｔ） 小型衛星(100-500kg) 1機3億円 以下 1980 1985 静止衛星 1990 1995 2000 その他の衛星 2005 50kg以下! 超 小 型 衛 星 衛星サイズ等の比較 XI-IV 1kg 300万 円 10cm 立方 ＠JAXA ＠JAXA だいち ４ﾄﾝ 400億円 6.2m×3.5m×4.0m 東京大学中須賀研究室（ISSL)超小型衛星プロジェクト ～教育から実用へ～ 2003 04 05 06 07 08 09 10 11 12 分解能３０ｍの地球画像 天文観測/宇宙科学 CubeSat XI-IV打ち上 げ（ROCKOT） ’03/6 PRISM(リモセン衛星） 打ち上げ’09/1(H-IIA) NANO-JASMINE (星図作成衛星）打ち 上げ予定 ’13 教育目的 分解能４ｋｍ の地球画像 CubeSat XI-V打ち上げ （COSMOS) ’05/10 深宇宙衛星 UNITEC-1打ち上げ (22大学共同） （H-IIA) ’10/5 ほどよしPJ：1～5号機 開発 打ち上げ University of Tokyo’s CubeSat Project “XI” いよいよ宇宙へ！ XI-IV(サイフォー） “CubeSat” XI-V（サイファイブ） 2003.6.30打ち上げ 2005.10.27打ち上げ 宇宙で使用するためには ■ 真空環境 蒸発、焼き付き(cold welding)、潤滑、放電、 素材の変化、熱の集中、等 ■放射線環境 電子部品の誤動作、破壊、太陽電池劣化 ■熱環境 高温ー低温、熱衝撃、温度勾配、等 ■打上げ環境 加速度荷重、振動、音響、衝撃、等 ■長距離通信 500km以上の通信、ﾄﾗｯｷﾝｸﾞ、ﾄﾞｯﾌﾟﾗｰｼﾌﾄ それ以外：紫外線、メテオロイド、デブリ ・秋葉原の民生部品。宇宙で動作することを確実に検証して使う。 ・システムで強くする技術の重要性 もの作りだけでは衛星は打ちあがらない！ • • • • • • • • • • • • • 1999.11 日米会議（USSS）にてプロジェクト化決定 2000 概念検討ﾌｪｰｽﾞ (2000.11 USSSでBBMﾃﾞﾓ) 2001.2 OSSSと打上げ契約 (2002.11打上げ予定に) 2001.3 経済産業省より一般包括輸出許可取得 2001.4 PDRと詳細設計・EM製作開始 2001.5 三陸での気球実験（バス機能確認，通信実験） 2001.9 打上げ延期決定，その後何度も順延 2002頭 CubeSat完成，独自に打ち上げ手段探索続ける 2002.9-12 EUROCKOT社へ打診，モスクワ会議で打上げ決定 2003.1 EUROCKOT社との打上げ契約 2003.3 衛星登録手続き（Spacewarnと文部科学省） 2003.4～7 衛星局申請と免許取得（JARL,JAMSATの協力） 2003.6.30 ３週間のPlesetskでの作業の後，打上げ!！ ロコットによる打ち上げ 2003/06/30 18:15:26 (現地時間) XI-IV 宇宙へ！！！ （ロシアのロケットでの日本の衛星の初打ち上げ） XI-IV: 300枚以上の地球の写真を地上に送ってくれた 地球画像データ配信サービス • XI-IVから取得したデータを広く一般の人に提供し，宇 宙を身近に感じてもらうことを趣旨としたサービス • ステータス・画像をPCあるいは携帯電話へ配信 • 当初の目標を大きく上回る，約3000人の方からの登録 • 現在も募集中！ こんな小さな衛星でも ビジネス化への誘い多数 アマチュア周波数帯使用 のため実現せず しかし、可能性は明確 http://www.space.t.u-tokyo.ac.jp/ ximail/ ビジネスチャンスある！ リモセン衛星PRISM 「ひとみ」 ○サイズ：8 kg 20cm×20cm×40cm 打上げ年 衛星名 分解能 [m] 重量 [kg] 10 (pan) 1999 UoSat-12 312 32 (color) 2002 AISat 32 90 1/23/2009 H-IIAによる相 2005 TopSat 2.5 110 乗り打上げ。 2009.1.23 PRISM 8 20～30 -伸展式・屈折光学系による高分解能化 - OBC、バス、通信系、制御系高性能化 - 超小型衛星実用化に向けた標準バス 1,伸展前 2,伸展中 3,伸展完了!! Nano-JASMINE 国立天文台と共同の宇宙科学 衛星（「位置天文」ミッション） 衛星サイズ 質量 50[cm立方] 33[kg]（本体） 姿勢制御 通信速度 ミッションライフ 3軸安定方式 S帯 100[kbps] 2[年] 89年のHIPPARCOS衛星ﾚﾍﾞﾙの性能 - 高精度姿勢安定化（１秒角レベル） - 高精度温度安定化（0.1Kレベル） - FPGAベースの高機能情報系 - 通信系の高速化（9.6→100kbps) - 科学衛星用の高機能標準バス 2015年ウクライナのロケット でブラジルで打上げ 超小型衛星のビジネス ユースの開始 - 種々のミッションに対応可 能な汎用標準バス開発完了 2008.8.8 ﾍﾞﾝﾁｬｰ会社立上げ 「AXELSPACE」 WNI-SAT - ウェザーニューズ社の大気 観測・氷山観測衛星開発中 PAF, 通信機モ ジュール、スターセ ンサー等機器販売 2011打上げ予定 2013.11.21 打ち上げ成功 17 http://axelspace.com 超小型衛星実用化へ：「ほどよしプロジェクト」 ・教育・工学実験が目的：失敗しても勉強 ・S/N比、通信能力など実用に耐えられない ・試行錯誤的開発方法（時に時間かかる） ・様々な用途に応える標準化なし。一品生産 30～1000m分解能 10 kbps ・実用レベルの性能・信頼性 ・高性能で小型の機器開発 ・システマティックな開発手法 （こうやれば確実にできる） ・衛星機器・ソフト等の標準化 （様々な用途に対応） でも、「高コスト・長期開発」に ならない手法を追求 2.5～200m分解能 100 Mbps 小型衛星のサイズによる分類と用途 サイズ 名称 100～ 500kg 主たるプレー ヤー 強い国 目的 スモール 衛星関係企業 サット ベンチャー 国家機関 ｲｽﾗｴﾙ、米 国、ｲｷﾞﾘｽ、 ﾄﾞｲﾂ、韓国 リモセン、環境観測、災 害監視、情報収集、宇 宙科学 20～ 100kg マイクロ サット 大学、ベン チャー衛星の 典型的サイズ 米、ｲｷﾞﾘｽ、 大学の教育用、技術試 ﾄﾞｲﾂ、韓国、 験、実証、粗いリモセン、 JAXA（SDS) 災害監視 1～20kg ナノサッ ト 大学（最近）、 ベンチャー 日本、米国、 大学の教育用、技術試 ｲｷﾞﾘｽ、カナ 験、一部実利用（宇宙科 ダ、オランダ 学、環境監視など） 1kg以下 ピコサッ ト 大学（CubeSat、 世界中100 ＰＣＢＳａｔなど） 大学・機関 以上 大学の教育用 ほどよしプロジェクト：４つの目標 - 2010～2014 最先端研究開発支援プログラム 世界トップ水準の超小型衛星（50ｋｇクラス）を低コスト（3億 円以下）、短期間（2年以内）で開発・運用できる土台を構築 し、世界に先駆けてその効果的な利用を開拓すること １．超小型衛星に適した「ほどよし信頼性工学」や試験手法を含 めた開発プロセスの構築（サブテーマ１，６） ２．開発を支える国内のサプライチェーンネットワークの構築と 人材育成（サブテーマ２，７） ３．サイズ比の性能が世界レベルの要素機器や先進的地上局 の研究開発（サブテーマ３，４，５） ４．従来にない新しい宇宙利用法と利用コミュニティを開拓し、 衛星開発・利用産業につなげる（サブテーマ１，８） これまでの大学衛星のレベル（ピコ、ナノサット：数100m～数ｋｍ） 10 光学地球観測衛星（リモセン衛星）の重量と地上分解能 大学のマイクロサットの上限（ただし、 S/N比、ダウンリンク性能が劣る） ChubuSat-1 TSUBAME ほどよし衛星の狙い（2.5-200m, 広い範囲の分解能、観測幅に対応。高S/N 比、高速通信 < 3億円） FORMOSAT-2 8 サイズと地上分解能から見た分類 地上分解能 [m] QSAT-EOS MRES Hodoyoshi-1 6 RAPIDEYE TOPSAT Multispectral sensor Panchromatic DubaiSat-1 Nigeriasat-2 RazakSat Hodoyoshi-4 Hodoyoshi-2 4 「小型衛星」 (10-50億円） Beijing-1 DubaiSat-2 DEIMOS-2 KOMPSAT-2 IKONOS TOPSAT RazakSat DubaiSat-1 「中型衛星」 (100-500億円） QuickBird Nigeriasat-2 FORMOSAT-2 2 光学機器 開発中 (2.5m) EROS-A DEIMOS-2 DubaiSat-2 CARTOSAT-2 EROS-B KOMPSAT-2 QuickBird ASNARO IKONOS 0 0 200 400 600 衛星重量 [kg] 800 1000 1200 ほどよしプロジェクトの全体像 低コスト・サプラ イチェーン・ネッ トワーク(#2) ほどよし信頼性 工学(#1) 開発手法の実証 衛星コンポーネ ントの開発(#2) 先進的要素技術 研究開発(#3) 光学系・ﾘﾓｾﾝ画 像情報処理(#4) 衛星・機器・インフラの 機能向上・競争力強化 3億円、2年以内 サイズ比で世界 最高性能 機 器 ・ ソ フ ト の 実 証 情報発信(#7) イ ン フ ラ の 整 備 4機の開発・打上げ実証(#1) 新規ミッションの実証 利用開拓(#1) 宇宙科学ミッ ション(#8) 人材育成(#7) 地上局技術(#5) [標準化] 地上試験 技術(#6) パーソナル利用 革新的ミッション 海外顧客開拓 超小型衛星の 利用法・新規 利用者の開拓 超 小 型 衛 星 に よ る 新 し い 宇 宙 開 発 ・ 利 用 の パ ラ ダ イ ム ほどよし信頼性工学 (Reasonably Reliable Systems Engineering) 「信頼度設計等の問題設定の枠を広げ、増えた自由度も利用して全体最適を目指す」 高い信頼度・性能要求 従来の （点線）が外から与えられ 宇宙開発 ると、超高コストになる コ ほどよし思想 ス ト 問題の枠組みにコストまで ・ 工 含め、自由度を増やして 数 （信頼度要求値も含め） 超小型衛星への適用 宇宙、他分野応用目指す 1)衛星の信頼性に真に影響を与えるファクタの見極め ○システム信頼度＝設計信頼度 × 設計通りに動作する信頼度 （従来はこれだけ） （これの大小を見積もる手法構築） ○設計通りに動作する信頼度の指標として、システムの複雑さを表す 「コンテクスト数（各機器が動作する環境のバラエティ数）」を導入 ○コンテクスト数が伝搬し、場合の数が爆発するとシステムは複雑化 ⇒ 設計・製造・試験エラーが急増 全体最適化を図る 2)真の信頼性を高められる設計手法の探究 信頼度要求が増えるとコスト・ 工数は増える関係 信頼度・性能 設計戦略例 温度変化の影響を受けにくい光学系 （アサーマル・アポクロマティック） ○「コンテクスト数を少なくする、その伝播を断ち切る」設計戦術の導出 －リセット(power off-on) －熱が構造に影響しない設計 －姿勢によらない太陽発電確保 －Under Voltage Control（ﾊﾞｯﾃﾘ） －最少節点数の熱設計 －軌道上システム再構成能力,等 3)開発プロセスにおける信頼性維持手法の探究 （「プロセスアプローチ」） ○開発資源（人的含む）全体を見ての最適配分の検討：目的を明確化 －デザインレビュー会 －文書管理 －試験の最少化 ○外部企業とインターフェースを切っての契約は自由度を妨げてしまう －同一の開発チームとして協働 （SSTL, SpaceX等の成功例） －顧客とも共同で目標性能・信頼度設定（自由度が増える） ○個々のプロジェクトではなく継続したプログラムベルでの信頼性管理 －メインCPUの裏で次世代CPUの試験 －標準化で実績数を稼ぐ 開発済みの機器・要素技術の例 • 放射線に強い超小型高機能オンボード計算機 • 再利用可能・開発容易なｿﾌﾄｳｴｱｱｰｷﾃｸﾁｬ • 2.5～200ｍ分解能の小型高機能光学系（カメラ） – 50kg級衛星搭載用としては世界最高性能(2.5m) – 高精度光学系の標準化： 2.5m～5mは共通設計 • • • • • ミッション系の高速データ処理装置 高速（>100Mbps)少消費電力Xバンド送信機 ストア＆フォワード微弱電波受信機 超小型電気推進器（イオンエンジン） 超小型姿勢制御用機器 Neutralizer – 光ファイバジャイロ、リアクションホイール、磁気トルカー • デブリ化防止機構（膜展開方式）、など - ほぼすべての機器が国内で手に入る状況に - 機器技術を維持し、生産し続けられる低コストｻﾌﾟﾗｲチェーン構築 超小型イオン推進機（MIPS） KEY TECHNOLOGIES MIPS Engineering Model 低電力（１W）マイクロ波プラズマ生成 微細加工グリッドからの高効率イオンビーム 中和用電子放出の最適化 REMARKS 世界初の超小型衛星用イオン推進システム モジュール化された推進システム 低軌道400km以上の高度遷移能力(50kg衛星) MIPS Firing Test Neutralizer MIPS specifications 電気推進 推力電力比(mN/kw) 高電圧、超小型化、マ イクロ波の効率化、シ Ion beam source ステム技術 80 70 60 50 40 30 20 10 0 MIPS 0 200 400 600 質量 6 kg (incl.1kg Xe) 体積 39×28×16cm 消費電力 20-30 W (TBD) 推力 260 μN 比推力 1170 s 総インパルス 12 kNs デルタV 240 m/s (50kg S/C) 800 高分解能カメラ (4号機用) 口径15cm，重量3.5kgの小型望遠鏡で地上分解能5mの観測を実現 可視光3バンドに加えて，植生観測に有効な近赤外バンドも観測 2.5m分解能への拡張が容易なスケーラブルデザイン 27km×240km 5m GSD 熱変形抑圧、 撮像素子感度、デ フォーマブルミラー、 システム技術 項目 仕様 GSD 5～7m 刈幅 20～28km 撮像方式 プッシュブルーム 焦点距離 1000mm F値 6.7 先進的要素技術の研究：展開構造 展開構造のためのシンプルで信頼性のある展開デバイス シンプルで信頼性のある保持・解放機構（HRM） ラッチ付き小型バネヒンジ ほどよし3・4号機で宇宙実証 その他，別タイプのラッチ 付きバネヒンジやインフ レータブル展開構造物用 SMAバルブの宇宙実証 熱変形抑圧、 真空潤滑、構造・展開 膜等の素材、展開の 信頼性、システム技術 SAP側 金具 衛星本体 SAP 【ラッチ付き小型 バネヒンジ】 【HRM (ワイヤカット方式) 】 衛星本体 ワイヤ バネ付き カンヌキ ラッチ バネ SAP －その他－ ラッチ ガスタンク 進展 【ラッチ付きバネヒンジ#1】 【ラッチ付きバネヒンジ#2】 ニードル SMA 【インフレータブル展開用 SMAバルブ】 耐放射線ｺﾝﾋﾟｭｰﾀ・搭載ｿﾌﾄｱｰｷﾃｸﾁｬ • SOI-SOCを活用した対放射線性の高い搭載計算機の開発 – 質量：1370g サイズ：156×153×85.6mm – 緊急コマンドによるリセットに対応 – FPGAの活用により周辺機器インターフェースを 柔軟に変更可能 • RS422 TRX 20ch, LVTTL IO 16ch Thermal Sensors 16ch, AA 8ch • 開発を容易化するソフトウエア アーキテクチャ – 宇宙環境シミュレータ – ハードウエアインザループ環境 – メインOBCのソフト開発＋検証が 容易に – 過去のソフト資産の転用が容易に – 以上を「ソフト開発キット」化 耐放射線技術、高速処理化、 ソフトウエア、検証技術 インフラの整備 打ち上げロケットの機会獲得 H-IIA 地上局・運用管制局 • C/Xバンドパラボラ、UHF/Sバンド通信装置整備 • 九州大学（２．４ｍ）、大樹町（３．８ｍ）アンテナ • 地上局をネットワーク化・運用手法の整備 DNEPR CYCLONE ROCKOT PSLV Space-X 九州工大、早稲田大に 地上試験装置を総合的に設置 One Stop試験設備 国際標準化（ISO） 新たな試験手法の開発 破砕・リーク試験 （超小型衛星試験標準化） シングルイベント試験 国際標準化ワークショップ 衛星開発現況 ～ほどよし１号～ ンョシッミ 撮影方式 地上分解能 ドンバ ノイズ信号比(太陽高度 60度 アルベド 0.5) 刈幅 最大連続撮影距離 トッビ深度 軌道 軌道種類 衛星基本スペック ズイサ 質量 トーレクンリンウダ 発生電力 姿勢制御 2014年にロシアのDNEPRロケットで打ち上げ プッシュブルーム 6.8[m] B(450-520[nm]), G(520-600[nm]), R(630-690[nm]), NIR(780-890[nm]) B(57), G(74), R(80), NIR() 27.8km 179km 12bit 太陽同期軌道 60 x 60 x 60[cm]以内 60[kg]以内 10-20[Mbps] 50[W] 三軸制御（地球指向） ほどよし１号 FM完成(2012.10) DNEPRロケット(at Ukraine) 6.8mGSD光学系 ほどよし２号（RISESAT) 国際公募による搭載 機器（7ペイロード） サイズ High Precision Meteor counter 50cm立方 Telescope- HPT - DOTCam 55kg (Taiwan/Vietnam) (Taiwan(NCKU)) 通信系 S-band 38.4kbps X-band 2Mbps 発電電力 100W 姿勢制御 三軸制御 < 0.1° ロケット H-IIA Ocean Observation Camera - OOC (Tohoku University) Camera Instruments TriTel – 3D Dosimeter (Hungary) TIMEPIX – Particle counter (Czech) SDTM – MEMS Magnetometer (Sweden) Sensor Instruments 衛星開発現況 ～ほどよし3,4号～ ほどよし３号 寸法 重量 運用軌道 姿勢制御 電力 ほどよし４号 バス機器、構造、ソフ ト等の標準化を追及 通信 軌道制御 ﾐｯｼｮﾝ ほどよし３号 ほどよし４号 0.5×0.5×H0.65m 0.5×0.6×H0.7m 60kg 66kg 高度約600km 円軌道 太陽同期、降交点地方時10時～11時 地球指向３軸制御 太陽電池：２翼固定ﾊﾟﾄﾞﾙ＋ﾎﾞﾃﾞｨﾏｳﾝﾄ５面。 発生電力：最大約100W 消費電力：観測時平均：約50W 28V非安定バス。一部5Vバスも供給 蓄電：5.8AHリチウムイオンバッテリ ﾃﾚﾒﾄﾘ・ｺﾏﾝﾄﾞ：Sバンド ｺﾏﾝﾄﾞ:4ｋbps、ﾃﾚﾒﾄﾘ:4/32/64ｋbps ﾐｯｼｮﾝﾃﾞｰﾀ ﾀﾞｳﾝﾘﾝｸ：Xバンド10Mbps （4号機は100Mbpsも実験） ﾃﾞｵｰﾋﾞｯﾄ用 実験・ﾃﾞｵｰﾋﾞｯﾄ用 H2O2スラスタ イオンエンジン 中分解能光学カメラ 高分解能光学カメラ GSD：40mと200m GSD 5-6m級 機器実証 高速X帯送信機 イオンエンジン Store & Forward, 機器搭載スペース ２機のヘテロ・コンステレーション 2014年 DNEPRロケットで打上げ予定 完成したほどよし３号(左）および4号のフライトモデル（FM) 超小型衛星で何ができるか？ • コスト（<3億）、開発期間（＜1.5年）の爆発的な低下に より、「しきい」を根本的に下げる。 ①地球規模で衛星を分散配置し頻繁に見る（ｺﾝｽﾃﾚｰｼｮﾝ） ②パーソナル衛星、マイ衛星の概念（パソコンと同様の革命） ③そばを飛ぶ複数機による共同ミッション（ﾌｫｰﾒｰｼｮﾝﾌﾗｲﾄ） ④本格的ミッションの前の試行実験・実証がしやすい ⑤新興国への教育的支援とあわせた市場開拓 電波 位相差 基線長 衛星１ 衛星２ 干渉計測 多点同時計測 ステレオ視 フォーメーションフライト ｺﾝｽﾃﾚｰｼｮﾝ ←2.5m 6m→ 30m 合成した立体写真 高頻度観測の農林水産業への応用の可能性 • 農作物の日々の変化の把握 – 小麦は収穫日の良しあしで２０％程度収量変化 – 施肥、水まき、刈り入れなどのタイミング図る – 作物の健康度合いのチェック • 森林の管理データ（森林簿等）取得 – 木の種類をスペクトラムで識別（いい時期で） – 災害後の状況の把握、松枯れなどの病気監視 – 桜前線・紅葉・雪形の変化の把握 • 水産資源の発掘と管理 – 水温分布の調査で漁場の探索 – 早期赤潮警報により養殖漁場の退避 国の広域監視ネットワークのさらなる多数衛星化 多数のマイクロ衛星: - 中程度～粗い可視画像 (2.5 - 200m) - 数による頻繁な観測 (数時間から１日1回程） - 可視以外は難しい Command マイクロ衛星の貢献 - 低コスト（１機5億円程度）により 多数のコンステレーションが可能に - インフラを作った後、定期的に数機 を新しいセンサーでリプレイス - Leader-follower ペアによる広域 観測と詳細観測の両立 - 海外への衛星売り込み時に衛星開 発のキャパビル支援もペアで 撮るべき領域を 高解像度で取得 - 詳細情報 - 雲のない場所 - 興味ある場所 数機の小型衛星: - 高解像度 (submeter – 2.5m) - 可視、SAR、ﾊｲﾊﾟｰｽﾍﾟｸﾄﾗﾙ 衛星数の増大は必須。増え るとさらに魅力が増す STORE & FORWARDミッション • ほどよし3，4号機用に受信機開発：UHF(400MHz), 1W, 1kbps – 複数の準同着の信号（微弱）をどう分離するかがキー技術 • 利用実験予定 – ｲﾝﾄﾞﾈｼｱ、ﾏﾚｰｼｱ、ﾌｨﾘﾋﾟﾝ他、東南アジア海域運航の船舶における 海陸間通信 – 北極/南極圏の氷河、流氷観測（以上はいずれも船会社と連携） – 立ち入り制限区域や監視員の常駐が難しい地域における環境モニタ リング（特に福島地区での放射線モニタリングを計画。日本・ウクライ ナ連携の一環）、他 河川, 湖沼などにおいた水位センサー情報を衛星で 集める国際ネットワーク構築中 （22カ国と連携） Water Level ‐携帯電話通信網のない国々での利用 ‐世界中で同じ方式でのデータ取得可能 利 原子力事故とその後の対応を推進するための ほどよし超小型観測衛星コンステレーションによる 用 例 福島・チェルノブイリ周辺環境の国際共同モニタリング 日本の主力観測衛星「だいち」が昨年５月に機能停止。情報収集衛星は稼働中だがその観測データは3.11の様 な国家的大災害でも公開されない。一方、東京大学中須賀研究室では最先端技術開発Firstプログラムで超小型 衛星ほどよし1,2,3,4を開発中で、これらは来年打ち上げられる。超小型衛星の簡単・安価・短納期などの特長を生 かして、大災害にすみやかに対応して被害や復旧のモニタリングの ための観測衛星コンステレーションを構成できる。 2010年10月ウクライナの宇宙庁傘下の機関や企業とほどよし 衛星の利用実証の協力協定に調印。 2011年の3.11災害のため、外務省や東日本大震災復興推進会議 関係者の示唆もあり、観測対象を福島とチェルノブイリ周辺とし、 ウクライナ側にチェルノブイリの知見の協力を依頼。 2012年6月18日キエフのウクライナ宇宙庁にて科学アカデミー やリモセン関係機関と打ち合わせを行い、チェルノブイリ周辺の 予備解析結果を交換して共同作業がスタート。 2012年７月26日外務省主催の第1回日ウクライナ原発事故後協力 合同委員会にて、共同実証やその後の専用衛星「ふくしま」による 観測案を講演。 →「両国は，東京大学が，ウクライナ宇宙庁を始めとする関係機関と の間で進めている福島/チェルノブイリ共同衛星観測プロジェクトを歓 迎し，ウクライナ側から，同プロジェクトの実現に向け包括的に議論を 搭載機器スペース（Hosted Payload) • ほどよし3，4号で4個のスペース(10cm立方）を用意 • 公募により２個は決定：民間企業との共同利用実験（ビジネ ス試行実験）を計画中 • 多くの潜在ユーザー・利用法開拓済み（将来の顧客候補） – – – – 自社製品の打ち上げによる宣伝（「宇宙で動作する品質」） 記念品の打ち上げビジネス 工学実験（宇宙環境利用）、宇宙観測機器搭載による宇宙科学 宇宙アウトリーチへの活用、他 ②パーソナル衛星：潜在顧客の発掘の重要性 中・大型衛星ではなくとも、宇宙でやれることはたくさんある 高コストの時には現れなかった潜在需要 • • • • • • • • • • • すでに 開発 ------------------------------------------------------------------------------------------------------教育関連会社（画像等を宇宙の教材に） ---------------------------------------------------地方公共団体（衛星作り自体が青少年の 理科教育に。災害時の空からの画像、通信機能欲しい） ------------------------------------------------------------機器メーカー（会社製品の宇宙利用で宣伝にしたい） アマチュア天文家（自分達で専用に使える宇宙天文台） 気象予報会社（独自のコンテンツ欲しい） （→WNI衛星） 宇宙機関・企業（技術の早期実証と若手の技術訓練）（→XI-V) 宇宙科学者（観測機器の実証、簡易型の宇宙観測に）（→NJ) コンピュータにおけるダウンサイジング、パソコン化による利用爆発の波を宇宙に! 海外への展開（市場開拓）を目指して（１） - CanSat Leader Training Program (CLTP) - CanSat教育の手法を新興国の教育者層に 伝授(1ヶ月のコース） - CLTP1 (和歌山大、2011,2～3月) CLTP2 (日本大. 2011,11～12月) CLTP3 (首都大東京、2012,7～8月) CLTP4 (慶応大、2013､7～8月） CLTP5 (北海道大、2014年） 参加国：Algeria, Australia, Egypt, Guatemala, Mexico, Nigeria, Peru, Sri Lanka, Turkey, Vietnam, Indonesia, Malaysia, Ghana, Singapore, Mongolia, Thailand, Namibia, Lithuania, Israel, Philippines, Brazil, etc. 宇宙開発の最初のステップを伝授することで、「日本びい き」を育て、長い連携を目指す。 海外への展開（市場開拓）を目指して（2） - Mission Idea Contest (MIC) 50kgクラスの衛星の利用アイデアと 衛星設計を募り、優秀作品は日本 での最終発表会に招待 – 第1回（2011/3 , 24カ国62件） – 第2回（2012/10,29カ国74件） – 第3回 現在実施中 • 目的：新興国を中心に超小型衛星 のニーズを開拓するとともに、教育 支援を行うことで、日本との連携を 構築する。 http://www.spacemic.net CLTPおよびMICにより構築された 宇宙教育の連携ネットワーク（合計38カ国） : CLTP participant (33) : MIC coordinator (21) 5th Nano-satellite Symposium(2013.11) には47カ国から260名参加 「ほどよしPJ成果」の適用事例 • ベトナム若手技術者の教育衛星 – ODA予算で2013年から日本で合計36名受入れ – 2016年に完成を目指して、超小型衛星開発教育 • カザフスタン（５名）教育中 • ブラジル、ウクライナ、モンゴル なども計画 • 深宇宙探査機「PROCYON」 – 2014年末に「はやぶさ２」相乗り決定 – 59kg。超小型衛星の深宇宙探査技術の実証。 小惑星の写真を高相対速度で撮影。 産業化・ビジネスに向けての重要点 • 衛星は数が出ないと産業にならない – まず利用を開拓し、利用側の費用で衛星を大量に作れる世 界を（数10機オーダー）：それでも機器全体で50億円程度 – 数10機ｵｰﾀﾞｰのｲﾝﾌﾗを多社でｼｪｱして利用するのがいい • 衛星のバス系ではなく、ミッション技術が勝負 – バスはいろいろやり方あり。付加価値はつきにくい。やがて、 キット化してつなげば動く状況に（ｵｰﾌﾟﾝﾓｼﾞｭﾗｰPC化）。 – 顧客のミッションを具体化し、それを衛星システムに落とす SE的仕事は残る。 – ミッション系は高機能・一品生産品として高付加価値 • 利用は大きな産業化の可能性 – 準リアルタイムの情報利用、ビッグデータ、携帯ユーザーの ような薄利多売（月100円×莫大数）：アイデア次第 SKYBOX Imaging 社：100kg以下で１ｍ分解能実現！ E-MAIL 日付・学会名 E-MAIL 日付・学会名 損益分岐ライン？ • 1機打ち上げ費用込みで約40億円。４年の運用 を想定。運用・データ処理・分配費は無視。 • １機の衛星で降ろせる枚数。１０回（キルナ）の 運用チャンスｘ１０分で１００分。１００Mbpsでお ろすと、 ７５Gbyte/day のダウンリンク量 • １枚が4000×4000（1m分解能だと4km四方）、 ６バイト/pixelとすると、96MB/image • 1日に１衛星から降りる枚数は781枚 • 40億円/4年/365日/781=3500円/枚 が分岐 （ただし、フルで客がついてそれらがすべて欲しいところのシャッ ター権を取れた場合） アメリカでの小型衛星シンポ(2013)より • Cube/Nano/Microsatelliteの重要性を認識し、科学ミッ ションを割り当てはじめている。 – Astrophysics、Heliophysics, Planetary, Earth Scienceを対 象 （Decadal Surveyの結果を反映） (KECK Institute Space Studies) – ３UのCubeSatでも深宇宙等のミッションを計画（INSPIRE) – ミッションはNASA-大学で連携で実施。連携強化も • そのための技術開発を大学と連携して開始 – – – – 得意技をもったいくつかの大学にグラント 要素技術、地上運用技術等のインフラを整備 Swarmでの観測を強調（衛星間クロスリンク:EDSN) 軌道上で大きな口径を較正(AAReST) 超小型衛星で「しきい」を下げる！ • 「利用」が大事だが、そう簡単に広がらない • 「宇宙部落」から出る利用のアイデアは限界 • キーコンセプト：「宇宙で何かをやろうと考える人 の数を１００倍にしよう」 • キーは、「しきい」を根本的に下げること – 「しきい」が高すぎる。１００億が3０億になっても彼方 の世界であることに代わりはない。 – 5，6年も衛星も待つのではビジネスチャンス・実験 観測機会逸する。 – 「良い宇宙利用のアイデア」が多くの人の頭から生ま れ、そのうちのいくつかが実現される世界へ Nano-Satellite（超小型衛星） = Lunch Box（お弁当） for Japanese People [email protected] http://www.space.t.u-tokyo.ac.jp ④お試し衛星 • 地震予知に使えないか？ – 電磁波による電離層の乱れと地震との相関を調 べる衛星はある（QuakeSat、DEMETER等） – どんな情報が地震と相関があるか、試行の必要 – 複数情報のヒュージョンで確率高い予測を • Ground Truthとの相関を広く調べる必要 – どのバンドで見れば何がわかるかを研究し、実験 して絞りこんでいく必要。汎用的なバンドの地球 観測衛星を打ち上げて「使ってください」はだめ！ – ハイパースペクトル、可変波長ﾌｨﾙﾀｰなど活用 – 研究者層の充実も大事。宇宙科学の例（宇宙研） 産業としての宇宙（日本の課題） • 官需が92％：3000億円しかない機器産業規模 – 年１機の衛星、年１～2機のロケット – 海外に売れているのは一部の機器（価格と信頼性のバラ ンスのすぐれた機器、Only oneのミッション機器など) • 一方、利用産業は数兆円のオーダー（GPS、BS等） – しかし、利用者は日本の衛星・ロケットを使わない • 高い、納期が遅い、実績が乏しい – 画像利用などは、まだまだ利用産業が育っていない • 中小企業は脱落（ここ数年で50数社やめる） – 単価は高いが、数が出ない。収入が安定しない – 技術の鍛錬や「見せ筋」としていいが、儲からない • 重要な技術は輸入が多い（赤外線ｾﾝｻ、原子時計） 東大CubeSat”XI（サイ）”の概要 ●構造 10cm 立方, 1kg, アルミニウム（A7075） ●メインCPU OBC 記憶装置 PIC16F877 4MHz（ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑﾒﾓﾘ 8k, RAM 368) EEPROM 32k + 224k ●通信系 ﾀﾞｳﾝﾘﾝｸ ｱｯﾌﾟﾘﾝｸ ﾋﾞｰｺﾝ 437.490MHz, FSK, AX.25, 1200bps, 800mW 145MHｚ帯, FSK, AX.25, 1200bps 436.8475MHz, CW, 100mW ●電源系 バッテリ 太陽電池 バス電圧 リチウムーイオン（ﾏﾝｶﾞﾝﾀｲﾌﾟ）, 8 並列 単結晶シリコン, 60 セル 5V ●姿勢制御 永久磁石を用いた受動制御 ●搭載センサー 電圧、電流、温度、カメラ “XI-IV” 外観 太陽電池 アンテナ留め具 アンテナ カメラ穴 外部チェック用装置 photo: XI-IV (Flight Model) XI-IV内部構造 通信系 電源系 情報処理系 カメラレンズ マザーボード ｲﾝﾀｰﾌｪｰｽ ｺﾈｸﾀｰ メインマイコン フライトピン XI-III (EM model) 大学衛星ラインアップ(2003～2012） As of May 2012 XI-Vでの「迅速な宇宙実証」の実験 • JAXA開発の新型太陽電池の軌道上耐久試験 •CIGS Cu(In,Ga)Se2 （JAXAによる宇宙転用） •効率 ～16% •Voltage(open) 7.5V Current(short) 165mA •10 serials * 1 parallel * 1 surface •メリット: •長期の耐久性・信頼性 長時間の宇宙環境での •高い放射線耐性 動作を調べ、放射線耐 性を調査し、宇宙実績 •GaAs （民生太陽電池） を作る(世界初） •Efficiency ～ •2 serials * 1 parallel * 3 surfaces •PRISM搭載に向けて事前実証 世界初の成果を上げつつある !! 進展型の屈折式光学系 Required Features: (1) Robustness to manufacture error (2) Rapid suppression of oscillation (3) Same shape after deployment (4) Focusing using captured images Spring rod String Study about extensible structure - idea & design - modeling - experiment Ground Test using Parabolic Flight Google地形図 PRISM画像 Google画像 ARLISS (A Rocket Launch for International Student Satellites) - アメリカの砂漠でのCanSat打ち上げ実験会 ARLISS 1999：Sept. 11 (Japan:2, USA:2) Univ.of Tokyo, Titech, Arizona State, etc. ARLISS 2000: July 28-29 (Japan:4, USA:3) ARLISS 2001: August 24-25 (Japan:5, USA:2) ARLISS 2002: August 2-3 (Japan:6, USA:3) ARLISS 2003: Sept.26-27 (Japan:6, USA:3) ARLISS 2004: Sept.24-25 (Japan:6, USA:3) ARLISS 2005: Sept.21-23 (Japan:7, USA:3) ARLISS 2006 Sept.20-22 (Japan:8 USA:3 Europe:1) ARLISS 2007 Sept.12-15 (Japan:10 USA:3 Korea:1) ARLISS 2008 Sept.15-20: 10th Memorial ARLISS ! ARLISS 2009 Sept.15-19 (Japan:11 USA:3 Korea:1) ARLISS 2010 Sept.13-17 (Japan:15 USA:2 Korea:1) ARLISS 2011 Sept.12-16 (Japan:15 USA:2 Korea:1) ARLISS 2012 Sept.10-14 (Japan:13 USA:2 Korea:1) 打上げ：MOM (Multiple Orbit Mission) ROCKOT 打上げ 日時：2003 6/30 23:15:26 (JST) 場所: Plesetsk 軌道: 830km SSO Launch Vehicle Provider Eurockot other satellites 60kg級 Separation System Developer CalPoly CubeSat & Separation System Developer U of Tokyo CubeSat Developer Standford Univ. U of Toronto Aalborg Univ Denmark T. Tokyo Inst. Tech. 上段ロケットBREEZEｰKM により８個の衛星を順次分離 スーツケースで運ぶ衛星 （小さな衛星のメリット！） CubeSat XI-V Exportation @ Tokyo-Narita Airport, May, 2005 ほどよし衛星搭載用光学系技術（1号機用) 衛星搭載光学系 温度変化に対して頑強な光学設計 刈幅27.8km 画素あたり6.7mの望遠鏡 可視近赤外４バンド観測、SN比100以上 アサーマル・アポクロマティック lens metal glass dn / dT / n 1 分光系＋検出器 高精度分光フィルタとCCDの組み合わせ 超小型衛星を用いた長尺撮像を可能 NIRバンドは重複観測による超解像観測 光学フィルタとラインCCD NIR Filter RGB Mono CCD CCD 可視画像 NIR画像 光学材料の組み合わせにより、金属の 熱膨張に相当する焦点距離を実現 耐放射線、耐振動性を考慮 ４波長 観測用 CCD検出器 アサーマル・アポクロマティック（熱で歪まない）、ミ 2014年度打ち上げ「ほどよし1号」搭載 ラー・レンズ技術、フィルター、高感度CCD・CMOS PRISM外観 受信用モノポールアンテナ 送信用ターンスタイルアンテナ 太陽電池パネル メインカメラ受光素子 伸展ブーム望遠鏡 サンセンサ 光学レンズ 送信用ダイポールアンテナ ２００９．４．１７ メキシコ海岸線 Nile River
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