南極観測支援衛星「はやて」の概念設計

Concept Design of HAYATE: Small Satellite for Supporting Antarctic Observation Researches

平成１０年度 東京工業大学 狼研究室

(1) Introduction : 背景／提案するミッションの意義／期待される効果

(2) 各ミッションの概要 : 昭和基地－日本間高速データ伝送ミッション ／南極氷床上プローブデータ収集ミッション

(3) 衛星の概要 : 各サブシステムデザイン

(4) まとめと課題 : ミッションのまとめ／コストパフォーマンスの評価 ／応用

発表の流れ

背景Introduction

地球環境の最重要モニタリングサイト：南極域

・観測環境は充分か？ 観測データなどの情報伝達手段は不足

・無人観測プローブを用いた 広域かつ持続的な観測

広域氷床流動などの観測を可能とするがデータ回収なども問題となり実現していない

ミッション提案

(1) 南極昭和基地から日本地上局への 高速データ伝送ミッション

(2) 南極氷床上プローブからの 観測データ収集ミッション

以上のような背景をもとに、 50[kg] 級小型衛星による 2 つの衛星ミッションを提案する。

Introduction

期待される成果

(2) 広範な地域に配置したプローブ から 定期的に観測データを回収

(1) 年間を通じて多量のデータを南極から日本に送信

(3) 超小型のピギーバック衛星の学生主導による設計、製作、運用　　　

南極観測態勢の強化、極域研究環境の向上

南極上における氷床流動などの広域環境変動の実証的な手掛かりを得る

開発・運用コストの大幅な低減。研究者に対する無課金サービス

Introduction

南極基地－日本局高速データ伝送ミッショ

ン

ミッションの概要

・昭和基地→衛星→日本局の データ伝送 (Store and Forward)・通信周波数 :S バンド

UpLink:2.67[GHz] DownLink:2.52[GHz]

・通信速度： 6[Mbps]

・データ伝送量 １ 日： 300[MByte] 以上 年間： 100[GByte] 以上

・受信データはネットワークを通じて 各研究機関に公開

昭和基地地上局

東京工業大学地上局

国土地理院

各大学

極地研究所

]GHz[67.2:UpLink

]GHz[52.2:DownLink]Mbps[0.6:DataRate

]Mbps[0.6:DataRate

・想定する地上局

南極基地 (UpLink 側 ) アンテナ径： 2[m] ～ 出力： 30[W] ～

実効放射電力： 46[dBW] ～ 衛星追尾機能

日本局 (DownLink 側 ) アンテナ径： 2[m] ～ 衛星追尾機能

以上の条件を備える局であれば、場所、国籍を問わずに送受信が可能。

南極基地－日本局高速データ伝送ミッショ

ン

ミッションの概要

・プローブ→衛星→地上局 のデータ伝送

・通信周波数 UpLink:400[MHz](UHF バンド ) DownLink:2.52[GHz](S バンド )

・通信速度 UpLink:19200[bps] DownLink:6.0[Mbps]

・受信データはネットワーク を通じて各研究機関に公開

東京工業大学地上局

国土地理院

各大学

極地研究所

]MHz[400:UpLink

]GHz[52.2:DownLink]Mbps[0.6:DataRate

]bps[19600:DataRateプローブ群

ミッションの概要南極氷床上プローブデータ

収集ミッション

・データ受信方式 ：時分割多元接続 (TDMA) 各プローブは GPS 受信データを 用い、時間同期を取り、 TDMA を実現

・１データバースト 送信時間： 5.0[sec] データ量： 12.0[KByte] 以内 ガードタイム :1.0[sec]

・プローブのテレメトリデータ ： GPS 受信データ ：気象データ

P 1P 2 P 3 ･･･

P 20

12

3

20

20

南極大陸

TDMAフレーム

TDMAフレーム

TDMA (120[sec])フレーム

1 2 203

(1.0[sec])ガードタイム

N

プリアンブル データ

5.0[sec](12[KByte])

データバースト

ミッションの概要南極氷床上プローブデータ

収集ミッション

・プローブ：南極上に複数配置され長期にわたる無人観測を行う。

・取得するデータ： GPS データ（氷床流動の解析）

：地震計データ ：気象（風向、風速、気圧、気温 etc）データ

ミッションの概要

・ GPS データ取得を主とするプローブ ：データ通信 , 電力供給の点で実現していない

データ通信 本衛星の利用

電力供給 太陽電池とバッテリの併用

・今回設計したプローブ

南極氷床上プローブデータ収集ミッション

太陽電池の発生電力： 3.85[W]

通年にわたる無人観測が可能

ミッションの概要

バッテリ： 12[V]/100[Ah] を 12個並列で使用消費電力（平均）： 2.1[W]

・プローブ電力設計

・プローブ設計指針南極の気候（極低温 , 地吹雪 , サスツルギ etc）等の機器に対する影響を考慮

日本の極地観測の経験 , AWS の実績をベース

南極氷床上プローブデータ収集ミッション

衛星の概要 軌道・ミッション要求 ALOS（陸域観測技術衛星）に近い軌道を検討 ：準極軌道 ：中低軌道 ：準回帰軌道

軌道決定

軌道種類 円軌道・準回帰軌道・準極軌道（運用開始時）軌道高度 約 700[km]

軌道半径 約 7080[km]

軌道傾斜角 約 98.0[deg]

軌道周期 約 1.65[hour]( 約 99 [min])

　回帰日数 N 約 16日　回帰までの周回数 n 233

日本上空赤線部分が通信可能領域

南極上空青線部分が通信可能領域

衛星の概要 軌道

衛星の各サブシステム衛星の概要

通信系

S-Band送信機

S-Band受信機

UHF-Band受信機

C&DH系

オンボードコンピュータ

データレコーダ

GPS用アンテナ 受信機

GPS系

姿勢制御系

磁気トルカ× 2

姿勢制御回路

地球地平線センサ

3軸フラックスゲート磁気計

2軸デジタル太陽センサ

熱制御系

構体系太陽電池 シャント

電力制御器

バッテリ

各サブシステム

電源系

UHF-Bandアンテナ

× 4

UHF-Bandダイプレクサ

UHF-Bandカプラ

コマンドデコーダ

S-Bandアンテナ

S-Bandダイプレクサ

アンプ

移相器

S-Bandカプラ

S-Bandアンテナ

S-Bandアンテナ

S-Bandアンテナ

アンプ

移相器

アンプ

移相器

アンプ

移相器

・ S バンド用アンテナ：カップ付き広帯域 MSA 最大利得： 7[dBi] 以上 , ビーム幅：約 60[deg]

データ通信量を 増加させたい

解決策としてアンテナのスタックによるビームの合成を提案

MSA を 4個スタック、ビームの合成によりビーム幅を 120[deg] に拡大

M S A

B eam W id th : 120 .0 [d eg ]B eam W id th : 60 .0 [d eg ]

M S A

30[d eg ] 30 [d eg ]

衛星の概要 各サブシステム 通信系

・ UHF 用アンテナ：ターンスタイルホイップアンテナ

・衛星通信システム全体

O B C

T elem etryC o m m a n d

S u b S y stem s

U H F -B a n dA n ten n a

(R ece iv e o n ly )

S -B an d

D IP

S -B an d

R X

S -B an d

T X

C M D

D /R

U H F -B a n d

R XU H F -B a n d

C P RU H F -B a n d

D IP

S -B a n dA n ten n a

P C B A M P

P C B A M P

P C B A M P

P C B A M P

S -B an d

C P R

P C B :P h ase C on verter

R X :R ece iverT X :T ran sm itter

C M D :C om m an d D ecord er

D IP :D ip lexer

C P R :C ou p ler

D /R :D ata R ecord er

O B C :O n -b oard C om p u ter

衛星の概要 各サブシステム 通信系

A B C周波数［ＧHz］ 2.52 2.67 0.4送信機の出力パワー［W］ 10.0 30 5送信アンテナの半値幅［deg］ 60.0 3.93 ―送信アンテナのゲイン［dB］ 3.99 32.4 0送信機の実行放射電力［dBW］ 12.9 45.9 5.99受信アンテナの半値幅［deg］ 4.17 60.0 ―受信アンテナのゲイン［dB］ 31.7 3.99 0データレート［Mbps］ 6.0 6.0 0.0192Eb/N0［dB］ 12.3 13.3 11.5ビットエラー率 710 710 510

要求Eb/N0［dB］ 5.6 5.6 4.5マージン［dB］ 5.7 6.7 6.0

　　　　　　　A:衛星から日本地上局へのDownLink（Sバンド）、B:昭和基地から衛星へのUpLInk（Sバンド）、C:プローブから衛星へのUpLink（UHFバンド）

すべて 3[dB] 以上のマージンを実現

・回線設計：各通信ミッションの条件に応じて回線解析

・誤り訂正符号：畳込み符号／軟判定ビタビ復号

衛星の概要 各サブシステム 通信系

３軸安定方式(２軸：能動制御、 1軸：受動制御 )

・ロール、ピッチ軸制御 ：磁気トルカを使用

±2[deg] の姿勢指向

・ヨー軸制御 ：ホイールダンパー

定常的なスピンを除去

・重力傾斜安定方式

・地磁気安定方式

：重力傾斜ブーム：磁気トルカ：ホイールダンパー：地球水平センサ , 太陽センサ , 磁気センサ

・ハードウエア

衛星の概要 各サブシステム 姿勢制御系

・姿勢制御ブロック図

衛星の概要 各サブシステム 姿勢制御系

S p a c e c ra f tD y n a m ic s

dyTcyT

dxT

dzT

P D C o n tro le r

E S N

M T Q Y

Mag

neto

met

er

zB

D S S

P D C o n tro le r

E S N

M T Q XzB

zyx BBB ,,B

cxT

: E a rth H o riz o n S e n so r

: D is tu rb a n c e to rq u e sdzdydx TTT ,,

: C o n tro l to rq u e s

: D e g ita l S u n S e n so r

cycx TT ,

E S N

D S S

M T Q : M a g n e to rq u e r R o d

・モデル

・解析手法：ネットワーク法

・使用した熱制御素子：多層断熱材 , 断熱スペーサー , 黒色ペイント

以上の結果より各機器が正常に作動することを確認

１ ２

３

４

５

６

７

８

９

10

11

12

13 14

1516

17 18 19

20

21

22

23

24

（外壁）

（外壁）

１ 2

3

23 24

4

5

6

7

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9

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12

20

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1314

15 16

1718

19

23 23

24 24

節点番号123

54

6789

12

1011

131415161718192021222324

低温最悪温度（℃）18.023.48.03-6.10-7.68-4.97-4.57-7.18-4.94-4.33-4.89-4.95-4.31-4.39-4.89-4.84-4.94-4.93-4.94-5.48-4.95-4.95-12.6-12.6

高温最悪温度（℃）3.038.42-7.0014.719.915.92.002.6315.93.6615.915.93.682.8915.916.016.015.916.015.015.915.94.634.63

衛星の概要 各サブシステム 熱制御系

・電力供給：ボディマウントの太陽電池（ GaAs）でまかなう。

・衛星電力要求： 18.5[W]（平均／マージン 10％）

・太陽電池セル総発電能力： 48.1[W]（寿命末期）

・バッテリ容量： 86.4[Wh]（ 1.2[V], 6[Ah] のセル 12個）

4 年程度の衛星寿命が見込まれる。

衛星の概要 各サブシステム 電源系

各サブシステム 構体系

・衛星総重量： 41.0[kg]内訳 構造部 ： 7.3[kg] 搭載機器 ： 25.4[kg] 計装類総計＋マージン： 8.3[kg]

・機構部固有振動数： 182.0[Hz]

・打上時負荷最大縦荷重：安全係数 1.5 以上を確保

H- AⅡ ロケット搭載のためのピギーバック衛星

インターフェイス条件をクリア

衛星の概要

はやて概観

H -IIA I /F

太陽電池セル

M S Aホイップアンテナ

太陽センサ

太陽センサ

地球センサ

重力傾斜ブーム

ティップマス

衛星の概要

はやて概観衛星の概要

GPSアンテナ

地球センサ

TIP　 MASS

ブーム

太陽センサ

磁気トルカ

ブームケースGPS受信機

太陽センサ回路部

太陽センサ

磁気センサ

磁気センサ回路部

磁気トルカ回路部

オンボードコンピュータ

データレコーダ

アンプ位相器

UHF受信機Sバンド受信機

レギュレータ

マイクロストリップアンテナ

UHFターンスタイルホイップアンテナ

バッテリー

ホイールダンパ

(1) 南極昭和基地から日本地上局への 高速データ転送 ( 年間 100Gbyte)

・本衛星が行うミッション

(2) 無人観測プローブデータの広範囲自動取得

まとめと課題 結論

応用

他のミッションへの応用

・沖の鳥島など離島やヒマラヤなど高山部への プローブの設置／衛星を用いたデータ転送。

・南極氷床上観測隊の緊急信号中継処理

沖の鳥島 東海道、南海道地震の原因となるフィリピン海･･･ プレートの安定部分にある唯一の島。

まとめと課題

はやてと他の非静止衛星とのコストパフォーマンスの比較

・複数ミッションを組み合わせる事でより高いコスト パフォーマンスを実現可能

まとめと課題

IRIDIUM ODYSSEY ORBCOMM TELEDESIC はやて[kg] 重量 689 1334 40.4 750 41

衛星数 66 12 28 288 1[km]軌道高度 780 10354 730 700 700

[deg]軌道傾斜角 86.4 55 45/ 90 98.2 98[GHz]周波数 1.6/ 1.6 1.6/ 2.5 VHF+UHF 28.8/ 19.0 2.67/ 0.4

[deg]最小仰角 8.2 15 40 19[kbit/ s]伝送速度 2.4 1.2-9.6 4.8/ 9.6 2000/ 64000 6000/ 19.2

[dB]回線マージン 16 6 N/ A N/ A 6 / 6～ ～[ / min]回線料金 ドル 3 0.65 0.5[ / Byte]円 N/ A 0

A / yearミッションコスト（円 ） 27 4000億 万円 ミッション不能 500億円（最大） N/ A 5000万円B / yearミッションコスト（円 ） 5930万円 ミッション不能 13 7000億 万 ミッション不能 5000万円

使用用途他 携帯電話・データ中継 電話・データ中継 少量メッセージ通信 Internet in the sky データ転送サービス開始（年） 1998～ 2000～ 2000～ 2003～ 2002 or 2003～

はやてのミッションコストは開発／制作費（２億円と想定）を寿命年数（４年）で割ったもの

・他衛星と比べても遜色のないコスト

ミッション A ：高速データ伝送ミッション B ：プローブデータ回収