Transcript 衛星の概要 - 松永研究室

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
発表の流れ
(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
Introduction
背景
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
Introduction
ミッション提案
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。
(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
Introduction
期待される成果
(1) 年間を通じて多量のデータを南極から日本に送信
南極観測態勢の強化、極域研究環境の向上
(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
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
(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
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
ミッションの概要
南極基地－日本局
高速データ伝送ミッション
・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]
DownLink : 2.52[GHz ]
DataRate : 6.0[ Mbps]
各大学
・通信速度：6[Mbps]
東京工業大学地上局
国土地理院
・データ伝送量
１ 日：300[MByte]以上
年間：100[GByte]以上
極地研究所
UpLink : 2.67[GHz ]
DataRate : 6.0[ Mbps]
昭和基地地上局
・受信データはネットワークを通じて
各研究機関に公開
ミッションの概要
南極基地－日本局
高速データ伝送ミッション
・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。
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→衛星→地上局
のデータ伝送
DownLink : 2.52[GHz ]
DataRate : 6.0[ Mbps]
・通信周波数
UpLink:400[MHz](UHFバンド)
DownLink:2.52[GHz](Sバンド)
各大学
東京工業大学地上局
・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
国土地理院
極地研究所
UpLink : 400[ MHz ]
プローブ群
DataRate : 19600[ bps]
・データ受信方式
：時分割多元接続(TDMA)
TDMAフレーム
TDMAフレーム
20
3
2
1
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
20
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
・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
P1
P2
P3
･･･
南極大陸
P20
データバースト
ガードタイム(1.0[sec])
1
2
3
N
20
TDMAフレーム(120[sec])
5.0[sec](12[KByte])
プリアンブル
データ
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
・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
・今回設計したプローブ
データ通信
電力供給
本衛星の利用
太陽電池とバッテリの併用
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
・プローブ電力設計
太陽電池の発生電力：3.85[W]
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]
通年にわたる無人観測が可能
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
軌道決定
：中低軌道
：準回帰軌道
軌道種類
（運用開始時）軌道高度
軌道半径
軌道傾斜角
軌道周期
回帰日数 N
回帰までの周回数 n
円軌道・ 準回帰軌道・ 準極軌道
約 700[km]
約 7080[km]
約 98.0[deg]
約 1.65[hour]( 約 99 [min])
約 16 日
233
衛星の概要
軌道
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
衛星の各サブシステム
構体系
太陽電池
シャント
熱制御系
電力制御器
3軸フラックス
ゲート磁気計
磁気トルカ
×2
各サブ
システム
S-Band
S-Band
S-Band
アンテナ アンテナ アンテナ
移相器
移相器
移相器
移相器
アンプ
アンプ
アンプ
アンプ
S-Band
カプラ
バッテリ
S-Band
ダイプレクサ
電源系
2軸デジタル
太陽センサ
S-Band
受信機
姿勢制御
回路
コマンド
デコーダ
オンボード
コンピュータ
地球地平線
センサ
S-Band
アンテナ
S-Band
送信機
UHF-Band
アンテナ
×4
UHF-Band
ダイプレクサ
UHF-Band
カプラ
姿勢制御系
データ
レコーダ
GPS系
GPS用
アンテナ
受信機
C&DH系
UHF-Band
受信機
通信系
衛星の概要
各サブシステム
通信系
・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
MSA
30[deg]
Beam Width: 60.0[deg]
30[deg]
Beam Width: 120.0[deg]
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
衛星の概要
通信系
各サブシステム
・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
S-Band
Antenna
PCB
AMP
PCB
AMP
S-Band
PCB
AMP
PCB
AMP
CMD:Command Decorder
CPR:Coupler
DIP:Diplexer
D/R:Data Recorder
OBC:On-board Computer
PCB:Phase Converter
RX:Receiver
TX:Transmitter
CPR
SubSystems
Command
UHF-Band
Antenna
(Receive only)
Telemetry
S-Band
RX
S-Band
CMD
DIP
OBC
S-Band
TX
D/R
UHF-Band
UHF-Band
UHF-Band
RX
DIP
CPR
衛星の概要
各サブシステム
通信系
・回線設計：各通信ミッションの条件に応じて回線解析
周波数［ＧHz］
送信機の出力パワー［W］
送信アンテナの半値幅［deg］
送信アンテナのゲイン［dB］
送信機の実行放射電力［dBW］
受信アンテナの半値幅［deg］
受信アンテナのゲイン［dB］
データレート［Mbps］
Eb/N0［dB］
ビットエラー率
A
2.52
10.0
60.0
3.99
12.9
4.17
31.7
6.0
12.3
B
2.67
30
3.93
32.4
45.9
60.0
3.99
6.0
13.3
107
107
C
0.4
5
―
0
5.99
―
0
0.0192
11.5
105
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
・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
・重力傾斜安定方式
・地磁気安定方式
姿勢制御系
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
・ハードウエア
：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
各サブシステム
衛星の概要
姿勢制御系
・姿勢制御ブロック図
Bz
MTQ Y
Magnetometer
Tcy
PD Controler
Tdy
q
+
Tdz
[
B = B x , B y , Bz
Bz
Tcx
Spacecraft y
Dynamics
]
+
f
Tdx
MTQ X
PD Controler
+
ESN
T dx , T dy , T dz : Disturbance torques
T cx , T cy
+
+
DSS
ESN
: Control torques
ESN
: Earth Horizon Sensor
DSS
: Degital Sun Sensor
MTQ
: Magnetorquer Rod
衛星の概要
熱制御系
各サブシステム
・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
・モデル
１
２
１
2
23
24
4
7
3
13
３
14
23
23
４
14
13
10
７
５
16
11
６
15
16
11
８
15
17
8
5
10
24
24
6
18
19
12
17
19
18
9
９
12
20
20
21
21
22
22
23 （外壁）
節点番号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
低温最悪温度（℃） 高温最悪温度（℃）
18.0
3.03
23.4
8.42
8.03
-7.00
-6.10
14.7
-7.68
19.9
-4.97
15.9
-4.57
2.00
-7.18
2.63
-4.94
15.9
-4.33
3.66
-4.89
15.9
-4.95
15.9
-4.31
3.68
-4.39
2.89
-4.89
15.9
-4.84
16.0
-4.94
16.0
-4.93
15.9
-4.94
16.0
-5.48
15.0
-4.95
15.9
-4.95
15.9
-12.6
4.63
-12.6
4.63
24（外壁）
以上の結果より各機器が正常に作動することを確認
衛星の概要
各サブシステム
電源系
・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
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-ⅡA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
ホイップアンテナ
MSA
ティップマス
重力傾斜ブーム
太陽電池セル
太陽センサ
地球センサ
H-IIA I/F
太陽センサ
はやて概観
衛星の概要
GPS受信機
ブームケース
GPSアンテナ
太陽センサ回路部
地球センサ
データレコーダ
TIP
MASS
レギュレータ
ブーム
太陽センサ
バッテリー
磁気トルカ
磁気センサ
ホイールダンパ
太陽センサ
磁気センサ回路部
アンプ
位相器
Sバンド受信機
UHF受信機
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
磁気トルカ回路部
オンボードコンピュータ
まとめと課題
結論
・本衛星が行うミッション
(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)
(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
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。
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。
・南極氷床上観測隊の緊急信号中継処理
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
IRIDIUM
重量[kg]
689
衛星数
66
軌道高度[km]
780
軌道傾斜角[deg]
86.4
周波数[GHz]
1.6/1.6
最小仰角[deg]
8.2
伝送速度[kbit/s]
2.4
回線マージン[dB]
16
回線料金[ドル/min]
3
ミッションコストA（円/year）
27億4000万円
ミッションコストB（円/year）
5930万円
使用用途他
携帯電話・データ中継
サービス開始（年）
1998～
ODYSSEY
1334
12
10354
55
1.6/2.5
15
1.2-9.6
6
0.65
ミッション不能
ミッション不能
電話・データ中継
2000～
ORBCOMM
40.4
28
730
45/90
VHF+UHF
TELEDESIC
750
288
700
98.2
28.8/19.0
40
4.8/9.6
2000/64000
N/A
N/A
0.5[円/Byte]
N/A
500億円（最大）
N/A
13億7000万
ミッション不能
少量メッセージ通信 Internet in the sky
2000～
2003～
はやて
41
1
700
98
2.67/0.4
19
6000/19.2
6～/6～
0
5000万円
5000万円
データ転送
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
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
・他衛星と比べても遜色のないコスト
・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