編隊衛星による宇宙プラズマ「その場」完全観測の実施に向けて ーSCOPE衛星システム検討ー

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1 編隊衛星による宇宙プラズマ「その場」完全観測の実施に向けて ーSCOPE衛星システム検討ー
津田雄一，前澤洌(ISAS/JAXA)， 藤本正樹(東工大)，小嶋浩嗣(京大)， 斎藤義文，篠原育(ISAS/JAXA) 第4回 宇宙科学シンポジウム

2 SCOPE Scale COupling in Plasma universE
親・子４の5機編隊 Scale COupling in Plasma universE 5機の衛星を長楕円軌道へ ・軌道3000km×30Re ・M-Vで同時打ち上げ ・スピン衛星 軌道：赤道面 　　近地点 3Re 　　遠地点　30Re フォーメーションフライト(編隊飛行)を行う ・衛星間測距 ・衛星間時刻同期 ・衛星間通信 衝撃波域 渦構造 大容量高速度の観測データ ・オンボードデータセレクション ・大容量データレコーダ ・親機経由での子機運用 3000km ジェット生成領域 300km

3 衛星諸元 近子機 遠子機3 遠子機2 遠子機1 親機 親衛星 近子衛星 遠子衛星 機数 1 3 推進系
Y Z φ2200 1400 φ960 200 1654 40 300 1851 親機 近子機 遠子機1 遠子機2 遠子機3 親衛星 近子衛星 遠子衛星 機数 1 3 推進系 ヒドラジン 2400m/s 軌道変換用 2液 500N 姿勢制御用 1液 3N 1液ヒドラジン 200m/s 姿勢安定化方式 スピン安定(0.3Hz) 軌道面垂直 スピン安定(0.3Hz) 太陽指向 通信系 上り：X-band 下りHK：X BPSK 下りミッション：X QPSK 衛星間：S-band 上り+衛星間：S-band 下り+衛星間：S-band 測距機能 S-bandレンジング装置 S-bandトランスポンダ

4 分離，編隊確立シーケンス スロースピンしながら子機を逐次分離 分離後各衛星は自力で所定の軌道へ移行， 移行後観測用アンテナ等を展開
遠子1 遠子2 遠子3 近子 親機 ・子機分離前はスピン軸が慣性モーメント最小軸となるため，3軸姿勢安定とする． ・分離･編隊確立シーケンスにおける子機へのコマンド送信およびテレメトリ取得は親機経由で行う． スロースピンしながら子機を逐次分離 遠子1 遠子2 遠子3 近子 親機 子機を分離するまでは3軸姿勢安定

5 正四面体隊形 （等方的な観測対象に対して観測性が最大になる） 一直線隊形 （注目する軸に沿って詳細に観測)
フォーメーションフライトの形態 ・各衛星はケプラー運動 - 特定の位置で所望の隊形を形成する or - 特定の領域で観測性指標が一定値以上になるように隊形を形成 観測性指標の一例： J=tr[(∑rijTrij)-1] ・相対軌道決定のしやすさも考慮 → 観測に適した隊形の候補を案出中． 直交隊形 （各軸を完全に分離できる） 正四面体隊形 （等方的な観測対象に対して観測性が最大になる） 一直線隊形 （注目する軸に沿って詳細に観測)

6 運用フェーズと相対距離 Phase-1 Phase-2 5000km 100km 100km 1km 1km S-band 測距 測距
X-band 測距 測距 X-band S-band Phase-1 Phase-2 ・全子機と親機との間で測距を行う ・子機との通信は全て親機経由 ・親子間距離は1～100km ・近子機と親機との間のみ測距を行う ・近子機との通信は親機経由，その他は直接リンク ・親機と遠子機間の距離は100～5000km

7 通信周波数とビットレート S-band 160kbps 測距，TLM S-band 400kbps 測距,TLM, CMD/HK
X-band 測距，CMD/HK X-band 4Mbpsテレメ 各矢印を強調表示，160kbpsを強調 4Mbps 400kbps

8 軌道決定・時刻同期精度 ●要求条件 ●実現方法 ・リアルタイム（オンボード）で，右記の相対測距精度・時刻同期精度を実現すること．
相対測距精度要求 ●要求条件 親子間距離 時刻精度 距離精度 1 km 1 usec 10 m 10 km 10 usec 100 m 100 km 100 usec 1000 km 1 msec L km L/1000 msec L/100 km ・リアルタイム（オンボード）で，右記の相対測距精度・時刻同期精度を実現すること． ・オフラインで，右記の相対軌道決定精度を実現すること． ・編隊の絶対位置・姿勢決定精度は通常の軌道決定精度程度． 搭載用レンジング装置仕様 最大計測可能距離 1000km 距離測定精度 標準偏差≦1m バイアス≦TBD 測定可能S/N0 30dB トーン検出方式 狭帯域PLL方式 捕捉時間 3sec以下 サンプル時間 1測定/sec 測定方式 PNコード方式 トーン周波数 500kHz ●実現方法 レンジング装置は，どんなFFにも必要！新しい技術！ 上の表にボーダーラインを入れる 下の表も強調表示 ・地上からの軌道決定精度は，数km，数cm/s程度． ・搭載型のレンジング装置を開発し，親子間の距離の履歴を計測する．（S-band，精度～1m) ・usec精度の時刻同期システムを開発する． ・相対軌道決定はオフラインフィルタでバッチ推定．

9 搭載用レンジング装置系統図 ・PN符号測距 ・測距可能距離 <1000km ・精度 分散1m，バイアス～3m ・重量～２ｋｇ

10 ミッション系 姿勢軌道制御系 電源系 データ処理系 通信系 衛星間通信系 測距系 親衛星機能系統図 DHU ND AOCU ELU C－IF
X-PA X-SW X-TR-B X-TR-A X-DIP X-HYB DHU ND STT SAS PCU BAT SA SHNT TCIU 親衛星機能系統図 (ELU) W-ANT Z-ANT X-MGA Ｘ-LGA SRD DR HCE AOCU DRV WDE IRU ACM RW MGF ELU FESA ×8 FISA ×4 IMSA MESA MIMS HEP-e HEP-i 分離機構 カッター XMOD XHYB C－IF STRP S-DIP RME CAL S-SW S-HYB S-LGA S-MGA ミッション系 姿勢軌道制御系 電源系 データ処理系 通信系 衛星間通信系 測距系

11 ミッション系 バス系 対地上・衛星間 共用通信系 子衛星（遠距離）機能系統図 DHU (AOCU) ELU (DR) ND S-SW
S-TRP S-DIP S-HYB DHU (AOCU) (DR) ND ELU EISA MGF W-ANT PCU BAT SA STT SAS HCE 子衛星（遠距離）機能系統図 S-MGA カッター 分離機構 S-LGA ミッション系 バス系 対地上・衛星間 共用通信系

12 親機 構造・タンク配置図 燃料タンク 酸化剤タンク 矢印強調 押しガス用タンク

13 子機 タンク・機器配置図 燃料タンク

14 重量配分 質量(kg) 親機 近子機 遠子機1 遠子機2 遠子機3 ミッション機器 87.0 15.5 15.7 通信系 28.6 6.3
データ処理系 30.2 7.7 軌道姿勢制御系 32.1 2.8 電源系 27.9 11.1 推進系 65.0 11.5 14.0 熱制御系 17.5 構造系 146.9 20.5 24.0 計装系 24.2 7.2 DRY Total 459.4 108.9 115.1 推薬 921.5 9.3 10.7 WET Total 1380.9 98.2 105.8 ペイロード合計 1876.5 マージン -173.5 数字を強調表示

15 衛星のスケールとSCOPEの位置づけ 100kg 10kg 1kg 1000kg 500kg SCOPE子衛星 Micro-Sat
Nano-Sat 10kg Pico-Sat 1kg uLabSat SNAP-1 OPAL SCOPE親衛星 CubeSat 1000kg STENSAT Small-Sat 500kg ETS-VIII ASTRO-F HAYABUSA HITEN

16 今後の開発方針 ●新規開発項目 ●軽量化 ・搭載型レンジング装置 ・usec精度の時刻同期システム → 年度内に仕様確定，次年度に試作開始
・子機を従来の衛星設計法で設計してはいけない！ → コンポーネントの統合化，簡略化 子機は50kg級を目指す（マイナスマージンを解決するため） ・コンポーネントの軽量化 → 民生品の宇宙転用（耐宇宙環境性能評価） マイクロドライブetc

17 V-Elev. adjust △Ｖ(Parallel to Tail Box)
投入シークエンス例 Perige Up △Ｖ 150km→600km Direct Ascent (150km×14000km) 14000km apogee drift （J2 term） Perigee Up △Ｖ(600km→3Re) ＆ V-Elev. adjust △Ｖ(Parallel to Tail Box) Apogee Up△Ｖ 14000km→30Re 3Re 30Re

18 子衛星（近距離）機能系統図 DHU (AOCU) ELU (DR) ND MGF PCU BAT カッター 分離機構 SA HCE S-SW
STT SAS MGF W-ANT Z-ANT DHU (AOCU) (DR) ELU PCU BAT カッター 分離機構 SA S-MGA ND HCE S-LGA S-SW S-DIP S-TRP S-HYB

19 子機通信系系統図 ・S-band テレコマ＋トラポン，bit rate=40kbps ・対親機通信，対地上局通信共用
・全ての子機が同一周波数，時分割で通信 ・アンテナは全方位をカバー

20 親機 衛星間リンク用通信系系統図 ・対子機通信用 ・レンジング装置を装備 ・アンテナは全方位をカバー

21 親機 地上局リンク用通信系系統図 ・X-band テレコマ＋トラポン ・HK用回線 bit rate=40kbps
・ミッション用専用回線 bit rate=4Mbps(QPSK) ・HK用アンテナは全方位をカバー，ミッション用アンテナはスピン軸と垂直方向に指向性

22 親機 機器配置図

23 子機 外観・アンテナ配置図 絵を入れ替える

24 M-V搭載図 Y Z φ2200 1400 φ960 200 1654 40 300 1851 親機 近子機 遠子機1 遠子機2 遠子機3

25 SCOPE軌道 ・観測軌道：３×３０Re 遠地点が太陽反対方向にあるときに →遠地点がTail Boxに位置すること
→遠地点速度方向が磁気中性面に平行 （１５度以内が望ましい） 赤道面 24degree 31degree ７degree ８degree Tail Box Direct Ascent 黄道面 鹿児島・内之浦からM5で打ち上げ