南極観測支援衛星 「はやて」の概念設計 Concept Design of HAYATE

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1 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

2 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

3 背景 地球環境の最重要モニタリングサイト：南極域 Introduction 観測データなどの情報伝達 ・観測環境は充分か？ 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

4 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
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

5 期待される成果 Introduction (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

6 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

7 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 ・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。

8 南極氷床上プローブデータ 収集ミッション 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

9 南極氷床上プローブデータ 収集ミッション ミッションの概要 ・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
・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

10 南極氷床上プローブデータ 収集ミッション ミッションの概要 ・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 本衛星の利用 電力供給 太陽電池とバッテリの併用

11 南極氷床上プローブデータ 収集ミッション ミッションの概要 ・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

12 軌道 衛星の概要 ・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

13 軌道 衛星の概要 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

14 衛星の概要 衛星の各サブシステム

15 各サブシステム 通信系 衛星の概要 ・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]
各サブシステム 通信系 衛星の概要 ・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

16 各サブシステム 通信系 衛星の概要 ・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

17 各サブシステム 通信系 衛星の概要 ・回線設計：各通信ミッションの条件に応じて回線解析 すべて3[dB]以上のマージンを実現
各サブシステム 通信系 衛星の概要 ・回線設計：各通信ミッションの条件に応じて回線解析 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

18 各サブシステム 姿勢制御系 衛星の概要 ・重力傾斜安定方式 ３軸安定方式 (２軸：能動制御、1軸：受動制御) ・地磁気安定方式
各サブシステム 姿勢制御系 衛星の概要 ・重力傾斜安定方式 ３軸安定方式 (２軸：能動制御、1軸：受動制御) ・地磁気安定方式 ・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

19 各サブシステム 姿勢制御系 衛星の概要 ・姿勢制御ブロック図

20 各サブシステム 熱制御系 衛星の概要 ・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
各サブシステム 熱制御系 衛星の概要 ・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 以上の結果より各機器が正常に作動することを確認

21 各サブシステム 電源系 衛星の概要 ・電力供給：ボディマウントの太陽電池（GaAs）でまかなう。
各サブシステム 電源系 衛星の概要 ・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。

22 H-ⅡAロケット搭載のためのピギーバック衛星
各サブシステム 構体系 衛星の概要 ・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

23 はやて概観 衛星の概要

24 はやて概観 衛星の概要

25 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)
まとめと課題 ・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

26 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。 まとめと課題
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

27 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
まとめと課題 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