（革新）様式 1-4-2 (2021-2)

令和３年度研究開発成果概要書
採択番号00601
研究開発課題名 Beyond 5G 次世代小型衛星コンステレーション向け電波・光ハイブリッド通信技術の研究開発
研究開発項目１ LEO コンステレーション用小型衛星搭載電波・光ハイブリッド通信技術の研究開発
研究開発項目２ 超広帯域光衛星通信システムの実現に向けた基盤技術の研究開発
副題

次世代 LEO 通信コンステレーション構築に向けた超小型・低コスト電波・光ハイブリッド通信システムおよび通信制御システムの研究開発（１）研究開発の目的
本研究開発では、研究者らの 50-200kg 級超小型衛星および関連技術の開発・製造・運用経験を活用した以下の研究開発項目を実施し、本研究開発の成果と研究者の超小型衛星バス技術および量産製造・自動運用システムとを組み合わせることで、LEO 通信コンステレーションの早期構築を目指す。
● 100kg 級衛星に複数台搭載することを想定した低コスト量産性に優れた光通信機● 電子的にビーム方向を制御することで、光通信と両立して電波通信を可能にする Ka帯フェーズドアレイ通信機● 電波・光経路制御を低遅延で行う通信経路制御システム● 地球観測衛星での姿勢・軌道制御機能をベースに、光通信に求められる軌道・姿勢の推定・制御の高性能化● 地上インフラ、ネットワーク構築に必要となる低コスト可搬光地上局● 次世代高速光通信機のための基盤研究開発● 通信コンステレーションのサービス安定化に資する自動運用システムの基盤研究（２）研究開発期間
令和 3 年度から令和 6 年度（4 年間）（３）受託者
株式会社アクセルスペース＜代表研究者＞
国立大学法人東京大学
国立大学法人東京工業大学
株式会社清原光学（４）研究開発予算（契約額）
令和 3 年度から令和 4 年度までの総額 1,728 百万円（令和 3 年度 358 百万円）
※百万円未満切り上げ（５）研究開発項目と担当
研究開発項目 1 LEO コンステレーション用小型衛星搭載電波・光ハイブリッド通信技術の研究開発
研究開発項目 1-a）小型衛星搭載用フレキシブル光通信システムの研究開発（(株)清原光学、(株)アクセルスペース）研究開発項目 1-b）小型衛星搭載用電波・光ハイブリッド通信制御システムの研究開発（(株)アクセルスペース、東京大学、東京工業大学）
研究開発項目 1-c）フレキシブル光通信システム対応光地上局システムの研究開発（(株)清原光学、(株)アクセルスペース）研究開発項目 2 超広帯域光衛星通信システムの実現に向けた基盤技術の研究開発
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研究開発項目 2-a）100Gbps 級フレキシブル光衛星通信システムに向けた搭載用光通信機器の研究開発 （(株)清原光学）
研究開発項目 2-b）LEO コンステレーション用光通信機器の自動運用システムの研究開発 （(株)アクセルスペース、東京大学）（６）特許出願、外部発表等
特許出願

外部発表等

国内出願
外国出願
研究論文
その他研究発表
標準化提案・採択
プレスリリース・報道
展示会
受賞・表彰

累計（件）
00
300
400

当該年度（件）00300
400（７）具体的な実施内容と成果
研究開発項目 1 LEO コンステレーション用小型衛星搭載電波・光ハイブリッド通信技術の研究開発
研究開発項目 1-a）小型衛星搭載用フレキシブル光通信システムの研究開発（(株)清原光学、(株)アクセルスペース）① 衛星搭載光通信機器の開発 （(株)清原光学）
仕様案を作成し、その仕様に基づき、必要物品の手配を行い、光通信基礎実験用光アンテナを製作した。
② ジンバル機構、衛星インタフェースなど （(株)アクセルスペース）東大・清原光学と共に光通信機のジンバルへの搭載方法の検討を行った。ジンバルには光学系のみを搭載し、送受光部や光アンプおよび粗追尾・精追尾ミラーなどは衛星構体側に設置することで、光軸をジンバルに搭載の光学系から衛星構体側へと導く方針で合意した。これは検討の結果、ジンバル搭載部へのハーネスを最小限とし、特に低温時のハーネスの剛性によるジンバルへのトルク負荷を軽減するためである。
研究開発項目 1-b）小型衛星搭載用電波・光ハイブリッド通信制御システムの研究開発（(株)アクセルスペース、東京大学、東京工業大学）① RF 通信システム統合/デジタル処理部 （(株)アクセルスペース）・ RF 通信システム統合
RF 通信システムの共同研究者である東工大と共同で電気・構造・熱など各種のインタフェース検討を行った。東工大が担当するアンテナに供給する電源・信号等の検討、またこれらを接続するコネクタの選定などを行った。
衛星打ち上げの環境で問題が起こらないアンテナ構造と衛星との機械的接続方法の検討を行った。また、これらの機械的接続・構造は RFIC 等 RF 通信システ
ムの発熱・放熱経路などの熱設計にもかかわるため、今後、熱解析を行い各種IC が適切な温度範囲内に収めることができるように検討を進める。
・ デジタル処理部
デジタル処理部に使用する部品選定、ソフトウェア検討などを行った。また、選定した候補部品の評価ボードを組み合わせて、予備試験を行った。今後予備試
験の結果を元に回路設計、製造に進む予定である。
また、今後の開発に必要な高周波測定機器の選定を行った。

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② 電波・光通信経路制御 （(株)アクセルスペース）通信経路制御部の仕様検討を実施した。低遅延を実現するために下位 2 層をベースとし、高速 FPGA を活用した高速スイッチングを実施する方針にて進めることとした。この方針に基づき、使用する IP コアの選定並びにインタフェースの設計を実施した。
③ 光通信初期捕捉・姿勢協調制御/姿勢制御・軌道推定性能の高度化（(株)アクセルスペース）・ 低遅延・高出力レート・高精度 STT(Star Tracker) の開発
FPGA のプロセッサ性能および使用電力の観点、および STT へ搭載可能なサイズという点から、放射線試験に向けて複数の FPGA SoM 基板候補の選定を行った。フードに関して、現行のフードよりも軽量化・小型化を行うと同時に、より高い遮光性能・減衰率を保持するフードの詳細設計を行った。スターシミュレータを設計・構築し、既存 STT を用いて姿勢推定が行われ、シミュレータにて設定した姿勢が正しく推定されることを確認した。姿勢推定の精度改善見積もりのため、全天球の星カタログにもとづき、STT の FOV(Field of View)および星の明るさ等級から可視となる星の数分布を調査した。
・ 高性能・倍精度マルチコア OBC(On Board Computer) の開発
高度な姿勢・位置推定アルゴリズムを、新規に開発する OBC 上で拡張性やメンテナンス性・テスト性などを確保しながら実装するために、これらの点に優れたソフトウェアフレームワークを搭載することを決定した。フレームワークに必要となる要件を明らかにし、これらをもとに姿勢制御やロボット制御等に用いられる既存のフレームワークを調査・比較検討した。
・ RW(Reaction Wheel) の擾乱低減技術の開発
軌道高度 600km、軌道傾斜角 55 度の光通信コンステレーションを想定し、光通信機 5 台を搭載・運用可能な衛星バスのサイズ・質量・電力を見積った。その結果から、衛星が受ける外乱トルクを見積もり、LVLH(Local Vertical. LocalHorizontal))姿勢を維持するために必要な RW のトルク・蓄積可能角運動量を算出した。それに基づき、各ベンダの RW 製品データシートから低擾乱モデルのRW を選定した。
④ 初期捕捉・姿勢協調制御シミュレーション・アルゴリズム開発 （東京大学）
・ 回線計算の実施及び光学系設計、衛星バス側設計との調整に基づく初期捕捉・協調制御の前提となる指向誤差バジェット解析の実施。また、その結果を基にした初期捕捉制御アルゴリズムの検討にあたって考慮が必要な初期誤差範囲の特定及び各種誤差配分の暫定目標値の制定
・ 前項結果を基にした初期捕捉中の姿勢・軌道相対運動と各種アクチュエータ駆動、光伝播をモデル化したシミュレータの作成。これにより次年度以降の初期捕捉・姿勢協調制御アルゴリズムの詳細検討に向けた準備を完了
・⑤ RF 通信システム用アンテナ・RFIC （東京工業大学）
RF 通信システム全体と調整しながら、送信機、受信機ともに RFIC の詳細な仕様の策定を行いながら、増幅器や移相器といったフェーズドアレイ送受信機のコアとなる要素回路を設計し、基本特性を確認した。また電気特性を明確にするために、
29GHz 帯アンテナとして中空キャビティを有するパッチアンテナを設計した結果、60 度までのビーム走査特性が得られることを確認した。
研究開発項目 1-c）フレキシブル光通信システム対応光地上局システムの研究開発（(株)清原光学、(株)アクセルスペース）① 地上局光アンテナ・捕捉追尾部の開発 （(株)清原光学）
捕捉追尾部の仕様を策定し、その策定仕様に基づき必要物品の手配を行った。
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② COTS 望遠鏡の自動追尾 （(株)アクセルスペース）
COTS 望遠鏡架台の性能調査、類似実験・研究などの情報収集を行った。また、
NICT で研究中の光地上局の見学を行い、来年度以降の具体的な光地上局開発に向けた検討を行った。
研究開発項目 2 超広帯域光衛星通信システムの実現に向けた基盤技術の研究開発
研究開発項目 2-a）100Gbps 級フレキシブル光衛星通信システムに向けた搭載用光通信機器の研究開発 （(株)清原光学）① 多波長光通信
本分野における他国を含めた他研究の調査を実施し、概念設計に必要な多波長光通信の構成部材の情報収集を行った。
研究開発項目 2-b）LEO コンステレーション用光通信機器の自動運用システムの研究開発 （(株)アクセルスペース、東京大学）① 光通信機の故障診断 （(株)アクセルスペース）
他の仕様検討活動の中で明らかになってきている、各サブシステムおよび全体コンステレーションとしての想定故障モードやエラー事象の洗い出しを実施した。
② LEO コンステレーションシミュレータ開発 （東京大学）
・ コンステレーションを用いた通信サービスを行う際の，コンステレーションシステムのユースケースについての検討及び想定ユーザや通信経路、コンステ内衛星のモデル化方針の策定
・ 前項モデル化方針に従い、想定ユーザや通信経路、コンステ内衛星のモデルのシミュレータ内での実装及び各衛星の可視状況等を可視化するシミュレーションツールの作成（８）今後の研究開発計画
研究開発項目 1 LEO コンステレーション用小型衛星搭載電波・光ハイブリッド通信技術の研究開発
研究開発項目 1-a）小型衛星搭載用フレキシブル光通信システムの研究開発（(株)清原光学、(株)アクセルスペース）① 光通信機開発 （(株)清原光学）
2022 年度までに光通信機の BBM((Bread Board Model)開発を行う。 2024 年
度までに PFM(Proto Flight Model)開発と衛星システム統合試験、及び宇宙環境試
験を行う。
② ジンバル機構、衛星インタフェースなど （(株)アクセルスペース）
引き続き光学系、1-b)の電波・光ハイブリッド通信制御システムと連携して、ジンバル機構の性能仕様およびインタフェース仕様を策定し、フィジビリティを確認する。基本設計を進めて、BBM を開発する。
研究開発項目 1-b）小型衛星搭載用電波・光ハイブリッド通信制御システムの研究開発（(株)アクセルスペース、東京大学、東京工業大学）① RF 通信システム統合/デジタル処理部 （(株)アクセルスペース）・ RF 通信システム統合- サブシステム同士の仕様や接続関係の評価及び進捗状況管理調整・ デジタル処理部の開発- 評価ボードを使用したデジタル処理部全体の事前評価- デジタル処理部基板の仕様策定- デジタル処理部基板の送信機としての開発・評価および改良試作4

② 電波・光通信経路制御 （(株)アクセルスペース）・ 評価ボードを使用し、データ転送のテスト
・ 物理的なインタフェースに応じた基板の設計
・ データ構造の変換を行うアルゴリズムの開発・実装
・ 衛星内部のデータ伝送部の通信テストを実施
・③ 光通信初期捕捉・姿勢協調制御/姿勢制御・軌道推定性能の高度化（(株)アクセルスペース）・ STT を FPGA およびイメージセンサの評価ボードレベルでの実装及びスターシミュレータからの画像取得と基本的な姿勢推定を行うことでの動作確認の実施。
また、迷光除去能の高いフードの開発の推進
・ STT、ジャイロ、GPS からの信号遅延の算定及び遅れ補償アルゴリズムの設計
開発と PC 上での実装・シミュレーション
・ OBC の FPGA 評価ボードレベルでの実装及び動作確認
・ 各コンポーネントとの嚙み合わせ試験の実施
・ ジャイロのノイズ特性とそれが姿勢制御系に与える影響の解析、及びノイズ低減フィルタの設計。また、光ファイバジャイロの評価
・ RW の擾乱測定環境の整備及び擾乱の測定。また、低トルク RW の評価
・④ 初期捕捉・姿勢協調制御シミュレーション・アルゴリズム開発 （東京大学）
作成したシミュレータベースで、初期捕捉・協調制御アルゴリズムの詳細検討と検証を実施する。また、実ハードウェアの試作機とシミュレータをつなぎ合わせた、
Hardware In the Loop Simulator によるアルゴリズム及び実ハードウェアの検証に向けた準備を実施する。
⑤ RFIC 試作評価 （東京工業大学）
2021 年度の検討結果を踏まえ、送信機及び受信機用 RFIC の設計、試作評価を行う。RFIC を搭載したフェーズドアレイの性能を評価するために、評価用高周波基板を作成し、ビームフォーミング、消費電力等の特性評価を行う。29GHz 帯アンテナの試作により製造誤差の影響を明らかにし、改良設計を行う。
研究開発項目 1-c）フレキシブル光通信システム対応光地上局システムの研究開発（(株)清原光学、(株)アクセルスペース）① 地上局システム開発 （(株)清原光学）
2022 年度までに地上局要素技術の BBM 開発を行う。 2024 年度までに地上局システム統合試験を行う。
② COTS 望遠鏡の自動追尾 （(株)アクセルスペース）
引き続き可搬局用光通信機および 1-a)衛星搭載光通信機の仕様を基に衛星-地上間の回線設計を行い、可搬地上局の目標仕様および COTS 望遠鏡架台の候補を検討する。可搬局用光通信機および 1-a)衛星搭載光通信機の仕様を基に衛星-地上間の回線設計を行い、可搬地上局の目標仕様および COTS 望遠鏡架台の候補を検討する。
研究開発項目 2 超広帯域光衛星通信システムの実現に向けた基盤技術の研究開発
研究開発項目 2-a）100Gbps 級フレキシブル光衛星通信システムに向けた搭載用光通信機器の研究開発 （(株)清原光学）① 光通信機開発
2022 年度までに 高出力化、波長多重技術の仕様検討と BBM 試作を行う。
2024 年度までに COTS 品選定、新規製品の仕様決定、PFM 試作及び光通信システムの開発及び統合試験を行う。
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研究開発項目 2-b）LEO コンステレーション用光通信機器の自動運用システムの研究開発 （(株)アクセルスペース、東京大学）① 光通信機の故障診断 （(株)アクセルスペース）
引き続き光通信機の劣化や故障のモードを分析し、光通信機でモニタしてテレメトリとして出力する情報を具体化する。光通信機不具合発生時の通信経路の再構成手法について、概念検討を行う。
② LEO コンステレーションシミュレータ開発 （東京大学）
ここまでに開発したシミュレータに通信機故障モデルを取り込む。同時に、シミュレータベースで、通信コンステレーション内を流れるデータのルーティングと通信コンステレーションを構成する各衛星の軌道を最適化する手法について検討を行う。

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