第 24 回衛星設計コンテスト

アイデアの部

ミッション解析書

木星電波ビーム観測衛星「JBeam」
高知工業高等専門学校

電気情報工学科

スフツォードル・ラグワドルジ
竹崎 翔
群馬工業高等専門学校

片岡 翔太郎

中山 雄晟

西森 和重

藤田 龍之介中平 凱斗

専攻科・生産システム工学専攻 ／ 機械工学科

安藤 瑞基 ／ エリック・タン・カイ・チアング
指導教員

今井 一雅（高知高専）

1.ミッションの背景・目的

平社 信人（群馬高専）

解析による遅延時間の測定を行うことを本プロ

木星電波は、1955 年に発見されて以来、未だジェクトの目的とする。
2.ミッションの概要にその放射機構の詳細が解明されていない。木星
電波は地球上でも簡単に観測できる程、極めて強木星電波観測用超小型衛星（図１,CubeSat の力で、大きなエネルギーが木星磁気圏で発生し、2U サイズ）を、国際宇宙ステーション(ISS)よそのエネルギーが電波放射エネルギーに変換さり放出する。その後、木星電波受信用アンテナとれていることがわかっている。この木星電波放射

アップリンク・ダウンリンク用アンテナを展開すにおいては、効率の良いエネルギー変換機構が働る。そして、搭載した GPS モジュールの正秒パいていると考えられており、木星電波放射機構をルスを用いて、受信した木星電波のアナログ信号解明することは、将来の地球のエネルギー問題のを A/D コンバータによりデジタル信号へ変換し、解決につながる物理的な問題を解く鍵につながOnboard Computer の Linux マイコンボードでっていくと考えられる。

ある Raspberry Pi のプログラムによってデータ

我々は、この木星電波放射機構を解明するためを地上局へ送信する。最終的に、地上での同時観に重要となる木星電波のビーム構造を調べるた

測データとの相関解析より、木星電波のビーム構めに、木星電波観測用の超小型衛星を打ち上げ、造についての重要な情報を得ることをミッショ

宇宙空間と地上の２点間で同時観測を行い相関ンの目的とする。

図1

木星電波観測衛星「JBeam」のイメージ（背景画像：(C)NASA）

13.ミッションの設計

3.2 遅延時間の計算方法

3.1 木星電波について木星電波のビーム構造の研究のための観測は、木星電波の短時間特性であるＳバーストのビ

主に地上の観測点で行われており, 地上の 2 地点ーム構造は、図２(a)のように木星の磁力線に対間で木星電波の同時観測を行って, 木星電波のしてある角度を持ち、非常に幅の狭いものである

短時間の変動であるＳバースト波形の相関解析と推定されている。この衛星と地上との木星電波から遅延時間が測定されている。しかしながら、

Ｓバーストの同時観測により得られた波形デー遅延時間測定の精度をあげるためには、東西方向タの相関解析により遅延時間の測定が可能となの 2 地点間の距離（基線長）を長くする必要がある。木星電波のＳバーストのビームが、木星の回るが、地上の観測点では基線長に限界がある。そ転と一緒に回っているとすると、8000km の基線こで、この限界を打破するために、衛星と地上の長で 70ms 程度の時間差があることが計算で求2 カ所で同時観測を行うことにより、従来にないめられるので、その時間差の測定を行うことによ

基線長を確保した観測を行うことができ、測定精

り、木星電波のＳバーストのビームが、図２(b)度の向上が期待される。のように木星の磁場構造と一緒に回転して、地球図３は、地上の本ミッションで考えられる地上をスイープしているものであるかを検証するこ—衛星間での遅延時間の計算の例である。地球-とが可能である。また、木星電波のＳバースト自木星間の距離を L, 木星の自転周期を T, 同時観身が図２(c)のようにフラッシングによるもので測する 2 地点間の距離を D とすると、木星電波ある場合には、この時間差は０となるので、どちのビームが木星の自転により移動する角度θとらのビーム特性になっているのかを、本システム

木星電波の遅延時間は以下のように表され、観測による観測で明らかにすることができる。この結する２地点間の距離を 8000km とすると、遅延果は、木星電波放射機構を解明する上で非常に重時間は 70ms となる。
𝑇 = 9ℎ55𝑚27𝑠

要な情報となる。

𝐿 = 7.5×10!! !

𝐷 = 8.0×10! [𝑚]
𝜃=図2

図3

木星電波のビーム構造のモデル

2𝐷𝜋𝐿

𝛥𝑇 =

𝜃𝑇
2𝜋

木星電波のビームの遅延時間

3.3 衛星本体の性能の検討
本ミッションの遂行のため我々は、国際宇宙ステーション(ISS)からの放出が容易な 2U サイズの衛星を検討した。
図 4 に示すのは衛星本体の全体図である。(a)は各ユニットの衛星内での配置図を示しており、(b)はミッション時における衛星の展開後の様子である。重量の 1/2 を占めるバッテリーを衛星下部に配置することで後述の重力傾斜トルクとしての機能を持たせている。
図 5 に衛星「JBeam」システムのブロック図を示す。まず、木星から来た電波を木星電波観測
図5用アンテナで受信し、木星電波受信機の出力を、衛星「JBeam」システムのブロック図

A/D コンバータでデジタル化し、Raspberry Pi
Zero のファイルシステム内に保存する。保存さ表１れたデータは地上局に 435MHz 帯の送信機によサイズ

り 9600bps で送られる。

衛星の性能目標
W100×D100×H200[mm](2U)
衛星全体

2440g
電源：1200g
通信・データ処
理系：100g

質量

衛星内訳

太陽光パネル：450g
構造系：390g
ミッション系：( a )内部構造300g
軌道約 400km(ISS からの放出軌道)

姿勢制御

重力傾斜, 磁気トルカ

主要

太陽光パネル,姿勢制御系（3 軸ミッション

磁気センサー他）,GPS,機器

通信アンテナ系,通信送受信機,データ処理系,木星電波受信機
木星電波受信アンテナ

3.4 電源系について
消費電力の総量は 2Ｗ弱であるが、通信ユニッ( b )外観図
図４

トの電力を確保するために瞬間的に、さらに 4Ｗ衛星の内部構造と外観図が必要になる。そのため、衛星「JBeam」の下部分を、単三型リチウムイオンバッテリーを 23

3個積むことによって 69Ah の電源容量を確保し

図 7 に Raspberry Pi Zero、Pi2、Pi3 の消費電ている。

力を比較したグラフを示す。最もサイズが小さく、消費電力が少ない Raspberry Pi Zero は本ミッシ

太陽光パネルにより得られる電力を、電池充電コントローラＩＣを通して安全にリチウムイオョンに適していると考えられる。
表3ン電池に充電する。また、同時にバッテリーから三種類の Raspberry Pi の比較各ユニットに電源を供給する。
表2

各ユニットの消費電力対象となるユニット

消費電力[W]

Raspberry Pi Zero

Raspberry Pi Zero

0.4

Raspberry Pi 2

周辺回路

0.5

Raspberry Pi 3

木星電波観測用受信機

0.6

地球との通信ユニット

4

図6

電圧

電流

電力

[V]

[mA]

[W]

80

0.40

248

1.24

300

1.50

5.00

太陽パネルの配置
図7

図 6 は本衛星の外観図である。４つの側面にそ三種類の Raspberry Pi の比較

れぞれ-27℃(宇宙の平均温度)で 4.6W 発電できる CubeSat 用太陽光パネル、上面には 2.3W 発

3.6 木星電波観測システム

電できる 1U CubeSat 上面太陽パネルを取り付【スーパーヘテロダイン方式の木星電波受信機】

ける。これにより、太陽が当たっている時には全本ミッションにはラジオやテレビの受信機で体として、約 6W の電力を発生することができる。

性能の高い方法として使われているスーパーヘテロダイン方式を利用した受信機を搭載する。

3.5 処理系に利用する Raspberry Pi Zero

スーパーヘテロダイン方式では、到来電波はアン衛星「JBeam」の処理系に Raspberry Pi Zero

テナで受けて、高周波増幅器(RF)で増幅した後、の搭載を検討した。Raspberry Pi Zero は教育をミキサと呼ばれる混合器(MIX)に送られると同目的とした。Linux 搭載の超小型マイコンボード

時に、局部発振器(LO)からの発生信号が加えらである。価格の $5 は低価格でありながらも、れる。それにより、混合器の出力からは中間周波木星電波信号のデジタル処理を行うスペックを数と呼ばれる受信周波数より低い一定の周波数十分に備えている。また、積載量に限りがある２に変換されたものが出され、この信号を中間周波U というサイズでは非常に有利だと考えられる。

増幅器(IF)で増幅し検波(DET)し、Raspberry Pi

4で制御される A/D コンバータでデジタル化する。

×D100×H200[mm]の２U の超小型衛星であることから、電力消費、艤装スペースの点で、アクティブな姿勢制御装置を搭載することは困難である。そこで、本衛星に対しパッシブな制御系として重力傾斜トルクと磁気トルカを用いることを検討する。従来の重力傾斜トルクは、地球方向にマストを伸ばしトルクを得るが、本ミッションで取り扱う重力傾斜トルクは、衛星の質量を偏心させ、偏心させた部分を移動させることで重力傾斜トルクを得る方法を提案する。図 10 に示す衛星のモデルに対し、重力傾斜トルクの定式化を実施する。定式化された重力傾斜トルクとして次式を

図8

木星電波受信機のブロック図得る。

【データ取得および保存方法】

𝑇! = −

木星電波のＳバーストは、数十ミリ秒以下の時

3𝜇𝑚! 𝑚! 𝑙 + ∆𝑙 sin 𝜃 cos 𝜃𝑟!! 𝑚! + 𝑚!

(1)間構造を持っているので、図 9 のように GPS 時刻

こ こ で 、 μ [ 𝑚 ! /𝑠 ! ] は 引 力 定 数 、 𝑚! [kg] との 1 分おきの正秒をスタートとして、10kHz のサ𝑚! [kg]はそれぞれ A と B の質量、𝑙 [ｍ]は AB 間ンプリング周波数で 1 分間を 1 つの区切りとしての長さ、∆𝑙 [ｍ]は衛星の展開長さ、𝑟! [ｍ]は地球木星電波データを測定・保存する。A/D コンバー

中心からの軌道半径，𝜃[deg]は衛星の傾きである。

タの分解能が 10bit で 15 秒間、木星電波を観測

また、図 10 より、A と B の移動速度差に伴うトし、その後の 45 秒間の間に保存などを行うので、ルク𝑇! [Nm]として次式を得る。

1 分間の木星電波のデータの容量は、300kbyte

𝑇! =である。地上との衛星の間の通信は、9600bps の回線を確保し、5 分でダウンロードをすることが𝜇𝑚! 𝑚!
2 𝑚! + 𝑚!

1
1𝑙 + ∆𝑙 ( ! − ! ) cos 𝜃
𝑟! 𝑟!

(2)

ここで、𝑟! 、𝑟! は、次式として示される。

できる。小型衛星の周回軌道で地上から観測できる時間を 10 分とすると、1 回の周回で 2 分間相当の木星電波データの取得が可能である。地上でも木星電波観測を行うので、同時観測できた可能性の高い 2 分間相当のデータを選んで、地上局に𝑟! =𝑟!! +𝑚!
𝑚! + 𝑚!

𝑙 + ∆𝑙+ 2𝑟!

𝑚!
𝑚! + 𝑚!

𝑙 + ∆𝑙 cos 𝜃𝑟! =𝑟!! +𝑚!
𝑚! + 𝑚!

𝑙 + ∆𝑙− 2𝑟!

𝑚!
𝑚! + 𝑚!

𝑙 + ∆𝑙 cos 𝜃

衛星の地球中心に対する傾斜角として次式が送信するようにスケジューリングを行う。

得られる。
3 sin 𝜃 1 11−−=0
2 𝑟!! 𝑟!!
𝑟!!

(3)

式(3)より、衛星の傾斜角𝜃[deg]と展開長さ∆𝑙[ｍ]の関係を得ることができる(図 11)。図 11
図9木星電波データ収集に要する時間

より、展開長さ∆𝑙の増加に伴い、傾斜角𝜃が増加しており∆𝑙の操作により傾斜角𝜃を制御可能であ3.7 姿勢制御システムることがわかる。

本ミッションで使用する衛星の大きさが W100

5

ることにより BMF に発生する収縮によりアンテナを展開することができる。アンテナ展開に必要となる縮み量∆𝑙は、ヒンジの軸の半径 r とアンテナの板厚 t によって決定され，必要な縮み量∆lとして次式を得る。
∆𝑙＝2𝑡 + π𝑟
図 10衛星のモデル

本衛星では板厚 t=0.5 ㎜、ヒンジ軸半径 r=1.0㎜とするため、11 ㎝の BMF を使用することで展開可能となる。
表4

BMF の物性値

実用発生力 [kgf]
実用運動ひずみ [%]標準駆動電圧 [V/m]標準抵抗値 [Ω/m]

図 11144420.761

衛星の傾斜角と展開長さ3.8 アンテナの展開機構
図 12 に衛星のアンテナ展開時の様子を示す。
図 13

アンテナは衛星内に蛇腹状に折りたたまれて収アンテナ展開機構納されており、微小な電流を流すことで展開を始次に、BMF を用いたアンテナ展開機構の展開実める方式を考えた。

験を実施する。アンテナ展開機構の試作機を図14 に示し、アンテナ展開実験結果を図 15 に示す。
実験結果として、電圧印加時を t=0 としたときの、アンテナの展開角度履歴を示す。この結果、BMFを用いたアンテナ展開に対し、概ね良好な機能を有していることがわかる。よって，BMF を使用したアンテナ展開機構が有効であり、今後の詳細

図 12

アンテナ展開中の様子設計に向けて指針を得ることができた。

前述のように、本ミッションは、20MHz の木
星電波を観測するため、1 本 3.6ｍのダイポールアンテナを展開する必要がある。しかし、２U の超小型衛星ではモータを用いた展開機構を搭載
図 14することは困難である。そこで、本ミッションでアンテナ展開機構試作機

は、バイオメタル・ファイバ（BMF）を用いたアンテナ展開機構を提唱する。バイオメタル・フ
ァイバは、Ti-Ni 系の形状記憶合金の繊維を束ねた糸状の形態であり、電圧をかけると伸縮する性質を持っている。今回用いる BMF の物性値を表4 に示す。図 13 に、アンテナのリンクヒンジ部に BMF を張った図を示す。この際、電圧をかけ

図 156

展開角度の実験データ（角度履歴）

3.9 衛星の自撮りカメラ機能

4.まとめ

衛星 JBeam では木星電波受信用のアンテナが本ミッションは、従来地上での観測が中心の完全に展開したかを確認するために、Raspberry

木星電波の観測を、Onboard Computer(OBC)

Pi Camera Module を用いて衛星を自撮りする。

として Raspberry Pi Zero を使ったローコス

この際、図 16 のように三角形のミラーにより片トかつ超小型の衛星観測システムで、宇宙空間

端 3.6m のアンテナの両方を一度に撮影する。

での木星電波観測をより容易に実現するものである。そして、木星電波の遅延時間を測定し木星電波の特性を解析するという地上でしか行われていなかった観測を、この超小型衛星によりさらに発展させることが可能となり、木星電波放射機構を解明する上で非常に重要な情図 16報を得ることができると考えている。また、本自撮りカメラ機能の構造

ミッションで考えているアンテナを展開する

図 17 では上部が衛星本体、下部が「3.7 姿勢ための蛇腹機構やアンテナ展開時の自撮りカ制御システム」で述べたバッテリーの入った箱とメラ機能などは初の試みとなり、新しい超小型なっている。図 17 に、この機構の展開前、図 18衛星のモデルとして波及効果が期待できる。に、この機構の展開後のイメージ図を示す。

木星電波研究の最終的なゴールとなる木星電波の放射機構の解明は、将来の地球のエネルギー問題を解決できる糸口を見つけることにつながる可能性もあり、その場合の社会的効果は極めて高いと考えられ、本ミッションの貢献は大きいと考えている。

図 17

展開前

5.参考資料・参考ウェブサイト

[1]今井一雅: 木星から地球に届く謎の電波を探る, 電波技術協会報 FORN 285 ,pp.30-33

2012.
[2]M.Imai et al.: Beaming Structures ofJupiter’s decametric common S-burst
observed from LWA1, NDA, and URAN2
Radio Telescopes, Astrophysical Journal,
2016. (in Press)
図 18[3]宮崎康行: 人工衛星を作る, オーム社, 2011.

展開後[4] CubeSatShop http://www.cubesatshop.com

展開前の状態ではミラーは平面状になってい[5] CubeSat Kit http://www.cubesatkit.com

る。展開後の状態ではミラーは高さ 20mm の差[6] Raspberry Pi Zero Version 1.3角形のミラーとなり、全長 7.2m のアンテナを一

https://www.adafruit.com/products/2885

枚の写真に収めることが出来る。撮影された写真は地上で画像処理を施し確認する。

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