2013年2月26日

ＮＩＣＴ 2012年度 宇宙天気ユーザーズフォーラム
講演 2

14:25-14:55

宇宙天気が超小型衛星に及ぼす影響趙 孟佑（九州工業大学）

講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

宇宙天気が超小型衛星に及ぼす影響

趙孟佑
九州工業大学 宇宙環境技術ラボラトリー
2013年2月26日
宇宙天気ユーザーズフォーラム

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

高電圧技術実証衛星「鳳龍弐号」
CameraSolar array witharc mitigation
designSurface charging
sensor

300V Photovoltaic
power generation
Electron-emitting
film

Debris impact sensor

九州工業大学の学生による開発（教育目的）
30cm cube, 7kg 680km, 太陽同期
高電圧技術(300V太陽光発電等）、衛星帯電観測・防止、デブリ観測、地球撮影
アマチュア無線バンド、受動的姿勢制御
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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

鳳龍弐号の開発方針 (1/2)• 鳳龍1号の設計をできるだけ引き継ぐ– ある程度は実証済みで細かいところまで理解• 学生の技術レベル– 受動的制御– 最低限の展開• アンテナのみ– 外注• 電子部品のハンダ付け• 構造部品の機械加工• 設計と組立は学生– 太陽電池は宇宙用太陽電池メーカーから調達• 予め4直列につなぎかばーをつけてもらう
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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

鳳龍弐号の開発方針(2/2)• スケジュールをコストに優先させる– 複数部品を購入して、同時並行の開発• 各段階で3枚の基板• できるだけ試験– 九工大の試験設備– 放射線試験はしない• リスク管理– できる限り衛星喪失につながる単一故障点は避ける• 限界あり• 検証要求を設計要求と同時に策定
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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

耐放射線対策• 概念設計段階で以下を決定– トータルドーズ• ミッション期間が1年であるため、試験しない– 後付けの試験(γ線）で 8.7kRadまでの耐性を確認(2011年末）– シングルイベント• 3時間毎の定期リセット、二つのマイコンによる相互監視• 3mm厚のタングステンシートによる局所遮蔽
Tungsten sheet• 過電流防止回路– 0.5Aで動作• 試験を計画せず

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

打ち上げ

H2Aロケットに取り付けられた鳳龍弐号（写真提供JAXA)

2012年5月18日午前1:39(日本時間）頃の九工大

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

分離

軌道上での分離直後の様子
2012年5月18日午前2:30頃(日本時間）

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産声2012年5月18日午前3時28分 九工大局にてビーコン信号を確認!!

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

打ち上げ後
• 至極順調に飛行を続ける
10日

20日

回転速度が減衰していく様子

10日

太陽電池の発電電力

20日

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

不具合発生(6月5日）• リアルタイムHKデータの内容が更新されない。
• リアルタイムHKデータに含まれるキルスイッチのステータスの一つがONを示す• 詳細センサデータ等をダウンリンクさせようと地上からコマンドを送っても、コマンドの受信を確認する信号が返ってくるのみで、データが送られてこない。
• 地上から強制リセットコマンドを送っても、上記の事象が変化しない。

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

運用モード
• CW 信号送信• ビーコン＋リアルタイムHK（モールス）• HK データ取得(10分毎）• フラッシュメモリに保存• 3時間毎の定期リセット

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

OBC subsystem
300V（300V Powergeneration）

どちらかが不具合
FLASH
300ＶFLASH
Main

Powersubsystem

FLASH
Share

Camera(Photograph)Trek(Chargingmonitor)
ELF(Chargingmitigation)

Power

Image data
MAIN

Watch, Data transfer

A/Dconverter

reset
Digital data

Sensors(Housekeeping

Analog data (voltage)

COM
Data
transmission

Communication
subsystem
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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

故障発生箇所

Main H8

SN74

ADG821

MPU or parts related to resetting

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

不具合発生地点••

不具合は 01:08 2012/06/05 と 02:35 2012/06/05の間で発生 宇宙天気は静穏固定されたリアルタイムHKデータは蝕明け後10~20分を指し示す

最も疑わしい発生地点

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南大西洋異常域
ブラジル南東沖は最も放射線（電子や陽子）が強い領域として知られる

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

OBC subsystem
センサー、ミッション機器にアクセスできず、ビーコンのみ
Mission
300V（300V Powergeneration）

FLASH
300Ｖ

FLASH
Main

FLASH
Share

Powersubsystem

Camera(Photograph)Trek(Chargingmonitor)
ELF(Chargingmitigation)

Main
A/D
converter
Digital data

Sensors(HousekeepingPower

Image data

Analog data (voltage)

Watch, Data transfer

COMreset
Data transmission

Communication
subsystem
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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

推定故障原因• 熱サイクルによる素子ハンダ部で不良が発生– 熱サイクル試験で確認• 内部帯電によってOBC基板上で放電が発生– 帯電試験

• 外部から異物が混入し、基板上で短絡が発生• リセット素子が放射線の影響をうけて故障– シングルイベント試験• マイコンがシングルイベント(SE)により暴走– シングルイベント試験

• その他
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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

熱サイクル
• 予備基板を使用– 軌道上データは-5~25℃、殆どが0~20℃で300サイクル• 試験条件– 600サイクル、15分/サイクル– -10oC ~ +40oC– 窒素ガスElectrical check after the thermal cycle– 外観、電気性能とも問題なし

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

内部帯電Main H8
SN74

ADG821OBC基板は1mm厚のアルミ板で守られているだけ19

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

表面帯電、深部帯電、内部帯電
中速(30~100keV)電子

高速(>100keV)電子

低速（<30keV)電子
二次電子(~2eV)
表面帯電絶縁体+- - +10~1000µm

-

深部帯電

+-+--+-

抵抗減少
（RIC)
構造体or
太陽電池(金属)
散乱電子

内部帯電
内部回路基板

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

内部帯電電子1mm
プロトン1mm厚を貫通可能

500keV
Hastings and Garret, “Spacecraft EnvironmentalInteractions”, Cambridge University Press

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

OBC基板帯電放電試験
検証項目
2. 内部帯電によってOBC基板上で放電が発生
試験概要
帯電試験
電荷の抜け測定
放電試験

放電閾値の導出22
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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

回路基板上の電位の緩和時間
電子ビームOFF

回路基板表面電位(V)

電荷の抜けは非常に遅い （〜時間)
帯電粒子との繰り返しの遭遇により、帯電していく可能性

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

放電の確認
Discharge location

Discharge
x current

Confirmed discharge light and current

Photograph after test
→No discharge spot found
放電発生を-3.5kVで確認

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

内部帯電
• 500keVの電子であれば1mm厚のアルミを貫通• 帯電試験を実施– 基板上の帯電電荷は数時間経っても消えない– -3.5kVまで帯電したところで放電を確認• GOSATのデータ解析– 平均して1x10-10A/m2の電子電流• 3週間では、-3.5kVまでは帯電できない（1桁は足りない）– 基板の容量による(4.4x10-7F/m2と仮定）
25
今回は多分大丈夫。ただ、宇宙天気が荒れた時や、長時間経過時は要注意

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

事態の悪化
• 2012年6月30日13時4分– コールサインに続くハウスキーピングデータを受信できず– コールサインはかろうじて受信– コールサインが消えると万事休す
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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

OBC subsystem
No access to sensors, mission payload, only beacons
Mission
300V（300V Powergeneration）

FLASH
300Ｖ

FLASH
Main

This is down too

Camera(Photograph)Trek(Chargingmonitor)
ELF(Chargingmitigation)

Power

Image dataMain
A/D
converter
Digital dataSensors(HousekeepingPowersubsystem

FLASH
Share

Analog data (voltage)

Watch, Data transfer

COMreset
Data transmission

Communication
subsystem
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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

復活• 2012年7月3日02:01– HKデータが復活していることを確認– HKデータは6月5日以降のデータから更新されていた• 2012年7月3日12:57– 地上からのアップリンクにより、衛星と通信– 衛星からの過去ログと詳細センサデータを取得– 衛星の機能が正常に戻っていることを確認– バッテリー容量が非常に低下していた

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

推定原因
Circuit breaker

DC/DCA
Current sensor

3.3VDC/DC

H8H8

正常状態
Solar array x 55.0V
DC/DC

Grounded to the structure

Individualunits

29

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

推定原因
Circuit breaker

電流の増大
DC/DC
A
Current sensor

3.3V
DC/DC

推定原因

H8H8

マイコン１つの暴走

Solar array x 55.0V
DC/DC

Individualunits

バッテリはぎりぎり充電される
Grounded to the structure30

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

推定原因
Circuit breaker

電流の更なる増大
DC/DCACurrent sensor

3.3V
DC/DC

H8H8

２個目のマイコンの暴走
Solar array x 55.0V
DC/DC

Individualunits

バッテリ充電が間に合わないGrounded to the structure31

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

Possible cause
Circuit breaker

電流が途絶える
DC/DC
A
Current sensor

3.3V
DC/DC

H8

H8

マイコンの電源オフ
Solar array x 5

バッテリが枯渇し、3.3VDC/DCコンバータの動作下限電圧を下回る

5.0V
DC/DC

Grounded to the structure

Individualunits

32

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

シングルイベント試験• 予備基板のセット（OBC+通信+電源+通信機）を使用– シングルイベントが起きるか？
– シングルイベントが発生しても、リセットかかるか？
– ラッチアップが起きると、どれくらいの電流が流れるか？
Californium

Circuit board

京都大学原子炉実験所のカリフォニウム照射試験装置
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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

シングルイベント• シングルイベントアプセット– 電離によって発生した電荷がメモリ中の0と1を反転させる• コンデンサ中の電荷が変化する
ワード線

MOSトランジスタ

コンデンサビット線
http://web.mac.com/tus_goodjob/science_goodjob/dijital_MOS_ichir
an_files/MOStoranzista.ppt

http://www.tsl.uu.se/radiation_testing/tsl_see.html

DRAM composition

34

ソフトエラー（リセット可能）
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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

シングルイベント
Qc, critical charge (pC)

重イオン程、電離を集中できる

From Spacecraft Environment Interaction, Hastings
and Garrett, Cambridge University Press

線幅(µm)
From Single Event Phenomena, Messenger & Ash,
Chapman & Hall
35

Memory反転のための電荷量0.01~1pC
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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

シングルイベント

From Single Event Phenomena, Messenger & Ash, Chapman & Hall

低軌道では、放射線帯の陽子による南大西洋異常域上空でのシングルイベントが支配的36
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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

シングルイベントラッチアップ(SEL)• CMOS– Connecting two MOS

AQ
Vss
http://ja.wikipedia.org/wiki/CMOS

http://www.cqpub.co.jp/hanbai/books/30/30261/30261_2syo.pdf

37

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

CMOS
• 通常のCMOSはpnpn接合の寄生サイリスタを形成

38
M. Shoga and D. Binder, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-33, No. 6, December 1986

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

シングルイベントラッチアップ(SEL)
粒子軌跡
ラッチアップ電流
電離のために、Q2のBとEの間に電流が流れてしまう

M. Shoga and D. Binder, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-33, No. 6, December 1986

39
電流がVddからVssに自発的に流れ、Vddをゼロにしない限り流れ続ける

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

SE試験構成検証項目
5. マイコンがシングルイベント(SE)により暴走
カリフォルニウム252
カリフォルニウム
平均エネルギー
78.7~102.5[MeV]
平均LET
平均
43~44[MeV/mg/cm2]
フラックス
2.3××101[1/cm2・s]

検証概要
試験場所
京都大学
原子炉研究所検証素子
・フラッシュメモリ・リセットシステム
・マイコン(H8)電源ライン

デジタル信号

GND40
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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

Single Event Test
マイコン一個のラッチアップ
Current[A]
0.6

放射線曝露

0.5

基板電源ON

ラッチアップCurrent (A)0.4
0.3
Current[A]

0.2
0.1

Power-off

外部コマンドによりリセットかけようとしたが、リセットできず。電源を一旦OFFすると、復帰

06 minutes
-0.1

41

Time
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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

Single Event Test
マイコン2個のラッチアップ
0.6

Current (A)0.5

COM-H8の曝露
Main H8の曝露 Current[A]Power-on

0.4
0.3

0.2

Latch-up of COM H8

Latch-up of Main H8

0.1

一個のマイコンのラッチアップにより、消費電流が約0.1A上昇

0-0.1

8 minutes
Time42

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

復活後
• 復活後、約２日で衛星は通常状態に復帰– ほぼ、地上試験結果通りにバッテリが枯渇状態から復帰

43

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

不具合原因究明の結果• 熱サイクル →×– 熱サイクル試験で確認• 内部帯電 →△– 帯電による放電は確認したが、深刻な被害なし– 帯電電位と放電回数を見積もる必要あり• 外部からの異物による短絡 →×– 衛星は復活した• リセット素子が放射線の影響をうけて故障→×– シングルイベント試験で確認• マイコンがシングルイベント(SE)により暴走→○– シングルイベント試験で現象を再現
• その他
44

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

復活後

ひまわりが捉えた台風７号

鳳龍弐号が捉えた台風7号
鳳龍弐号が捉えた台風 号
鳳龍弐号が捉えた日本列島

45

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

復活後300V発電実験

2012.7.11朝日新聞

宇宙空間での発電電圧の世界新記録を達成

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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012現在の状況
• 12/2 12:23 コールサインの後にデータが来ない• COM-H8 に不具合
• ラッチアップが再度発生• ラッチアップ発生までの時間– 5/18 打上げ– 6/5 Main-H8 18日– 6/30 COM-H8 44日– 7/3 復活– 12/2 COM-H8 復活から152日– 過去3回のシングルイベント発生までの平均日数 = 71日– Main-H8 復活後 238日経過
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講演 2 / Space Weather User's Forum 2012

不具合からのLessons Learned• 放射線の影響を過小評価してはいけない• 少なくとも、バス基板レベルでのシングルイベント試験を行なって、SE発生時のバス系の挙動を把握し、耐放射線設計（過電流保護回路、リセット、スポットシールド等）の有効性を検証すべき• 不具合発生時に対応できる様々なサバイバルモードを用意し、実際に検証しておくことが大事– ビーコン+最低限のHKの確保– バッテリゼロからの復活– セーフモード？
• 薄板一枚で覆われる超小型衛星では内部基板が帯電する
可能性あり
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