超小型衛星の国際動向と編隊飛行への応用
東京大学 航空宇宙工学専攻 中須賀・船瀬研 五十里 哲（いかり さとし）
光赤天連シンポジウム 2018年09月11日

1自己紹介：五十里 哲(いかり さとし)，中須賀・船瀬研

2

助教

超小型衛星

自己紹介：五十里 哲(いかり さとし)，中須賀・船瀬研
高精度位置決定・制御研究 ⇒測位衛星みちびき cm軌道決定

3

Formation Flight助教

超小型衛星

発表の目的 超小型衛星を使った「新たな理学ミッション」の可能性を理学研究者と検討したい 最新の超小型衛星について，理学系研究者と情報共有したい

海外で提案されている理学ミッション
 軌道上実証済みの最新性能，今後目指す性能
 編隊飛行を利用したミッションの可能性について議論したい4

内容
 超小型衛星とは 超小型衛星の国際動向

 超小型衛星の現状の性能・限界
 編隊飛行の意義と実現可能性
 まとめ5

超小型衛星とは6 Micro-satellite超小型衛星の分類

主に50kg級(40~70kgくらい)，50cm立方級の衛星
Nano-JASMINE 35kg

 CubeSat

1U = 10cm立方，1kgを基準とした規格

3U(10*10*30cm), 6U(10*20*30cm), 12U(20*20*30cm)…

XI-IV, 1U

 50cm立方規格や，CubeSat規格はISSからの放出が容易

打ち上げ機会に恵まれている ただし高度400km
 その他もロケットI/F，コンポーネントの観点から規格に沿った構造で話を進めるのがよい7

超小型衛星の成長・低価格，低開発期間という利点から，「教育ミッション」はもちろん「挑戦的なミッション」，「多数の衛星を使うミッション」に向く

8

Now©SpaceWorks

米国で超小型衛星開発が活発化

9

Jim Cockrell, et al., “NASA Centers and Universities Collaborate in Annual Smallsat Technology Partnerships”,
32nd SSC,2018

宇宙ベンチャー企業

Planet Labsによる3Uでの地球リモセン
すでに150機打ち上げ済み

ワンウェブによる700機の宇宙通信網
その他，・リモセン企業
・超小型用コンポーネント企業
・超小型衛星用ロケット企業などが多数存在

10

Axel SpaceによるAxelGlobe計画

 性能

課題：性能の低さ，成功率の低さ

低供給電力，低通信速度
 粗い姿勢制御，軌道制御できない ここ数年で大きく改善されてきた(後述) 成功率

大学衛星は22%のDOA率 (DOA=Dead On Arrival)
 改善に向けて，“基準”を決める動き
24年間の大学衛星ミッションの結果まとめ＊青はロケット打ち上げ失敗
11

Michael Swartwout, “Reliving 24 Years in the next 12 Minutes: A Statistical and Personal Historyof University-Class Satellites”, 32nd SSC,2018

最新国際動向

12

Small Satellite Conference 2018
-Delivering Mission Success-13

 工学：61


発表内容

姿勢制御，光通信，編隊飛行，など

 理学：37

地球リモセン，電離層・磁気圏観測，X線観測など

 その他：47
14

信頼性向上，教育，打ち上げ手段など

SSC2018理学関連発表のトピック分類

ASTERIA：6Uでの系外惑星探査-超高精度姿勢・熱制御-

15

Matthew Smith, et al., “On-Orbit Results and Lessons Learned from the ASTERIA Space
Telescope Mission”, 32nd SSC, 2018

X線ミッション
HaloSat：2018年6月13日ISS放出

16

Anna Zajczyk, et al., “HaloSat: A Search for Missing Baryons with a CubeSat”, 32nd SSC,
2018

高分解能可視地球観測
キヤノン電子50kg級超小型衛星

Nobutada Sako, “Utilizing Commercial DSLR for High Resolution Earth Observation Satellite”,
32nd SSC, 201817

現状の実力と限界

18

CubeSatの能力 姿勢制御ユニットXACT(Blue Canyon technology社)

0.5U，0.91kg，制御精度 1σ0.003
度，1σ0.007度(STT光軸周)＊ASTERIAでは，星画像フィードバックとピエゾアクチュエータと組み合わせて0.0001度を達成ずみ 太陽電池HaWK (MMA design社)

1kg，40Wの発電能力
 ジンバル付きの物もあり
 その他，計算機，電源制御回路なども購入可能
19

EQUULEUS(6U,14kg)

Micro Satellite

PROCYON(60kg)• 姿勢安定度1σ0.002度@10秒
1σ0.007度@200秒以上• イオンエンジンでの軌道制御
20

Nano-JASMINE(35kg)：• 姿勢安定度：0.0002度@8秒• 星画像フィードバックによる• 温度制御：-50度程度まで受動冷却• 温度安定度：0.1度@90min

超小型衛星の現状の課題

 低温熱制御

電力/質量比が高く，温度を下げづらい 超小型用Cryo pumpも提案されつつある 高精度位置制御

CubeSatクラスでの最高相対位置制御精度は25cm
 3年間0.5km精度でフォーメーション維持も成功
 干渉計にはもう二桁良い精度が必要 体積・質量の限界


超小型である以上避けられない⇒Formation Flight(編隊飛行)
21

編隊飛行の可能性

22複数衛星を使うミッション

 Constellation

高性能な数基～数百基
 軌道・位相が大きく異なる
 位置制御は粗い 例：GPS，リアルタイムリモセン


低性能な数基～数百基
 相対位置は近い 高精度位置計測が必要だが，位置制御は粗い
 例：同時多点観測 Formation Flight(編隊飛行)

数基，相対位置制御精度が高い
 例：干渉計，重力波


23

SWARM

Constellation
遠Constellation
相対距離 SWARM

SWARM

Formation
Flight相対位置精度良Formation Flight（編隊飛行）

超小型衛星

大型・中型衛星

XEUS(ESA)DECIGO(日本)

超小型衛星

CanX-4&5(カナダ，2014)
CubeSatで25cm精度FF(100m基線長)

静止リモセン(中須賀研)

大型編隊飛行と小型編隊飛行のつながり 大型・中型であっても編隊飛行の実現例は少ない

ETS-VII(JAXA,1997)：ランデブドッキング技術の実証
 GRACE(NASA,2002)：重力場観測
 HTV(JAXA，MELCO)：ISSランデブドッキング 光学望遠鏡構築，干渉計構築といった実現例はない

 制御アルゴリズム，検証シミュレータ等は共通にできる 制御コンポーネントで共通部分もある

大型⇒小型は難しいが，小型⇒大型は可能な部分もある
 推進機：同じ推力でも，小型で普通の加速度⇒大型では微小加速度 大型編隊飛行(DECIGOなど)の実現のためにも，超小型編隊飛行での事前実証が重要

25

もちろん，超小型編隊飛行だけでも意義のある理学観測も可能

赤外線干渉計の実証機を超小型で(with松尾先生)
 短いタイムスケールで可能なミッション
 干渉縞を宇宙空間で初検出することを目標
 ＊詳細は検討・調整中

20-100m３U-6U CubeSat

26

３U-6U CubeSat

50kg級Micro Satellite• 姿勢精度は満たせそう• 位置精度を満たすには，ミッション機器からのフィードバックが重要まとめ 超小型衛星の性能は大きく改善されてきている 超小型衛星を利用した理学ミッションが多く提案・実現されている

 超小型衛星編隊飛行技術の獲得のため，かつ大型衛星編隊飛行技術の事前実証機として，新たなミッションを検討していきたい 精度を得るには，ミッション機器からのフィードバック，ミッション機器の微調整機能が重要「超小型」×「編隊飛行」×「理学観測」
27