〈一般研究課題〉 超小型衛星群による新しい地球観測に向けた
高精度時刻同期システムの開発
助 成 研 究 者

中部大学

海老沼

拓史

超小型衛星群による新しい地球観測に向けた
高精度時刻同期システムの開発
海老沼 拓史（中部大学）GPS Disciplined Oscillator for Distributed Earth
Observation Small Satellite Systems
Takuji Ebinuma(Chubu University)

Abstract：
One of the new trends in Earth observation applications is to use cooperating groups of small
satellites instead of a traditional single, large, and multifunctional satellite. Such distributesatellite systems have the innovative potential to provide higher temporal and spatial resolutions inEarth observation data and to achieve higher availability. These robust capabilities are especially
important in emergency surveillance tasks. In addition, modern miniaturization technologies enablerealization of electric and mechanical components at very small size and mass. Many small satellites
of few kilograms of mass have already provides valuable missions and services. However,
distributed satellite operations also raise challenging control and coordination requirements fortime synchronization of heterogeneous sensors.
Precise time synchronization has also become essential for today’s mobile network systems. GPS
disciplined oscillators (GPSDO) are becoming more popular as a reliable and accurate timing andfrequency source for many network applications. The GPSDO is a powerful device that consist of ahigh-quality crystal oscillator and a GPS receiver. Although the timing signals generated by the
GPS receiver have excellent long-term stability, the short-term stability is often degraded by manyfactors including multipath interference and atmospheric conditions. On the other hand, the highquality crystal oscillator offers better short-time stability, but it is exposed to thermal, aging, and－ 109 －

other long-term effects. The combined efforts of the GPS receiver and the high-quality crystal
oscillator make a GPSDO an excellent source for overall timing and frequency stability.
Many small satellites have already carried GPS receivers for their real-time positioning, but
none of them has GPSDO capability. The main purpose of this study is to develop a low cost, yet
accurate and precise GPSDO for small satellite applications. This paper describes the development
and evaluation of a prototype space-capable GPSDO and a brief introduction of our newly proposed
space mission using the precise timing and frequency synchronization provided by the onboard
GPSDO.
1. はじめに
従来の大型衛星に代わり，超小型衛星の群れによる地球観測が注目を集めている．一機だけで運用される大型衛星とは異なり，数百から数千機もの超小型衛星を軌道上にまんべんなく配置することで，いつでも，どこでも，即座に観測可能な地球観測システムを構築することができる．これにより，例えば地震災害など，いつ，どこで発生するか予想できない災害に対して，被災状況を即座に知ることが可能となり，安心・安全な新しい社会基盤として期待されている[1]．
しかし，これら多数の衛星群を従来の大型衛星のように，ひとつひとつ地上の運用局から制御することは困難となる．そこで，本研究では，超小型衛星がお互いに情報を交換し合い，自律的に群れとして運用される群制御システムの実現を最終的な目標としている．そのコアとなる技術として，それぞれの超小型衛星の時刻が同期し，送受信の衝突のない相互通信を実現するために，
GPSによる時刻同期システムの研究開発を進めている．
このようなシステムはGPSDO（GPS Disciplined Oscillator）と呼ばれ，地上アプリケーションではすでに精密な時刻同期が必要とされる移動体通信基地局などに広く利用されている[2]．GPSDO
は，GPS受信機と高品質な水晶発振器を組み合わせたユニークな基準周波数発生器である．GPS
衛星から発信される電波は衛星に搭載された精密な原子時計によって生成されており，その電波に同期したGPS受信機も原子時計と同レベルに長期間安定な時刻情報を提供することができる．しかし，GPS受信機の受信環境により，周りの障害物からの反射や干渉，大気による電波の遅延などの影響を受けるため，短期的には時刻情報が不安定となる欠点がある．一方，水晶発振器は，周囲の温度変化や経年劣化により長期的な安定性の確保が難しいものの，短期的には安定した周波数発生器である．GPSDOは，これら2つがお互いの短所をカバーすることで，長期的にも短期的にも安定した原子時計レベルの高品質な基準時刻および基準周波数発生器を低コストで実現している．
地上アプリケーションでは，時刻同期のために広く利用されているGPSDOであるが，超小型衛星に搭載可能な小型・省電力な宇宙用GPSDOは例を見ない．一方，本研究室では，切手サイズの小型・省電力な宇宙用GPS受信機を開発し，JAXA革新的衛星技術1号機にて軌道上実証実験を実施中である[3]．そこで，本研究では，この宇宙用GPS受信機に時刻同期機能を追加することにより，超小型衛星にも搭載可能な小型GPSDOの開発を試みた．
本稿では，宇宙用GPSDOの試作と動作試験に加えて，高精度な時刻同期および基準周波数を利用した将来の超小型衛星群による地球観測ミッション計画について紹介する．

－ 110 －

2．小型衛星用GPSDOの開発
2.1 Firefly GPS受信機

いる．Firefly は，最新の車載用 GPS 受信機ア
本研究室では，コストや性能面で超小型衛星に最ーキテクチャをベースとしており，受信機モ
いる．Firefly
は，最新の車載用 GPS 受信機ア
適化したGPS受信機であるFireflyを開発している．
ジュールの大きさは 17mm×22mm の切手サーキテクチャをベースとしており，受信機モ
Fireflyは，最新の車載用GPS受信機アーキテクチャ
イズと小型で，消費電力も150mWの切手サと，無理ジュールの大きさは17mm×22mmをベースとしており，受信機モジュールの大きさはなく22mmの切手サイズと小型で，消費電力もCubeSat などの超小型衛星に搭載するこイズと小型で，消費電力も150mW と，無理17mm×とが可能である．その外観を図1 に示す．
なくCubeSat などの超小型衛星に搭載するこ150mWと，無理なくCubeSatなどの超小型衛星に搭
Firefly は，米国の衛星測位システムであるとが可能である．その外観を図1 に示す．
載することが可能である．その外観を図1に示す．
GPSだけではなく，ロシアの GLONASS と日
Firefly
は，米国の衛星測位システムである
Fireflyは，米国の衛星測位システムであるGPSだ
本のだけではなく，
QZSS にも対応しており，167
個の信号
GPS
ロシアの GLONASSと日けではなく，ロシアのGLONASSと日本のQZSSに

図1．Firefly GPS受信機モジュール

図 1．Firefly GPS 受信機モジュール
追尾チャンネルにより，最大24 衛星の信号
本のQZSS にも対応しており，167
個の信号も対応しており，167個の信号追尾チャンネルによを同時に追尾することが可能である．GPS以
図 1．Firefly GPS 受信機モジュール
追尾チャンネルにより，最大24 衛星の信号
り，最大24衛星の信号を同時に追尾することが可能である．GPS以外の衛星測位システムへの対外の衛星測位システムへの対応による可視衛星数の増加は，衛星の姿勢が不安定な状況においても，を同時に追尾することが可能である．GPS
以応による可視衛星数の増加は，衛星の姿勢が不安定な状況においても，良好な観測性を提供するこ
良好な観測性を提供することができる．また，信号追尾チャンネルとは別に，専用の信号捕捉エン外の衛星測位システムへの対応による可視衛星数の増加は，衛星の姿勢が不安定な状況においても，とができる．また，信号追尾チャンネルとは別に，専用の信号捕捉エンジンを搭載しており，毎秒ジンを搭載しており，毎秒 1,600 万点の相関値を計算するこができる．これにより，高速に移動す
良好な観測性を提供することができる．また，信号追尾チャンネルとは別に，専用の信号捕捉エン
1,600万点の相関値を計算することができる．これにより，高速に移動する低軌道衛星においても，る低軌道衛星においても，受信機の電源を入れてから
45 秒ほどで信号を捕捉し，測位を開始する
ジンを搭載しており，毎秒
1,600 万点の相関値を計算するこができる．これにより，高速に移動す
受信機の電源を入れてから45秒ほどで信号を捕捉し，測位を開始することが可能である．Firefly
ことが可能である．Firefly は，機能的に地上でも低軌道でもほぼ同じように動作するように設計さる低軌道衛星においても，受信機の電源を入れてから
45 秒ほどで信号を捕捉し，測位を開始する
は，機能的に地上でも低軌道でもほぼ同じように動作するように設計されており，ユーザは低軌道れており，ユーザは低軌道衛星における特別な運用を気にすることなく，GPS
受信機による測位機ことが可能である．Firefly
は，機能的に地上でも低軌道でもほぼ同じように動作するように設計さ衛星における特別な運用を気にすることなく，GPS受信機による測位機能を衛星に追加すること能を衛星に追加することができる．
れており，ユーザは低軌道衛星における特別な運用を気にすることなく，GPS
受信機による測位機ができる．
能を衛星に追加することができる．
2.1 1PPS 信号出力の実装
2.1 1PPS信号出力の実装
位置情報だけではなく，精密な時刻情報を利用する分野においても広く利用されている．
1PPSは，
信号出力の実装
2.1 GPS
GPSは，位置情報だけではなく，精密な時刻情報を利用する分野においても広く利用されていGPS受信機から出力される 1PPS（Pulse Per Second）信GPSによる時刻情報の取得方法としては，GPSは，位置情報だけではなく，精密な時刻情報を利用する分野においても広く利用されている．
る．GPSに よ る 時 刻 情 報 の 取 得 方 法 と し て は，GPS受 信 機 か ら 出 力 さ れ る 1PPS（Pulse Per号と呼ばれるパルス信号を利用するのが一般的である．
GPS 受信機内部で実行される測位演算におGPSによる時刻情報の取得方法としては，GPS 受信機から出力される
1PPS（Pulse Per Second）信Second）信号と呼ばれるパルス信号を利用するのが一般的である．GPS受信機内部で実行される測
いて，受信機の位置だけではなく，受信機に搭載されている基準クロックの時刻オフセットも同時号と呼ばれるパルス信号を利用するのが一般的である．
GPS 受信機内部で実行される測位演算にお
位演算において，受信機の位置だけではなく，受信機に搭載されている基準クロックの時刻オフに計算される．この時刻オフセットによって 1PPS 信号のタイミングを補正することで，協定世界
いて，受信機の位置だけではなく，受信機に搭載されている基準クロックの時刻オフセットも同時
セットも同時に計算される．この時刻オフセットによって1PPS信号のタイミングを補正すること時（UTC: Coordinated Universal Time）の整数秒に同期した時刻情報を得ることができる．本研究でに計算される．この時刻オフセットによって
1PPS 信号のタイミングを補正することで，協定世界
で，協定世界時（UTC:
Coordinated
Universal
Time）の整数秒に同期した時刻情報を得ることがでは，宇宙用
GPSDO の実現に向けて，高速に時（UTC:
Coordinated
Universal Time）の整数秒に同期した時刻情報を得ることができる．本研究できる．本研究では，宇宙用GPSDOの実現に向けて，移動する低軌道衛星においても地上と同様に
は，宇宙用
GPSDO の実現に向けて，高速に高速に移動する低軌道衛星においても地上と同様に高精度な 1PPS 信号を生成する機能を Firefly
移動する低軌道衛星においても地上と同様に高精度な1PPS信号を生成する機能をFireflyGPS
GPS 受信機に追加することを試みた．
高精度な
1PPS 信号を生成する機能を Firefly
受信機に追加することを試みた．
受信機内部には，受信機に搭載されてGPSGPS
受信機に追加することを試みた．

GPS受信機内部には，受信機に搭載されている基いる基準クロックによってカウントアップさ
GPS 受信機内部には，受信機に搭載されて準クロックによってカウントアップされる数値制御
れ る 数 値 制 御 発 振 器 （ NCO: Numerically
いる基準クロックによってカウントアップさ
発振器
（NCO:
Numerically
Oscillator）とControlled
れる 数 値 Oscillator）と呼ばれるカウンタが複制
御 発 振 器Controlled（ NCO: Numerically呼ばれるカウンタが複数個準備されている．このう
数個準備されている．このうちのひとつを，1Controlled
Oscillator）と呼ばれるカウンタが複
ちのひとつを，1秒周期の1PPS信号の生成に利用
秒周期の 1PPS 信号の生成に利用することを数個準備されている．このうちのひとつを，1

図 2．PPS 信号出力タイミングの補正考える．しかし，NCOをカウントアップする
することを考える．しかし，NCOをカウントアップ
秒周期の1PPS 信号の生成に利用することを

図2．PPS信号出力タイミングの補正

図 2．PPS 信号出力タイミングの補正

基準クロックは GPS 受信機に搭載されている
考える．しかし，NCOをカウントアップする
基準クロックは GPS 受信機に搭載されている－ 111 －
33

する基準クロックはGPS受信機に搭載さ水晶発振器であるため，発振器が持れている水晶発振器であるため，発振器
つ周波数オフセットによって NCO のが持つ周波数オフセットによってNCOの周期もドリフトし，1 秒周期から離れ周期もドリフトし，1秒周期から離れてていってしまう．また，周囲の温度
いってしまう．また，周囲の温度によっによっても周波数オフセットが変動ても周波数オフセットが変動してしまう
してしまうため，定期的に 1PPS 信号
ため，定期的に1PPS信号を発生するタを発生するタイミングを補正する必要がある．
イミングを補正する必要がある．
一方，GPS 受信機で測位演算を行
一方，GPS受信機で測位演算を行うこ
うことによって，観測値を取得したとによって，観測値を取得したタイミン

図3．1PPS信号発生タイミングの計測

タイミングでの基準クロックの時刻
グでの基準クロックの時刻オフセットが，

図 3．1PPS 信号発生タイミングの計測
オフセットが，測位結果と同時に計測位結果と同時に計算される．これにより，観測値を取得したタイミングにおける時刻誤差が推定算される．これにより，観測値を取される．この推定値により，次の1PPS信号の発生タイミングを補正することで，UTC時刻の整数得したタイミングにおける時刻誤差が推定される．この推定値により，次の 1PPS 信号の発生タイ秒に同期した1PPS信号を実現している．図2に1PPS信号発生タイミングの補正手法の概要をま
ミングを補正することで，UTC 時刻の整数秒に同期した 1PPS 信号を実現している．図 2 に 1PPS
とめる．
信号発生タイミングの補正手法の概要をまとめる．
Firefly
GPS受信機に実装された1PPS信号の精度を評価するために，模擬的なGPS信号を生成
Firefly GPS 受信機に実装された 1PPS 信号の精度を評価するために，模擬的な GPS 信号を生成すするGPS信号シミュレータを用いて，Fireflyが出力する1PPS信号と，リファレンスとなるGPS
る GPS 信号シミュレータを用いて，Firefly が出力する 1PPS 信号と，リファレンスとなる GPS 信
信号シミュレータの1PPS信号の比較実験を行った．そのときに観測された両者のパルス信号の観号シミュレータの 1PPS 信号の比較実験を行った．そのときに観測された両者のパルス信号の観測
測結果を図3に示す．図中，中心でパルスの立ち上がりを示している信号がリファレンスとなる
結果を図 3 に示す．図中，中心でパルスの立ち上がりを示している信号がリファレンスとなる GPS
GPS信号シミュレータの1PPS信号であり，それより遅れて立ち上がっている信号がFirefly GPS
信号シミュレータの 1PPS 信号であり，それより遅れて立ち上がっている信号が Firefly GPS 受信機
受信機が出力する1PPS信号である．横軸は時間軸であり，1目盛りが100ナノ秒である．これにが出力する 1PPS 信号である．横軸は時間軸であり，1 目盛りが 100 ナノ秒である．これにより，
より，Fireflyから出力される時刻補正後の1PPS信号のオフセットは，約50ナノ秒であることがFirefly から出力される時刻補正後の 1PPS 信号のオフセットは，約 50 ナノ秒であることが確認でき確認できた．さらに，1PPS信号はオシロスコープのパーシスタンスモードを用いて，すべての観た．さらに，1PPS 信号はオシロスコープのパーシスタンスモードを用いて，すべての観測波形を
測波形を重ね書きしている．これにより，Fireflyから出力される1PPS信号のばらつきは10ナノ重ね書きしている．これにより，Firefly から出力される 1PPS 信号のばらつきは 10 ナノ秒以下であ
秒以下であることも見て取れる．このばらつきは，1PPS信号の生成に利用したNCOの分解能や受ることも見て取れる．このばらつきは，1PPS 信号の生成に利用した NCO の分解能や受信機に搭載
信機に搭載されている水晶発振器の周波数などで制限される値であるためこれ以上の改善は難しされている水晶発振器の周波数などで制限される値であるためこれ以上の改善は難しい．一方，約い．一方，約50ナノ秒のオフセットの値は，主にアンテナケーブルや受信機回路内部における50 ナノ秒のオフセットの値は，主にアンテナケーブルや受信機回路内部における GPS 信号の伝搬
GPS信号の伝搬遅延によるものであり，受信機のセットアップに変更がなければ，ほぼ一定値を遅延によるものであり，受信機のセットアップに変更がなければ，ほぼ一定値を示す．そのため，示す．そのため，受信機のセットアップに応じて固定値として補正することで，さらなる時刻同期
受信機のセットアップに応じて固定値として補正することで，さらなる時刻同期精度の改善が可能
精度の改善が可能である．
である．
2.1 GPSDOの試作と動作試験
2.1 GPSDO の試作と動作試験
Firefly GPS受信機に実装された1PPS信号出力により，ばらつきが10ナノ秒以下の1PPS信号
Firefly GPS 受信機に実装された 1PPS 信号出力により，ばらつきが 10 ナノ秒以下の 1PPS 信号がが取得できることが確認された．このばらつきは長期的には安定しているものの，短期的には水晶取得できることが確認された．このばらつきは長期的には安定しているものの，短期的には水晶発発振器の安定性に劣ってしまう．そこで，TCXO（Temperature Compensated Crystal Oscillator）
振器の安定性に劣ってしまう．そこで，TCXO（Temperature Compensated Crystal Oscillator）や OCXOやOCXO（Oven Controlled Crystal Oscillator）などで短期安定性を確保し，GPS受信機の1PPS信（Oven Controlled Crystal Oscillator）などで短期安定性を確保し，GPS 受信機の 1PPS 信号によって号によって長期安定性を補完するGPSDOが，移動体通信基地局など精密な時刻同期および基準周
長期安定性を補完する GPSDO が，移動体通信基地局など精密な時刻同期および基準周波数を必要
波数を必要とする地上アプリケーションに広く利用されている．

4－ 112 －

図 4にGPS受信機が出力する1PPSに同期したとする地上アプリケーションに広く利用
10MHzの基準周波数を生成するGPSDOの仕組み

されている．
を示す．この例では，電圧制御TCXO（VCTCXO:とする地上アプリケーションに広く利用
図
4
に
GPS
受信機が出力する
1PPSに同
Voltage Controlled TCXO）が出力する10MHzの信されている．
期した 10MHz の基準周波数を生成する
号を10,000,000分の1に分周して1Hzの信号を生
図 4GPSDOに GPS の仕組みを示す．この例では，電受信機が出力する 1PPS に同成し，その位相を位相周波数比較機（PFC: Phase
期した
10MHz
の基準周波数を生成する
圧制御 TCXO（VCTCXO: Voltage Controlled
Frequency Comparator）によってGPS受信機からGPSDOの仕組みを示す．この例では，電TCXO） が 出 力 す る 10MHz の 信 号 を出力される1PPS信号と比較している．この位相
圧制御TCXO（VCTCXO:
Voltage Controlled
10,000,000
分の 1 に分周して1Hz の信号を差からループフィルタによりVCXOの周波数誤差
TCXO生
）成がし出
力
す
る
10MHz
の
， そ の 位 相 を 位 相 周信
波号
数を
比較機
を推定し，VXCOの電圧を制御することで長期的
10,000,000
分の1 に分周して
1Hz の信号を
（PFC:
Phase
Frequency Comparator）によっにも安定した10MHzの基準周波数を得ることがで生成しその位相を位相周波数比較機
図4．GPSDOの原理て，GPS受信機から出力される
1PPS
信号と
きる．
（PFC:
Phase Frequency Comparator）によっ
図 4．GPSDO の原理
比較している．この位相差からループフィ
本研究では，切手サイズのGPS受信機であるFireflyに実装された1PPS信号出力を利用するこて GPS
受信機から出力される
1PPS 信号とルタにより
VCXO の周波数誤差を推定し，とで，CubeSatなどの超小型衛星に搭載可能なGPSDOの試作を行った．GPSDOに必要となる
図 4．GPSDO の原理
比較している．この位相差からループフィ
VXCO の電圧を制御することで長期的にも安定した 10MHz の基準周波数を得ることができる．
PFCやループフィルタなどの回路は，汎用的なロジック回路で構成することも可能であるが，小ルタにより
VCXO の周波数誤差を推定し，本研究では，切手サイズのGPS 受信機である Firefly に実装された 1PPS 信号出力を利用するこ型・省電力化のために，専用の位相同期回路（PLL: Phase
Loop）であるAnalog Devices社のVXCOとで，CubeSatの電圧を制御することで長期的にも安定した10MHzLockedの基準周波数を得ることができる．
などの超小型衛星に搭載可能な GPSDOの試作を行った．GPSDO に必要となる PFC
AD9548を採用した．AD9548は，1Hzから750MHzの入力リファレンス周波数に対応しており，
本研究では，切手サイズのGPS 受信機である Firefly に実装された 1PPS 信号出力を利用するこやループフィルタなどの回路は，汎用的なロジック回路で構成することも可能であるが，小型・省
Firefly GPS受信機が出力する1PPS信号を入力することが可能である[4]．
とで，CubeSatなどの超小型衛星に搭載可能な
GPSDOに必要となる
PFC
電力化のために，専用の位相同期回路（PLL:
Phaseの試作を行った．GPSDO
Locked Loop）である Analog
Devices 社のAD9548
今回試作したGPSDOの構成を図5に示す．Firefly
GPS受信機基板には，Firefly
GPS受信機本やループフィルタなどの回路は，汎用的なロジック回路で構成することも可能であるが，小型・省を採用した．AD9548 は，1Hz から 750MHz の入力リファレンス周波数に対応しており，Firefly GPS
体に加えて，受信機からの測位情報などをPCでモニタリングするためのUSBインターフェイスが電力化のために，専用の位相同期回路（PLL: Phase Locked Loop）である Analog Devices 社の AD9548
受信機が出力する
1PPS 信号を入力することが可能である[4]．
実装されている．AD9548評価基板には，AD9548本体に加えて，10MHzのVCTCXOを実装していを採用した．
AD9548 は，
1Hz から
750MHz5 の入力リファレンス周波数に対応しており，
GPS
今回試作したGPSDOの構成を図に示す．Firefly GPS 受信機基板には，Firefly Firefly
GPS 受信機本体
る．AD9548のループフィルタなどのパラメータは，評価基板のUSB経由でAnalog
Devices社が提受信機が出力する
1PPS 信号を入力することが可能である[4]．
に加えて，受信機からの測位情報などをPC でモニタリングするための USB インターフェイスが実供するPCソフトウェアによって設定することができる．
今回試作したGPSDO の構成を図5 に示す．Firefly GPS
受信機基板には，Firefly
GPS 受信機本体装されている．AD9548
評価基板には，AD9548
本体に加えて，10MHzの VCTCXO
を実装してい
図6に，Firefly
GPS受信機の1PPS信号に同期したAD9548評価基板からの10MHz出力のスペクに加えて，受信機からの測位情報などをPC でモニタリングするためのUSB
USB経由でインターフェイスが実る．AD9548のループフィルタなどのパラメータは，評価基板のAnalog Devices 社が提トラムを示す．これより位相雑音もスプリアスもともに低い良好な基準周波数が得られていること
装されている．AD9548
評価基板には，AD9548
本体に加えて，10MHzのVCTCXOを実装してい供する PC ソフトウェアによって設定することができる．
が確認できた．一方，GPSDOの最大の特徴である長期安定性を評価するためには，原子時計など
る．AD9548のループフィルタなどのパラメータは，評価基板のUSB 経由で Analog Devices 社が提図 6 に，Firefly
GPS 受信機の 1PPS 信号に
高精度な基準周波数源との比較が必要とな供する
PC ソフトウェアによって設定することができる．
同期したAD9548 評価基板からの 10MHz 出力

図 6のスペクトラムを示す．これより位相雑音もに，Firefly GPS 受信機の 1PPS 信号にる．今回はこれらの高価な測定器を使用でき同期した
AD9548 評価基板からの 10MHz 出力
る機会がなく，長期安定性の定量的な評価はスプリアスもともに低い良好な基準周波数がのスペクトラムを示す．これより位相雑音も実施できていない．長期安定性の評価につい得られていることが確認できた．一方，スプリアスもともに低い良好な基準周波数がては，市販のGPSDOとの比較を実施するな
GPSDO の最大の特徴である長期安定性を評
得どの間接的な評価方法も含めて，今後の課題
られていることが確認できた．一方，価するためには，原子時計など高精度な基準
GPSDOの最大の特徴である長期安定性を評である．
周波数源との比較が必要となる．今回はこれ価するためには，原子時計など高精度な基準
まらの高価な測定器を使用できる機会がなく，た，AD 9548 に 制 御 さ れ るVCTCXOの周波数源との比較が必要となる．今回はこれ10MHzの出力が，GPS受信機からの1PPS信
長期安定性の定量的な評価は実施できていならの高価な測定器を使用できる機会がなく，い．長期安定性の評価については，市販の号に同期するためには，1時間近い時間が必長期安定性の定量的な評価は実施できていな
GPSDO との比較を実施するなどの間接的な要となってしまう．この収束時間の短縮に

図 5．GPSDO の構成

い．長期安定性の評価については，市販の評価方法も含めて，今後の課題である．
は，同期信号となる1PPS信号を1Hzのパル
GPSDO との比較を実施するなどの間接的な評価方法も含めて，今後の課題である．

図5．GPSDOの構成

図 5．GPSDO の構成－ 113 －

55

図6．GPSDO出力信号のスペクトル

図 6．GPSDO 出力信号のスペクトルスではなく，1kHz以上の高周波のパルス信号とする手段が考えられる．残念ながら，Firefly GPS
また，AD9548 に制御される VCTCXO の 10MHz の出力が，GPS 受信機からの 1PPS 信号に同期
受信機のアーキテクチャとしてはPPS信号の出力周波数を10Hz程度までしか上げることができず，
図 6．GPSDO 出力信号のスペクトルするためには，1 時間近い時間が必要となってしまう．この収束時間の短縮には，同期信号となる
同期信号の高周波数化による収束時間短縮を実現することはできない．しかし，GPSDOの省電力
1PPS 信号を 1Hz のパルスではなく，1kHz 以上の高周波のパルス信号とする手段が考えられる．残化により，超小型衛星においても常にGPSDOが起動した状態であれば，基準周波数の収束を待つ
また，AD9548 に制御される VCTCXO の 10MHz の出力が，GPS 受信機からの 1PPS 信号に同期念ながら，Firefly GPS 受信機のアーキテクチャとしては PPS 信号の出力周波数を 10Hz 程度までしのは最初の電源投入のときだけであり，その後はGPS受信機が衛星信号を追尾し，測位演算が実するためには，1 時間近い時間が必要となってしまう．この収束時間の短縮には，同期信号となる
か上げることができず，同期信号の高周波数化による収束時間短縮を実現することはできない．し
施されている限り，長期安定した基準周波数を出力することができる．
1PPS 信号を 1Hz のパルスではなく，1kHz 以上の高周波のパルス信号とする手段が考えられる．残かし，GPSDO の省電力化により，超小型衛星においても常に GPSDO が起動した状態であれば，念ながら，Firefly GPS 受信機のアーキテクチャとしては PPS 信号の出力周波数を 10Hz 程度までし基準周波数の収束を待つのは最初の電源投入のときだけであり，その後は GPS 受信機が衛星信号
3．超小型衛星による地球観測ミッション
か上げることができず，同期信号の高周波数化による収束時間短縮を実現することはできない．しを追尾し，測位演算が実施されている限り，長期安定した基準周波数を出力することができる．
本研究室では，九州工業大学と共同で，高精度の時刻同期および基準周波数を活用した超小型衛かし，GPSDOの省電力化により，超小型衛星においても常に GPSDO が起動した状態であれば，星群による地球電離圏の電子密度計測ミッションの実現に取り組んでいる．全球規模で時々刻々と基準周波数の収束を待つのは最初の電源投入のときだけであり，その後は GPS 受信機が衛星信号
3. 超小型衛星による地球観測ミッション
変化する電離圏の電子密度の情報は，太陽活動，磁気圏，電離圏，大気，地表面の相互作用を理解を追尾し，測位演算が実施されている限り，長期安定した基準周波数を出力することができる．
本研究室では，九州工業大学と共同で，高する上で極めて貴重であり，宇宙天気予報，衛星測位，衛星通信といった実利用分野での信頼性お精度の時刻同期および基準周波数を活用しよび精度向上にとっても重要である．そこで，
3. 超小型衛星による地球観測ミッションた超小型衛星群による地球電離圏の電子密本研究室では，九州工業大学と共同で，高電離圏の電子密度の3次元的時間変動を地球規度計測ミッションの実現に取り組んでいる．
精度の時刻同期および基準周波数を活用し模で観測する手法の実現を目指し，超小型・低全球規模で時々刻々と変化する電離圏の電た超小型衛星群による地球電離圏の電子密コストで高精度なGPSDOを基準周波数源とす
子密度の情報は，
太陽活動，磁気圏，電離圏，度計測ミッションの実現に取り組んでいる．
るUHF送受信機を搭載した超小型衛星同士の大気，
地表面の相互作用を理解する上で極め全球規模で時々刻々と変化する電離圏の電衛星間測距システムの開発を行っている．
て貴重であり，宇宙天気予報，衛星測位，衛子密度の情報は，
太陽活動，磁気圏，電離圏，電波が電離圏を伝搬すると，プラズマ中の星通信といった実利用分野での信頼性およ大気，地表面の相互作用を理解する上で極め電子やイオンが電波の伝搬速度や偏波面に影び精度向上にとっても重要である．そこで，て貴重であり，宇宙天気予報，衛星測位，衛響を及ぼす．そのため，位置が既知である2つ
電離圏の電子密度の3 次元的時間変動を地星通信といった実利用分野での信頼性およの衛星間の距離を電波の伝搬遅延から計測す
球規模で観測する手法の実現を目指し，
超小び精度向上にとっても重要である．そこで，ることによって，その遅延量から伝搬経路の
電離圏の電子密度の 3 次元的時間変動を地球規模で観測する手法の実現を目指し，超小図 7．超小型衛星群による電離圏の 3D 観測
図7．超小型衛星群による電離圏の3D観測

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図 7．超小型衛星群による電離圏の 3D 観測－ 114 －

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経路の電子密度を推定することができる．この衛星間測距を衛星群の複数衛星間で行う

図 8．OpenLST UHF 送受信機ことにより，図 7 に示すような 3 次元的な電離圏の電子密度観測を実現することができる．各衛星の位置は，衛星に搭載される GPS 受信機によって計測され，さらにその GPS 受信機に同期した GPSDO が高精度な基準周波数を測距用の送受電子密度を推定することができる．この衛星間型・低コストで高精度な GPSDO を基準周波信機に提供する．電離圏の観測には周波数の低い UHF 帯が有効であることが知られており，本ミ
測距を衛星群の複数衛星間で行うことにより，数源とする UHF 送受信機を搭載した超小型ッションでは 400MHz 帯の電波を衛星間測距に利用する．
図7に示すような3次元的な電離圏の電子密度観
衛星同士の衛星間測距システムの開発を行
このような測距機能を持つ UHF 送受信機として，本研究では軌道上実証の実績のある Planet 社っている．
測を実現することができる．各衛星の位置は，の OpenLST を採用し，試験機の製作を行った．OpenLST はオープンソースの無線機として回路図
電波が電離圏を伝搬すると，プラズマ中の衛星に搭載されるGPS受信機によって計測され，などが公開されており，ユーザは自由に製造または機能拡張をすることができる．図 8 に本研究で電子やイオンが電波の伝搬速度や偏波面にさらにそのGPS受信機に同期したGPSDOが高精製作した OpenLST の外観を示す．衛星間通信を模擬するために 2 機の OpenLST を同軸ケーブルで影響を及ぼす．そのため，位置が既知である度な基準周波数を測距用の送受信機に提供する．
接続し，その間に宇宙空間での電波の伝搬損失を模擬するための減衰器を挿入し，通信機能の確認
2 つの衛星間の距離を電波の伝搬遅延から電離圏の観測には周波数の低いUHF帯が有効でを実施している．測距機能の評価については，伝搬距離に等しい長さの同軸ケーブルで接続するか，
計測することによって，その遅延量から伝搬あるこ と が 知 ら れ て お り，
本ミッションでは
図8．OpenLST UHF送受信機
アマチュア無線局として実際に電波を発信するなどの工夫が必要であり，今後の課題である．
経路の電子密度を推定することができる．
こ
400MHz帯の電波を衛星間測距に利用する．
さらに，本研究では，これら超小型衛星の運用
図 8．OpenLST UHF 送受信機の衛星間測距を衛星群の複数衛星間で行う
このような測距機能を持つUHF送受信機として，本研究ではに向けて，地上局の検討を実施した．CubeSat なことにより，図 7 に示すような 3 次元的な電軌道上実証の実績のあるPlanet社のOpenLSTを採用し，試験機
ど，大学研究室で開発・運用される超小型衛星で離圏の電子密度観測を実現することができる．各衛星の位置は，衛星に搭載される GPS 受信機にの製作を行った．OpenLSTはオープンソースの無線機として回は，アマチュア無線の周波数帯を利用することがよって計測され，さらにその GPS 受信機に同期した GPSDO が高精度な基準周波数を測距用の送受路図などが公開されており，ユーザは自由に製造または機能拡多い[5]．本研究でも，すでに運用されている超小信機に提供する．電離圏の観測には周波数の低い UHF 帯が有効であることが知られており，本ミ
張をすることができる．図8に本研究で製作したOpenLSTの外型衛星の例に倣い，アップリンクに 144MHz 帯，
ッションでは 400MHz 帯の電波を衛星間測距に利用する．
観を示す．衛星間通信を模擬するために2機のOpenLSTを同軸
ダウンリンクに 430MHz 帯のアマチュア無線周波
このような測距機能を持つ UHF 送受信機として，本研究では軌道上実証の実績のある Planet 社
ケーブルで接続し，その間に宇宙空間での電波の伝搬損失を模数帯を利用することとした．図 9 に本研究で検討の OpenLST を採用し，試験機の製作を行った．OpenLST はオープンソースの無線機として回路図擬するための減衰器を挿入し，通信機能の確認を実施していした地上局アンテナシステムの構成図を示す．新などが公開されており，ユーザは自由に製造または機能拡張をすることができる．図 8 に本研究でる．測距機能の評価については，伝搬距離に等しい長さの同軸型コロナウイルス感染拡大防止のため，大学構内製作した OpenLST の外観を示す．衛星間通信を模擬するために 2 機の OpenLST を同軸ケーブルでケーブルで接続するか，アマチュア無線局として実際に電波をでの活動が制限されており，アンテナタワーの設
接続し，その間に宇宙空間での電波の伝搬損失を模擬するための減衰器を挿入し，通信機能の確認
発信するなどの工夫が必要であり，今後の課題である．
置作業は一旦保留となっているが，2020 年度内のを実施している．測距機能の評価については，伝搬距離に等しい長さの同軸ケーブルで接続するか，さらに，本研究では，これら超小型衛星の運用に向けて，地運用開始を目指して，作業スケジュールを調整中
アマチュア無線局として実際に電波を発信するなどの工夫が必要であり，今後の課題である．
上局の検討を実施した．CubeSatなど，大学研究室で開発・運図9．地上局アンテナシステム
である．
さらに，本研究では，これら超小型衛星の運用用される超小型衛星では，アマチュア無線の周波数帯を利用す
図 9．地上局アンテナシステムに向けて，地上局の検討を実施した．CubeSat な
ることが多い[5]．本研究でも，すでに運用されている超小型衛星の例に倣い，アップリンクにど，大学研究室で開発・運用される超小型衛星で144MHz帯，ダウンリンクに430MHz帯のアマチュア無線周波数帯を利用することとした．図9に7
は，アマチュア無線の周波数帯を利用することが本研究で検討した地上局アンテナシステムの構成図を示す．新型コロナウイルス感染拡大防止のた
多い[5]．本研究でも，すでに運用されている超小
め，大学構内での活動が制限されており，アンテナタワーの設置作業は一旦保留となっているが，型衛星の例に倣い，アップリンクに 144MHz 帯，
2020年度内の運用開始を目指して，作業スケジュールを調整中である．
ダウンリンクに 430MHz 帯のアマチュア無線周波数帯を利用することとした．図 9 に本研究で検討
4．おわりにした地上局アンテナシステムの構成図を示す．新
本研究では，お互いに同期した超小型衛星群による新しい地球観測ミッションの実現を目指し，型コロナウイルス感染拡大防止のため，大学構内
CubeSatなどの超小型衛星にも搭載可能な，小型・省電力・低コストで高精度な時刻同期および基での活動が制限されており，アンテナタワーの設準周
波 数 を 提 供 す るGPSDOの 開 発 を実施し た． 本 研 究 室 で 開 発 し たFirefly GPS受 信 機 と，
置作業は一旦保留となっているが，
2020
年度内の

AnalogDevices社のAD9548を利用した評価基板による動作試験では，位相雑音もスプリアスもと
運用開始を目指して，作業スケジュールを調整中もに低い良好な基準周波数が得られることが確認できた．今後はCubeSatへの搭載を目指し，である．
Firefly GPS受信機と一体化した名刺サイズの超小型衛星用GPSDOの設計開発を進める予定であ
図 9．地上局アンテナシステム
る．

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さらに，GPSDOによる高精度な時刻同期および基準周波数を応用した新しい地球観測ミッショ
ンとして，超小型衛星群による電離圏の3次元観測の検討を進めている．地球規模の電離圏の電子密度観測は，サイエンス面において太陽活動，磁気圏，電離圏，大気，地表面の相互作用を理解する上で極めて貴重であると同時に，実用面でも宇宙天気予報，衛星測位，衛星通信の信頼性および精度向上への貢献が期待される．本ミッションは，JAXA革新的衛星技術3号機などの技術実証機
会での打ち上げを目指し，GPSDOだけではなく，衛星間相互通信のための送受信機や，衛星運用のための地上局システムの準備を進めている．
本研究で開発した超小型衛星用GPSDOで高精度に同期した衛星群により，いつでも，どこでも，即座に観測可能な地球観測システムが構築され，より効率的な災害監視などによる安心・安全な新しい社会基盤の実現の一助となれば幸いである．
参考文献［1］ Cockrell, J., Alena, R., Mayer, D., Sanchez, H., Luzod, T., and Klumper, D.,“EDSN: A
Large Swarm of Advanced Yet Very Affordable, COTS-based NanoSats that Enable
Multipoint Physics and Open Source Apps,”SSC 12 -I-5 , 26 th Annual AIAA/USU
Conference on Small Satellites, 2012.
［2］ M . Lombardi, A.N. novick, and V. Zhang,“Characterizing the Performance of GPS
Disciplined Oscillators with Respect to UTC(NIST),”IEEE Frequency Control Symposiumand Exposition, 2005.
［3］ 海老沼拓史,“超小型・省電力GNSS受信機の軌道上実証結果,”第63回宇宙科学技術連合講演会, 2019.
［4］ K en Gentile,“The AD9548 as a GPS Disciplined Stratum 2 Clock,”Application Note AN1002, Analog Devices, 2009.
［5］ 中
 村壮児, 山田晃一郎, 佐藤陸, 中村涼太, 藤井瞳, 宮崎康行,“CubeSat「NEXUS」によるア
マチュア衛星通信評価,”電子情報通信学会ソサイエティ大会, 2019.

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