CubeSat 用 430 MHz 帯無線通信システムと衛星通信ソフト
ウェアの開発：Linux ベースの KOSEN-1 OBC への実装
村上幸一＊

大西 哲＊＊ 徳光 政弘＊＊＊ 筒井今井 一雅＊＊＊＊ 高田 拓＊＊＊＊＊

巽水＊＊

Development of a 430-MHz band wireless communication system and satellite
communication software for CubeSat: Implementation for Linux-based KOSEN-1 OBC
Yukikazu MURAKAMI, Akira ONISHI, Masahiro TOKUMITSU, Tatsumi TSUTSUI,
Kazumasa IMAI and Taku TAKADA
Abstract
We developed a communication system that supports half-duplex communication in the 430MHz
band for 2 U-type CubeSat, KOSEN-1. Currently, half-duplex communication in the 430MHz bandis one of the powerful options when using an amateur radio band with CubeSat. This
communication system consists of a satellite-mounted radio transceiver, a dedicated terminal
node controller (TNC) board, and an onboard computer (OBC). The software that is responsible forcommunication between the satellite and ground stations operates on a highly versatile Linux OS.
With respect to the communication method, CW, AFSK 1200bps, and GMSK 9600bps can be used
for the downlink, and AFSK 1200bps can be used for the uplink. In a verification test, a series ofuplink and downlink operations was confirmed in the case when the communication systemequipment was connected. In future, we will confirm the operation results of the long-term
communication of the KOSEN-1 satellite and continue to improve the system such that it will beeasy to use for other satellite missions.

Keywords： KOSEN-1, CubeSat, Half-Duplex Communication, Linux-based OBC

1．まえがき全国各地にある高等専門学校（高専）の有志教員

CubeSat では，その開発目標や開発体制との関係から，

1)で構成する「高専スペース連携」 では，2 U タイプ

通信にはアマチュア無線帯を使用することが多い．一（20 cm×10 cm×10 cm）の超小型人工衛星（CubeSat）

般に，地上局から衛星への送信となるアップリンクにとして，木星電波観測技術実証衛星「KOSEN-1」を開は 145 MHz 帯，衛星から地上局へのダウンリンクには発した．この中で香川高専を主体とするグループ

430 MHz 帯を利用することが多かった．しかし， 145 MHz

は，KOSEN-1 に搭載する無線通信システムを担当した

帯の帯域は 200 kHz と狭く，小型のアマチュア衛星の増2)．

加などから，周波数の割り当てがひっ迫するととも2003 年に初の CubeSat が打ち上げられて以来，大学に，他の通信への干渉などの問題が大きくなってきや企業などを中心に多くの CubeSat が開発されてきた．そこで，2013 年に国際アマチュア無線連合た．

（IARU）は 145 MHz 帯のアップリンクを控えるように＊

香川高等専門学校 電気情報工学科
香川高等専門学校専攻科 創造工学専攻＊＊＊
米子工業高等専門学校 電子制御工学科＊＊＊＊
高知工業高等専門学校 名誉教授＊＊＊＊＊
東京都立産業技術高等専門学校 ものづくり工学科＊＊

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独立行政法人国立高等専門学校機構香川高等専門学校研究紀要 13(2022)

提言を行い，以後，アップリンクに 145 MHz 帯の周波数割り当てが認められない事例が増えてきた 3)．結果
として，430 MHz 帯のアマチュア無線帯を利用する場合，アップリンクとダウンリンクともに，430 MHz 帯の周波数帯を使用することが現実的であり，アップリンクとダウンリンクに使用する周波数帯が近いため，実質的に半二重通信となる．
本研究では，CubeSat 用の通信系として，430 MHz 帯の半二重通信による通信システムおよび衛星--地上通信に必要なソフトウェアを開発した．本ソフトウェ
アは，汎用性の高いプログラム言語である Python でコーディングし，Linux ベースの OS を搭載する OBC

図１ KOSEN-1 のシステム構成図（OnBoard Computer）上で動作する．類似の OBCを採用する超小型衛星への移植が容易であり，波及効果が見込まれる．
2. 通信系システムの概要
KOSEN-1 は，JAXA の革新的衛星技術実証 2 号機のテーマ公募により採択され，2021 年 11 月 9 日にイプシロンロケット 5 号機により打ち上げられ，予定軌道に投入された．KOSEN-1 では，CubeSat における新しい宇宙技術実証の 1 つとして，「超小型 Linux マイコンボ
ード Raspberry Pi Zero ベースの OBC の宇宙実証」を目的としている 4).図 1 に KOSEN-1 のシステム構成図を示
す．6 つのサブシステムから構成されており，本通信

図 2 通信系システムの BBMシステムに関係するサブシステムは，主に通信系および OBC 系である．通信系システムの性能試験で利用

表 1 各通信方式のアップリンク・ダウンリンク対応表したブレッドモードモデル（BBM）を図 2 に示す．
通信システムは，430 MHz 帯の超小型人工衛星用表記），衛星搭載用 TNC（Terminal Node Controller）

通信方式
伝送速度
アップリンク
ダウンリンク基板である CubeCom，OBC である Raspberry Pi CM1* 6パラメータのみ

FMCW 送受信機（TXE430MFMCW-302A-RU，以下 302A-RU とAFSK
1200 bps
コマンド送信HKデータGMSK
9600 bps

CW
18 wpm

ミッションデータ

HKデータ*(Compute Module) /CubePi board の 3 つの機器で構成さRaspberry Pi CM1 は，システムへの組み込みが容易なれる．

SODIMM モジュール型の OBC であり，Raspberry Pi Model

302A-RU 無線機は，西無線研究所が開発した衛星搭載用無線機である ．多くの CubeSat で運用実績のあB+や Raspberry Pi Zero と同じ CPU（Broadcom BCM2835 SoC）

る 301A 無線機の後継機種であり，送信機と受信機のを搭載している．衛星のフライトモデルでは，専用に一体型である．

開発した CubePi ボードを用いるが，動作検証で用いる

5)

ブレッドボードモデルでは，既製品の Raspberry Pi CM1

CubeCom は衛星用 TNC であり，1 U タイプの CubeSatである Stars-AO への搭載実績がある ．アップリンク

I/O ボードを利用する．CubePi ボードは，KOSEN-1 衛星

時には，地上局からのコマンドを受信・復調して OBCに特化させており，9 軸センサ，宇宙用 GPS など，各種に伝え，ダウンリンク時には，OBC からのデータをセンサを基板実装しているが，CM1 I/O ボードとはソフ

AX.25 パケットに変換し 302A-RU 無線機に伝える．なトウェア完全互換である．OS には，Linux ベースのお，CubeComには 2つのPICマイコンを搭載しており，Raspberry Pi OS を実装した．

6)

表 1 に，KOSEN-1 の通信システムにおける各通信方式

アップリンク通信とダウンリンク通信を独立して処のアップリンク，ダウンリンク対応表を示す．アップ理する．

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村上幸一 他 : CubeSat 用 430 MHz 帯無線通信システムと衛星通信ソフトウェアの開発：Linux ベースの KOSEN-1 OBC への実装

表 2 管制コマンドのフィールド表
名称説明

Script ID

実行するスクリプトファイルの ID

Variadic Args Lenコマンドの可変長引数 script-option-argsの長さ

Hash

KOSEN-1管制地上局の識別のためのハッシュ値（コマンド内容から生成）

図 3 KOSEN-1 における管制コマンドの構成

Command Send Time

地上局からのコマンド送信時刻

Ground Station

地上局（コマンドの送信元）の識別符号（コールサイ

リンクの通信方式では，低速で信頼性の高い 1200 bps

Callsignン）の AFSK （Audio Frequency Shift Keying）を用いる．ア

Satellite Callsign

衛星（コマンドの送信先）の識別符号（コールサイン）

ップリンクでは，短い制御コマンドや応答情報を送信するため，伝送速度より信頼性を優先した．ダウ

Unique No.

コマンド単位で一意に割り当てられる値

ンリンクの通信方式としては，3 つの通信方式を利用

Command Start Time

スクリプトの立ち上げ予定時刻

Script Variadic

スクリプトの実行に必要となる情報

する．CW（Continuous Wave）は，消費電力が小さいたArgs

め，必要最低限の HK（House Keeping）データを定期的

表 3 CW のデータ形式に送信する． AFSK は，HK データの送信に利用す名称る．高速伝送が可能な 9600 bps の GMSK（Gaussianfiltered Minimum Shift Keying）により，ミッションデ説明

Downlink Command Send Time

ダウンリンク管制コマンドの送信時刻

Downlink Command Uniq. No.

ダウンリンク管制コマンドに一意に割り当ータを送信する．430 MHz 帯をアップリンクとダウンてられる値リンクの両方に利用するため，実質的に半二重通信

Sequence No.

チャンクの通し番号での運用を行う．衛星側では，CW ビーコンを発信しChunk Size

ヘッダ長を含むチャンクのバイト数ない区間を 24 秒として，その間は AFSK の受信待ち受けとする．このとき，CubeCom でパケット受信を検知

3.1. アップリンク時

すると OBC に送られ，コマンド実行後に，応答情報をアップリンクでは，管制コマンドを衛星に送信し，AFSK で送信する．コマンド内容によって，更なるデ衛星で管制コマンドに応じた処理を実行する．衛星側ータ伝送を開始する．1 パス中に運用できる可視時間

では，CW によるダウンリンクを行っていない時間帯に，は短いため，伝送量が必要な運用をする場合は，日AFSK 方式での受信を待機し，コールサインが KOSEN-1 衛

本上空に近い連続する 2～3 パスを利用した予約運用星の場合には，AX.25 パケットを受信する．受信後はを行うのが現実的である．

CubeCom によって FCS（Frame Check Sequence）チェック

KOSEN-1 が提供しているアマチュア無線を利用したが行われ，誤りがなければ，CubeCom によりそのパケッサービスについて述べる．木星電波観測用の 6.6 m ダ

トから Info 部を取り出し，Info 部の内容を OBC で処理

イポールアンテナを用いて，地上からの 21 MHz 帯のする．図 3 に KOSEN-1 における管制コマンドの構成を，モールス信号を受信し，送信元のコールサイン情報

表 2 に管制コマンドのフィールド表を示す．

を衛星上で解読する．解読した情報は定期的にまとめて430 MHz帯のAFSKで地上へ送信する．CubeSatで，3.2. ダウンリンク時このように長いアンテナを展開することは稀である

CW によるダウンリンクでは，定型文として固定メッため，貴重なアマチュア無線サービスになると考えセージと HK データを 3 回に分けて送信する．CW のデーている．なお，430 MHz 帯の CW では，衛星のコールサ

タ形式を表 3 に示す．この CW 定型文は OBC で一度設定

インや衛星名を HK データと共に，ビーコンとして発すると，CubeCom の EEPROM（Electrically Erasable信しており（詳細は，表 3 を参照），アマチュア無線

Programmable Read-Only Memory）に記憶され，OBC の再家に受信の機会を提供している．

起動や動作停止によらず，OBC を介さずに CubeCom から直接送信する．送信期間や電鍵速度などは OBC で設定

3. 通信系のソフトウェアシステムの概要

する．OBC から割り込みが発生した場合には， OBC で

本節では，衛星との通信時に必要となる通信系シ指定した CW 可変文を送信できる．

ステムのソフトウェア面の説明について，アップリンク時とダウンリンク時に分けて述べる．

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独立行政法人国立高等専門学校機構香川高等専門学校研究紀要 13(2022)

図 4 AFSK/GMSK ダウンリンクのパケット構成
表 4 AFSK/GMSK ダウンリンクのデータ形式
名称
JR5YGJ KOSEN-1

説明
32文字までの ASCII 文字列による固定メッ
セージ：コールサインおよび「KOSEN-1」の文字列

S1 RSSI BAT-T BAT-V BAT-I

図 5 地上局のシステム構成

信号 1（S1）として，観測時間内の最大受信信号強度（RSSI），バッテリ温度（BATT），電圧（BAT-V），電流（BAT-I）

S2 LOAD-I SC-Z SC-Y SC-X

信号 2（S2）として，負荷電流（LOAD-I），
XYZ面のソーラーパネルの電流値（SC-Z，SC-Y，SC-X）

AFSK および GMSK によるダウンリンクは，管制コマンドによる命令に基づいて行われ，OBC の割り込み制御によって送信を実行する．ミッションの場合，OBC の制御下で実行され，実行結果はファイルに保存される．ダウンリンクするデータをファイル単位で指定

図 6 性能試験での機器構成

し，AX.25 パケットで送信可能なチャンクと呼ばれる一まとまりに分割した後，チャンクごとにパケット通信する．
なお，一部エスケープを必要とする文字列が存在するが，原則としてバイナリファイルを送信可能である．ただし，AX.25 パケットは連続送信を行っても，

図 7 コンソール出力画面（衛星側から直接ダウンリンク実行した場合）自身のパケットのシーケンス番号（送信したデータの順序を示す値）を保存しない．そのため Info 部の汎用的な OBC である Raspberry Pi CM1，Linux ベースのヘッダ情報として格納する必要がある．

OS，ライブラリが多くユーザ数の多いプログラミング

ダウンリンクのパケット構成は図 4 のようになって言語である Python が必要となる．特に，工学系の学生おり，表 4 にヘッダ部の各フィールドの説明を記載しにとって，これらの環境のいくつかに関わった経験のた．一般に，衛星通信ではビット誤りが発生するたある学生は多く，KOSEN-1 開発に関わる敷居を下げていめ，欠落したパケットは再送要求を行う必要がある．

る．気軽に部分的に開発に参加し始める学生がおり，再送要求については，実行するコマンドの Unique No.

コミュニティを大きくし，全体としての開発効率を上と，欠落したダウンリンクパケットの Sequence No.でげることにつながった．

指定する．
4 . 通信系システムの性能試験
通信系システムの性能試験として，AFSK/GMSK パケッ

3.3. 汎用開発環境による多地点開発
KOSEN-1 のソフトウェアシステムを開発するにあた

トによるデータ通信の可否を確認した．性能試験で使って，6高専の20人以上の高専学生が関わった．学生

用した衛星側の機器を図 2 に示したが，地上局側の機は，工学系の電気系，情報系，機械系などの複数の器を図 5 に示す．最初に，AFSK および GMSK のダウンリ学科に所属しており，高校 1 年生から大学 2 年生に相ンクの動作確認のために，図 6 に示す機器構成で，衛当する．システム開発に必要な開発環境としては，星側の OBC にて AFSK および GMSK パケットを作成して送148村上幸一 他 : CubeSat 用 430 MHz 帯無線通信システムと衛星通信ソフトウェアの開発：Linux ベースの KOSEN-1 OBC への実装

図 8 コンソール出力画面（アップリンクにより衛星側がパケット直接ダウンリンク実行した場合）信した．地上局の IC-9100 無線機でパケット受信し，験では，アップリンクとダウンリンクの一連の動作がSW-TNC（Software-TNC）接続用回路を使ってデータを正常に機能することを確認した．他衛星で利用しやす取り出し，PC の TeraTerm で表示した．SW-TNC 接続用

いように，機器やソフトウェアなどは Python でコーデ回路では，IC-9100 無線機からの音声パケット信号をィングするなど汎用性を高めており，KOSEN-1 の後継機音声信号に変換し，IC-9100 無線機の PTT（Push toとなる KOSEN-2 での本通信系システムの採用が確定してTalk）を始動させる．

いる．今後は，地上局設備を持つ複数高専での連携に

図 7 は，ダウンリンク時に衛星側で直接コマンド実より 7)，KOSEN-1 衛星の長期間の通信系運用実績を確認

行した場合のコンソール出力画面である．軌道上のし，他のミッションから利用しやすい通信系システム

衛通信時にはコンソール画面上でのデータ出力は行となるように改良を続ける．

われないが，動作検証のために出力した．出力末尾のステータスコード「0」は，シェルスクリプトの正謝辞

常終了を表す．ステータスコード「200」は，コマン

本研究の実施にあたり，（株）西無線研究所 西裕治

ドが即時実行されたか，実行時刻が指定時刻であっ氏，深井貫氏，小島誠氏，元奈良工業高等専門学校 浅たことを表す．図７ではステータスコードが「0」お井文男教授から貴重なご指導とご助言を賜りました．

よび「200」であり，衛星が即時実行による管制コマ

本研究は，文部科学省の令和 2 年度宇宙航空科学技ンドを受け付け，衛星内部でシェルスクリプトが正術推進委託費・宇宙航空人材育成プログラムによる支しく実行されたことを確認できる．

援を受けました．

図 8 は，アップリンクで管制コマンドを受信した際のコンソール出力画面である．軌道上の衛星通信時

参考文献にはコンソール画面上での表示は行われないが，動1) 今井一雅，“高専スペース連携プロジェクトについ作検証のために出力した．コンソール出力では，て ” ， 高 専 ス ペ ー ス 連 携 ， 2017.08.02 ，「receive msg」を出力後に，受信したパケットの Info

http://space.kochi-ct.jp/ （2021.11.15）

部の情報を出力されており，管制コマンド

2) 大西哲他，“単一周波数帯で駆動する CubeSat 用無「00os0001」が正しく受信された．以上の性能試験に線機の制御用ソフトウェアの開発と教材応用への検より，AFSK および GMSK のダウンリンクとアップリン討”. 信学技報，第 119 巻 LOIS2019-60, pp. 25—29，クの正常動作を確認した．

2020.
3) IARU, Satellite frequency coordination in the two-

5 . まとめ

metreband,https://www.iaru.org/wpcontent/uploads/2019/

本稿では，2 U タイプの CubeSat（KOSEN-1 衛星）の12/satellite_frequency_coordination_in_the_two.pdf

ために開発した通信系システムについて述べた．昨(2021.11.15)

今の状況から，CubeSat でアマチュア無線帯を利用す

4) 今井一雅他，“高専連携技術実証衛星 KOSEN-1 につる場合，430 MHz 帯の半二重通信は有力な選択肢とないて（3）”，第 65 回宇宙科学技術連合大会，OS-16-4っている．本システムは，430 MHz 帯の衛星搭載用無3I15，2021

線機 302A-RU，専用の TNC 基板 CubeCom，OBC として5) 西 裕治，“超小型人工衛星用 FMCW 送受信機”，西Raspberry Pi CM1 ボードの組み合わせで構成し，衛星無線研究所. 2021/10/1.http://www.nishimusen.co.jp/－地上局間の通信を担うソフトウェアは，汎用性のeisei2016/eisei-302A-RU.htm （2021.11.15）

高いLinux OS 上で動作するように設計した．通信方式

6) 押森弘睦, 徳丸里歩，“静大衛星 2018 STARS-Me &としては，ダウンリンクに CW，AFSK 1200 bps，GMSK

Stars-AO ” ， UNISEC ワ ー ク シ ョ ッ プ . 2018 ，9600 bps を利用でき，アップリンクに AFSK 1200 bps をhttp://unisec.jp/workshop/2018/files/26_shizuoka_univ_利用する．通信システム系の機器を接続した性能試

satellite.pdf （2021.11.15）

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独立行政法人国立高等専門学校機構香川高等専門学校研究紀要 13(2022)

7) 徳光政弘他. “超小型衛星のためのアマチュア無線帯地上局のネットワーク活用に関する検討”, 宇宙
科学情報解析論文誌，第 10 号. pp.139-151, 2021

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