NASA ゴダードでの８年間と大学でのキューブサット開発

坂本 貴紀 (青山学院大学)

内容
n NASA ゴダード (GSFC) での８年間の研究生活– NASAでポスドクを始めるには– アメリカでの生活– GSFC で何をしたのか– 海外ポスドクの勧め

n 大学でのキューブサット開発– 速報実証衛星 ARICA– 衛星引き渡しに必要な手続き– クラウドファンディング– 軌道上運用

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NASA ゴダード (GSFC)での８年間の研究生活「ゴダード体験記」 日本物理学会誌 Vol. 68, No. 6, 2013

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略歴n 1996: 芝浦工業大学 機械工学科卒業
n 1996-1998: 東京理科大学 理学部2部 物理学科
学士編入/卒業
n 1998: アメリカの大学院へ出願するが全て不合格
n 1999-2004: 東京理科大学大学院 (修士)、東京工業大学大学院 (博士): 主に理化学研究所で研究
n 2004-2012: NASA Goddard Space Flight Center
研究員
n 2012-: 青山学院大学 着任

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NASA ゴダードで研究する3つの入り口
n 海外学振– 日本学術振興会の海外特別研究員に申請し、採択されること. 給料は学振(日本)から支払われる. 期間は2年間.

n NASA Postdoctoral Program (旧 NRC Postdoc)– NASA のポスドク制度. 年3回出願の機会あり. 給料はコントラクターである ORAU (Oak Ridge Associated Universities)から支払われる. 期間は2年+1年.

n ゴダードの研究者からの直接雇用– ポスドクを雇用できる研究費を持っているゴダードの正規職員 (civil servant って言います) に雇用してもらう. 給料はコントラクターから支払われる. 期間は研究費が続く限り. 個人的に繋がりのある方でないと難しい.
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NASA Postdoctoral Program (NPP) (npp.orau.org)• 出願書類Ø 出願フォーム (今までの研究内容や今後の研究計画)
Ø 3通の推薦書 (私の時は4通)
Ø 成績証明書
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渡米の準備n VISA の申請– NPPは J-1 ビザでの受け入れ. ORAU の NPP 担当者に
J-1 ビザ申請に必要な DS-2019 の発行依頼. 奥さんはJ-2 ビザの申請が必要. (3年分の DS-2019を発行してもらえるとベスト)– 豆知識: OARU/NPP 担当者へ日本ぽいおみやげの購入

n アメリカの銀行 ATM から引き出せる口座の開設– Citi bank (日本撤退)の口座を開設– クレジットカードの裏に PLUS と書かれているものは、アメリカの銀行 ATM で現金の引き出しなどは可能

n 引っ越しの荷物は最小限– GSFC周辺は日本や韓国食材店がある

n GSFC 入構手続き
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アメリカについたら
n Social Security Number (SSN) の入手– 銀行口座は開けない、アパート契約もできない.

n 銀行口座の開設– 給料や光熱費、アパート費用の支払い.
– Checking account と Saving accountn 住む場所– 1年契約の家具なしアパートがほとんど– 特に奥さんがいる場合は、治安の良い場所

n車– 中古車の購入には十分な注意を.

n ガス、電気、ケーブルTV、インターネットなどの契約– ケーブルTVとインターネットは一体のサービスがある
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NASA Goddard Space Flight Center (GSFC)
メリーランド州、グリーンベルト

GSFC

アクセス
• 車 1時間: ダレス国際空港 ANA/United 成田直行便• 車 40分: レーガン国際空港 メトロの駅とつながっている• 車 30分: ボルチモア国際空港 国内旅行の時によく使う
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GSFC キャンパスマップ

約１万人の研究者や技術者が勤務地球物理、宇宙物理、太陽物理、惑星科学などの分野
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GSFC の様子
n 研究や開発を行うための30近い建物
n カフェテリア
n 託児所
n レクリエーションセンター
n サッカー場、テニスコート、ソフトボール場 (キャンパス外)
n 天文台 (キャンパス外)n GEWA (Goddard Employees
Walfare Association)
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Building #7: 2019年は JWST があった

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GRT

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何をしに GSFC へ？
nガンマ線バースト探査衛星 Swift (2004-)– Burst Alert Telescope (BAT) のチームメンバー

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Swift Gamma-ray Burst Explorer Missionn NASA の Medium-Class Explorer (MIDEX)– 1999年1月 Phase-A study の選定– 1999年10月 ミッション選定– 2004年11月 打ち上げn アメリカ、イギリス、イタリアの国際協力ミッション– Burst Alert Telescope (BAT): 新規開発;
NASA/GSFC とロスアラモス国立研究所– X-ray Telescope (XRT): X線ミラーはJET-X FM、CCD
はXMM-NewtonのMOS; ペンシルバニア州立大学、イ
タリア国立天体物理学研究所 (INAF)、レスター大学– Ultra-Violet/Optical Telescope (UVOT): XMMNewton OM のコピー; ペンシルバニア州立大学、UCL
マラード宇宙科学研究所 (MSSL)
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UV/Optical Telescope (UVOT)

Burst Alert Telescope (BAT)

Aperture: 30 cm (XMM OM)
Det: MCP+CCD (XMM OM)
FOV: 17’ x 17’
7 filters (UV - Opt)+2 grism

UVOT

XRT

Mask

X-Ray Telescope (XRT)128 CZTBAT

E_range: 15-150 keV (15-350 keV)
Det: CdZnTe (4 x 4 x 2 mm3)
# of detectors: 32,768 (256 x 128)
FOV: 120 deg x 90 deg
Pos: 1’-3’

E_range: 0.3-10 keV
Focal Length: 3.5m
Det: X-ray CCD (XMM MOS)
FOV: 23’ x 23’

Swift: 人を介在しない自立した観測
XRT & UVOT Observation(T0+75-120 s)
T0+(20-75 s)
BAT GRB detection: T0
BAT GRB position: T0+~20 s (3’)

Gamma-ray Image (BAT)

X-ray Image (XRT)BAT 3’ position

8/23/222022年度 天文・天体物理若手夏の学校Optical Image (UVOT)XRT 5” position

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GRB 080319B の観測例
Report BAT pos
to the ground (3’)

NFI observation
start
Report XRT posto the ground (5”)

Slew start

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Slew end

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UVOT pos(T+22 min)16

大好きな Swift へ貢献しないと…
n BAT自動データ解析パイプライン– TDRSS データの可視化– イベントデータの自動解析

n BATエネルギー応答関数の較正– Konus-Wind, Suzaku/WAM との相互較正– XRT, Suzaku/XIS, Suzaku/HXDとの相互較正n 100編以上のSwift が関係する
GRB論文にBATの解析結果を提供(Sakamoto et al. 2011)
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GSFC 2006 Peer Award
Suzaku/WAM
Konus-Wind
BAT

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自分だけ充実していたらよいか…
n家庭が充実して、初めて研究にも集中できる.
– スミソニアン航空宇宙博物館でのボランティア– ESL (English as a Second Language) class に参加

nアメリカ人は家族中心– 夕方５時以降、GSFC で仕事をしている人はほとん
どいない– 家族ぐるみでBBQなどの食事会

n幼稚園のcoop (コアープ) 制度– 幼稚園の coop 制度で、子どもたちのお手伝い
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その後
n 2004-2007: NPP– J-1 VISA (3年間)

n 2007-2012: メリーランド大学ボルチモア校(University of Maryland, Baltimore County) 所属のNASA/GSFC 研究員– H-1B VISA (3年+3年)– Swift の予算で100%雇用

是非、一度は海外で研究を!
• 研究や生活環境の違いを知る• 日本を良く知る
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19大学でのキューブサット開発
AGU Remote Innovative Cubesat Alert System- ARICA (ありか) -8/23/222022年度 天文・天体物理若手夏の学校

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GRB のサイエンスn 初期宇宙探査– 初代星の発見– 宇宙再電離の時期を探る
Larson & Bromm (2001)

n 重力波源の電磁波対応天体– 重力波発生の現場– 重元素合成に伴う光Abbott et al. 2019
Troja et al.
2019
ガンマ線

n 宇宙ジェット

1.7sec– ジェットの生成機構– ガンマ線の放射機構
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Time since GW trigger (sec)

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Gamma-ray Coordinate Network (GCN)

Scott Barthelmy(NASA/GSFC)

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速報ケース1: 多くの地上局を利用••赤道軌道
軌道上に VHF 帯地上局を多数設置

シンガポール 主地上局

HETE-2

パラオ 副地上局

15 箇所: 副地上局
3 箇所: 主地上局
(HETE-2 official webpage)
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速報ケース2: TDRSS(Swift/Fermi/MAXI/CALET)
NASA’s Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS)First generation TDRS
(launched: 1983-1995)

Second generation TDRS
(launched: 2000-2002)(TDRS-6, TDRS-7)(TDRS-8, TDRS-9, TDRS-10)(figures and information from NASA TDRS webpage:https://www.nasa.gov/directorates/heo/scan/services/networks/tdrs_main)

Third generation TDRS
(launched: 2013-2017)(TDRS-11, TDRS-12, TDRS-13)• 約70% の時間で衛星と地上の常時通信が可能• 基本 NASA のプロジェクトでないと使用できない
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イリジウム衛星通信••••

66 機の衛星が稼働中
高度 780 km
極軌道
衛星間通信

Iridium: Short Burst Data (SBD)
••
•
•
•
•

(https://www.iridium.com/network/)

SBD

型番: SBD9603N
サイズ: 31.5 x 29.6 x 8.1 mm
重さ: 11.4 g
消費電力: 1.5 W (max)
340 バイト (送信), 270 バイト (受信)1621-1625 MHz

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グローバルスター衛星通信••••

32 機の衛星が稼働中
高度 1414 km
8 つの異なる軌道
衛星と地上との通信 (23 箇所の地上局)

Globalstar: EyeStar-S3 (NSL)
••
•
•
•
•
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型番: STX-3
サイズ: 50 x 25 x 15 mm
重さ: 22 g
消費電力: 0.063 W (max)
35 バイト (送信)1615.0-1617.5 MHz
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民間衛星通信を利用した突発天体速報システム

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ARICA 開発の経緯
n 2016年度: 卒研テーマ「イリジウム衛星を用いたガンマ線バースト速報システムの開発」でイリジウム SBD を動作させ、手応えを得る.
n 2017年度 科研費 基盤C にキューブサットでの実証実験を提案するも不採択
n 2018年度科研費 基盤B にキューブサットでの実証実験を提案し、採択.
n 2018年夏頃 JAXA 革新的衛星技術実証2号機の実証テーマとして応募し、採択 (12月に通知).
n 2019-2021 本格的な開発スタートn 2021年8月 衛星引き渡しn 2021年11月 打上げ
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ARICA 開発体制
n 2018年度 B4 2名、M1 1名、M2 1名
n 2019年度 B4 2名、M1 2名、M2 1名
n 2020年度 B4 2名、M1 2名、M2 2名、D1 1名
n 2021年度 B4 2名、M1 2名、M2 1名、D2 1名(スタッフは 助教の芹野さんと坂本の2名)

2021年度 ARICA チーム

衛星バス部の開発は行わな
い (宇宙利用実績品をメーカーから購入). ミッション部のみの開発を行う.

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ARICA 衛星概要

Front cover
Sideboard
SAP

Front-end board
GROWTH board
SBD+Eyestar board
EPS/battery
Back-end board

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ARICA システム概要
電源系

ミッション系
ガンマ線検出器(GAGG+MPPC)

SAP

HV

SAP

SAP

SAP
各機器
$

アナログ回路

EPS
ジャイロセンサ

ADC
FPGA

赤外線センサー2s2p リチウムイオン
GPS

通信系
SBD
Interface board
アンテナ

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STX3EyeStarアンテナ

アンテナ

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Front-end board

GPS アンテナ- AP.35A (Taoglas)

ガンマ線検出器
シンチレータ: GAGG

GPS モジュール (裏面)- HT-GNSS200 (Hyperion)

光センサー: MPPC

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SBD+Eyestar board

イリジウム端末- Short Burst Data (SBD)

グローバルスター端末- EyeStar-S3 (NSL)

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バス部
AAC-Clyde Space社の宇宙利用実績品を購入1U Structure

EPS/バッテリー

太陽電池パネル

宇宙利用実績のあるコンポーネントを積極的に利用することで、開発期間の短縮と信頼性の高い衛星開発が可能
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Backend board

バッテリー充電コネクター
ジャイロセンサー- BMX055 (BOSCH
Sensortech Inc.;
秋月電子で購入)

Inhitit コネクター

赤外線センサーコネクター

送信機 Rx/Tx
アクセスコネクター

Inhibit コネクター

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側面パネル (アクセス窓)

赤外線センサー- AMG8834 (Panansonic)“地球”を検知し、アンテナが地球を向いている時に電波を発射しない処置

RBF ピン
SBD 用パッチアンテナ

EyeStar用パッチ
アンテナ

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衛星引き渡しまでに必要な手続き
n JAXA 安全審査
– ロケット側に対して、衛星が十分に安全な設計になっているかの審査

n 総務省 送信機の免許申請– 衛星に搭載する電波を発する送信機は、全て特殊な送信機となるため、総務省からの免許（予備免許)

n 内閣府 宇宙活動法の申請– 衛星が打ち上がった後に衛星を他の軌道上にある衛星や衛星の運用が終了したあとに安全にミッションを終了できるかの審査

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衛星の引き渡し
日時: 2021年8月15日-8月19日
場所: 内之浦宇宙空間観測所

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作業完了!

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クラウドファンディングにも挑戦
総務省の免許申請時に必要な業者による送信機の登録点検などに予想以上の経費が発生. 運用費が枯渇する…

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クラウドファンディングにも挑戦
高知高専 今井先生との対談動画

Twitter 始める

8/23/22

NASA/GSFC 岡島さんとの対談動画

学生対談動画• 駅へのポスター掲示• 学生主体のメルマガなどでの配信など2022年度 天文・天体物理若手夏の学校
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そして、打ち上げ• JAXA イプシロンロケット5号機• 日時: 2021年11月9日 9:55:16 (日本時間)• 9機、全ての衛星の切り離しに成功@JAXA

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ARICA 運用
予定・現実
打上げ

分離、電源ON

SBDによるHK(/分)×10回

観測モード
コマンド送信

SBDによるHK(/分)

⾚外線フィルタ
解除コマンド送信

仮説：
赤外線センサが誤動作して、送信を止めている

SBDによるHK(/分)

コマンド送信

SBDによるHK(/分)前のデータ処理未実行

初期運用の状況• ARICA衛星からデータが得られなかった• コマンドを受け付けた形跡がなかった
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不具合解析

衛星データが受信できない

電源系

SBD、アンテナ

GRWOTH
ボード

基板

ガンマ線
検出器

不具合要因の可能性
1. 電源系
側⾯レールスイッチ
2. 電源系/SBD ONの状態の衛星とイリジウム衛星のコンタクト可能確率3. 基板

8/23/22

SBDやGROWTH FPGA/ADC boardが壊れている

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不具合解析: 電源系
衛星データが受信できない

電源系

SBD、アンテナ

GRWOTH
ボード

基板

ガンマ線検出器

EPS の故障

EPSの保護モードが未解除-Z⾯四隅のスイッチが押されたままの状態

側⾯レールスイッチが押されたままの状態

日照時でも十分な充電ができていない

低調査より低低⾼調査より中

可能性
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追加調査：電源系• 側⾯のスイッチが押されたままになっている
側⾯レールスイッチ
ロケット側からの要求で設計変更、追加
振動・衝撃試験では問題なしØ 何かの衝撃でスイッチが構体との隙間に挟まり、電源offの状態で分離した可能性• ⼗分な充電ができず、バッテリーon/off を繰り返している
打上げ前の充電・放電のデータから、ARICA の駆動時間を求める
最⼩で 20 分で ARICA は再び充電のみの時間に⼊る
充電のみで電⼒を供給しない時間は約 1 時間程度
Ø 駆動時間が短く、通信可能時間が短い可能性
8/23/222022年度 天文・天体物理若手夏の学校

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不具合解析: 通信端末
衛星データが受信できない

電源系

可能性

SBD、アンテナ

GRWOTH
ボード

電源投⼊時
SBD の故障

SBDに電源供給されていない

SBDとボードとの接続不備

低低低8/23/22基板

ガンマ線検出器

アンテナの故障

アンテナがイリジウム衛星側を向いていない

通信成功率が低い

低調査より中調査より中2022年度 天文・天体物理若手夏の学校

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追加調査：通信端末• アンテナがイリジウム衛星側を向いていない
ARICAの回転速度を他の衛星から推測する
他の衛星は、ビーコンの電波信号の変動から 1 回転 200 秒程度で回転Ø アンテナがイリジウム衛星の⽅向を向く可能性がある• 通信成功率が低い
ARICAとイリジウム衛星の軌道解析からコンタクト可能時間を求める
打上げ直後は、確率がとても低かった可能性が⽰唆されているイリジウム衛星の情報が全て開⽰されているわけではないので、詳細は不明
通信時間
送るデータ数が⼩さいと時間が短い
1 byteデータ運⽤を開始
Ø 現在まで、データが読み込まれた形跡なし
8/23/222022年度 天文・天体物理若手夏の学校

イリジウム衛星

ARICA 衛星

©JAXA

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ARICA 運用のまとめ
nARICA衛星のデータの送受信はできていない– 電源OFF– 衛星とイリジウム衛星とのコンタクト可能確率が小さい– SBD や GROWTH
board が故障引き続き衛星からのデータの受信を待つ
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ARICA-2 はじめました!
ゴール: 民間衛星通信を用いた突発天体速報システムの実証
••
•
•
•

大きさが 2U (20 x 10 x 10 cm3)
アマチュア無線帯を用いた送信機
Sony Spresense をオンボードコンピュータとして採用
姿勢制御系
アマチュア送信機
大きなガンマ線検出器

姿勢制御基板電源基板

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民間衛星通信端末搭載基板
Spresense 搭載基板

ガンマ線検出器
ガンマ線処理基板まとめ
nNASA ゴダードでの８年間の研究生活– 公 (Swift) 私 (妻との新婚生活)ともに充実した8年間– 自分の可能性を広げるためにも一度は（日本人の少ない)海外で研究する機会を!

n大学でのキューブサット開発– 民間衛星通信を利用した新しい突発天体速報
システムの実証: ARICA– 約3年で開発. 2021年11月打ち上げ.
– 衛星との通信がうまくいっていない.
– 再挑戦ミッション ARICA-2 始動
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8/23/22

2022年度 天文・天体物理若手夏の学校

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