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1 - 北海道科学大学
HASTICセミナー 平成１５年７月４日 北海道衛星プロジェクト概要 北海道工業大学電気電子工学科 北海道宇宙科学技術創成センター 超小型衛星開発ワーキング・グループ 佐鳥 新 北海道衛星プロジェクトの目的 1. 「宇宙」という新しい視点を導入することにより、北海 道経済を再生するための第三の足場を作る。 2. まず１つの小型衛星による宇宙ビジネスの成功事例 を世界に先駆けて示し、その成功パターンを様々な分 野に広げることにより、日本に宇宙産業を創出する。 3. 宇宙技術により道内の製造業の実力を強化すると 共に、主として農業・福祉（医療関係）・バイオ・ IT等の 分野への応用分野を開拓し、近未来には数万人規模 の規雇新用を創出する。 北海道衛星による宇宙産業の経済的波及効果 精密農業 通信 小型衛星製造 漁業利用 リモートセンシング ｣｣｣ 1次効果 ∼１千億 高品質食肉販売 ２次効果 （宇宙技術の副産物） ∼１兆 過酷な環境で使用可能な半導体技術 レストラン コンビエンスストア 長寿命機械部品技術 高温半導体応用分野 半導体応用分野 （ゲーム） ロボット技術 ３次効果 （副産物から派生した商品） ∼１0兆 家電製品 薬（創薬研究） 映画・ＣＭ 新素材 太陽電池 衛星開発の基本方針 1.エンドユーザーのニーズを反映したシリーズもの 2.バス機器の徹底した低コスト化 ・同じ設計のバス機器を何度も使う。2号機以降は製造のみとする。 ⇒信頼性が向上。コストが下がる。開発期間を短縮できる。 3.単機能だが高性能なミッション機器を搭載する ・一点豪華主義。設計者本人がお金を払いたくなるようなサービスを目指す。 4.重量の5∼10％を宇宙実験室に充てる ・未来への投資のためのスペース。 ・試作品の軌道実証機会が増える。 ⇒製品化の時間短縮 ・教育・啓蒙 ：NPO法人UNISEC、宇宙ロボットコンテストへの開放。 ・ﾁｬﾚﾝｼﾞﾝｸﾞな機器でも実験できる。 ⇒経験を蓄積できる。 北海道衛星のミッション候補 • • • • • • • • • • 農業観測： 米、麦などの作柄を毎日農家へ配信する 予防医学： 高齢者の生体モニター 創薬研究（タンパク質結晶の合成） 無重力生物実験 森林観測 峠などでの環境計測・路面情報の収集 宇宙からの気象予報（NHK「満天」の宇宙天気予報） 宇宙ロボットコンテスト 野生動物の生態観測（鹿、熊、渡り鳥など） 釧路湿原などの観測 北海道衛星シリーズの基本構成 北海道衛星 重量：50kg 電力：50W 衛星バス系 ※衛星としての基本機能 重量： ３５ｋｇ 電力：３５W ミッション系 ※利用者のニーズに応えるための機能 重量： １０ｋｇ 電力：１０W 宇宙実験室枠 ※宇宙での経験の蓄積と未来への投資 重量： ５ｋｇ 電力： ５W 北海道衛星1号機の基本構成 北海道衛星1号のﾃｰﾏ： 農業と福祉 衛星バス系 ※衛星としての基本機能 課題： 高解像画像の送受信、3年間の寿命維持 ミッション系 ※利用者のニーズに応えるための機能 課題： 農業用高解像度カメラの開発（宇宙用） 宇宙実験室枠 ※宇宙での経験の蓄積と未来への投資 課題： 光通信、宇宙ﾛﾎﾞｯﾄｺﾝﾃｽﾄ又はCubeSat システムブロック図 PIM PIM PIM AOCS PIM PIM OCM MTQDE COM OCMU MTQ-X,Y,Z OCMA STT LMGA LTX CMR WDE LRX IPU RW-X,Y,Z ACM-X,Y,Z CMRA UHFLGA UHF TX AOCU TCIU CUBE GPS UHF RX GYRO PIM CUBE-U SERIAL DATA BUS DHS DHU TCS PIM COMPONENTS POWER EPS HCE PCU MES TMPA MECU DR NMPA HVPS HTR BAT SAP PMU Fig. 1 : System Block Diagram (Hokkaido Satellite #1) MEA HASTICセミナー(2003/7/4) 姿勢制御系1 姿勢制御系1 :: 無重力実験 無重力実験 北海道工業大学 情報デザイン学科 三橋 龍一 講演内容 講演内容 • 超小型衛星に搭載する姿勢制御用CPUの 宇宙放射線実験 • 超小型衛星の無重力における姿勢制御実験 MDS研究ミッションの概要 本研究の提案している宇宙実験は、Mothershipと、３つの Daughtership（超小型衛星）により構成される。母衛星にあたる Mothershipは３ヶ所の射出ドッキング機構を有しており、３つの 子衛星Daughtershipはその各々のドッキングポートを出入りする 形で全体のシステムを構築する。Daughtershipの操作は基本的 にMothershipからのコマンド通信により行う。 Mothership実験モジュール Daughtership（子衛星） 実験装置(MDS研究ミッション) 画像処理装置 制御量 カメラ映像 超小型衛星 対象物体（特徴点） MDS: Mission Demonstration test Satellite(ミッション実証衛星) 姿勢制御用CPU 市販CPU Hitachi H8-3048 作動周波数 16MHz 内蔵RAM ４ｋByte（32768bit） 用途：主に車制御用CPU 価格2000円 納期即納 宇宙用CPU 上記CPUと同性能で 価格40万∼70万円 納期半年以上 放射線がＣＰＵに与える影響は何か？ SEU （Single Event Upset）現象 放射線がCPUに内蔵された記憶デバイス SRAMを通り抜けた時、SRAMの記憶情報を 破損させる現象（例えば，ビット情報“0”が“1” へ改ざんされる） SEL （Single Event Latch-up）現象 放射線がCPUの電力制御素子部を通り抜け る時に、素子を誤動作させて過大な電流が流 れる現象 実験場所 群馬県 高崎原子力研究所 本実験を行った場所（イオン照射利用施設） 実験環境 放射線照射装置 高真空チャンバ 放射線照射方向 SEU実験結果 放射線 エネルギー １秒間あたり [MeV/(mg/c の粒子数[個] 照射時間[s] m2)] SEU発生数 [回] Ne（ﾈｵﾝ） 4.68 6469 155 3 Ar（ｱﾙｺﾞﾝ） 14.2 1400 30 103 Kr（ｸﾘﾌﾟﾄﾝ） 33.9 10.4 42 158 例）CPU内蔵RAM４KByte=32768bit中，Ne(ﾈｵﾝ)を1秒間に 6469発照射した場合，155秒間に３回のビット反転が発生した． SEL実験結果 放射線 エネルギー １秒間あたり [MeV/(mg/c の粒子数[個] 照射時間[s] m2)] SEL発生数 [回] Ne（ﾈｵﾝ） 4.68 16841 60 0 Ar（ｱﾙｺﾞﾝ） 14.2 5413 184 0 Kr（ｸﾘﾌﾟﾄﾝ） 33.9 4532 112 11 例）Krを1秒間に4532発照射した場合、112秒間に11回のSEL が発生した。 放射線耐性評価方法と 解析条件 条件 解析条件 ・国際宇宙ステーション軌道 ・太陽活動時期は，最大期 ・地球磁場気候は，磁場嵐 ・宇宙放射線の量は最大レベル （ワーストケース） 解析結果 データのビット反転が発生する確率（SEU-rate） 8ヵ月に1回程度 過大電流 が流れる確率（SEL-rate) 過大 11904ヵ月に１回程度 実験場所（地下無重力実験センター） 実験場所（地下無重力実験センター） 実験カプセル Φ1.8m 7.8m 北海道上砂川町 地下無重力実験センター 無重力の時間＝約１０秒 実験スペース 44cm 42cm 87cm 軌道上サービス衛星実験機 軌道上サービス衛星実験機 衛星実験機 超小型衛星 TV送信アンテナ 大きさは一辺17.5cm 無線TVカメラ 質量は3.5kg 姿勢制御装置 姿勢制御装置実験機 姿勢制御装置実験機 バッテリ 超小型リアクションホイー ル 無線機 角速度セン サ (a) HITSat 概観写真 CPU (H8/3048) (b) HITSat部品要素写 真 姿勢制御装置の無重力実験 姿勢制御装置の無重力実験 ２００１年１月 地下無重力実験センターにて ドッキング機構 ドッキング機構 Relative Relative Velocity Velocity Daughtership Daughtearship Grasping Grasping & & Guiding Guiding 表 ドッキング機構系の基本仕様 Item Open/Close speed Size Power Weight Value 20mm/s ec φ430mm ×h420mm AVE. 16W, MAX 33.6W (24V) 16.4kg Mothership'sface face Mothership’s 図 分離回収方式の概念 Open configuration Close configuration 道工大と東工大の衛星ドッキング実験 道工大と東工大の衛星ドッキング実験 HASTICセミナー 平成15年7月4日 姿勢制御系2 : リアクションホイールの開発 (有)先端技術研究所 伊藤 康正 北海道衛星システムブロック図 PIM PIM PIM AOCS PIM PIM OCM MTQDE COM OCMU MTQ-X,Y,Z OCMA STT LMGA LTX CMR WDE LRX IPU RW-X,Y,Z ACM-X,Y,Z CMRA UHFLGA UHF TX AOCU TCIU CUBE GPS UHF RX GYRO PIM CUBE-U SERIAL DATA BUS DHS DHU TCS PIM COMPONENTS POWER EPS HCE PCU MES TMPA MECU DR NMPA HVPS HTR BAT SAP PMU Fig. 1 : System Block Diagram (Hokkaido Satellite #1) MEA 小型衛星(∼50 kg)搭載用リアクションホイール 駆動電圧 12 Vdc 消費電力 < 2 W(Nominal) 駆動開始電圧 0.1 Vdc 動作温度 -30 to +65℃ 回転数 8000 rpm 最大発生トルク 2.7 x 10-3 Nm 最大蓄積角運動量 1.5 x 10-2 Nms 形状 φ65 x 72 x φ82 mm リアクションホイール 耐久試験 • Endurance Test in Vacuum Chamber (January 2000) • P<1.0×10-6 Torr • 3000 hours • 8000-8300 rpm リアクションホイール ランダム振動試験 実施場所 北海道工業試験場 実施日時 2002年12月26日 実施内容 X，Y，Z軸 AT (7 Grms 1 min) QT (25 Grms 3 min) PSD [(m/s2 )2 /Hz] 100.00 10.00 1.00 試験結果 合格 0.10 10 100 1000 Frequency [Hz] Z QT入力振動レベル Y X 10000 ランダム振動試験 映像 2002/12/26 於 北海道工業試験場 超小型衛星用リアクションホイール 超小型衛星(∼5 kg) ・大型衛星不具合箇所モニタ ・宇宙遊泳作業補助 CCD Camera 超小型衛星用リアクションホイール 35 mm Microwave Engine 40 mm 超小型リアクションホイールの開発 センサレスドライブ回路設計試作 (株)アストロリサーチ共同研究 超小型リアクションホイール EMI試験 EMI試験 VCCI-B規格 2003年1月16日 供試体 小型電波暗室 @北海道工業試験場 アンテナ まとめ • 小型衛星(∼50 kg)姿勢制御用リアクションホイールの開発 ¾ 耐久加速試験 3000 h@8000 rpm ¾ ランダム振動試験 QT(25 Grms 3 min) • 超小型衛星(∼5 kg)姿勢制御用リアクションホイールの開発 ¾ センサレスドライブ回路設計，試作 ¾ EMI試験 VCCI-B 今後の開発項目 9 熱真空試験の実施 9 リアクションホイールのシステム化 マイクロ波エンジン 小型衛星用軌道制御エンジン HASTICセミナー 平成15年7月4日 金尚郁 有限会社 先端技術研究所 マイクロ波エンジンの開発 • 小型衛星搭載用電気推進エンジン • 総システム電力30 Wのマイクロ波エンジン ¾1.5 GHzマイクロ波と永久磁石磁場によるECRプラズマ生成 ¾グリッドレス加速機構(静電加速) • 地上での耐久試験段階、軌道実証の機会を調査中 小型衛星搭載用スラスタ • 小型人工衛星(∼50 kg)の開発 – 軌道維持，姿勢制御用スラスタの要求 軌道 ∼400 kmのため大気抵抗が大きい – ペイロードが小さいため，高比推力スラスタが必 要 (大きなタンクは積めない) – 供給電力 ∼50 W (通常，数 kW) ⇒ 低電力、小型電気推進システムの需要 電気推進 • イオン化した推進剤を電界・磁界を利用して加速し、推 力を発生させる • 高排気速度と高比推力が特徴 • 化学推進：Ue < 5000 m/s, Isp ~ 500 sec • 電気推進：Ue 8000 m/s ~ 20000 m/s, Isp 800 sec ~ 4000 sec τ ∆V M initial M final ≡ exp ue I sp ≡ m& g o • 電気推進システムはその高排気速度と高比推力により △Vが大きなミッションに適しており、打上げ重量の削減 またはペーロードの増加を可能にする • 高△V・高比推力ミッション(長期運用人工衛星、惑星探 査、深宇宙探査)に適している マイクロ波エンジン • 電子サイクロトロン共鳴(ECR)を利用したマイクロ波放電 で推進剤(Xeガス)をイオン化 ⇒ 低電力、小型 • 放電室上流面の陽極と下流に設けた陰極(中和器)との 間の電界でイオンを加速（グリッドレス） • 電気推進システムは主にkWレベルでの作動が適してお り不利な寸法則により低電力化・小型化が困難であるが、 マイクロ波エンジンはECRを利用することによりこれを克 服 マイクロ波エンジンの原理 Two-stage Thruster Xe+ Microwave Xe+ Propellant − − Discharge stage →Microwave Acceleration stage →Electrostatic Field Xe+ : Xe Ion Cathode Neutralizer − : Electron マイクロ波エンジン(1) ION Magnetic Nozzle Discharge Chamber Sm-Co Magnets Xe gas Xe gas Microwave マイクロ波エンジン断面の概略図 エンジンヘッド、中和器 無電極ECRプラズマ放電式 エンジンヘッドサイズ 直径48 mm、高さ32 mm 中和器サイズ 直径34 mm、高さ26 mm イオン源／中和器質量 350 g/270 g 許容温度 -40 ~ 110 ℃ 寿命 8000時間 マイクロ波エンジン(2) マイクロ波エンジン外観図 作動中のマイクロ波エンジン エンジンヘッド(左)と中和器(右)の切取り図 性能評価 • 推進剤利用効率 • イオン生成コスト • 推力 • 推進効率 Ib M ηu = em& Pµ C= Ib F = γm& ηu 2eVa M I bVa ηT = γ ηu I aVa + Pµ ε + Pother 2 マイクロ波エンジン性能 Xe 流量 0.06 mg/sec マイクロ波電力 加速電圧 250 V 総システム電力 η T ≡γ I ⋅η ⋅η ⋅ u ac I ac ⋅V ac + ac P f η mw ⋅V ac +P +P cath other 29.6 W 加速電流 38.0 mA ビーム電流 27.6 mA 加速効率 0.73 推進剤利用効率 0.98 推力 2 5W 0.5 mN 比推力 推進効率 1371 sec ηT 0.124 他方式との比較 コールドガス FEEP コロイド PPT マイクロ波 エンジン 推力 4.4 mN 120 µN 110 µN 20 µNs 500 µN 比推力 50 sec 8000 sec 1000 sec 1000 sec 1400 sec 0.11 0.31 0.29 0.09 0.12 (総システム) 10 W (推薬 弁) 12 W 1.1 W 1 J (one shot) 12 W 推進効率 電力 (エンジンのみ) • コールドガスジェットは、推薬弁の消費電力を入力電力と考えてパラメータを計算 • 電力は、推進剤のイオン化と加速に必要な電力のみを示す • マイクロ波エンジンの推進効率は、サブシステムすべての効率を含む（電源効率、伝送路損失、 アンプ効率、ビーム拡散角) • PPTはパルスモードのみで作動するため、推力はインパルス(Ns)でまた電力は仕事量(J)で表す • FEEPとコロイドの作動には数kVの高電圧が必要であり、また推薬を熱し液化する必要がある ランダム振動試験 • 打ち上げ時の機械環境（10-2000 Hz）でのスラスタヘッドの耐久性が確 認された • 本振動試験後のスラスタ機能テストでは、正常の機能を示し、性能にお いても打ち上げ時の音響環境に耐えることが実証された エンジン制御装置の熱真空試験 ベーキング 熱真空試験 回路に通電 時刻 19:31 20:01 20:31 21:21 21:51 22:21 試験モード C1 C1 C1 H1 H1 H1 電源12V ON ON ON ON ON ON 電源電流(mA) 640 570 570 580 580 580 中和器電流(A) 1.98 2.24 2.24 2.33 2.33 2.33 真空度(Pa) 2.9×10-4 3.8×10-4 3.8×10-4 8.0×10-4 8.0×10-4 8.0×10-4 規定温度(℃) -22.4 -21.0 -21.5 50.1 50.9 51.1 −２０℃及び＋５０℃の両端点で中 和器電流が規定値におさまってい ることから、エンジン制御装置が宇 宙環境で使用可能であることが結 論としていえる エンジンヘッド耐久試験 300 250 Reflected µ-Wave Power (W) 4 200 3 150 100 2 50 1 0 0 -50 4550 4600 4650 Time (hours) 4700 • 1200時間後も正常に作動している • アンテナのスパッタリングから、10000時間後もアンテナとしての機能を果たすと推測される • 放電室内はスパッタリングによるダメージがほとんどなく、また堆積物もない 4750 4800 140 120 100 80 60 40 20 0 Acceleration Current (mA), Temperature (degC) T _cat h T _eng T _noz V_noz Acceleration Voltage (V), Magnetic Nozzle Potential w.r.t. GND (V) P r_cath P r_eng Vac_V Iac_mA 5 マイクロ波エンジンの応用例 小型衛星の軌道維持：低軌道での大気抵抗補償 衛星質量 50 kg 抵抗面積 0.25 m2 抵抗係数CD 2 軌道高度 380 km ⇒ 大気抵抗 ~ 0.075 mN ∆V ~ 47 m/s per year エンジン電力 25 W 推力 0.4 mN エンジンを1日平均4.5時間作動しXe約1 kgで3年間運用可能 開発状況 • エンジンヘッドの性能評価完了 • エンジンヘッド振動試験完了 • エンジンヘッド耐久試験実施中(現在約2000時間終了) • これからの課題 – エンジンヘッド8000時間耐久試験 – 推薬供給系の開発 – 各種電源の小型化 – 各種電源とエンジンヘッドを噛み合わせての耐久・環 境試験 エンジンボックスモックアップ エンジンボックス 100 x 100 x 50 mm 地上局，ネットワーク • 「地上の星プロジェクト」概要説明 • ネットワーク系全般に関する技術的説明 • 北海道工業大学の地上局の紹介 • 「地上の星プロジェクト」リハーサル（7/1）の実験結果 北海道大学 大学院工学研究科 助手 戸谷 剛 「地上の星プロジェクト」目的 北海道衛星の基盤となる技術の検証 北海道衛星が目指しているコンセプトを広 く知ってもらうこと 「地上の星」プロジェクト 北海道衛星 レーザー 送信機 光通信 アンテナ 無線通信 TNC EVI-D30 (CCDカメラ) 無線機 江別 アンテナ 撮影 レーザー 受信機 無線機 JRタワー屋上 酪農学園大学中央棟 TNC 風景 RS232C SerialLanDX 取得画像の インターネット配信 遠隔操作クライアント （農家の役割） 北海道工業大学 SerialLanDX インターネット インターネット 北海道大学 カメラの制御 取得画像の表示 受信ターミナル ＆ 遠隔操作サーバ 機材（北海道大学） インター ネット ATFより 北海道工業大学へ パソコン ネットワーク インターフェース カード シリアル−TCP/IP 変換ソフト 「SerialLanDX」 モニタ 北海道大学 シリアル ポート カメラ コントローラ 機材（北海道工業大学） • アンテナ • 無線機，TNC， アンテナ制御機器等 写真提供 北海道工業大学 三橋助教授 サテライトトラッカー 仰角ローテータコントローラ 方位角ローテータコントローラ TNC 無線機 北海道工業大学⇒JRタワー JRタワー JRタワー⇒酪農学園大学 酪農学園大学 機材（レーザー送信装置） JRタワー屋上 出力 ：30 mW 波長 ：656nm 収束度 ：1 mrad 機材（レーザー受信装置） 酪農学園大学 Φ130mmの望遠鏡 リハーサル（7/1）実験結果（１） • 酪農学園大学⇒北海道大学（映像配信 動画） リハーサル（7/1）実験結果（２） • JRタワー⇒酪農学園大学 中央の赤い光はJRタワーからの光通信用レーザー（出力30mW）の発光。 JRタワーから15キロ北にある酪農学園大学から撮影。 リハーサル（7/1）実験結果（３） • JRタワー ⇒ 酪農学園大学 レーザー受信画像（動画） 実験機材の都合によりモニター 画面をビデオで撮影したためや や画質が落ちているが、実際に はもっと鮮明に映っている。 リハーサル（7/1）実験結果（４） • 北海道大学からカメラの操作（パン，ズーム）および 画像の取得に成功 ⇒ 全て成功 画面にJRタワーから見 える夜景が映っている （動画） 平成15年7月4日 HASTICセミナー 宇宙用カメラ及び 光通信装置の開発 株式会社エイティーエフ 取締役 江良 聡 「地上の星」プロジェクト 長距離レーザ通信実験 レーザ通信器（地上の星版） レーザビームスポット径：15m （距離15km、拡がり角0.057°） 受光器：反射型望遠鏡で集光し、 APDで受光。昼間は干渉フィルタを使用。 反射望遠鏡の口径：130mm レーザ出力：30mW レーザ波長：656nm 受光電力：500nW （大気と窓ガラスの減衰率20%） 変調方式：97.25MHzの搬送波をNTSCビデオ信号 でAM変調（帯域幅6MHz）し、それによってレーザ光 をAM変調（TVのRF信号でレーザをAM変調）。 画質：良好（S/N:60dB） 光通信： レーザー送信部とカメラ レーザー送信部 VFHビデオモジュレータ カメラ 光通信： 光通信予備実験の方法 （１）光学減衰フィルタ（4/1000） x 2枚をレーザ発信器のレンズ部に装着 （２）光学減衰フィルタに、受光アンプの光センサーを密着 レーザー送信部 NDフィルター 受光アンプ 光通信： 予備実験の結果 非受信時の画像 受光光電力：25nW、S/N：40dB 受信時の画像 JRタワー屋上に設置した レーザー送信装置 出力 : 30 mW 波 長 ： 656nm 収束度：1 mrad 酪農学園大学に設置した受信装置 口径130mmの望遠鏡 酪農学園大学から見たJRタワーのレーザ光 中央の赤い光はJRタワーからの光通信用レーザー（出力30mW）の発光。 JRタワーから15km北にある酪農学園大学から撮影。 受信画像（動画30コマ／秒） 受光光電力：500nW、S/N：50dB 実験機材の都合によりモニター画面をビデオで 撮影したためやや画質が落ちているが、 実際にはもっと鮮明に映っている。 レーザ通信器（衛星版） レーザビームスポット径：30km （距離400km、拡がり角4.3°） 受光器：反射型望遠鏡で集光し、 干渉フィルタ付きPMT（光電子倍増管）で受光。 反射望遠鏡の口径：500mm レーザ出力：1W レーザ波長：656nm 受光電力：70pW（大気の減衰率50%、干渉フィルタ の減衰率50%） 変調方式：200MHzの搬送波を100Mbpsのデジタル 信号でQPSK変調（帯域幅63MHz）し、 それによってレーザ光をAM変調。 リモートセンシングカメラ 仕様（１） （株）ＡＴＦの「超高解像度非接触遠距離レーザースキャンニング方式 による岩盤微少移動監視システム」の宇宙応用 7.66 km/s •撮影範囲：60 x 60 km∼600 x 600 km •分解能：4 x 4 m∼40 x 40 m 400 km •重量： 3ｋｇ程度 •消費電力： 10Ｗ未満 •画像解像度：15000 x 15000 ピクセル x 10bit x 2波長 •光学ズーム：1∼10倍 600 km •レンズ径：100mm 基準マーカ 600 km 仕様（２） •垂直スキャン方式：衛星の移動を利用。 •水平スキャン方式：ポリゴンミラーをモータで回転。 •水平・垂直防振方式：独自方式（特許出願準備中） •画像の絶対位置補正：北海道の端４箇所に設置された マーカあるいは海岸線（輪郭線）により、画像処理によ り補正。 •波長抽出方式：光学スプリッタと光学フィルタにより 所望の波長成分を抽出。 •画像圧縮方式：独自方式（特許出願準備中） •可動部の耐衝撃方式：独自方式（特許出願準備中） 構造図 光学分光器 ズームレンズ CPUボード CFボード 受光アンプ DC/DCコンバータ 北海道衛星の開発状況について ∼ミッション要求 農業の現状とニーズ∼ 北海道工業大学情報デザイン学科 片桐 実穂 リモートセンシングの農業利用 １９７０年代 アメリカ ＬＡＮＤＳＡＴの農業利用 人工衛星によるりモートセンシングの特性 z 広域性 z 同時性 z 周期性 ◎リモートセンシングの農業利用 分 類 項 目 土地利用、作物判別、作付面積、荒廃農地、侵食・崩落、融雪、冠水状 土 地 況、災害状況 作 物 生育状況、収量推定、成分品質、収穫期推定、病害虫発生、災害・被害 土壌・環境 腐植含量、水分特性、礫分布、土壌分類、熱環境、蒸発散、適地判定 土地生産力、土地改良、圃場管理、生育管理、営農計画、災害・被害対 総 合 策 北海道農業における リモートセンシングの取り組み 北海道は、 ＊本州に比べて農地が広大 ＊農作物の生育時期には、天候 が安定しており、雲が少ない 人工衛星リモートセンシングの利用可能性が大きい ◎北海道農業におけるリモートセンシング実利用例 分 類 土壌特性の把握 作物特性の把握 草地の植生把握 被害・災害などの 実態把握 内 容 実施機関 土壌腐植含量、保水性および礫深度の推定による土地改良 道立農試、他 や灌漑要否の判定など 水稲・小麦・てん菜の生育解析による施肥・追肥、栽培改 道立農試 善、品質ごとの分別集荷への利用など 草地の判読、採草と放牧の判別、草地更新状況の把握、冬 道立農試、他 枯れ被害の発生状況把握による策定計画への情報提供 干ばつ・冷害・湿害、および突発的災害の被害調査 道立農試 北海道農業における リモートセンシングの現状 道内における米の蛋白マップ作製地域 支庁名 水田面積(ha) 利用衛星 空知支庁 60,000 ＳＰＯＴ 上川支庁 25,000 ＩＫＯＮＯＳ z z z 北海道では、蛋白マップの作製は2000年から実施され、3年間でほ ぼ対象地域全域について、一度は蛋白マップが作製済み ただし、雲の影響などによって、毎年必ずしも全域のマップができて いるわけではない 2003年度については、予算の問題から上川支庁管内については新 規観測は実施せず、これまでに取得されたデータの利活用を行う 農業現場からの 衛星画像へのニーズ 取得データの適合性 z 地上分解能、観測幅、観測波長帯 データ取得の確実性 z 同一地点の観測周期、観測時天候、観測リ クエストの競合 データの取得時期 z 農作物に合わせた撮影 データの提供時期 z 撮影画像の当年利用 北海道農業分野の 主なデータ取得期待時期 時 期 利用内容 秋まき小麦の起生期生育量に応じた施肥量の策定、道東草地 ４月上∼中旬 の冬枯れ被害把握など 秋まき小麦の幼穂形成期∼止葉期の生育量の把握による収量 ５月中∼下旬 の推定や倒伏の危険度把握。水田の判別や裸地状態の畑の 土壌有機物含量の推定など 秋まき小麦の子実蛋白や収穫時期の推定、水稲の初期生育の ６月下旬∼７月上旬 把握など ７月下旬 てん菜の生育量把握による収量水準の推定 ８月下旬∼９月中旬 米の蛋白推定 ９月下旬∼１０月上旬 てん菜の根中糖分の推定 ・土地被覆分類をおこなうためにも年３∼４回程度のデータ取得は必要 ・冷害や干ばつ被害把握、また洪水などの被害把握のためには被害発生 時に随時データ取得が望まれる 農業現場からの 衛星画像へのクレーム データの性能向上 z 地上分解能の向上、観測幅の向上、必要なバ ンドデータの取得 データ取得の確実性 z 同一地点の観測周期の短縮、観測時天候に よる影響の低減、観測リクエストへの柔軟な 対応 コストの低減 衛星画像取得コストの比較 観測幅 回帰周 コスト[円]/購入単位 コスト[円]/K㎡ [km] 期[日] LANDSAT-7 15/30/60m 185 16 84,000/シーン 2.5 ＊ SPOT 10/20m 60 26 57∼ 205,300∼259,700/シーン IRS-1D <10m∼23.4m 70.5∼141 24 92,000∼295,000/シーン 26∼ 11 ＊＊ IKONOS 1/4m 左記参照 11 5,500∼30,000/K㎡ (MAX 110) 左記参照 QuickBird 0.61/2.88m 16.5 1∼3.5 3,700∼19,200/K㎡＊＊＊ RapidEye 6.5m 79 3∼4 2004年からサービス開始予定 衛星名 分解能[m] *ＳＰＯＴデータの新規撮影の場合、優先観測要求では別途55万円かかる **ICONOSデータの最小購入単位は新規撮影では121K㎡、ライブラリーデー タでは25K㎡。また、新規撮影の場合リクエスト代として別途120万円(国内デー タ)かかる。 ***QuickＢｉｒｄデータの最小購入単位は新規撮影では64K㎡、ライブラリーデー タでは100∼150K㎡ 道内における 衛星画像取得コストの現状 道内の農業試験場や農協の画像取得コスト(２００２年度） 団体名 Ａ試験場 Ｂ試験場 Ｃ試験場 Ｄ農協 Ｅ農協 購入データ ＳＰＯＴデータを４∼５シーン＋適宜ＬＡＮＤＳＡＴデータ ＳＰＯＴデータを４シーン ＳＰＯＴデータ２∼３シーン ＳＰＯＴデータ９∼10シーン（２時期×３シーン） ＳＰＯＴ３∼５シーン＋ＩＫＯＮＯＳデータ コスト 300万円程度 250万程度 100∼200万円程度 500万円程度 700万円程度 天候（雲等）の影響で良好なデータが取れないときはこの限りではない。 各団体とも独自にデータを購入 衛星データは高いという認識 価格に対する不満は大きい 必要データ量と配信頻度（その１） 1回分の撮影画像を１回の転送（8分間）でダウンロード １つのデータ（ＮＤＶＩのみ、もしくは１バンドのみ）を転送 ・画像（シーン）のサイズ ： (c×1000/a)2×d/8 [bytes] （ｼｰﾝの圧縮済み画像サイズ ： 125×c2×d×e/a2[bytes] ） ・１回の転送で送ることができる画像データ量 転送速度：b[bps] 圧縮率：e ： b×8×60/8 = 60b [bytes] 1回の転送(8分間)で圧縮した１シーンをすべて転送する ためには、 125×c2×d×e/a2 < C 分解能：a[m] [km] bit数：d[bit] 60b C[km] 必要データ量と配信頻度（その２） 1回分の撮影画像を１回の転送（8分間）でダウンロード 画像のビット数d=8、圧縮率e=1/4 Areasize as a function of 1/a 10000 areasize [km] 1000 b=100k[bps] b=200k[bps] b=500k[bps] b=800k[bps] b=1M[bps] 100 10 1 0.01 0.1 1 1/a [1/m] 転送速度が100k∼1M[bps]まで変動する場合の、分解能の逆数(1/a)と観測幅(c)の関係 必要データ量と配信頻度（その３） 農業用有効領域のダウンロード必要日数 １つのデータ（ＮＤＶＩのみ、もしくは１バンドのみ）を転送 北海道全域をカバーする正方領域：600[km]×600[km] （そのうち農地等の有効なエリアが占める割合は約1/10） 分 解 能：a[m] 圧縮率：e 転送速度：b[bps] 衛星が1日に 地上局と交信 観 測 幅：c[km] できる総回数： bit 数 ：d[bit] n[回] ・農業用有効領域の画像サイズ ： (600×1000/a)2/10×d/8 [bytes] （圧縮済み農業用有効領域の画像サイズ ： (45/(a2))×108×d×e [bytes]） ・1回の転送で送ることができる画像データ量は60b[bytes]より、 農業用有効領域をダウンリンクするために必要な通信回数 ：(75/(a2×b))×106×d×e [回] 一枚の農業用有効領域の画像データを取得日数 ： (75/(a2×b))×106×d×e/n [日] （ ５つの地上局すべてを使って通信を行うとする） 必要データ量と配信頻度（その４） 農業用有効領域のダウンロード必要日数 画像のビット数d=8、圧縮率e=1/4、 衛星が1日に地上局と交信できる 総回数 n=10[回] Days for dow nlink an image as a function of image data size 2 b=100k[bps] b=200k[bps] b=500k[bps] b=800k[bps] b=1M[bps] days for downlink an image [days] 1.8 1.6 Days for dow nlink an image as a function 1.4 of image data size 16 days for downlink an image [days] 14 12 10 1.2 b=100k[bps] b=200k[bps] b=500k[bps] b=800k[bps] b=1M[bps] 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 image data size [Mbytes] 6 4 2 0 0 100 200 300 400 image data size [Mbytes] 500 600 700 圧縮済み農業用 有効領域の画像 データサイズと取 得日数の関係 転送速度とダウンロードの方法 （その１） 北海道衛星の決定仕様 z z z 撮影可能頻度：1日１回 地上局 ： ５箇所 (札幌，沖縄，中国，ポリネシア，ハワイ) 転送可能時間 ：地上局１箇所につき8分間 農業現場からの要求仕様 z z z z 分解能：10[m] 観測幅：60[km]×60[km] 画像のbit数：8[bit] データの取得間隔：通常は2週間に一度、災害発生時は随時 転送速度とダウンロードの方法（その２） １回で１枚の画像をダウンロード 1波長分（NDVI）のデータを転送 農業現場からの要望仕様より ・1回で撮影する画像サイズ：(60×1000/10)2×8/8 = 36M [bytes] ・１波長分の画像データを、転送速度100k[bps]、1回で転送 ：36×8/0.1 = 2880 [s]（＝48 [min]） 1回の転送可能時間内(8 [min])でこれらの画像データをダウンリンクする ために必要な圧縮率 17% 以上（8/48 = 16.6…） 転送速度=100k[bps]の場合の要求圧縮率 転送データ NDVIのみ ＩＲ、Ｒ ＩＲ、Ｒ、Ｇ 要求圧縮率 17 % < 9%< 6%< 圧縮率=1/4の場合の要求転送速度 転送データ 要求転送速度 [bps] NDVIのみ 150 k < ＩＲ、Ｒ 300 k < ＩＲ、Ｒ、Ｇ 450 k < 転送速度とダウンロードの方法（その３） 農業用有効領域のダウンロード必要日数 衛星が1日に地上局と交信できる総回数n=10[回]、 転送速度=100k[bps]の場合、圧縮率の違いによる 1枚の画像を取得するのにかかる日数（単位は[日]） 農業用有効領域の画像 サイズ : 360 M [bytes] 圧 縮 率 転送ﾃﾞｰﾀ 非圧縮 1/2 1/4 NDVIのみ 6 3 1.5 ＩＲ、Ｒ 12 6 3 ＩＲ、Ｒ、Ｇ 18 9 4.5 衛星が1日に地上局と交信できる総回 数n=10[回]、圧縮率=1/4の場合、転送 速度の違いによって1枚の画像を取得 するのにかかる日数（単位は[日]） 転 送 速 度 転送ﾃﾞｰﾀ 100k[bps] 500k[bps] 1M[bps] NDVIのみ 1.5 0.3 0.15 3 0.6 0.3 4.5 0.9 0.45 ＩＲ、Ｒ ＩＲ、Ｒ、Ｇ 北海道衛星に求められるビジネスモデル 柔軟な撮影ﾘｸｴｽﾄ対応 精度向上 CubeSat 低コスト OBC,RW,EP の軌道実証 北海道衛 JA 農業試験場 超小型衛星 マイクロサット 消費者 地上局 (北海道) 美味 可視 低価格 近赤外 農家 農地改善、収量増、 収穫物の高品質化 北海道衛星へのミッション要求仕様 決定仕様 z z z 撮影可能頻度：1日1回 地上局：5箇所（札幌、沖縄、中国、ポリネシア、ハワイ） 転送可能時間：地上局1箇所につき8分間 要求仕様 z z z z z z z 必要データ：ＮＤＶＩは必須、他オプションでＲ、ＩＲ、Ｇ（ただし、 すべて不可逆圧縮データ） 地上分解能： 10 [m] 観測幅： 60 [km]× 60 [km] 画像bit数： ８ [bit] 圧縮率： 27%以上 データ転送速度： 938k[bps]以上 データの取得間隔：通常は２週間に1度、災害発生時は随時