芸術衛星 INVADER

サブシステム

INVADERの設計は以下の5つの系に分かれて設計を行います。

CDH系 / 電源系 / 構造系 / 熱系 / 通信系 / ミッション系

C&DH系の役割
C&DHは「Command and Data Handling」の略で、衛星内部の健康状態を表すデータ(ハウスキーピング・データ)を管理し、地上からの命令を処理し、他のサブシステムに指示を出すシステムです。人間でいえば、神経や脳の中枢に相当する部分にあたり、INVADERでは、具体的に以下の機能を受け持ちます。
衛星へのアップリンクコマンドの処理:
テレメトリ送信命令などの地上からのコマンドは、同じメインOBC上の通信ソフトウェアによってデコードされて、C&DH系のソフトウェアに渡されます。このコマンドに従って、他のOBCに指令を出したり、通信系のソフトウェアに送信内容を渡します。
衛星内部でのセンサーデータの収集:

衛星内部の各ラインの電圧、電流値を取得し、磁気センサやジャイロなどのセンサデータを取り込み、EEPROMに保存しています。保存したデータは、テレメトリー(telemetry)と呼ばれ、衛星の健康状態を知るために無くてはならないデータとなります。また、このデータをミッション系OBCに引き渡し、衛星内部で制作される芸術作品の「素材」としたり、その一部はAPI配信データとして地上局に送られます。

地上に送信(ダウンリンク)するデータの保管:
収集したセンサデータや、ミッションOBCが作成したデータを回収し、地上からの送信命令に備えて保管しておくのもC&DH系の仕事です。
相互監視:
主に電源系を管理するパワーOBCと、C&DH系が管理するメインOBCは、互いの電源ラインの電流を監視しています。宇宙では、放射線によってマイコンがショートしてしまうことがあります。それが起こった際に過大な電流が電源ラインに流れるのですが、それを検知して電源を切り、OBCの致命的な故障を防ぎます。また、放射線の影響でメインOBCのソフトウェアが停止した場合、パワーOBCがそれを検知することで、メインOBCにリセットをかけます。
メンバー :
宇佐美尚人(リーダー) / 木村元紀 / 三好賢聖 / 西山万里 / 黒岩英則 / 土屋祐一郎
電源系の役割
電源系は,衛星全体の電源管理を行う系で,衛星の生命に関わる重要な役割を担っています。具体的には次のような機能を持っています。
・太陽電池で必要な電力を発電する
・二次電池に電力を蓄える
・適切な電圧に変換し,全搭載機器へ電力を分配する
・搭載機器の電源状態を監視し,適切に操作する
 
< 電源系コンポーネント>
太陽電池:
衛星壁面に合計16枚のGaAs太陽電池セルを設置し,必要な電力を発生させます。INVADERは,デザインにもこだわった構造となっているので,2種類のサイズの異なる太陽電池を配置します。
二次電池:

衛星壁面に合計16枚のGaAs太陽電池セルを設置し、必要な電力を発生させます。INVADERは、デザイン的にも配慮された構造となっているため、2種類のサイズの異なる太陽電池を配置します。

レギュレータ:
INVADERの搭載機器はほとんどが5V電圧で駆動します,そのため,電源系のレギュレータ回路では,太陽電池によって発生された電力を,5Vに昇圧,安定化して搭載機器に分配します.
電流・電圧測定回路:

INVADERでは,衛星電子回路の各所に電流・電圧測定回路を設置し,電源状態を監視しています.もし電流・電圧の状態に異常が見られた場合は,電源を落とすといった対応を行います.

メンバー :
佐々木要(リーダー) / 石川晴基 / 宮谷聡 / 荒木青伊良 / 柳本史教 /関口慶人
構造系
構造系の役割とはその名の通り、衛星本体の外部・内部構造を扱う系です。他の系に比べれば比較的扱っている内容はイメージしやすいかと思いますが、扱う内容は多岐に渡ります。ここでは私たち構造系がINVADER衛星開発に於いて手掛けた部分の概要を説明していきます。
衛星に与えられた制約条件を満たすように設計を詰めていくのも重要ですが、「実際に衛星という形にする」課程で、いろいろな方と衛星のイメージを共有し議論・ブラッシュアップするという、他の系に無い独特の難しさがあるように感じます。
 
< 担当工程と役割>
●衛星構体の構想から発注まで
これは構造系の作業の中では、最もイメージとして浮かびやすい処ではないでしょうか。多摩美術大学、プロダクトデザイナー、発注先企業、JAXAの方々と相談しつつ、搭載したいコンポーネント(内部機器)、衛星の機能を決定していきます。最終的にはH-ⅡAロケットに搭載するため、JAXA側で定められた衛星用放出機構(J-POD)の条件も満たす必要があります。
手書きのデッサンによる議論や、CAD(コンピュータによるモデルの描画)でのイメージが定まった後、内部配線確認用のアクリルモデル・通信試験用のアルミモデル・振動試験用のアルミモデルなどそれぞれの用途に応じたモデルを、企業や美大側の協力を得て制作します。

●衛星内部の基板配置
衛星の外部形状を定める一方で、内部の構造も詰めていかなければなりません。衛星を稼働させるために必要な電源やCPU、体調を管理するためのセンサ、データを取得するためのセンサ、地球へデータを送るための通信機器…衛星に積むべきものは数多く、かつ十分な電力を確保しそれらを通電させる電源系の視点、許容温度範囲内で稼働させる熱系の視点、データを送る環境を整えるという通信系の視点など、複数の系との密接なやり取りを行う必要があります。

●衛星内部の配線

内部機器、基板の配置が定まった後、配線を引くことで各機器同士を電気的に接続します。出来るだけ少ない本数で、出来るだけシンプルに各機器を接続しつつ、衛星が要求されているミッションを達成するように環境を整えます。

 
< コンポーネント>
構造系の開発すべきコンポーネントとしては、以下の項目が挙げられます。
●構体表面の切欠・アンテナ展開機構
これがINVADER衛星が従来のCubeSat衛星と大きく異なる点です。通常のCubeSat衛星は構体表面にアンテナを収納し軌道上で展開しますが、INVADER衛星は3大コンセプトの一つ、「美しい衛星」を実現するために衛星構体の中心部に切欠を設けた、対称的な構造になっています。
切欠部によって2つに分割された直方体は中心部の円筒によって結合され、その円筒にアンテナ・アンテナ展開機構を取り付けます。衛星寸法が10cm立方という非常にシビアな条件の下で、内部の基板や太陽パネルのサイズを勘案して形状を決定します。
●温度計
温度変化に敏感で、かつ温度変化の激しい宇宙環境で活動する小型衛星には温度計が欠かせません。内部機器や太陽パネルが許容されている温度を越えて誤作動・破壊を起こさないように、常に衛星側で制御を掛ける必要がります。
●J-PODによる放出機構
INVADER衛星はJAXA側が用意する公募衛星用の放出機構(J-POD)から軌道上に放出されます。そのために衛星の壁面には4本のレールが取り付けられ、それらを避けて太陽パネルや機器の配置を考える必要が出てきます。
約1kgの衛星がこのレールで70kgもの荷重を受けることになります。衛星表面に用いる金属(アルミ)は通常2~3mmの厚さにします。さらに、打ち上げ時のロケット側の振動も考慮する必要があります。
●インテリジェント・カメラ
INVADERの主要機能の1つ、カメラ機能はミッション系にも関わってくるコンポーネントになります。それほど大きな処理能力のあるCPUを搭載しているわけでもなく、データのやり取りが可能な地上局の上を通る運用時間も限られているので、10cm立方の衛星にカメラでいいものを…と考えていくと自然と選択肢は絞られてきます。そこでINVADER衛星では、解像度は低くとも、自由度の高い自作のカメラ(インテリジェント・カメラ)を搭載することにしました。その詳細はミッション系のページを参照してください。
メンバー :
外崎真太郎 / 細田誠也 / 難波和也 / 尾崎直哉 / 小坪祐介 / 都甲直之 / 尾崎太一 / 沢田恭平 / 荒浪祐太
熱系
衛星搭載部品には全て、動作可能あるいは保存可能な温度範囲があります。その温度範囲内に衛星内部の温度を保つように設計するのが熱系チームの仕事です。動作可能な温度範囲をオペレーショナル・リミット(Operational Limit)、保存可能な温度範囲をサバイバル・リミット(Survival Limit)と呼びます。オペレーショナル・リミット以内に衛星の温度を保つことが望ましいのですが、少なくともサバイバル・リミットの衛星を保たないと、衛星の部品が二度と稼動しなくなってします。熱系はまさに衛星の生死に関わる役目を果たしています。
人工衛星が宇宙に出てしまうと地球上では起こらないような厳しい温度環境が衛星を襲います。まず宇宙には大気がありません。つまり、宇宙で扇風機は使えません。そして、それと同時に大気のバリアーも宇宙には存在しません。普段の生活で黒い服を着ると暑く感じたり、白い服を着ると涼しく感じたりするかと思います。大気のバリアーが無いと、そのことが地上の何倍もの影響を与えます。衛星に何色の服を着せるのか。それが衛星の温度を決める際の基本になります。
熱設計とは:
衛星に何色の服を着せると、衛星がどんな温度になるのか?そして、衛星のコンポーネントはその温度範囲でも大丈夫なのかを検討するの熱設計です。
先ほども言いましたが、宇宙は大気がありません。つまり、風が熱を運んだり、衛星を冷したりすることはありません。宇宙空間で熱を運んでくる物は、一般的に次の4つです。
1つは太陽の輻射熱、2つ目は地球からの太陽の光の照り返し、3つ目は地球が持っている赤外線熱源です。
そして、最後に宇宙空間に逃げる熱が存在します。これらのバランスを考えて、宇宙空間で衛星が最大何℃になるのか、あるいは最低何℃ になるのかを予測するのが熱設計です。
まず、衛星の軌道を考慮し、一日当たり太陽からどのくらいの熱を受けるのかを計算します。熱設計には、熱の知識だけでなく、衛星のダイナミクスに関する知識も必要となります。

熱設計の最終目標は所定の温度範囲で機器が動作することを保証することです。そのため、様々な熱試験(熱平行試験・熱真空試験)を行い、実際に機器が動作する事を保証するのも重要な熱系の仕事となります。

メンバー :
尾崎直哉 / 細田誠也 / 沢田恭平 / 尾崎太一
通信系の役割
通信系は、地上から衛星に指令を送ったり、衛星から地上に向けてデータを送るといった、衛星と地上との通信を達成するために、回路の開発や、通信手順のプログラミングを行なっています。どんなに衛星自身がうまく動いたとしても、この通信が働かないと、人工衛星はただの「宇宙ゴミ」となってしまうので、衛星の中でも重要な役割を担っています。通信機器はアナログ機器の中でもかなり繊細だと言われていますが、だからこそうまく動作した際の感動には忘れ難いものがあります。また、アマチュア帯域を用いた無線通信を用いるため、アマチュア無線家の方々との交流もあり、他の系とまた違った特徴を持っています。
 
< 担当工程と役割>
通信系では主に、プロトコルなどのソフトウェアの開発、基板などのハードウェアの開発、回線計算、動作試験の3つの項目を行なっています。
〈担当工程と役割〉
通信系では主に、
・プロトコルなどのソフトウェアの開発
・基板などのハードウェアの開発
・回線計算、動作試験
の3つの項目を担当しています。
通信プロトコルの実装:
通信には「プロトコル」という、いわば通信上のきまりごとがあります。「どこからがデータなのか」「どのような方式の通信なのか」といったことが決まっていないと、通信された二進数のデータは意味がありません。このため、通信の形式を規格として定め、誰にでも利用できるようにしたものをプロトコルといいます。そうすることで、さまざまな人にINVADER衛星からのデータを取得し、利用してもらえるようになります。しかしながら、人工衛星と通信できる時間は一日にほんの20~30分ほど。私たちが普段使っているインターネットとは比較もできないほど少ないデータしか送れません。そのため、できるだけ誤りが少なくなるようなプロトコルを採用して実装しています。
基板の作成:
プログラムだけ正常に動作しても、マイコンと送受信機の間の回路がきちんと設計されていないと、通信を成立させることができません。さまざまな信号を正確に伝えたり、変調させたり、あるいは電源や信号のスイッチングを行ったり、という役割をハードウェアとして実現させるのが基板作成の役割です。基板の動作の確認はテスターやオシロスコープなどの機器を使ってひとつひとつチェックしていきます。
回線計算:

衛星から地球まで通信する際には、たくさんの「障害物」があり、すんなりと通信することはできません。ここで「障害物」というのは、それは空気であったり、雨粒であったり、はたまた通信の電波の性質自身であったりと、地上でいう障害物とは少し違っています。それらを理論的、経験的に予測し、「電波がどれだけ弱くなってしまうか」ということを計算して、「本当に通信が成り立つのか?」ということを検討します。計算に入れる有意な「障害物」としては下記のようなものがあります。

・送受信の際の給電損失:送受信機への電力供給の際に生じる損失
・送信・受信アンテナ利得:アンテナがどれだけうまく電波をとってくれるか
・アンテナポインティング損失:アンテナを向ける向きが正規の方向とずれることによる損失
・自由空間損失:広がってしまって採ることができない電波により生じる損失
・偏波損失:受信と送信での電磁波の、電界の振動する方向の違いによる損失
・大気吸収損失:大気によって電波が散乱することによる損失
・熱雑音:回路内の熱によって生じる雑音
これらすべてを考慮した設計が通信系には求められています。
通信試験:
通信系の最大の特徴はこの通信試験の多さに尽きると思います。アンテナの長さを最も効率が高い長さに調整したり、アンテナからの電気信号を受け取るための整合回路を決めたり、といったことはすべて試験によって決めます。通信系では送受信機の動作や性能を確かめるために本当に多くの試験項目があります。すべての実験を自前の施設で行えるわけではありませんので、様々な方々に協力をいただいています。この場を借りてお礼申し上げます。
CW送信とAFSK送信:
衛星から地上にデータを送信するときの方法として、CW送信とAFSK送信という2つの送信方法を採用して使い分けています。どうしてわざわざ2つの方法を採用しているのでしょうか?
CW送信というのは、いわゆるモールス信号を使った送信方法です。よく「トン」と「ツー」で表現される信号です。「・・・ーーー・・・」というSOS信号が有名なので、ご存知の方も多いのではないでしょうか。「トン」を0に、「ツー」を1に対応させて、データを伝送します。タイミングに合わせて、送信機のスイッチをオン・オフしているようなイメージです。送信方法がシンプルで、消費電力が小さいという利点がある反面、あまり高速でデータを送れないという欠点があります。
AFSK送信というのは、デジタル版のFM変調とも言えるものです。右の図の上の波形のような元々のデジタルなデータを下の波形のように周波数を変化させたアナログの信号に変調してから送信する方式で、この部分の変換を行う素子をモデムと言います。こちらはCW送信とは逆に、動作や手順が複雑で消費電力も大きいのですが、その分高速で通信することができます。
以上のように、AFSK送信の方が通信速度の点で優れているので、通常の通信ではAFSK送信を使うことになります。しかし、何らかの不具合で電力が足りなくなった時にはCWで送信しますし、またAFSK送信している時以外は、CW送信は常に流したままですので衛星が近づいてきたかどうか、衛星が生きているかどうかを確認する手段としても用いられます。いわば、CW送信の信号とは衛星の心臓音のようなものなのです。
なお、地上から衛星に向けて送信するときはAFSK送信のみを用います。
アンテナ:

実際にデータを送信したり受信したり必要なのがアンテナです。下図の赤丸の部分がそれです。サイコロのような形のINVADERから突起のように出ており、地上局との通信を行います。下図の通り、ダイポールアンテナという短いアンテナが二本と、モノポールアンテナという長いアンテナが一本で構成されています。具体的にはダウンリンク用(衛星→地球)に453MHz半波長ダイポール、アップリンク用(地球→衛星)に145MHz 1/4波長モノポールアンテナを使用しております。十字架のようにクロスさせており、ARTSATの理念の「美しい衛星」というテーマに沿ったものとなっております。また、アンテナは弾力を持った金属で作られていて、打ち上げ時に収納される際は、図の溝の部分に巻きつけておいて邪魔にならないようにします。

メンバー :
新井健史 / 岡田空馬 / 菊地翔太 / 江川悟 / 山本直人 / 内山瑛美子
ミッション系
Mission系では、その名の通りINVADOR衛星独自のミッションを実現するために搭載された、第三のOBCであり、オープンソースハードウェアのArduino互換の、ミッションOBCに関連するハードウェアおよびソフトウェアの開発を行います。主な開発要素は以下のとおりです。
リプログラム可能な衛星実現のためのソフトウェア開発:
INVADOR衛星のミッションの一つに衛星データを用いた芸術作品の表現があります。さまざまな人に作品を制作できるようにするために、軌道上で衛星のプログラムを書き換える(リプログラミングする)機能を開発します。
・作品提供者向けのライブラリ、および開発ボードの設計開発
作品制作者が衛星のハードウェアを意識することなく簡単にプログラミングできるように、ミッションOBC用のINVADERライブラリを開発します。また、地上での開発を容易にするため衛星の動作を模擬する、開発ボードも設計します。
インテリジェント・カメラの開発:
作品制作に活用できる自由度の高いカメラを設計開発します。このカメラは一般的な面を撮影する機能の他に、線を切り取るカメラ(ラインカメラ)としても動作することができ、その動作をミッションOBCでコントロールできるインテリジェント・カメラです。


メンバー:

小渕 / 浜島 / 尾崎(おざき) / 田中 / 村上 / 友井 / 新谷
 
【サクセスクライテリア】
芸術衛星 INVADER のサクセスクライテリアは以下のように設定しています。
ミニマムサクセス
●衛星のCWビーコンによる通信
●衛星のAFSK通信を通したセンサーデータの取得、
○衛星からのセンサーデータのAPIを介した配信実験
○衛星の受信生データ(サウンドファイル)の配信実験
○APIから取得したセンサーデータを用いた作品制作
●芸術衛星を継続的な取り組みとするための設計資産の管理
○アート&デザイン関連コミュニティーとの連携
 
フルサクセス
●ミッションOBCを活用した衛星のインタラクティブな運用
●軌道上でのミッションOBCのプログラムの書き換え
●ミッションOBC用プログラムの地上局からのアップロード
●インテリジェントカメラによる撮影とデータのダウンロード
●デジトーカーを用いた合成音声によるテレメトリ配信
○デオービッドするまでの継続的な衛星運用およびデータ配信
○衛星の運用期間中の展覧会やパフォーマンスイベントの開催
 
エクストラサクセス
●衛星運用の国際協力(国際的な地上局ネットワーク)
●APIのオープン化(他衛星データの同一サーバーからのデータ配信)
○衛星芸術作品の海外展示と内外フェスティバル等での受賞
○芸術衛星2号機の開発開始と衛星芸術プロジェクトの継続的な展開
※上記のうち「●」がついているものが機体関連の項目で、「○」がついているものが、次に述べる地上局およびデータ利用(作品制作)系関連の項目です。