多機能展開膜実証3Uキューブサット「OrigamiSat-1」

多機能展開膜実証

3Uキューブサット

OrigamiSat-1

革新的衛星技術実証ワークショップ2020 ／ 2020年11月6日 第三部 運用成果報告 ─ 超小型衛星・キューブサット ─

中西洋喜・坂本啓

東京工業大学

OrigamiSat-1開発チーム

坂本啓1, 中西洋喜1，古谷寛1，池谷亘介1，飯島亮1，井手亮我1，

大野奎悟1，大本圭祐1，岩崎陽平1，古谷航志1，奥山茂亮1，

加藤雅己1，黒崎まどか1，小出紗瑛1，中塚祐貴1，林輝明1，

柏山礼興1，中村惇哉1，仁尾航1，恒光翼1，山崎泰1，

Britta Hohmann1，太田裕介1，多賀啓介1，上田直樹1，安部拓洋1，

小沢尭也1，高木隆平1，寺田百合1，西澤匡士1，早崎一彬1，

後藤宏太1，小川睦大1，間中一輝1，稲垣章弥1，天本十和1，

仲鉢貴臣1，田村匠1，岡田秀明1，佐藤亮1，中野太輔1，中倉拓哉1，

横松卓1，八島京平1，横山正太朗1，泉山将大1，戸村崇1，小田光茂1，

鳥阪綾子2，渡邊秋人3，川端信義3，堀利行3，伊藤裕明3，倉冨剛4，

下田優弥4，日高菜奈4，坂本信臣4，内藤祐貴4，渡辺和樹4，山崎政彦5

1 東京工業大学

2 首都大学東京

3 サカセ・アドテック株式会社

4 株式会社ウェルリサーチ

5 日本大学

OrigamiSat-1 開発チーム（60名）

多機能展開膜実証

3Uキューブサット

OrigamiSat-1

革新的衛星技術実証ワークショップ2020 ／ 2020年11月6日 第三部 運用成果報告 ─ 超小型衛星・キューブサット ─

今日の内容：

1. 開発した

衛星システム

2. 打ち上げ後の経緯

（運用成果）

3Uキューブサット OrigamiSat-1（FO-98）

多機能展開膜

X: 100 × Y: 100 × Z: 340.5 mm

4.1 kg

伸展カメラ部： 伸展マスト ＋先端カメラ 薄膜デバイス （薄膜太陽電池etc） 衛星バス 膜展開部 4 放出検知 ピン UHF/VHF 展 開アンテナ 自己展開型軽量ブーム

➢ 多機能展開膜の展開

➢ カメラ（ステレオ，動画）を用いた展開構造の軌道上計測

➢ アマチュア無線技術の習得

主ミッション

5

マスト伸展状態での地上展開実験

6

マスト伸展状態での地上展開実験

7

[Mission 1]

多機能展開膜の展開

EM膜

CFRPブーム用 ハブ 膜用ハブ 180 度展開 厚さ82μm PET織物（天女の羽衣） 厚さ75μm ポリイミドフィルム（ダミーデバイス） ⇒ 一部、本物のCIGS太陽電池を搭載する 100mm 反転した図 1m

[Mission 1]

多機能展開膜の展開

FM膜

CFRPブーム用 ハブ 膜用ハブ 180 度展開 厚さ82μm PET織物（天女の羽衣） 厚さ50μm スペリオUTフィルム（ダミーデバイス） （発電量への影響減少を目指し透明膜を使用） 一部本物のデバイスを貼付 全面に再帰性反射マーカーを貼付 100mm 反転した図

[Mission 1]

多機能展開膜の展開

円断面CFRPブーム

（内部に市販コンベックスを 2重に挿入） CFRPブーム用 ハブ 膜用ハブ 180 度展開 厚さ82μm PET織物（天女の羽衣） 厚さ50μm スペリオUTフィルム（ダミーデバイス） （発電量への影響減少を目指し透明膜を使用） 一部本物のデバイスを貼付 全面に再帰性反射マーカーを貼付 100mm 反転した図

10

FM膜の地上展開実験

(2018年6月東工大 古谷研)

CIGS薄膜太陽電池 （厚さ50μm） 形状記憶合金製 アンテナ 球状太陽電池 Φ1.2mm

11

[Mission 2]

カメラを用いた展開構造の軌道上計測

静止画

✓ 「展開挙動」「展張形状」の計測 軌道上計測システム 白色LED：光源（膜面を照射）

12

ステレオ視による面外形状推定

✓ 100mmの変形を検出可能 チェッカーボードによる 精度評価結果（距離1m） 2592×1944 325KB

伸展カメラ部保持解放機構とマスト伸展機構

展開動画の取得

✓ 320x240, 80fpsの動画を取得

15

[Mission 3]

アマチュア無線技術の習得

(1)VHF/UHF帯の活用：コマンド・テレメトリ ✓ 大学衛星（CubeSat）開発黎明期からのアマチュア無線 コミュニティとの連携の維持・発展を目指す． (2) 5.8GHz帯の活用：ミッションデータダウンリンク ✓ 福岡工大FITSAT-1（にわか衛星）（2012年ISS放出）が 開拓した周波数帯での衛星通信技術を習得．

背景

：薄膜平面デバイス構造の大型化

0 5 10 ₂₀

発生電力 [kW]

発生電力質量比

[W/kg]

参考： (島崎, 2013), (Beauchamp, 2015)

例）薄膜太陽電池アレイ

50 100 150 200 250

10

3 0

10

6 Destiny+, ～100W/kg ALOS ATK Ultraflex Megaflex 太陽発電衛星(SSPS) © ESA © JAXA 2次元展開 1次元展開

多機能膜展開技術

+

軌道上組立て技術

AFRLの ROSA 16

背景

：薄膜平面デバイス構造の大型化

17 IKAROS （JAXA ソーラー電力セール実験機） 太陽電池が貼り付けられた膜を回転遠心力で展開

200m

2

_{= 15kg}

軌道上組立を視野に入れる場合，回転せずに張力を得たい ©JAXA ©JAXA

18

多機能展開膜 IKAROS (2010) からの課題

© JAXA

(P1) 3軸安定衛星に搭載できる構造様式

✓ シンプルな機構

(P2) 収納性向上のために貼付デバイスの

厚さを考慮した収納法

(P3) 多様な薄型デバイスの貼付

(P4) 展開確実性

(P5) 展開挙動の予測

(P6) 展張形状の予測

(P7) 高頻度での宇宙実証

19

OrigamiSat-1が提示する膜宇宙構造の課題解決法

© JAXA

(P1) 3軸安定衛星に搭載できる構造様式

✓ シンプルな機構

(P2) 収納性向上のために貼付デバイスの

厚さを考慮した設計

(P3) 多様な薄型デバイスの貼付

(P4) 展開確実性

(P5) 展開挙動の予測

(P6) 展張形状の予測

(P7) 高頻度での宇宙実証

「CFRP，金属コンベックスのハイ ブリッドブーム」による展張・展開 を提案 「織物膜」の使用によるデバイス厚 さの影響の吸収を提案 粘着成分が膜上に残らない 膜・ブームの接合とデバイ ス搭載法 ・機械的な接続 （ビス止め，縫い付け） ・ホットメルトの使用 CIGS太陽電池，球状太陽 電池，SMAアンテナ， ダミーデバイスを密に貼付 「実験プラットフォーム」 による動画・三次元計測を 行い，解析結果と比較 5つの特徴を有する「実験プラットフォーム」を開発 1. 自撮り棒 2. 動画撮影 3. 三次元計測 4. 市販品の活用 5. 高速度ダウンリンク

「3軸安定衛星」に適用可能な「多機能展開膜」の宇宙実証（世界初）

機器構成（１／２）：既製品の利用

20 OBC GomSpace NanoMind BAT Clyde Space 3G Battery NTX (FMCW) 430MHz, NRX (FM) 145MHz 西無線研究所 301A型 5R8G TX 5.84GHz ロジカル・プロダクト LPTX5840-1 (福岡工大FITSAT-1と同品) EPS Clyde Space 3rd Generation EPS

機器構成（２／２）：開発基板類

21

CI基板 (Communication & Inhibit control Board) FM通信のモデム，電源のインヒビット

COBC（通信用PIC）×２ 搭載 OBCの監視，システムリセット

MDC

(Membrane Devices Controller) 膜上ミッション

ECPB(Extensive Camera Power Board) +Raspbery Pi 伸展カメラ部の電源制御

宇宙へ！！（2019.1.18）

22 ここから 飛び出る

JAXA 革新的衛星技術実証1号 (イプシロンロケット4号機)

東工大局での初CW取得の瞬間 © JAXA

OrigamiSat-1 ミッションシークエンス

高度500km 高度400km 放出 膜展開 膜切り離し 時間 [month] 0 2 3 4 データダウンリンク 1 5 6~ • カメラ/LED 起動 • マスト伸展 • ステレオカメラ動作 チェック • 動画カメラ動作 チェック • 画像ダウンリンク ＜膜展開＞ • カメラ/LED 起動 • 膜展開 ＜展開後＞ • 画像ダウンリンク （UHF） • 膜上デバイスデータ 取得・ダウンリンク （UHF） 23 初期運用 マスト 伸展 • UHF（CW/FM）ダウ ンリンク，アップリ ンクの通信確認 • バス機能の確認 • 機体状態の確認 • 軌道推定 • 5.8GHz通信確認 （模擬画像ダウン リンク） • 伸展カメラ部起動 チェック • 側面カメラ動作 チェック _{• データダウンリンク} （5.8GHz） 2019年1月18日（金） 6日半経過後、信号途絶

OrigamiSat-1打ち上げ～運用の経緯（１／２）

24 ✓ 衛星分離後，2019年1月18日11:22に日本のアマチュア無線家がCW （Contiguous Wave）を受信し，VHF/UHF展開アンテナのテグス溶断 による展開及びCWによるHKデータ発信を確認． ✓ 1月19日，21日に2度の約1日間の停波を経験． ✓ 1月24日，430MHzでのダウンリンクが停止する不具合が衛星に発生 （以降，11月現在まで復旧していない）． ✓ 原因究明のための地上検証で，電源モード切替のプログラムにバグが見 つかり，約1日の停波が起こる可能性があることがわかった．しかし， この不具合は1日1回（あるいはコマンドアップリンクによる）リセッ トで復旧するはずであり，1日以上の停波の原因は特定できていない． 1/18 1/19 1/20 1/21 1/22 1/23 1/24 停波 停波 停波

OrigamiSat-1打ち上げ～運用の経緯（２／２）

✓ 2019年5月7日～6月1日に東工大局，および北米のアマチュア無線局に より5.8GHzダウンリンク実験を試みるが，受信は確認できなかった． ✓ 膜展開で軌道高度が下がれば、コマンドが通っている証明となるため， 東工大から膜展開コマンドを送信した． ✓ 2019年6月3日～7月24日，膜展開コマンドを送信したが、TLE（＝米 国 連合宇宙運用センター(CSpOC)が監視し公開している軌道情報）の 変化は見られない（＝膜は展開していない）． 北米バーモント州 N1JEZの5.8GHz受信設備 東工大 JQ1YCZ局 5.8GHz受信設備 ©N1JEZ

軌道上データ：

温度

⚫ 全ての機器の温度が約5~30℃の範囲に収まっている． 0 5 10 15 20 25 30 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 Tem pe ra tur e [℃ ]

Time [h]

温度の推移（1/21~1/22頃 約12時間） EPS OBC1 OBC2 OBC(GPU) 5.8G Amp 5.8G Heat Sink

TX RX

Battery CIB

軌道上データ：

機体角速度

27 ⚫ HK データより約3~4[deg/s]程度でタンブリングしている状態 ⚫ スピンレートは1/21頃と1/24頃で変化は見られない -6 -4 -2 0 2 4 6 0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 1:10 An gu lar ve locity [d eg /s] Time [h] 機体角速度(1/23~1/24頃 約70分間) X axis Y axis Z axis -6 -4 -2 0 2 4 6 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 An gu lar ve locity [d eg /s] Time [h] 機体角速度 (1/20~1/21頃 約12時間) X axis Y axis Z axis

N S x y z PC permalloy Nd magnet

軌道上データ：

バッテリ電圧の変化 (長期)

⚫ CW通信、可視時刻毎の電圧データ ⚫ 8.0~8.25 [V] で推移 7.95 8 8.05 8.1 8.15 8.2 8.25 8.3 2019/1/18 2019/1/19 2019/1/20 2019/1/21 2019/1/22 2019/1/23 2019/1/24 2019/1/25 2019/1/26 Ba tte ry v olta ge [V ] Date バッテリ電圧(1/18~1/24) 28 停波 停波 停波

軌道上データ：

バッテリ電圧の変化 (長期)

⚫ CW通信、可視時刻毎の電圧データ ⚫ 8.0~8.25 [V] で推移 29 7.958 8.058.1 8.158.2 8.258.3 8.35 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 Ba tte ry v olta ge [V ] Time バッテリ電圧 (1/18) 電圧 日照開始 日照終了 7.958 8.058.1 8.158.2 8.258.3 8.35 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 Ba tte ry v olta ge [V ] Time バッテリ電圧 (1/20) 7.958 8.058.1 8.158.2 8.258.3 8.35 18:00 20:00 22:00 0:00 Ba tte ry v olta ge [V ] Time バッテリ電圧(1/21) 停波

軌道上データ：

バッテリ電圧の変化 (長期)

⚫ CW通信、可視時刻毎の電圧データ ⚫ 8.0~8.25 [V] で推移 30 7.958 8.058.1 8.158.2 8.258.3 8.35 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 Ba tte ry v olta ge [V ] Time バッテリ電圧 (1/24) 7.958 8.058.1 8.158.2 8.258.3 8.35 18:00 20:00 22:00 0:00 Ba tte ry v olta ge [V ] Time バッテリ電圧(1/23) 電圧 日照開始 日照終了 停波 FMダウンリンク中 に通信途絶

衛星電力モード切替の概念図 (

RX COBC

が切替）

31 Battery voltage

6.144V

_{EPSがシャットダウン。} COBCのみが動作し続ける。

7.0V

7.0Vを超えると電源供給を再開

8.0V

Nominal Mode

7.5V

RX_COBCがOBCとミッション機器を電源OFF RX_COBCからTX_COBCへ、 VHF/UHF無線機電源ON のためのSub_power_ON

7.8V

RX_COBCがOBCとミッション機器を電源ON RX_COBCからTX_COBCへ、Sub_power_OFF Survival Mode

7.2V

RX_COBCからTX_COBC へ、Sub_power_OFF （ VHF/UHF無線機OFF） Saving Mode

7.5V

RX_COBCからTX_COBCへ、VHF/UHF無線機ONのためのSub_power_ON

（OBCとミッション機器電源はOFFのまま） Saving Mode Survival Mode ミッション開始を許可 ミッション実施での 電圧降下

32 Battery voltage

6.144V

_{EPSがシャットダウン。} COBCのみが動作し続ける。

7.0V

7.0Vを超えると電源供給を再開

8.0V

Nominal Mode

7.5V

RX_COBCがOBCとミッション機器を電源OFF RX_COBCからTX_COBCへ、 VHF/UHF無線機電源ON のためのSub_power_ON

7.8V

RX_COBCがOBCとミッション機器を電源ON RX_COBCからTX_COBCへ、Sub_power_OFF Survival Mode

7.2V

RX_COBCからTX_COBC へ、Sub_power_OFF （ VHF/UHF無線機OFF） Saving Mode

7.5V

RX_COBCからTX_COBCへ、VHF/UHF無線機ONのためのSub_power_ON

（OBCとミッション機器電源はOFFのまま） Saving Mode Survival Mode ミッション開始を許可 ミッション実施での 電圧降下 通信機がOFF してしまう

打ち上げ後の地上実験により発見した不具合（その１）

打ち上げ後の地上実験により発見した不具合（その１）

33 Battery voltage

6.144V

_{EPSがシャットダウン。} COBCのみが動作し続ける。

7.0V

7.0Vを超えると電源供給を再開

8.0V

Nominal Mode

7.5V

RX_COBCがOBCとミッション機器を電源OFF RX_COBCからTX_COBCへ、 VHF/UHF無線機電源ON のためのSub_power_ON

7.8V

RX_COBCがOBCとミッション機器を電源ON RX_COBCからTX_COBCへ、Sub_power_OFF Survival Mode

7.2V

RX_COBCからTX_COBC へ、Sub_power_OFF （ VHF/UHF無線機OFF） Saving Mode

7.5V

RX_COBCからTX_COBCへ、VHF/UHF無線機ONのためのSub_power_ON

（OBCとミッション機器電源はOFFのまま） Saving Mode Survival Mode ミッション開始を許可 ミッション実施での 電圧降下 ✓ RX COBC (PIC)から無線機（RX/TX）へ初期 設定信号を送るが、ディレイが短く送られない バグが残っていた。 ✓ したがって、2度の一時停止の理由として Savingモードに入ったことが考えられる。 ✓ しかし7.8V以上あれば1日1回のリセットで 復帰するはずであり、現在の停波の理由は不明。 通信機がOFF してしまう

34

膜展開コマンド送信

（2019/6/3から7/24）

✓ 2系統から膜展開コマンド

を送ったが，高度の降下

なし．

打上げ 膜展開 コマンド アップリンク開始 2019/ 打ち上げ以降の時間（日付）

TLE

からの算出高度

[km]

TX COBC、RX COBC、OBCのEEPROMへのI2C衝突

OrigamiSat-1では，TX COBC, RX COBC, OBCの3者が共通のEEPROMを介 してデータをやり取り（I2C通信）している．

EMを使った地上試験で，EEPROMへのTX COBC, RX COBC，OBCのアクセ ス頻度を高めた． • このとき，RX COBC, TX COBCともにリセットを繰り返す不具合がある． • この不具合の原因、および軌道上でこの不具合モードが発生する可能性を EM（地上検証モデル）を用いて検討している．（このバグは長期にわたり 通信停止する原因となりうる．）

打ち上げ後の地上実験により発見した不具合（その２）

36

2019年9月以降の運用

⚫ 現在，CI基板上のCOBCに異常が発生している可能性が高い．

しかし，WDT機能あるいは電源低下に起因するリセットにより，

CW発信が復帰し，ミッションが再開できる可能性が残っている．

⚫ そこで以下を継続して，OrigamiSat-1の復旧を待つ．

i.

1か月に1回，膜展開コマンドアップリンク／応答のダウンリンク，

を試みる運用を継続し，運用手順を継承して運用再開に備える．

ii. 2か月に1回，(i) 他のCubeSatのCWを受信し， (ii) EM基板で地上

局からのアップリンクを受け，地上局の健全性を確認する．

iii. 4か月に1回，5.8GHzダウンリンクを試みる運用を行い，パラボラ

アンテナ運用の知見の継承を行う．

まとめ と 今後

37

✓ CW・FM通信に成功したものの，

打ち上げ6日後から通信が途絶し、

膜展開

ミッションが未達成

である。

✓ 3U CubeSat 「OrigamiSat-1／FO-98」

は、革新的な多機能宇宙展開膜の開発を

達成し、衛星打ち上げを実施した。

現在～今後：

OrigamiSat-1開発の知見を大いに活用し、革新的衛星技術実証 3号機

「Society 5.0に向けた発電・アンテナ機能を有する軽量膜展開構造物の

実証」（代表：サカセ・アドテック株式会社）の機器開発を進めている。

最後に 本衛星の開発・打ち上げにあたり、JAXA革新的衛星技術実証グループ、 イプシロンロケットプロジェクト、宇宙科学研究所ソーラーセイルWG、 日本アマチュア衛星通信協会（JAMSAT）の皆様には大変手厚いサポートを 頂きました。厚く御礼申し上げます。