ナノサット01
ナノサット01
マドリードのホムセックにあるナノサット01のレプリカ
オペレーターインタ
コスパーID2004-049B
SATCAT番号28493ウィキデータで編集する
ミッション期間4年
宇宙船の特性
メーカーINTA、ESA、CSIC
乾燥質量19キロ
力17ワット
ミッション開始
発売日2004年12月18日
ロケットアリアン5G+
発射場ギアナ宇宙センター
軌道パラメータ
高度656.5キロ
近点高度654.2キロ
遠点高度658.7キロ
傾斜98.1度
期間97.7分
ペイロード
ACS、地球磁気ナノセンサー、太陽センサー、OWLS

ナノサット01（NanoSat 01 ）は、スペイン国立航空宇宙技術研究所（INTA）が開発し、2004年12月18日に打ち上げられた人工衛星である。重量が20kg未満であることから超小型衛星とみなされ[ 1 ] 、主な任務はスペイン本土からフアン・カルロス1世南極基地などの遠方地点間の通信を転送することであった。これは極軌道と海抜650kmの高度によって可能となった。運用中、南極で取得されたデータはフライバイ中に衛星にアップロードされ、衛星がイベリア半島に到達した際にスペインでダウンロードされることになっていた。

2009年にその耐用年数が終了すると、同じくINTAが開発したNanosat-1Bに置き換えられた。[ 2 ]

ミッション

ナノサット01は、低コストの技術実証用ナノ衛星でした。[ 3 ]そのため、INTAの主な目的は、ナノテクノロジー開発のあらゆる側面に関与し、精通することでした。[ 4 ]これを念頭に、この衛星には新しい磁気センサーと太陽光センサー、蓄積転送型通信モジュール、航法・読み取り機器が搭載されました。これらのほとんどは、ASICの宇宙仕様に適合しています。

さらに、軌道上では衛星は次の 4 つの実験を実行する予定でした。

  • 新しい ACS (姿勢制御サブシステム) の機能のデモンストレーション。
  • 新しいゾル-ゲルナノセンサーを使用して、地球の磁場に関する一連の測定を実行します。
  • 太陽光センサーと電力パネルのテスト。
  • OWLS (衛星内光無線リンク) を採用して地球上の異なる地点間の通信を維持します。

体

衛星本体は2つの半球に分割された角柱状のボディを持ち、各半球は六角形の底面と6つの台形の側面を持ち、全体としてはほぼ球形をしています。底面から底面までの長さは600mm、最大半径は540mmです。衛星表面のほぼ全域はGaAs/Ge太陽電池パネルで覆われており、構造物に固定されたアルミニウムパネルに接着された様々なシステム（平均17W、最大20W）に電力を供給しています。さらに、直射日光がなくても4.8Ahの電力を供給できるリチウムイオン電池も搭載しています。

ナノサット01の内部は、すべてのサブシステムを接続する中央の六角形バスによって接続された両半球を分離することでアクセス可能であった。これらのサブシステムには、宇宙船のすべての制御、処理能力、およびインターフェースを提供するOBDH（オンボードデータ処理）（4MBのストレージ容量、8KBのPROM 、512KBのEEPROM、768KBの保護されたRAMを備えたDragonBall MC68332マイクロコントローラをベースとする）、[ 5 ] PDU（電力分配ユニット）、RF通信、そして太陽電池と磁力計を用いて姿勢を決定し、スピンの安定性を確保するACS（姿勢制御サブシステム）が含まれる。[ 6 ]

デッドウェイトを最小限に抑えるため、INTAはESAと協力し、従来の配線に代わる光赤外線アレイ（OWLS）を用いた実験的なシステムを開発しました。OWLSは異なるモジュール間でデータを交換するためのものです。衛星の最終的な重量は約19kgで、運用寿命は3年と予測されていました。しかし、サブシステムの大部分は4年間運用されました。

RF通信

RF通信サブシステムは、上面に配置された4つの全方向性アンテナを採用した。実験用に2つのデジタルモデムが実装されており、1つは単一のDSPチップを使用し、もう1つはASIC設計に基づいていた。外部との通信は、UHF帯（下り387.1MHz 、上り400MHz、GMSK変調およびビタビ符号化）を用いたストアアンドフォワード方式であった。地上アクセスは、ダウンロード速度24kbit/sのスロットアロハを用いたTDMAプロトコルに基づいていた。システムは自己更新機能を備えていた。[ 7 ]

打ち上げ

ナノサット01号は、2004年12月18日にギアナ宇宙センターからアリアネ5 G+ロケット（ASAPの「ピギーバック」打ち上げ）で打ち上げられました。この打ち上げには、 DGAの主ペイロードであるHelios-IIA、4機のEssaim超小型衛星（1～4）、PARASOL、そしてナノサット01を含む複数の衛星が搭載されました。 [ 8 ]

平均高度656.5km（近地点654.2km 、遠地点658.7km）、軌道傾斜角98.1度、周期97.7分、LTAN（昇交点現地時間） 13時、軌道長半径7,027kmの太陽同期軌道に投入された。また、軌道長半径は0.2736m²である。[ 9 ] [ 10 ]

稼働中は、トレホン・デ・アルドス本部にある INTA によって監視されていました。

実験

姿勢制御サブシステム

ACSは比較的シンプルでした。衛星の構造上、精密な姿勢制御はほとんど不要だったためです（パネルは衛星本体の表面に取り付けられ、アンテナは全方向性で、他のサブシステムは目標達成のために精密な指向を必要としません）。それでも、6個の太陽電池、3個の電気モーター（磁気コイル付き）、そして全く新しいセンサーアセンブリが使用されました。

センサーアセンブリはCOTS (Commercial-off-the-Shelf)であり、重量をできるだけ抑える必要があったため小型化されていました。 [ 11 ]これには、放射線耐性近接電子機器と 2 つの光電セルを備えた2 つの冗長PCBを備えた、AMR (異方性磁気抵抗器) と呼ばれる 2 つの二軸センサーユニットが含まれていました。従来型のソリューションではありましたが、このソリューションは適度な検出感度(約 3 mV/V/G)、優れた解像度(3 μG)、地磁気を測定するための許容可能な動作範囲 (0.1 mT - 1 nT) を提供しました。また、宇宙での運用中にその機能をテストするために選択されました。立方体構成の 4 つのHoneywellセンサー (HMC1201) で構成された AMR は、消費電力 2 W 未満、総重量 0.22 kg で 1 mG の解像度で測定することができました。

通常の飛行条件下では、ACSはスピン軸を軌道面に対して垂直かつ反時計回りに維持します。可能な限り長い耐用年数を確保するため、運用スピン速度は3～6rpmに設定され、衛星の位置補正は週に1回、非連続的に行われます。[ 12 ]

地球磁気ナノセンサー

ファラデー効果。

INTAは概念実証として、地球の磁場を正確に測定できるファラデー効果に基づく磁気光コンパスを設計・開発した。デバイスの中心となるのはゾルゲル・ファラデー・ローターで、アモルファスシリカ格子に分散されたγ - Fe 2 O 3ナノ粒子（サイズ15nm未満）の分散液のロッドが複数本入った構造になっている。これらのロッドは偏光ドーム（それ自体が数層の偏光子で構成されている）の中に積み重ねられており、 LEDによって生成された光線を縦方向にロッドに向ける役割を担っている。光がロッド内を軸に沿って伝播すると、オーステナイトナノ粒子によって生成された磁場が光と相互作用して偏光子が回転する。この回転は、各ロッドの出口に新たに割り当てられた4つのフォトダイオードによって測定される光の強度変化として認識される。光検出器によって収集されたデータは、衛星の姿勢と地磁気の値の両方について 正確な読み取り値（最大 10 nT ）を提供できる OBDH で処理されます。

シリカ / γ-Fe 2 O 3複合材料の使用は、残留磁気を回避し、光強度の測定を容易にするために、高い透明性、高いベルデ定数、超常磁性を備え、優れた機械的特性を提供できる材料の探索によって推進されました。

さらに、センサー内部の温度や波長の変化によるベルデ定数の変動を補正するために設計された複数のコイルと、LED用の安定化電源が搭載されていました。これらのサブシステムは、飛行中のセンサーの校正にも使用されました。デバイスの直径は20mm、厚さは5mm未満、総重量は200g、消費電力は2W未満でした。

この構想は、マドリード材料科学研究所（ CSICのICMM部門）とINTAの7年以上にわたる共同研究の成果です。これは、航空宇宙産業におけるゾル-ゲル法に基づく技術の初の応用であり、衛星のさらなる小型化に向けた重要な一歩であると報告されています。[ 13 ]

太陽光センサー

Siセルと小型AsGa/Geセルで構成される2つの独立した光センサー群が運用開始され、今後のプロジェクトにおける性能と実現可能性を検証するとともに、スピンスタビライザーに太陽の位置に関する一貫した枠組みを提供しました。スピンスタビライザーは、太陽光の入射角に正比例するセルに誘起される電圧（0～10V）を測定することで実現しました。セルは最外縁に沿って3つずつ2つのグループに戦略的に配置され、信号対比によって太陽の正確な位置（章動角誤差最大5°）が算出されました。

両方のタイプのセルは同じ入力/出力チャネルを共有していたため、同時に操作することはできませんでしたが、自動調整システムにより、常に最適なセルが選択されました。

フォトダイオードのクローズアップ。

OWLSと呼ばれる内部通信システムは、宇宙用途における拡散赤外線通信とBER（ビットエラーレート）監視の可能性を試験するために、ESAと共同で開発されました。したがって、主な目的は、無線アプリケーションの軌道上デモンストレーションを実施し、動作環境の特殊性とそれがシステムに与える影響を観察することでした。これは、この技術が宇宙で使用された初めてのケースとして報告されました。[ 14 ] [ 15 ]このシステムは、ミッションに適応させるために大幅に改造された市販の部品をベースにしており、2つの実験が中心となりました。[ 16 ]

最初の実験

1つ目は、OBDHとACS、特にハネウェルの磁気センサー間の信頼性の高い接続を提供することで、OWLS-HNWLLというコードネームが付けられました。これは、赤外線通信と冗長配線接続を組み合わせることで、処理装置による読み取り値の計算結果を比較し、OWLSの性能評価に加えて、SET（シングルイベントトランジェント）の発生を測定することを可能にします。SETとは、回路内の敏感なノードを通過するイオンによって光検出器に入射陽子が入射することで発生する、回路の出力電圧の瞬間的なグリッチです。[ 17 ]

無線リンクシステムはWDMA（波長分割多重アクセス）アーキテクチャで構築されました。受信フォトダイオードは、25 mm 2のセンシングエリアで700 nW/cm 2の感度と1.5 MHzの帯域幅を提供しました。エミッターのピーク光出力は15 mWでした。

これは、センサーからの読み取り値をV/F（電圧-周波数）変換し、一定時間間隔でパルス列として情報を送信するように設計された。その長さは信号値によって決定される。センサーのゼロをシミュレートするために追加の線が追加され、これにより、システムと相互作用する不要なSETによって発生するパルスの数と性質を比較することができる。これは、宇宙における電離放射線の性質と受信信号のフィルタリングについてさらに理解を深めるのに役立った。 [ 18 ]

第二の実験

OWLS-BERとして知られる2つ目の実験は、 OBCに属するSPIバスにおいて閉ループリンクを実行することでした。これを実現するために、光エミッターから衛星の内壁に向けてデータパルスが送信され、拡散した光は受信機で集光されました。送信が終了すると、OBCは受信したデータとBERの計算値を比較しました。

実験全体は、ASK （周波数分割多元接続）を備えた独立したFDMA（周波数分割多元接続）対応チャネル（4MHz）で実施されました。地上からの制御も可能で、100kbit/sおよび100kbit/sのデータレートにおける干渉をある程度フィルタリングできました。

参照

参考文献

  1. ^ “Wayback Machine: NANOSAT 01” (PDF) . 2015年9月24日. 2015年9月24日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2021年7月20日閲覧。
  2. ^ 「NanoSat-1B - eoPortalディレクトリ - 衛星ミッション」 . earth.esa.int . 2020年4月10日閲覧。
  3. ^ A. Martinez、I. Arruego、MT Alvarez、J. Barbero他「ナノ衛星技術デモンストレーション」第14回AIAA/USU小型衛星会議議事録、ユタ州ローガン、2000年8月21日～24日。
  4. ^ “オトロスの衛星” .国立航空宇宙研究所。 2020年4月11日のオリジナルからアーカイブ。
  5. ^ 「MC68332 32ビットモジュラーマイクロコントローラ技術概要」(PDF) . NXP .
  6. ^ “ナノサット01” . space.skyrocket.de 。2020年4月9日に取得。
  7. ^「NanoSat-1」EOPortal .
  8. ^ 「アリアン5 G+ | ヘリオス2A、エッサイム1、2、3、4、パラソル、ナノサット01」。nextspaceflight.com 。 2020年4月9日閲覧。
  9. ^ジョーンズ、カレブ。「Space Launch Now - Ariane 5 G+」。Space Launch Now 。 2020年4月10日閲覧。
  10. ^ 「衛星NANOSAT(1)の技術詳細」 N2YO.com - リアルタイム衛星追跡と予測。2021年7月20日閲覧。
  11. ^ Marina Diaz-Michelena、Ignacio Arruego、Javier. Martinez Oter、Hector Guerrero、「小型衛星向けCOTSベースワイヤレス磁気センサー」、IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems、Vol. 46、No. 2、2010年4月、pp. 542-557
  12. ^ P. de Vicente y Cuena、MA Jerez、「NanoSat-01の姿勢制御システム」、第57回IAC/IAF/IAA（国際宇宙会議）の議事録、スペイン、バレンシア、2006年10月2日〜6日。
  13. ^ M. Zayat, R. Pardo, G. Rosa, RP del Real, M. Diaz-Michelena, I. Arruego, H. Guerrero, D. Levy (2009). 「NANOSAT宇宙ミッションのためのゾル-ゲルベースの磁気光学デバイス」. Journal of Sol-Gel Science and Technology . 50 (2): 254– 259. doi : 10.1007/s10971-009-1953-y . hdl : 10261/343541 . S2CID 96930242 . {{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  14. ^ I. Arruego、MD Michelena、S. Rodríguez、H. Guerrero、「NanoSat-01 搭載の衛星内光無線リンクの軌道上実験」、宇宙船搭載無線データ通信 - 技術およびアプリケーション ワークショップ、2003 年 4 月 14 ～ 16 日、ESA/ESTEC、ノールトウェイク、オランダ。
  15. ^ヘクター・ゲレーロ、イグナシオ・アルエゴ、サンティアゴ・ロドリゲス、マイテ・アルバレス、フアン。 J. Jimenez、Jose Torres、Patrice Pelissou、Claude Carron、Inmaculada Hernandez、Patrick Plancke、「Optical Wireless Intra-Spacecraft Communications」、第 6 回宇宙光学国際会議 (ICSO) の議事録、ESA/ESTEC、ノールドワイク、オランダ、2006 年 6 月 27 ～ 30 日 (ESA SP-621、6 月) 2006)
  16. ^ ESA契約16428/02/NL/EC、衛星内通信のための光無線リンク。「光コンテキストにおけるオンボードデータ通信のための光物理層の検証」（PDF）。ESAマルチメディア。{{cite web}}: CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク)
  17. ^ Buchner, Stephen & McMorrow, Dale (2005). 「線形集積回路におけるシングルイベントトランジェント」(PDF) . NASA .{{cite web}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  18. ^サンティアゴ・ロドリゲス、イグナシオ・アルエゴ、ニコス・カラフォラス、パトリス・ペリスー、フランシスコ・トルトーサ、バーナード・アリソン、マイテ・アルバレス、ヴィクトール・アペスティーグ、ホアキン・アズク、フアン・バルベロ、クロード・カロン、ジョルディ・カタラン、ホセ・ラモン・デ・ミンゴ、ホセ・アンヘル・ドミンゲス、パロマ・ガレゴ、フアン・ガルシア＝プリエト、フアン・ホセヒメネス、デメトリオ・ロペス、フランシスコ・ロペス＝エルナンデス、アルベルト・マルティン＝オルテガ、ハビエル・マルティネス＝オテル、ジェラルド・メルカディエ、フランシスコ・ペラン、アヤヤ・ペレラ、ラファエル・ペルス、エンリケ・ポベス、ホセ・ラバダン、マヌエル・レイナ、ホアキン・リバス、エレーヌ・ルオー、フリオ・ルーフォ、クラウディア・ルイス・デ・ガラテッラ、デニス・シャイデル、クリストフマルコ・ヴァン・セロードUffelen, Jaime Sanchez-Paramo, Errico Armandillo, Patrick Plancke, Hector Guerrero, “Optical Wireless Intra-Spacecraft Communications,” Proceedings of the 7th ICSO (International Conference on Space Optics) 2008, Toulouse, France, Oct. 14-17, 2008
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