スフィアズ
国際宇宙ステーション搭載のスフィアズ

同期位置保持・エンゲージ・再定位実験衛星（SPHERES）は、 MIT宇宙システム研究所がNASAと米軍向けに開発した小型衛星シリーズです。地球惑星探査機やオービタル・エクスプレスなど、分散型宇宙船アーキテクチャを使用する将来の宇宙ミッションに不可欠な計測、編隊飛行、ランデブー、ドッキング、自律アルゴリズムの開発のための、低リスクで拡張可能なテストベッドとして使用されます。[ 1 ]

SPHERES衛星は18面体の多面体で、質量は約4.1 kg、直径は約21 cmです。国際宇宙ステーションや地上実験室で使用できますが、宇宙空間の真空中では使用できません。バッテリー駆動の自己完結型ユニットは、CO2ベースのコールドガススラスタによる移動と、一連の超音波ビーコンによる方向指示により、半自律的に動作します。衛星は相互に、また制御ステーションと無線通信できます。衛星の内蔵機能は、拡張ポートを使用して拡張できます。[ 2 ]

2006年から、国際宇宙ステーションでは3台のSPHERESユニットが様々な実験に使用されています。SPHERESゲストサイエンティストプログラムでは、科学者がSPHERESユニットを用いて新たな科学実験を行う機会が提供されており、また、ゼロロボティクスプログラムでは、学生がSPHERESユニットを制御するソフトウェア開発を競う毎年恒例のコンテストに参加することができます。[ 3 ]

SPHERESプログラムは2017年まで継続される予定であり、さらに継続される可能性もあります。[ 3 ]

SPHERESプロジェクトはAstrobeeと呼ばれる新しいプロジェクトにつながった。[ 4 ]

開発

MITの学生がNASAの低重力航空機に乗ってSPHERES衛星をテストしています。
MITの学生がNASAの低重力航空機に乗ってSPHERES衛星をテストしています。

SPHERESの初期開発は、1999年にマサチューセッツ工科大学の学生チームによって、航空宇宙工学プログラムの一環として開始されました。この衛星の構想は、デビッド・ミラー教授が学生たちに、1977年の映画『スター・ウォーズ エピソード4/新たなる希望』、そして最近では『スター・ウォーズ エピソード2/クローンの攻撃』に登場する戦闘訓練用リモコンに似た装置の開発を課題として与えたことから生まれました。プログラムの過程でいくつかのプロトタイプが開発され、地上実験室での試験やNASAの低重力航空機を用いた放物線飛行で試験されました。[ 5 ]

SPHERESプログラムは初期開発後、MIT宇宙システム研究所に引き継がれました。Aurora Flight Sciencesとの協力により設計が改良され、飛行可能な6機の衛星が製造され、そのうち3機が国際宇宙ステーションに運ばれました。[ 5 ]

SPHERESプロジェクトは主に国防高等研究計画局（DARPA）によって資金提供されています。[ 2 ]

仕様

構造と物理的特性

プラスチックシェルのないSPHERES衛星。アルミニウム構造、制御パネル、超音波センサー、スラスター、圧力調整ノブ、圧力計が見える
プラスチックシェルのないSPHERES衛星。アルミニウム構造、制御パネル、超音波センサー、スラスター、圧力調整ノブ、圧力計が見える

SPHERES衛星はそれぞれ、直方八面体に似た18面体の多面体です。衛星のアルミニウム構造は半透明のプラスチックシェルで覆われています。シェルの色は赤、青、オレンジ、黒のいずれかで、識別を容易にしています。国際宇宙ステーションの3機の衛星は赤、青、オレンジです。各衛星の最大直径は22.9cm、質量は消耗品を含めて4.16kgです。[ 5 ] [ 6 ]

処理と通信

167MHzで動作するTexas Instruments C6701 DSPが機内コンピュータとして機能します。飛行ソフトウェアと実験関連の命令はCプログラミング言語で記述されています。[ 1 ]

衛星は916.5MHz、16kbit/sの無線リンクを用いて相互通信を行う。管制局（ノートパソコン）との通信は、868.35MHz、16kbit/sの無線リンクを用いて行われる。[ 6 ] SPHERES衛星は、より高いデータ帯域幅を必要とするタスクのために、国際宇宙ステーションの搭載Wi-Fiネットワークに接続することができる。[ 2 ]

センサーとナビゲーション

SPHERES衛星は、23個の搭載超音波受信機（村田製作所製MA40S4R）と5個の外部超音波基準ビーコンを用いて位置と姿勢を決定します。外部ビーコンから搭載受信機までの超音波飛行時間測定は、外部基準系に対する衛星の位置を計算するために使用されます。[ 1 ]

位置を迅速に決定するために、超音波飛行時間情報は、搭載された加速度計（ハネウェルQA-750単軸加速度計3台）とジャイロスコープ（シストロン・ドナーQRS14単軸レートジャイロスコープ3台）のデータで補完されます。[ 1 ]

電源と駆動

SPHERES衛星は、2つの充電式ではない12Vバッテリーパックで動作します。各バッテリーパックは、8個の1.5V単三電池セルを直列にスポット溶接して構成されています。[ 2 ]

衛星は、液体二酸化炭素を推進剤とする12基のコールドガススラスタを用いて、微小重力環境下において6自由度で移動することができます。液体二酸化炭素は、ペイントボールガンに用いられるような小型の搭載容器に貯蔵されています。二酸化炭素は気体に変換された後、スラスタから噴射され、推進力を得ます。必要な推力は、推力ソレノイドのパルス変調によって得られます。[ 1 ]

衛星の最大直線加速度は0.17m/s2で、精度は0.5cmです。最大角加速度は3.5rad/s2で、精度は2.5度です。[ 7 ]

試験およびサポート施設

SPHERES プログラムは、NASA のエイムズ研究センターにある支援施設を活用します。

3自由度実験室

SPHERES衛星は3自由度実験室の航空機に搭載されています。航空機が使用する2つの液体二酸化炭素容器が見えます
SPHERES衛星は3自由度実験室の航空機に搭載されています

3自由度実験室は、平坦で摩擦がほぼない花崗岩の表面上で、最大3基のSPHERES衛星を同時に試験することを可能にします。衛星はエアキャリッジ（CO2を噴出して空気クッションを形成するスタンド）に搭載されており、X軸とY軸の移動、Z軸の回転が可能です。[ 8 ]

微小重力試験施設（MGTF）

微小重力試験施設（MGTF）は、6自由度を用いた移動型SPHERES衛星単体の試験を可能にします。この試験施設では、衛星は3自由度ジンバルに保持され、3自由度ジンバルは3自由度移動クレーンから吊り下げられます。この施設は、5つの超音波ビーコンを用いて国際宇宙ステーションと同様の構成で航法基準フレームを提供することができ、コールドガススラスタの出力を分析して微小重力環境における予想される動きをシミュレートします。[ 8 ] [ 9 ]

飛行組立実験室

飛行組立実験室は、SPHERESユニットで使用される消耗品（バッテリーパックや液体二酸化炭素容器など） の準備と試験に使用されます

バッテリーパックの各セルは個別に検査され、直列にスポット溶接された後、パックとして再度検査されます。バッテリーパックは使用後に廃棄されます。

使用済みのCO2容器は、国際宇宙ステーションに再び飛行する前に、再充填と安全性試験のために飛行組立研究所に返却されます。[ 8 ]

国際宇宙ステーションへの輸送

SPHERES衛星の国際宇宙ステーションへの搬送は当初2003年に計画されていた。しかし、2003年2月にスペースシャトルコロンビア号が失われたため、搬送は2006年まで行われなかった。[ 1 ]

最初のSPHERESユニットは、2006年4月に無人補給ミッションプログレスM-56（ISS-21P）によってISSに運ばれました。2番目のユニットは、2006年7月にスペースシャトルミッションSTS-121によって運ばれました。最後のユニットは、 2006年12月にスペースシャトルミッションSTS-116によって運ばれました。 [ 10 ]

国際宇宙ステーションでのSPHERES実験は2006年5月18日に開始されました。[ 5 ]

実験

SmartSPHERES

スマートフォンを搭載したSPHERES衛星
スマートフォンを搭載したSPHERES衛星

SmartSPHERES実験では、国際宇宙ステーションに搭載された3機のSPHERES衛星に、スペースシャトルミッションSTS-135で運ばれたNexus Sスマートフォンが搭載されました。各衛星は、接続されたスマートフォンの演算能力、無線ネットワーク、カメラ、センサー、そしてタッチスクリーンによって強化されました。Androidオペレーティングシステムのソースコードが公開されていたため、これらのデバイスは小型で低コスト、低消費電力のコンピュータとして使用できました。[ 11 ] [ 12 ]

この実験は、宇宙ステーション内でSPHERES衛星を用いて自律的かつ遠隔操作で環境調査およびインベントリ調査を実施することを研究するものであり、宇宙飛行士の日常業務に費やす時間を削減することを目的としています。得られた知見は、船外活動を実施し、宇宙飛行士の任務を支援する将来の宇宙船の開発にも役立つでしょう。[ 11 ]

SmartSPHERES実験は、NASAの探査システムミッション局の実現技術開発および実証プログラムからの資金提供を受けて、エイムズ研究センターのインテリジェントロボティクスグループによって管理されています。 [ 11 ]

SPHERES-VERTIGO

VERTIGOゴーグルを装備したSPHERES衛星
VERTIGOゴーグルを装備したSPHERES衛星

SPHERES-VERTIGO（SPHERES-Visual Estimation and Relative Tracking for Inspection of Generic Objects）実験は、コンピュータービジョンを用いて協調的または非協調的な物体の3次元地図を生成し、生成された地図のみを参照してそのような物体に対して相対的に移動できるソフトウェアとハ​​ードウェアの開発を目指しています。[ 13 ]

実験の一環として、新しい同時位置推定・地図作成（SLAM）アルゴリズムが開発され、テストされている。[ 13 ]

SPHERES-VERTIGO実験を容易にするために、ISSに搭載されている各SPHERES衛星には、拡張ポートを使用してSPHERESに接続された追加「ゴーグル」が装備されており、ステレオカメラ、超音波センサー、シングルボードコンピュータ、高速通信設備、バッテリーを搭載しています。[ 13 ]

開発された技術は、単独またはグループで運用して小惑星の地図を作成したり、回転する衛星を検査したり、宇宙ゴミを軌道から外したりすることができる将来の自律型宇宙船に使用される予定です。[ 13 ]

この実験は、 DARPAが資金提供しているSPHERES統合研究実験（InSPIRE）プログラムの一環である。[ 13 ]

国防総省 スフィアズ・リングス

RINGSアドオンを搭載した2機のSPHERES衛星が、NASAの宇宙飛行士マイケル・ホプキンスによる実験に使用されています
RINGSアドオンを搭載した2機のSPHERES衛星が、NASAの宇宙飛行士マイケル・ホプキンスによる実験に使用されています

DOD SPHERES-RINGS（国防総省SPHERES共鳴誘導近接場発生システム）実験は、微小重力環境での電磁編隊飛行（EMFF）と無線電力伝送が可能なソフトウェアとハ​​ードウェアの開発を目的としています。[ 14 ]

この実験では、SPHERES衛星に接続されたアルミニウム共振コイル、ファン付きコイルハウジング、電子機器、バッテリーで構成される2つのハードウェアアセンブリを使用します。[ 14 ]

個々のSPHERESユニットは、電磁コイルを用いて制御された引力、斥力、せん断力を発生させることで、互いに相対的に操縦されます。同じコイルは、共鳴誘導結合を介してSPHERES衛星間で無線電力伝送を行うためにも使用されます。また、衛星間の衝突を回避するソフトウェアアルゴリズムも、この実験の一環として開発されています。[ 14 ]

この実験で得られた知識は、燃料やプルームを使わないクラスター型宇宙船の開発に役立ち、その運用寿命を延ばし、宇宙船の質量とそれに伴う運用リスクを低減するだろう。[ 14 ]

SPHERES-スロッシュ

記事：SPHERES-スロッシュ

SPHERES-ハロー

SPHERES衛星の拡張部で、衛星の周囲にリング（ハロー）を形成し、6つの拡張ポート接続部を提供します。2つがISSに打ち上げられました。

SPHERES-ユニバーサル・ドッキング・ポート

2基のSPHERES衛星を強固に結合できるドッキング機構。6基がISSに打ち上げられました

教育における活用

ゼロ・ロボティクス

ゼロ・ロボティクスは、マサチューセッツ工科大学（MIT）がNASAなどの組織と提携して毎年開催する国際プログラミングコンテストです。学生チームは、国際宇宙ステーション（ISS）の微小重力環境におけるナビゲーションと制御に関する特定の課題を解決するために、ロボットプラットフォームをプログラミングします

当初、このコンペティションでは、SPHERES（Synchronized Position Hold Engage and Reorient Experimental Satellites）ロボットプラットフォームが使用されました。これは、ISS内で衛星の編隊飛行と制御アルゴリズムの研究に使用される自由飛行ロボットです。「衛星」と呼ばれていましたが、SPHERESは地球を独立して周回するのではなく、ISSの微小重力環境内でのみ運用されていました。[ 15 ]

近年、この競技は、 NASAがISSでの自律運用のために開発した新世代の自由飛行型ロボットアシスタントであるAstrobeeロボットの使用に移行しました。（この変更は、2019年のSPHERESの退役後、2022年頃に始まりました。）Astrobeeシステムは、視覚ベースのナビゲーションやより高度なコンピューティング能力など、強化された機能を提供します。[ 16 ] [ 17 ]

大会は中学生大会と高校生大会の2つのレベルで開催されます。最初のラウンドはシミュレーションで行われ、決勝進出者のプログラムはISS搭載のロボットプラットフォームにアップロードされ、リアルタイムで実行されます。決勝戦は米国、ヨーロッパ、オーストラリアの視聴者に向けて生中継されます。[ 18 ]

参照

参考文献

  1. ^ a b c d e f「SPHERESゲストサイエンティストプログラム」（PDF） 。 2016年4月30日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2016年1月9日閲覧
  2. ^ a b c dカニス、シメオン (2015 年 6 月 3 日)。「SPHERES FAQ」。NASA 。2016 年 1 月 9 日に取得。
  3. ^ a bカニス、シメオン (2015 年 6 月 3 日)。「SPHERESの歴史」。NASA 。2016 年 1 月 9 日に取得。
  4. ^アッカーマン、エヴァン (2017年2月9日). 「NASA​​のAstrobeeロボットがISSに有用な自律性をもたらす方法」 IEEE SPECTRUM . 2018年3月13日閲覧。
  5. ^ a b c d「About SPHERES」 . ssl.mit.edu . 2016年3月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年1月9日閲覧。
  6. ^ a b「Spheres Fact Sheet」（PDF） 。 2016年4月30日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2016年1月1日閲覧。
  7. ^ Kanis, Simeon (2015年6月3日). 「SPHERES衛星」 NASA . 2016年1月9日閲覧。
  8. ^ a b cカニス、シメオン (2015 年 6 月 3 日)。「NASA​​ AMES の SPHERES 施設」。NASA 。2016 年 1 月 9 日に取得。
  9. ^ 「NASA​​ - 微小重力試験施設」 www.nasa.gov 2016年1月9日閲覧。
  10. ^ “STS-116 プレスキット” (PDF) . 2021年10月8日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2016年1月13日閲覧。
  11. ^ a b c NASA長官（2015年12月14日）「NASA​​のスマートフォン駆動衛星」 NASA 。 2015年12月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2016年1月10日閲覧。
  12. ^ Rainey, Kristine (2015年4月9日). 「Smart SPHERESはこれからもっとスマートになる」 NASA . 2016年1月10日閲覧。
  13. ^ a b c d e「NASA​​ - Synchronized Position, Hold, Engage, Reorient, Experimental Satellites - VERTIGO」www.nasa.gov . 2016年1月11日閲覧。
  14. ^ a b c d「NASA​​ - 国防総省の同期位置、保持、作動、再配向、実験衛星-RINGS」www.nasa.gov。2016年1月11日閲覧。
  15. ^ 「SPHERES 概要」 NASA 2025年6月3日閲覧。
  16. ^ 「Astrobee：国際宇宙ステーション向けの新型自由飛行ロボット」 NASA 2025年6月3日閲覧。
  17. ^ 「Zero Roboticsとは何か？」 MIT Zero Robotics . 2025年6月3日閲覧。
  18. ^ 「Zero Robotics – MIT宇宙プログラミングコンペティション」 MITメディアラボ2025年6月3日閲覧。
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