Lightweight wireless phase synchronization techniques for next-generation extremely large microwave interferometers

• Project/Area Number: 21K14352
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: 杉原 アフマッド清志 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙探査イノベーションハブ, 宇宙航空プロジェクト研究員 (70867548)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: マイクロ波放射計 / 干渉型放射計 / 無線電波干渉計 / 薄膜アンテナ / 衛星編隊飛行 / 衛星相対航法 / 膜面形状測定

Outline of Research at the Start

地球観測や電波天文学に応用される受動的なマイクロ波センサ(放射計)の角分解能にはアンテナの口径という物理的な制約があり、大きな口径ほど高い角分解能が実現できる。本技術を宇宙機で運用する際には、一体型のアンテナでは実現しうる口径に機械的な限界があり、複数のアンテナを使用して開口合成する技術を用いればさらに大面積な口径が実現できる。ただし、剛な宇宙構造体では10m程度が現状の限度である。
そこで、ソーラーセイルのような超軽量大面積膜構造体や、複数の衛星が編隊飛行するフォーメーションフライト技術を応用することでこの制約を打破し角分解能の飛躍的な向上に直結すると考え、この技術を実験的に実証する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的はソーラーセイルや編隊飛行衛星に搭載可能な大面積マイクロ波干渉計を実現させるために必要な基準信号の無線分配技術を実証する事である。
1年度目の成果（ブレッドボードモデルを使用した基準信号の無線分配技術を実証）を国際学会IGARSS2022、IAC2022を含め、別添の国際・国内学会で多数発表した。2年度目の実施計画として、大面積膜構造体に搭載可能な基準同期型サブアレイアンテナの試作を提案していた。計画通りサブアレイアンテナ基板を3回のイタレーションに分けて試作し、電波暗室で各アンテナ基板の特性評価と4枚のサブアレイアンテナの同時運用する事で膜面干渉計として機能することを確認した。
さらにこの技術を応用し、測定されるデータから膜面の形状を再構築するアルゴリズムを提案・構築し、シミュレーションと実験の両面で実証した。以上2点の成果は国際学会IGARSS2023の口頭発表に採択された。
さらにこの技術を応用する事で複数の衛星間の相対位置を測定する事が可能であることが明らかになり、将来の小天体サンプルリターンミッション等におけるシステム検討を行った。この成果は国内学会第67回宇宙科学技術連合講演会で口頭発表する。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

研究実績にも述べているように、2年度目に実施計画をしていた大面積膜構造体に搭載可能な基準同期型サブアレイアンテナの試作を複数回の試作に分けて実施した（原理確認・要素技術の組み上げ・精度向上の合計3イタレーション）。
さらに、本技術を応用した膜面形状の測定・再構築技術と、複数機の衛星間の相対位置測定技術をシミュレーションと実験をもって実証した。
以上から、本研究は当初の計画以上に進展していると言える。
残る研究期間中に実証してきた要素技術（基準同期型サブアレイアンテナ）を集約し、一つのシステムとしてまとめて実証する事で本研究の目的は達成できる。

Strategy for Future Research Activity

研究計画調書に記載の通り推進する。具体的にはソーラーセイル超軽量大面積構造体と編隊飛行衛星で運用可能な基準同期型サブアレイアンテナを実現するため、試作機の小型薄型化と周波数の安定性（フェーズノイズ）の安定性の向上化を図る。
本技術の実用性については革新的衛星技術実証4号機に搭載が決定されたHELIOS-R干渉計ミッションにて宇宙実証を行う機会を活用し明らかにする。
さらに、基準同期型サブアレイアンテナを用いた膜面形状測定技術と衛星間相対位置測定技術を実験をもって実証し、成果を学術論文より報告する。

Research Products

• [Journal Article] Formation Flying Along Artificial Halo Orbit around Sun-Earth L2 Point for Interferometric Observations (2023)
  • Author(s): K. Sugiura, Y. Takao, A. K. Sugihara, Y. Sugawara and O. Mori
  • Journal Title: Acta Astronautica Volume: 208
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mechanical Design of Self-Reconfiguring 4D-Printed OrigamiSats: A New Concept for Solar Sailing (2022)
  • Author(s): A. Russo, B. Robb, S. Soldini, P. Paoletti, G. Bailet, C. R. McInnes, J. Reveles, A. K. Sugihara, S. Bonardi and O. Mori
  • Journal Title: Frontiers in Space Technologies Volume: 3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Numerical Analysis on Optimal Deployment Configuration of Tightly-Folded Device-Laden Space Membrane, (2022)
  • Author(s): S. Yamada, A. K. Sugihara and O. Mori
  • Journal Title: Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences Volume: 20
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Solar Electric Propulsion by a Solar Power Sail for Small Spacecraft Missions to the Outer Solar System (2021)
  • Author(s): Yuki Takao, Osamu Mori, Masanori Matsushita, Ahmed Kiyoshi Sugihara
  • Journal Title: Acta Astronautica Volume: 181 Pages: 362-376
  • DOI: 10.1016/j.actaastro.2021.01.020
  • Peer Reviewed
• [Presentation] WIRELESS REFERENCE FREQUENCY DISTRIBUTION FOR MEMBRANE-DEPLOYED DISTRIBUTED MICROWAVE INTERFEROMETER CONCEPT (2023)
  • Author(s): A.K. Sugihara, T. Wada, T. Suda, M. Fujita, S. Kawasaki, O. Mori
  • Organizer: IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multifaceted Reflectivity Control Devices for Fuel-free and Extremely High Precision Formation Control (2022)
  • Author(s): Ahmed Kiyoshi Sugihara, Keisuke Sugiura, Osamu Mori
  • Organizer: 11th International Workshop on Satellite Constellations & Formation Flying
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A SINGLE-SATELLITE APPROACH TO LARGE APERTURE MICROWAVE INTERFEROMETRIC RADIOMETRY USING FLEXIBLE MEMBRANE STRUCTURES (2022)
  • Author(s): Ahmed Kiyoshi Sugihara, Takehisa Wada, Tamotsu Suda, Yuichiro Nada, Masahiro Fujita, Shigeo Kawasaki, Osamu Mori
  • Organizer: IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simultaneous Orbit-Attitude Control of Formation Flying Solar Sails around Sun-Earth L2 Using Reflectivity Modulation (2022)
  • Author(s): Keisuke Sugiura, Yuki Takao, Ahmed Kiyoshi Sugihara, Yoshiki Sugawara, Osamu Mori
  • Organizer: 73rd International Astronautical Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Feasibility study and development status of Transformable spacecraft (2022)
  • Author(s): Yoshiki Sugawara, Toshihiro Chujo, Yuki Kubo, Testsuya Kusumoto, Masahiro Fujita, Ahmed Kiyoshi Sugihara, Osamu Mori, Yasutaka Satou, Nobuo Kenmochi, Kenichiro Sawada, Yuki Akizuki, Ayako Torisaka, Shuji Matsuura, Takayuki Kotani, Kohji Tsumura, Kotaro Ikeda, Saya Kobayashi, Saburo Matsunaga, Junichiro Kawaguchi
  • Organizer: 73rd International Astronautical Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Preliminary study on system and mission sequence design for Transformer mission (2022)
  • Author(s): Yuki Kubo, Toshihiro Chujo, Ahmed Kiyoshi Sugihara, Tetsuya Kusumoto, Masahiro Fujita, Junichiro Kawaguchi, Yoshiki Sugawara
  • Organizer: 73rd International Astronautical Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] On-Orbit Demonstration of Microwave Aperture Synthesis on Deployable Membrane Structure: Status Report (2022)
  • Author(s): Ahmed Kiyoshi Sugihara, Takehisa Wada, Tamotsu Suda, Shigeo Kawasaki, Yuichiro Nada, Masahiro Fujita, Osamu Mori
  • Organizer: 73rd International Astronautical Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Vectoring Solar Radiation Pressure for High Precision Formation Control (2022)
  • Author(s): Ahmed Kiyoshi Sugihara, Keisuke Sugiura, Osamu Mori: Multi-faceted Reflectivity Control Devices
  • Organizer: 73rd International Astronautical Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Next-generation Small Body Sample Return GDI, STARMINE Team and HELIOS Team (2022)
  • Author(s): O. Mori, Y. Tsuda, T. Saiki, T. Chujo, Y. Takao, M. Matsushita, A. K. Sugihara, Y. Miyazaki
  • Organizer: ISAS Planetary Exploration Workshop 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 多面型液晶デバイスを応用した極高精度相対位置・姿勢アクチュエータ (2022)
  • Author(s): 杉原 アフマッド清志, 杉浦 圭佑, 森 治
  • Organizer: 第32回 アストロダイナミクスシンポジウム
• [Presentation] 太陽-地球系L2点でのソーラーセイルフォーメーションフライトにおける姿勢・軌道制御 (2022)
  • Author(s): 杉浦 圭佑, 高尾 勇輝, 杉原 アフマッド清志, 菅原 佳城, 森 治
  • Organizer: 第32回 アストロダイナミクスシンポジウム
• [Presentation] 電波干渉法を適用した相対電波航法の初期検討 (2022)
  • Author(s): 藤田 雅大, 杉原 アフマッド清志, 森 治, 津田 雄一
  • Organizer: 第32回 アストロダイナミクスシンポジウム
• [Presentation] 月面洞窟内作業ロボットへの無線電力伝送に向けたGaN整流素子の適応検討 (2022)
  • Author(s): 分島 彰男, A. Bose, D. Biswas, 森 治, 杉原 アフマッド清志, 川崎 治, 坂下 哲也, 和佐 有祐, 菅野 隆行, 小林 智之
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会第34回学術講演会（JASMAC-34）
• [Presentation] 超小型ソーラー電力セイルによる深宇宙航行技術実証計画 (2022)
  • Author(s): 中条 俊大, 高尾 勇輝, 多々良 飛鳥, 渡邉 奎, 安田 萌恵, 小林 大輝, 中嶋 哲大, 木下 幹大, 荒井 湧介, 上野 晟太郎, 森 治, 宮﨑 康行, 松下 将典, 杉原 アフマッド清志, 鳥居 航, 冨木 淳史, 津田 雄一, 佐伯 孝尚, 松永 三郎, 超小型ソーラー電力セイル研究チーム
  • Organizer: 第66回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 複数宇宙機に対する電波を用いた同時相対軌道決定手法の初期検討 (2022)
  • Author(s): 藤田 雅大, 杉原 アフマッド清志, 森 治, 津田 雄一
  • Organizer: 第66回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 発電・アンテナ機能を有する軽量膜展開構造物の開発と運用準備状況 (2022)
  • Author(s): 渡邊 秋人, 酒井 良次, 堀 利行, 伊藤 裕明, 松下 将典, 杉原 アフマッド清志, 高尾 勇輝, 森 治, 佐藤 泰貴, 宮﨑 康行, 奥泉 信克, 川崎 繁男, 坂本 啓, 白根 篤史, 岡田 健一
  • Organizer: 第66回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 月面活動の共通キー技術 (2022)
  • Author(s): 森 治, 佐伯 孝尚, 吉光 徹雄, 古賀 勝, 狩谷 和季, 田邊 宏太, 目黒 裕章, 佐藤 直樹, 中塚 潤一, 香河 英史, 道上 啓亮, 澤井秀次郎, 後藤 健太, 富永 晃司, 丸 祐介, 古川 克己, 長田 泰一, 曽根 理嗣, 宮﨑 康行, 宮澤 優, 杉原 アフマッド清志, 渡邊 秋人, 樋口 健
  • Organizer: 第66回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 柔軟膜構造物の軌道上における展開挙動の安全性評価 (2022)
  • Author(s): 楠本 哲也, 杉原 アフマッド 清志, 大平 元希, 森 治
  • Organizer: 第23回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会
• [Presentation] 月面運用に向けたマイクロ波無線電力伝送技術実証の活動状況 (2022)
  • Author(s): 杉原 アフマッド清志, 堀内 晋一郎, 川崎 治, 森 治
  • Organizer: 第23回宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] 衛星間電波・光学相対航法センサの実証と将来像 (2022)
  • Author(s): 杉原 アフマッド清志, 藤田 雅大, 楠本 哲也, 和田 武尚, 川崎 航大, 森 治, 川﨑 繁男
  • Organizer: 第23回宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] 多機能膜構造体実証機HELIOS搭載干渉計センサの開発状況 (2022)
  • Author(s): 杉原 アフマッド清志, 和田 武尚, 須田 保, 藤田 雅大, 川﨑 繁男, 森 治
  • Organizer: 第23回宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] ソーラーセイルを用いた自律飛行型ターゲットマーカの研究開発 (2022)
  • Author(s): 高尾 勇輝, 森 治, 渡邊 秋人, 武井 祥平, 江川 主民, 藤井 樹里, 楠本 哲也, 杉原 アフマッド清志, 大木 優介, 菊地 翔太
  • Organizer: 第23回宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] 発電・アンテナ機能を有する軽量膜展開構造物HELIOSと軽量薄膜太陽電池パドルの開発状況 (2022)
  • Author(s): 松下 将典, 高尾 勇輝, 杉原 アフマッド清志, 他
  • Organizer: 第23回宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] STARMINE計画―深宇宙軌道間輸送機による超小型探査プラットフォームの実現 (2022)
  • Author(s): 津田 雄一, 中条 俊大, 佐伯 孝尚, 森 治, 丸 祐介, 嶌生 有理, 脇田 茂, 高尾 勇輝, 杉原 アフマッド清志, 松下 将典, 鳥居 航, 宮崎 康行, 超小型ソーラー電力セイルによる航行技術実証ＷＧ
  • Organizer: 第23回宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] 次世代小天体サンプルリターンミッションの工学検討状況 (2022)
  • Author(s): 佐伯 孝尚, 津田 雄一, 森 治, 嶌生 有理, 丸 祐介, 武井 悠人, 澤田 弘崇, 中西 洋喜, 三桝 裕也, 菊地 翔太, 高尾 勇輝, 杉原 アフマッド清志, 山田 和彦, 船瀬 龍, 菊池 隼仁, 次世代小天体サンプルリターンWG
  • Organizer: 第23回宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] STARMINEミッションにおける超小型ソーラー電力セイルのシステム検討 (2022)
  • Author(s): 中嶋 哲大, 中条 俊大, 高尾 勇輝, 多々良 飛鳥, 渡邊 奎, 安田 萌恵, 小林 大輝, 木下 幹大, 荒井 湧介, 上野 晟太郎, 立川 璃子, 島袋 秀晃, 森 治, 宮崎 康行, 松下 将典, 杉原 アフマッド清志, 鳥居 航, 富木 淳史, 津田 雄一, 佐伯 孝尚, 松永 三郎
  • Organizer: 第23回宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] トランスフォーマー宇宙機の検討状況 (2022)
  • Author(s): 菅原 佳城, 久保 勇貴, 中条 俊大, 佐藤 泰貴, 剱持 伸朗 , 藤田 雅大, 楠本 哲也, 杉原 アフマッド清志, 森 治, 秋月 祐樹, 澤田 健一郎, 鳥阪 綾子, 杉浦 圭佑, 小林 紗也, 小林 寛之, 大槻 真嗣, 松浦 周二, 小谷 隆行, 津村 耕司, 松永 三郎
  • Organizer: 第23回宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] 遠方探査戦略とキー技術 (2022)
  • Author(s): 森 治, 佐伯 孝尚, 津田 雄一, 嶌生 有理, 松下 将典, 杉原 アフマッド清志, 高尾 勇輝, 楠本 哲也, 藤田 雅大, 船瀬 龍, 尾崎 直哉, 宮﨑 康行, 中条 俊大
  • Organizer: 第24回惑星圏研究会(SPS2023)
• [Presentation] On-Orbit Demonstration of Microwave Aperture Synthesis on Deployable Membrane Structure: Status Report (2022)
  • Author(s): A,K. Sugihara, T. Wada, T. Suda, S. Kawasaki, Y. Nada, M. Fujita, O. Mori
  • Organizer: 73rd International Astronautical Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Single-Satellite Approach to Large Aperture Microwave Interferometric Radiometry using Flexible Membrane Structures (2022)
  • Author(s): A,K. Sugihara, T. Wada, T. Suda, Y. Nada, M. Fujita, S. Kawasaki, O. Mori
  • Organizer: International Geoscience and Remote Sensing Symposium 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 大電力・軽量な太陽電池膜(世界最軽量級展開型太陽電池パドル)の開発状況と運用計画 (2022)
  • Author(s): 松下将典, 森治, 渡邊秋人, 酒井良次, 高尾勇輝, 杉原アフマッド清志, HELIOSプロジェクトチーム
  • Organizer: 超小型衛星利用シンポジウム2022
• [Presentation] 膜展開構造体を応用した大面積アンテナ技術：HELIOSにおける技術実証 (2022)
  • Author(s): 松下将典, 高尾勇輝, 杉原アフマッド清志, 森治, 楠本哲也, 大平元希, 杉浦圭佑, 藤田雅大, 池田宏太朗, 渡邊秋人, 堀利行, 伊藤裕明, 佐藤泰貴, 奥泉信克, 宮崎康行, 中村和行, 久原隆博, 畠山千尋, 藤田彩花, 山田修平, 山川真以子, 名田悠一郎, 竝木芳, 鈴木賢, 髙崎健太郎, 保田瞬, 武田真司, 森谷元喜, 小池修平, 坂本啓, 他
  • Organizer: 第22回宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] 発電・アンテナ機能を有する軽量膜展開構造物HELIOSの開発と運用計画 (2022)
  • Author(s): 杉原 アフマッド清志, 和田 武尚, 須田 保, 名田 悠一郎, 藤田 雅大, 川﨑 繁男, 森 治
  • Organizer: 第22回宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] 発電・アンテナ機能を有する軽量膜展開構造物HELIOSの技術詳細 (2021)
  • Author(s): 松下 将典, 高尾 勇輝, 杉原 アフマッド清志, 森 治, 佐藤 泰貴, 宮崎 康行, 奥泉 信克, 川崎 繁男, 渡邊 秋人, 伊藤 裕明, 堀 利行, 中村 和行, 畠山 千尋, 久原 隆博, 楠本 哲也, 藤田 雅大, 山田 修平, 名田 悠一郎, 大平 元希, 山川 真以子, 竝木 芳, 池田 宏太朗, 杉浦 圭佑, 藤田 彩花, 武田 真司, 坂本 啓, 白根 篤史, 岡田 健一
  • Organizer: 第65回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] Novel communication methodology for radio interferometer system with free-to-join-and-leave spacecraft (2021)
  • Author(s): Y. Nada, M. Fujita, Y. Takao, A.K. Sugihara and J. Kawaguchi
  • Organizer: 72nd International Astronautical Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a Multifunctional Lightweight Membrane (2021)
  • Author(s): T. Kusumoto, M. Matsushita, Y. Takao, A. K. Sugihara, O. Mori, Y. Sato, Y. Miyazaki, N. Okuizumi, S. Kawasaki, A. Watanabe, H. Ito, T. Hori, K. Nakamura, C. Hatakeyama, T. Kuhara, S. Yamada, M. Fujita, Y. Nada, G. Ohira, M. Yamakawa, K. Namiki, Y. Kimishima, K. Ikeda, K. Sugiura, H. Takahashi, A. Fujita, et al.
  • Organizer: Small Satellite Conference 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] HELIOS and 6U CubeSat Missions using Generalized Solar Power Sails (2021)
  • Author(s): O. Mori, M. Matsushita, A. K. Sugihara, Y. Takao, N. Okuizumi, Y. Miyazaki, Y. Satou, H. Furuya, T. Chujo, K. Watanabe, S. Matunaga, R. Funase and A. Watanabe
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Microwave Interferometric Radiometry with Distributed Antenna Elements on Flexible Membrane Structures (2021)
  • Author(s): A. K. Sugihara, T. Wada, T. Suda, Y. Nada, M. Fujita, S. Kawasaki and O. Mori
  • Organizer: 6th Federated and Fractionated Satellite Systems Workshop
  • Int'l Joint Research