Development of a space environment monitoring system using lightning whistlers detected by microsatellite

• Project/Area Number: 22K19845
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 63:Environmental analyses and evaluation and related fields
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 笠原 禎也 金沢大学, 学術メディア創成センター, 教授 (50243051)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2024: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: プラズマ波動 / ディジタル受信器 / 超小型衛星 / 到来方向推定 / ディジタル信号処理

Outline of Research at the Start

超小型衛星を用いて、電波の伝搬特性を活かしたリモートセンシングによる地球磁気圏の電磁環境モニタの道を拓く。そのため、
(A) 衛星内部から混入する人工雑音を衛星上の実時間演算で抑圧する技術
(B) 雷起源電波を検知し、到来方向や伝搬遅延特性を表すパラメータを実時間演算する技術
を開発し、超小型衛星に搭載可能な小型・軽量なディジタル受信器の基礎設計を行う。

Outline of Annual Research Achievements

太陽系内プラズマの電磁環境を網羅的に調査するには、小型化した衛星を複数配置した同時多点観測が必須である。超小型衛星による電磁波計測を実現するには、搭載受信器の超小型化と受信した電磁波信号を超高速（準リアルタイム）で機上処理し、必要な情報のみを地上伝送する機能の実現が求められる。
本研究計画では、プログラマブル論理チップ（FPGA）を用いて受信器を大幅に小型・軽量化し、(A) 衛星内から発生する搭載機器由来の雑音を除去する機能と (B) 観測データの連続実時間処理を行う信号処理モジュールを開発する。さらに雷起源の電磁波である雷ホイスラーなどの波動現象を検知・抽出し、波動の到来方向や分散値などの伝搬パラメータを実時間演算する機能を開発することで、超小型衛星に搭載可能な超小型・軽量な雷ホイスラー検出受信器を開発する。
初年度は、FPGAによる定常的な人工雑音除去機能について論理実装を行った。雑音推定には、雑音レベルが変化しても適応的に対応できる逐次推定機能を開発し、受信信号から雑音を差し引くことで混入した雑音レベルの低減を実現している。これまでに、シミュレータレベルで良好な雑音除去特性が得られることを確認できており、今後、実機での動作確認を進める。
並行して、受信信号中に観測された自然波動信号を検知する、波動イベント検出機能の検討を行った。同機能の開発には、異常検知アルゴリズムを採用し、計算サーバ上でその動作検証を行った。その結果、波動現象の検知が原理的に可能であることを確認した。ただし、現行の処理方式は、機上での実時間動作には計算量が過大であるため、今後、計算負荷の軽減を検討する。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

初年度に計画していた雑音除去機能のFPGAロジックの検討はほぼ予定通り進行し、シミュレータを用いた動作検証で、良好な特性を得ることができた。また波動イベントの検知機能についても、アルゴリズムの有効性が確認でき、今後、計算負荷の軽量化とモジュール化を進める計画である。

Strategy for Future Research Activity

雑音除去とイベント検知の両機能は相補的な関係にあり、高い雑音除去性能が得られれば、イベント検知の特性改良につながる。両機能の実装・改良に加え、後段で波動の到来方向推定機能を組み合わせることで、検知した波動イベントの到来方向や分散値の算出に必要な伝搬パラメータを演算する機能を開発する。

Research Products

• [Journal Article] A Proposal for Modification of Plasmaspheric Electron Density Profiles Using Characteristics of Lightning Whistlers (2023)
  • Author(s): Putri Desy Purnami Singgih, Kasahara Yoshiya, Ota Mamoru, Matsuda Shoya, Tsuchiya Fuminori, Kumamoto Atsushi, Matsuoka Ayako, Miyoshi Yoshizumi
  • Journal Title: Remote Sensing Volume: 15 Issue: 5 Pages: 1306-1306
  • DOI: 10.3390/rs15051306
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Whistler‐Mode Transmission Experiments in the Radiation Belts: DSX TNT Circuit Simulation and Data Analysis (2023)
  • Author(s): Tu Jiannan, Song Paul, Galkin Ivan A., Reinisch Bodo W., Johnston William R., Starks Michael J., Su Yi‐Jiun, Cooke David, Ginet Gregory P., Inan Umran S., Lauben David S., Miyoshi Yoshizumi, Matsuda Shoya, Kasahara Yoshiya, Kojima Hirotsugu, Shinohara Iku
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 128 Issue: 4
  • DOI: 10.1029/2022ja030564
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Sigma-Delta Beamformer DOA Estimation for Distributed Array Radar (2022)
  • Author(s): ITO Toshihiro, MATSUDA Shoji, KASAHARA Yoshiya
  • Journal Title: IEICE Transactions on Communications Volume: E105.B Issue: 12 Pages: 1589-1599
  • DOI: 10.1587/transcom.2021EBP3211
  • ISSN: 0916-8516, 1745-1345
  • Year and Date: 2022-12-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Space-to-space very low frequency radio transmission in the magnetosphere using the DSX and Arase satellites (2022)
  • Author(s): McCollough J. P., Miyoshi Y., Ginet G. P., Johnston W. R., Su Y.-J., Starks M. J., Kasahara Y., et al.
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 74 Issue: 1 Pages: 64-64
  • DOI: 10.1186/s40623-022-01605-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Collaborative Research Activities of the Arase and Van Allen Probes (2022)
  • Author(s): Miyoshi Y.、Shinohara I.、Ukhorskiy S.、Claudepierre S. G.、Mitani T.、Takashima T.、Hori T.、Santolik O.、Kolmasova I.、Matsuda S.、Kasahara Y.、Teramoto M.、Katoh Y.、Hikishima M.、Kojima H.、Kurita S.、Imajo S.、Higashio N.、Kasahara S.、Yokota S.、Asamura K.、Kazama Y.、Wang S.-Y.、Jun C.-W.、Kasaba Y.、et al.
  • Journal Title: Space Science Reviews Volume: 218 Issue: 5 Pages: 38-38
  • DOI: 10.1007/s11214-022-00885-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Identification Approach of Arriving Wave Model Based on Likelihood Ratio Test With Different Sensor Noise Levels (2022)
  • Author(s): Tanaka Yuji, Ota Mamoru, Kasahara Yoshiya
  • Journal Title: Radio Science Volume: 57 Issue: 8
  • DOI: 10.1029/2022rs007427
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Calibration Method of Short‐Time Waveform Signals Passed Through Linear Time‐Invariant Systems: 1. Methodology and Simple Examples (2022)
  • Author(s): Kitahara M., Matsuda S., Katoh Y., Kojima H., Kasahara Y., Miyoshi Y., Nakamura S., Hikishima M.
  • Journal Title: Radio Science Volume: 57 Issue: 9
  • DOI: 10.1029/2022rs007454
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Recent advances in plasma wave observation by Arase and future prospects of plasma wave measurements (2023)
  • Author(s): Yoshiya Kasahara
  • Organizer: Symposium on the Future of Heliospheric Science: From Geotail and Beyond
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Microsatellite development and Eduaction of Space Science and Technology at Kanazawa University (2022)
  • Author(s): T. Imachi, S. Yagitani, D. Yonetoku, Y. Kasahara, T. Sawano, I. Jikuya, Y. Shoji, M. Arimoto, S. Matsuda, M. Ozaki, R. Fujimoto
  • Organizer: Japan Geoscience Union (JPGU) 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of the software implemented in the onboard computer (OBC) for Kanazawa University Satellite "KOYOH" (2022)
  • Author(s): Y. Kishino, Y. Inoue, A. Sasaoka, T. Ito, Y. Kasahara, T. Imachi, T. Sawano, S. Matsuda, Y. Shoji, I. Jikuya, M. Arimoto, D. Yonetoku, S. Yagitani
  • Organizer: Japan Geoscience Union (JPGU) 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of type II error of the Identification Method of Arriving Wave Model Based on Likelihood Ratio Tests (2022)
  • Author(s): Yuji Tanaka, Yoshiya Kasahara, Shoya Matsuda, Mamoru Ota
  • Organizer: AP-AT-RASC 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Intercalibrated multi-point measurements of whistler mode waves by Van Allen Probes and Arase (2022)
  • Author(s): O. Santolik, D. Hartley, G. B. Hospodarsky, Y. Kasahara, H. Kojima, I. Kolmasova, W. S. Kurth, S. Matsuda, A. Matsuoka, Y. Miyoshi, I. Shinohara
  • Organizer: AP-AT-RASC 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Latitude and Magnetic Local Time Dependences of Whistler Mode Waves in the Inner Magnetosphere Observed by PWE/OFA on board the Arase (2022)
  • Author(s): Yoshiya Kasahara, Keita Hayashi, David Malaspina, Shoya Matsuda, Ayako Matsuoka, Yoshizumi Miyoshi, Jean-Francois Ripoll
  • Organizer: AP-AT-RASC 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Detailed Evaluation with Bayesian k-vector Estimation Method for Plasma Waves (2022)
  • Author(s): Yuji Tanaka, Mamoru Ota, Shoya Matsuda, Yoshiya Kasahara
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第152回総会および講演会
• [Presentation] あらせ衛星で観測されたコーラスエレメントの特徴解析 (2022)
  • Author(s): 平塚 貴也, 松田 昇也, 笠原 禎也, 中村 紗都子, 北原 理弘, 三好 由純, 篠原 育
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第152回総会および講演会
• [Presentation] あらせ衛星で観測されたホイスラーモード波の空間分布に関する統計解析 (2022)
  • Author(s): 林 京汰, 笠原 禎也, 松田 昇也, 土屋 史紀, 熊本 篤志, 北原 理弘, 松岡 彩子, 中村 紗都子, 三好 由純, 篠原 育, Malaspina David,Ripoll Jean-Francois
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第152回総会および講演会
• [Presentation] Electron density profile approximation technique by using lightning whistler propagation characteristic (2022)
  • Author(s): Desy Purnami Singgih Putri, Yoshiya Kasahara, Shoya Matsuda, Fuminori Tsuchiya, Atsushi Kumamoto, Ayako Matsuoka
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第152回総会および講演会
• [Presentation] Mercury Flybys of BepiColombo/Mio PWI and Prelaunch of JUICE RPWI: Collaborations with Europe (2022)
  • Author(s): Y. Kasaba, H. Kojima, S. Kurita, S. Yagitani, M. Ozaki, Y. Kasahara, S. Matsuda, F. Tsuchiya, H. Misawa, A. Kumamoto, T. Kimura, H. Kita, M. Kitahara, S. Sakai, R. Yasuda, Y. Miyoshi, BepiColombo Mio PWI Team, JUICE RPWI Team
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第152回総会および講演会
• [Presentation] Spatial distribution of plasma waves statistically revealed by the PWE/OFA aboard Arase (2022)
  • Author(s): Yoshiya Kasahara, Keita Hayashi, Shoya Matsuda, Yoshizumi Miyoshi, Ayako Matsuoka, Jean-Francois Ripoll, David Malaspina
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2022
  • Int'l Joint Research