2016 Fiscal Year Research-status Report

超小型ナノサットに搭載可能な全方位カメラによる衛星姿勢決定ユニットの試作と評価

Research Project

Project/Area Number	16K06882
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	坂本祐二東北大学, 工学研究科, 特任准教授 (50431523)
Project Period (FY)	2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords	超小型衛星 / キューブサット / 全方位カメラ / 姿勢決定 / 画像解析
Outline of Annual Research Achievements	本申請では、超小型衛星の1種であるナノサット(1～5kg)に搭載可能な、全方位カメラによる衛星姿勢決定ユニットを試作し、地上環境で評価する。試作ユニットは、民生用全方位カメラを参考とし、CMOSセンサとFPGAによる画像処理部を組み合わせた構成である。1つの撮像センサで、地球、太陽、月を撮像し、オンボード画像解析で昼・夜を問わずに三軸姿勢決定を可能にする。スターセンサに匹敵する0.1度の確度を目標とする。質量・容積・電力が制限されたナノサットにおいて、姿勢決定センサによるリソースの圧迫を解決する、先進的技術である。ナノサットの分野では、価格が安くて小型・先進機能を持つ最新の地上製品を宇宙活用する例が多い。過去の実績を優先して、同じセンサを使い続けるだけでは、限られた容積リソースの中で、観測用ミッション機器のためのリソースを広げることは出来ない。常により小型なシステムを追求し続けることが重要である。既存の民生用素子を活用して新たなシステムを提案することは、効率的な技術開発である。宇宙用途に特化する部分は、FPGAやCPUによるソフトウェアで補完可能であり、本課題でもソフトウェア開発が大きな比重を占める。全方位カメラ技術は今後も発展が期待できる分野であり、宇宙用センサとして転用する技術を蓄積することで、小型化・高性能化を将来も継続的に実現する土壌を構築することが出来る。本研究期間内(合計3年間)に、実際に衛星へ搭載可能な姿勢決定ユニットを試作する。平成28年度は、実際の衛星画像を活用して、画像解析による姿勢決定技術を構築した。東北大製RISING-2衛星(2014年5月運用開始)に搭載した魚眼カメラ(WFC)を活用した。並行して、民生用撮像センサおよびFPGA処理基板を衛星搭載用の姿勢センサとして活用できるか評価した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 平成28年度に計画していた、実際の衛星画像を活用した、画像解析による姿勢決定技術の構築、および民生用撮像センサとFPGA処理基板を衛星搭載用の姿勢センサとして活用できることの評価は実施した。一方、当初計画していた民生用全方位カメラの完成品を評価する計画は見直して、平成29年度以降に計画していた試作Aモデル(マイコンボードとCMOSセンサ素子の組み合わせ)を前倒しで取り組む計画に変更した。その理由は、部品を選定する作業、および機能試験の方法を検討する作業を通じて、現在入手可能なセンサと画像処理ボードの組み合わせで目的とする成果を出せる見通しが早期に得られたためである。また、近年のFPGA開発環境やCPU用のオープンソース画像処理技術を調査し、当初想定した以上の機能を組み込めると判断した。一方で、期間内に最大限の機能を達成するためには、早くから試作モデル(画像処理ボード)の開発を始める必要があると判断し、民生用全方位カメラから知見を得る作業の比率を下げることにした。また、環境試験としては放射線試験のみを実施している。放射線環境耐性がなければ宇宙環境で使用できないため、早期に必要な試験である。その他の試験項目は、試作Aモデルとして構造も含めてユニット化を達成したのちに、平成29年度に実施する方針に変更した。
Strategy for Future Research Activity	平成29年度以降の計画は、すでに平成28年度に先行して作業開始した、衛星搭載機の試作を継続する。試作モデルには、カメラ部、FPGA ボード部、構造ケースが含まれる。試作機の開発には「電子部品代 (画像センサ含む)」、「構造設計・製造代」、「電子基板設計・製造代」を要する。評価試験の結果をもとに、試作Aモデル、試作Bモデルを経て、フライトモデルを開発する(合計3式)。29 年度に機能評価モデルA・B を試作、評価する。30 年度にフライトモデルを試作、評価する。衛星搭載品として、温度環境への耐性、振動環境への耐性などを評価する。当初計画したとおり、宇宙実績を重ねてきた既存の高感度CCDセンサ(640 x 480ピクセル相当)に加え、最新の高解像度CMOSセンサ(2560 x 1920ピクセル相当)の宇宙実証を積極的に検討する。また、撮像画像(地球・太陽・月など)のシミュレーション環境を構築し、センサ画像を模擬して画像解析部の開発と評価を実施する。シミュレータの出力を画像解析ボードに入力することで、解析アルゴリズムの信頼性向上および効率的開発が期待できる。旅費に関しては、情報収集、ヒアリング調査のための研究打合せ、成果報告のために必要である。国内は各年2 回ずつ、国外は各年1 回ずつを計画する。