衛星間通信を活用した編隊飛行衛星群による宇宙電磁環境の高度連携多点計測法

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24360159
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 笠原 禎也 金沢大学, 総合メディア基盤センター, 教授 (50243051)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小嶋 浩嗣 京都大学, 生存圏研究所, 准教授 (10215254) ; 後藤 由貴 金沢大学, 電子情報学系, 准教授 (30361976)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 信号処理 / 計測システム / 地球惑星磁気圏 / プラズマ波動 / 電波科学 / 衛星通信 / 宇宙科学 / 自律制御ソフトウェア

Outline of Annual Research Achievements

宇宙プラズマ環境の高機能計測を実現するために、複数の小型衛星が相互連携して同時多点観測を行うために必要な技術と、電磁波計測データを用いて宇宙プラズマの空間構造やダイナミクスを解明する信号処理技術をテーマに研究を実施した。今年度は、下記の項目について重点的に検討し、それぞれ良好な成果を得た。
１　小型衛星への測器搭載に必須である電磁波受信器の小型化・高性能化のために、従来はCPU上でソフト的に行っていた波動信号処理と地上伝送用データ生成部を、プログラマブル論理素子（FPGA）上で高速処理する方法について検討した。本検討は、本研究課題で昨年度までに製作した専用FPGAボードを利用した。その結果、波形のサブバンド圧縮処理部の汎用モジュール化に成功し、VLF帯の波形においては十分リアルタイム処理が可能であることを実証した。
２　内部磁気圏を飛翔する2基の編隊衛星であるVan Allen Probesの波動観測データを用いて、同時多点観測データから地球プラズマ圏の時間空間変動を独立して推定する方法を検討した。さらに、内部磁気圏中の電磁イオンサイクロトロン波（EMIC）の空間分布や伝搬特性を利用することで、種々のイオンの空間分布や組成比を推定する方法について提案した。
３　あけぼの・かぐやなどの科学衛星で得たプラズマ波の波形や位相特性から、地球ならびに月近傍で観測される波動の発生・伝搬特性の解析を行い、雷起源電波の伝搬特性とそこから得られるVLF波の電離層・プラズマ圏内の伝搬特性とその季節・ローカルタイム依存性、月ミニ磁気圏やウェイク構造の推定など、プラズマ波の伝搬特性から太陽・地球系プラズマ環境の推定における電磁波計測データの有効性を示した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

電磁波受信器を小型化しつつ高性能化を実現する上で必須技術であるデジタル信号処理部のFPGA化が順調に進んでおり、すでにVLF帯観測信号の波形圧縮についてはリアルタイム処理が可能なレベルに達している。さらに、将来の複数同時多点観測を視野に、既存衛星の観測データからプラズマ環境の時空間変動の独立解析や、波動の伝搬特性からプラズマ密度やイオン組成等を逆推定する成果が多数得られている。以上より、本研究は順調に進捗していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

最終年度に当たる次年度に向け、以下の項目についてさらに研究を進める。
１　電磁波動観測データの機上処理の小型・高性能化にむけ、設計済みの波形圧縮モジュールの動作の安定性や信号の圧縮精度の定量的な評価を実施する。また波動の伝搬方向推定に必須となるスペクトルマトリクスの機上生成法について検討を進める。
２　複数波が同時到来する条件下での波動の伝搬方向を正確に行えるように、機上処理データの生成手法と取得データからの推定アルゴリズムの整合性を検証する。
３　既存の科学衛星で得られた電磁波動観測データから、プラズマ中の電子密度やイオン組成の空間分布や時間変動を推定する手法について検討を進める。

Causes of Carryover

昨年度までに製作した専用FPGAボードの評価において、FPGAボードのハードウェア的な障害や改良が必要となったときの設計・製作費を予算執行目的の一つとしていたが、大きな障害もなく信号処理モジュールの開発が進んでいる事、またデータの処理や評価のために研究補助作業を謝金で賄うことも想定していたが、研究補助を必要としない範囲で実験・解析が行えたため。その他の執行計画はほぼ予定通り進んでおり、研究計画への影響はない。

Expenditure Plan for Carryover Budget

最終年度に当たるため、次年度に繰り越した研究費は、国際会議などの成果報告や学術論文の出版費など、研究成果の公表に重点的に充てる形で予算執行する予定である。

Research Products

• [Journal Article] M/Q = 2 Ion Distribution in the Inner Magnetosphere Estimated from Ion Cyclotron Whistler Waves Observed by the Akebono Satellite (2015)
  • Author(s): S. Matsuda, Y. Kasahara, and Y. Goto
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 120(4) Pages: 2783-2795
  • DOI: 10.1002/2014JA020972
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 科学衛星で観測された波形データ処理を用いたNICTサイエンスクラウド上での並列分散処理の評価 (2015)
  • Author(s): 矢木 大介, 村田 健史, 笠原 禎也
  • Journal Title: 情報知識学会誌 Volume: 25(1) Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Inner Belt and Slot Region Electron Lifetimes and Energization Rates Based on AKEBONO Statistics of Whistler Waves (2014)
  • Author(s): V. Agapitov, A. V. Artemyev, D. Mourenas, Y. Kasahara, and V. Krasnoselskikh
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 119(4) Pages: 2876-2893
  • DOI: 10.1002/2014JA019886
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electromagnetic Ion Cyclotron Waves Suggesting Minor Ion Existence in the Inner Magnetosphere Observed by the Akebono Satellite (2014)
  • Author(s): S. Matsuda, Y. Kasahara, and Y. Goto
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 119(6) Pages: 4348-4357
  • DOI: 10.1002/2013JA019370
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] High-altitude M/Q = 2 Ion Cyclotron Whistlers in the Inner Magnetosphere Observed by the Akebono Satellite (2014)
  • Author(s): S. Matsuda, Y. Kasahara, and Y. Goto
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 41(11) Pages: 3759-3765
  • DOI: 10.1002/2014GL060459
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Spatial Distribution and Temporal Variations of Occurrence Frequency of Lightning whistlers Observed by VLF/WBA onboard Akebono (2014)
  • Author(s): Y. Oike, Y. Kasahara, and Y. Goto
  • Journal Title: Radio Science Volume: 49(9) Pages: 753-764
  • DOI: 10.1002/2014RS005523
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Diagnostics of multicomponent plasma using EMIC waves observed by Akebono (2015)
  • Author(s): S. Matsuda, Y. Kasahara, Y. Goto
  • Organizer: 名古屋大学太陽地球環境研究所研究集会「内部磁気圏研究集会」
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知）
  • Year and Date: 2015-03-18
  • Invited
• [Presentation] 太陽風中における月起源VLF波動 (2015)
  • Author(s): 笠原 禎也, 後藤 由貴, 橋本 弘藏, 大村 善治, 小嶋 浩嗣, 西野 真木, 齋藤 義文, 綱川 秀夫
  • Organizer: 名古屋大学太陽地球環境研究所研究集会「太陽圏シンポジウム」・「太陽地球環境と宇宙線モジュレーション」
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知）
  • Year and Date: 2015-03-05
  • Invited
• [Presentation] M/Q=2 ion distribution in the inner magnetosphere estimated from ion cyclotron whistler waves observed by the Akebono satellite (2015)
  • Author(s): S. Matsuda, Y. Kasahara, Y. Goto
  • Organizer: 名古屋大学太陽地球環境研究所研究集会「太陽地球系宇宙プラズマにおける重イオンの輸送・加熱・加速過程」
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知）
  • Year and Date: 2015-01-29
• [Presentation] GPSとQZSのTEC差によるプラズマ圏境界の推定法 (2015)
  • Author(s): 渡邉 涼太, 後藤 由貴, 笠原 禎也
  • Organizer: 統計数理研究所共同研究集会「電離圏・磁気圏モデリングとデータ同化」
  • Place of Presentation: 統計数理研究所（東京）
  • Year and Date: 2015-01-09
• [Presentation] 衛星搭載波形観測機用デジタル信号処理FPGAモジュールの評価用ボードの開発 (2014)
  • Author(s): 松井 大樹, 笠原 禎也, 小嶋 浩嗣, 後藤 由貴
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第136回総会及び講演会
  • Place of Presentation: キッセイ文化ホール（長野）
  • Year and Date: 2014-11-02
• [Presentation] 準天頂衛星からのTECデータを用いたプラズマ圏境界の推定に関する検討 (2014)
  • Author(s): 渡邉 涼太, 後藤 由貴, 笠原 禎也
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第136回総会及び講演会
  • Place of Presentation: キッセイ文化ホール（長野）
  • Year and Date: 2014-11-02
• [Presentation] The Radio & Plasma Wave Investigation (RPWI) for JUICE (2014)
  • Author(s): Y. Kasaba, H. Misawa, F. Tsuchiya, Y. Kasahara, T. Imachi, T. Kimura, Y. Katoh, A. Kumamoto, H. Kojima, S. Yagitani, K. Ishisaka, Y. Miyoshi
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第136回総会及び講演会
  • Place of Presentation: キッセイ文化ホール（長野）
  • Year and Date: 2014-11-02
• [Presentation] Evaluation of Data Compression Techniques Applicable for Plasma Wave Instruments (2014)
  • Author(s): Y. Kasahara, Y. Goto, S. Yamawaki, and H. Matsui
  • Organizer: European Planetary Science Congress 2014
  • Place of Presentation: Cascais(Portugal)
  • Year and Date: 2014-09-09
• [Presentation] Latitudinal distribution of auroral kilometric radiation ordinary and extraordinary wave modes observed by KAGUYA (2014)
  • Author(s): Y. Goto, K. Uda, Y. Kasahara, and K. Hashimoto
  • Organizer: 31th International Union of Radio Science (URSI)
  • Place of Presentation: Beijing(China)
  • Year and Date: 2014-08-23
• [Presentation] Plasma and wave observations in the deep lunar wake (2014)
  • Author(s): M. N. Nishino, Y. Saito, Y. Kasahara, Y. Omura, K. Hashimoto, T. Ono, H. Tsunakawa, Hideo, F. Takahashi, S. Yokota, Shoichiro, and M. Fujimoto
  • Organizer: 31th International Union of Radio Science (URSI)
  • Place of Presentation: Beijing(China)
  • Year and Date: 2014-08-22
  • Invited
• [Presentation] Ion cyclotron whistlers related to heavy minor ions observed by the akebono satellite and their distribution in the inner magnetosphere (2014)
  • Author(s): S. Matsuda, Y. Kasahara, and Y. Goto
  • Organizer: 31th International Union of Radio Science (URSI)
  • Place of Presentation: Beijing(China)
  • Year and Date: 2014-08-22
• [Presentation] Study on plasma waves and electron density profile around the moon observed by KAGUYA in the solar wind (2014)
  • Author(s): Y. Kasahara, K. Kanatani, Y. Goto, K. Hashimoto, Y. Omura, M. N. Nishino, H. Tsunakawa, and T. Ono
  • Organizer: 31th International Union of Radio Science (URSI)
  • Place of Presentation: Beijing(China)
  • Year and Date: 2014-08-21
• [Presentation] Electric Field, Plasma Wave Observation in the Magnetosphere of Mercury: Plasma Wave Investigation Onboard Bepicolombo (2014)
  • Author(s): Y. Kasaba, H. Kojima, G. Chanteur, M. Moncuquet, J.-E. Wahlund, S. Yagitani, A. Kumamoto, Y. Kasahara, P. Henri, T. Karlsson, J. Lichtenberger, T. Imachi, M. Ozaki, Y. Goto
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 2014
  • Place of Presentation: Royton Sapporo Hotel,（札幌市）
  • Year and Date: 2014-07-30
• [Presentation] Coordinated Long-period and Collaborative Study of Inner Magnetosphere by Akebono (2014)
  • Author(s): A. Matsuoka, Y. Kasahara, T. Nagai, A. Kumamoto, T. Abe, Y. Miyoshi
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 2014
  • Place of Presentation: Royton Sapporo Hotel,（札幌市）
  • Year and Date: 2014-07-30
• [Presentation] Estimation of Low-frequency Reflectivity of Lunar Surface Using Natural Waves Observed by the KAGUYA (2014)
  • Author(s): Y. Goto, R. Moriuchi, Y. Kasahara, A. Kumamoto
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 2014
  • Place of Presentation: Royton Sapporo Hotel,（札幌市）
  • Year and Date: 2014-07-30
• [Presentation] Statistical Analysis of EMIC Waves in the Inner Magnetosphere from the Akebono Observations (2014)
  • Author(s): Y. Kato, Y. Miyoshi, K. Sakaguchi, Y. Kasahara, K. Keika, N. Kitamura, M. Shoji, S. Hasegawa, A. Kumamoto, K. Shiokawa
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 2014
  • Place of Presentation: Royton Sapporo Hotel,（札幌市）
  • Year and Date: 2014-07-29
• [Presentation] Statistical Analysis of M/Q=2 Ion Cyclotron Whistlers Observed by Akebono (2014)
  • Author(s): S. Matsuda, Y. Kasahara, Y. Goto
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 2014
  • Place of Presentation: Royton Sapporo Hotel,（札幌市）
  • Year and Date: 2014-07-29
• [Presentation] Akebono Observations of EMIC Waves in the Slot Region of the Radiation Belts (2014)
  • Author(s): K. Sakaguchi, Y. Kasahara, M. Shoji, Y. Omura, Y. Miyoshi, T. Nagatsuma, A. Kumamoto, A. Matsuoka
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 2014
  • Place of Presentation: Royton Sapporo Hotel,（札幌市）
  • Year and Date: 2014-07-28
• [Presentation] Plasma Waves Related to Mini-Magnetospheres over Lunar Magnetic Anomalies Observed by LRS/WFC onboard KAGUYA (2014)
  • Author(s): Y. Kasahara, Y. Goto, K. Hashimoto, Y. Omura, H. Kojima, T. Ono, M. N. Nishino, Y. Saito, and H. Tsunakawa
  • Organizer: 6th Alfven Conference - Plasma Interactions with Solar System Objects -
  • Place of Presentation: London(United Kingdom)
  • Year and Date: 2014-07-11
• [Presentation] Global dynamics of the inner magnetosphere derived from long term observation by Akebono (2014)
  • Author(s): Y. Kasahara, A. Matsuoka, T. Nagai, A. Kumamoto, and T. Abe
  • Organizer: Japan Geoscience Union (JPGU) International Symposium 2014
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県）
  • Year and Date: 2014-04-28
• [Presentation] Akebono observations of EMIC waves in the slot region of the radiation belts (2014)
  • Author(s): K. Sakaguchi, Y. Kasahara, M. Shoji, Y. Omura, Y. Miyoshi, T. Nagatsuma, A. Kumamoto, and A. Matsuoka
  • Organizer: Japan Geoscience Union (JPGU) International Symposium 2014
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県）
  • Year and Date: 2014-04-28
• [Presentation] Statistical analysis of EMIC waves in the inner magnetosphere from the Akebono observations (2014)
  • Author(s): Y. Kato, Y. Miyoshi, K. Sakaguchi, Y. Kasahara, K. Keika, N. Kitamura, M. Shoji, S. Hasegawa, A. Kumamoto, and K. Shiokawa
  • Organizer: Japan Geoscience Union (JPGU) International Symposium 2014
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県）
  • Year and Date: 2014-04-28