次世代の衛星科学観測を実現するオンボード機械学習システムの開発と科学解析への応用

• 研究課題/領域番号: 23K22553
• 補助金の研究課題番号: 22H01282 (2022-2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2022-2023)
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分17010:宇宙惑星科学関連
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 松田 昇也 金沢大学, 電子情報通信学系, 准教授 (20772213)
• 研究分担者: 長谷川 達人 福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (10736862)
• 研究期間 (年度): 2024-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円); 2025年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2024年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2023年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2022年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円)
• キーワード: 機械学習 / オンボードシステム / 科学衛星 / プラズマ波動

研究開始時の研究の概要

本研究では，太陽地球系探査衛星として世界初の「人工知能技術搭載・オンボードデータ処理装置」を開発することを目的とする．世界各国が約60年間に渡って培ってきた科学観測の手法を，最新のビッグデータ解析技術との融合によって独自の切り口で進化させ，重要な自然現象の機上識別によって飛躍的なサイエンスアウトプット向上を目指す．

研究実績の概要

本研究では，来る10-20年の惑星探査計画のキー技術となり得る「人工知能技術搭載オンボードデータ処理装置」の開発に着手し，世界の先陣を切って衛星搭載に向けた技術獲得を目指している．特に，最先端デバイスの一つである動的再構成プロセッサ（DRP)を，世界で初めて衛星搭載プロセッサとして活用し，機械学習・推論の衛星機上実装による自動現象分類・抽出を実現する．当該年度は，あらせ衛星で観測されたプラズマ波動観測データ（電界・磁界パワースペクトルデータ）を模擬した疑似観測信号から，プラズマ波動の一種である高域混成共鳴放射（Upper Hybrid Resonance Emission）を自動抽出し，その特性周波数であるUHR（Upper Hybrid Resonance）周波数を同定するオンボードAIモデルを開発し，Renesas Electronics社製RZ/V2Lマイコンを搭載したDRP搭載ロジック評価ボードに搭載することでそのリアルタイム処理性能を評価した．システムはほぼ100%の精度で模擬信号を同定することができ，ダブルバッファリングの採用により，100 ms毎のリアルタイムUHR周波数推定を可能とした．また，機械学習モデルの学習済みパラメータを置換して動作させる仕組みを構築し，科学衛星搭載機器に実装した機械学習モデルのパラメータを事後更新することで精度向上を図る仕組みを確立した．本年度時点では疑似観測信号を用いた性能評価を行い，実観測データを用いた評価は実施できていないため，今後の研究でより現実に近い状況下でのUHR周波数決定精度の評価を行う必要がある．更に，本研究成果で得られたオンボードAIシステムを軌道上で実証する機会を獲得し，2027年の開発完了及び打ち上げを目指して衛星搭載に向けた検討を開始した．

現在までの達成度

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初予定していた，オンボードAIデバイスの科学利用に向けた性能評価と，衛星-地上間通信を模擬した環境でのモデルパラメータ更新の仕組みを構築することができた．一方，実観測データを用いた評価によって，より現実に近い状況下での性能評価を行うことが重要であり，今後取り組んでいく必要がある．また，当初計画以上の成果として，本研究成果を宇宙実証する機会の獲得に成功した．

今後の研究の推進方策

実観測データを用いた評価を行うとともに，より高機能（高精度・高速）なオンボードAI推論を実現するハードウェアやソフトウェアの検討を進める．また，今年度獲得した宇宙実証の機会に向けて，衛星搭載に向けたシステムの検討や試験を進めていく．

研究成果

• [雑誌論文] Properties of EMIC waves and EMIC wave-driven electron precipitation in subauroral latitudes observed at Athabasca, Canada (2025)
  • 著者名/発表者名: Hirai, A., F. Tsuchiya, T. Obara, Y. Miyoshi, Y. Katoh, Y. Kasaba, K. Shiokawa, A. Kumamoto, Y. Kasahara, S. Matsuda, H. Misawa, S. Kurita, C.-W. Jun, H. Ohya, M. G Connors
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. 巻: 130 号: 3 ページ: 1-20
  • DOI: 10.1029/2024ja033357
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Characteristic E-Region Plasma Signature of Magnetospheric Wave-Particle Interactions (2025)
  • 著者名/発表者名: Magnus F. I. Y. Miyashita J.-P. St-Maurice G. C Hussey B. Pitzel D. Galeschuk S. Marei R. B. Horne Y. Kasahara S. Matsuda S. Kasahara K. Keika Y. Miyoshi K. Yamamoto A. Shinbori D. R. Huyghebaer A. Matsuoka S. Yokota F. Tsuchiya
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 134 号: 14 ページ: 145201-145201
  • DOI: 10.1103/physrevlett.134.145201
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Direct Evidence for Electron Pitch Angle Scattering Driven by Electrostatic Cyclotron Harmonic Waves (2025)
  • 著者名/発表者名: Kurita S.、Miyoshi Y.、Kasahara S.、Yokota S.、Kasahara Y.、Matsuda S.、Kumamoto A.、Tsuchiya F.、Matsuoka A.、Hori T.、Keika K.、Teramoto M.、Yamamoto K.、Shinohara I.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 52 号: 5 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1029/2024gl113188
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Statistical Survey of Loss Cone Electrons Observed In Situ in the Inner Magnetosphere (2025)
  • 著者名/発表者名: Takahara R.、Shinohara I.、Kasahara S.、Asamura K.、Yokota S.、Keika K.、Kazama Y.、Wang S.‐Y.、Tam S. W. Y.、Chang T.‐F.、Wang B.‐J.、Jun C.‐W.、Hori T.、Matsuoka A.、Teramoto M.、Yamamoto K.、Kasahara Y.、Matsuda S.、Kumamoto A.、Shinbori A.、Tsuchiya F.、Miyoshi Y.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 52 号: 3
  • DOI: 10.1029/2024gl112948
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Detection of ultrafast electron energization by whistler-mode chorus waves in the magnetosphere of Earth (2025)
  • 著者名/発表者名: Kurita S.、Miyoshi Y.、Saito S.、Kasahara S.、Katoh Y.、Matsuda S.、Yokota S.、Kasahara Y.、Matsuoka A.、Hori T.、Keika K.、Teramoto M.、Shinohara I.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 15 号: 1 ページ: 992-992
  • DOI: 10.1038/s41598-024-80693-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Relativistic Electron Flux Decay and Recovery: Relative Roles of EMIC Waves, Chorus Waves, and Electron Injections (2024)
  • 著者名/発表者名: Zhang Zijin、Artemyev Anton、Mourenas Didier、Angelopoulos Vassilis、Zhang Xiao‐Jia、Kasahara S.、Miyoshi Y.、Matsuoka A.、Kasahara Y.、Mitani T.、Yokota S.、Hori T.、Keika K.、Takashima T.、Teramoto M.、Matsuda S.、Shinohara I.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 129 号: 12
  • DOI: 10.1029/2024ja033174
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Multi‐Platform Statistical Analysis of the Azimuthal Spatial Extent of the Microburst Precipitation Region (2024)
  • 著者名/発表者名: Elliott S. S.、Colpitts C.、Breneman A. W.、Pettit J. M.、Cantwell K. A.、Cattell C. A.、Halford A. J.、Shumko M.、Sample J.、Johnson A.、Miyoshi Y.、Kasahara Y.、Troyer R. N.、Millan R.、Hori T.、Shinohara I.、Matsuda S.、Matsuoka A.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 129 号: 12
  • DOI: 10.1029/2024ja033208
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Deep Learning Model Size Performance Evaluation for Lightning Whistler Detection on Arase Satellite Dataset (2024)
  • 著者名/発表者名: Suarjaya I Made Agus Dwi、Putri Desy Purnami Singgih、Tanaka Yuji、Purnama Fajar、Bayupati I Putu Agung、Linawati、Kasahara Yoshiya、Matsuda Shoya、Miyoshi Yoshizumi、Shinohara Iku
  • 雑誌名: Remote Sensing 巻: 16 号: 22 ページ: 4264-4264
  • DOI: 10.3390/rs16224264
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mercury’s plasma environment after BepiColombo’s third flyby (2024)
  • 著者名/発表者名: L. Hadid, D. Delcour, Y. Harada, M. Rojo, S. Aizawa, Y. Saito, N. Andre, A. N. Glass, J. M. Raines, S. Yokota, M. Franz, B. Katra, C, Verdeil, B. Fiethe, F. Leblanc, R. Modolo, D. Fontaine, N. Krupp, H. Kruger, F. Leblanc, H. Fischer, J.-J. Berthelier, J.-A. Sauvaud, G. Murakami, S. Matsuda
  • 雑誌名: Communications Physics 巻: 7 号: 1 ページ: 316-316
  • DOI: 10.1038/s42005-024-01766-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] On the phase difference of ECH waves obtained from the interferometry observation by the Arase satellite (2024)
  • 著者名/発表者名: Taki Tomoe、Kurita Satoshi、Shinjo Airi、Fukasawa Ibuki、Nakamura Satoko、Kojima Hirotsugu、Kasahara Yoshiya、Matsuda Shoya、Matsuoka Ayako、Miyoshi Yoshizumi、Shinohara Iku
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 76 号: 1 ページ: 106-106
  • DOI: 10.1186/s40623-024-02043-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Deep Entry of Low‐Energy Ions Into Mercury’s Magnetosphere: BepiColombo Mio’s Third Flyby Observations (2024)
  • 著者名/発表者名: Harada Yuki、Saito Yoshifumi、Hadid Lina Z.、Delcourt Dominique、Aizawa Sae、Rojo Mathias、Andr? Nicolas、Persson Moa、Fraenz Markus、Yokota Shoichiro、Fedorov Andr?i、Miyake Wataru、Penou Emmanuel、Barthe Alain、Sauvaud Jean‐Andr?、Katra Bruno、Matsuda Shoya、Murakami Go
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 129 号: 8
  • DOI: 10.1029/2024ja032751
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] On the factors controlling the relationship between type of pulsating aurora and energy of pulsating auroral electrons: Simultaneous observations by Arase satellite, ground-based all-sky imagers and EISCAT radar (2024)
  • 著者名/発表者名: Ito, Y., K. Hosokawa, Y. Ogawa, Y. Miyoshi, F. Tsuchiya, M. Fukizawa, Y. Kasaba, Y. Kazama, S. Oyama, K. Murase, S. Nakamura, et al.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 129 号: 7
  • DOI: 10.1029/2024ja032617
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cold Electron Temperature in the Inner Magnetosphere Estimated Through the Dispersion Relation of ECH Waves From the Arase Satellite Observations (2024)
  • 著者名/発表者名: Taki Tomoe、Kurita Satoshi、Kojima Hirotsugu、Kasahara Yoshiya、Matsuda Shoya、Matsuoka Ayako、Kazama Yoichi、Jun Chae‐Woo、Wang Shiang‐Yu、Tam Sunny W. Y.、Chang Tzu‐Fang、Wang Bo‐Jhou、Miyoshi Yoshizumi、Shinohara Iku
  • 雑誌名: Radio Science 巻: 59 号: 6 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1029/2023rs007927
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Observational evidence for 1 three time-scale modulations in the pulsating aurora (2024)
  • 著者名/発表者名: Chen, R., Y. Miyoshi, X. Gao, Q. Lu, B. Tsurutani, K. Hosokawa, H. Chen, T. Hori, Y. Ogawa, S. Oyama, Y. Kasahara, S. Matsuda, et al.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 51 号: 16
  • DOI: 10.1029/2024gl108253
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] BepiColombo observations of cold oxygen and carbon ions in the flank of the induced magnetosphere of Venus (2024)
  • 著者名/発表者名: Hadid, L. Z., D. Delcourt, Y. Saito, M. Franz, S. Yokota et al.
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 8 号: 6 ページ: 716-724
  • DOI: 10.1038/s41550-024-02247-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] IMPACT Project: A Microsatellite Mission to Investigate Ducting Magnetospheric Plasma Wave Activity (2025)
  • 著者名/発表者名: S. Matsuda, S. Yagitani, D. Yonetoku, Y. Kasahara, I. Jikuya, T. Imachi, Y. Shoji, T. Sawano, M. Arimoto, M. Ozaki, M. Kimura, Y. Katoh, A. Kumamoto, S. Kasahara, H. Kojima, S. Kurita, Y. Omura, Y. Miyoshi, M. Teramoto, K. Kitamura, S. Saito, I. Shinohara, K. Asamura, T. Mitani
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2025
  • 招待講演
• [学会発表] IMPACT Project: A Microsatellite Mission to Investigate Ducting Magnetospheric Plasma Wave Activity (2025)
  • 著者名/発表者名: S. Matsuda, S. Yagitani, D. Yonetoku, Y. Kasahara, I. Jikuya, T. Imachi, Y. Shoji, T. Sawano, M. Arimoto, M. Ozaki, M. Kimura, Y. Katoh, A. Kumamoto, S. Kasahara, H. Kojima, S. Kurita, Y. Omura, Y. Miyoshi, M. Teramoto, K. Kitamura, S. Saito, I. Shinohara, K. Asamura, T. Mitani
  • 学会等名: AOGS Annual Meeting 2025
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] An Empirical Plasmapause Model using Arase/PWE Data and Machine Learning (2024)
  • 著者名/発表者名: Yuto Asawa, Shoya Matsuda, Yoshiya Kasahara, Yoshizumi Miyoshi, Iku Shinohara
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2024
• [学会発表] Development and Initial Operation of Onboard Data Recorder on the Kanazawa University Satellite "KOYOH" (2024)
  • 著者名/発表者名: Daichi Eguchi, Shoya Matsuda, Yoshiya Kasahara, Tomohiko Imachi, Tatsuya Sawano, Yasuhiro Shoji, Ichiro Jikuya, Makoto Arimoto, Mariko Kimura, Daisuke Yonetoku, Satoshi Yagitani
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2024
• [学会発表] Study on Onboard High-Speed Machine Learning Inference using Dynamically Reconfigurable Processor (2024)
  • 著者名/発表者名: Taisei Ukita, Shoya Matsuda, Yoshiya Kasahara, Yuto Morikoshi
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2024
  • 国際学会
• [学会発表] Study on the Automatic Event Classification System using a Machine Learning Inference on FPGA (2023)
  • 著者名/発表者名: Taisei Ukita, Shoya Matsuda, Yoshiya Kasahara
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2023
  • 国際学会