超小型衛星が拓く雷起源電磁波を利用した宇宙環境モニタシステムの開発

2023 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 22K19845
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 笠原 禎也 金沢大学, 学術メディア創成センター, 教授 (50243051)
• 研究期間 (年度): 2022-06-30 – 2025-03-31
• キーワード: 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

研究実績の概要

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。
今年度は、開発中の人工雑音除去機能の定量評価を行った。昨年度までに、周波数領域における振幅特性（スペクトル）で良好な雑音除去特性が得られることを確認済みであが、波形レベルでの振幅・位相特性は未確認であった。これに対し今年度は、所望信号に白色雑音や矩形波雑音を混入した信号の雑音除去後の信号が、どの程度、所望信号を正確に再現するかを、疑似信号を用いて、信号対雑音比（SN比）をパラメータとして定量的に明らかにした。
並行して、昨年度から着手している、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についても検討を行った。昨年度段階では、機上での実時間動作には計算量が過大であることが課題であったが、採用するアルゴリズムを簡素化し、検知性能を大きく損なうことなく計算負荷を削減する方法を考案した。
最終年度は、これらの開発した各モジュールを統合し、実機上での動作検証をめざす。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

雑音除去性能の定量評価に加え、雷起源電波などの自然波動を対象とするイベント検知機能についても実機搭載可能なロジックが確立しつつある。今後、実機検証を進め、問題点の洗い出しと、手法改善を進める。

今後の研究の推進方策

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。

次年度使用額が生じた理由

本研究課題に必要な経費を計画的に予算執行し、1万円余の残高が発生している。今年度執行額や次年度使用予定額に比して極少額（1%以下）であるため、繰り越して次年度で有効活用する方がよいと判断した。

研究成果

• [雑誌論文] Phase Difference of Electron Cyclotron Harmonic (ECH) Waves Observed by Using the Interferometry Observation Mode of the Arase Satellite (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoe Taki, Satoshi Kurita, Airi Shinjo, Satoko Nakamura, Hirotsugu Kojima, Yoshiya Kasahara, Shoya Matsuda, Ayako Matsuoka, Yoshizumi Miyoshi, Iku Shinohara
  • 雑誌名: URSI Radio Science Letters 巻: 4 ページ: -
  • DOI: 10.46620/22-0046
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Interhemispheric ionosphere-plasmasphere system shows a high sensitivity to the exospheric neutral hydrogen density: a caution of the global reference atmospheric model hydrogen density (2023)
  • 著者名/発表者名: Dmytro Kotov, Phil G. Richards, Maryna Reznychenko, Oleksandr Bogomaz, Vladimir Truhlik, Susan Nossal, Edwin Mierkiewicz, Taras Zhivolup, Igor Domnin, Yoshizumi Miyoshi, Fuminori Tsuchiya, Atsushi Kumamoto, Yoshiya Kasahara, Masahiro Kitahara, Satoko Nakamura, Ayako Matsuoka, Iku Shinohara
  • 雑誌名: Frontiers in Astronomy and Space Sciences 巻: 10 ページ: -
  • DOI: 10.3389/fspas.2023.1113706
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Propagation Analysis Method Considering Angular Spread for Random Electromagnetic Waves in Magnetized Cold Plasma (2023)
  • 著者名/発表者名: Mamoru Ota, Yuji Tanaka, Yoshiya Kasahara
  • 雑誌名: Radio Science 巻: 58 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2023RS007673
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Whistler-mode waves in Mercury’s magnetosphere observed by BepiColombo/Mio (2023)
  • 著者名/発表者名: Mitsunori Ozaki, Satoshi Yagitani, Yasumasa Kasaba, Yoshiya Kasahara, Shoya Matsuda, Yoshiharu Omura, Mitsuru Hikishima, Fouad Sahraoui, Laurent Mirioni, Gerard Chanteur, Satoshi Kurita, Satoru Nakazawa, Go Murakami
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 7 ページ: 1309～1316
  • DOI: 10.1038/s41550-023-02055-0
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A Bayesian k-vector estimation method for electromagnetic waves in magnetized cold plasma (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuji Tanaka, Mamoru Ota, Shoya Matsuda, Yoshiya Kasahara
  • 雑誌名: URSI Radio Science Bulletin 巻: 2021 ページ: 77～82
  • DOI: 10.23919/URSIRSB.2021.10292818
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Non-sinusoidal waveforms of electric potential produced by photoelectrons and spacecraft charging detected by Arase PWE (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoko Nakagawa, Tomoaki Hori, Satoko Nakamura, Yasumasa Kasaba, Masafumi Shoji, Yoshizumi Miyoshi, Masahiro Kitahara, Shoya Matsuda, Yoshiya Kasahara, Iku Shinohara
  • 学会等名: Japan Geoscience Union (JpGU) 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Development of the simulator for onboard data recorder and application to Kanazawa University Satellite "KOYOH" (2023)
  • 著者名/発表者名: Daichi Eguchi, Yoshiya Kasahara, Shoya Matsuda, Tomohiko Imachi, Yasuhiro Kishino, Takashi Ito, Shogo Ishiguro, Satoshi Yagitani
  • 学会等名: Japan Geoscience Union (JpGU) 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Study on the Automatic Event Classification System using an 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 (JpGU) 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Tracking the Upper Hybrid Resonance Emission in the Inner Magnetosphere using a Convolutional Neural Network (2023)
  • 著者名/発表者名: Shoya Matsuda, Tatsuhito Hasegawa, Atsushi Kumamoto, Fuminori Tsuchiya, Yoshiya Kasahara, Yoshizumi Miyoshi, Yasumasa Kasaba, Ayako Matsuoka, Iku Shinohara
  • 学会等名: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Statistical Features of Plasma Wave Spectra Derived from 6 Years Observation by PWE/OFA on board the Arase (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshiya Kasahara, Keita Hayashi, Shoya Matsuda, Yoshizumi Miyoshi, Ayako Matsuoka, Jean-Francois Ripoll, David M. Malaspina, Satoko Nakamura, Iku Shinohara
  • 学会等名: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Plasma wave observations by the LFAS/WFC onboard the SS-520-3 sounding rocket (2023)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Zushi, Satoshi Kurita, Keigo Ishisaka, Yoshiya Kasahara, Mitsunori Ozaki, Satoshi Yagitani, Yuto Katoh, Takumi Abe, Keisuke Hosokawa, Yasunobu Ogawa, Yoshifumi Saito, Hirotsugu Kojima
  • 学会等名: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Feature analysis of chorus elements observed by the Arase satellite (2023)
  • 著者名/発表者名: Takaya Hiratsuka, Yoshiya Kasahara, Shoya Matsuda, Yoshizumi Miyoshi, Iku Shinohara
  • 学会等名: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Modeling Electric Potential Produced by Photoelectrons and Spacecraft charging: A case of the Arase satellite (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoko Nakagawa, Tomoaki Hori, Satoko Nakamura, Yasumasa Kasaba, Masafumi Shoji, Yoshizumi Miyoshi, Masahiro Kitahara, Shoya Matsuda, Yoshiya Kasahara, Iku Shinohara
  • 学会等名: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of KOYOH and Space Science and Technology Education at Kanazawa University (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomohiko Imachi, Satoshi Yagitani, Daisuke Yonetoku, Yoshiya Kasahara, Tatsuya Sawano, Ichiro Jikuya, Yasuhiro Shoji, Makoto Arimoto, Shoya Matsuda, Mitsunori Ozaki, Ryuichi Fujimoto
  • 学会等名: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] 光電子と衛星帯電によるスプリアス太陽向き電場成分の除去 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中川 朋子, 堀 智昭, 中村 紗都子, 笠羽 康正, 小路 真史, 三好 由純, 松田 昇也, 笠原 禎也, 篠原 育
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会(SGEPSS)2023年秋季年会
• [学会発表] Development of the real-time steady-state noise reduction module for plasma wave waveforms on FPGA (2023)
  • 著者名/発表者名: 水野 辰之佑, 笠原 禎也, 松田 昇也
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会(SGEPSS)2023年秋季年会
• [学会発表] あらせ衛星で観測されたNWC送信局信号の伝搬特性解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 牛山 大洋, 笠原 禎也, 松田 昇也, 土屋 史紀, 熊本 篤志, 松岡 彩子, 三好 由純, 中村 紗都子, 篠原 育
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会(SGEPSS)2023年秋季年会
• [学会発表] Plasma wave measurements and remote sensing techniques for the solar-terrestrial research (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshiya Kasahara
  • 学会等名: Invited Lecture at Udayana University, Indonesia
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Signal processing technology in radio science for solar-terrestrial research (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshiya Kasahara
  • 学会等名: 2023 IEEE Asia Pacific Conference on Wireless and Mobile (APWiMob2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Propagation characteristics of the NWC signals detected by the Arase satellite (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshiya Kasahara, Taiyoh Ushiyama, Yui Umezawa, Shoya Matsuda, Fuminori Tsuchiya, Atsushi Kumamoto, Ayako Matsuoka, Yoshizumi Miyoshi, Gregory Cunningham, Jean-Francois Ripoll and David Malaspina
  • 学会等名: American Geophysical Union Fall Meeting 2023
  • 国際学会