Cute-1.7 + APD II - サブシステム

通信系とは？

通信系は，衛星・地球局間のデータ送受信を行う役割を担い，衛星の命綱となるサブシステムである．2006年2月に打ち上げられたCute1.7+APD は約一ヶ月に渡って基本機能の実証に成功した．日本の大学が開発したCubesatとしては初めてGMSK変調方式での通信を行い，運用に当たっては世界中のアマチュア無線家から受信報告を受けた．Cute1.7＋APD II はこのCute1.7+APD　1号機の改良型であり，1号機で最後まで達成できなかった目標を達成するため，改良を施した衛星を短期間で開発し，打上げ，運用を行う．Cute1.7+APD II ではCute1.7+APDに引き続き通信周波数はアップリンクにアマチュアバンド144MHz帯および1200MHz帯，ダウンリンクにアマチュアバンド430MHz帯を使用する．本衛星Cute-1.7 2号機はアマチュア衛星であり，国際アマチュア無線連合(IARU)による調整済み周波数を利用しており，総務省の指示を受けながら無線免許の取得手続きを行っている．衛星の管制局は東京工業大学大岡山キャンパス内に設置している．（地上局）
さらに，Cute-1.7 + APD IIでは，CUTE-IおよびCute1.7において経験したアマチュア衛星運用を元に，また，経験豊富な世界中のアマチュア無線家と緊密な連絡を取り合いながら，この衛星をアマチュア衛星としてより有効に利用してもらうため，Cute1.7　1号機に引き続いて以下を主目的としている．

アマチュア無線衛星としての性能向上
一般のアマチュア無線ユーザ向けの実験機会の提供

Cute-1.7 + APD IIからの電波を受信する方法およびデジピータ機能の利用方法などについては，Cute-1.7 + APD IIアマチュアサービスステーションのページをご覧ください．

通信系のミッション

アマチュア無線機を搭載した大学衛星の技術蓄積
CubeSatのような超小型衛星の通信システムにおける課題は，通信速度の向上，システム全体の精錬の二点が挙げられる．そこで，前者に関しては，従来は1200bpsであった速度を，アマチュア無線という制約の元でできるだけ向上させるため，通常の2値変調であるGMSKなどの方式を用いて，法規上20kHzの帯域以内で可能な9600bpsの通信を目標とする．また，将来的な大学衛星では，いつまでも「アマチュア」とみなされるわけではないので，専用周波数を使った無線機の開発は必要となり，可能な限り無線機を直に扱うことで，技術を蓄積していく．
後者のシステム全体の精錬に関しては，構造要求の大変厳しい本衛星では，将来的な通信容量増加，高周波の利用必要性を考え，1.2GHz帯を実験的に使用する．大学衛星として，GHz帯を使用するのははじめての試みである．
アマチュア・サービスミッション(デジピータ機能実証実験・広域データ受信実験)
Cute-1.7 + APDで IIは，世界中のアマチュア無線ユーザが自由にメッセージを送受信し交信ができるように，衛星側の受信機を1台追加し，この受信機の周波数は公開することで，アマチュア無線で一般的な通信方式を使って，メッセージを受け付けるようにする．このメッセージに，軌道上環境データや，カメラが取得した画像，観測データなどを付加して，本ミッション時間外であればFMパケット送信機を利用して，自由に取り出すことができる．このような機能は，デジタル・リピータ(中継)機能，短縮してデジピータと呼ばれる．
また，Cute-1.7 + APD IIにおける実験では，世界中のアマチュア無線ユーザが自主的に観測データを取得することにもなるので，データをうまく管理できれば，全地球規模で観測データを取得できることになり，その可能性を検討する実験でもある．東工大では，インターネットを利用して，取得データを世界的に管理するシステムの検討も行っている．

通信機能

通信系が持つ機能は以下の通りである．

管制局からのコマンドを受信し，判断する
ビーコンであるCWテレメトリを地上へ送信する
ミッションデータを含むFMテレメトリを指定の通信プロトコルで地上へ送信する
衛星分離時に，収納されている通信アンテナの展開を行う
衛星の危機管理を行う
アマチュア無線家が利用可能なデジピータ機能を実現する

Cute-1.7 + APD IIの通信概念図

搭載機器

Cute-1.7 + APD IIの通信系を構成する機器を以下に示す．

搭載無線機
通信回線は４回線あり，無線機はそれぞれに対し各１台の計４台構成である．
Radio on board

	周波数 (MHz)	通信形式	通信プロトコル	無線機	送信出力 (mW)	消費電力 (mW)
アップリンク (管制)	144MHz帯	AFSK 1200bps / GMSK 9600bps, DTMF	AX.25/SRLL, DTMF	DJ-C5 (ALINCO)		??
アップリンク (サービス)	1200MHz帯 1267.6MHz	GMSK 9600bps	AX.25/SRLL	TH-59(KENWOOD)		??
ダウンリンク	430MHz帯 437.475MHz	AFSK 1200bps / GMSK 9600bps	AX.25/SRLL	DJ-C5 (ALINCO)	300	??(MAX)
ダウンリンク	430MHz帯 437.275MHz	CW	CW	カスタムメイド(Cosmowave)	100	750(送信時)

上図左からDJ-C5(for 144RX and 430TX)，CW-TX(for 430TX)，TH-59(for 1200RX))

通信アンテナ
Cute-1.7 + APD IIの通信アンテナには，CUTE-I，Cute1.7 1号機で実績のあるモノポールアンテナを，4回線すべてに採用する．1200MHzモノポールアンテナにおけるゲイン低下分については，受信プリアンプを搭載することで補う．
アンテナの材質はCUTE-Iと同様，鋼鉄リボン線(0.2mm厚，3mm幅)を用い，絶縁性・耐環境性・減衰性を考慮し，耐摩耗性テフロンコーティング処理を行っている．
ロケット打ち上げ時は，アンテナは構体内部に円周状に巻き込み収納されており，軌道投入後，自動的に展開される．この展開方式はCUTE-Iと同様のものである．
通信系コントローラ
通信系システムのコントローラは，GMSK/AFSKを生成する変調部，および復調を行う必要があるが，送信系・受信系それぞれに対して1つのマイコンを搭載し，合計2つのマイコンを搭載している．これらはシリアル通信で結ばれており，相互に通信が可能となっている．メインコンピュータであるPDAは受信系につながっているために，地上へデータをダウンリンクする場合は，一度受信系のマイコンを通り，送信系に伝えられる．メインミッションのAPDペイロードについては，ミッション優先度の理由で，従来のシリアル通信ケーブルを送信系から接続できるようにしている．同様に，アップリンクされた信号は，送信系のマイコンを介して，APDに伝えられる．
マイコンには，Renesas Technology社製，H8S/2328Fフラッシュ品を採用している．動作周波数は25MHz，256kBのROMと，8kBのRAMを持つ．ガンマ線照射試験を行い，軌道上でのトータルドーズ耐性を確認した．また、2006年5月に実施した放射線試験において、シングルイベント耐性を測定した．その結果、SEL対策として、過電流防止回路を設置することにした．

システムブロック図

通信系システムブロック図を下に示す．

衛星危機管理システム

通信系は上記に述べた通信機能を持つだけでなく，以下に示すような危機管理システムとしての役割も担う．

リセット管理
衛星内の主要な基板への電源供給を制御するFETのコントロールは，通信系のマイコンが行う．また，通信系の2つのマイコンは，ともに外部リセット回路により地上からリセットをかけることが可能である．
メモリ機能
通信系基板に不揮発性メモリFeRAMを搭載し，状態を記録する．PDAが動作しない場合にも，最低限の情報を記録できるようにする設計である．FeRAMの容量は64kbitである．
電圧モニタ
衛星のヘルスモニタリングデータとなるEPSの各電圧をマイコンのA/D変換器で取得し，衛星状態を監視する．
電池，通信系基板の温度モニタ
衛星搭載２次電池および通信系基板上に温度センサを搭載し，温度をA/D変換で取得する．

デジピータ機能

Cute-1.7 + APDにおいては，CUTE-I，XI-IVといったCubeSat受信チームをはじめとしたアクティブなアマチュア無線家の方からの意見を反映し，超小型衛星において実現可能なアマチュア無線サービスとしてデジピータサービスミッションを提案した．
1号機ではこのサービスは行うことのできなかったが、2号機では再び下記に示すデジピータ機能を搭載する．

同時に可視範囲に入らない地域(異国間)と交信が可能
同時に可視範囲に入れる地域では衛星を介したリアルタイムな通信が可能(デジピータ動作)
どのような種類のデータもアップリンク可能(メッセージ/画像/音…)(但し，アップリンク可能データサイズの上限は設定)
サービスミッションの運用スケジュールは管制局が設定し，Webで告知

上図は具体的な交信のイメージである．衛星は，アマチュア・サービスミッションの中において，マルチキャストモードとアップリンクモードの２種の運用モードを持っている．マルチキャストモードは，衛星内に保持しているメッセージデータを定期的にダウンリンクするモードであり，誰でもそのメッセージを受信することができる．アップリンクモードは，1.2G帯受信機がONになり，アマチュア無線家からのアップリンクを受け入れることが可能であり，受け入れたデータを衛星内に蓄積していくモードである．各モードの詳細などデジピータ機能の利用方法については，Cute-1.7 + APD IIアマチュアサービスステーションのページをご覧ください．

Cute1.7　1号機からの変更点

Cute1.7+APD IIでは、Cute1.7から以下の点を主に変更した．

過電流防止回路の設置
2006年5月に実施したマイコンの放射線試験において，シングルイベント耐性を測定した．その結果，SELが起きた際に過電流が流れる現象が確認された．また、その過電流を検知し、一度衛星にリセットをかけることで通常状態に復帰することが判明したため、過電流を検知する回路を搭載することにした．
通信機ボックスの再設計
2号機の通信機ボックスでは，電磁気密性を強化した通信機ボックスを再設計した．外部へのハーネスは基板を介し，各無線機が完全に壁で仕切られた形状を採用した．
デコード率の向上を目的とした諸変更