第23回マイクロエレクトロニクスワークショップ7th Responsive Space Conference (April, 2009) Semicustom satellite design/assembly /test are completed within 2-3 days

1MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION PROPRIETARY INFORMATION ANY AND ALL UNAUTHORIZED REPRODUCTION OR DISCLOSURE STRICTLY PROHIBITED

衛星システムからみた宇宙機器・部品への要求Requirements to components & parts for space use from the satellite system point of view

三菱機株式会社宇宙システム事業部Mitsubishi Electric Corporation, Space Systems Division

宇宙開発利用推進室室長小山浩Office for Space Utilization and Strategy PlanningGeneral ManagerHiroshi Koyama

第23回マイクロエレクトロニクスワークショップ23th Microelectronics Workshop


宇宙システム開発上の課題Issues about space system development

インテグレーション性の向上Improvement of efficiency for space system integration

部品レベルからの革新Revolution from parts for space use

MEMS技術の活用Utilization of MEMS technology

高機能素子の活用Utilization of advanced functional LSI

目次Contents



宇宙基本法、宇宙基本計画Basic space law, Basic plan for space policy 開発から利用へ

from R&D to Utilizationシリーズ化、量産化series production, mass production

商用衛星市場の拡大（商用通信衛星、海外観測衛星）Enlargement of commercial satellite market QCDの向上

improvement of QCD(Quality Cost Delivery)開発・製造負荷の低減Reduction of development and manufacturing

インテグレーション性の向上Improvement of integration process


宇宙システム開発のタイムライン（典型例）Timeline for space system development(typical example)

概念設計

ミッション機器先行開発Development of mission payload

ブレッドボードモデルBread Board Model

約２年で製造後軌道上納入On orbit delivery within about 2 years

商用衛星のケースCommercial Satellite

１(年度) ２３４５

概念設計予備設計基本設計４詳細設計維持設計

設計審査

エンジニアリングモデルEngineering Model

プロトフライトモデルProto Flight Model 打上げ

Launch運用管制Operation

新規衛星開発のケースR&D satellite

AITAssembly Integration & Test


フライトモデルFlight Model

AIT

打上げLaunch

運用管制Operation


インテグレーションIntegration

(Mechanical/Electrical)

初期電気性能試験Electrical

Performance Test

アライメント計測Alignment

measurement

熱真空試験Thermal Vacuum Test

推進系リーク試験RCS leak

Test

AIT(Assembly Integration & Test)の標準期間Standard time line for AIT


EMC試験EMC Test

(PFM only)

正弦波振動試験SinusoidalVibration Test

音響試験Acoustic

Test

太陽電池・アンテナ展開試験

Solar array/Antenna deploymentTest

質量特性試験計測Mass propertyMeasurement

終機能性能試験Final Electrical

Performance Test

アライメント計測Alignment

measurement

約４～5ヶ月Around 4-5 Months

約10ヶ月Around 10 Months

PFTProto Flight Test



インテグレーション性の優れたシステムアーキテクチャの確立Establishment of system architecture for efficient integration

開発・製造を容易にする高機能部品の開発Development of advanced functional parts for efficient manufacturing

今後の方向性Future directions

宇宙技術Space technology

民生技術Commercial technology

高信頼性High reliability

環境耐性Space Environment

先端技術Leading edge technology

短期開発・量産Short development cycleMass production

高集積化LSI

故障検知・再構成FDIR(Fault Detection,Isolation & reconfiguration)

試験検証手法Verification method

ネットワーク技術Network technology

新民生技術の反映が重要Utilization of recent commercial technology

©JAXA

©JAXA

©JAXA ©Apple



地上民生分野の新技術へ注目Utilization of recent commercial technology

プラグアンドプレイUSB機器（マウス、メモリ、、、）Plug & playUSB interface

IP化、LANインターネット、域内ネットワークInternet Protocol, LAN

ワイヤレスWireless

参考にすべき事例Example of next generation technology

レスポンシブスペースResponsive Space

WiSARWireless Synthetic Aperture Radar


海外事例：米国レスポンシブルスペースExample : Responsive Space(U.S.)

レスポンシブ：識別された要求に基づき、２４時間以内に必要な情報を提供する

小型衛星を活用：約500㎏以下可能であれば200ｋｇ以下打ち上げ費の低減、開発・製造期間の短縮を図る

特徴：小型ペイロードによりより良い性能を得るため、低高度を飛行低高度飛行のため、短寿命を許容（半年以下、可能であれば2年）短寿命であるため、民生部品活用が可能量産化、短期製造に向けたインテグレーション方式が特徴


Responsive : provide necessary information within 24hrs from spaceUtilization of small satellite: satellite mass < 500kg(200kg if possible)Characteristics

Injection to low altitude orbit to attain better performance with small sensorsShort life time is permitted because of low altitude orbitCommercial parts can be utilized because short life time is permittedAdopt recent commercial technology to attain short term development & mass production

19th Small Satellite Conference (Aug., 2005)


レスポンシブルスペースの開発計画Development plan of Responsive Space project

区分 TacSat1(cancel) TacSat2(2006) TacSat3(2009) TacSat4(2011) TacSat5

システムSystem

・小型衛星バス・低コスト

打上げシステム・ネットワーク

-Small satellite-Low cost launch system

-Internet ProtocolNetwork

・通信系CDL Common Data Link

・標準バス(標準電子機器）Standard

platformequipment

・超楕円軌道対応移動体通信システムSatellite for mobile communication

・即応打上げ、プラグ&プレイ、モジュール化等(計画中）

-Responsive launch

-Plug & playmodule

ミッションMissionPayload

・可視(70m）・赤外(850m)・RFペイロード-Visible(GSD 70m)-IR(GSD 850m)-RF payload

・可視(1m)・RFペイロード-Visible(GSD 1m)-RF payload

・ハイパースペクトルセンサー

-Hyper spectrum sensor

・移動体通信-Mobile communication


NASA HP NASA HP

NRL HP


衛星による観測要求発生後のCall Upから軌道上運用迄6日間で実施することを目標

衛星はモジュール化され、倉庫品として保管必要なモジュールを要求に応じ組み合わせS/Wインストール後専用ロケットで打ち上げ

Plug & PlayQuick Integration Quick Checkout 1-Day Checkout

Autonomous Calibration

米国レスポンシブルスペースの主要概念：6 Day SpacecraftMajor concept of Responsive Space



Satellite will be launched and operated within 6days after first call upSatellite modules are stored and after call up, appropriated modules are

selected and assembled. After installation of SW, it will be launched.


レスポンシブスペースにおけるインテグレーション短縮に向けた技術例（１）Example of technology for efficient integration in RS project

Space Plug & Play(PnP) Avionics(SPA)・衛星のインテグレーション＝プラグイン・PnP に関わる各種標準を規定（右図）・具体的な汎用インタフェースとしてＵＳＢ及び、

ＳＰＡＣＥＷＩＲＥ等を活用・SPA標準に適合した機器をCEB

(Core Electronics Block)として開発

標準化規定Standards for PnP


Space Plug and Play Avionics- Satellite integration = plug in- PnP Standards are defined as shown in the

figure- USB and Space Wire are adopted as standard

interface- Components that are coincides with SPA standards have been

developed as Core electronics Block(CEB)



PnP衛星事例Example of PnP Sat

2-3日でセミカスタムの衛星の設計、組み立て、テストを完了オープンスタンダードとインタフェースを有するモジュラー型衛星を確立各モジュールは自分自身の機能定義を保持、組み立てが完了すると

自動的に全体システムが構築される

–寸法: 51 x51 x 61.2 cm.–重量: 34.7 kg

標準機械的ＩＦの例Example of standard mechanical interface5cｍｘ5ｃｍのパタン本IFに適合するよう機器を設計

レスポンシブスペースにおけるインテグレーション短縮に向けた技術例（2）Example of technology for efficient integration in RS project


7th Responsive Space Conference (April, 2009)

Semicustom satellite design/assembly/test are completed within 2-3 daysModular type satellite is established that has open standard s and interfaces


内部構造HUB:ハブHCB:ハイパワーサーキットブレーカーSpW:スペースワイヤールーター


PnP衛星事例（続き）Example of PnP Sat(cont.)

標準電気的ＩＦの例Example of standard electrical interface


Standard structureHUB: HubHCB; High power Circuit BrakerSpW: Space Wire router


Self-Defining Data Sheet・コンポーネントの特性を記載するデータシート

Data sheet that describes components characteristics・データ内容・受付可能なコマンド・インタフェース・提供サービス内容

プラグアンドプレイのため、下記の仕組みがインストールされているFollowings are installed for PnP operations

Common Data Dictionary・標準データの定義

Deification of standard data・関係ある機器への配信

Data delivery for related components





http://rapidait.wordpress.com/4/30 Packing for shipment begins at 1:37 MDT.

4/29 Mission scenarios. 3:15 MDT

4/29 Vibration testing has begun. 10:38 MDT

All panels are attached as of 1:22 MDT Assembly begins at 12:54 MDT, 28 April 2009. Component mounting nearing completion...

First bus functional test, 91 minutes from order. Bus functional test was successful, and assembly has resumed. 2:55 MDT

Three hours since the order. 3:54 MDT

Communication module attached. 4:38 MDT Attaching solar array. 5:23 MDT

RS７会場でのPnPのデモンストレーションのため、組立状況のリアルタイム中継を実施約2日で組立を完了

組立開始4.28 12:54

組立完了4.30 1:37



AIT demonstration of PnP satellite has beenperformed during the RS7.

AIT has completed within about 2 days.

ミッションシナリオのインストール




©Aerospace Corp

PnP化による衛星組立構想例Reconfigurable satellite assembly concept based on PnP structure


海外事例：インターネット化Example : Utilization of internet


レスポンシブスペース衛星をインタネット上

のノードと認識地上運用設備

（運用端末）からは、インターネットにより衛星にアクセス試験、運用の効率化

が可能

In Responsive Space, internet is utilizedEach satellite is identified as internet nodeEach satellite can be accessed from ground stations(terminals) via internet

宇宙用ルーターCISCO社が宇宙用ルータを開発Intelsat14に試験搭載

©CISCO

CISCO has developed IP router for space useIntelsat14 has equipped the router for onboard

verificationインターネットによる運用概念図



海外事例：WiSAR（MacDonald Dettwiler and Associates, Ltd.）



WiSARの特徴SARアンテナにTRモジュール、太陽電池、リチウム

イオン電池及び制御、モニタ機能を搭載SARアンテナ‐バス間の電源ケーブルを削除ワイヤレスによりレーダでの受信信号を本体側に送信SARアンテナの展開と太陽電池アンテナの展開は兼用アンテナの捻れ計測を実施、位相調整により補償

Self-contained active antenna node incorporates the RF circuitry of a Transmit Receive Module (TRM) with a Solar power source, Lithium-Ion cells, and control and monitoring functions.

A wireless “space feed” as a means of eliminating the azimuth and elevation RF power distribution networks, including all the associated cables and harnesses on a typical SAR antenna.Deployment of the SAR Antenna using low cost solar array deployment

mechanisms .Active, dynamic antenna distortion measurement and compensation system is

used.

観測データをRFで伝送



国内事例：先進衛星構体（METI/USEF殿開発）Example : Advanced Satellite Structure Experimental Module(METI/USEF/MELCO)

SERVIS-2搭載先進衛星構体Advanced Satellite structure experimental Module(ASM) for SERVIS-2

先進衛星構体は電気ケーブル（ワイヤハーネス）を厚さ2～3cm程度の衛星構体パネル内に埋め込み、広い機器取り付け面を提供し、大型の機器も自由に配置できることを目指制御用計算機と搭載機器の間をプラグアンドプレイ（Plug & Play）性に富んだCANバスで接続し、より自在な機器配置を可能とするこれにより衛星の小型軽量化、衛星組立・試験簡素化を目指すServis-2に搭載、実証実験中

Advanced Satellite structure experimental Module(ASM) includes wire-harness/parts within the structureThis provides wide area for equipment allocationsASM also provides plug & play capability with CAN busThis makes satellite size small and leads to efficient satellite assembly and

verificationASM has been installed in SERVIS-2 spacecraft and is under evaluation



先進衛星構体の構造Structure of Advanced Satellite Structure Experimental Module

先進構体活用により余剰スペースが発生

ペイロード機器搭載等に利活用可能

Free spaces resulted from adoption of ASM can be utilizedto allocate payloads equipmentsand etc.

Harness

CFRO case

Embeddedelectronics

Interface module

Access cover



宇宙システムのインテグレーション性向上に向けては地上民生技術の活用が重要

システム構築、インテグレーションの効率化、簡素化に向け下記地上民生技術に着目プラグ・アンド・プレイ技術ネットワーク技術（インターネット、LAN)ワイヤレス技術

SERVIS-2衛星にインテグレーションの簡素化を目的とした衛星先進構体を搭載、評価中

上記技術に対応した機器実現に向け、官民でのロードマップ策定、戦略的な開発、軌道上実証が必要

To improve efficiency of space system integration, utilization of commercial technology is importantFollowing recent commercial technologies are essential

Plug and play technologyNetwork technology(Internet, LAN)Wireless technology

Advanced Satellite Structure Experimental Module is under evaluation in SERVIS-2 projectToward realization of equipments that include above technologies, strategic load map definition/development

/on orbit demonstration are required


宇宙システムにとって機器の（超）小型化機能集約による開発効率化

は永続的課題

その実現には電子機器に関してはFPGA/IPコア活用、高密度実装化機械(機構）系部位に関してはMEMS技術活用

が大きなポイント


To the space systems, followings are permanent issues- Miniaturization of components- Improvement of development process by multifunctional devicesTo resolve above issues following considerations are important

- Utilization of FPGA/IP core for electronic elements- Utilization of MEMS technology for mechanical elements


©MIT


海外事例：Tacsat21、シリコンサテライトExample : Tecsat21, Silicon Satellite

Tacsat21部品レベルから宇宙システムの変革を計画MEMS、分散開口アンテナ技術等、高度技術を採用

シリコンサテライトすべての衛星機能をLSI技術で

実現

©Aerospace Corp.

Tacsat21- Revolution of space system was planned from parts level development- Advanced technologies were adopted such as MEMS, sparse array antenna and etc.

Silicon Satellite- All satellite functions are realized usingLSI technologies


部品レベルからの革新 MEMS技術の活用Utilization of MEMS technology

研究フェーズ応用フェーズ

1987マイクロ

ギア

パワーMEMS

マイクロモーター

マイクロセンサ

光学MEMS

バイオMEMS

RF MEMSマイクロメカニズム

マイクロアクチュエータ

MEMS(Micro Electro Mechanical System)はLSI加工技術を活用し、製造マイクロギアのような単純な構造から、光学MEMS、RF‐MEMS等、高度なMEMSへ進化

MEMS(Micro Electro Mechanical System) is manufactured using LSI technologyStarting from simple MEMS device such as micro gear, complex MEMS devices have been developed such as optical MEMS, RF MEMS and etc.


MEMS回転センサ非冷却赤外イメージセンサ

MEMS加速度／角速度センサ

小型ミラーデバイス

代表的な民生MEMS技術

RF MEMSスイッチ


Typical MEMS devices for civil use

MEMS acceleration sensor

MEMS Mirror device MEMS IR SensorMEMS rate sensorMEMS rate sensor

RF MEMS switch


宇宙システムにおけるMEMS開発事例（RF-MEMS)Example : MEMS development for space use


RFスイッチ群の簡素化を目標METI/USEF 殿、SERVIS-2衛星にRF-MEMSを

搭載、軌道上実証中能動的な稼働部を含むRF-MEMSスイッチを

選定、スイッチの切替回数寿命、通過損失の経時変化を評価中

SERVIS-2搭載RF-MEMS実験装置SERVIS-2 RF-MEMS experimental unit

RF-MEMSスイッチを8EA搭載（信号発生部、電源部を含む）

Followings are included in the experimental unit- 8 RF-MEMS switches, signal generator, power system©USEF

RF MEMS can be used for simplification of RF switch box for communication satellitesRF-MEMS experiment unit is installed in SERVIS-2 satellite and is under evaluation

現状のRFスイッチ群


SERVIS-2搭載RF-MEMSスイッチの性能、構造と動作Characteristic of RF-MEMS switch

©電子情報通信学会2006年ソサイエティ大会

©第50回宇宙科学技術連合講演会


Driving Electrode

Driving Electrode

Absorption Electrode

Absorption Electrode

Electrostatic power

Characteristics of RF-MEMS switchFrequency S-bandInput power < 12dBmOutput voltage 0-5V


ジャイロ(Gyro)

加速度計(Accelerometer)

従来(例） MEMS(例）

従来(例） MEMS(例）

外形：約20cmx30cmx15cm

外形：約20cmx20cmx10cm


機器小型化の観点からは、慣性センサへのMEMS適用が有望なお、現行精度は一般宇宙用に比べ安定度が劣る。複合航法系等の採用が有効

Adoption of MEMS to inertial sensor is beneficial for miniaturization of componentsHowever, present characteristic of MEMS gyro/accelerometer is not good as existing mechanical sensors

and adoption of hybrid navigation system is required.


慣性センサの性能Characteristics of inertia sensor

← 現状のMEMS

ジャイロバイアス安定性

Inertial Grade Quality deg/hr ＜０．１Low Inertial Quality deg/hr ０．１～１

Tactical Grade Quality deg/hr １～１００Automotive etc deg/hr １００～１０００

加速度センサバイアス安定性

Inertial Grade Quality μG １０～１００Low Inertial Quality ｍG ０．１～１

Tactical Grade Quality ｍG １～１０Automotive etc ｍG １０～１０００

← 現状のMEMS

宇宙用姿勢制御


Gyro bias stability

Accelerometer bias stability

For attitude control of space systems

Present MEMS

Present MEMS


【参考】宇宙用の複合航法系Hybrid Navigation System for Space Use

異なった特性を有する航法機器を複合化し，各機器間にて相補的情報交換を行うことにより，各センサの誤差の推定・除去，耐故障性のあるシステムを構築することができる


GPS-INS-STAR複合航法系：GPS、スタートラッカにより精度を、MEMSにより帯域を確保GPS-INS-STAR Hybrid Navigation System : Accuracy is assured by GPS and STT, bandwidth is assured by MEMS inertia sensor

慣性航法装置

ジャイロ加速度計

カルマン・フィルタ位置誤差推定値速度誤差推定値姿勢誤差推定値姿勢角速度誤差推定値加速度計誤差推定値ジャイロ誤差推定値

GPS受信機

スタートラッカ

○

○

○

○

位置速度姿勢姿勢角速度

＋-

＋-

＋-＋

-

Inertia Sensors

Gyro Acc.

GPS Receiver

Star Tracker

VelocityPositionAttitudeRate

KalmanFilter


部品レベルからの革新高機能素子の活用Utilization of advanced functional LSI

iPhone-3G

新の携帯電話機能通信（送受信、音声、データ）インターネット接続GPS画像修得・保存・伝送メモリ表示．．

衛星に必要な一連の機能有り

©http://eetimes.jp/article/20309

Recent functions of mobile phoneCommunication(voice, data, image)InternetGPSCameraMass memoryDisplay, Man-machine IF,,,

Almost all functions required for satellite areincluded in mobile phone

携帯電話の内部構造



FPGA+IP Core放射線耐性を有するFPGAにSOC（System On Chip)デザインのIPコアを移植

宇宙用高機能素子の例Example of advanced devices

例：LEONチップSPARCプロセッサ機能に汎用IF機能を追加（Serial/1553B/Space Wire/CAN/UART/LVDS/PCI/Ethernet/DIO）

©Aeroflex Gailser

例：リモートターミナルユニットCANバス用のリモートターミナル容易な機器インテグレーションを可能とする

例：モーションコントロールチップモータ制御用のトルク、速度、位置制御機能を集積化

©AAC Microtec

©AAC MicrotecLEON chipSPARC processor + multi IF

Remote Terminal Unit for CAN Bus

Motion Control chip for CAN Bus



マイクロ機器の分野はわが国の得意分野でありLSI技術と共に、MEMS機器の開発・活用は戦略的意義を有する

また、わが国においては“民生⇒宇宙“の流れに沿った開発が有効であり、民生分野の先端素子のトレンド把握・活用が重要

衛星開発の簡素化・効率化につながるシステムLSI技術、MEMS技術を保有することが重要。戦略的な開発、軌道上実証による実用化を期待

The field of the micro equipment is front end filed in Japan. Development and the use of the LSI technology /MEMS equipments have a strategic meaning.

In Japan, development along the flow of “civil to space” is effective. For this reason, understanding of state-of-the-art technologies in the civil field are important.

It is important to have system LSI/MEMS technologies that leads to the simplification and the efficiency improvement of the satellite development. Strategic development and in-space demonstrations are expected.

Documents

第23回マイクロエレクトロニクスワークショップ7th Responsive Space Conference (April, 2009) Semicustom satellite design/assembly /test are completed within 2-3 days