学生が開発した衛星を宇宙へ！「TSUKUTO」の打上げ

 

 

 

  筑波大学「結」プロジェクトとは

 

筑波大学「結」プロジェクトは、筑波大学の学生なら誰でも参加できる超小型人工衛星開発プロジェクトです。宇宙開発を通した人と人との繋がりの拡大を目指し、衛星開発に情熱を燃やす学生が日夜集まってCubeSatと呼ばれる手のひらサイズの人工衛星の開発に取り組んでいます。

 

 

私たちは、学類生（学部生）を主体として開発を行っており、ミッションの考案から実機の製作・試験まで一貫して学生の力で取り組んでいることを大きな特徴としています。

 

2011年の発足以来、当プロジェクトではITF-1、ITF-2という2機の超小型人工衛星を宇宙に送り出してきました。

特に、ITF-2は国際宇宙ステーション（ISS）から宇宙空間へ放出された後、およそ2年間にわたって運用を行いました。これは超小型人工衛星としては比較的長く、ISSから放出された同規格の衛星の中でも最長記録となりました。

 

 

 

  長い迷走期間と再起のチャンス

 

大学をはじめとする周囲の皆様に支えられつつも、設立から13年にわたって学生が主役の活動を続けてこられたことは私たちの誇りです。

一方、過去の先輩方が打ち立てた華々しい記録の裏側で、入れ替わるメンバー間での技術継承や、開発・打上げに必要な資金の獲得など、学生主体であるがゆえに生じる問題にも直面しています。

 

私たちが最後に衛星を運用したのは、今から5年前。官民問わず衛星打上げの需要が拡大する中で学生が開発の機会を得ることは容易ではなく、ITF-2の運用終了以降次の打上げが決まらない日々が続いていました。

当時の開発メンバーは既に卒業しており、スキルや知識を持つ人も徐々に少なくなる中、コロナ禍が追い討ちとなり一時はプロジェクトの存続が危ぶまれるまでになりました。

先が見通せないまま、ただ「自分たちの代で打上げが決まらなければ、これまで培ってきた技術が本当に失われてしまうかもしれない」という焦燥感に突き動かされていました。

 

転機が訪れたのは2021年でした。学生間で東京都立大学宇宙システム研究室との共同開発の話が持ち上がり、それぞれが実証したいテーマを出し合って両大学の名を冠する新たな衛星「TSUKUTO」の構想が生まれました。

TSUKUTOのコンセプトは、ミッションの相乗りという点にあります。1つの衛星に各大学で提案するミッションを詰め込んで、複数のミッションを実現させることを目指しています。将来的には、今回の衛星をベースにモジュールを載せ替え、様々なミッションを遂行できるようにしていく予定です。

 

立ち上げから2年もの時を費やしましたが、ついに昨年の冬、JAXAとUNISEC（大学宇宙工学コンソーシアム）が共同でISSからの衛星放出機会を提供するJ-CUBEプログラムに採択され、念願の切符を手に入れました。

 

 

  最後の壁は資金難

 

ようやく手繰り寄せた打上げ機会ですが、もう一つの大きな困難が待ち構えていました。打上げの契約に必要となる300万円がどうしても用意できないのです。過去の衛星は無償での打上げ機会を利用していましたが、近年はCubeSatクラスの衛星も打上げ数が増えており、無償の打上げ枠はほとんどありません。億単位の費用を必要とする大型衛星に比べれば破格の値段ですが、私たちの小さな予算からは到底捻出できない額でした。

 

地元茨城の企業にご支援をいただき、都立大側ともお金を出し合うものの、開発自体にも多額の資金が必要となるため、まだ100万円ほど足りません。数年分の予算を前借りするなどして50万円はどうにか目処が立ちましたが、残りの50万円が集まらず、クラウドファンディングへの挑戦を決意しました。

今回のクラウドファンディングを通して、より多くの方々に私たちの取組みとTSUKUTOについて知っていただきたいと考えています。皆様からいただいた資金は、経費を除いて全額を打上げの費用に充てる予定です。

 

TSUKUTOの計画がスタートしてから2年半、ゼロからの再出発という思いで先輩方の残した足跡を辿り、ここまでやってきました。衛星プロジェクトのライフサイクルは長く、1人の学生が立案から運用まで携われるケースはごく稀です。その代わり、卒業していくメンバーの志を受け継ぎ、皆が同じ夢を共有することでプロジェクトは進んでいきます。

当初は数えるほどだったメンバーも少しづつ増え、今では40名以上となりました。繋いできたバトンを次の世代に伝えるため、どうしてもこの打上げを成功させたいのです。どうか皆様のお力をお貸しいただけますと幸いです。

 

 

 

  衛星概要

 

衛星名：TSUKUTO

愛称：つむぎ

寸法：104 × 100 × 113 mm

重量：0.92 kg

 

 

 

 

 

 

 

TSUKUTOは、筑波大学「結」プロジェクトと東京都立大学宇宙システム研究室の双方が提案する4つのミッションを掲げています。

ここでは、TSUKUTOのミッションについて詳しくご紹介します。

 

 

  ミッション①　CubeSatミッションピギーバックプラットフォームの実証（筑波大学）

 

一般にロケットの重量のおよそ9割は燃料と言われており、実際に宇宙に持っていける荷物は非常に限られています。そのため、大型衛星の打上げ時にはロケットの余剰能力を活用して小型衛星を相乗りさせることが多く、このような方式はピギーバックと呼ばれます。

本ミッションではこれにならい、複数の組織で提案するミッションを1つの衛星に"相乗り"させて実施する形態をミッションピギーバックと呼んでいます。

 

筑波大学「結」プロジェクトでは、地上との通信や電力供給などの衛星の基本的な機能を担う部分（バス部）を規格化し、衛星ごとのミッションを担う部分（ミッション部）をモジュールとすることで様々なミッションを載せ替え可能な汎用性の高い衛星を作り、ミッションピギーバックを実現させることを一つの目標としています。

TSUKUTOでは、このようなプラットフォームを実用化するにあたっての第一段階として、筑波大学側が開発するバス部に、都立大側が開発するミッションモジュールを搭載して打上げを行います。

CubeSatサイズでのこのような試みは他に例がなく、まずは軌道上でミッションモジュールに十分な電力を供給できることや、バス部とミッションモジュールでデータの受送信ができることを確認する予定です。

 

宇宙で実施したいミッションを考えている人にとって、一から衛星システム全体を作り上げるのは非常に大変です。ミッションピギーバック方式が実現すれば、技術面でもコスト面でも宇宙開発に対するハードルが下がって、様々な人がより手軽に宇宙でミッションを行う機会を手に入れることができるでしょう。その結果、個々の衛星の価値が高まったり、従来よりチャレンジングなミッションが増えたりすることが期待されます。

 

今回の実証後には、大学で宇宙開発を行っている団体のネットワークであり、「結」プロジェクトも加盟しているUNISECの内部で衛星バスの提供者とミッション提案者を繋ぐシステムを立ち上げ、広く利用できるような仕組みにしたいと考えています。新たに衛星開発に挑戦する団体にとって、宇宙への足掛かりとなることを期待しています。

 

 

 

  ミッション②　430MHz帯でのLoRa変調方式を用いた衛星通信技術の実証（筑波大学）

 

人工衛星は、一度打ち上げてしまえば直接状態を確認したり修理したりすることはできません。ですから、地上との通信を確実に行えるようにすることが何より大切です。大学で開発されている衛星のうち、約25%は打上げ後一度も電波を受信できないまま終わっており、信頼性の高い通信手段を確立することでミッション成功率の底上げに寄与できると考えられます。

 

無線通信で情報を送信する際には、電波に音声や数値などの伝えたい情報を乗せるために変調という操作が必要になります。一般にCubeSatの通信機に採用されているFSKという変調方式は比較的消費電力が大きく、特に発電量の少ない超小型衛星にとっては、ミッション機器に供給できる電力が限られるなど大きな制約条件となります。

 

TSUKUTOでは、上記の問題を解決するためLoRa変調方式を利用した新たな通信規格を採用します。LoRa変調方式は、近年IoTデバイスを中心に利用が広がっており、低消費電力かつ安定した長距離通信が可能であることが特長です。アマチュア無線帯でのLoRa変調方式による衛星通信は非常に例が少なく、本ミッションを通して様々なデータを収集することで、その有用性を示したいと考えています。具体的には、軌道上の衛星とLoRa変調方式により通信し、送受信の成功回数・成功率を評価する他、衛星通信に適した各種パラメータの決定、ドップラーシフトが通信に与える影響の検証などを行います。

 

 

  ミッション③　衛星への機能要求が少ないPMDシステムのモジュール化に向けた技術実証（東京都立大学）

 

 

近年スペースデブリの問題が深刻化し、真剣な議論が交わされています。運用が終了したにもかかわらず軌道上に残り続けている衛星も大きな問題の1つで、既に打ち上げられた衛星を廃棄する方法や、今後打ち上げられる衛星がデブリ化しないような工夫が検討されています。

米国では、低軌道上の衛星がミッション終了後に軌道離脱するまでの猶予期間を従来の25年から5年へと大幅に短縮することを決定しており、今後世界的に規制が厳しくなると考えられます。

しかし、CubeSatをはじめとする超小型衛星は、小型であるゆえに推進系を搭載していないことも多く、適切な軌道離脱を実施するにあたっての課題を残しています。

 

本ミッションでは、そのような背景を踏まえて小型の衛星でも比較的導入しやすい軌道離脱システム（PMDシステム）を提案し、その実現に向けた技術実証を行います。

 

従来型の軌道離脱では、衛星の進行方向にスラスタを噴射し、速度を落とすことでより低い軌道に遷移するという手法が一般的でしたが、この方法では噴射のタイミングで精密な姿勢制御を行う必要があります。予備の機器を搭載する余裕のない超小型衛星では、故障により運用終了時に十分な機能を果たせないことも多く、精密な姿勢制御を確実に行うことは容易ではありません。

 

新たに提案する手法は、地心方向に向けてスラスタを噴射することで軌道を変形させ、近地点高度を下げて大気抵抗により徐々に減速するというものであり、従来手法と比較して厳密な姿勢推定・制御が必要ありません。そのため、機能要求が少なく小型の衛星でも十分に採用が可能であると考えられます。

 

今回の実証では、カメラによる地心方向の検出と独自のアルゴリズムによるスラスタ噴射タイミングの決定を行い、その妥当性を軌道上で取得したデータから確認します。

 

 

  ミッション④　衛星の健康指標を用いた異常検知アルゴリズムの実証（東京都立大学）

 

人工衛星は、地上から状態を監視できるように各部の温度や電流量など、ハウスキーピングデータ（HKデータ）と呼ばれる様々な情報を常に送信しています。大学衛星の多くは、地上で受信したHKデータを基に人が衛星の状態を推定することで運用されてきましたが、運用者の知識や経験に左右される面が大きく、属人化が進むという欠点を抱えていました。加えて、衛星システムが複雑になるとHKデータの量も増え、衛星に起こっている問題を早期に発見しづらくなったり、故障箇所の判別が難しくなったりすることが予想されます。

 

このような問題を解決するため、本ミッションでは、バス部が提供するHKデータから衛星自身が軌道上で「健康指標」を計算し、システムの健全性を監視することを目指します。

運用初期のデータから正常な衛星のモデルを構築し、HKデータから異常を検出したら地上へデータを送信することで、常に大量のHKデータを送信する必要がなくなります。これにより、運用者の負担や属人性の問題を解決しつつ、即応性の高いより円滑な衛星運用が実現できると期待されます。

 

 

 

筑波大学「結」プロジェクトでTSUKUTOの開発に携わっているメンバーからのコメントです。

それぞれの熱い想いがこもっているので、ぜひご一読ください！

 

 

※私たちは開発にあたって衛星を「系」と呼ばれる5つのシステムに分類しており、各系に専門の開発チームがついています。

 

 

 

 

 

 

筑波大学へのご寄附に対しましては、確定申告を行うことにより税制上の優遇措置が受けられます。

（詳細はこちら：https://futureship.sec.tsukuba.ac.jp/privilege/tax）

 

  優遇措置の内容

■ 個人でご寄附をされる場合

− 所得控除

所得税法上の「寄附金控除」の対象となる特定寄附金（所得税法第78条第2項第2号）の税法上の優遇措置を受けることができます。具体的には、総所得金額等の40％を上限とした寄附金額について、「寄附金額 － 2,000円」の額が所得から控除されます。

 

− 住民税の軽減

お住まいの都道府県・市区町村が、条例で筑波大学を「寄附金税額控除」の対象として指定している場合、総所得金額等の30％を上限とする寄附金額について、下記の金額が翌年の個人住民税額から控除されます。

 

・都道府県が指定した寄附金　[寄附金額 － 2,000円] × 4％に相当する額

・市区町村が指定した寄附金　[寄附金額 － 2,000円] × 6％に相当する額

 

※県・市町村の両方が、寄附金税額控除対象指定を行っている場合、都合「寄附金額 － 2,000円」の10％に相当する額となります。

 

※平成23年度税制改正により、寄附金税額控除の適用下限額が、5,000円から2,000円に引き下げられています。

 

※本学を寄附金税額控除対象として指定している自治体には茨城県、千葉県、神奈川県などがあります。詳細はこちらをご覧ください。

 

− 計算例

課税所得500万円でつくば市にお住まいの方が、10万円寄附された場合の計算方法は以下の通りです。

 

【所得税額】

・寄附していない場合

5,000,000円 × 20％（税率） － 427,500（控除額） ＝ 572,500円

 

・10万円寄附している場合

｛5,000,000円 － （100,000円 － 2,000円）｝ × 20％ － 427,500（控除額） ＝ 552,900円

 

（所得税の軽減額）

572,500円 － 552,900円 ＝ 19,600円

 

（個人住民税の軽減額）

（100,000円 － 2,000円） × 10％ ＝ 9,800円

 

したがって、つくば市にお住まいの方が10万円寄附された場合、

19,600円（所得税の軽減額） ＋ 9,800円（個人住民税の軽減額）の合計29,400円が税制上の優遇措置による軽減額となります。

 

※上記はあくまでも目安です。実際は収入の種類、各種所得控除等により変動が生じることがあります。

 

  寄附金控除証明書の発行について

本学では、寄附金のご入金を確認しますと、ご寄附を頂いた方へ「寄附金受領証明書」をお送りしています。この証明書を添えて、所轄税務署で確定申告を行ってください。（住民税の寄附金控除のみを受ける場合は、市区町村に申告することになります）なお、この証明書は、税制上の優遇措置を受けるために必須の書類ですので、大切に保管してください。

 

●寄附をされた方には、後日「寄附金受領証明書」を送付致します。

●証明書名義：READYFORアカウントにご登録の氏名を宛名として作成します。

●証明書発送先：READYFORアカウントにご登録の「リターン／ギフトの発送先ご住所」にお送りします。

●寄附の受領日（証明日）：READYFORから実行者に入金された日となります。

●証明書の発送日：大学側で発行され次第順次送付いたします。

 

 

 

本プロジェクトに関するお問い合わせ先は下記のとおりです。

 

メールアドレス：yui.tsukuba@gmail.com

ホームページ：https://yui.kz.tsukuba.ac.jp/

X（旧Twitter）：＠yui_tsukuba

 

※東京都立大学宇宙システム研究室より、今回のプロジェクトの実施、名称を掲載することの許諾を得ています。