このたび、国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構（JAXA）が実施する「産学官による輸送・超小型衛星ミッション拡充プログラム（JAXA-SMASH）」において選定され、フィージビリティ・スタディを実施してきた「宇宙天気の三次元計測と能動的放射線帯制御に向けたプラズマ波動の長距離伝搬機構の解明」（Investigation of ducting Magnetospheric Plasma wave ACTivity (IMPACT)，以下「IMPACTプロジェクト」という。）が衛星開発フェーズに移行することが決定いたしました。

本記事では、IMPACTプロジェクトの研究内容についてご紹介いたします。

JAXA-SMASHによる選定の経緯

IMPACTプロジェクトを支える超小型衛星計画は2023年12月にJAXA-SMASH 超小型衛星ミッション公募#2のテーマとしてフィージビリティ・スタディ・フェーズに採択され、その後のフェーズアップ審査を通過して衛星開発フェーズへと移行することが正式に決定されました。衛星開発フェーズでは、2027年3月の開発完了を目指して超小型衛星の設計・開発・試験を行っていきます。IMPACTプロジェクトでは、篠原育　宇宙科学研究所 太陽系科学研究系教授、淺村和史　同准教授、三谷烈史　同助教が、松田昇也　金沢大学理工研究域先端宇宙理工学研究センター准教授らのグループと共同研究体制を構築し、東北大学・東京大学・京都大学・名古屋大学・九州工業大学・情報通信研究機構の研究者とも連携しながら衛星開発を進めていきます。超小型衛星の設計は各機関の強みを結集して行い、最終的な製作は金沢大学のスタッフ・学生が中心となって実施します。また、科学観測や成果創出を各機関と連携して実施します。各機関が得意とする科学解析（理論計算・シミュレーション・モデリング）とIMPACTプロジェクトの科学観測データを組み合わせることで、本計画の科学成果を広く応用した成果創出を目指します。

IMPACTプロジェクトが目指すサイエンス

宇宙空間の安全利用を加速させるうえで重要となる宇宙プラズマ環境の変動を「宇宙天気」とよび、今後は宇宙利用の加速に伴って、地球上の気象予報と同程度に身近になると考えられています。宇宙天気を左右する重要な要素に、宇宙の自然電磁波（プラズマ波動）があります。プラズマ波動は電場や磁場の振動が空間中を伝わっていく現象で、荷電粒子であるプラズマと電磁気学的な作用によってエネルギーをやり取りし、荷電粒子を加速させたり、散乱させたりします。プラズマ波動は「波」なので、遠い宇宙で生まれ、ときに数万kmもの距離を伝わって地表まで届くこともあります。その通り道は「ダクト（※1）」と呼ばれ、宇宙と地球とを繋ぐトンネルとしての役割を担います。

IMPACTプロジェクトは、W6Uサイズ（約10 cm×22 cm×36 cm）のキューブサットによる観測を主軸とした太陽地球系科学ミッションで、ダクトを通じて宇宙から地球に伝わってくるプラズマ波動を高度500-600 kmの軌道で捉え、いつ・なぜ・どのようなプラズマ波動が地球に届くのかを調べます。また、プラズマの直接計測によって、ダクト内のプラズマ波動が宇宙プラズマ環境を変化させる証拠をつかみ、遠い宇宙の現象が地球に近い低高度領域にどのような影響を及ぼしているかを明らかにします。ダクトは宇宙から地球にプラズマ波動を伝える経路であるとともに、将来は地球から宇宙に電磁波を届ける通路としても活用できる可能性があります。ダクトを活用した宇宙環境のモニタリングや制御を通して、人工衛星や有人宇宙探査の安全に貢献することができます。また、従来の大型衛星では実現が困難であった宇宙天気の三次元的理解に向け、IMPACTプロジェクトはその先駆けとして超小型衛星による宇宙天気計測を実現します。

20250305_1.png

IMPACTプロジェクトの超小型衛星（軌道上外観図） ©金沢大学

IMPACTプロジェクトの事業展望

IMPACTプロジェクトの超小型衛星には、金沢大学が中心となって開発を進めている超小型オンボードAIプロセッサ「AI-OBC」が搭載されます。「AI-OBC」は科学衛星上で深層学習モデルを用いた自律的判断や科学現象識別・分類を実現することで、衛星運用の省力化や限られた通信リソースの有効活用に貢献します。「AI-OBC」は動的再構成プロセッサ（DRP; Dynamically Reconfigurable Processor、※2）と呼ばれるアーキテクチャのマイコンを搭載し、行列演算や畳み込み処理などを高速に処理可能とすることで、従来の衛星搭載CPUと同程度の消費電力で約100倍以上の高速AI推論を実現します。その用途としては、膨大な科学観測データから重要なデータや特徴を自動的に選別・抽出することによる通信リソースの大幅削減とサイエンスアウトプットの飛躍的向上、衛星バスシステムのハウスキーピングデータに基づく異常検知などが挙げられます。これらをCOTS（Commercial Off-The-Shelf、※3）マイコンで安価に実現しつつ、衛星向けリアルタイムOSとして実績豊富なT-Kernel 2.0 AeroSpace（※4）を搭載することで、AIモデルを組み合わせた衛星バスシステムのリアルタイム制御や高機能な科学データ処理システムを実現します。「AI-OBC」に搭載する深層学習モデルは極めて柔軟な設計が可能であるため、超小型衛星のメインコンピュータとしてだけではなく、小型～大型衛星のサブコンポーネントやミッション機器のプロセッサとしての用途や、月面観測拠点での観測器制御・自動運転車の航法制御など、様々な目的に利用できます。IMPACTプロジェクトの衛星開発と運用を通して軌道上での動作実績を積み上げ、将来的には月面や極地などの極限環境への設置を目指して、幅広い用途向けの汎用的科学装置として展開する計画です。

20250305_2.jpg

AI-OBC（ブレッドボードモデル） ©金沢大学

IMPACTプロジェクトにおける宇宙科学研究所の役割

IMPACTプロジェクトの着想のきっかけとして、磁気圏観測衛星「あけぼの」やジオスペース探査衛星「あらせ」(ERG)による数多くの科学成果が挙げられます。極めて高い性能を有したプラズマ波動・プラズマ粒子計測器を備えたこれらの衛星では、その場（in-situ）でのプラズマの振る舞いや波動粒子相互作用に代表されるミクロな物理過程を精密に紐解くことが実現されました。「あらせ」の打ち上げからおよそ9年、その間に観測機器の高度化と超小型化が目覚ましく進み、IMPACTプロジェクトのようなキューブサットでも高精度な宇宙天気計測が実現できる見込みが立ち、その柔軟さを活かした革新的なミッションの提案が可能となりました。IMPACTプロジェクトにおける宇宙科学研究所の役割の一つは、IMPACTプロジェクトを皮切りとして超小型衛星を用いたサイエンスの可能性を実証し、今後の超多地点観測や科学コンステレーションの実現に繋げていくことです。

※1　プラズマの密度が局所的に高い・あるいは低い領域がチューブ状に形成されたものを指します。ダクトの内側境界ではプラズマ波動が反射・屈折するため、エネルギーが散逸せずに遠方まで伝搬できることが知られています。

※2　ルネサスエレクトロニクス株式会社が開発した、演算器間の接続を動的に切り替えながらアプリケーションを実行するハードウェアです。DRPはハードウェアロジックの高い処理能力と、CPUのような高い柔軟性・機能拡張性を併せ持つという特徴があります。

※3　非宇宙用の民生部品を活用することを指し、安価かつ迅速な搭載機器開発が実現できます。

※4　宇宙航空用途に開発された信頼性が高いリアルタイムオペレーティングシステムです。高機能かつ低負荷のメモリ保護機能や時間管理機能を提供し、宇宙機の安定的な動作の実現に用いられます。