AR八木アンテナ

手持ちの八木アンテナによる衛星追尾をしてみると、見えない衛星の導入を簡単にしてみたくなる。

…と思ったので思いついたのは、スマートフォンを八木アンテナに取り付け、ガイドさせるというもの。最近流行りのARだ。

昨今のスマートフォンは計算性能含めて立派なコンピュータと言えるが、センサを搭載したり、手のひらサイズだったりすることで、より人と環境にフレンドリーなデバイスに進化した。

今までの歴史に登場した様々な端末でも軌道計算は可能だが、iOSやAndroidでは加えて以下のセンサを使うことができる。

現在地→GPS
方位角→電子コンパス
仰角(姿勢)→加速度センサ

これらの連携により、計算機は軌道計算を観測者の現在地、方向を含めて算出することができる。　

Androidには既に、「GoogleSkyMap」のような角度+コンパス+GPS座標を使ったAR天体ビューワーソフトが存在するし、すでにToriSatのようなISSビューワが親しまれている。　

今回は任意の衛星を導入したいので、TLEを入力できる汎用なものが必要になりそうだ。
TLEとは地球軌道上の衛星の軌道要素のフォーマットで、軍事以外の宇宙機はすべて登録されている。
PCの軌道表示ソフト「Orbitron」のようなソフトは無いだろうか。

・・・で、たまたまAndroidマーケットで検索したところ、まさに上記のことができるアプリを発見。作る人はいるものだ。

「DroidSat」

　GoogleSkymapのようなAR感で、TLEデータをダウンロードして座標とともに表示してくれる。　今のところ、目的の衛星の現在地を眺める以外はほとんど機能が無いので、改良に期待するか、同じようなアプリを自作するべきなのかもしれない。　手持ちの端末がAndroid1.6止まりなので、他にもよさそうなアプリがありそうな気はする。

試作

6素子の500円アンテナにAndroid端末(HT-03A/HTC magic)を取り付けてみた。
うーん、それにしても見た目が・・・　
せっかく追尾するからには、もうちょっとアンテナ自体の指向性を増したい。6素子だと16方位の指示くらいでもよさそうな気がする。

　結果としては、かなりよかった。　

PCでやると方位まではわからないので、おおよその範囲を探すことになる。地面に置いたPCで衛星の角度を確認して、アンテナを向け直し、目的の衛星の周波数サーチや受信周波数のドップラー補正までこなすのはかなり面倒な作業だが、ARだと手持ちの装備でガイドと受信が完結するので割り込みが減ってとても楽になる。

　週末のアマチュア衛星の交信や、大学衛星のビーコンなどの受信も成功した。特にISS高度の衛星やデオービット間近の衛星は足が早いので、ドップラー補正まで自動化できたらかなり本格的な道具になるかもしれない。

理想型

iPhone版AR_GS(Ground Station)

　スマートフォンの現在の機種であれば、TLEによる導入支援に加えて、イヤフォンジャックからの音声録音＆電波解析も出来るのだろう。電波を出さないのであれば、無線機はSDR受信ドングルという形での接続もありうる。Bluetoothやソフトモデム経由で外部アクチュエータをつなぎ、追尾作業も完全自動化なポータブル地上局も作れる。
　実はArduino程度でもTLEから軌道計算ができる。ということでもっと組み込んだ形でもARアンテナが作れる。デジタルコンパスとGPS、加速度計を揃えるとローコストとは言い難いけど、無線機の周波数制御とあわせて自動化するアプローチの一つだ。
　
　スマートフォンのもう一つの強みはネットワークの構築。スマートフォンならアプリ内でSNS連携を行い、受信者同士をつなげることが簡単だ。イベント化させた草の根活動にはいいかも。
　無線免許資格者であればアップリンクも出来るので、法令では出来ない無人局からの送信の代替案となったり・・・するかもしれない

参考文献とお借りしたもの
DroidSat　http://sites.google.com/site/droidsatproject/
電波受信まとめ(自家記事)　http://kemushicomputer.blogspot.com/2010/12/blog-post_18.html
500円八木アンテナの改良版(自家記事)　http://kemushicomputer.blogspot.com/2011/03/500.html
Orbitron　http://www.stoff.pl/

Arduino Nano Everyを試す

秋月で売っていたAtmega8と、感光基板でエッチングしたArduino互換ボードを製作してみて、次に本家ボードも買って… と気が付いたら10年が経過していた。ハードウェア的な観点では、今は32bitMCUの低価格化、高性能化、低消費電力化が著しい。動作周波数も100MHz超えが当たり前で、30ｍA程度しか消費しない。動作電圧範囲が広く、単純な8ビットMCUが不要になることはまだないだろうけど、クラシックなAVRマイコンは値上がりしており、価格競争力は無くなりつつある。そしてコモディティ化により、公式ボードでは不可能な値付けの安価な互換ボードがたいていの需要を満たすようになってしまった。 Arduino Nano Every https://store.arduino.cc/usa/nano-every https://www.arduino.cc/en/Guide/NANOEvery そんな中、Arduino本家がリリースした新しいNanoボードの一つ。他のボード2種はATSAMD21(Cortex-M0+)と無線モジュールを搭載したArduino zero（生産終了済み）ベースのIoT向けボードだが、 Nano EveryはWifi Rev2と同じくAtmega4809を採用していて、安価で5V単電源な8ビットAVRボードだ。 Atmega4809はATmegaと名がついているが、アーキテクチャはXMEGAベースとなり、クラシックAVRとの間にレジスタレベルの互換性は無い。 https://blog.kemushicomputer.com/2018/08/megaavr0.html もちろん、ArduinoとしてはArduinoAPIのみで記述されたスケッチやライブラリは普通に動作するし、Nano Every用のボードオプションとして、I/Oレジスタ操作についてはAPIでエミュレーションするコンパイルオプション（328Pモード）がある。公式のMegaAVR0ボードはどれもブートローダーを使わず、オンボードデバッガで直接書き込みを行っている。ボードを観察してみると、プログラマ・USBCDCとしてATSAMD21が搭載されている（中央の四角いQFNパッケージ）MCU的にはnEDBG

ATmega4809(megaAVR0)を試す

megaAVR 0という新しいAVRシリーズを試してみた｡小さいパッケージなのに､UARTが4本もあるのが気になったのがきっかけ｡登場すると噂の Arduino Uno Wifi rev2 にも採用されるらしい｡簡単にデータシートを眺めてみると､アーキテクチャはXmegaシリーズを簡素化し、動作電圧範囲を広げたもののようだ。 CPUの命令セットはAVRxtと新しくなっているが、Xmegaで拡張された一部の命令（DESやUSBで使われる命令）が削除されていて、基本的に今までのATmegaとほぼ同じだ。コンパイラからは、先に登場した新しいtinyAVR0, tinyAVR1シリーズと共にAVR8Xと呼ばれて区別されている。 CPU周りを見てみると､割り込みレベルなど､今までのクラシックなATmegaで足りないなと思っていたものがかなり強化されていた｡ ArduinoAPIを再実装するとしたら便利そうなペリフェラルもだいたい揃っている｡データシート P6 DMAは無いけれど､周辺機能にイベント駆動用の割り込みネットワークが張り巡らされているのがわかる｡できるだけCPUを介在させない使い方がいろいろ提案されているので、アプリケーションノートやマニュアルを読み込むことになる。ピックアップした特徴･データメモリ空間(64kB)に統合されたFlashROMとEEPROM ･RAM 6kB ROM 最大48kB (メモリ空間制限のため) ･デバッグ専用の端子 UPDIを搭載･優先度付きの割り込み(NMIと2レベル) ･ピン単位の割り込み（かなり複雑になった）･リセットコントローラ（ソフトウェアリセット用レジスタが実装され、リセット原因が何だったかもリセット後に読み出せるようになった）･豊富な16ビットタイマ(4809では5基）･16ビットリアルタイムカウンタ(RTC) ･豊富な非同期シリアル/同期シリアル(USART 4ch､SPI 1ch,TWI 1ch) ･内蔵クロックは最高20MHz(PLL)と32kHzの2種類。外部クロックは発振器と時計用水晶のみ･ADCは10bit 16ch ･内蔵VREF電圧が5種類と多い(0.55V,1.1V,1.5V.2.5V.4.3V

GPSアンテナをつくる

GPSアンテナを作ってみた｡ 1575MHzの波長は約19cmなので､半波長で9.5cmとなる｡ GHz帯とはいえ､結構長いものだなぁ｡セラミック等の誘電体がなければ､平面アンテナで真面目に半波長アンテナを作ろうとすると手のひらサイズの面積が必要になってしまう｡普通のダイポールだと指向性があるので､交差させてクロスダイポールにする｡屋外地上局のアマチュア衛星用アンテナの設計をそのまま縮小したもの｡水平パターンはややいびつ 92.2mmの真鍮の針金(Φ=0.5mmくらい)を2本用意して､42.3mmで90°に曲げる｡長さの同じ素子同士を並べて配置する｡ (全長が半波長より長い素子と短い素子が交差した状態) 片方をアンテナ信号線､もう片方をGNDにつなげば完成｡実際5分くらいでつくったけれど､果たしてどうだろうか｡今回は､道具箱に眠っていた表面実装タイプのMT3339系モジュールに取り付けた｡アンテナはもともと3x1.2mm程度のとても小さいチップアンテナで､ LNAが入っているけど感度が悪かったのでお蔵入りしていた代物｡最近の携帯機器はみなアンテナに厳しい｡さて･･･クロスダイポール版モジュールをPCでモニタしたウインドウ(左)と､QZ-Rader画面東側に建物遮蔽があるので､そちら側の衛星はSNが悪い｡とりあえず補足できた衛星数はシミュレーションされたものとほぼおなじだった｡アンテナの角度をいろいろ振って､逆さまにしてもロストすることはなかった｡セラミックのパッチアンテナレベルにはなったかな･･･｡簡単にできてそれなりに測位するけれど､携帯性は皆無になった｡あと､近接周波数の干渉を受けやすいかもしれない｡ GPSアンテナのDIY例としては､QFHアンテナもある｡ラジオゾンデなどで使われている例がある｡いつもお世話になっているQFHアンテナ計算シートのサイト https://www.jcoppens.com/ant/qfh/fotos_gps.en.php ヘリカルアンテナは加工精度の難易度が上がるので､今回はクロスダイポールにした｡ GNSSとなると､複数の周波数のために調整されているセラミックパッチアンテナが有利だと思う｡セラミックパッチア

人工衛星の住む軌道 (とKSP)

相乗り衛星の軌道を、Kerbal Space Programで再現してみた。現実の軌道をいくつかシミュレートしてみる｡衛星の行き先は､わりと限られた範囲に集中している｡低軌道(300～400km) CubeSat級の衛星にはHotな軌道。わずかに存在する気体分子や電離した原子が抵抗となるため、半年ほどで大気圏に再突入してしまうが、それゆえデブリ化の危険がほとんどない。断面積と重量により、軌道寿命の差が極端にひらく。基本的には地球の影に定期的はいることもあり、電力収支、熱環境共に厳しい。投入手段: ISSからの放出、低軌道観測衛星への相乗り。最近はISSに直接装置を設置する例も増えてきた。極軌道(太陽同期軌道)(600～1000km) 観測衛星の天国。軌道傾斜角が赤道と直行するような軌道｡特に太陽同期軌道では数日～数週毎に同じ地点の上空を通過するため、地表をまんべんなく安定した条件で観察できる。太陽と軌道円の角度によっては､数週間～数ヶ月は日照状態が続くので電力不足に陥りにくい｡初期のCubeSatをはじめ、数十キロ級のマイクロサットなどが数多く投入され、今も投入されている軌道。ただし､軌道が高くなるにつれ軌道寿命が延びることになる｡多くの衛星が周回していることもあり､長い軌道寿命の中で､交差､衝突する可能性が無視できなくなりつつある｡現在ではデブリ化を防ぐための取り組みがはじまっている。参考文献: http://www.spacenews.com/article/civil-space/4207665th-international-astronautical-congress-cubesat-revolution-spotty 楕円軌道(数百～数千km) 宇宙開発初期のロケットで多かった軌道｡モルニア軌道を除くと利用例は少ない｡静止軌道へ投入される主衛星との相乗りで、トランスファ軌道で放出されるものは存在していた。投入例としては､アマチュア衛星( Phase-3シリーズ )がある｡かつては数基のアマチュア衛星で､地球をカバーして通信しようという計画があった｡近地点が数百kmだと､ヴァン・アレン帯を毎回横切ることになり､荷電粒子によって電子機器や太陽

毛虫計算機:Blog

このブログを検索