FUNcube Dongleの導入

アマチュア衛星向けソフトウェアラジオをお借りしたので、セットアップをしてみた。
衛星関係者に大人気のモジュール。

AMSAT-UKで開発された、USB接続のソフトウェアラジオのフロントエンド。

FUNcubeという1U CubeSatの受信のために作られたもの。

http://www.funcubedongle.com/

世界中に安価な衛星用受信機を配るという、地上局量産計画が推し進められている。

ソフトウェアラジオ(SDR)とは、ソフトウェアで信号を復調するタイプの受信機のこと。
フロントエンドとよばれるハードウェアで周波数選択、信号増幅、D/A変換などを行い、PCに取り込んでからソフトウェアで音に戻す。　
特徴としては、復調形式が色々選べること、復調前の生データで保存しておけば、記録した周波数内でなら、受信周波数を微調整したり、後で復調しなおしたり出来ること。

高級機だと数十キロ～数MHzのスペクトルを一度に取り込んで観測することも可能だ。帯域はPCに信号を取り込む手段と帯域に依存している。自作で代表的なのは音声インターフェースを使うやり方。

FUNcube Dongleは、内蔵されたレシーバーICの信号をオーディオコーデックICに取り込み、USBオーディオとしてPCに接続される。そのため、一度に96KHzの帯域が観測できる。

セットアップ

原典はここhttp://www.funcubedongle.com/?page_id=313　一番上のintroductionと、Spectravueのセットアップ設定を参考に。

FUNcube DongleをUSB端子に接続する。OS標準のドライバを使うので、特に専用のドライバを入れる必要は無い。

そのままアンテナにつないでみた。　

FUNcube Dongleの動作に必要な、2つのソフトウェアをダウンロードする。

Dongleのコントローラー

　windowsの場合
　　FCHID　http://www.funcubedongle.com/?page_id=313　"Windows fully functional front end "というリンク
　Macの場合(win版もあり　クロスプラットフォーム版)
　　qthid　http://sourceforge.net/projects/qthid/files/3.0/から、dmz形式?のものを入手

FCHID

QThid (win)

SDR　ソフトウェア　

Spectravue　
http://www.moetronix.com/spectravue.htm

ウォーターフォール画面。96KHzの帯域幅で見ている。

FCHIDはドングルの周波数などを制御するコントロールパネルとして動作する。PCにFUNcubeを接続し、上の窓に64～1700MHzの範囲で受信したい周波数を入力する。
周波数を微調整したい時は、操作性が改善されたQThid‐3.0のほうが良いかもしれない。

SpectraVueも同時起動して、入力をFUNcubeにする。　

サンプルレートと帯域、中央周波数の設定

とりあえず帯域インジケータのStartを押せば受信が始まる。　復調も色々選べる。

SDRソフトは他にも色々あるので、ひと通り試してみるのも良いかもしれない。

ACARSパケットを受信してみたところ。

※違法トラック無線です・・・(´・ω・｀)

追記　SDR-RADIOというSDRソフトがすごい

Funcube対応で、衛星追尾に必要な機能(ドップラー補正、ローテータ制御等)が全部入り。

自作八木アンテナでテスト。感度はDJ-X11と変わらないけど、住処の電波環境が悪すぎるために、まだ肝心の衛星からの電波を受信出来ずにいる・・・

受信に使ってるいつもの簡易八木

構想段階の事

(iOS cant handle USB HID)

本家でも話題になっていたが、iOSデバイスに接続することは可能かどうかについて。

試しにiPadにつないだところ、オーディオデバイスとしては認識された。ただし、コントロール用のHIDは使えないため、このままでは無理。　
iOS5からはiPadのみだったカメラコネクションキットがiPhoneにも解禁されるが、標準HIDデバイスはおそらく扱うことができない。(脱獄すればできるだろうけど・・・)

HID制御といっても、PIC24で実現しているようなので、USBキーボードに偽装すれば可能かもしれない。あとはオーディオ入力がどれだけの帯域に設定されているか、復調に使えるかどうか、といった点は未知数だけど、もしiPhoneに接続するだけで使えるようになったら、AR八木アンテナと組み合わせて、ポータブルな衛星受信が可能になる。　携帯地上局計画につながるだろう。

参考文献

Pure Dataで作るソフトウェア・ラジオ
http://www.geocities.jp/e_karakuri/sdr/contents.html

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

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