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SATNOGS – クラウドソースの衛星地上局

DrLucyRogers
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裏庭から宇宙船の通信を聞く…世界中の裏庭にある人々のアンテナにアクセスできるようになれば、地球を廻る衛星からの通信を聞けるようになります。この記事ではラズパイとアンテナを使って、衛星の地上局を作る方法を紹介します。

部品リスト

Qty Product 品番
1 Wimo TA1 Turnstile Antenna https://www.wimo.com/scanner-antennas_e.html#004
1 Technofix UK Shop https://shop.technofix.uk/ RTL-SDR V3
1 Raspberry Pi 3 Model B SBC Computer Board 182-6547
1 Transcend 8 GB MicroSDHC SD Card 758-2607
1 RS PRO Male BNC to Male BNC RG58 Coaxial Cable, 50 Ω 426-2094
2 RS PRO Straight 50Ω Cable Mount BNC Connector, Plug, Nickel, Crimp Termination, RG58 546-4853
1 Connector,Coaxial,BNC,Adaptor,Jack,Jack,50Ohm,Nickel Plated 512-1411
1 Stand Off Bracket https://www.screwfix.com/p/labgear-tv-aerial-stand-off-bracket-9/90874

衛星からの通信を聞きたいとき、地上局で受信することになる。しかし、2000kmより低い(低軌道)衛星などは、地球の特定の場所を1か月に数回しか通過しない。そして通過時間はわずか数分だ。  

つまり、衛星からの通信を聞くには、テレメトリ(データ)を受信するために地上局のネットワークが必要となる。NASA・ESA・Roscosmosでは、地上局のネットワークがある。しかし、個人での小さな衛星を打ち上げる場合などは、より大規模な地上局ネットワークのお世話になるか、独自のネットワークを構築する必要がある。個々の地上局は安価に済ませることができるが、地球全体をカバーするには数多くの地上局が必要となってしまう。

Hackspace Magazine(無料ダウンロードPDF)に掲載されたJo Hinchliffe氏の記事を読み、この問題に対する1つの回答を見つけた。SatNOGSというプロジェクトで行われている地上局のクラウドソーシングとオープンソーシングだ。

この記事を書いている時点で、このプロジェクトの「オンライン」の地上局が170局存在している。その他にも「オフライン」が379局、「テスト」段階が90局ある。

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セットアップはそれほど複雑ではない。独自の地上局を追加するのに必要なのは、Raspberry Pi (バージョン4ではない) 1台、ドングル 1個、アンテナ 1本だけで、プロジェクトのコストは約150ポンドほどだ。

ドングル – RTL-SDR V3 USBドングル

アンテナ – Wimo TA1ターンスタイルアンテナ

局が稼働すると、開設者が何もしなくても、他の人々は特定の衛星が局の頭上を通過するときに地上局がその衛星を聞くようリクエストできるようになる。

私は自分の地上局を作ることにした。Hinchliffe氏の手順説明に従うのは簡単だった。最も長い部分はおそらくRaspberry Pi SatNOGSイメージをSDカードに書き込む部分だ。Raspberry Piが起動後は端末を使用するようになっている。それほど難しくないが、分かりにくければHinchliffe氏の手順に従ってほしい。プライバシー/セキュリティ上の理由で、緯度と経度を実際の位置から数マイルずらした。頭上を通過する衛星を捉える目的には、大した誤差ではない。

自分の局を表す小さなオレンジ色の点が地上局マップに表示されるのを見るのはうれしいものだった。

Raspberry Piをガレージに設置するつもりだったので、ケースが必要だった。Thingiverseで見つけたケースを3Dプリンタで制作する(Walter Hsiao氏に感謝する)。

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アンテナ分野の専門用語:

RG58ケーブル – RF接続によく使われる同軸ケーブルの一種。

BNCコネクタ – 同軸ケーブルに使われるすばやい接続/切断が可能なコネクタ。一部の電球のようなバヨネット式フィッティング。

BNCコネクタとRG58ケーブルはオシロスコープで一般的に使用されている。

SMAコネクタ(SubMiniatureバージョンA) – BNCより小型のねじ結合の同軸ケーブル。

 

テスト:

アンテナをガレージの壁に取り付ける前にテストしてみることにした。直立させるのにはパラソルスタンドを使った。ガレージの壁に取り付けて結果に満足するまで、SatNOGSのステータスは「testing (テスト中)」にしておいた。

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手始めに、通過する可能性のあるすべての衛星のスケジュールを設定した。

最初の結果の1つは下図のようになった。

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この結果にかなり興奮した。しかし、緑の線は私のドングルのノイズである可能性があった。

それからしばらくして、この結果を得た。

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音声をダウンロードすると、本物の声が聞こえた(オーディオファイルを添付するので、視聴してみてほしい)。

これでテストが終わり、アンテナをガレージの屋根に、Raspberry Piを安全なガレージ内に設置した。

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SatNOGSによる観測

Raspberry Piが衛星を待ち受けるようにスケジュールを設定すれば(SatNOGS Webサイトを使用)、後は何もしなくてもすべてが自動的に行われる(うまく行かない場合は、SatNOGSページのwikiが非常に便利だ。快くサポートしてくれる素晴らしいコミュニティもある)。 

衛星が頭上を通過すると、「verification required (確認が必要)」通知がダッシュボードに表示される。通過データを確認して、衛星が存在したか(Good)、存在しなかったか(Bad)、自分の側で(アンテナ、Raspberry Piなど)動作が停止したか(Failed)を決定する必要がある。ウォーターフォール画像からGoodかどうかを判別できるようになるまで、何度も「Bad」の音声を聞いた。今でも毎回正しく判別できている自信がない。

私の地上局(917)は、テストを完了して恒久的にオンライン状態になっており、衛星を聞きたい人は誰でもリクエストできる状態になっている。

初回時にうまく行かなかったこと:

BNCコネクタをアンテナの同軸ケーブルに取り付けるとき、コアとシースの間の短絡が実際にはアンテナの中に作られているのではないかと思い付いた(最終的にWiMoに問い合わせた。同社の販売後サポート対応はすばらしく、担当者によれば「短絡は正常だが、構造上アンテナ自体の中にある」とのことだった)。

また、どういう訳かガレージでブラケットを固定するときに、6mm SDSドリルビットの端が欠けてしまった。

やり方を変えたこと:

ドングルにSMAコネクタが付いていたため、SMAをBNC (メス)に変換するコネクタが必要だった。これはアンテナの同軸に取り付けたBNC (オス)コネクタに正しく適合し、テスト時はうまくいった。しかし、アンテナをガレージに取り付けるときに、同軸ケーブルを延長する必要があった。RSから購入できた唯一の5m同軸ケーブルには両側にオスBNCが付いていたため、アダプタがもう1つ必要になった。

今後の改良予定:

LNA (低ノイズアンプ)とFMnotchフィルタの追加したいと考えている。

 

Update 17 Feb 2020 - antenna assembly:

The top elements of the antenna assembly:

The equal length elements are opposite to each other.

long

short + short

long

I am an inventor, engineer, writer and presenter. Other stuff: Royal Academy of Engineering Visiting Professor of Engineering: Creativity and Communication at Brunel University London; Fellow of the Institution of Mechanical Engineers and have a PhD in bubbles; Judge on BBC Robot Wars.

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