地磁気データのリアルタイム送受信システムの開発

地磁気データのリアルタイム送受信システムの開発

Development of a Real-Time Data Transmission System

for Geomagnetic Data

尾花 由紀*, 才田 聡子**

Yuki Obana*, Satoko Saita**

Abstract

We developed a real-time data transmission system and an automatic data analysis and publication system for geomagnetic data from the CRUX magnetometer array in New Zealand. Our low-power system is driven by solar cells and communicates using a mobile telephone line. It is, therefore, available in rural area which is without power supply nor telephone lines. The data logger and the communication controller are connected by the Low Power Wide Area (LPWA) network, thus, it can be installed at a point where the radio condition is locally poor, like a valley bottom. The magnetic data are uploaded to online storage every 15 minutes and then collected by a server in the laboratory. Furthermore, the newly developed data analysis and publication system allows general users to access the data and display quicklook plots interactively on browser.

１．はじめに

地球近傍の宇宙空間である「内部磁気圏」は，天然のプラズマ実験室であると⾔われてい る．eV〜MeV にわたる 6 桁も異なるエネルギー階層のプラズマが存在しており，その分布関 数や関連した電磁場変動を観測・研究できるためである．図１に，磁気圏の構造と主要なプ ラズマ群の分布を⽰す．図左側の太陽⽅向から超⾳速の太陽⾵が吹き付けており，上流側に 衝撃波⾯，下流側にシース領域を作る．シースの内側には地球磁場が⽀配する領域（磁気圏） があり，磁気圏の外側境界を磁気圏界⾯という．磁気圏の内側には特性の異なるさまざまな プラズマ群が存在する．夜側には⽐較的熱いプラズマであるプラズマシート（1–10 keV）があ り，地球近傍にはエネルギーの⾼い順に放射線帯 (>~100 keV)，環電流 (1–100 keV) ，プラズ マ圏(~eV)が重なり合うように存在する．放射線帯の⾼エネルギー粒⼦は宇宙⾶⾏⼠の被曝や ⼈⼯衛星障害等の宇宙災害を引き起こすため，これらがいつ・どこで・どのようにして増加 するかを予測し，被害を未然に防ぐ技術，すなわち宇宙天気予報の確⽴が急務となっている [e.g., 1, 2]． * ⼤阪電気通信⼤学⼯学部基礎理⼯学科 ** 北九州⼯業⾼等専⾨学校⽣産デザイン⼯学科 大阪電気通信大学　研究論集 （自然科学編） 第 54 号

内部磁気圏では，広いエネルギー帯に属すプラズマ群が互いに協調的にふるまうことで⾼ エネルギー粒⼦を作り出していると考えられている．放射線帯電⼦の加速メカニズムはいま だ⼗分には解明されていないものの，ホイッスラーモードのプラズマ波動がサイクロトロン 共鳴によって電⼦を加速する効果が重要な役割を担っていると⾔われている[3]．プラズマ波 動のエネルギー源はプラズマシートや環電流であり，波動の励起条件はプラズマ圏がコント ロールしていると考えられている[4]． 図 1 磁気圏の構造と主要なプラズマ群．[5]より加筆転載． 図２ ニュージーランド地磁気観測網の MDM, TEW 観測点の位置

すなわち，放射線帯の増減を理解するにもプラズマシート，環電流，プラズマ圏といった エネルギー階層の異なるプラズマの情報が必須なのだが，広⼤な磁気圏で幅広いエネルギー 帯のプラズマを詳細に観測するのは容易ではなく，⼈⼯衛星によるその場観測，地上からの 遠隔観測，シミュレーションなどを組み合わせた多⾓的な研究が必要である．とくにプラズ マ圏の観測においては，粒⼦エネルギーが低く衛星帯電の影響を受けやすいためその場観測 が困難で，地磁気観測の果たすべき役割は⼤きい． われわれはフラックスゲート型磁⼒計をニュージーランドの Middlemarch (MDM，緯度 45.60˚S, 経度 170.09˚E)および Te Wharau (TEW, 41.18˚S, 175.83˚E) に 2011 年 3 ⽉，2012 年 3 ⽉にそれぞれ設置し，地磁気変動の定常観測を⾏ってきた（図 2）．これは我々の知る限り， ニュージーランドにおける初めての⾼時間分解能 (<1 s) の地磁気定常観測であり，国内外の 様々な宇宙天気研究に利⽤されている[6, 7, 8]． 本研究以前には，磁⼒計で得られたデジタルデータは，⽉に⼀度現地協⼒者の⼿によって 回収され，e-mail での送付(MDM)または SD カードの郵送(TEW)によって筆者のもとに送ら れていたため，観測から解析開始までに 1 ヶ⽉以上の遅れが存在していた．しかし近年，⼤ 規模な磁気嵐が発⽣した場合など，データ利⽤申請に迅速にこたえ，いち早くデータ解析・ 成果発表につなげることがますます重要になっており，近い将来学術⽬的から⼀歩踏み込ん で宇宙災害に対応するツールとして地磁気観測データを普及させる上でも，データ回収にか かる時間を⼤幅に圧縮する必要があった． そこで本研究では，地磁気データを随時迅速に公開し，宇宙天気予報研究に幅広く貢献す ることを⽬的に，地磁気データのリアルタイム送受信システムと⾃動解析・蓄積・公開シス テムの開発を⾏った．図 2 に⽰した⼆つの観測点のうち，最初のリアルタイム化には MDM 観測点を選んだ．この観測点は⼈⼯ノイズが極めて少なく，質の⾼いデータが得られる観測 点である反⾯，商⽤電源等の整備されていない僻地である．よってリアルタイム送受信シス テムは太陽電池で駆動できる省電⼒システムであること，携帯電話回線を使うことなど，克 服すべき技術的課題が明確化しやすい場所であった．

２．システム概要

２．１． リアルタイムデータ送信システム

図３にリアルタイムデータ送信システム導⼊前の MDM 観測点における地磁気観測システ ム概要を⽰す．現地は Middlemarch の町から 4km ほど南に離れた牧草地で現在は無⼈の古い 農家家屋（以後，⼩屋と記す）がある．システムは磁⼒計，アンプ，データロガーで構成され ており，磁⼒計は⼩屋から 50m ほど離れた牧草地内に，アンプとデータロガーは⼩屋の中に 設置されている．システム全体の電源は⼩屋の壁⾯に取り付けた太陽電池とバックアップの バッテリーから供給されている．磁⼒計は磁場の３成分（南北，東⻄，鉛直⽅向の各成分）を アナログ信号で出⼒する．この信号をアンプで背景部分を捨て，変動成分のみを増幅してデ ータロガーでデジタライズして 1 秒毎に SD カードに記録する．前述のとおり記録データは 毎⽉協⼒者が現地を訪れ，回収したのち，e-mail で⼤阪電気通信⼤学へ送られていた．

図３ MDM 観測点における地磁気観測システム概要（リアルタイムデータ送信システ ム導⼊前） 図４にリアルタイムデータ送信システム導⼊後のシステム概要を⽰す．また表に使⽤機材 の⼀覧を掲載する．磁⼒計，アンプ，データロガーは既存のシステムを変更することなく使 ⽤した．データロガーには RS-232C 端⼦があり，記録中のデジタルデータが常に出⼒されて いた．当初の計画ではここに通信コントローラーを接続して信号を取り⼊れ，携帯電話通信 でインターネット上のオンラインストレージにアップロードする予定であった．しかし⼩屋 周辺の携帯電話電波状況が悪く，持ち込んだ通信アダプターの動作基準を満たさなかったた め，約 250m 離れた岩⼭に無線中継点を置くことにした．⼩屋―岩⼭間のデータ送受信には ⼀対の LoRa (Long Range) モジュールを⽤い，⻑いシリアルケーブル様にはたらく無線通信 を確⽴した．LoRa は Low Power Wide Area（LPWA）ネットワークの構築で⽤いられる⻑距離 無線技術である．LPWA は，その名の通り低電⼒で⻑距離通信を可能にすることから，IoT (Internet of Things) 等，低コスト・低消費電⼒が要求されるアプリケーションに適しており， 現在急速に発展しつつある技術である． 地磁気データは 1 秒値として記録している．よってデータロガーから出⼒され，LoRa モジ ュールで岩⼭へ送られるデータも毎秒送信される．このデータは Raspberry Pi 3 で構成された 通信コントローラー内に⼀旦蓄え，⼀定時間ごとに携帯電話通信でインターネットに接続し てオンラインストレージにデータファイルを書き込む仕組みとした．オンラインストレージ への書き込み頻度は，宇宙天気研究が求める迅速性の程度と省電⼒・省通信コストの⾯から バランスを考慮してひとまず 15 分とした．通信基地システムの運⽤のために岩⼭には太陽電 池とバッテリーを新たに設置する必要があった．⼀⽅，LoRa モジュールの消費電⼒は微弱で あるので，⼩屋の電源供給システムは補強の必要がなかった． 太陽電池を使って⻑期的に安定した観測機器を⾏うには，バッテリー電圧をこまめにチェ ックし，必要な対策をとることは極めて重要である．そのため，LoRa モジュールの AD 変換 器を利⽤して，⼩屋と岩⼭のバッテリー電圧を測定し，⼀分毎に地磁気データに付加する仕 様とした．これにより，現地を訪問することなく，バッテリー状況を常時監視することが可 能になった．

図４ MDM 観測点における地磁気観測システム概要（リアルタイムデータ送信シ ステム導⼊後

表 使⽤機材⼀覧

品名 製品名 製造者名

フラックスゲート型磁⼒計 Mag-03 Bartington Instruments

アンプ -- ⾃作

データロガー DCR-5SD クローバテック株式会社

LoRaモジュール Adafruit Feather M0 433MHz

RFM96 LoRa Radio Adafruit Industries 通信コントローラー Raspberry Pi 3 -- 通信アダプター MMLink-3G 安川情報システム株式会社

２．２． インタラクティブデータ解析システム

オンラインストレージにアップロードされたデータは，⼤阪電気通信⼤学内に設置したデ ー タ 収 集 ・ 解 析 ・ 公 開 ⽤ の サ ー バ ー に ダ ウ ン ロ ー ド し ， ウ ェ ブ 上 で 公 開 さ れ る (http://www1.osakac.ac.jp/crux/)．今回我々は，⾃動でダウンロードとデータ蓄積を⾏い，さら にブラウザ上から⼀般のユーザーが簡単なプロット図の作成が⾏えるインタラクティブ解析 システムを開発した．

図 5：可視化システム構成 インタラクティブ解析システムの概要 図 5 は可視化システムの構成を⽰す．可視化システムの処理とデータの流れを以下に⽰す．まず， サーバはユーザーが Web ブラウザ上で指定した（図 5 の①）観測地と時刻を元に, 可視化に必要 なデータファイルを Dropbox から取得する（図 5 の③）. 返ってきたデータはサーバー内で C ⾔ 語や R ⾔語を使って解析される（図 5 の(a)）. 解析後, ユーザーはデータと HTML を受け取り （図 5 の(c)）, JavaScript のライブラリ（図 5 の(b)）を⽤いてインタラクティブなグラフが描画 されたアプリケーションを利⽤する．また，可視化するオープンサイエンスデータはあらかじめ Dropbox から⼀定の時間間隔でダウンロードしデータベースに登録しておくことも可能である． ユーザに提供される可視化環境 図 6 に開発した Web アプリケーションの画⾯を⽰す．開発したアプリケーションは画⾯の左カ ラムに表⽰された地図からユーザーが⾒たいデータの観測所，⽇時，時刻を設定する．右カラム では設定した⽣データをグラフで表⽰する．このグラフ表⽰のなかでマウス操作によって表⽰範 囲の変更（パン），表⽰範囲の拡⼤（ズームイン），表⽰範囲の縮⼩（ズームアウト），データ値の 表⽰などを⾏うことが可能である．また，下に最初に選択したデータ範囲を表⽰するグラフを描 き，その中でスライダーを動かすことによって上のグラフでのデータ表⽰範囲をズームすること ができる．このように，左から右に移っていく作業フローのアプリケーションを開発した． Web ブラウザ サーバ Dropbox ②アクセス ③ダウンロード ④HTML ①観測地・時刻 (a)解析・処理 (b)plotly.js で可視化(c)HTML とデータファイル

図６ Web ページに表⽰される画⾯の例

３．今後の展開

今回開発したリアルタイムデータ送信システムを TEW 観測点にも設置し，ニュージーラ ンド地磁気観測網の完全リアルタイム化を⾏う．また，様々なオープンサイエンスデータの 提供機関・グループと連携して，インタラクティブ解析システムの導⼊を進めていく予定で ある．

４．まとめ

ニュージーランドに展開している地磁気観測網のデータを随時迅速に公開するために，地 磁気データのリアルタイム送受信システムと⾃動解析・蓄積・公開システムの開発を⾏った． 地磁気観測は⼈⼯ノイズが少ない場所で⾏う必要があり，往々にして観測好適地は商⽤電源 や電話・インターネット等の通信網が整備されていない遠隔地である．我々の開発したシス テムは省電⼒で太陽電池による駆動が可能であり，かつ携帯電話電波を利⽤してデータのア ップロードを⾏うため設置場所を⾃由に選べる利点がある．またデータ記録部分と通信コン トローラー間を Low Power Wide Area（LPWA）ネットワークによる無線通信で結ぶことで， ⾕地など局所的に電波状況の悪い場所への設置も可能にした．データは 15 分ごとにオンライ ンストレージにアップロードされたのち，⼤学内に⽴てたサーバーで回収される．サーバー には，データ解析・公開システムを搭載し，⼀般の利⽤者がブラウザを介してアクセスし， インタラクティブな操作で⾃由に波形やパワースペクトルを表⽰させられるシステムを構築 した．今後オープンサイエンスデータの提供機関・グループと連携して，宇宙天気データの 公開促進に役⽴てていく． 図６ Web ページに表⽰される画⾯の例

３．今後の展開

今回開発したリアルタイムデータ送信システムを TEW 観測点にも設置し，ニュージーラ ンド地磁気観測網の完全リアルタイム化を⾏う．また，様々なオープンサイエンスデータの 提供機関・グループと連携して，インタラクティブ解析システムの導⼊を進めていく予定で ある．

４．まとめ

ニュージーランドに展開している地磁気観測網のデータを随時迅速に公開するために，地 磁気データのリアルタイム送受信システムと⾃動解析・蓄積・公開システムの開発を⾏った． 地磁気観測は⼈⼯ノイズが少ない場所で⾏う必要があり，往々にして観測好適地は商⽤電源 や電話・インターネット等の通信網が整備されていない遠隔地である．我々の開発したシス テムは省電⼒で太陽電池による駆動が可能であり，かつ携帯電話電波を利⽤してデータのア ップロードを⾏うため設置場所を⾃由に選べる利点がある．またデータ記録部分と通信コン トローラー間を Low Power Wide Area（LPWA）ネットワークによる無線通信で結ぶことで， ⾕地など局所的に電波状況の悪い場所への設置も可能にした．データは 15 分ごとにオンライ ンストレージにアップロードされたのち，⼤学内に⽴てたサーバーで回収される．サーバー には，データ解析・公開システムを搭載し，⼀般の利⽤者がブラウザを介してアクセスし， インタラクティブな操作で⾃由に波形やパワースペクトルを表⽰させられるシステムを構築 した．今後オープンサイエンスデータの提供機関・グループと連携して，宇宙天気データの 公開促進に役⽴てていく．

謝辞

本研究は⼤阪電気通信⼤学エレクトロニクス基礎研究所特定共同研究「地磁気データの リアルタイム送受信システムの開発」の助成を受けたものである．

本研究の推進にあたっては，Dunedin Astronomical Society の Peter Jaquiery ⽒に現地作 業への協⼒ならびに技術的⽀援をいただいた．こころより感謝する．

参考文献

[1] The National Science and Technology Council (2015), 'National Space Weather Strategy', https://obamawhitehouse.archives.gov/sites/default/files/microsites/ostp/final_nationalspaceweath erstrategy_20151028.pdf

[2] The National Science and Technology Council (2019), 'National Space Weather Strategy and Action Plan', https://www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2019/03/National-Space-Weather-Strategy-and-Action-Plan-2019.pdf.

[3] Summers, D., R. M. Thorne, and F. Xiao (1998), Relativistic theory of wave-particle resonant diffusion with application to electron acceleration in the magnetosphere, J. Geophys. Res.,103(A9), 20,487–20,500.

[4] ⼤ 村 善 治 (2010), ' 宇 宙 の ⾳ 、 コ ー ラ ス の 謎 を 解 く ', ⽣ 存 圏 研 究 , Vol 6, pp. 1-8, http://hdl.handle.net/2433/184815.

[5] Kivelson, M. G., and F. Bagenal (1998), 'Planetary Magnetospheres', The Encyclopedia of the Solar System, Weissman, P., McFadden, L. A., Johnson, T., Eds.-in-Chief, Academic Press, pp. 519-540. [6] Obana, Y., C. L. Waters, M. D. Sciffer, F. W. Menk, R. L. Lysak, K. Shiokawa, A. W. Hurst, T. Petersen, Resonance Structure and Mode Transition of Quarter-Wave ULF Pulsations Around the Dawn Terminator, J. Geophys. Res. - Space Physics., 120, doi:10.1002/2015JA021096, 2015. [7] Clilverd, Mark A., Craig J. Rodger, James B. Brundell, Michael Dalzell, Ian Martin, Daniel H. Mac

Manus, Neil R. Thomson, Tanja Petersen, and Yuki Obana (2018). 'Long-lastinggeomagnetically induced currents andharmonic distortion observed in New Zealand during the 7-8 September 2017 disturbed period', Space Weather, 16. https://doi.org/10.1029/2018SW001822.

[8] Mitani, K., K. Seki, K. Keika, M. Gkioulidou, L. J. Lanzerotti, D. G. Mitchell, C. A. Kletzing, A. Yoshikawa, and Y. Obana (2019), Statistical Study of Selective Oxygen Increase in High-Energy Ring Current Ions during Magnetic Storms, J. Geophys. Res. - Space Physics., accepted.