Title
5.8GHz帯用ドップラーシフト補正システム
Author(s)
田中健太, 田中卓史
Citation
福岡工業大学研究論集 第46巻2号（通巻71号） P39-P42
Issue Date
2014-2
URI
http://hdl.handle.net/11478/1266
Right
Type
Departmental Bulletin Paper
Textversion Publisher
福岡工業大学 機関リポジトリ
FITREPO
5.8GHz帯用ドップラーシフト補正システム
田
中
太
（工学研究科情報工学専攻)田
中
卓
（情報工学部情報工学科)The Doppler Shift Compensation System for 5.8GHz Band
Kenta T
ANAKA(Graduate Course of Computer Science and Engineering)
Takushi T
ANAKA(Department of Computer Science and Engineering)
Abstract
We have developed a 10cm cubesat, FITSAT-1, which was deployed from ISS on 5 October 2012 and decayed on 4 July 2013. The main mission of the FITSAT-1 is to demonstrate a high speed transmitter module developed by our group. It could send VGA (640x480pix)resolution jpeg image data at 115.2kbps FSK in 2 to 6 seconds using 5.84 GHz ham band. The frequency shift by Doppler is almost plus or minus 150 kHz at 5.84 GHz. It is not easy to adjust the receiving frequency by manually. So we developed a software mechanism of automatic tuning system which compensates Doppler shift.
Key words:cubesat, FITSAT-1, high speed transmission, Doppler shift tracking
１. はじめに 我々は cubesatと 呼 ば れ る10cm立 方 の 小 型 人 工 衛 星 FITSAT-1を開発した。FITSAT-1は2012年10月５日に国 際宇宙ステーションの日本実験棟「きぼう」にあるロボッ トアームを って宇宙へ放出された。人工衛星の運用期間 は100日程度とされていたが，国際宇宙ステーションからの 放出時の高度が高かったため当初予定の100日を大幅に超 えて270日間運用し，2013年７月４日に大気圏に再突入し燃 え尽きた。FITSAT-1のミッションは２つある。１つ目が 5.8GHz帯を 用し VGA（640x480px）の Jpeg 画像を115.2 kbpsの通信速度を用いて２∼６秒程で地上に送信する実 証実験である。FITSAT-1には２つのカメラが搭載されて おり，放出時にシャッターを切り国際宇宙ステーションや 一緒に放出される衛星が撮影できるようになっている。２ つ目のミッションとして50個の高出力緑 LED を用いて FITSAT-1を光らせ人工の星を作ることである。 小型衛星との通信では140MHz帯や430MHz帯のアマ チュア無線帯が われることが多く，安価なアマチュア無 線機器を 用して小型衛星との通信が行われていた。 FITSAT-1のメインミッションである画像受信において は5.8GHzのアマチュア無線帯を 用しているが，5.8GHz 帯はアマチュア無線では われることが少なく，対応して いる機器も少ない。そのため，5.8GHzを受信するための設 備を開発する必要があった。そこで人工衛星から受信した 5.8GHzの信号を増幅し，440MHzに変換する LNB，そし て440MHzに変換された信号は FM 受信機で10.7MHzに 変換され，それを検波するための検波器を開発した。検波 器にはＳカーブのズレを LED で表示しそれに合わせて± 150kHzの周波数の変化を手動で調整しドップラーシフト アイクォーク株式会社 平成25年10月28日受付 図１ FITSAT-1 Fig. 1 FITSAT-1
に対応できる。しかし実際に FITSAT-1から5.8GHzの信 号を受信した時に最大仰角付近での周波数変化が大きく手 動で行うには正確性にかける部 があった。そこで FIT-SAT-1からの5.8GHzの受信周波数を自動で調整するため に人工衛星の軌道計算ソフト calsat32と ExcelVBA を用い たドップラーシフト計算ソフトを作成し，パソコンから計 算 さ れ た ドップ ラーシ フ ト 周 波 数 を FM 受信機に送 る ドップラーシフト補正システムを開発した。 ２. 5.8GHz 受信設備 FITSAT-1からの5.8GHz 受信に 用する設備を図２に 示す。人工衛星からの微弱な信号を直径1.5mのパラボラ アンテナに取り付けた LNBで受信する。受信するために は衛星を追尾する必要があり，我々が独自に開発した制御 システムにより追尾を行っている。LNBは5.8GHzの信号 を増幅し無線機が扱える440MHzの第１中間周波数に変換 される。LNBの電源は BiasT 回路により LNB出力の同軸 ケーブル上に重畳されて供給されている。変換された440 MHzの信号はプリアンプにより増幅され広帯域 FM 受信 機（AOR8600）で10.7MHzの第２中間周波数に変換され る。受信機からの出力を検波器により復調され，データは パソコンへ出力される。 検波器には５段階の LED 表示がありＳカーブの中心か らのずれを表示し±25kHz内ならば中心の青色ランプ，± 25kHz∼±75kHz内ならば黄色ランプ，±75kHz外ならば 赤色ランプが点灯し，受信機の周波数のダイヤルを回すこ とでドップラーシフト周波数を手動で補正し常に青色ラン プが点灯するように操作する。 受信機である AOR8600にはシリアル通信でコマンドを 送ることにより受信周波数などを制御することができる。 自動でドップラーシフト補正を行うためにパソコンとシリ アルケーブルにより接続し計算された値を受信機へ送るこ とでドップラーシフトの補正を行っている。 2.1 受信機 受信機 AOR8600はシリアル通信 RS232C を 用して制 御することができる。コマンドはヘッダに２つの大文字の ASCII を 用し，末尾に改行文字（CR）を付加することで 制御を行う。AOR8600のシリアル通信の設定は以下のよう になっている。 ・通信速度：4800，9600，19200 ・データ：8bit ・ストップビット：2bit ・パリティ：なし ・ハンドシェイク：XFLOW RF」コマンドを 用して受信周波数の制御を行った。周 波数は50Hz単位で制御することができ，受信周波数を437 MHzにするときは「RF437.0000＜CR＞」のコマンドを AOR8600に送ることで受信周波数を437MHzにすること ができる。 ３. Calsat32 3.1 Calsat32の外部出力インタフェース 人工衛星の追尾には Calsat32を 用している。NORAD （北アメリカ航空宇宙防衛司令部）の HPから TLE（Two Line Element）を取得し Calsat32に読み込ませることによ り人工衛星の位置情報が得られる。Calsat32の主な機能と してアンテナのコントロールや無線機と接続して受信周波 数のドップラーシフト補正も行うことができる。しかし Calsat32で制御できる無線機は限られており，FT847・ IC820・IC910・TS2000の ４ つ の み で あ る。 用 し た AOR8600では制御することができず，また FITSAT-1から の5.8GHzの受信においては LNBで周波数変換を行って おり Calsat32は中間周波数の制御は対応していない。Cal-sat32には TLE から計算された人工衛星の図３のデータを 取得できる２つの外部インタフェースが備わっており，レ ジストリから読み取る方法と DDE による方法がある。今 回はドップラーシフト補正で必要な Range Rate（距離変 化）を 用する。 図２ 5.8GHz受信設備 Fig. 2 5.8-GHz Receiving Facility
5.8GHz帯用ドップラーシフト補正システム（田中・田中)
図３ 外部出力インタフェース Fig. 3 External Output Interface
3.2 レジストリ レジストリとは Windows内のデータベースでありコン ピュータシステムの情報を格納している。Calsat32では図 ４のようにレジストリに人工衛星のデータが書き込まれて おり，プログラムからレジストリを参照することで人工衛 星のデータを取得することができる。 3.3 DDE DDE とは Windowsのアプリケーション間でデータや コマンドのやり取りを行うためのプロトコルである。DDE を利用して Excelでは簡単な記述でデータを参照すること ができる。Calsat32を起動しておき，Excelのセルに“＝ Calsat32 Export!txtRangeRate”と 記 述 す る こ と に よ り Calsat32で計算された人工衛星の距離変化を参照すること が で き る。開 発 し た ドップ ラーシ フ ト 補 正 ソ フ ト で は DDE を 用した。 ４. ドップラーシフト補正ソフト 4.1 ドップラーシフト補正
Calsat32の DDE インタフェースを 用して ExcelVBA によりドップラーシフト補正ソフトを開発した。Calsat32 から得られる距離変化は人工衛星から見た観測点の相対速 度であり，ドップラーシフト周波数 ，中心周波数 ，相 対速度 ，光の速度をｃとすると式4.1からドップラーシフ ト周波数を求めることができる。 ＝− (4.1) ドップラーシフト周波数から LNBで周波数変換された あとの値を足すことで受信機の周波数を求めることができ る。LNBでの周波数変換は5.84GHz±ドップラーシフト周 波数から局部発信機の周波数である5.4GHzを引くことで 求められる。すなわち，AOR8600に設定する周波数 は以 下で与えられる。 ＝5.84 ± −5.4 ＝440 ± (4.2) 4.2 EasyComm 値を Excelから RS232C へアクセスするためにフリーソ フ ト で あ る「EasyComm」を 用 し た。ExcelVBA に EasyCommをインポートすれば RS232C を経由した無線 機とのコマンド送信プログラムを作成することができる。 ExcelVBA の記述として通信速度，パリティ，データ数，ス トップビット，ハンドシェイクを次のように設定する。 ・ec.Setting ＝“9600,n,8,2” ・ec.HandDhaking ＝ ec.HANDSHAKEs.XonXoff 求めたドップラーシフト補正周波数の値のセルと周波数 の前に RF をつけ１秒毎に無線機へ送る。
・ec.AsciiLine ＝“RF”& Range（“C8”）
図５にドップラーシフト補正ソフトの操作画面を示す。 ５. 5.8GHz 画像受信 5.1 画像受信 FITSAT-1からの画像受信を行うために画像送信命令を FITSAT-1に送る必要がある。FITSAT-1へのコマンドは 430MHz帯を 用しており，コマンドは遅 コマンドに なっている。設定した時間に送信を開始し，地上ではパラ ボラアンテナを追尾し信号を捉える。画像は一度に20枚送 信され，画像と画像の間は５秒間の待ち時間がある。20枚 送信し終えるまでは約２ 間である。 画像受信時には PC によるバイナリの保存とスコープ コーダによる信号の保存を行った。 5.2 画像復元 画像受信で問題となったのが jpeg 画像を っている点 である。bitmap画像に比べ画像サイズは小さいが１bitの 誤りでも画像に大きな影響を与える。画像受信では１回の 受信ですべてを正常に受信することは難しかったが，２， ３回同じ画像を受信することで画像を復元することができ た。復元した画像を図６に示す。 図４ レジストリ Fig. 4 Registry 図５ 操作画面 Fig. 5 Operation Screen
６. おわりに FITSAT-1からの5.8GHz信号を受信するためのドップ ラーシフト補正ソフトを開発した。5.8GHz画像受信にお いて正常に受信機の受信周波数を調整することができ，撮 影された画像をほぼすべてを受信することができた。今回 開発したドップラー補正ソフトは AOR8600のみでしか 用できないため，今後は他の無線機でも 用できるように していく必要がある。 5.8GHz画像受信の改良点として一つ目が画像の誤り検 出・訂正である。１つの画像を復元するために何回も受信 が必要だったため新たにシャッターを切るのが遅くなって しまった。そのため一回の受信でできるだけ多くの画像を 復元できるように工夫していく必要がある。二つ目が受信 アンテナの調整である。直径1.5mのパラボラアンテナを 用していたが実際の利得は理論値の利得より小さかっ た。そのためパラボラアンテナの焦点の調整がうまくでき ていなかったと えられる。小型人工衛星における5.8 GHz帯の 用は初めてであり技術として確立されていな い部 が多くある。小型人工衛星での5.8GHz帯の 用は 今後増えると予想されるため，受信システムの改良を進め ていく必要がある。 参 文献 １) 田中 太：小型人工衛星の開発，福岡工業大学大学院 修士論文，2013 ２) 田中卓 ，河村良行，田中崇和：福岡工業大学小型衛 星 FITSAT-1（NIWAKA）の概要，第53回宇宙科学技術 連合講演会，2013 ３) 溝口由華：福岡工業大学超小型衛星追尾システムの開 発，福岡工業大学大学院修士論文，2013
４) Takushi Tanaka, Yoshiyuki Kawamura, Takakazu Tanaka : Overview and Operations of FITSAT-1 (NIWAKA), Proc. of RAST2013, Istanbul, pp.887-892, 2013
５) 木下清美：EasyComm http://www.activecell.jp/
42 5.8GHz帯用ドップラーシフト補正システム（田中・田中)
図６ 受診画像 Fig. 6 Receive Picture
