Microsoft PowerPoint - 岩田君 シンポジウム_ポスター発表

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1 研究の背景と目的 新しい衛星ビーコン観測用ディジタル受信機の開発 岩田桂一 山本衛 ( 京大生存圏研 ) Tung-Yuan Hsiao Hsing(Wu University) Roland Tsunoda( SRI International) 人工衛星から放送されるビーコン電波を地上で受信することによって 電離圏の全電子数 (Total Electron Content; TEC) を推定できる 我々は GNU Radio Beacon Receiver (GRBR) を開発し 低軌道衛星からの 150MHz/400MHz ビーコンの観測から電離圏 TEC の研究を行ってきた 既存のビーコン衛星は老朽化してきており 休止したものも多い しかし 年に新たに 8-11 機ものビーコン衛星が打ち上げられる予定がある 本研究は 新しいビーコン衛星に対応した受信機を開発することを目的とする 衛星群の打ち上げに先立って低緯度域に展開し プラズマバブルといった特徴ある電離圏の様態の解明に貢献したい GPS 測位などの精度向上に貢献できる 電離層の電波ビーコン実験 低緯度電離層 : Equatorial Spread-F (ESF) 人工衛星 km height 1 pass duration = 10-15min 最短距離 電離圏 地上受信機 電波的距離 VHF(150MHz)/UHF(400MHz) 人工衛星からのビーコン信号は地上で受信される 電波は局所的プラズマ密度によって変調された散逸メディアである電離圏を通って伝播します 電波的経路は最短距離から曲がっており 周波数が異なると変わる 2 つの信号の位相差の分析から全電子数 (TEC:Total Electron Content) を推定することができる 密度 : 高 密度 : 低 プラズマバブルの発展 プラズマバブル 地磁気的赤道 プラズマバブルの南北構造 地球磁場 電子密度が急激に変わる電離圏下側でわずかな揺らぎが生じると 電子密度の減少領域が電離圏上側まで広がります レイリーテイラー不安定によりその振幅は増大しています プラズマバブルは密度勾配が急になる日没後に磁気赤道付近で発生します 磁力線に沿ってチューブ状に南北に広がります このプラズマバブルの内部には電子密度の不規則構造であるイレギュラリティが存在します 1000 km 100 km 電離層

2 新たなビーコン人工衛星 Name Launch Units PROPCUBE (USA) COSMIC-2 (USA,Taiwan) TBEx (USA) Sep Dec Inclina tion 3 63 Dec Dec Beacon frequency 390 MHz 2340 MHz 400 MHz 965 MHz 2200 MHz 150 MHz 400 MHz 1067 MHz Note 主な目的は GPS occultation Decided launch with COSMIC-2 TBEx Flight Systems External View SOLAR PANELS S-BAND COMMS PATCH ANTENNA (2) GG BOOM PARTIALLY DEPLOYED UHF COMMS MONOPOLE ANTENNA AVIONICS STACK 150/400MHz DBB の人工衛星は古くなった. C/NOFS はすでに停止している 年に 3 つの新しい人工衛星打ち上げる計画がある 特に COSMIC-2 and TBEx は低緯度帯を飛ぶ予定である 新たな GRBR システムを開発することでビーコン実験を準備する UHF VHF BEACON ソフトウェア無線機 GNU Radio 受信機はソフトウェア無線機 (Software- Defined Radio; SDR) 技術を用いて開発する SDR とは ソフトウエアによる信号処理を大幅に取り入れた無線機器である 同一のハードウェアであっても ソフトウェアを変更するだけで 機能を変化でき得る 既存の GRBR に引き続き SDR の制御ソフトウェアとして GNU Radio を用いる ビーコン受信機の基本的な機能は アナログ信号である人工衛星からの電波をデータ解析に適したディジタルデータとして保存することである ソフトウェア無線のために開発されたソフトウェア ツール キット オープン ソフトウェアであること 専用のハードウェアと組み合わせることによって非常に広い範囲のソフトウェア無線を開発できる 計算速度が要求される信号処理部分は C++ で開発されているが これらを Python で呼び出す事ができるため GNU Radio に準備されている機能であれば手軽に利用できる 山本衛 (2010) GNU Radio と USRP で始めるソフトウェア無線, RF ワールド 2010 年 6 月増刊号,p.79,CQ 出版社

3 現在検討している SDR 共通項目 USRP B210/200 bladerf x40 R2 $.. $ 同種のボードを複数枚用いて それぞれ異なった周波数の信号が入力される 複数枚のボードはあるクロック信号によって同期される PC の OS は Ubuntu とする 今回の発表では テストは主として周波数 150MHz と 400MHz で行っている USRP B210/200 bladerf x40(1/2) 同期クロック信号 (10MHz) を外部に用意 扱える周波数 :70 MHz ~ 6 GHz B210 と B200 の違いは 1 枚のボードで信号の送受信に扱える周波数の数 (1or2) 入力信号の周波数差が大きいと 1 枚で 2 周波数を扱うことが不可能 他と同様に 1 枚につき 1 周波数の信号を受信する 4 枚のボードで同期しての信号受信に成功 同期クロックはマスターに指定したボードの内部クロックを他のボード ( スレイブ設定 ) に出力可能 扱える周波数帯 :300MHz ~ 3.8GHz 同社が販売しているアップダウンコンバータで 150MHz にも対応できる 4 枚のボードで同期しての信号受信に成功 ただし 無視できない位相差が観測された

4 R2(1/2) 同期クロック (10MHz) は外部に用意 扱える周波数 :24MHz ~ 1.8GHz サンプリング周波数が 10MHz と 2.5MHz のみ 3 枚のボードで同期しての信号受信に成功 ただし 無視できない位相差が観測された 同期受信テスト 送信機から 50MHz の信号を送信し Comb フィルターを通すことで 3 倍高調波である 150MHz と 8 倍高調波である 400MHz を SDR に受信させる 各周波数に対する SDR での受信信号の位相をとり 周波数比を考慮して異なる周波数間での位相差を求める 位相差 = アンラップ位相 _150 アンラップ位相 _400 8/3 この位相差に時間変化があると 観測時に TEC 値に影響してしまう システム構成図 50MHz 150MHz バンドパスフィルター 34DC7 SampleRate = 2.5MHz SampleRate = 320kHz USRP B210 F5EAB2 の 150MHz と 400MHz 間での位相差 diff= hz USRP の 150MHz と 400MHz 間での位相差 diff= hz Tx. Comb フィルター 外部クロック 10MHz Linux PC 452C7 400MHz バンドパスフィルター SampleRate = 2.5MHz USRP B210 F5EAE9 SampleRate = 320kHz Windows PC では周波数によって 時間に対して一定の差が生じている なお同周波数間では位相差がほぼ 0 である 原因は の同調周波数の微細なずれだが その原因は現在調査中である

5 TBEx ビーコン送信機のテスト (2015 年 7 月 at SRI) 150/400MHz 位相差 COSMIC-2 ビーコン送信機のテスト (2015 年 12 月 at SRI) (400MHz/965MHz/2200MHz) USRP B210 によるテスト df= hz df= hz USRP B210 を用いて行ったテストである 一定して 8 秒で約 70 の変化がある 原因として送信周波数の微細な違いが考えられる 現在調査中である 位相差の時間変動 (= 周波数オフセット ) が現れる ビーコン送信機 PLL の詳しい設定を調べたところ 下記の結果を得た 周波数オフセットは 目標とする周波数と PLL の同調のずれから ほぼ説明できる Band Nominal (MHz) PLL tune freq. (MHz) UHF df in reference to 400MHz band (Hz) L-band S-band SDR 機器の比較 SDR 機器の名称利点欠点 USRP B200/B210 bladerf Frequency tuning is more precise. Wide frequency coverage. Reliability. Easy purchase. External 10MHz sync. Medium cost. Wide frequency coverage. Low cost External 10MHz sync. High cost. Frequency tuning is coarse. Sync is not 10MHz. Frequency tuning is coarse. S-band is not covered. 今後の予定 1. テストにおいて 2 つの信号の位相差が 0 にならない理由の検討 ( たとえば の 150MHz と 400MHz において顕著である ) 2. 他を使ってビーコン受信機を構成し 既存の衛星からのビーコン波を受信しててすとする 3. TBEx 衛星および COSMIC-2 衛星に対応する受信機の設計を進める

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