VORによる電波観測方法

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日本国内における電波観測は、50MHz帯のビーコン電波が主流で多くの観測者が利用している。 一方、近年の技術でVORの電波も簡単に受信できるようになっている。 ここでは、VORによる電波観測が2万円程度(パソコンを除く)でできるので紹介をする。
実際に製作したうえでの掲載だが、無線工学の知識が乏しいので間違いがあればご指摘願いたい。

1.VORとは

航空無線のVOR (超短波全方向式無線標識)は、地上の設備から見かけ上30HzのAM変調で送信し、飛行中の航空機が受信して現在位置を把握するのに使われている。 VORは、将来的にはGPS(全地球測位システム)に移行する計画があるが、しばらくはVORが継続されるようである。 VORはその性格上から常時発信している箇所が多いので、電波観測として使用することができる。 近隣の海外のVORの情報を含めて、設置個所一覧(Excel) 想定航空路図を紹介するので受信時の参考とされたい。海外からは、韓国のVORを容易に受信することができる。
<長所>
・送信箇所が100ヶ所以上もあるので、観測方向の制約が少ない。
・スポラディックE層による異常伝搬の影響を受けにくい。
・50MHz帯と比較して電波の使用密度が薄いため混信が少ない。
・出力は100と200Wが大部分で電波を全方向に水平偏波で発射している。
<短所>
・周波数が高いので、流星の捕捉が悪化するためエコー数が減少する。
・定期的に装置の切替え(1ヶ月に1〜2回程度)を実施するため、そのつど周波数が変動(〜200Hz程度)する。
・VORの周波数は108〜118MHzの範囲なので、アンテナを特別に製作する必要がある。
・専用の受信機がないため、汎用の無線受信機を使うこととなる。

2.ハードウェア構成

今回、使用した機材等の構成図である。詳細については次項以降で説明をする。
 

3.準備すべき機材

以下に述べる内容は、最も安価に受信できる方法の機材を紹介する。なお、各項目のカッコ内の数字は購入価格を参考に記載している。
1) アンテナ(3,000)
前述のとおり受信周波数が108〜118MHzなので市販でのアンテナの入手は困難である。 したがって、特別注文をするか、アルミパイプなどを購入して受信周波数に合ったアンテナを自分で製作することとなる。 無線の知識も必要となるためハードルがかなり高くなる。そこで材料の入手と加工・組立てが簡単にできる方法として、周波数が少し低いFMアンテナを購入して改造することとする。 FMアンテナは、各メーカーで製造しているが、今回はマスプロ電工のFMアンテナ FM 3 を使用する。これだと、素子を切断するだけなので1時間もあれば組立てることができる。
取り付け場所によっては、支柱(ポール)も必要となる。
今回は3素子で製作をしているが、5素子を使用するとエコー数の捕捉が1.5倍に増加するので1,000円増しとなるが、設置スペースがあるなら FMアンテナ FM 5 を推奨する。。
なお、日本アンテナのFMアンテナ AF-4が手元にある場合は、こちらを参照すると改造できる。

2) 同軸ケーブル(3,000+α)
購入前に事前のルート調査が必要となるが、長すぎると伝送損失が大きくなり、微弱電波の受信に影響してくるので注意する必要がある。 パソコンとアンテナまでの実長に1〜2mを加算した長さで同軸ケーブル(5D-FB-LITE)を購入する。その時にBNCコネクタ(BNCP-5DFB)も同時に購入をしておく。

3) 受信機(7,000)
汎用無線受信機を使うのが最も簡単だが中古品でも2万円を超えるので、ここでは電波観測で最近普及しつつあるSDR(SoftwareDefined Radio)を使うこととする。 SDRは大きく分類しても10種類くらいはある。中には取扱いが簡単で高性能な「Airspy mini」や人工衛星の受信用に開発された「FUNcube Dongle Pro+」という製品もあり、いずれも使用可能である。 今回は安価で簡単に入手できる製品として、地上デジタル放送受信用のDVB-T-USBドングルを使うこととする。地上デジタルテレビ用ではあるが、ドライバーと処理プログラムを入れ替えることで広帯域無線受信機に変身して使うことができる。
DVB-T USBドングルにも数種類の製品があるが、最安値はHROで使用すると2000Hzずれているのは当たり前で、温度変化でも周波数が簡単に変動するのでお勧めできない。 高精度で温度補償型の水晶発信器に取り替えた改良品がAmazonで購入(5,950円)できる。Googleで R820T2 & SDR+TCXO(温度補償型水晶発振器±0.5PPM) を検索すると見つかる。
さらに接続するコネクタがMCX-P型なので、「MCX-P/BNC変換アダプター」が必要となる。本体を購入する際に、同時に購入をしておくこともできる。

4) パソコン(10,000)
SDRを安定して稼動するためには、Windows7以降のパソコンが必要となる。CPUとしては「インテルCore xx」なら間違いなく動作する。高性能なパソコンは不要なので、手持ちが無ければ市場で中古品を購入してもよい。
パソコンにステレオミキサー(録音デバイスの一つ)が内蔵されていなければ、スピーカ端子とマイク端子をつなぐためのオーディオケーブルが必要となる。 厳密には、スピーカ端子はステレオであり、マイク端子はモノラルなので変換付きケーブルを準備することとなる。暫定的には、両端がステレオでも可能であるがあまり推奨できない。

4.ハード加工

1) アンテナの製作
・素子(エレメント)の切断
VORはFMより周波数が高いので素子を切り詰めることとなる。素子を切断する際は、切断後の長さはミリ単位の精度が要求されるとともに、左右の長さを同じにすることが重要である。 下記は各素子の切断する長さを記載しているので参考とされたい。(単位[mm])
(参考)
アンテナを製造するときは、アンテナと同軸ケーブルがインピーダンスマッチングするように設計をする。折返しダイポール素子の放射器だとアンテナのインピーダンスは通常200〜300Ωとなる。 同軸ケーブルが50Ωなので今回のアンテナを200Ωで設計することで、給電器内にある「1:4」の既存のバランをそのまま使用することができる。

FM3 の改造寸法

   反射器  放射器  導波器 反射器〜放射器 放射器〜導波器
FMアンテナ FM3 1,986 1,704 1,498 529 381
VOR用改造アンテナ 1,270 1,206 1078 529 381

FM5 の改造寸法

   反射器  放射器 導波器3 導波器2 導波器1 反射器〜放射器 放射器〜導波器3 導波器3〜導波器2 導波器2〜導波器1
FMアンテナ FM5 1,920 1,750 1,502 1,502 1,480 740 340 390 390
VOR用改造アンテナ 1,280 1,224 1,158 950 1,080 740 340 390 390

※放射器は折返しダイポール素子となっているので、突起長を含む両端の長さであることに注意する。素子間の間隔は、既存の間隔としているので余計な穴を空けることはない。

    
  Pic-1 切断前                  Pic-2 切断後

・組立て
組立ては、同梱の「FMテナー」を参考にすれば容易にできる。この時点で、無線屋ならSWRメータなどでアンテナの性能を確認することとなるが、用途が受信だけなので測定は省略しても構わない。

2) 同軸ケーブル
アンテナの給電部との接続は同軸ケーブルを直付けができるので、コネクタ取付けはSDR側だけとなる。コネクタは、SDR側がBNC−Jなので同軸ケーブル側のコネクタはBNCP-5DFBとなる。 コネクタの接続の方法はこちらを、実際の寸法はこちらを参考にしで製作する。 コネクタの出来栄えしだいで受信感度に大きく影響することもあるので、高い難易度だが確実に作業をする。
なお、給電部との接続にM型コネクタを使用するなら、直付けの反対側にスペースがあるので、レセプタクル「M-BR」を取付けることができる。バランも移動することでリード線をそのまま使える。
  

3) SDR

SDRを直接パソコンに接続すると同軸ケーブルが硬いため自由度が制限されるので、USBケーブルを介したほうが良い。ただし、USBケーブルは雑音が発生し易いので、シールドが確実な20cm程度の短いのを使うのが良い。
同軸ケーブをそのまま接続するとSDRのコネクタ部分を損傷する恐れがあるので、SDRと同軸ケーブルをPic-9のように固定しておくことをお勧めする。
  
  Pic-9 SDRの固定

4) アンテナの取付け

受信すべきVORは、近距離だと直接波や航空機エコーを受信してしまうので定常観測には500Km以上離れている局を選定するのが望ましい。しかもアンテナの位置から見て支障物が無く遠方まで見通せる方向が理想である。 最終的には500〜600Kmの範囲にあるVORを選ぶと、スポラディックE層による異常伝搬の影響を受けにくい(*)ので最良である。なお、VORによっては夜間に停波することがあるので、24時間稼動のVORを選ぶことに留意されたい。
アンテナの取付けはベランダの手摺りが最も簡単である。2m以上の支柱があれば理想であり、方向調整も取付け後に自由にできることがメリットである。ベランダが無理なら本格的に屋根の上も選択肢の一つとなる。 アナログTV時代のVHFアンテナがあればその箇所に取り付ければ簡単である。室内への引き込みは、暫定的には窓越でも可能だが、恒久的には空調設備の室外機の出入り口などを利用することが最良である。
(*): 「スポラディック E 層が VHF 航空通信・航法に与える影響の評価」(電気通信大学)による引用で、文中では600Km以遠はEs伝搬が可能な範囲とされている。

5.ソフト起動

ここでは、受信から音声画像の出力までを説明するが、Liveなど更なるグレードアップを希望する場合は、今使用しているソフトを紹介するので問い合わせを願いたい。

1) SDRドライバのインストール
ドライバは、Windows7以降なら「zadig-2.3.exe」(2017.06.20現在)をクリックしてダウンロードする。 Vistaなら「zadig_2.2.exe」をクリックしてダウンロードする。
この段階で、SDRを接続する。
インストール方法は、詳しい説明が紹介されているので、文中の「zadigを起動します。」の項目から手順に従って作業をする。 ただし、説明書きはドライバのバージョンが古く実際と違うところがあるので注意を要する。

2) SDRSharpのインストールと起動
SDRSharpは、AIRSPY Downloadから「Windows SDR Software Package」の「Download」をクリックするとダウンロードが始まる。 インストール方法は、詳しい説明が紹介されているので、文中の「sdrsharp-x86.zipを解凍します。」の項目から手順に従って作業をすすめる。 特に注意することは、SDRSharpのフォルダ内に「rtlsdr.dll」があることを確認をする。
SDRドライバが正しくインストールされていれば、素直にSDRSharpが起動する。エラーメッセージが表示されて起動しない場合は、インストール方法の詳しい説明を再読して確認をすると良い。 それでも起動しない場合は、下記に問い合わせを願いたい。
最近のバージョンでは、プラグインによって「Bandwidth」の範囲内であれば2箇所以上を同時に受信することができる機能が追加されている。インストール方法は、こちらを参照されたい。注意点は、「Aux VFO」の「Output」が「[File]Write To file」に初期設定されている場合は、スピーカ選択に変更する。
なお、現在ダウンロードできるSDRSharpは、Windows7以上でないと対応していないので、WindowsXPで稼動させたい場合は下記に問い合わせを願いたい。

3) hrofft100の起動
HRO画像の生成プログラム(hrofft100.exe)は「流星電波観測ガイドブック」(CQ出版社)の付録にあったが、既に絶版となっているので下記に問い合わせするか、 互換性のあるMROFFTソフトが公開されているのでダウンロードして使用することもできる。
詳しい設定方法は、流星電波観測国際プロジェクトの観測をやってみよう や日本アマチュア無線連盟技術研究所の「宇宙の電波を受信する 」に掲載されているので参考とされたい。
音量は、無信号時の受信ノイズで「Signal」の数値が「100 〜 105」を示すようにSDRSharpの出力とパソコンのスピーカ出力とマイク入力の3箇所で調整する。その後、「Signal Level」で画質を調整する。MROFFTソフトを使用した場合は、「Signal」の数値を「32 〜 35」にするとよい。

4) 受信の調整
最初は、FMラジオを選局して操作に慣れるのがよい。ラジオの音声がスピーカで確認できたならば、hrofft100を起動してHRO画像でも確認しておくとハード的にシステムの正常性が検証できる。 この段階でFMラジオが受信できないようであれば、下記に問い合わせされたい。
次にVORの電波をUSBやLSBモードで受信することとなる。この時の留意点は、「AGC」の設定で「Use AGC」のチェックを外しておく。最初は近距離のVORで直接波の受信を試みると良い。 受信周波数の設定が、送信周波数の+900Hz(LSBモードの場合)であれば、HRO画像の中心付近に明確な直線が現れるはずだが、一発で確認できれば幸運である。 VORの周波数は、±200Hzズレていることは当たり前で、±500Hz以上の時もある。その際は、受信周波数を500Hz上下に変化させると見つかる。強く入感した場合は、±30Hzも現れる。これで、システムの正常性を確認することができる。
300Kmくらい離れたVORを選局した場合は、航空機エコーがHRO画像にて斜めの「筋」として現れる。ここまで進むと、航空機エコーに混じって縦長の「点」を確認できることがある。これが流星のエコーである。 航空機エコーが混入しても観測ができるが、できれば500Km以上離れたVORを選局すると航空機エコーがなくなるので観測が容易となる。
FMラジオでの受信はできたが、VORの受信を試みても画像に流星が現れない時がある。SDRSharpソフトに問題があるようで、USBやLSBモードとの相性が悪いようである。 その際は、SDRradioや音質の良いSDRunoなどの受信ソフトで試みるとよい。

6.連絡先

ご質問、ご提案等がありましたら、杉本弘文まで連絡を願います。



おまけ(応用編)

流星群は、時間の経過とともに輻射点が常に移動している。それに伴って、輻射点は一般的には東方から昇ってくるが、その時の反射領域は西方に位置している。 輻射点が南中を過ぎて西方に位置すると反射領域は反対の東方となる。このため、理想的な受信アンテナは無指向性が望ましい。 しかし、垂直偏波の無指向性アンテナ(ex.GPアンテナ)は容易に入手できるが、VORのように水平偏波のの無指向性アンテナは一般に入手することは困難である。 東西を同時に受信するためには、2本のアンテナを使用して2方向に向けて、その受信電波を混合することで実現できる。アマチュア無線家が使用しているスタックアンテナを応用した手法である。

1) 準備すべき材料
 VOR用アンテナ        2本
 同軸ケーブル S-5C-FB 1.2m 1本 
 M型コネクタ M-P5      2個
 M型コネクタ M-TA-JJJ     1個

2) ハード加工
・同軸ケーブルの切断
2本のアンテナからの同軸ケーブ(50Ω)を単純に接続しただけでは、その出力端子側は25Ωとなってしまうため直接機器には接続できない。 そのため、Qマッチ法を使うとマッチングが実現できる。詳細の解説はQマッチのページを参照願いたい。
ケーブル長は、受信周波数を[MHz]とすると下記の式により求めることができる。 式中の「0.8」は、短縮率で75ΩのS-5C-FB同軸ケーブルを使用した場合である。 5C-2Vの同軸ケーブルを使用した場合は、「0.67」となる。最後の「36」は、M型コネクタの加工で使う長さである。これを2本を作る。
   ケーブル長=300,000÷÷4×0.8+36 [mm]
・コネクタ取付け
アンテナの給電部との接続に直付けを選択していれば、同軸ケーブルのコネクタ取付けは、M型コネクタ(T型)側だけとなる。 コネクタの接続の方法はこちらを、実際の寸法はこちらを参考にしで製作する。 コネクタの出来栄えしだいで受信感度に大きく影響するが、BNCコネクタよりも容易である。
・M型コネクタ(T型)接続
アンテナの組立て前に、上記で製作をしたケーブルをM型コネクタ(T型)に接続をしておく。 接続部分は風雨にさらさられるので、自己融着テープで確実に防水したうえでビニールテープを巻いて保護しておく。
    
 
3) 組立て
アンテナは、1本の支柱に東方と西方にそれぞけ向けるのが基本であるが、高いビルなどがある場合は北東方向など臨機に変更すればよい。 3素子のアンテナであれば、概ね±30°の範囲で受信が可能であるので、これも考慮したうえで方向を決めると良い。



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