タコ頭的Blockstream Satellite Base Stationの調整法

タコ頭的Blockstream Satellite Base Stationの調整法

ういっす!

タコ型異星人のタコ頭っす。

さて、今回は「Blockstream Satellite Base Station」を使った、Blockstream Satelliteの受信の際に最も重要となるであろうアンテナの調整方法について書いて行きますぜw

これはあくまでもワイのやり方なので、付属の説明書やBlockstream Satellite公式マニュアル、他のブログ等の解説を組み合わせて作業を行ってくれ。

(この記事は、野外にしっかり固定をして常設をする場合を想定しており、室内設置や移動式の場合は参考程度にしかならないと思います。)

さて、今回記事を書くに当たって問題となったのは、設置場所を撮影するともしかしてもしかすると特定されるんじゃねって問題w

何やら意味深なアンテナ??がついてるよなぁ…と思っている人がいるとおもうんだよなぁ…

なので、下手くそなイラストを使う事にしました。

すいやせんねぇ…許してちょ。

のちほど再確認をしますが、基本的に付属の器具を使って南向きにしっかりと固定されていることを前提として解説を進めて参ります。

衛星の方向に遮蔽物があってはいけませんが、結構上向きに首を持ち上げるので隣の建物が邪魔で空すら見えんとかでなければ多分大丈夫です。

アンテナを設置するにあたって一番苦労したのはここでした。

密集した日本の都市部はこういうことにはあまり向かない環境ですね。

ちなみに今回わいがとった方法は、受信面を水平器等で実測をしながら調整をしていく方法です。

受信面の実測値での設置が楽なのはフラットアンテナならではのメリットだと思いますが、簡単な工夫で通常のパラボラアンテナでも応用可能です。

ただ、アンテナそのものの受信面とアンテナのハウジングの平面が必ずしも一致しているとは限らないというか、一致していないと考えておいた方が良いと思います。

一致していない部分に関しては、クライアント側(blocksat-cli)で実際の受信感度を見ながら調整をするのが一般的な方法でしょう。

blocksat-cliもリアルタイムで更新してくれるわけではないので、ちょっとやりにくいですがね。

Legacy(同軸)ポートが付いているのでスペアナを使う調整方法も考えていますので、これに関しては別記事で書く予定です。

加えて衛星の座標を探すためと、AR機能を使った微調整のためにSatellite PointerというiPhoneアプリを使用します。

この先にも書きますがこのアプリで単独で調整をする事も可能ではありますが、今回の野外に完全に固定をするかつ一人での作業になる場合はかえって苦労をすると思います。

調整金具にカメラの三脚のように程よいトルクがかかればいいのですが、動かせるレベルまでボルトを緩めるとアンテナ本体が重い為にガクッと自重で動いてしまます。

ARを見る為にスマホで片手も塞がれている状態ですからね。

さて、まずは道具を揃えて行きましょう。

準備するもののお話し

*は他のもので代替え可能ですが、あると楽です。

  • *デジタル式水平器(分解能0.1度,許容誤差±0.2ぐらいのやつ)
  • アンテナ付属のスパナ(持っているなら自前のスパナがお勧め)
  • *ランチェット(ソケット径)
  • スマホ(今回はiPhoneを想定)
  • 側面と画面側がなるべく平面なスマホケース(デジタル水平器がない場合はこれに頼ることになる)
  • blocksat-cliインスコ済みのUbuntuマシン(セットアップ方法はこの記事の守備範囲外)
  • 気合
  • ハリボー
  • ポカリスエット
  • *相棒

なんだかんだ言って相棒がいれば楽だと思います。

次に今回の説明で使うパラメーターを示しておきます。

パラメーターのお話し

衛星はTelstar 18v周波数帯域はku帯(ku-band)での受信を想定しています。

で、どうやって座標を探すねんって話しですが…

ワイは記事冒頭で書いた、Satelite Pointerというスマホアプリを使いました。

AR機能の使い勝手がよく、今回は最終調整にも使います。

さて、解説で使う使うダミーのパラメーターになります。

  • 仰角 49.6° (以降上下角)
  • 方位角 175.7° (以降左右角)
  • 偏波角 -3.6°

大阪城から受信をする想定にしてみましたw

調整前の再確認

アンテナはしっかりと固定しましたか?

しっかり固定をしていないと、本末転倒なのでもう一度確認をして下さい。

調整中に固定具がカクっと少しずれただけで、受信ができなくなります。

あなたが今想像をしている以上にシビアです。

ワイもこんなに面倒だとは思いませんでしたw

ちなみにワイは、丈夫な金属製のポールが偶々生えていたので、それにしっかりと固定をしました。

赤い部分がねじ切りをされた固定用のコの字型の金具で(支柱の反対側にもう一つある)、水色の部分がプレートになっており、そのプレートを二つのコの字型金具が貫通していてナットで締め付ける構造になっています。

形状的に丸い丈夫なポールが望ましいと思いますが、四角いポールでも固定可能です。

大体のアンテの取り付け金具はこんな感じなので、マスプロさんとかアンテナメーカーさんのサイトを見るとイメージが湧くと思います。

下手な図でスンマソ。

取り付け前に写真を撮っておくべきだった。

早速、調整を初めて行こうと思うのですが重要となるのが、セッティングの順番です。

確かに、理屈の上では各パラメーターは独立していますが、実際の機材ではそうはいきません。

このフラットアンテナの付属金具や本体の作りは素晴らしいのですが、完璧な精度と強度で作られているわけではないからです。

(精度を高めるだけで値段は倍以上に跳ね上がるはずです)

例えば、上下角を調整して固定用のボルトを絞める事で金具が歪み、見た目にはあまり分かりませんが受信に影響を及ぼすには十分な角度のずれが左右角に生じます。

ワイが自分で集めたパーツで受信をするプロジェクトの方で使ってるパラボラの金具は遥かにひどい物なので(非常に薄い鉄板をプレス加工しているので恐ろしくズレる)、この程度の誤差であればワイはずいぶん楽に感じますw

なんかめんどくさいですが、機械ものでは良くあることです。

まぁ言うても、台風の時期は取り外すとして、年に数回程度の調整なので我慢しましょう。

それに、台風等での緊急避難の場合は丸ごと取り外す必要は無いので、再設置は無調整か微調整程度で済むと思います。

台風の時期が来たら、また記事にしますね。

同じように左右角を調整して固定をした場合でも、上下角の調整時と同様に上下角に影響を及ぼしますが少なくともワイの個体では少なめでした。

最後に偏波角についてですが、これに関しはワイの実験では(このフラットパネルを使う限りは)他のパラメータほどシビアではなく、他の角度を固定するボルトによる影響も"おそらく"軽微です。

何で"おそらく"かと言うと、上下角を固定してしまうと準備している機器だけでは直接の計測が難しくになるからですw

面倒なので、軽微という事にしたというのが実態w

さてさて、これらを踏まえた設定の順番ですが、色々とさわって行く中でフラットパネルの場合は偏波角から始めるのが効率的だという結論になりました。

先述のように、そもそもシビアではなくおそらく他のパラメータの影響も少なく、上下角を固定すると計測がしにくくなるからです。

偏波角は、3つの中では一番何をやっているか分かりずらいパラメータなので、調整をするにあたって何やつかを知っておいた方がいいと思います。

なんでアンテナの首を傾げなあかんねん?って思いませんか?

なので、ここからセクションを区切って他の理論的な部分と合わせて軽く解説をしますので必須ではありませんが読んでいただけると嬉しいです。

偏波角とちょっとした理論の解説

まず、今回受信をする衛星「Telster18V」さんは一体全体何処にいるかというと、東経138度と赤道が交わる所にいらっしゃいます。

常に同じ場所にいる、静止衛星ってやつです。

"静止"とは言っても、地球の自転と同じ速度で地球の周りを公転しているので我々地表の民(ワイは異星人ですが)から見て相対的に静止しているだけです…

公転の高度は遠心力と地球と衛星間の引力がイコールになるポイントになるでしょう。

で、ですね。

「Telster18V」は東経138度と赤道が交わる所の上空から水平偏波で電波を飛ばしてきています。

"東経138度と赤道の交差点上空から水平偏波で電波を飛ばす"というのは電波を受信する立場から考えると、あなたや私が東経138度上に立って衛星を見上げると左右に(地面に対して水平に)物理的な何かが周期的に変動をしていてそいつを捕らえたいという感じの意味になります。

この物理的な何かは、電場ないし、電界と呼ばれるものです。

電場とはそのその影響下に置かれた電子とかの電荷を動かす不思議な何かですw

例えば、お風呂にアヒルさん人形を浮かべた状態でお風呂を揺らすとアヒルさんも一緒に揺れますよね。

当たり前だなそんなの。

電場とはそのお風呂のお湯でアヒルさんが電荷みたいなものです。

じゃあ電場ってマジであんのか?ってお話しですが、物理学者の頭の中にあるだけで無いですw

でもある事にすると便利なんです。

良くあるでしょ?そういうの。

なのでなので、あると言う事にして進めていきます。

で、この電場が周期的に変動をしているのですが。

(先程のアヒルさんとお風呂の例ではお湯の揺れに相当します)

この周期が所謂周波数で、今回は水平偏波まもで地面に対して水平にサインカーブを描いて変動をしています。

この電場の影響下に意図的になにか電気を通しそうなもの(導体)を置いておくと、その中にある電子(自由電子)が揺さぶられそうな気がしませんか?

適当な(上から見た)イメージとしてはこんな感じです。

(この図は少しおかしいので、再制作中ですが、大体こんな感じの理解で大丈夫ですw)

赤いのが電波(正確ではないので"電波君"としています)で、青いのがアンテナ代わりの針金、水色が電子です。

青い針金内の電子は赤いサインカーブの変位に合わせて揺さぶられているという、あくまでもイメージです。

そうですねぇ、分かりずらいですね…

じゃあシーソーを思いうかべてみて下さい。

貴方が衛星を眺めていると、空中にあら不思議シーソーが現れました!

シーソーの上にはピンポン玉がのかっています。

不思議な電場という何かで、シーソーが右に傾いたり左に傾いたりしています。

当然上のピンポン玉も右に転がったり左に転がったりします。

このピンポン玉が電子です。

どうでしょうわかってもらえたかな!?

いや説明ってマジで難しい。

垂直偏波であれば、針金を垂直に立てておけば(縦のシーソーって変ですが)いいわけですね。

円偏波(衛星放送ではこれが主流だと思います、だって回ってるから面倒な偏波角の調整がイランもん)なんてのもありますが、その場合は針金を回しながら受信をすることになります。

実際は回すわけにいかないので直角に設置をした2本の針金をうまく使って回転をいわば電気的にシュミレーションして受信をしています。

針金だのシーソーだのって解説をしてきましたが、実際の(基本的な)アンテナの構造はこんな感じになっています。

2本の針金がL字型に曲げられており、向かい合った真ん中から信号(揺さぶられて動いてる電子君たち)を取り出しています。

向かい合った真ん中のところから取り出された信号は、チューナーの中(図では黒い四角)に流れていくわけです。

こいつはダイポールアンテナと言い、アンテナの性能を測る際の基準のアンテナとして使われることもあります。

あと、地上波放送のアンテナはこの構造になっています。

アホみたいに沢山横向きに金属の棒(さっきの説明やと針金やね)が出ていますが、実際に電波を受信しているのは一セットのみです。

(少なめですが地域によっては縦に取り付けていますね、それは垂直偏波の地域だからです)

テレビの話は脱線するのでここではやめておきますが、調べてみて下さいね。

このダイポールアンテナの幅は図に意味深に書いた通りλ/2で、λは先ほど説明をした波長になるので波長の半分ですが、ここではそんなもんなんだなぁーという理解で十分です。

これらを踏まえると、周波数を高くする(波長を短くする)メリットは載せられる情報量が多くできるというのもありますが、アンテナを小さくできるという事もあるという事が理解できるでしょう。

だって波長が短くできたら、アンテナだって短くできるもんね。

ちなみに、通常のパラボラアンテの場合はお皿が反射盤の役割をし先っちょに取り付けたLNB内のプローブ(ばらすと小さな針金みたいなやつが入ってるのよ)で受信をする仕組みになっています。

ここまでの(この先も)説明はフラットアンテナの設置をする上で自分が何をやっているかをある程度理解をする為のイメージでしかありません、正確な説明と詳細は必ず専門書をあたってください。

もっとも、今回のフラットアンテナは何でこんな真っ平な構造で良いのかワイにはよくわかりませんがねw…本質は同じはずですwww多分。

さて、これらを踏まえて偏波角の調整が必要な理由を解説するためにもう少し踏み込ませて下さいw

ちょっと硬くしすぎたので、この先はもう少しヘンテコな解説にしてみますw

手始めに、「Telster18V」の中にナンカそういう感じの変なおっさんがいて、気功で水平にワイらのアンテナ内の電子を揺さぶっている状況を想像してみてください。

気功とはさっきの電場のことですね。

余計分かりにくいかなw

でも。このオッサンがうまい事仕事をすれば、情報を遠隔で伝えられるような気がしませんか。

例えば右から振りはじめたら1、左から振りはじめたら0とか、なんかそんな感じの適当なルールを事前に決めておけば良いわけです。

相反する最低二つの検出可能な物理的状態を送り込むことできれば、バイナリを伝送できる事はわかりますか?

手旗信号とか狼煙という解釈でも大丈夫です。

もっともっとパターンを増やせば、一振りで何個もデータを伝送する事だってできます。

手振りおじさんのやつタコ頭が適当に考えた訳の分からん事を言ってそうですが、実際そういう感じでデジタルデータをアナログ信号に乗せてやりとりしています。

位相偏移変調などのキーワードで検索をかけてみるとよくわかると思います。

アンテナ内の揺さぶられた電子を何か訳の分からない電子回路(ソフトウェア側で処理する事もあります)で受けて(先程のダイポールアンテナの図の黒い部分)、ゴニョゴニョと信号を解釈するわけです。

ででで、水平に触手腕を振ってるおっさんから受信をするのなら、なんでアンテナをそのまま水平に設置しちゃいかんのか偏波角を調整せなあかんのかというのが一番説明をしたい部分でしたね…

前置きが長くてすまそw

結論から言うと地球は丸いからですw

地球〜はまる〜いー🎶です。

図を書くのが面倒なので、各々に思考実験をしてみて下さいw

ちなみに日本で丁度衛星のいる東経138度上にあるのが、八高山だそうです。

これは八高山から受信をすれば偏波角は0度で構わない事を意味しています。

ここから大阪ないし東京にないし貴方の地元に向かって頭の中で衛星の中で腕を振ってるおっさんを見上げながら頭の中で歩いてみて下さい。

(注意!絶対に実践しないで下さい!上を向いて歩くのは素晴らしい事ですが、車に轢かれます。あと夢を壊すようですが、人工衛星の中にはオッサンはいません。)

なんか電波というかオッサンの腕を振る方向が地面に対して水平ではなくなっていきますよねぇ。

例えば大阪に向かって歩くと、少しずつ右に傾いていっているように見えます。

東京に向かうと反対の左に傾いていきます。

あんまり行くとおっさん自体が見えなくなります、地球は丸いからですね。

その傾き分の調整をしてやらなければならない訳です。

それはすなわち偏波角の調整をせんといかんのよという事です。

解説に迷いが見られますが、わかってもらえたと思いたいw

調整を始めていきます!

早速、デジタル式の水平器を使って偏波角を調整していきます。

手元にデジタル式の水平器がない場合は、スマホのアプリでも対応できると思いますが、安価なものでもいいので(冒頭の精度があるものをお勧めします)この機会に購入される事をお勧めします。

DIYでもメチャクチャ役に立ちますよ!

よっぽどの名工ではない限り、工作の精度は測定器の精度に束縛されるとタコ頭は考えています。

M5Stackなどで自作されてもいいと思いますが、精度には気をつけてください。

(M5Stackとかで専用ジグを自作してみたいと思っていたりする。)

下の図の様に上に当ててはかります。

下手くそですが、青いのが水平器ですよ!

図は時計回りですが、プラスの角度の地域の場合は反時計回りに回していきます。

今回の例では偏波角-3.6°なのでアンテナ正面から見て時計回りに3.6°回して下さい。

(勿論これは例なので、貴方の地域のパラメータで設定をして下さいね)

多くのデジタル水平器は時計回りがプラスだとは思いますが、確認をしてから使ってください。

(偏波角の符号はアンテナを見上げた時の時計回りを正とするようなので、正面から測ると逆になるのは仕方がないっす。)

アンテナの外装の上下の精度はご察しなので、今度は下に当てて再調整をします。

上下で違いがあると思いますが、上下の実測値の平均ぐらいに合わせましょう。

多少の誤差は構いません。

水平器にも誤差があるので、完璧に合わせる事は不可能です。

スマホを使っている場合や水平器の幅がアンテナの幅に比べて極端に小さい場合などは、場所を変えながら平均値をとるなど良さそうな値を探して下さい。

これは全てのパラメータに言える事ですが、電波をフラットアンテナの中心部分で受ける事を意識しながら調整をすると成功しやすいです。

調整が終わったら、しっかりとボルトを締めて下さい。

通常はこれ以降、偏波角はいじりませんので本ちゃんとしてしっかりと締めましょう。

次に、左右をやるか、上下をやるかは微妙な判断になりますが、ワイは上下角を先に調整しました。

理由は、前の前のセクションでお話しした通りワイの個体の場合は、上下角の調整が(ボルトを締める事でフレームが歪むために)左右角に大きく影響をするからです。

手元に機材があれば別に図なんてなくてもわかるかとは思いますが、こんなふうに当てて調整をします。

今回は上下角49.6°なので、ガッツリ上を向けてしまいます。

国内からであれば、大きく値は変わらないと思います。

なるべくアンテナ本体の真ん中を中心に測ってください。

この後左右角を調整し、上下角をもう一度調整する必要が出てはきますが、上下角の固定用ボルトは(微調整をするのでガチガチである必要はありませんが)それなりにしっかりと締めておいて下さい。

理由はもうわかると思いますが、上下角の調整ボルトを締める事で左右角に影響を及ぼすからです。

この先何度か緩めたりしめたりする必要があるので、ランチェットと自前のスパナを使われる事をお勧めします。

付属のスパナは薄くて便利ですが手が痛くなるし、小さくて力が入りにくいです。

まぁ、工具に関しては好みの問題だと思いますがね…

さて、左右角の調整をしていきまましょう。

今回は携帯の方位磁石機能を使いました。

精度的には十分そうですが、ケースの突起等には十分に注意をして下さい。

わずかな突起でも大きくずれます。

下手くそな、図を示すよ!

ゴールドのiPhone的なやつがスマホね。

スマホでか!サイズ感おかしくね?っていうツッコミは受け付けません!

こんな感じで、携帯のお尻りをアンテナに当てて、調整をしていきます。

今回の例では、左右角175.7°ですがコンマ一桁まで合わせるつもりで合わせた方がいいと思います。

これもスマホやケースの誤差があるので、そこまで高い精度では調整はしづらいのですが最もシビアな値でした。

今後の課題かなぁと思います。

調整が終われば、しっかりボルトを締めておいて下さい。

ここで念の為、上下角の測定等をやり直して下さい。

この上下角と左右角の調整は精度が出るまで繰り返して下さい。

どうしても難しければ、次の微調整の工程があるので神経質になり過ぎる必要はないです。

ここまでで慎重にやれば(運が良ければという側面もある)問題なく調整ができている可能性は高いですが、もう一歩攻めておきましょう。

仕上げの微調整に入るぞい

仕上げの調整に入ります。

さてさて、これから行うのはスマホアプリのAR機能を使って画面を見ながら衛星をロックオンしていくという方法です。

前述のように、金具に誤差がある為に狙い撃ちをしながらボルトを締めるとずれてしまいます。

前の工程でほぼ調整が済んでいるはずなので、台無しにしないように慎重に作業を進めていきましょう。

ちなみにこの段階で受信ができている場合は、この工程をとばしてそっとしておきましょう。

下手にさわらない方がいいです。

そして重要なのは、上下角の調整と左右角の調整は一気にやろうとは考えずに別々に行なっう事です。

焦らずいきましょう。

書くことは特にないのですが、一応イメージ図を貼っておきます。

ファイ???

何やってんのこれ。

と思われそうですが、これはスマホの画面側をアンテナの前面に押し付けて裏から覗いています。

別に背面に押し付けても構わないのですが、意外といい平面がなく前面の方が多分ですがアンテナ表面の精度は良いはずだからですw

あと、カメラが塞がれないのでちゃんとARが見えるw

体制が覗き込むような形になると思うので、高所作業や足場の悪い設置環境の場合は十分に気をつけて頂きたい工程です。

危険度が高い場合は、前セクションまでの測定器を使った方法とクライアントでの受信確認を繰り返す形で済まして下さい。

また、上から覗き込める場合は上から角度を見られるアプリがあるようです。

ただ、今回の一連の作業はそういう低い位置への設置は想定しておりません。

おっと、偏波角調整の時のようにアンテナの上下で測定をして下さいね。

まぁ、こんな感じですw

また修正をしていきます!

ではでは

ふー、ハリボーでも食って休みマフ…

衛星仲間が増えたらいいなぁ。

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低スペック古参ビットコイナーのふりをした、アルトコインも大好きなおっさんです。 Blockstream satelliteにはまっております。 LNノードはCasa Node2を使用して放置運営中。 過去記事も読んでくださいね!

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