アンテナの自動制御

ＰＩＣＮＩＣを利用したアンテナの自動制御

　ＣＡＬＳＡＴ３２では衛星の位置を計算するだけでなく、アンテナを衛星の方向へ自動的に向けるためのローテータ制御機能を持っています。　外部制御機能を持つローテータのコントローラーには、方位（左右）と仰角（上下）の回転制御の４つの端子および方位と仰角の位置を表す２つの電圧出力があります。　しかし、パソコンにはシリアルインターフェース、パラレルインターフェースなどの代表的なインターフェイスがありますが、直接ローテータのコントローラに接続することができません。

　ローテータのメーカーからは衛星の位置計算機能を持つ自動制御装置が市販されています。　同様の機能を持つコントローラがこれまでに発表されていますが現在では入手が困難な状況になっています。　また、市販のＣＰＵボードにローテータを制御するためのプログラムを組み込んで、Ｗｉｎｄｏｗｓで動作する衛星の位置計算プログラムが出力する情報からローテータを制御するものなどもありますが、標準的なインターフェースがありません。

　アマチュア無線でもパソコンが大活躍で、ログソフト、ＳＳＴＶやＰＳＫ３１等の通信でシリアルポートが塞がっていてポートの増設や切り替えなどの工夫をしている方も多いことと思います。　当方も同様で何とかシリアルポートを使わずにローテータを制御できる方法が無いかと考えていたところ、トランジスタ技術のおなじみの秋月の広告にＬＡＮに接続できるデジタル出力とＡ／Ｄ入力が出きるインターフェイスの記事を見つけました。　このインターフェイスはＰＩＣＮＩＣと呼ばれるもので、ローテータをコントロールするために必要な４つのデジタル出力と２つのアナログ入力を行う機能を有しています。　ただし、すべてのローテータのコントローラーに直結できるわけでないため、簡単なトランジスタのスイッチやリレーを追加することが必要になります。　また、Ａ／Ｄコンバータの入力には雑音の影響を受けないように簡単なローパスフィルタを追加してやると誤動作が少なくなります。

　この頃は家の中にパソコンが何台かあってＡＤＳＬなどでインターネットに接続しているため、ＬＡＮでパソコンをつないでいるケースも多くなっています。　こんな場合、ＰＩＣＮＩＣは簡単に接続できます。　ＬＡＮの環境がない場合でも安価にＬＡＮインターフェースが入手できるのクロスケーブルでパソコンと「ＰＩＣＮＩＣ」を直結すればよいでしょう。

　ＬＡＮの接続やＩＰアドレスの設定（ＰＩＣＮＩＣとＣＡＬＳＡＴ３２の両方）が完了して、ＣＡＬＳＡＴ３２のアンテナ自動制御を動作させると、PICNICの基板上にある、ＬＡＮの動作状態を示すＬＩＮＫ、ＲＸ、ＴＸのＬＥＤ表示の点灯の様子から通信の状態を確認できます。　アンテナの自動制御プログラムは、２秒ごとに方位と仰角のＡ／Ｄコンバータ出力値を取得しています。したがって、ＲＸとＴＸのＬＥＤが２秒ごとに短く点灯を繰り返している状態が正常な表示となります。　なお、ＬＩＮＫのＬＥＤはＬＡＮの接続が正常であれば常時点灯となります。　また、ローテータの上下左右の制御状態もＲＢ４、５、６、７のＬＥＤ表示が点灯しているときに回転指示が出ているので点灯の様子から確認することができます。

　方位と仰角の計算値と実際のアンテナの向きのずれの大きさによって、次のような間欠の回転制御を行います。

　ずれが８度以上　　２秒ごとに２ｓの間欠回転制御（連続回転）
　４度以上８度以下　２秒ごとに２００ｍｓの間欠回転制御
　２度以上４度以下　２秒ごとに１００ｍｓの間欠回転制御
　２度以下　　　　　２秒ごとに５０ｍｓの間欠回転制御

　ただし、あらかじめ設定された制御誤差許容範囲以内に入った場合には、制御は行わずにＡ／Ｄコンバータのデータ読み込み動作のみになり計算位置と実際のアンテナの向きを監視します。

　たとえば衛星が東に位置していてアンテナが南を向いている場合には、水平左側制御に割り当てているＰＩＣＮＩＣのＲＢ５のＬＥＤが点灯し、上のような制御方法で間欠回転制御に移り、その制御時間が短くなり、最終的は停止します。　衛星の動きが大きく、制御誤差許容範囲を小さく設定した場合には、間欠回転制御の頻度が高くなります。　場合によっては制御不足で制御誤差許容範囲から外れ、１００ｍｓや２００ｍｓの間欠回転制御に移行する場合もあります。

　以上がCALSAT32で行っているアンテナ制御の方法です。

　ＰＩＣＮＩＣはＬＡＮに接続して使うためＬＡＮのトラフィックに注意する必要があります。　当方ではADSLを使っていてHUBを使って複数のパソコンを接続しているため、時には大きなトラフィックによって応答が遅れる場合もあります。　このため、スイッチングHUBを２段に接続して、１段目にはインターネットに接続しているパソコンを複数接続し、２段目のひとつはアマチュア無線専用としてＰＩＣＮＩＣとＣＡＬＳＡＴ３２が動作するパソコンを接続しています。　これにより上流のトラフィックに影響されることなく安定な通信経路を確保しています。　しかし、このような注意をしてもＣＡＬＳＡＴ３２自身が計算の固まりのようなプログラムなので、処理速度が遅いパソコンではＬＡＮの通信処理に遅れが出ることもあります。　当方では、Pentium-MMX 200MHz で FT847 も制御していますが、限界を感じます。　アンテナやリグの制御を考えている方は、もう少し処理能力が高いパソコンを手当てしてやってください。

　ＣＡＬＳＡＴ３２でアンテナを自動制御した場合の誤差を考えるときには、いくつかの点について考慮しなくてはなりません。　ソフト的には制御誤差許容範囲を１度から９度まで１度単位で設定することができます。　通常、Ｖ・ＵＨＦではアンテナのビーム幅との関係から５度程度（初期設定値）に設定すればほとんどの場合で問題ありません。　１度程度に設定することもできますが、低軌道の衛星では衛星の動きが早いため、小刻みな制御が頻繁に発生します。　一方、高軌道の衛星では衛星の動きは多くの時間でゆっくりしているため、制御の頻度は少なくなりますが、高い周波数のビーム幅が狭いアンテナでは１度以下の制御誤差で制御したい場合もあります。　ＣＡＬＳＡＴ３２に使っているＰＩＣＮＩＣのＡ／Ｄコンバータは１０ｂｉｔの精度で、その入力電圧範囲は０～５Ｖです。　この入力電圧をフルに利用した場合０．３～０．４度の分解能が期待されます。　しかし、物理的なローテータの回転角度と電圧出力が直線的にすべての角度で一致するか。　角度を示す電圧値の安定度。　雑音などの影響。　ローテータのバックラッシュなども大きな誤差要因になります。　これらの影響をできるだけ取り除き、ローテータの回転速度が最適化された場合の制御限界はまだ見えていませんが、１度より小さい値も可能なのかもしれません。　しかし、観測点の位置設定。　時計のずれ。　軌道要素が古い等があると計算値そのものの精度が低下しますので、０．５度以下の精度を実現することは大変なことで、自動制御＋手動による微調整が必要になると思います。