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LabSat 3を試してみる

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GPS信号の記録・再生装置であるLabSat 3のデモ機をお借りできたので,
早速その機能を試してみました.

まずは,屋外でGPS信号を記録します.LabSat 2では,PCとの接続や
外部電源が必要でしたが,LabSat 3では本体に差し込んだSDカードへ
データが記録されます.バッテリーも内蔵になり,持ち運びも便利です.



さらに,モニタ用のGPS受信機まで内蔵しており,記録しているGPS信号の
状況を確認することができます.



しかし,モニタ機能をONにすると,内蔵GPS受信機からの電磁波干渉が発生し,
記録されてGPS信号の信号強度が急激に低下する現象がみられました.
これはメーカに連絡しておこう.

さて,屋外で記録したGPS信号は,RF信号として再生することができます.
屋内でもLabSat 3をGPS受信機に接続することで,屋外と同じ受信環境を
模擬することができます.



 (クリックで拡大)

機能は限定されますが,手軽に操作でき,実験用にとても便利そうです.

ただし,受信した信号をすべて記録しているため,データ量が膨大になります.
おおむね,5分間の記録で1.2GBのデータになります.
32GBのSDカードを使っていますので,それなりの長さのデータを記録できますが,
それでも1時間を超えるような試験には向きません.

実信号での動作は確認できましたので,次はGPS信号シミュレータに接続して,
ロケット軌道のシナリオを記録してみよう.

【追記】備忘録.

LabSat 3はコンパクトな設計を目指しているため,いまのところ記録・再生は
SDカードにしかできないらしい.フォーマットがFAT32なので,4GB以上の
連続したデータは記録はできないそうだ.これは結構大きな制約.

まあ,ロケットのシナリオなら射点での静止状態を含めても15分で収まるだろう.

あと,再生時にRF OUTから出力される信号の電力が,そのまま再放射しても
受信できるくらいに大きい.同軸ケーブルで受信機に直結するのであれば,
30dB程度のアテニュエーションが適切.

最近の受信機は,AGCのダイナミックレンジが広いから問題にならないけど,
古いものだとサチレーションを起こして正常に受信できない.

LabSat 3でロケットシナリオ

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実験の待ち時間に,LabSat 3をGPS信号シミュレータに接続して
ロケットシナリオの信号を記録してきました.



ロケットの軌道には,学生時代にお世話になったMAXUSのデータを
使用しました.微小重力実験のための大型観測ロケットで,
高度は700km以上に達します.



フライトの時間はトータルで17分と長めで,4GBに収まるかどうか
不安だったのですが,実際にデータを取得してみたら,2GBのファイルに
分割されていました.どうやら,長時間の信号でも,自動的に分割され,
問題なく記録できそうです.

記録が完了したら,ロケット搭載用に開発したGPS受信機に接続して,
信号を再生します.



GPS受信機のハードウェアは市販品ですが,中身の信号処理
ソフトウェアは総入れ替えのオリジナルです.高度・速度制限が
無いのはもちろん,ロケットの高加速度にも対応しています.

出力フォーマットは,u-blox社の受信機とコンパチにしいています.
そのため,モニタリングにu-centerをそのまま使うことができます.

 (クリックで拡大)

残念ながら,u-centerから開くGoogle Earthのプロットは,高度が
地上に固定されてしまっています.結局,一旦保存した測位結果を
kmlファイルに変換して表示することにしました.



全軌道で欠損なく測位ができています.LabSat 3,GPS受信機共に,
問題なく動作しているようです.

何らかの形でGPS信号を発生させ,それを記録しなければならない
手間はありますが,一度記録すればコンパクトなデバイスで何度も
再生でき,とても便利です.

また,記録されたGPS信号は単なるデジタルのデータですので,
原理的には実信号を記録しなくても,数値的に生成することが可能です.

bladeRFでは,この数値的にGPS信号を模擬する機能も開発して,
フルスペックのシミュレータを目指します.

【追記】MAXUSのペーパーモデルがある!これは作るしかない.

【追記2】FPGA版GPS受信機での動作も確認.

ESNC 2013 Japan Regional Award

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衛星測位を利用したビジネスアイディアのコンペティションである
European Satellite Navigation Competition 2013でJapan Regional
Awardに選ばれました!

TrustSync: Secure time and frequency synchronization via authenticated QZSS open service

各地域のwinnerから,overall winnerであるGalileo Masterが選ばれ
ますが,残念ながらこちらは選外.来年はもっとアイディアを練って
再度チャレンジしたいと思います.

授賞式は,ミュンヘンのAlte Kongresshalleで開催されました.



Japan Regional Awardのスポンサーでもある日欧産業協力センター
授賞式へ招待されたのですが,仕事の関係で都合がつかず…
代理として学生チームのメンバーに出席していただきました.



ビジネスコンペティションということもあり,併催されている
European Space Solutions conferenceでビジネスマッチングの
workshopが開催されます.

GalileoのCommercial Service信号に信号認証サービスが加わるなど,
ヨーロッパでもセキュアな衛星測位に注目が集まっていますので,
この機会に実証実験やビジネス化のパートナーを見つけたいです.

3DプリンタでSolder Paste

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先週末の3連休は,ロケット交流会Maker Faire Tokyo
イベントが目白押しだったのですが,残念ながら仕事に追われ,
どこにも参加できませんでした…

悔しいのでwebにアップされている写真を漁っていたところ,
流行の3DプリンタでPCBにsolder pasteが塗布できるのでは
ないかと思いつきました.

ステンシルはCraft ROBOのようなカッティングマシンで作ることも
できますが,0.5mmピッチはちょっとつらい感じ.3Dプリンタの
ホットエンドの替わりに,ディスペンサーを付けたらどうだろう?

早速ネットで検索してみたら,やはりすでに試されている方が
いらっしゃいました.

Solder Paste Dispensing using 3D Printing Technologies

どのくらいのピッチまでいけるのかな?
できれば,チップマウンタの機能も欲しい.

あまり興味のなかった3Dプリンタですが,ちょっと手を出したく
なってきました.

【追記】ピンポイントなプロジェクトを発見!MFTの会場で見たかった.

Genie's Blog: Rostock miniはじめました!

Importing SVG into EAGLE

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メモ

SparkfunでSVGのイラストをEAGLEに取り込むPythonスクリプトが紹介されている.

Enginursday: I &lt3 Python!

今までULPでBMPファイルを変換していたけど,ベクタ形式を取り込めるとなると,
綺麗なロゴがシルクに描けるな!

Pythonを勉強しようと思いながら放置していたので,そろそろ本気で手を付けてみよう.
MATLABからも卒業したいしね.

【追記】SparkfunのEagleネタとしては,これもチャレンジしてみたい.

Engineer Thursday - Artistic PCBs in Eagle

GPS予報

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@HirakuTOIDAさんが11月11日11:11:11のGPS予報をされていたので
自分でも試してみました.

射点の位置を知らないので,とりあえず大樹町の航空公園を指定.

https://maps.google.co.jp/maps?ll=42.5,143.441667&q=loc:42.5,143.441667

スカイプロットはこんな感じ.



10機中4機が低仰角.
なんだか,その日で一番条件の悪いタイミングで打ち上がりますね…

【追記】参考までに,rtkplotのoptionsはこちら.

 (クリックで拡大)

GPS衛星のTLEは,celestrak.comから最新のものをダウンロードしておきます.

http://www.celestrak.com/NORAD/elements/gps-ops.txt

rtkplotの可視衛星の予測機能については,少しバージョンが古いですが,
こちらをご参照ください.

RTKLIBでの可視衛星予測

ちなみに,rtklib 2.4.2のbeta版では,可視衛星予測で表示されない衛星が
あったりとバグが残っているので,リリース版を使うことをお勧めします.

RTKLIB: An Open Source Program Package for GNSS Positioning

Homemade GPS Receiver for BeagleBone Black

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自作のGPSのフロントエンドとFPGA,そしてRaspberry Piで動いている
Homemade GPS Receiverを,Skyworks社のSE4150 GPSフロントエンドIC
+XESS社のXuLA2-LX25 FPGA基板+BeagleBone Blackに移植している
プロジェクトを発見.

Software-defined GPS receiver: the breadboard

Piksiもそうだけど,FPGAを使ったGPS受信機プロジェクトが増えてきた.
Namuru-Nanoも,もう少し安定して動作するようにしないといけないな.

PSoC 5LPでSDR

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メモ

simさんのtweetで,面白そうな本+基板が紹介されている.

基板付き体験編 ARM PSoCで作るMyスペシャル・マイコン

EZ-USB FX2LPも積んでるが,High Speedで動くのかな?

AMラジオがSDRのサンプルで載っている.
フルスペックでGPS受信機を実装するのはキツいけど,
1チャンネルくらいならいけそう?

【追記】正直なところ,SoCとしてはCyclone+Niosで満足しているけれど,
PSoCは何が違うのだろう?アナログ信号が扱えるところ?Smart Analogとか
どうなるんだ?

受信機メーカのPPPサービス

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TrimbleのCenterPoint RTXに続いて,NovAtelが同様の
PPPサービスであるCORRECTの提供を始めた.
補正データの配信は,TERRASTAR経由のようだ.

補正データ配信をしているプロバイダーは以外と多いけど,
それほどマーケットがあるのだろうか?受信機メーカの
強みは,ハードウェアとサービスをワンパッケージで
提供できる点かな.

QZSS LEXでの補正データ配信は,GNSS受信機1台で測位も
補正データの受信もできることが利点だけど,LEXに対応して
くれるかどうかは,受信機メーカ次第.

自分の所のサービスを食ってしまう機能に,果たして対応して
くれるのか?

Altera DE1-SoC

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メモ

Terasicのトップページからはリンクがないようだけれども,
Cyclone V FPGA + dual Cortex A9の教育向けキットが
発売されるようだ.

Terasic: Altera DE1-SoC Board

価格はアカデミックで$150以下,一般で$199らしい.

正直,高機能すぎて使いこなせない気がするけれど,
最近のTerasic製品としては珍しく,外部I/Oピンが
2.54mmピッチというのがありがたい.

これでGCLKにもアクセスできれば文句ないのだが,
まだマニュアル類は整備されてない模様.

Cyclone V GX Starter Kitを買う気でいたけれど,
ちょっと様子を見よう.

【追記】立野電脳で扱いがあるみたい.
2014年発売か.まだ先だな.

u-blox for HAB

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ひと昔前は,ITARによる輸出入規制のおかげで,high altitude balloonに
搭載するGPS受信機を見つけるのに苦労しましたが,今では我らが
u-bloxのおかげで,一発解決です.

u-bloxのGPS受信機には,航空機向けのAirborneというモードがあり,
この設定にすると,公式には高度50kmまでの測位を保証しています.

u-blox 6 Receiver Description and Protocol Specification (2.1 Platform settings参照)

気象観測用のゴム気球が到達する高度は,せいぜい30km程度なので,
HABの実験には問題なく利用できます.高高度気球の到達高度の
世界記録であっても,高度50kmを少し超える程度です.

しかし,実際にはどのまで測位を続けるのか興味があり,
GPS信号シミュレータを使用して,u-bloxの最大高度を確認してみました.

HABの上昇速度は最大でも10m/s程度ですが,そんなにのんびりした速度では
シミュレーションに時間がかかるので,Airborneモードの最大速度である
500m/sで,高度100kmまで垂直上昇する飛行機のシナリオを実行します.
(そんな芸当のできる飛行機は存在しませんが…)

使用した受信機はu-bloxのLEA-6T.ファームウェアのversionは7.03です.
後処理もできるよう,出力はubxフォーマットで,NAV-SOL,NAV-SVINFO,
RXM-RAW,RXM-SFRBを記録しました.

 (クリックで拡大)

仕様通りに,ITARの高度制限である60,000フィート(約18km)を超えても測位を
続けています.そのまま公式の高度制限である50kmも超え,80kmで測位フラグが
No Fixになりました.しかし,その後もしばらく測位を続け,高度85kmに到達すると
測位結果の出力が停止しました.

さて,ここで出力を停止するのは,あくまでも測位結果です.実はこの後もRAWデータは
出力され続けます.そのため,後処理で疑似距離から測位演算を行うと,シミュレータの
シナリオ通りに,高度100kmまで測位が可能になります.

 (クリックで拡大)

これならロケットや衛星だって問題ないじゃないかと期待するのですが,残念ながら
速度制限に引っかかると,RAWデータの出力も停止します.また,信号捕捉における
ドップラ周波数の検索範囲も,衛星軌道の速度に対応できるほど広くありません.

いずれにせよ,気球実験では問題なく動作しそうですので,ご活用ください.

【追記】ubx出力のログをアップしておきます.興味のある方は後解析にどうぞ.

http://www.sensorcomm.co.jp/osqzss/ublox/

FPGA選び

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備忘録

FPGAベースのGPS受信機であるNamuru-Nanoも形になってきたので,
そろそろ次のステップを考えてみた.

1. Antenna diversityのためのマルチフロントエンド化
2. 専用基板の設計

ロケットの側面のように,全天が観測できないところにアンテナが
設置されても動作するように,最低でも3つのフロントエンドを
実装したい.こちらは,すでに動作が確認できているMAX2769や
SE4150Lのフロントエンド回路を増やすだけなので,問題ないだろう.

フライト品にするのであれば,評価ボードではなく,専用のFPGA基板が
欲しくなる.これまでの経験では,1チャンネルあたり1K LEを消費するので,
12チャンネル×3アンテナとなると40K LEは必要だ.

残念ながら,このサイズになるとフラットパッケージのFPGAはなく,
すべてBGAになってしまう.ついにBGAの基板設計に手を出さないと
いけないのか…

1mmピッチのBGAであれば,なんとかなりそうな気がする.I/Oはたいして
必要ではないので,256ピンのパッケージで十分だろう.サイズも
17mm×17mmで,大きすぎることはない.そうなると,AlteraではF256,
XilinxであればFTG256のパッケージになる.

そこから選ぶとなると,AlteraではCyclone IVかV,Xilinxであれば
Spartan-6かArtix-7になる.これらで何が違うかと調べてみたら,
Cyclone IVやSpartan-6は60 nm,Cyclone VやArtix-7は28 nmの
プロセスのようだ.

これらの内,256ピンパッケージを選べる最大のLE数は以下の通り.

Cyclone IV: EP4CE22, 22K LE
Cyclone V: 5CEA4, 49K LE
Spartan-6: XC6SLX25, 25K LE
Artix-7: XC7A100T, 101K LE

Cyclone VとSpartan-6は似たり寄ったりだが,Cyclone Vより
Artix-7の方が倍以上大きなFPGAを選ぶことができる.

20K LEもあれば,通常の12チャンネルGPS受信機には十分であるが,
マルチアンテナにするとなると,Cyclone VかArtix-7ということになる.

さて,Digikeyやmouserで値段を調べてみると,中間のスピードグレード
(7Nと-2)でEP4CE22が6,000円なのに対して,XC6SLX25が4,000円とお買い得.
5CEBA4F7は8,000円で,XC7A100Tは15,000円だった.Artix-7はXC7A100Tしか
取扱いが見つからなかったが,50K LEであれば,ざっくり半分くらいの価格なのだろう.

ちなみに,mouserはAlteraの正規販売店であるためか,「xilinx」で商品検索をすると,
Altera製品の紹介ページに飛ばされる鬼仕様.

DigilentのFPGA基板であるNexys 4は,XC7A100Tを搭載しているので基板設計の
参考になりそう.PMODのピンアウトを調べてみたら,JD10にクロック(MRCC)が
出ているので,試作にも使えそうだ.

FPGAに高速のDRAMやSRAMをぶら下げるのは設計が面倒なので,FPGAには相関器のみ,
信号処理は外部のマイコンという形にする予定.ZynqやCyclone V SoCにも興味があるが,
それはまた後で試そう.

こんなことを妄想しているときが,一番楽しいよ.

【追記】読んでいる.

Spartan-3E FT256 BGAパッケージ用の4層および6層の高速PCB設計

JAXA BGA/CGA 実装工程標準

【追記2】図書館から借りてきた.

Design Wave Magazine 2007年6月号



周辺の部品とFPGAのI/O端子の配列を自動に設定してくるえるpin swapの
機能は便利そうだ.残念ながらEagleのauto routerにはこの機能はないらしい.
しかし,Altium Designerのライセンスは趣味で買える値段じゃないな.

Smart Prototyping

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どうも最近,はんだリフローのステンシルをカットするのに愛用していた
silhouette-CAMEOの調子が悪い.

購入した当初から長方形がやや右上がりになってしまう傾向が気になっていたけれど,
なんだか悪化している.

新たにもう1台購入するにしても,0.5mmピッチのカッティングは微妙だったりと,
ちょっと躊躇してしまう.

そこで,安いステンシルのサービスはないものかとネットで探していたら,
いまさらながらにSmart Prototypingを知った.

ステンシルのオプションが$20!
カプトンか何かのなんちゃってステンシルかと思いきや,
レーザーカットのステンレスで,最小ピッチは0.4mmらしい.

普通にステンシルを外注したら,安くても2万円はする.
本当に$20でまともなものが出来るのだろうか.

気になって検索してみたけれど,ユーザのレビューは見当たらない.
現物が見てみたいな.$20なら悩まず発注か?

3アンテナGPSフロントエンド

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ロケット搭載用のマルチアンテナGPS受信機開発に向けて,
まずは3アンテナのフロントエンド基板を設計しました.



以前は1個からでも500円ほどで購入できたMAX2769が
値上がりしてしまい,今では1個1,000円以上.

そこで,今回はSkyworksのSE4150Lを試してみます.
こちらは,1個300円程度.

基板1枚に3個搭載するので,無視できない価格差です.

インターフェイスはTerasicのDEシリーズにも,
DigilentのPMODにも対応できるようになっています.

部品実装はこれからですが,1月中には動くようにしたいな.

EAGLE PCB

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自分へのクリスマスプレゼントにEAGLE PCB V6を購入.
これまでのV4からアップグレードです.



非営利でないプロジェクトにも使えるようにStandard版をチョイス.
Autorouterは無し.

年末年始はまったりと基板設計だ.

DE0-NanoでQsys

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RTL-SDR関係でktmさんのblogを読んでいたら,Terasicのサイトで
DE0-Nano付属のCD-ROMがアップデートされていることを知る.

DE0-Nano CD-ROM (Ver. 1.2.0, 2013-12-05)

これまでずっとSimさんのお世話になっていたQSYSのサンプルが
追加されたのはありがたい.

My First Nios II for Altera DE-Nano BoardというQSYSのチュートリアルも
追加されている.

チュートリアルに目を通してみると,Nios IIのjtag_debug_module_resetが,
他のモジュールのresetに接続されていた.

やっぱりこれが必要なんだ!
System IDのエラーに嵌ったときの疑問が解決して少しスッキリしました.

GPS Date Calendar

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GPSの後解析で,時刻系を年月日やWeek/TOW,Day of Yearなど,
いろいろと変換する必要がでてくる.

自分のPCには変換ツールを準備しているけれど,agiが提供している
ネット上のカレンダーだと,どこからでもチェックできるので便利.

agi: GPS Date Calendar

BeiDou Performance Standard

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BeiDouが提供するオープンンサービスのPerformance Standardと
新しいICDが公開された.

BeiDou Open Service Performance Standard ver. 1.0
BeiDou ICD ver. 2.0

95%のprobabilityで,SIS-UREは2.5m以下,PDOPは6以下.
測位精度は,水平方向,垂直方向ともに10m以下となっている.

SIS-UREに対して,AOD(age of data)が明記されていないが,
どのAODでもこの精度となると,ちょっとタイトな気がする.

ちなみに,GPSのオープンサービスであるSPS(Standard Positioning Service)の
SIS-UREの仕様は,AODがゼロのときに6mです.

GPS SPS Performance Standard 4th Edition

ただし,実力値としては,1m以下の精度がでています.

SPS Signal-in-Space Performance

RTKLIBでマルチGNSS測位

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taro君から普通にBeiDou B1/B2の2周波が観測できていることを聞き,
どこかに観測データと放送歴のアーカイブがないかと探してみたら,
いまさらながらにMGEXでBeiDouのデータもRINEX3フォーマットで
公開されていることを知りました.

IGS MGEX: Products

2013年の1月1日からアーカイブされており,今年のデータはCDDISの
ftpサーバからダウンロードできます.

ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/gnss/data/campaign/mgex/daily/rinex3/2014/

観測データは,Day of Yearごとのディレクトリに保存されており,
拡張子が14oになります.MGEXのstation listを見ると,日本では
JAXAのGMSD局で,BeiDouも含めたマルチGNSSの観測を行っている
ようです.

IGS MGEX: Network station list

観測データのファイル名の先頭は,基準局名になっていますので,
gmsdで始まるファイルをダウンロードします.

放送歴は,同じCDDISサイトのbrdmディレクトリにアーカイブされています.

ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/gnss/data/campaign/mgex/daily/rinex3/2014/brdm/

観測データと同じDOYの放送歴をダウンロードします.

ファイルをテキストエディタで開いてみると,G(GPS),R(Glonass),
S(SBAS),E(Galileo),C(BeiDou),J(QZSS)と,全ての衛星測位
システムのデータが記録されています.

RTKLIB 2.4.2では,BeiDouの放送歴も観測データもRINEX3フォーマットで
サポートされているので,単独測位を試してみたのですが,残念ながら
BeiDouのデータは表示のみで,まだ測位には使えないようです.実装は
次のバージョン以降の予定だそうですので,もうしばらく待つことになりそうです.

それ以外のGNSSは測位もサポートしているようですので,Galileoで
単独測位を試してみることにしました.衛星数は4機しかありませんが,
日本からでも4機同時に観測できる機会があります.

まず,先ほどダウンロードしたRINEX3フォーマットの観測データと
放送歴をRTKPOSTで選択します.

 (クリックで拡大)

Optionsボタンをクリックして,Position ModeにSingle,Satellite
Ephemeris/ClockにBroadcastを選びます.さらに,測位演算に使う
衛星として,Galileoのみを選択します.

 (クリックで拡大)

RTKPOSTのwindowでExecuteボタンをクリックすると,測位演算が
実行されます.PlotボタンをクリックするとRTKPLOTが開かれ,
測位結果が表示されます.



4機しか観測できないことを考えると,かなり良い測位精度です.
たまたま衛星配置が良かったのでしょうか.

RTKPOSTのwindowで,RINEX OBSの欄の右上のskyplotのアイコンを
クリックすると,RTKPLOTが開き,観測データを表示することが
できます.



デフォルトでは,GPSのみの表示になっていますので,RTKPLOTの
EditメニューからOptionsを開きます.ここで,表示したい衛星を
Satellite Systemでチェックします.

 (クリックで拡大)

これで,Galileoのskyplotや可視衛星数,DOPなどを表示するこが
できます.



ちなみに,BeiDouは測位演算には使えませんが,skyplotはこんな感じ.



見え過ぎ.

RTKLIB on BeagleBone Black

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高須さんの日記で,RTKLIBをBeagleBone Blackで動作させているサイトが
紹介されている.

マイコン工作入門:BeagleBoneでRTKLIB

なんだか,さっくりと動いているけど,そんなに簡単になったの?

見よう見まねでRTKLIBをBeagleBoard-xMで動かそうとして挫折したのは
良い思い出.今では立派な積み基板の仲間です.

単独測位は動いているようだけれど,RTKはどうなのだろう.

その昔に購入したLEA-4Tなら1ダースほど机の肥やしになっているので,
Capeつくるなら提供するよ!
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