前回、ラボを記事としてあげましたが、それからまた少し実験をしています。
そちらを読まれてない方は、ぜひ、そちらから読んでみてください。

わかったこと

下記のSDR　ADS-Bドングルですが、こちらは内蔵しているフィルターとブースターは、かなり強力ですが
近く（40cm）くらいの近さで20wの出力で送信している無線機があります。
常時ではないけど、1日おそらく10時間くらいは送信してるんじゃないかと思いますが
その無線機が送信状態の時、見事に受信画面から飛行機がさーと消えて行ってしまいます。

ということは、そこそこブースターで持ち上げている信号の中、
フィルターが430MHz帯域の抑圧を除去出来ていないという事に気がつきました。

本番環境については、下記のような構成で、こちらに使っているフィルタ／ブースターでは
430MHz帯で送信しても、抑圧をフィルタで除去してくれて、全く飛行機が見えなくなることはありませんでした。
よって、フィルタの性能については、本番機で導入した機種の方に軍配が上がります。
また、ラボ1で、ブースターもイマイチと書きましたが、スプリットケーブルを用いて
1本の電波を2つに分けていた為、そこでかなり減衰が発生して、フルスペックを発揮出来ていなかった様で
そこを取り外して直接接続することで、ブースターの実力も見えた感じになりました。

下記がその後の受信エリアとなります。
北は福島県いわき市付近まで、南は静岡県静岡市、房総沖40km程度
西は千葉県鹿島市沖50km程度まで、現在の仮のディスコーンアンテナで拾えるようになりました。
本命のアンテナは、利得が公表値でアンテナ利得14dBiとなっており、ディスコーンアンテナが1200MHz帯で
アンテナ利得2.15dBiの為、公表値であった場合、+100km～200km程度見えるエリアが広がる可能性がある。

仮に（筆者的には絶対そうだと思ってる）公表値以下として、9dBi程度としても
100km位は見える範囲が広がれば良いなと言った感じ。
範囲としては、山形・新潟・長野・静岡・愛知位まで拾えれば優秀ですね。

ただし、スプリッターで本番機とstaging機と比べると

やっぱり、staging機に接続しているSDR ASD-Bドングルの方が高い解像度を持っているように思う。
そして、高い解像度ゆえ、430MHzの抑圧を抑制出来ないでいる気がする。
ドングルを入れ替える事も出来るけど、さてどうしたものか！？

アンテナ利得とは？

アンテナ利得とは、アンテナが受信した電波の強さをどの程度出力できるのかを数値化したもので、
アンテナの性能を表す指標です。単位はデシベル（dB）で、数値が大きいほどアンテナの性能が良いとされています。
dBi表記は、すべての方向に均等に電波が放射される仮想アンテナを基準とした利得表示で、アイソトロピック比と呼ばれています。 両者の間には0dB＝2.14dBiという関係があります。 dBiで表示すると数値が2.14大きくなるため、カタログ表示で多用されています。

簡単に言うと、3dBの利得があるアンテナだと、基準アンテナの2倍の強さで受信が出来る性能である。
6dBだと、基準アンテナの4倍の性能が出る。
20dBだと、基準アンテナの100倍の性能のアンテナであるという事。

ただし、カタログ値では、dBi表記なので、14dBiだとdB表記だと6.54dBという事になる。
それでも、基準のアンテナの4倍の性能になるので期待は持てると思っています。

なんとなくラズパイが熱いと受信感度低下？

受信する飛行機の数が減る気がする。
今、PoEHATをラズパイに取り付けて運用実験をしていますが、
このPoEHATには、小型のFANが内蔵されています。
そのFANは、どうも50℃を越えると起動し、48℃位で停止をするという制御が入っているようで
基本的に下記の通り50℃前後を保てるような設定になっているっぽいです。

結論からすると、受信はできてるっぽい気はするので、今日はたまたま到着便・出発便が少なく
且つ、成田から通過していく便も少ないだけのように思うので、ちょっと様子見します。
そもそも、ラズパイが熱くても、受信しているのはSDRドングルな訳で
あまり関係無い気はしますよね。80℃越えると処理リミッターが入る様ですが
そこまで熱くはないので、いったん様子見で本番運用する際は24時間強制FANを稼働させるので
外気温によって変わると思いますが、そこそこの温度帯で稼働できるのではないかと思ってます。

受信状況をグラフにするツール

Performance Graphsというオープンソースを入れました。
ADS-Bの受信についての詳細がとれるようになりました。

続いて、スペックについての詳細も取れるようになりました。
ただ、これは、Zabbixで採取しているので、あまりこちらではざっと確認する程度に使っています。
alert機能はないので、あくまでも過去そうでしたというグラフになりますが
かなり参考に出来るので、今後の研究に使えるかなと思いました。

導入方法　ラズパイ標準OSにて

いつものようにSSHでログインします。

インストール

sudo bash -c "$(curl -L -o - https://github.com/wiedehopf/graphs1090/raw/master/install.sh)"

これで、上手く行けば下記で見れるはずです。
※ただし、最初のグラフを書き出すまで10分程度時間が必要との記載があるので
　最初アクセスしても、枠だけでグラフは表示されていないかも知れません。
　10分程度まって、グラフが表示されてきたことを確認して頂ければと思います。

http://ラズパイ/graphs1090/

このツール、SDカードへの書込ストレスを緩和する為、1日1回ざっと書き込んでいるようですので
途中でシャットダウンやリブートをすると、空白時間が出来る様なので、厳密に空白時間を作りたく無い場合等は
リブート・シャットダウンする前に、強制的にセーブするコマンドを実行し、SDカードにデータセーブが必要になるようです。

SD カードへの書き込みを減らす (デフォルトで有効)

SD カードへの書き込みを減らすため、データは 24 時間ごとに SD カードに書き込まれます。データ損失に関する注意: 電源を取り外したり失ったりすると、前日の 23:42 以降に生成されたグラフ データが失われます。この問題を回避するには、sudo shutdown nowPi を抜く前に対処してください。詳細については、書き込みの削減に関するセクションを参照してください。再起動やシャットダウンは問題ではなく、データ損失の原因にはなりません。

データがディスクに書き込まれる頻度を変更する場合は、/etc/cron.d/collectd_to_diskコンテンツを編集して、次のいずれかのオプションに置き換えます。(graphs1090 インストール スクリプトを更新/実行すると、これがデフォルトに上書きされます)

# every day at 23:42
42 23 * * * root /bin/systemctl restart collectd

# every Sunday
42 23 * * 0 root /bin/systemctl restart collectd

# every 6 hours
42 */6 * * * root /bin/systemctl restart collectd

この動作を無効にするには、次のコマンドを使用します。

sudo bash /usr/share/graphs1090/git/stopMalarky.sh

動作を再度有効にするには、次のコマンドを使用します。

sudo bash /usr/share/graphs1090/git/malarky.sh

上記の動作の仕組みについての説明: systemd サービスの構成が変更され、グラフ データが /run (メモリ) で管理され、毎晩のみディスクに書き込まれるようになります。再起動/シャットダウン時にディスクに書き込まれ、システムが再起動するとデータが再び /run にロードされます。電源が失われると、最大 24 時間分のデータが失われます。

これはうまく機能しており、多くの人が SD カードの消耗を懸念しているため、これをデフォルトにしました。
rrd データベースは毎分書き込まれ、1 時間あたり約 100 メガバイトが書き込まれます。最近の SD カードのほとんどは、これを 10 年以上簡単に処理できるはずですが、必要に応じて書き込み量を減らすことができます。デフォルトでは、Linux はキャッシュに最大 30 秒保存した後、データをディスクに書き込みます。これを 10 分に増やすと、実際のディスク書き込みは 1 時間あたり約 10 メガバイトに減ります。

最後の 10 分間を失いたくないデータを Raspberry Pi で処理する場合は、これを変更しないでください。
この書き込み遅延を 10 分に増やすには、次のようにします (再起動後に有効になります)。

sudo tee /etc/sysctl.d/07-dirty.conf <<EOF
vm.dirty_ratio = 40
vm.dirty_background_ratio = 30
vm.dirty_expire_centisecs = 60000
EOF

Raspberry Pi の電源が切れたときにデータが失われても構わないので、これを 1 時間に設定しました。

sudo tee /etc/sysctl.d/07-dirty.conf <<EOF
vm.dirty_ratio = 40
vm.dirty_background_ratio = 30
vm.dirty_expire_centisecs = 360000
EOF

ほぼほぼ運用に必要なツールはそろってきたので、これでいったんバックアップを取って
何かあった時に、そこまでは戻れる環境にしたいと思います。

総括

如何だったでしょうか？
ラボ2回目ですが、仮運用し始めて色々課題も見つかって、それをどのように解決するか？
データ分析するも、必要な情報をどのようにゲットするか等、今後も探求は続きます。
別件ですが、AISの受信もし始めようかと思いつつ、海が近くありません。
SDRドングルを追加して、そっちをAISの受信機として別途160MHz帯のアンテナを取り付けて
見ても楽しいのではないかと思っています。

The post 本気でADS-B受信環境構築 ラボ Vol.2 #ADSB first appeared on ～下町物語～.

staging環境と本番環境がほぼほぼ稼働状況になりましたので、
諸々ラボとして実験をしていきたいと思います。
正式運用開始しちゃうと、出来るだけ止めたりしたくないので、
色々実験するにはstaging環境を今後は使う形になりますが、
今は本番環境も気軽に止めれるので、じゃんじゃんやって行きましょう。

SDRドングル

まずは、SDRドングルの違いによる受信感度の件からです。
今回実験の為、入手したSDRドングルは下記の2つです。

特徴

テスト環境について

ディスコーンアンテナから、インピーダンス度外視で、2股のスプリッターという名の下の
分岐ケーブルを使って、V4にはフィルター／ブースターが内蔵されていないので
外付けのフィルター／ブースターを取り付けて、その下にSDRドングルを取付
もう一方は、スプリッターから直接SDRドングルに接続して同時接続の下感度測定を行っている。
おそらく、スプリッター部分での損失も出ていると思うので、フルスペックでの測定ではない事に注意されたし。

感度について

RTL-SDR V4には、フィルターもブースターも内蔵されていない為、
単純に比較は出来ないけど外付けフィルター／ブースターを追加して、感度比較してみた。

右がRTL-SDR V4　左がADS-B Mode-S TV Tuner Stickである。
これだけを見ると若干ADS-B Mode-S TV Tuner Stickに軍配が上がる気がする。
RTL-SDR V4につけているブースターが結構いいお値段した割にイマイチなのかも知れない結果になっている気がする。

ディスコーンアンテナの特性や開けている向きもあって、若干でこぼこしているが
本番機をADS-B Mode-S TV Tuner Stickに変更した方が、良い結果が出る気はし始めている。
このまま継続し検証を進めていき、本設置となる時に決断してどちらかにしたいと思う。

ブースター・filterについて

数種類出ているフィルター／ブースターですが、今回入手した製品は以下の製品です。
商品詳細を見る限り、他よりブーストされる出力が大きかった事でこれにしました。

スペック

Nooelec SAWbird+ ADS-B:プレミアム、デュアルチャンネル、カスケード超低ノイズアンプ(LNA)&飛行機追跡アプリケーション用フィルターモジュール1090MHz(ADSB)および978MHz(UAT)センター周波数

この製品は、競合製品と比較して、プレーン トラッキング信号強度 (SNR) を大幅に向上させるように設計されています。 入手可能なすべての低コスト ADS-B アンプおよびフィルタを大幅に上回ります。
SAWbird+ ADS-B は、ADS-B と UAT の両方のアプリケーションに対してクラス最高の雑音指数 (0.9dB 以下) と大幅なゲイン (34dB 以上) を提供することで、SNR を向上させ、したがって信号範囲を拡大します。
購入品には、美しい黒色のカスタム アルミニウム エンクロージャにプレインストールされた完全に組み立てられた SAWbird+ ADS-B モジュール、2 つのオス – オス SMA アダプタ、およびマイクロ USB – DC バレル コネクタ アダプタ ケーブルが含まれています。
注: 他のアンプと同様に、結果として受信が増加することを確認するには、ゲイン レベルを下げるか、シグナル チェーン内の他のアンプを削除する必要があります。 そうしないと、無線に過負荷がかかり、受信が減少するか受信がゼロになります。 意図したとおりにセットアップすると、SAWbird+ ADS-B はほぼすべての飛行追跡セットアップのパフォーマンスを大幅に向上させます。
デバイスの両側には、バイアス ティー電源オプション (3 ～ 5 V DC および 140 mA 以上の電流が利用可能) が用意されています。 あるいは、バイアス ティー電源が利用できない場合や不適切な場合に、マイクロ USB ポートを使用して外部電源を供給することもできます。

結論としては、それなりにフィルターされていて、それなりに受信出来る範囲が広くなったので
動作している事は間違い無いということと、978MHz帯のフィルター／ブースターも内蔵されているので
将来的に有意義に使える可能性は高い。日本国内においては、いちおう導入実績はあれども
1090MHzがメインであるには違いないので。

後は、他社のモデルは、動作ＬＥＤ等がなくて、動作しているのか？どうか肌感で知るしかないので
その点は、この製品はＬＥＤがついているので、動作を目視確認出来る点が良いかなと思う。
バイアスティに対応しているので、ＳＭＡアンテナ端子から5ｖを出力してあげると
特にこれについては、電源を確保する必要が無いというのも良い点だと思う。

アンテナ直下にラズパイごと設置を考えているので、PoEでＬＡＮケーブル1本で
全て電源も完結できるのは大きいと思う。100ｖの電源ケーブルとＬＡＮケーブルと
2本引き回すのはとても大変なので。

まちがってもこの構成はNG（やるとしても条件付き）

もっと感度を上げるため、下記の様にADS-B Mode-S TV Tuner Stickの手前に
フィルター／ブースターを噛ませると、増幅した電波をさらにADS-B Mode-S TV Tuner Stick内部で
増幅する2段ブーストターができあがるのですが、これは、実は止めた方がいいです。

ブースターは、受信できるか？できないか？の電波を底上げして、受信出来るレベルまで引き上げる物である。
そもそも、かすかにも聞こえていない物を、大音量にしても聞こえないのと同じく
さらに、大音量にした場合、ノイズも同時に増幅されるため本来必要なパルス波が
増幅した雑音がうるさすぎてかき消されてしまう現象が起こる。

よって、この構成にする場合は、必要な増幅幅を調整出来るアッテネーター自作等で
ちょうどいい増幅幅になるように調整出来る機構が必要になります。
フルパワーで増幅すると、せっかくブースターで増幅し微細なパルス波が復調できるようになったのに
逆効果になりかねないと言った事も、頭に置いて考える必要があります。

総括

今回も色々やってきましたが、部材がなかなかそろわず、手を動かせないので
ちょっと実験って感じでやっています。アンテナも来月位で涼しくなってから
設置になるので、それまでは色々実験していきたいと思います。
記事に書くかどうかは、また別の話ですので、何か試して見てほしいこと等があれば
コメントいただければと思います。

電波については、アマチュア無線技師なのでいちおう、その当たりの知見をつかいつつ
少し濃い領域まで記事にしています。何か参考になればと思います。
次は、SE観点でADS-Bのビーコンフォーマットや仕組みについて
もうちょい深掘りしてみましょうかね。

アンテナについても、ロケーションが良いとそれほど高スペックなものでなくても
良い気はしますけど、ロケーションがわるいと出来るだけ高利得なものが相性が良いと思います。
ただ、都市ノイズが多いと、利得が高いとそれらも拾ってきてしまう気はします。
設置は、出来るだけ高い部分に設置することがおすすめですが、例えば屋根の上などです。
筆者は、これからアンテナは設置しますが、ベランダに衛星アンテナ用の基台を取り付けて
それに鉄管を固定して立ち上げています。

テスト中は、1300MHzまで受信出来る上記紹介のディスコーンアンテナを使っています。
指向性は全く0が特徴ですが、それにしても利得としては、効率の良い物では無い気がします。
あくまでも、広範囲受信出来ますよって程度かと思います。

それでは、次の第6回防水ボックス制作編でお会いしましょう。

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