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ITF-2の電波を受信してみよう~~夏休みの自由研究は衛星受信!~~

1, 人工衛星から送られてくる電波を用いて、大まかな速さを求めよう

<対象>

<企画意図>

<実施方法>

1,衛星の観察日記をつけ、電波受信の履歴をつけてもらいます。

その際、「結」プロジェクトのサイト、ブログ、軌道情報サービス(http://odweb.tksc.jaxa.jp/odds/main.jsp)を活用してもらい、受信してもらいます。

軌道情報提供サービスのサイトを使う際には、TLEという、人工衛星の軌道を教えてくれるデータが必要です。それはhttp://operationitf-2.blogspot.jp/p/tle.htmlからとってください。1、2日単位で変わってしまうので、こまめにこれを行ってください。衛星の電波を二週連続で受信できる時に受信してもらい、一周にかかる時間を測ってもらいます。この際、親御さんにも協力してもらってこの作業を行います。

そして、それらのデータを用いて、速度を計算してもらいます。

これは、観察日記をつけなくてもサイトを見ればデータが手に入れられるため、最悪の場合やらなくてもいいのですが、自由研究であるので、実際に自分で電波を受信してもらった方が、より人工衛星を身近に感じてもらえます。

場合によっては受信できるタイミングが夜遅い時間になってしまうこともあるため、その場合は各家庭で適宜サイトのデータを活用してもらいます。

2,衛星が地球を一周する時間の平均を求めてもらいます

1,で集めてもらったデータを用います

データの数が多ければ多いほど信憑性は増すので、なるべくたくさんデータを使ってもらうのがいいと思います。

(発展版)このデータをエクセルを使って整理してもらいます。これは中学生向けです。エクセルの勉強にもつながります。ただ、これは本来の目的からそれてしまうため、あくまで余裕があったら、で大丈夫です。

3,実際に衛星の速さを求めてもらいます

ITF-2は、高度約400㎞のところを周回しています。従って、一周の距離は、地球の半径約6400㎞に400kmを足して計算してください。

4,実際の衛星の速さと比べて、誤差も原因を考てもらいます。

一回目:87分

二回目:84分

三回目:97分

平均値:89分

速さ=2×3.14×(6400+400)㎞ ÷ (89 × 60)秒 ≒ 7.997 ㎞/秒

軌道情報計算サービスの使い方

始めの画面で、「衛星位置計算」をクリックします。

次に出てくる画面で、「日本」を選択し、自分の住んでる県を選びます。

そして、「条件詳細決定」→「TLEを入力」とクリックすると、衛星名とTLEを入力できる画面があるので、衛星名を「ITF-2」としてTLEとともに入力してください。

この操作をやっても下記の写真のページに飛べなかった場合は、もう一度観測地を選択して「計算開始」をクリックしてください。

上の写真のようにランプがつくとき、電波は受信できます。

 

 

 

2, 人工衛星からの電波を取得してモールス信号として出力しよう

 

<対象>

 

<企画意図>

<実施方法>

ダウンリンク解析用シート

Morse Input(黄色セル)にデコードしたセンサデータを入力。

→各種パラメータの値が変換され、下表のテレメトリ(青色セル)に各値が出力されます。

ダウンロードはこちら

参考ページ:ITF-2ダウンリンク情報

CWテレメトリデータフォーマット:https://drive.google.com/file/d/0B6LAb7EchaE-d1BsZmp3V01DVHM/view

※電波を受信する時に衛星がある方向にアンテナを向ける必要があり、その際に周りの人にアンテナをぶつけてしまう恐れがあるので、受信の際は周りに人がいないことを確認してください。

モールス信号一覧

日本アマチュア無線連盟:http://www.jarl.org/Japanese/A_Shiryo/A-C_Morse/morse.htm

JAXAの衛星位置情報公開ページ:http://odweb.tksc.jaxa.jp/odds/main.jsp

ここから現在の衛星の位置がわかる。

そのためには下記のページからITF-2のTLEの取得が必要。

ITF-2のTLEが載っているページ:http://operationitf-2.blogspot.jp/p/tle.html

 

 

 

3,衛星を用いてドップラー効果を体感しよう。

 

<対象>

<企画意図>

 

<実施方法>

 

1, ドップラー効果の公式を授業で習得する。
\begin{align}
f’ = \frac{cf}{c-v_s}
\end{align}

2, 2次元に拡張したドップラーを考える。
\begin{align}
f’ = \frac{cf}{c-v_s\cos\theta}
\end{align}

 

図 2次元でのドップラー効果

 

1, 衛星の本来送信している周波数と、実際に観測する周波数\(f’\)から衛星の速度\(v_s\)を計算する。

上の式から\(v_s\)を求める。
\begin{align}
v_s = \frac{c}{\cos\theta}\left(1-\frac{f}{f’}\right)
\end{align}
2, 衛星の高度(400km)から、運動方程式を用いて衛星の速度を計算する。
\begin{align}
ma = -\frac{GMm}{r^2}
\end{align}
求めた速度から、観測するべき周波数を計算する。
\begin{align}
f’ = \frac{cf}{c-v_s\cos\theta}
\end{align}
上の式から\(f’\)を求める。

 

周波数などITF-2の詳細は以下のサイトから得られる。

http://yui.kz.tsukuba.ac.jp/itf-2_/

 

参考数値

 

 

4, 受信日時を用いてゲームをしよう

 

<対象>

小学生、中学生

<企画意図>

ゲーム的要素を取り入れて受信を促進し、楽しんで宇宙を身近に感じてもらう

<実施方法・ゲームルール>

 

<例1>

  1. 前述の通り各自アンテナを作成する。
  2. 夏休みなど時間のあるとき、事前に皆で話し合って決めた一週間の間に、各自好きなパス(10回前後は可能か)を観測し、モールスを解読する。観測ができた場合、1点。
  3. あるパスを観測した者が一人である場合10点。
  4. あるパスを観測した者がn人である場合、そのうち過半数のr人が一致した場合、それぞれ2×r点を得る。
  5. あるパスを観測した者がn人である場合、そのうち半数未満のr人しか一致しない場合、一致した者は0点、しなかった者は-1点。
  6. もっとも点数の高いものが勝ち。

<例2>

  1. 前述の通り各自アンテナを作成する。
  2. 観測した16進数のモールスを10進数に変換する。(しなくても良い)
  3. それが素数であればTwitterに呟く。(しなくても良い)

 

 

 

 

5, モールスの情報から衛星のバッテリー電圧を知ろう

<対象>

高校生

<企画意図>

衛星内部の仕組みを学ぶ機会を作る

<実施方法>

  1. 前述の通り各自アンテナを作成する。
  2. CWで得られた情報をデコードする。
  3. バッテリー温度などを表にまとめる。
  4. 1~3を繰り返す。この間を自発的に衛星内部の仕組み等を学ぶ期間とする。

(参考)