[論文レビュー] Commissioning and initial performance of the H.E.S.S. II drive system

P. Hofverberg, R. Kankanyan+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、600トン、600 m²の反射鏡を持つH.E.S.S. II望遠鏡の高精度駆動システムの設置および性能評価を報告する。各軸に28 kWのサーボモーターを4台使用し、トルクバイアスとPLC同期制御により、1秒未満の追尾精度と最小5秒の安定化時間（セットルータイム）を達成した。このシステムにより、ガンマ線バーストなどの瞬時天体源の観測に適した迅速な再位置合わせが可能となり、逆方向観測を有効にした場合、平均目標滞在時間は36秒にまで短縮された。

ABSTRACT

The H.E.S.S. observatory was recently extended with a fifth telescope located at the center of the array - H.E.S.S. II. With a reflector roughly six times the area of the smaller telescopes and four times more pixels per sky area, this new telescope can resolve images of particle showers in the atmosphere in unprecedented detail and explore the gamma-ray sky in the poorly studied regime around a few tens of Giga electron-volt. H.E.S.S. II has been equipped with a high-performance drive system that can deliver the high torque necessary to accelerate and slew the 600 tonnes telescope while keeping a good tracking accuracy. A modular design with a high degree of redundancy has been employed to achieve stability of operation and to ensure that the telescope can be moved to a safe position within a short period of time. Each axis is driven by four 28 kW servo motors which are pair-wise torque-biased and synchronized through a state of the art Programmable Logic Controller (PLC). With this system, a fast repositioning and a minimal settling time has been achieved - crucial when studying transient sources such as gamma-ray bursts which are a prime target for this telescope. This contribution will report on the successful commissioning of the H.E.S.S. II drive system in the first half of 2012 at the H.E.S.S. site in Namibia. The technical implementation and the performance of the drive system will be presented.

研究の動機と目的

• 600トンのH.E.S.S. II望遠鏡を正確に移動可能な高トルクで冗長な駆動システムの開発および設置。
• ガンマ線バーストなどの瞬時天体源を観測するための迅速な再位置合わせと最小限の安定化時間を確保すること。
• 広範な高度角および天球位置において高い追尾精度を維持すること。
• 故障に強いモジュラー設計と冗長性を実装し、故障時の安全な運用と迅速な回復を確保すること。
• 逆方向観測と拡張された方位角範囲を用いた運動プロファイル最適化により、再位置合わせ時間を最小限に抑えること。

提案手法

• 望遠鏡は高度-方位式三脚台座を採用し、各軸に4台の28 kWサーボモーターを搭載。各モーターはベロウズギアセットを介してブogieホイール（方位）またはピンギア（高度）に接続されている。
• 各軸は4つの独立した駆動ユニットで駆動され、トルクバイアスとPLCによる同期制御が実施されている。
• 位置および速度フィードバックはインクリメンタルエンコーダーにより提供され、安全限界は安全PLCが読み取る位置スイッチによって制御されている。
• 再位置合わせの距離を最小限に抑えるために、逆方向観測（90°を超える高度）と拡張された方位角運動をサポートしている。
• 安定化時間はPLC内の最適化されたフィードバック制御ループにより約5秒に短縮された。
• さまざまな設定下での目標滞在時間性能を推定するために、実際の設置データに基づくモンテカルロシミュレーションが実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H.E.S.S. II駆動システムは、異なる高度角においてどの程度の追尾精度を達成できるか？
• RQ2 望遠鏡はどのくらいの速さで新しい標的に再位置合わせできるか？また、目標滞在時間に影響を与える要因は何か？
• RQ3 逆方向観測と拡張された方位角範囲を有効にした場合、再位置合わせ効率にどのような影響があるか？
• RQ4 高トルクおよび動的負荷下でも、駆動システムはどのようにして運用の安定性と安全性を確保しているか？
• RQ5 駆動システムの性能は、ガンマ線バーストのような瞬時天体源の観測をどの程度支援できるか？

主な発見

• H.E.S.S. II駆動システムは、300時間にわたる観測において平均2.4弧秒の追尾精度を達成しており、これは望遠鏡のポイント spread function よりも数個のオーダーも優れている。
• PLC内の最適化されたフィードバック制御ループにより、駆動システムの安定化時間が約5秒に短縮された。
• 逆方向観測を有効にした場合、ランダムな天球位置への再位置合わせにおける平均目標滞在時間は36秒にまで短縮された。逆方向観測なしでは61秒であった。
• 90%の目標滞在時間の閾値に到達するまでの時間は、逆方向観測ありで52秒、なしで107秒であり、再位置合わせ時間が25%短縮されたことが示された。
• 各軸に4台のモーターを備えるモジュラーで冗長な設計により、高い信頼性と故障時の迅速な安全な再位置合わせが可能となった。
• ガンマ線バーストのような瞬時天体源の迅速なフォローアップ観測を、高速な移動と最小限の安定化時間を備えて成功裏に実現した。