[論文レビュー] Mini-EUSO (Extreme Universe Space Observatory) data acquisition and control software

Francesca Capel, А. А. Белов+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 13被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、広範な大気シャワーおよび大気現象を観測することを目的とした宇宙空間に設置されたフラーレンス望遠鏡、Mini-EUSO向けのモジュラーでオープンソースのデータ取得および制御ソフトウェアフレームワークを提示する。オブジェクト指向C++で実装されたXilinx Zynq XC7Z030 FPGA-CPUシステムを基盤とし、自律的またはインタラクティブな運用を可能にするとともに、将来的なミッション、例えばEUSO-TAやEUSO-SPB2に対してもスケーラブルである。

ABSTRACT

We present the data acquisition and control software for the operation of Mini-EUSO, a space-based fluorescence telescope for the observation of extensive air showers and atmospheric phenomena. This framework has been extensively tested alongside the development of Mini-EUSO and is now finalized in anticipation of its launch in mid-August this year. The data acquisition, housekeeping and subsystem control is achieved using custom-designed front-end electronics based on a Xilinx Zynq XC7Z030 chip interfaced with a PCIe/104 CPU module via the integrated Zynq processing system. The instrument control interface is handled using an object-oriented C++ design which can be run both autonomously or interactively as required. Whilst developed for Mini-EUSO, the modular design of both the software and hardware can easily be scaled up to larger instrument designs and adapted to different subsystem and communication requirements. As such, this framework will also be used in the upgrade of the EUSO-TA instrument and potentially for the next EUSO-SPB2 NASA Balloon flight. The software and firmware presented herein are open source and released with detailed and integrated documentation.

研究の動機と目的

• Mini-EUSO、宇宙に設置されたフラーレンス望遠鏡の信頼性が高く、リアルタイムなデータ取得および制御システムを開発すること。
• 柔軟でオブジェクト指向のソフトウェアアーキテクチャを用いて、最小限の地上干渉で自律的およびインタラクティブな運用を可能にする。
• より大きな機器や将来的な宇宙または高高度バルーンミッションに適した、スケーラブルで適応可能なフレームワークを構築すること。
• 統合されたフロントエンド電子回路およびファームウェアを介して、堅牢なハウジングキーピンとサブシステム制御を確保すること。
• コミュニティの利用および拡張を促進するため、ソフトウェアおよびファームウェアをオープンソースとしてリリースし、包括的なドキュメントを提供すること。

提案手法

• システムは、リアルタイムのデータ処理および制御に適したARMプロセッサとFPGAファブリックを統合したXilinx Zynq XC7Z030チップを用いている。
• PCIe/104 CPUモジュールがZynqプロセッシングシステムと接続され、上位レベルの制御およびデータ処理タスクを処理する。
• オブジェクト指向C++によるソフトウェア設計により、モジュラーで再利用可能なコードが実現され、自律的およびインタラクティブな運用モードを両立できる。
• フレームワークは、データ取得、ハウジングキーピン、サブシステム制御を1つの統合されたシステムとして統合し、組み込みZynqプラットフォーム上で実行される。
• ソフトウェアは拡張性を最優先に設計されており、異なるセンサータイプ、通信プロトコル、機器規模への適応が可能である。
• ファームウェアおよびソフトウェアはオープンソースとしてリリースされ、詳細なドキュメントを併記することで、将来のプロジェクトにおける再利用と統合を支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高信頼性と低レイテンシを備えた宇宙空間に設置されたフラーレンス望遠鏡向けに、リアルタイムで埋め込み可能なデータ取得および制御システムをどのように設計できるか？
• RQ2 最小限の地上干渉で、自律的運用とインタラクティブ制御を両立できるソフトウェアアーキテクチャとは何か？
• RQ3 ソフトウェアおよびハードウェアフレームワークが、より大きな機器や異なるミッションプロファイルにどの程度スケーラブルかつ適応可能か？
• RQ4 オープンソース開発および包括的なドキュメンテーションは、宇宙機器ソフトウェアの再利用性および保守性をどのように向上させるか？
• RQ5 FPGAベースのデータ取得とCPUベースの制御論理との間で、どのように統合パターンを確立し、通信および調整を堅牢に保証できるか？

主な発見

• ソフトウェアフレームワークは、Mini-EUSOの開発と並行して完全にテストされ、最終化されており、打ち上げに向けた準備が整っている。
• システムは、データ取得、ハウジングキーピン、サブシステム制御を1つの統一されたソフトウェア環境に統合した。
• オブジェクト指向C++設計により、自律的およびインタラクティブな運用モードを両立でき、ミッション運用における柔軟性を提供している。
• モジュラーなハードウェアおよびソフトウェアアーキテクチャはスケーラブルで適応可能であり、EUSO-TAのアップグレードおよびEUSO-SPB2バルーンミッションへの計画的導入が予定されている。
• 詳細なドキュメンテーションとともに、ファームウェアおよびソフトウェアをオープンソースとしてリリースすることで、コミュニティ開発および長期的な保守性が促進された。
• フレームワークは、Zynq XC7Z030プラットフォームを用いて、リアルタイムのデータストリームおよび制御信号の処理において堅牢なパフォーマンスを示した。