[論文レビュー] The ARIEL Instrument Control Unit design for the M4 Mission Selection Review of the ESA's Cosmic Vision Program

Mauro Focardi, E. Pace+23 more|UCL Discovery (University College London)|May 27, 2017

Calibration and Measurement Techniques参考文献 7被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、欧州宇宙機関（ESA）のM4ミッション向けに、赤外分光計（AIRS）の制御を担うARIEL機器制御ユニット（ICU）の設計を提示している。ICUは、データの事前処理、指令制御を通じて、分光計の運用を管理する役割を果たす。Teledyne MCT検出器やSIDECAR ASICといった実証済み部品を活用し、低遅延かつ高信頼性な運用を実現しており、システム信頼性は98％以上を達成。また、機載での無損失圧縮および自律モード実行を支援する。

ABSTRACT

The Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey mission (ARIEL) is one of the three present candidates for the ESA M4 (the fourth medium mission) launch opportunity. The proposed Payload will perform a large unbiased spectroscopic survey from space concerning the nature of exoplanets atmospheres and their interiors to determine the key factors affecting the formation and evolution of planetary systems. ARIEL will observe a large number (>500) of warm and hot transiting gas giants, Neptunes and super-Earths around a wide range of host star types, targeting planets hotter than 600 K to take advantage of their well-mixed atmospheres. It will exploit primary and secondary transits spectroscopy in the 1.2-8 um spectral range and broad-band photometry in the optical and Near IR (NIR). The main instrument of the ARIEL Payload is the IR Spectrometer (AIRS) providing low-resolution spectroscopy in two IR channels: Channel 0 (CH0) for the 1.95-3.90 um band and Channel 1 (CH1) for the 3.90-7.80 um range. It is located at the intermediate focal plane of the telescope and common optical system and it hosts two IR sensors and two cold front-end electronics (CFEE) for detectors readout, a well defined process calibrated for the selected target brightness and driven by the Payload's Instrument Control Unit (ICU).

研究の動機と目的

• ARIEL宇宙ミッションの赤外分光計用に、信頼性が高く、低質量かつ低消費電力の機器制御ユニット（ICU）を開発すること。
• AIRS分光計からの科学的データの機載事前処理を可能にし、送信データ量を削減するとともに、ミッションの目的を支援すること。
• 米国およびヨーロッパで開発された検出器の両方と互換性を持つ柔軟なDCUインターフェース設計を実現すること。
• 機載処理の複雑さを最小限に抑え、地上でのデータ還元およびSN比最適化に最大の柔軟性を残すこと。
• ESAの質量、消費電力、体積制約を満たしつつ、実証済み部品と厳密な試験を活用して98％以上の高いシステム信頼性を達成すること。

提案手法

• ICUは、宇宙船のサービスモジュール内に配置されたウォームエレクトロニクスユニットとして実装され、冷温前端エレクトロニクス（CFEE）と、ウォームFEE（検出器制御ユニット、DCU）を介して接続される。
• 3つの機載データ取得モードが実装されている：複数CDS、複数スロープ・アップ・ザ・ラムプ、単一スロープ・アップ・ザ・ラムプ。それぞれが検出器のダイナミックレンジおよび光子フラックスに応じて最適化されている。
• ICUは、C言語で実装されたソフトウェアを実行する2コアプロセッサ（MPC8313）を採用しており、時間的に制限のあるタスクにはアセンブリ最適化を検討。指令シーケンサは、ハーシェルのHIFI/SPIRE機器にインspiredされた割り込み駆動方式を採用。
• 機載データ処理にはデグリッチングと、任意の無損失圧縮（例：RICEアルゴリズム）が含まれ、出力はCCSDSパケット形式に整形され、宇宙船の固体状メモリへの送信が行われる。
• 高TRL（技術成熟度）部品を活用した設計である：Teledyne MCT 512×512検出器とSIDECAR ASIC。DCUは、ユリクスミッションの実績を踏まえた、信頼性の高いインターフェースおよび信号整形を実現。
• 2つのアーキテクチャ案が評価された：ベースライン（米国検出器中心）と代替案（ヨーロッパ検出器中心）。両者ともICUに対する外部インターフェースは同一である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ICUは、検出器の出処にかかわらず、最小限のインターフェース変更で米国およびヨーロッパ開発の検出器を両立できるように、どのように設計できるか？
• RQ2 地上での後続分析に科学的忠実性を保ちつつ、データ量を最小限に抑えるために、どのような機載処理戦略が有効か？
• RQ3 飛行実証済みで高TRLの部品を用いて、98％を超えるシステム信頼性を達成するには、どのようなアプローチが有効か？
• RQ4 ExoPlanetary大気分光法において、機載処理の複雑さと地上処理の柔軟性の最適なバランスは何か？
• RQ5 CDSおよびアップ・ザ・ラムプなどの異なるデータ取得モードが、SN比およびICUにおけるデータ処理に与える影響は何か？

主な発見

• ベースラインICUアーキテクチャは、Teledyne MCT検出器およびSIDECAR ASICといった高TRL部品の使用により、98％を超えるシステム信頼性を達成している。
• ICUは、複数CDS、複数スロープ・アップ・ザ・ラムプ、単一スロープ・アップ・ザ・ラムプの3つの異なるデータ取得モードをサポートしており、光子フラックスおよび検出器応答に応じて最適化されている。
• DCUをウォームFEEインターフェースとして使用することで、検出器の出処に関わらず一貫した外部インターフェースを実現し、米国およびヨーロッパの検出器経路の両方に対応する設計の柔軟性を確保している。
• 機載での無損失圧縮（例：RICE）は実現可能であり、CPU上のトレードオフスタディを通じて評価可能。性能はデグリッチングの効果に依存する。
• ベースラインICU設計は、ESAが割り当てた質量、消費電力、体積マージン（含む設計マージン）を満たしており、飛行実績のあるサブシステムに基づいている。
• 代替ICUアーキテクチャは、AIRSチームがシステム全体の責任を負うことを可能にし、データ取得チェーンのエンドツーエンドの検証と、検出器固有の要件に最適化された性能適合を実現している。