宇宙用信号処理・通信システム II

第 6 回 DECIGO ワークショップ , 　国立天文台 , 2008 年 4 月 16 日

宇宙用信号処理・通信システム II

東京大学大学院理学系研究科物理学専攻　石徹白晃治


はははは今までの宇宙機器通信：衛星、搭載機器毎に別の IF

IF の開発、試験が大きな手間 ESA,NASA,JAXA が共同で共通 IF を選定　　　　　　次世代宇宙機器通信規格「 SpaceWire 」

JAXA を中心に「 SpaceWire 」の宇宙実証

SWIM(Space WIre demonstration Module)　小型実証衛星 SDS-I (GOSAT のピギーバック ) で打ち上げ

SWIM センサー部：超小型重力波検出器 (SWIM)

宇宙用信号処理・通信システムの例 :SWIM はははははは SWIM はははははははははははははははははははははは


目次

SpaceWire と RAMP

SWIM と SWIM

SWIM SpW 実装と UserApplication

SWIM 信号処理

ははは


目次

SpaceWire と RAMP

SWIM と SWIM


SWIM 信号処理

ははは


SpaceWire と RAMPSpaceWire: 次世代宇宙機器通信規格 (ESA,NASA,JAXA)

特徴電力消費を低減できる、簡単なプロトコル冗長系が設計しやすい、自由なネットワークトポロジー 2-400Mbps という幅広い通信速度自由に決められるパケットサイズ

コンセプト個々の機器を USB のようにつなぐと衛星になる

RMAP (Remote Memory Access Protocol):SpW のプロトコル

コンセプトマスタ - が内部レジスタにアクセスするように、　他ノードのレジスタにアクセス


目次

SpaceWire と RAMP

SWIM と SWIM


SWIM 信号処理

ははは


SWIMSWIM(Space WIre demonstration Module)　　　　　 SDS-I (GOSAT のピギーバック衛星 ) で 9 月打ち上げ予定 SpaceCubeII ： SpW IF を実装するアーキテクチャー T-Kernel で動くリアルタイム OS SWIM 　　： SWIM のセンサー部分、超小型重力波検出器

SpaceCubeIISpW

SWIM( 重力波検出器部 )

SpaceCubeIISWIM


目次

SpaceWire と RAMP

SWIM と SWIM


SWIM 信号処理

ははは


SWIM SpW の実装と UserApplication

SpW

SpaceCubeIISWIM

階層化UserApplication

RMAP Library

Driver Software

PCI Bus

SpW IP

CPU

FPGASpW IP

モジュール化

BusArbiter

UserFPGA(User Application)

FPGA


目次

SpaceWire と RAMP

SWIM と SWIM


SWIM 信号処理

ははは


SWIM はははははSWIM はははははははははははは

ユーザ側は BusArbiter を考慮してUserFPGA だけを開発すれば十分 ( なはず )


UserFPGAUserFPGA に必要な機能： TAM 制御、データ取得

TAM UserFPGA

Feedback制御

SpaceCubeII

共有 Register

HK

User

Data

UserFPGAとSpCIIがレジスタを仮想的に共有することで実現


UserFPGA の設計目的 :

TAM

TAM

UserFPGA

BusIFUser

Register

FrameGenerater

HKRegister

BusArbiter

FIFO ControllerDataRegister (SRAM)

SpW IP

SpaceCubeII

SpW

TAM 制御データ取得接続 : ExtBus との IF

Controller

Controller

状態制御 : レジスタアクセス状態監視 : レジスタアクセス


FIFO ControllerDataRegister (SRAM)

データ取得の方法

TAM

TAM

UserFPGA

BusIFUser

Register

FrameGenerater

HKRegister

BusArbiter

SpW IP

SpaceCubeII

SpW

Controller

Controller

1. SpCII からデータ取得開始のレジスタをたたく2. UserFPGA は Data レジスタに書き込み3. SpCII が Data レジスタを読み込み


目次

SpaceWire と RAMP

SWIM と SWIM


SWIM 信号処理

ははは


まとめ

⇒ SWIM 、特に SWIM はははははははははははは

宇宙用信号処理・通信システムの例

SWIM の現状SWIM 信号処理系 ⇒ 全ての機能試験を終え、 FPGA に焼きこみ

SpCII 信号処理系　 ⇒ 下位層とのかみ合わせ、プログラム試験

はははははははははははははははははは⇒ははははははははは

レジスタアクセスを基本とした信号処理系


付録


SWIM ははははははは＋偏向重力波

棒状回転子の運動方程式

棒状回転子

磁気浮上 ( フィードバック制御 ⇒ 回転に自由

周波数依存性が無い⇒ 低周波まで重力波に対する感度棒状回転子

PS で変位測定


UserFPGA

UserFPGA BusIF

FrameGenerater

BusArbiter

SpaceCubeIISpW

ActiveModeStateMachine

PassiveModeStateMachine

SpW IP

FIFO Controller SRAMHK

Register

UserRegister

実際HK, UserRegister は UserFPGA 内部で実装DataRegister は SRAM に FIFO として実装


SWIM の目的と概要

2008 年度打ち上げ GOSAT のピギーバック小型実証衛星 SDS-1

高度 670km 太陽同期軌道サイズ： 70×70×60 cm 、

重量：約 100kg 小型衛星 SDS-1

SpaceWire Interface demonstration Module 　(SWIM)

目的：新しい宇宙機用通信規格「 SpaceWire 」の実証

→ ローコスト・高速・高信頼性・柔軟なネットワークトポロジー・高いスケーラビリティ　　をもつ宇宙機用シリアル通信規格　　 NeXT や MMO 、小型衛星標準バスで採用予定

構成： SpaceCube II ・センサ部 ( 重力波検出器 SWIMmn ・ MHI モジュール )


• 浮上マスモジュール ( ねじれ型重力波検出器 ) × 2 セット ( 互いに直交する方向 )

• アナログエレクトロニクス部• デジタルエレクトロニクス部 (FPGA 搭載ボード )

DECIGO Pathfinder のさらに前のステップ

衛星の振動環境を高精度で測定できる

目的・特徴地上のレーザー干渉計に比べ感度は悪い (h~10-7/Hz1/2 　＠ 1Hz)が、宇宙空間で重力波探査を行う世界初の検出器となる

DPF に向け、衛星製作・打ち上げの経験と実績を蓄積

SpaceCube II と SpaceWire を通じ接続

浮上マスモジュール

構成要素

Proof Mass

同時に、 SpaceWire の開発にも成果をフィードバックし協力している

SWIM の概要


SWIM の信号フロー

User 側信号処理のキーポイント： FPGA


FPGA ？Field Programmable Gate Array

内部論理を再構築可能な LSI 使用例携帯電話自動車 GRAPE ( 重力相互作用の計算機 )

開発会社 Xilinx, Altera (Actel)

気球実験、飛行機実験データ取得用約 5,000 円SWIM の FM 品約 300 万円

価格例


FPGA の背景1980 年代、大規模論理 LSI の設計 ASIC ・・ GateArray 方式：設計の自由度が大きい　　　　多数のトランジスタを持つ汎用シリコンウェハから　　　　　　　ユーザーの設計に従ったメタル配線工程を行う。

PLD ・・・ PLA 方式：論理が書き換え可能　　　　規則的に配列・接続された AND-OR ゲートに、　　　　　　　論理式を積和形式に変換させて実装。

FPGA ：GateArray の設計の自由度、 PLA の論理書き換え可能性を持つ

ユーザーが設計した論理・配線情報を SRAM 型記録素子に送ることで実現

Complex PLD ：小さな PLD を結合


FPGA のプログラム

HDL: Hardware Description Language Verilog HDL ：現 Cadence 社が開発 VHDL (Very High Speed Integrated Circuit HDL)

RTL (Register Transfer Level) での記述　⇒ CAD ツールによる自動的にロジック回路を生成

C や Matlab のみからロジック回路生成可能 ( 有料ソフト )

：米国国防総省の提唱


境界条件： ExtBus 規格

提供　シマフジ電機　


FPGA の仕事

データ取得、 TAM のデジタル制御それに付属した詳細な機能　ダウンサンプリング、 Bus ステートマシーン、 HK データ生成　 ADC,DAC,MUX のコントロール、 LED の on/off 、信号対角化

UserFPGA の仕事

SpWFPGA の仕事

User側が設計、作成

SpW IP 、デジタルボード管理

三菱重工が作成気球実験、飛行機実験で使用したボードではシマフジ電機


SWIM の信号処理系


SWIM FPGAXilinx XQVR600(UserFPGA, SpwFPGA)

UserFPGA の開発、試験＠東大　⇒ 論理合成、試験＠ MHI　　⇒ 実機試験＠東大

SWIM デジタルボード

SWIM DAC ボード

SWIM ADC ボード


SWIM 制御ループ


SWIM 制御ループ50mm

捩れ型回転子変位センサー (PS)

コイル = 磁石型アクチュエータ

ADC

MUX

IC 型加速度計、ジャイロ

発光強度モニター (PSm)

PS x6PSm x6

EN x4

ADC ボード

Digital signals x2

FPGADAC ボード

DAC


UserFPGA の信号処理Decorder 128kHz,16bit,2signals ⇒ 2.15kHz,16bit,16signals

Filter 4PS signals ⇒ Yaw,Z Error signals ⇒ Yaw,Z Feedback signals by PD fitlters ⇒ Signal injection ⇒ Coil Feedback signals

CoilController 2’s complement ⇒ Offset binary


Decorder

77us

465us (~2.15kHz)

PS1

PS2PS3

PS4

PS5

PS6

EN1EN2

PS signlas 　← 4 点平均　 ← PS LED on/off 引き算EN signals ← 6 点加算 /8

PS LED は間欠点灯例 :PS1 LED の点灯タイミング


Filter

PS6Offset

PS4Offset

PS3Offset

PS1Offset

PS6[k]

PS4[k]

PS3[k]

PS1[k]

2102

10

02102

1

Z_Er[k]

Yaw_Er[k]

Z_inj[k]

Yaw_inj[k]

Z_Fb[k]

Yaw_Fb[k]

10

10

01

01

Coil4[k]

Coil3[k]

Coil2[k]

Coil1[k]

1]-Z_Er[k-Z_Er[k]32

1]-Yaw_Er[k-Yaw_Er[k]4

Z_Er[k]32

Yaw_Er[k]

Z_Fb[k]

Yaw_Er[k]

対角化

PD フィルター

対角化

制限：加算 + 零点シフトのみで構成


Filter

1]-Z_Er[k-Z_Er[k]32

1]-Yaw_Er[k-Yaw_Er[k]4

Z_Er[k]32

Yaw_Er[k]

Z_Fb[k]

Yaw_Er[k]

周波数 [Hz]

ゲイ

ン


Filter

伝達関数測定のため FB 信号の矩形波を注入可能


試験の様子

SpaceCube

デジタルボード

DACボード

ADCボード

TAM


力学的特性回転方向鉛直方向


オープンループ伝達関数回転方向鉛直方向


エラー信号鉛直方向回転方向

10-8 [m/Hz1/2]@1Hz4x10-8 [m/Hz1/2]@1Hz

Documents

宇宙用信号処理・通信システム II