Event Building タスク

19aSC-7
WCOCにおける軌道上データ管制システムの開発
早大先進理工, 早大理工研A, 早大重点領域研究機構B,
早大国際教育センターC, 神奈川大工D, JAXA/SEUCE,
東大宇宙線研F
@下村健太, 鳥居祥二A, 神尾泰樹, 仁井田多絵, 力石和樹,
浅岡陽一A, 笠原克昌A, 小澤俊介B, Holger MotzC, 田村忠久D,
清水雄輝E, 赤池陽水F, 他 CALETチーム
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
内容
• 研究概要
• CALETテレメトリデータ模擬システム改良
– MDCバッファ機能実装
• Quick Look (QL) モニター開発
• まとめ
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
WCOCにおけるCALETオペレーション概要
• 不測の事態に対応する為、WCOCにオペレータが常駐
• 以下のような軌道上データ管制システムで CALETの状態を監視
QLモニタ画面のイメージ
Event Display
• 入射イベント
• センサの状態
Summary Display
• 最低限の情報をまとめる
• CALETの状態を色で把握
• 音で警告
Trend Display
• レートの推移を
確認
ISS Orbit
• 今後のルートと
オペレーション
の計画を確認
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
Histograms
軌道上データ模擬システム改善
データ管制システム開発背景
• 軌道上模擬データを用いて管制システムを開発
• 様々な項目を開発するために、模擬データシステムの
改善、詳細化が必須
今回はMDCシミュレータへバッファ機能を実装した
• 以下の項目についてより詳しい振る舞いの理解
– トリガーレート
– データ伝送レート
本発表では、以下の説明を行う
1.
2.
テレメトリ模擬データ作成システムの前回からの改善
模擬データを使用したQuick Look (QL) モニターの開発
•
サマリモニター
•
トレンドモニター（トリガーレート/データ転送レート）
•
イベントディスプレイ
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
•
ISS位置モニター ...等
軌道上データ模擬システム
プログラム
ATMNC3
宇宙線データ
データ
ISS軌道
データ
MDC Simulator
軌道上宇宙線
サンプリング
検出器シミュ
レーション
(EPICS/Geant4)
較正データ
ベース
(PostgreSQL)
較正データ
チャンネルアサイン
ISS軌道上
装置入射
宇宙線データ
ISS軌道上
宇宙線検出器
応答データ
DB I/F
LDカウンタ
処理
トリガー
カウンタ
処理
トリガー
判定処理
ADCデータ
処理
バッファ機能
テレメトリ
出力
CALイベント
データ出力
定時データ
出力
Pedestal 差引
ゼロサプレス処理
LD・トリガーマスク
LDスレッショルド
カウンター初期値
Endian変換
処理
テレメトリ
データ
データ送出プロセス
MDC
CALET検出器
トリガー情報
ADCデータ
MDC(Mission Data Controller)
検出器からの信号を統合して、地上システムへ送
出するまでの役割を担う
Event Buildingタスク,Event Processタスク, Event送出
タスクは全てパラレル処理
(*1)デッドタイム
Event Building タスク完了まで(5ms)の間、
新規トリガーに対する不感時間
(*2)ゼロサプレス処理
ペデスタル相当である信号のチャンネルを削除
→データサイズを1/10〜1/100程度に抑える
データ転送速度
MDCへの転送:10Mbps
地上への転送:600kbps
Event Building タスク
イベント情報を集約して、イベン
トデータを構築(*1)
１次バッファ
・ 200Event/リングバッファ
Event Process タスク
ゼロサプレス処理(*2)
２次バッファ
・ 5MB/リングバッファ
Event 送出タスク
送出上限(600kbps)の範囲で
データ送出。100ms毎に実行
ethernet
CALET地上システム
Nominal運用時の各種レート予測
トリガーモード:HE
送出上限: 600kbps
ISS軌道1周分
― データ伝送レート
― ２次バッファ使用率（％）
― １次バッファ使用率（％）
― デッドタイム比
― DAQレート
― データサイズ（/Evt）
― 受信パケットレート
QL データ受信セットアップ
WCOC Real-time
Quick Look Machine
Simulated Data
Distribution Server
Telemetry
Simulation
Data
Simulated
Level0
data
Multithread
Telemetry
Data Read
Routine
QL
Routine
QL
QLRoutine
Routine
(Qt+Root)
FIFO
(thread safe)
TCP Socket
Server
FIFO
FIFO
FIFO
(thread
safe)
(thread
(threadsafe)
safe)
TCP Socket
Client
Adjust timing
Port:
Port:
Multithread
ssh tunneling
WCOC
INTERNET
TCP socket communication
8
軌道上データ管制システム
QLモニタ画面のイメージ
Event Display
• 入射イベント
• センサの状態
Summary Display
• 最低限の情報をまとめる
• CALETの状態を色で把握
• 音で警告
Trend Display
• レートの推移を
確認
ISS Orbit
• 今後のルートと
オペレーション
の計画を確認
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
Histograms
QL Summary Display
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
軌道上データ管制システム
QLモニタ画面のイメージ
Event Display
• 入射イベント
• センサの状態
Summary Display
• 最低限の情報をまとめる
• CALETの状態を色で把握
• 音で警告
Trend Display
• レートの推移を
確認
ISS Orbit
• 今後のルートと
オペレーション
の計画を確認
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
Histograms
QL Example: Trigger Rate Trend Display
Trend display:
- Based on Qt + Root
- Update time axis
every 100sec
- Can be used for
other trend displays
such as temperature
and high voltage.
VERY PRELIMINARY
バッファ使用率を加える
Data amount
received
Time
Info.
Average time
Save data/plot
Stop update
Finish QL
シンボル
Legend
Description
Display or not
Trigger rate
raw value
Range
Change Range
12
軌道上データ管制システム
QLモニタ画面のイメージ
Event Display
• 入射イベント
• センサの状態
Summary Display
• 最低限の情報をまとめる
• CALETの状態を色で把握
• 音で警告
Trend Display
• レートの推移を
確認
ISS Orbit
• 今後のルートと
オペレーション
の計画を確認
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
Histograms
QL Example: Event Display
VERY PRELIMINARY
14
QL Example: Event Display [Integral Mode]
VERY PRELIMINARY
15
軌道上データ管制システム
QLモニタ画面のイメージ
Event Display
• 入射イベント
• センサの状態
Summary Display
• 最低限の情報をまとめる
• CALETの状態を色で把握
• 音で警告
Trend Display
• レートの推移を
確認
ISS Orbit
• 今後のルートと
オペレーション
の計画を確認
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
Histograms
QL CALET Position Monitor (World Geodetic System)
正確な軌道予測の
ために、2行軌道要
素（TLE）と呼ばれる
パラメータを少なく
とも10日に1回更新
する必要がある
予測ISS軌道
（±90min）[1]
太陽[2]
地球の影
ISS(CALET)
Markerの色は
トリガーレート
地球の影
カラースケールの
Log/Lin切り替え、
軸の最大/最小値、
プロットするレート
の選択が可能
[1]Vallado, David A., Paul Crawford, Richard Hujsak, and T.S. Kelso, "Revisiting Spacetrack Report #3," presented at the AIAA/AAS Astrodynamics Specialist
Conference, Keystone, CO, 2006 August 21–24.
[2]Blanco-Muriel M, Alarcón-Padilla DC, López-Moratalla T, Lara-Coira MÍ. Computing the solar vector. Solar Energy. 2001 ;70:431 – 441.
QL CALET Position Monitor (RA-Dec)
CygnusLoop
CALETの
視野（45°）
代表的なSNR
Crab,Geminga
Monogem,Vela
銀河中心が
視野45°で見
える境界
銀河中心
正確な軌道予測の
ために、2行軌道要
素（TLE）と呼ばれる
パラメータを少なく
とも10日に1回更新
する必要がある
銀河中心が
視野5°で見
える境界
カラースケールの
Log/Lin切り替え、
軸の最大/最小値、
プロットするレート
の選択が可能
[1]Vallado, David A., Paul Crawford, Richard Hujsak, and T.S. Kelso, "Revisiting Spacetrack Report #3," presented at the AIAA/AAS Astrodynamics Specialist
Conference, Keystone, CO, 2006 August 21–24.
[2]Blanco-Muriel M, Alarcón-Padilla DC, López-Moratalla T, Lara-Coira MÍ. Computing the solar vector. Solar Energy. 2001 ;70:431 – 441.
まとめ
• 軌道上データ管制システムの開発に不可欠
な、軌道上データ模擬システムの改善を行っ
た
• 軌道上データ管制システムの核となる、
QLモニターを各種開発している
• 課題
– 模擬データの更なる詳細化、QLモニターの項目
追加
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
End
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
Back up
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
研究概要
データ管制システム開発の目的
• CALETのリアルタイム監視による効率的かつ安定なデータ取得
• 軌道上模擬データを用いた詳細な運用の訓練/検討
QLモニタ画面のイメージ
Summary Display
Event Display
Histograms
Trend Display
ISS Orbit
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
研究概要
実際の運用を考慮した管制システムの開発・検証には
現実的な模擬データが必要不可欠
高効率な科学解析データ取得には以下の項目の監視が重要
• トリガーレート
– 前回学会発表時に模擬できることを説明
• データ伝送レート
– 詳細な導出には、MDCシミュレーションへバッファ機能の実装が必要
本発表では、以下の説明を行う
1.
2.
テレメトリ模擬データ作成システムの前回からのアップデート
模擬データを使用したQuick Look (QL) モニターの開発
•
サマリモニター
•
トレンドモニター（トリガーレート/データ転送レート）
•
イベントディスプレイ
•
ISS位置モニター ...等
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
研究概要
前学会発表にて、主に現実的なテレメトリ模擬データを
作成するシステムについて説明した
本発表では、以下の説明を行う
1.
2.
テレメトリ模擬データ作成システムの前回からのアップデート
模擬データを使用したQuick Look (QL) モニターの開発
テレメトリデータ模擬システム概要
• ISS軌道上でCALETに入射する宇宙線を再現する
- ISS軌道上での入射宇宙線の決定（ATMNC3）
- 検出器シミュレーション（EPICS/Geant4）
• 実際の仕様・形式に基づきテレメトリデータを作成する
- MDC（Mission Data Controller）のシミュレーション
→ バッファ機能の実装
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
研究概要
データ管制システム開発の目的
• CALETのリアルタイム監視による効率的かつ安定なデータ取得
• 軌道上模擬データを用いた詳細な運用の訓練/検討
効率的なデータ取得には以下の項目の監視が必須
• トリガーレート
– 前回学会発表時にシミュレート
• データ転送レート
– 詳細な導出には、MDCシミュレーションへバッファ機能の実装が必要
本発表では、以下の説明を行う
1.
2.
テレメトリ模擬データ作成システムの前回からのアップデート
模擬データを使用したQuick Look (QL) モニターの開発
•
トレンドモニター（トリガーレート/データ転送レート）
•
イベントディスプレイ
•
ISS位置モニター ...等
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実装方法
 １次バッファ
サイズ:200イベント分のイベントデータを保持可
データ:2次バッファで必要なデータ全てをメンバに持つ構造体
形式:queue(FIFO)
 2次バッファ
サイズ:5MByte
データ:イベントID、short型のイベントデータ、データ長をメンバに持つ構造体
形式:queue(FIFO)
 1次バッファ
• MDC Time(Event Hit Time)
• Event ID
• LDマスクパターン設定値
• LDヒットパターン観測値
• LDカウント計測値
• トリガーパターン観測値
• トリガーカウント計測値
• ADCデータ
etc…
 2次バッファ
• Event ID
• DataLength
先頭フレーム
第2フレーム以降
(ADCデータ)
(1Word=2Byte)
送出判定
 100ms判定
二次バッファにイベントが溜まっている場合、100ms判定時に送出上限を超
えないぎりぎりまで、または二次バッファが空になるまでイベントを送出する。
 100ms判定以外
宇宙線入射があるたび、二次バッファにイベントがあれば送出上限を超えな
い範囲でイベントを送出する。
ヘッダ＋ユニークキー
先頭フレーム
ヘッダ＋ユニークキー
第2フレーム
ヘッダ＋ユニークキー
第3フレーム
・
・
・
イベント送出の際には・・・
ヘッダとユニークキーの情報をフレームごとにつけ
た上で、送出上限を超えない範囲で送出する
Validation
トリガーモード:HE
送出上限: 400kbps
ISS軌道1周分
Validation
トリガーモード:HE
送出上限: 300kbps
ISS軌道1周分
HEトリガーイベント
TASCゼロサプレス無し
トリガーモード:HE
送出上限:600kbps
TASCゼロサプレス無し
ISS軌道1周分
MDC Buffer実装の意義
HEトリガーモードにおいてTASCのゼロサプレス無しの場合
データ伝送レート
高緯度において600kbpsを超
えることが予想される。
Buffer実装により、送出上限
を超えたときの振る舞いを正
確に求めることで、詳細な運
用を検討できる。
二次バッファの容量: 5MByte
example)
50kbpsオーバーし続けた
場合（650kbps)、
5MByte/50kbps=800秒
二次バッファに貯めておける
QL Summary Display
Periodic Data・Event Information Summary
定時データ作成時刻
10秒平均レート算出ため、10秒前
の定時データ取得時間とその差を
表示
LDカウント値/レート
各LDチャンネルのカウント値と10
秒平均レートを表示
・CHD : Single, Heavy
・IMC : Single, LE, HE
・TASC: Single, LE, HE
トリガーカウント値/レート
各トリガーのカウント値と10秒平均
レートを表示
・DAQ10秒平均レート
・平均イベントサイズ
・デッドタイム積算秒等
・ユニークキー2/3
・イベント取得時刻（UTC/GPS）
現在時刻との差を表示
・総イベント数/総データサイズ
MDC Setting Summary
各検出器FECのテストパルス設定
値・動作設定値
（模擬データでは未実装）
ゼロサプレスファイル番号
（模擬データでは未実装）
インヒビット設定値
（模擬データでは未実装）
LD/トリガーマスクパターン
LD Threshold設定値
ディスクリカウント値で表示
（MIPでない）
・転送レート上限値（中/低速系）
・1/n Trigger
・イベントデータ送出係数（中/低速系）
データ送出プロセス
MDC
CALET検出器
トリガー情報
ADCデータ
MDC(Mission Data Controller)
検出器からの信号を統合して、地上システムへ送
出するまでの役割を担う
Event Buildingタスク,Event Processタスク, Event送出
タスクは全てパラレル処理
(*1)デッドタイム
Event Building タスク完了まで(5ms)の間、
新規トリガーに対する不感時間
(*2)ゼロサプレス処理
ペデスタル相当である信号のチャンネルを削除
→データサイズを1/10〜1/100程度に抑える
データ転送速度
MDCへの転送:10Mbps
地上への転送:600kbps
Event Building タスク
イベント情報を集約して、イベン
トデータを構築(*1)
１次バッファ
・固定長/リングバッファ
Event Process タスク
ゼロサプレス処理(*2)
２次バッファ
・可変長/リングバッファ
Event 送出タスク
送出上限(600kbps)の範囲で
データ送出。100ms毎に実行
ethernet
CALET地上システム
Control Buttons
制御ボタン
・Quit：QLの終了
・Stop：表示を止める
・Prev/Next：前・次イベント情報を表示
（Stopの間のみ有効）
・Save：サマリ画面のスクリーンショット及び
サマリ情報をテキストで保存
・Average:レートの平均秒数を変更できる
default10秒
出力時
 ２次バッファのデータにヘッダ情報、ユニークキー情報をつける
第２フレーム以降はフラグメント化してヘッダ、ユニークキーをつける
ただしデータ伝送量の関係で最大フラグメントワード数に満たないパケットを
送出する場合もある
< 出力時 >
ヘッダ＋ユニークキー
先頭フレーム
ヘッダ＋ユニークキー
第2フレーム
ヘッダ＋ユニークキー
第3フレーム
 NASA経由かICS経由により付属するヘッダ情報と
最大・最小フラグメントワード数が変わる。
• NASA経由:CCSDSヘッダ(12word)+GSEヘッダ(5word)
最大フラグメントワード数:750word
最小フラグメントワード数:50word
• ICS経由:UDP/IPヘッダ(14word)+GSEヘッダ(5word)
最大フラグメントワード数:748word
最小フラグメントワード数:24word
出力ルーチン
2次バッファ
イベント1
トリガー！
イベントデータ
イベント１
送出データ
ヘッダ+UKey
先頭フレーム
先頭フレーム
ヘッダ+UKey
第2フレーム
第２フレーム
(最大word)
イベント1
第２フレーム
以降
第3フレーム
ヘッダ+UKey
第３フレーム
(最大word)
第4フレーム
ヘッダ+UKey
第４フレーム
(余り)
Time
出力ルーチン
2次バッファ
イベントデータ
イベント2
イベント2
トリガー！
送出データ
ヘッダ+UKey
先頭フレーム
先頭フレーム
ヘッダ+UKey
第2フレーム
第２フレーム
(最大word)
イベント2
第２フレーム
以降
第3フレーム
ヘッダ+UKey
第３フレーム
(最大word)
第4フレーム
ヘッダ+UKey
第４フレーム
(余り)
Time
出力ルーチン
2次バッファ
イベントデータ
イベント3
イベント3
トリガー！
イベント4
トリガー！
イベント5
トリガー！
Time
イベント5
イベント4
イベント3
先頭フレーム
第2フレーム
<最大word
第２フレーム
以降
送出データ
ヘッダ+UKey
先頭フレーム
ヘッダ+UKey
第２フレーム
(<最大word)
これ以上送出できない！
→次の100ms判定まで、
バッファにデータを貯める
出力ルーチン
2次バッファ
イベントデータ
送出データ
イベント3
イベント5
イベント4
イベント3
先頭フレーム
ヘッダ+UKey
第2フレーム
第3フレーム
(最大word)
第3フレーム
第3フレーム
以降
ヘッダ+UKey
第4フレーム
100ms判定！
Time
第4フレーム
(余り)
出力ルーチン
2次バッファ
イベントデータ
イベント4
先頭フレーム
イベント5
イベント4
第2フレーム
第3フレーム
以降
第3フレーム
送出データ
ヘッダ+UKey
先頭フレーム
ヘッダ+UKey
第2フレーム
(最大word)
ヘッダ+UKey
第3フレーム
(余り)
100ms判定！
Time
出力ルーチン
2次バッファ
イベントデータ
イベント4
送出データ
ヘッダ+UKey
先頭フレーム
先頭フレーム
ヘッダ+UKey
イベント5
第2フレーム
第3フレーム
以降
第3フレーム
第2フレーム
(最大word)
ヘッダ+UKey
第3フレーム
(<最大word)
100ms判定！
Time
バッファが空になった場合、
100ms判定を抜ける。
出力ルーチン
2次バッファ
イベントデータ
イベント4
送出データ
ヘッダ+UKey
先頭フレーム
先頭フレーム
ヘッダ+UKey
イベント5
第2フレーム
第3フレーム
以降
第3フレーム
<最大word
第2フレーム
(最大word)
ヘッダ+UKey
第3フレーム
(<最大word)
100ms判定！
Time
100ms判定中に上限に達した場合
→次の100ms判定までバッファにためていく。
内容
• 研究概要
• CALETテレメトリデータ模擬システム
– システム全体の流れ
– ISS軌道上宇宙線流束計算
– 検出器シミュレーション
– CALETデータ取得シミュレーション
• 模擬データ使用例
– トリガーレート, データ転送レートの導出
• まとめ
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
研究概要
CALET運用開始に向けた準備事項
•
•
•
•
筑波宇宙センター → 早稲田大学のI/F試験
Quick Look (QL) モニターの開発
Level0 データ（rawデータ）処理システムの開発
軌道上運用計画の最適化
実際の形式に基づく
模擬データが必須
本研究では数種類のシミュレーションを組み合わせ、
現実的なテレメトリ模擬データを作成するシステムを開発した
システム概要
• ISS軌道上でCALETに入射する宇宙線を再現する
- ISS軌道上での入射宇宙線の決定（ATMNC3）
- 検出器シミュレーション（EPICS/Geant4）
• 実際の仕様・形式に基づきテレメトリデータを作成する
- MDC（Mission Data Controller）のシミュレーション
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
システム全体の流れ
プログラム
ATMNC3
宇宙線データ
データ
ISS軌道
データ
MDC Simulator
軌道上宇宙線
サンプリング
検出器シミュ
レーション
(EPICS/Geant4)
較正データ
ベース
(PostgreSQL)
較正データ
チャンネルアサイン
ISS軌道上
装置入射
宇宙線データ
ISS軌道上
宇宙線検出器
応答データ
LDカウンタ
処理
トリガー
カウンタ
処理
トリガー
判定処理
ADCデータ
処理
DB I/F
テレメトリ
出力
CALイベント
データ出力
定時データ
出力
Pedestal 差引
ゼロサプレス処理
LD・トリガーマスク
LDスレッショルド
カウンター初期値
Endian変換
処理
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
テレメトリ
データ
システム全体の流れ
ATMNC3
宇宙線データ
ISS軌道に沿ったCALET検出器
プログラム
入射粒子のサンプルを行う
ISS軌道
データ
データ
MDC Simulator
軌道上宇宙線
サンプリング
検出器シミュ
レーション
(EPICS/Geant4)
較正データ
ベース
(PostgreSQL)
較正データ
チャンネルアサイン
ISS軌道上
装置入射
宇宙線データ
ISS軌道上
宇宙線検出器
応答データ
LDカウンタ
処理
トリガー
カウンタ
処理
トリガー
判定処理
ADCデータ
処理
DB I/F
テレメトリ
出力
CALイベント
データ出力
定時データ
出力
Pedestal 差引
ゼロサプレス処理
LD・トリガーマスク
LDスレッショルド
カウンター初期値
Endian変換
処理
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
テレメトリ
データ
学会までに作成するQL
• Summary Display
– トリガーモード、トリガーレートなど観測に必要な
項目の数値
– 正常/異常が視覚的に判断できる
• Trend Display
– バッファ使用率を表示
• Event Display
– シンチレーションカウンタ積分表示モードの追加
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
高度400kmにおける宇宙線Fluxの計算
ATMNC3
地球磁場や大気の影響を考慮し、1次宇宙線と2次的に生成する粒子を追跡しFluxを計算する
- 地球磁場モデル：IGRF2010
- 大気構造モデル：US-standard 1976
Ref : M. Honda et al., “ New calculation of the atmospheric neutrino flux in a three-dimensional scheme ”,
Phys. Rev. Lett. D 70 (2004) 043008.
• 追跡粒子がターゲット層を通過した際に次の情報を取得し、1次データを作成
緯度・経度・粒子種別・エネルギー・入射天頂角・方位角
• 高度400kmの球殻を約7000個の等立体角Gridに分割する
• 1次データから緯度・経度を基に粒子情報を振り分け、各Grid毎にリスト化する
高度400kmにおける等立体角Grid
ー１次宇宙線
ー２次宇宙線
ターゲット層：
高度400km球殻
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
Ref : I. Gringorten et al., “The division of a circle or
spherical surface into equal-area cells or pixels ”,
INSTRUMENTATION PAPERS, NO 343 (1992) AD-A257 770.
ISS軌道上における装置入射宇宙線のサンプル
1. 次の粒子入射までの時間間隔
Δｔを決定
Grid上の宇宙線Flux
指数分布
粒子入射時のISS位置
Δt秒分ISSを移動
※実際は平均で
Δt = 20μsec
ある時刻でのISS位置
Probability = 1 – exp(-RΔt)
Δt = -ln(1-Probability)/R
R:Grid毎のレート
1. Δt秒後のISS軌道上の位置を決定
2. 入射粒子をGridの宇宙線データ
リストからサンプル
1〜3繰り返し
緯度・経度・粒子種別・エネルギー・入射天頂角・方位角・入射時刻
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
のリスト作成
システム全体の流れ
プログラム
ATMNC3
宇宙線データ
データ
ISS軌道
データ
MDC Simulator
軌道上宇宙線
サンプリング
検出器シミュ
レーション
(EPICS/Geant4)
ISS軌道上
装置入射
宇宙線データ
ISS軌道上
宇宙線検出器
応答データ
トリガー
カウンタ
処理
トリガー
判定処理
ADCデータ
処理
CALET検出器に粒子をDB I/F
較正データ
入射し検出器応答を計算
ベース
(PostgreSQL)
較正データ
チャンネルアサイン
LDカウンタ
処理
テレメトリ
出力
CALイベント
データ出力
定時データ
出力
Pedestal 差引
ゼロサプレス処理
LD・トリガーマスク
LDスレッショルド
カウンター初期値
Endian変換
処理
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
テレメトリ
データ
検出器シミュレーション
• シミュレーションコード
– EPICS ver9.161 (Cosmos ver7.641)
– Geant4 ver9.4p01
電子10 GeV 入射例
• 粒子入射条件
ATMNC3計算による入射方向に垂直
かつ検出器中心を通る平面上で位置を
ランダムに1点取得
• 観測データ
Root fileの形式にて以下のデータを生成
– 各検出器チャンネル毎のエネルギー損失、
入射位置・方向、相互作用位置等
– 軌道上宇宙線データの順番を保持
ISS軌道上入射宇宙線データと合わせて、
入射時刻・緯度・経度・各検出器のエネルギー損失をMDC Simulator へ入力
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
システム全体の流れ
プログラム
ATMNC3
宇宙線データ
データ
ISS軌道
データ
MDC Simulator
軌道上宇宙線
サンプリング
検出器シミュ
レーション
(EPICS/Geant4)
較正データ
ベース
(PostgreSQL)
較正データ
チャンネルアサイン
ISS軌道上
装置入射
宇宙線データ
ISS軌道上
宇宙線検出器
応答データ
LDカウンタ
処理
トリガー
カウンタ
処理
トリガー
判定処理
ADCデータ
処理
DB I/F
テレメトリ
出力
CALイベント
データ出力
定時データ
出力
Pedestal 差引
ゼロサプレス処理
LD・トリガーマスク
LDスレッショルド
カウンター初期値
Endian変換
処理
JPS2014年秋季大会@佐賀大学
テレメトリ
データ
MDC：トリガーロジック部
MDC（Mission Data Controller）
検出器からの信号を収集し、トリガーシグナルの生成・DAQ（Data AcQuisition）・地
上システムへの送出等の役割を担う
トリガーモード
• High Energy Shower Trigger (HE) ・・・ 10 GeV以上の電子観測
• Low Energy Shower Trigger (LE) ・・・ 1 GeV以上の電子観測
• Single Trigger (Single)
・・・検出器較正用
重イオンモードを含む全6種類のモードから任意の組み合わせを選択、
それぞれのモードについて任意の値でスレッショルドを設定できる
HEイベント例(e-:10 GeV)
Singleイベント例(p:100GeV)
CHD
0.7MIP
IMC4
7.5MIP
TASC
55MIP
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IMC
0.7MIP
TASC
0.7MIP
MDC：データ収集・送出部
MDC（Mission Data Controller）
検出器からの信号を収集し、トリガーシグナルの生成・DAQ（Data AcQuisition）・地
上システムへの送出等の役割を担う
• データ送出プロセス
Event Buildingタスク
•
データ収集命令
•
Event Building タスク
データ生成に必要な情報を集約
ー ADCデータ
ーイベント情報
デッドタイム
ー Event Building タスク完了まで(5ms)の間、
新規トリガーに対する不感時間
Event Processタスク
1次バッファ
Event Process タスク
2次バッファ
データ送出タスク
•
ゼロサプレス処理
：信号がペデスタル相当のチャンネルを削除
データ送出タスク
•
•
テレメトリスピードに応じてデータを送出
2次バッファ中のデータ(60kbit)を100ms毎に送出
イベントデータの他、温度・HV等のハウス
キーピング項目は定時データにて送出（/1s）
上記３つのタスクはパラレル処理
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MDCシミュレーション
シミュレーションでは以下の流れでトリガー・データ生成を行う
次の粒子へ
該当トリガー
にHitなし
CALET入射
宇宙線情報
トリガー判定
カウンタ処理
DeadTime
次の粒子へ
• 設定可能項目
ートリガーモード
ートリガースレッショルド
ーカウンタ初期値
• ADCデータ処理
ー ΔE → ADC値へ変換
ーゼロサプレス処理
デッドタイム判定
• データ出力
ADCデータ処理
データ収集
ー実際のパケットの形式に
忠実に出力
ー HKデータ（定時データ）
の出力も実装
データ出力
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テレメトリ模擬データ作成例
• ISS軌道情報
– 2011/11/01の軌道1周分
• ATMNC3入力条件
– Primary：p,e+/e-,He
– 重イオンはHeに含
90min
0min
• 運用モード
– 科学解析用データ取得
High Energy Shower Trigger
• トリガースレッショルド：電子10 GeV
– IMC4 : 7.5 MIP
– TASC : 55 MIP
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トリガーレート・データ転送レート
• トリガーレートとデータ転送レートをテレメトリ模擬データから導出
– データはHEトリガーで取得
– トリガーカウンタの数値からトリガーレートを計算
– 100秒間の平均を１秒毎にプロット
トリガーレートの時間変化
ートリガーレート
ー緯度
データ転送レートの時間変化
ーデータ転送レート
ー緯度
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まとめ
• CALET地上運用システムの開発などに使用する現実的な
ISS軌道上テレメトリデータ模擬システムを作成した
– 高度400kmに入射する粒子情報をATMNC3により計算し、ISS軌道
上での装置入射宇宙線をサンプルする
– 検出器応答をEPICS/Geant4により求める
– 実際の仕様に近いDAQ・データ送出をCALETデータ取得システム
（MDC）のシミュレータにて行う
• ISS軌道1周分の模擬データを作成し、トリガーレート・データ
転送レートを導出した
– トリガーレート：10〜25Hzの範囲で変動
– データ転送レート：250〜480kbpsの範囲で変動
• 今後の課題
– MDC Simulatorの詳細化
• バッファの実装
• ISS軌道情報（補助データ）の出力など追加
– 模擬データを用いた地上システムの開発
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地磁気緯度
による影響
ATMNC3の検証
 AMS-01の観測条件を満たすイベントを選別（実線）
① 地磁気緯度θM毎 ② 天頂角32度以内
 AMS-01の各地磁気緯度における観測結果（丸点）
（M.Auiglar, et al. Physics Reports 366(2002） 331-405)
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入射天頂角補正による影響 [陽子のみ]
• トリガーレートの顕著なピークは入射天頂角補正の影響である
– 天頂角90°付近のイベントの重みが大きく何度もサンプルされる
– 元サンプルの統計量が小さくなるのを補正するため、この影響が出てくる
ことは避けられない
Number of Event (Log)
High Energy (HE) Triggerがかかった事象のCos (天頂角)分布
- EPICS (CAD Model)
- Geant4
Cos (天頂角)
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ランダムサンプリング
• ATMNC3計算による全体での経過時間：Tall
– Tall = N ÷ SΩ ÷ F = 14.1[ps]
• 各Gridでの宇宙線が全てCALETへ入射すると考えた場合
の経過時間：T0
– Tall、各GridのSΩGrid及びCALETのSΩCALETの比から、
T0 = 14.2 [ps] × SΩGrid/SΩCALET = 1.09 [s]
• 単位時間あたりにCALETへ入射する粒子の数：λ
– 各Gridのイベント数をNGridとして、
λ = NGrid / T0
• 装置に粒子が入射してから、次の粒子が入射するまでの
時間間隔がΔTである確率：P（ΔT）
– P（ΔT） = 1 – exp(-λΔT) 【exponential distribution】
• P(ΔT) を 0〜1 の一様乱数で振り、時間間隔ΔTを
ΔT = -ln(1-P(ΔT)) / λ
で決定
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トリガーレート・データ転送レート
• スレッショルドの値を0.5倍、1.5倍、2倍にした結果と比較
レート平均（ISS１周）
HE Th
×0.5
HE Th ×1
HE Th ×1.5
HE Th ×2
トリガーレート [Hz]
40.7
17.6
9.9
6.5
データ転送レート[kbps]
621
374
260
201
トリガーレート
データ転送レート
ーHE Th:×0.5
ーHE Th:×1
ーHE Th:×1.5
ーHE Th:×2
ー緯度
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