WCOCにおける軌道上データ管制システムの開発

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1 WCOCにおける軌道上データ管制システムの開発
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

2 内容 研究概要 CALETテレメトリデータ模擬システム改良 Quick Look (QL) モニター開発 まとめ MDCバッファ機能実装

3 WCOCにおけるCALETオペレーション概要
QLモニタ画面のイメージ 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 Event Display 入射イベント センサの状態 Histograms 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

4 軌道上データ模擬システム改善 軌道上模擬データを用いて管制システムを開発
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 軌道上データ管制システムの開発に必要なことを説明 本発表では、以下の説明を行う 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 ISS位置モニター ...等

5 較正データベース (PostgreSQL)
軌道上データ模擬システム データ プログラム ATMNC3 宇宙線データ ISS軌道データ MDC Simulator ADCデータ処理 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 Pedestal 差引 ゼロサプレス処理 Endian変換処理 バッファ機能 ISS軌道上 装置入射 宇宙線データ 軌道上宇宙線 サンプリング テレメトリ出力 CALイベントデータ出力 定時データ出力 検出器シミュレーション (EPICS/Geant4) ISS軌道上 宇宙線検出器応答データ ISS軌道に沿った宇宙線データのサンプリング、CALETへ入射したときの検出器応答 前回開発したMDCシミュレータへ入力することで、現実的な軌道データの模擬を行う 今回はMDCシミュレータへバッファ機能を追加し、より詳細なデータ送出の模擬を実現した DB I/F 較正データベース (PostgreSQL) LD・トリガーマスク LDスレッショルド カウンター初期値 テレメトリデータ 較正データ チャンネルアサイン

6 データ送出プロセス MDC CALET検出器 CALET地上システム 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) ・ 200Event/リングバッファ １次バッファ Event Process タスク ゼロサプレス処理(*2) ・ 5MB/リングバッファ ２次バッファ 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 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 バッファの有無で、データ送出の振る舞いが変わってくる バッファを持たせることで、高レートの宇宙線が入った時もバッファフルになるまで データ転送速度 MDCへの転送:10Mbps 地上への転送:600kbps ethernet CALET地上システム

7 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

8 QL データ受信セットアップ INTERNET Simulated Data Distribution Server
WCOC Real-time Quick Look Machine Telemetry Data Read Routine Multithread QL Routine Multithread QL Routine QL Routine (Qt+Root) FIFO (thread safe) FIFO (thread safe) FIFO (thread safe) Telemetry Simulation Data FIFO (thread safe) TCP Socket Server TCP Socket Client Simulated Level0 data Adjust timing Port: Port: WCOC INTERNET ssh tunneling TCP socket communication

9 軌道上データ管制システム 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
QLモニタ画面のイメージ 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 Event Display 入射イベント センサの状態 Histograms 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

10 QL Summary Display

11 軌道上データ管制システム 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
QLモニタ画面のイメージ 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 Event Display 入射イベント センサの状態 Histograms 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

12 QL Example: Trigger Rate 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 シンボル Finish QL Description Trigger rate Legend Range raw value Change Range Display or not

13 軌道上データ管制システム 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
QLモニタ画面のイメージ 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 Event Display 入射イベント センサの状態 Histograms 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

14 QL Example: Event Display
VERY PRELIMINARY

15 QL Example: Event Display [Integral Mode]
VERY PRELIMINARY

16 軌道上データ管制システム 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
QLモニタ画面のイメージ 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 Event Display 入射イベント センサの状態 Histograms 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

17 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] ISS(CALET) Markerの色は トリガーレート 地球の影 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 ;70:431 – 441.

18 QL CALET Position Monitor (RA-Dec)
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 CygnusLoop CALETの 視野（45°） 銀河中心が 視野45°で見 える境界 代表的なSNR Crab,Geminga Monogem,Vela 銀河中心が 視野5°で見 える境界 銀河中心 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 ;70:431 – 441.

19 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

20 End

21 Back up

22 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

23 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 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

24 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
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 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

25 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 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

26 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)

27 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。 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 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 第3フレーム ヘッダ＋ユニークキー ・

28 Validation トリガーモード:HE 送出上限: 400kbps ISS軌道1周分

29 Validation トリガーモード:HE 送出上限: 300kbps ISS軌道1周分

30 HEトリガーイベント TASCゼロサプレス無し
送出上限:600kbps TASCゼロサプレス無し ISS軌道1周分

31 MDC Buffer実装の意義 データ伝送レート 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
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。 データ伝送レート 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

32 QL Summary Display QLを見る人がなにを必要とするか 視覚的にOK項目が分かるようにする ＝＞ 色分け
異常値に対してはビープ音を鳴らす等

33 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

34 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
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）

35 データ送出プロセス MDC CALET検出器 CALET地上システム 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) ・ 固定長/リングバッファ １次バッファ Event Process タスク ゼロサプレス処理(*2) ・ 可変長/リングバッファ ２次バッファ 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 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 バッファの有無で、データ送出の振る舞いが変わってくる バッファを持たせることで、高レートの宇宙線が入った時もバッファフルになるまで データ転送速度 MDCへの転送:10Mbps 地上への転送:600kbps ethernet CALET地上システム

36 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
・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

37 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 > 先頭フレーム ヘッダ＋ユニークキー 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 第2フレーム ヘッダ＋ユニークキー 第3フレーム ヘッダ＋ユニークキー

38 出力ルーチン Time 2次バッファ イベントデータ 送出データ 先頭フレーム ヘッダ+UKey イベント1 トリガー！ 先頭フレーム
第２フレーム 以降 イベント１ 先頭フレーム 第２フレーム (最大word) ヘッダ+UKey 第2フレーム イベント1 第3フレーム 第３フレーム (最大word) ヘッダ+UKey 第4フレーム 第４フレーム (余り) ヘッダ+UKey Time

39 出力ルーチン Time 2次バッファ イベントデータ 送出データ 先頭フレーム ヘッダ+UKey 先頭フレーム 第２フレーム 以降
イベント2 イベント2 トリガー！ 先頭フレーム 第２フレーム (最大word) ヘッダ+UKey 第2フレーム イベント2 第3フレーム 第３フレーム (最大word) ヘッダ+UKey 第4フレーム 第４フレーム (余り) ヘッダ+UKey Time

40 出力ルーチン Time 2次バッファ イベントデータ 送出データ 先頭フレーム ヘッダ+UKey 先頭フレーム 第２フレーム 以降
イベント3 先頭フレーム 第２フレーム (<最大word) ヘッダ+UKey イベント3 トリガー！ イベント5 第2フレーム <最大word イベント4 イベント3 イベント4 トリガー！ 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 イベント5 トリガー！ Time

41 出力ルーチン Time 2次バッファ イベントデータ 送出データ 先頭フレーム 第3フレーム 以降 イベント3 先頭フレーム 第3フレーム
(最大word) ヘッダ+UKey イベント5 第2フレーム イベント4 イベント3 第3フレーム 第4フレーム (余り) ヘッダ+UKey 第4フレーム 100ms判定！ Time

42 出力ルーチン Time 2次バッファ イベントデータ 送出データ 先頭フレーム ヘッダ+UKey 先頭フレーム 第3フレーム 以降
イベント4 先頭フレーム 第2フレーム (最大word) ヘッダ+UKey イベント5 第2フレーム イベント4 第3フレーム 第3フレーム (余り) ヘッダ+UKey 100ms判定！ Time

43 出力ルーチン Time 2次バッファ イベントデータ 送出データ 先頭フレーム ヘッダ+UKey 先頭フレーム 第3フレーム 以降
イベント4 先頭フレーム 第2フレーム (最大word) ヘッダ+UKey イベント5 第2フレーム 第3フレーム 第3フレーム (<最大word) ヘッダ+UKey 100ms判定！ バッファが空になった場合、 100ms判定を抜ける。 Time

44 出力ルーチン Time 2次バッファ イベントデータ 送出データ 先頭フレーム ヘッダ+UKey 先頭フレーム 第3フレーム 以降
イベント4 先頭フレーム 第2フレーム (最大word) ヘッダ+UKey イベント5 第2フレーム 第3フレーム <最大word 第3フレーム (<最大word) ヘッダ+UKey 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。 100ms判定！ Time

45 内容 研究概要 CALETテレメトリデータ模擬システム 模擬データ使用例 まとめ 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

46 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
実際の形式に基づく 模擬データが必須 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 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

47 較正データベース (PostgreSQL)
システム全体の流れ データ プログラム ATMNC3 宇宙線データ ISS軌道データ MDC Simulator ADCデータ処理 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 Pedestal 差引 ゼロサプレス処理 Endian変換処理 ISS軌道上 装置入射 宇宙線データ 軌道上宇宙線 サンプリング テレメトリ出力 CALイベントデータ出力 定時データ出力 検出器シミュレーション (EPICS/Geant4) ISS軌道上 宇宙線検出器応答データ DB I/F 較正データベース (PostgreSQL) LD・トリガーマスク LDスレッショルド カウンター初期値 テレメトリデータ 較正データ チャンネルアサイン

48 較正データベース (PostgreSQL)
システム全体の流れ データ プログラム ISS軌道に沿ったCALET検出器 入射粒子のサンプルを行う ATMNC3 宇宙線データ ISS軌道データ MDC Simulator ADCデータ処理 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 Pedestal 差引 ゼロサプレス処理 Endian変換処理 ISS軌道上 装置入射 宇宙線データ 軌道上宇宙線 サンプリング テレメトリ出力 CALイベントデータ出力 定時データ出力 検出器シミュレーション (EPICS/Geant4) ISS軌道上 宇宙線検出器応答データ DB I/F 較正データベース (PostgreSQL) LD・トリガーマスク LDスレッショルド カウンター初期値 テレメトリデータ 較正データ チャンネルアサイン

49 学会までに作成するQL Summary Display Trend Display Event 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

50 高度400kmにおける宇宙線Fluxの計算 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
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) 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 ターゲット層： 高度400km球殻 ー１次宇宙線 ー２次宇宙線 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-A

51 ISS軌道上における装置入射宇宙線のサンプル
次の粒子入射までの時間間隔 Δｔを決定 Δt秒後のISS軌道上の位置を決定 入射粒子をGridの宇宙線データ リストからサンプル Grid上の宇宙線Flux Probability = 1 – exp(-RΔt) Δt = -ln(1-Probability)/R R:Grid毎のレート 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 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 のリスト作成

52 較正データベース (PostgreSQL)
システム全体の流れ データ プログラム ATMNC3 宇宙線データ ISS軌道データ MDC Simulator ADCデータ処理 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 Pedestal 差引 ゼロサプレス処理 Endian変換処理 ISS軌道上 装置入射 宇宙線データ 軌道上宇宙線 サンプリング テレメトリ出力 CALイベントデータ出力 定時データ出力 検出器シミュレーション (EPICS/Geant4) ISS軌道上 宇宙線検出器応答データ DB I/F CALET検出器に粒子を 入射し検出器応答を計算 較正データベース (PostgreSQL) LD・トリガーマスク LDスレッショルド カウンター初期値 テレメトリデータ 較正データ チャンネルアサイン

53 入射時刻・緯度・経度・各検出器のエネルギー損失
検出器シミュレーション 半径：78cm シミュレーションコード EPICS ver9.161 (Cosmos ver7.641) Geant4 ver9.4p01 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 電子10 GeV 入射例 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

54 較正データベース (PostgreSQL)
システム全体の流れ データ プログラム ATMNC3 宇宙線データ ISS軌道データ MDC Simulator ADCデータ処理 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 Pedestal 差引 ゼロサプレス処理 Endian変換処理 ISS軌道上 装置入射 宇宙線データ 軌道上宇宙線 サンプリング テレメトリ出力 CALイベントデータ出力 定時データ出力 検出器シミュレーション (EPICS/Geant4) ISS軌道上 宇宙線検出器応答データ DB I/F 較正データベース (PostgreSQL) LD・トリガーマスク LDスレッショルド カウンター初期値 テレメトリデータ 較正データ チャンネルアサイン

55 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 IMC4 7.5MIP TASC 55MIP HEイベント例(e-:10 GeV) IMC 0.7MIP TASC 0.7MIP CHD 0.7MIP Singleイベント例(p:100GeV)

56 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 Event Buildingタスク データ生成に必要な情報を集約 ADCデータ イベント情報 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 Event Process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） データ送出プロセス 1次バッファ Event Process タスク Event Building タスク データ収集命令 データ送出タスク 2次バッファ 上記３つのタスクはパラレル処理

57 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
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 デッドタイム判定 データ収集 カウンタ処理 トリガー判定 CALET入射 宇宙線情報 次の粒子へ 設定可能項目 トリガーモード トリガースレッショルド カウンタ初期値 ADCデータ処理 ΔE → ADC値へ変換 ゼロサプレス処理 データ出力 実際のパケットの形式に 忠実に出力 HKデータ（定時データ） の出力も実装 該当トリガー にHitなし DeadTime ADCデータ処理 データ出力

58 テレメトリ模擬データ作成例 ISS軌道情報 ATMNC3入力条件 運用モード トリガースレッショルド：電子10 GeV
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 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 0min 90min

59 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 データ転送レートの時間変化 ートリガーレート ー緯度 ーデータ転送レート ー緯度

60 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 地磁気緯度 による影響

61 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
　　　　　　　　　　　（M.Auiglar, et al. Physics Reports 366(2002） )

62 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 High Energy (HE) Triggerがかかった事象のCos (天頂角)分布 EPICS (CAD Model) Geant4 Number of Event (Log) Cos (天頂角)

63 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

64 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

65 MDCシミュレーション：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の電子観測 Low Energy Shower Trigger (LE) ・・・ > 1 GeVの電子観測 Single Trigger (Single)　　　　　　　・・・ 検出器較正用 イベントトリガープロセス 全ての軌道上検出器入射イベント に対し以下の処理を施す デッドタイム判定 データ収集・送出 カウンタ処理 トリガー判定 ※ 宇宙線入射 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、及び任意の値でスレッショルドを設定できる IMC4 7.5MIP TASC 55MIP HEイベント例(e-:10 GeV) IMC 0.7MIP TASC 0.7MIP CHD 0.7MIP Singleイベント例(p:100GeV) 該当トリガー にHitなし DeadTime ※イベントがデータ送出プロセスへ送られた後 　　約5msの間新規トリガーに対して不感時間が発生

66 MDCシミュレーション：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 データ生成に必要な情報を集約 ADCデータ イベント情報 Event Process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） 1次バッファ Event Process タスク Event Building タスク データ収集命令 データ送出タスク 2次バッファ 上記３つのタスクはパラレル処理

67 ISS軌道上宇宙データサンプル方法 1.高度400kmにおける宇宙線Fluxの計算 2.ISS軌道上における装置入射宇宙線のサンプル
高度400kmにおける等立体角Grid 高度400kmの球殻を通過する粒子に対し次の情報を取得 緯度・経度・粒子種別・エネルギー・入射天頂角 →緯度・経度を基に、右上図に示す各Grid毎にリスト化 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 Grid上の宇宙線強度分布 2.ISS軌道上における装置入射宇宙線のサンプル 過去のISS軌道情報（緯度・経度・時刻）を使用する 0.2秒間隔で対応するGridのリストからランダムにサンプル 指数分布から1サンプル毎 の時間間隔を導出する Probability = 1 – exp(-Rt) t = -ln(1-Probability)/R 緯度・経度・粒子種別・エネルギー・入射天頂角・時刻 のリスト作成

68 高度400kmにおける宇宙線Fluxの計算 ATMNC3のターゲット層を、ISSの存在する地上400kmに設定
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 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) 高度400km 球殻 ー１次宇宙線 ー２次宇宙線 AMS-01との比較の絵

69 ISS軌道上における装置入射宇宙線のサンプル
1.宇宙線リスト作成 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・経度を基に宇宙線を振り分け、各Grid毎にリスト化する 2.ISS軌道上宇宙線サンプル 指数分布 ISS軌道情報（緯度・経度・時刻）を使用する 指数分布からサンプル間の経過時間を決定する 宇宙線データリストから粒子をランダムにサンプル Probability = 1 – exp(-Rt) t = -ln(1-Probability)/R Loop 緯度・経度・粒子種別・エネルギー・入射天頂角・時刻 のリスト作成 高度400kmにおける等立体角Grid Grid上の宇宙線強度分布 ISS軌道プロット

70 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 データ種別 CALイベントデータ ：ADCデータ、トリガー情報 定時データ ：ハウスキーピング項目を含む情報（1s毎） Buildingタスク データ生成に必要な情報を集約 Event Process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 送出タスク 送出上限（600kbps）の範囲でデータを送出 100ms毎に実行 データ送出プロセス 1次バッファ Event Process タスク Building タスク データ収集命令 Event 送出タスク 2次バッファ CALイベントデータ それ以外

71 MDC（Mission Data Controller）
検出器からの信号を収集し、イベントのトリガー・データ作成・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 Process タスク Event Building　タスク データ送出命令 1次 バッファ 2次 バッファ Event 送出 タスク