TILocalTimeResidual
6.4 本章の結論
ASTRO-Hでの要求時刻精度を達成できるか
本章で述べた実験から、時刻 tick 内挿法における時刻精度∆tは、Time-Codeのジッタ σtc(sec) と、LocalTimeの時刻安定度D(sec/sec)、TIとLocalTimeのサンプル周期P(sec) その他のジッタ σother(sec)から決まる。
∆t=σtc+σother+D×P
この式に実測値を代入(σtcのみASTRO-H相当のものに置き換え)すると、
∆t= 1.8 µsec + 4×10−8 sec/sec×P
ここで、σotherは非常に小さい(20 nsec)ので無視した。∆tをASTRO-Hに必要な時刻精度は30 µsec
とすると、P = 600 secとなる。原理的には、ここまで遅いサンプル周期でも要求時刻精度を満たせる はずだが、LocalTimeが回りきるまでに設定しなければならないので、最大でもP = 80 sec 程度にす べきである。また、P =1 secで十分な時刻精度を達成できることが確認できているが、このサンプル周 期ならば他のデータなどを圧迫しない。
衛星搭載品の水晶発振器とDIO boardのとではDが違うが、最大でも± 20℃程度になる見込みで ある。この場合における、最悪の時刻安定度は1.3 µsec であり、Time-Codeのジッタと合わせても要 求時刻精度30 µsecを満たす。すなわち、我々の提案した 非同期クロックを用いた時刻 tick内挿法は、
P がいくつであっても (ただし P <80 sec)、かならずASTRO-Hの要求時刻精度を満たす。
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第 7 章
まとめと今後
パルサーなどの観測をするため、ASTRO-H衛星に必要な時間分解能は10 µsec、時刻精度は30 µsec 程度である。しかし、ASTRO-H衛星で採用予定のSpaceWireを用いて配信される衛星時刻 (TI) で は、観測機器に必要な時刻精度を達成できない。そこで、我々は、高い時刻精度を得るための方法とし
て、ASTRO-Hのネットワークの末端機器にまで実装することができる、非同期クロックを用いた時刻
tick 内挿法を提案した。これは、観測機器のFPGA搭載ボードでTIと別に自身の水晶発振器に同期し た細かい刻みの時刻カウンタ(LocalTime)をもち、TIとLocalTimeを照合することで高い時刻精度を 得る方法である。
さらに、我々は、自ら提案した非同期クロックを用いた時刻 tick 内挿法を実際にSpaceWire搭載機 器に実装して、時刻精度を測定する実験を行った。時刻精度は、Time-Codeのジッタ、およびTIと
LocalTimeの照合データをとるサンプル周期とLocalTimeの時刻安定度によって決まる。実験結果か
ら、Time-Codeのジッタは、ASTRO-Hで採用されるネットワークや機器でおよそ4.4µsec以下であ ることがわかった。さらに、サンプル周期はLocalTimeが回りきる80 sec以内にすれば、要求時刻精 度が達成できることが見積もれた。以上から、我々の考案した方法で、ASTRO-Hの観測機器に必要な 時刻精度を達成できることがわかった。
今後は、以下のような作業が必要である。
衛星搭載品での実験
まず、我々の採用した 非同期クロックを用いた時刻 tick内挿法がASTRO-H衛星の観測機器に搭載 でき、実際に必要な時刻精度が得られることを確かめるため、ブレッド・ボード・モデル(BBM)品での 実験が必須である。今後、我々は、MIO boardを使った同様の実験を行っていく予定である。また、実 際に、地上で衛星搭載品で衛星全体のネットワークを構築して、時刻配信や時刻付けの試験を行うこと も必要である。
GPS衛星の捕捉状況と時刻精度
本論文で我々が下した結論には、「SMUで生成されるTI(TIME DATA + Time-Code)の絶対時刻 精度は無限小」という仮定があった。しかし、これはGPS衛星を十分な数だけ捕捉している場合に限ら れる。
ASTRO-Hで採用予定のGPSRは、GPS衛星を1機も捕捉していない時間帯の前後数分間はクロッ
クを出さない仕組みになっており [25]、この間はSMU の内部クロックと同期した衛星時刻(TIME
DATA, Time-Code)を配信することになっている。SMUの内部クロックは、当然ながら、温度変動で
ドリフト(6.2節) を起こすので、時刻精度はGPS捕捉時より悪くなることが懸念される。
GPS衛星を捕捉しているかいないかはGPSRが出すテレメトリにあるフラグから判断できる。こ
54 第7章 まとめと今後 れをSMUで参照できるようにし、衛星時刻の精度が信頼できないことをテレメトリに出す必要があ る。また、GPS衛星を捕捉していない場合の衛星時刻の精度を推定するため、SMUの水晶発振器に温 度計を取り付けて温度ドリフトの様子をテレメトリ出力するなどの方法が要求される。このためには、
SpaceCube2を使った地上実験で、あらかじめSMUの水晶発振器の温度ドリフトと衛星時刻精度の相
関を実測しなくてはならない。また、GPS衛星の可視解析や、GPS衛星の捕捉数と絶対時刻精度の関 係などを明らかにしていくことも必要である。
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付録 A
水晶発振器のドリフトの確認実験
TIとLocalTimeを照合する 非同期クロックを用いた時刻 tick 内挿法(第4章や第6章を参照) で は、時刻精度がLocalTimeの時刻安定度に依存する。温度変動に対して、時刻安定度がどう変わるか、
は第6章で議論してきた。
「温度変化」という現象は、3つのパラメータで表現できる。(1) 温度の変化分はいくらか。(2) 何 度を基準に変化したのか。(3) どのくらいのタイムスケールで変化を起こしたか。本実験では、とくに (2)をクローズアップした実験を行った。