PXI 製品により、ロケットからのRF 信号の長時間記録と再生に成功

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"NI のソリューションを採用したことによって、従来は不可能だった長時間にわたるRF 信号の記録と再生が可能になった。現実の信号を使ったテストを繰り返し行えるようになったことから、現実の電波干渉を可視化して解析を行うための基盤を作ることができた。"

- 油谷 崇志 氏, 宇宙航空研究開発機構(JAXA) 宇宙輸送ミッション部 鹿児島宇宙センター 射場技術開発室 主任開発員

The Challenge:
ロケットの打ち上げを行う際には、無線システムによって飛行状況などに関する多様な情報を継続的に取得する必要がある。ただ、実際にはロケットの噴煙をはじめとするさまざまな要因によって、通信が瞬間的に途絶えてしまい、受信データの一部が異常な値に化けてしまうという問題があった。 その解析を行うには、長時間にわたってRF 信号を直接的に記録し、それを再生する仕組みが必要だったのだが、スペクトラムアナライザのような既存のツールでは、そのようなことは行えなかった。

The Solution:
PXI をベースとする高性能かつ低コストのCOTS 製品を組み合わせることにより、長時間の記録/再生が可能なシステムを構成する。具体的には、NI のベクトル信号アナライザ、ベクトル信号発生器、RAID システムを利用する。システム制御用のプログラムに加えて、データ解析用のプログラムも開発できるNI LabVIEW によって、データの解析もシームレスに行える環境を構築する。

Author(s):
油谷 崇志 氏 - 宇宙航空研究開発機構(JAXA) 宇宙輸送ミッション部 鹿児島宇宙センター 射場技術開発室 主任開発員

1. 背景

われわれが所属する宇宙航空研究開発機構(JAXA)は、宇宙科学研究所、航空宇宙技術研究所、宇宙開発事業団が統合し、2003 年10月に設立された独立行政法人である。その主力機である「H-IIA」や「H-IIB」などは、JAXAの種子島宇宙センター(以下、TNSC)で打ち上げを行っている。

TNSC から打ち上げるロケットの最終的な目的は、宇宙まで運んだ人工衛星を軌道に乗せることだ。それに当たっては、ロケットに関する多様なデータを無線で継続的に取得するということを行う。打ち上げの直後はTNSC の受信システムでデータを取得し、その後は太平洋上で飛行を進めるに従い、小笠原局、グアム局、クリスマス局、サンチャゴ局という順にデータの受信作業を引き継いでいく。そして各局で受信したデータはTNSC に集約する。このようにしてロケットの情報を追跡するわけだが、特に、打ち上げ直後の十数秒間のデータは非常に重要な意味を持つ。すなわち、TNSC で受信するデータが特に重要だということである。

現在、TNSC では、レーダーシステムとテレメータシステムを併用して情報の取得を行っている。レーダーシステムでは、ロケットとレーダーの間で電波をやりとりすることによってロケットの位置や速度の情報を得る。一方のテレメータシステムでは、温度データ、加速度データ、振動データなど、ロケットから送られてくる多様な情報を受信する。これらのうち、レーダーシステムの老朽化が進んでおり、その維持更新には大きなコストがかかる。そのため、機体の位置/ 速度の情報もテレメータシステムで取得できるようにしようという流れが生まれつつある。

しかし、テレメータシステムをレーダーシステムの代替とするうえではひとつの問題があった。それはテレメータシステムにおいて、「ロックオフ」という現象が起きていることだ。ロックオフとは、ロケットを打ち上げた直後の十数秒の間に、明らかに異常なデータが瞬間的に生じてしまうというものである。図1 に、ロケットが備えるある装置の温度を観測した結果を示した。この場合、実際の温度は緩やかに上昇していくはずなのだが、図1 では瞬間的に急激な温度変化が生じたかのような結果となっている。

ロックオフの発生が確認されたのは最近のことではない。しかし、今以上にテレメータシステムを活用した打上げ方式に移行した場合には、現在と同レベルのロックオフの発生は、致命的な問題につながる可能性がある。従来は、テレメータシステムのロックオフはある程度許容されていたのだが、レーダーシステムの代替という役割を考えると、ロックオフは解決しなければならない課題として浮上する。ロックオフが生じないようにすることが理想だが、少なくとも、問題にならないレベルまでロックオフの発生を抑えられるシステムに変更しなければならない。

 

2. 課題

われわれは、打ち上げ後のロックオフはなぜ起きているのか、その対策はどのようにすればよいのか検討したいと考えた。最終的な目標はロックオフの原因を究明し、対策を施すことだ。そのためには、まず現状を把握することが必要だった。しかし、その現状把握に向けては大きな課題が存在した。

図1. ロックオフによって生じた異常な温度データ

図2. 厳しい電波環境(画像提供 : 宇宙航空研究開発機構(JAXA))

ロケットの打ち上げ直後には、機体の移動、激しい振動、轟音、海面や構造物での電波の反射、噴煙による電波の散乱といった条件が重なり、マルチパスの影響(フェージング)が生じるなど、非常に厳しい環境の下で電波が送られてくることになる(図2)。テレメータシステムで取得したデータに異常があるということは、電波の送信経路で何らかの問題が生じていることは明らかだ。そこで、ベースバンド領域におけるビットバイビットでのデータ確認や、AGC(自動利得制御)データの集録周期での確認を行った。またスペクトラムアナライザの画面をビデオで録画しておき、それを後で波形を録画したビデオを再生してRF の専門家らで吟味するといったことも試みた。しかし、そうした手法では、何も明らかにすることができなかった。

ロックオフが発生した際、具体的に何が起きているのかを明らかにするには、2 GHz 帯の電波を直接的に可視化して確認しなければならなかった。そのためには、RF 信号としての情報を残したままのI/Q データを長時間記録しておき、それをそのまま何度でも繰り返し再生してテストが行えるような仕組みが必要だった。

 

3. ソリューション/ 効果

上述したような要求に応えるものとして、われわれはNI のPXI 製品を選択した。具体的には、以下に挙げる各製品によってシステムを構成した。

  • NI PXIe-1075:18 スロットを備えるPXIシャーシ
  • NI PXIe-8135:高性能のコントローラ
  • NI PXIe-5665: 対応周波数が最高3.6GHz のベクトル信号アナライザ(VSA)
  • NI PXIe-5673: 対応周波数が最高6.6GHz のベクトル信号発生器(VSG)
  • NI HDD-8265: 容量が6 TB のRAID(Redundant Arrays of Inexpensive Disks)システム

図3. PXI製品で構成したシステム

図3 にはこのシステムの外観を示した。このシステムでの記録動作は次のようになる。まず、アンテナで受信した2 GHz 帯の信号をVSAに取り込む。取り込んだ信号はI/Q レベルのデジタルデータに変換され、シャーシが備えるPXI Express バスを介して RAID システムに渡されて記録が行われる。一方、再生動作では、RAID システムからデータを読み出し、シャーシが備えるPXI Express バスを介してVSGに引き渡す。それによって、RF 信号を再生する。コントローラはシステム全体を制御する役割を担う。VSA とVSG の高速性能、RAID システムの高い書き込み/ 読み出し速度(750MB/ 秒)、PXI Express による高速データ転送(250 MB/ 秒)が性能面でのポイントだ。なお、容量が6 TB のRAID システムにより、現状は15 分間分のデータを記録することができる。容量の拡張を図れば、さらに長時間のデータを記録することも可能である。

このシステムを利用すれば、高速かつ長時間にわたってRF 信号の記録と再生が行える。すなわち、これまでのスペクトラムアナライザを使うのとは異なり、帯域内の実時間データをもれなく長時間にわたって記録することができる。そして記録された信号は、何度でも再生してテストを行うことが可能である。実際の環境下で現れるRF 信号を使って繰り返しテストが行えることから、パラメータの最適化などによって改良を図れるようになることが期待できる。

このシステムは、すでにCOTS(商用オフザシェルフ)の製品として完成されたものを組み合わせるだけで構成できる。この時点で、われわれの要求を満たす製品を供給しているメーカーはNI 以外に存在しなかった。カスタム対応で実現するという可能性もあったのかもしれないが、それではコスト面で見合わなかったであろう。

加えて、NI のソリューションであれば、データを記録したうえで、シームレスに解析が行える。NI LabVIEW を使用すれば、単一のグラフィカル開発環境で制御用プログラムに加えて解析用プログラムも開発できる。また、サンプルプログラムが豊富に用意されているので、それらを改変することによって、やりたいことを素早く実現できる。しかも、ソフトウェアによってユーザーが自由に機能を変更することも可能だ。

解析用ソフトウェアの開発は外部に委託するのだが、LabVIEW を扱える企業であれば国内にも数多く存在する。必要な機能もLabVIEW であれば即座に実現できる。テキストベースのプログラミング言語で一からコードを書くのでは工数がかかり、その分、委託コストも増大する。時間をかけずに低コストで結果を出せることは、委託する側にとっても受託する側にとってもメリットがある。パフォーマンス、コスト、使い勝手、拡張性といったあらゆる面で、NI のソリューションを選択してよかったと考えている。

このシステムを使用することにより、2013 年8 月に打ち上げたH-IIB の4 号機と、2013年9 月に打ち上げたイプシロンのデータを実際に取得することができた。何よりも重要な成果は、従来は不可能だったRF 信号の長時間記録/ 再生を実現できたことである。この事例ではロケットが対象だったわけだが、NI のソリューションを活用すれば、RF 信号を扱うあらゆる分野の記録/ 再生に対するニーズに応えられるはずだ。

 

4. 今後の展開

現在は解析に向けた取り組みを行っている段階にある。推測のレベルとなるが、マルチパスの影響でロックオフが起きているのではないかという感触がすでに得られている。原因を完全に特定できれば、マルチパスの影響を受けにくい通信方式を採用するといった根本的な対策を講じることができるであろう。例えば、そうした受信機を今回採用したNI のシステムをベースとして構築するということも考えられる。

その一方で、まずは時間とコストをかけずにロックオフの影響を現実的には問題にならないレベルに抑える方法も検討したい。例えば、マルチパスの発生原因のひとつとしては、ロケットの発射時に生じる噴煙が考えられる。もしそうであれば、射場付近で噴煙の影響が少なそうな場所を何カ所か見出し、今回のシステムをベースとした簡易的な受信機をそれぞれの場所に配置すれば、ロックオフの問題を解消できる可能性がある。つまり、ロケットの発射後、十数秒ほどの間に、すべての受信機が同時にロックオフしてしまうことさえ避けられればよいということだ。また、NI のソリューションであれば、受信機を複数台設置してもコストを抑えられるはずだ。

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油谷 崇志 氏
宇宙航空研究開発機構(JAXA) 宇宙輸送ミッション部 鹿児島宇宙センター 射場技術開発室 主任開発員

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