[P-CG20] 宇宙・惑星探査の将来計画および関連する機器開発の展望

[PCG20-12] デジタル方式フラックスゲート磁力計におけるFPGAコーディングの検討と開発

*田中 颯¹、松岡 彩子² (1.京都大学 理学研究科 地球惑星科学専攻、2.京都大学 理学研究科 地磁気世界資料解析センター)

キーワード：磁力計、小型衛星、宇宙空間観測、惑星探査

宇宙機への搭載を目的に開発されたデジタル方式のフラックスゲート磁力計では、デジタル演算素子のField Programmable Gate Array (FPGA)でピックアップ信号の処理の大半を行うため、アナログ方式のフラックスゲート磁力計に比べ回路の重量や消費電力を抑えることができる。近年の探査技術の向上により、太陽系における直接探査の領域や対象が広がりつつある。これに伴い、一つの宇宙機に多種多様な観測機器を搭載する傾向にある。小型化・省電力化したデジタルフラックスゲート磁力計は、観測機器の増加、小型化の進む近年の宇宙機での観測に適している。しかし、宇宙機に搭載する機器で使用する部品には高度な信頼性が要求され、また熱や放射線等の過酷な宇宙環境に耐える必要があることから、設計は制約を受ける。この制約を克服しつつ、従来よりも性能を向上させた磁力計を開発することが本研究の最終的な目標である。
本研究では観測ロケットSS-520-3号機に搭載されたデジタル方式フラックスゲート磁力計の設計をベースに検討と開発を行う。磁場の入力に対する磁力計の出力は磁場変動の周波数に依存するため、入力信号に対する出力信号の応答の周波数特性を精度よく評価することが求められる。そこで磁力計の伝達関数を計算機でシミュレーションして求め、周波数特性をモデル化した。そしてこの周波数特性モデルをSS-520-3号機搭載デジタル方式フラックスゲート磁力計と同じ設計を持つ試験機の周波数特性と比較したところ、モデルと実機の周波数特性には差異があった。この差異の要因として考えられるのが信号を変調している部分である。フラックスゲート磁力計には直流の外部磁場を検出し交流のピックアップ電圧に変調するセンサ部と、交流のピックアップ電圧の振幅に対応する直流の信号に変調する位相検波部が存在する。モデルではセンサ部の交流変調への変換係数は外部磁場の周波数に依存しない定数として設定している。一方位相検波部はFPGAの内部で計算しているが、信号を変調する演算の周波数特性が厳密な正確さで数式化できていないことが差異の原因であると考えられる。そこで、センサ部の交流変調の伝達関数を実測し、モデルに組み込むことを試行している。また、FPGAでの演算については、途中の信号をモニターできるようにFPGAの演算を書き換えてより詳細な実機とモデルの比較を行う。これによりモデルと実機の周波数特性の一致をはかった。
今回の発表においては信号変調部の周波数特性をより詳細に検討し、これを反映した周波数特性のモデルを提示し、考察する。また、デジタル方式フラックスゲート磁力計の性能を向上させるための、FPGAコーディングにおけるパラメータ設計を検討する。