Payload data handling, telemetry and data compression systems for Gaia.

Abstract

Gaia, la nova missió astromètrica de la ESA amb un llançament previst pel 2011, observarà més de mil milions d'estels i altres objectes amb una exactitud sense precedents. Els seus ambiciosos objectius desbanquen completament les missions rivals d'altres agències. Al final de la seva vida útil es generarà el major i més complert mapa tridimensional de la nostra Galàxia.<br/>Una missió com aquesta suposa grans esforços tecnològics i de disseny ja que caldrà detectar, seleccionar i mesurar centenars d'estels cada segon, per enviar-ne posteriorment les dades cap a la Terra -a més d'un milió i mig de quilòmetres. Hem centrat el treball d'aquesta tesi en aquesta vessant de la missió, proposant dissenys pels sistemes de gestió de dades, de telemetria científica, i de compressió de dades. El nostre objectiu final és fer possible la transmissió a l'estació terrestre d'aquesta immensa quantitat de dades generades pels instruments, tenint en compte la limitada capacitat del canal de comunicacions. Això requereix el disseny d'un sistema de compressió de dades sense pèrdues que ofereixi les millors relacions de compressió i garanteixi la integritat de les dades transmeses. Tot plegat suposa un gran repte pels mètodes de la teoria de la informació i pel disseny de sistemes de compressió de dades.<br/>Aquests aspectes tecnològics encara estaven per estudiar o bé només es disposava d'esborranys preliminars -ja que la missió mateixa estava en una etapa preliminar en quan varem començar aquesta tesi. Per tant, el nostre treball ha estat rebut amb entusiasme per part de científics i enginyers del projecte.<br/>En primer lloc hem revisat l'entorn operacional del nostre estudi, descrit a la primera part de la tesi. Això inclou els diversos sistemes de referència i les convencions que hem proposat per tal d'unificar les mesures, referències a dades i dissenys. Aquesta proposta s'ha utilitzat com a referència inicial en la missió i actualment altres científics l'estan ampliant i millorant. També hem recopilat les principals característiques de l'instrument astromètric (en el qual hem centrat el nostre estudi) i revisat les seves directrius operacionals, la qual cosa també s'ha tingut en compte en altres equips.<br/>A la segona part de la tesi descrivim la nostra proposta pel sistema de gestió de dades de la càrrega útil de Gaia, la qual ha estat utilitzada per presentar els requeriments científics als equips industrials i representa en sí mateixa una opció d'implementació viable (tot i que simplificada). En la següent part estudiem la telemetria científica, recopilant els camps de dades a generar pels instruments i proposant un esquema optimitzat de codificació i transmissió, el qual redueix la ocupació del canal de comunicacions i està preparat per incloure un sistema optimitzat de compressió de dades. Aquest darrer serà descrit a la quarta i última part de la tesi, on veurem com la nostra proposta compleix gairebé totalment els requeriments de compressió, arribant a duplicar les relacions de compressió ofertes pels millors sistemes estàndard. El nostre disseny representa la millor solució actualment disponible per Gaia i el seu rendiment ha estat assumit com a disseny base per altres equips.<br/>Cal dir que els resultats del nostre treball van més enllà de la publicació d'una memòria de tesi, complementant-la amb aplicacions de software que hem desenvolupat per ajudar-nos a dissenyar, optimitzar i verificar la operació dels sistemes aquí proposats. També cal indicar que la complexitat del nostre treball ha estat augmentada degut a la necessitat d'actualitzar-lo contínuament als canvis que la missió ha sofert en el seu disseny durant els cinc anys del doctorat. Per acabar, podem dir que estem satisfets amb els resultats del nostre treball, ja que la majoria han estat (o estan essent) tinguts en compte per molts equips involucrats en la missió i per la mateixa Agència Espacial Europea en el disseny final.