title: Science Data Processing for SMILE/SXI
Creators: name: Dorninger, Berndt Emmerich
Publisher: name: :none
Year: 2022

description: Das Ziel der Masterarbeit ist es, das Science Data Processing von CHEOPS (CHaracterising ExOPlanet Satellite) für die SMILE-Mission anzupassen und zu erweitern. SMILE, der Solarwind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer, ist eine gemeinsame Mission der European Space Agency mit der Chinesischen Akademie der Wissenschaften wobei Mitwirkende und Firmen aus etwa 20 Staaten beteiligt sind. Darunter auch Österreich mit dem IfA in Wien und dem IWF in Graz. Es ist geplant, einen Satelliten in eine Erdumlaufbahn zu bringen, der das Zusammenspiel zwischen Sonnenwind, Erdmagnetfeld und Ionosphäre untersuchen soll. Um diese Vorgänge besser zu verstehen, ist es notwendig, gleichzeitig die Abläufe in der tagseitigen Magnetopause, also dem Bereich, wo Solarwind und Magnetosphäre aufeinander treffen, den Polarkappen, wo die Sonnenpartikel direkt mit der Erdatmosphäre wechselwirken, und dem sogenannten auroral oval, jener Region wo Polarlichter häufig vorkommen, zu beobachten. Zu diesem Zweck hat SMILE vier verschiedene Geräte an Bord: Ein Magnetometer zur Messung des Magnetfeldes, einen Ionendetektor für leichte Ionen, eine UV-Kamera, die die Polregion beobachten soll und einen Detektor für weiche Röntgenstrahlung, die in der sogenannten Magnetosheath entsteht. Dieser Detektor, auch Soft X-ray Imager (SXI) genannt, detektiert die weiche Röntgenstrahlung, die bei der Interaktion Sonnenwind / Magnetosphäre entsteht. Er hat zwei 4510 x 4510 PixeI große Charged Coupled Devices (CCD’s), die mit 16-bit Tiefe die Röntgenstrahlung auflösen (18 µm pro pixel). Der Detektor wird normalerweise im 6x6 binning mode betrieben (108 µm pro pixel). Zusätzlich gibt es noch einen 24x24 binning modus um hochenergetisches UV-Licht zu detektieren. Um die dabei entstehenden Rohdatenmengen wissenschaftlich zugänglich zu machen, ist das Science Data Processing unumgänglich. Dabei werden viele Daten bereits an Bord des Satelliten verarbeitet und außerdem die an die Bodenstation gesendeten Daten zuvor bei möglichst geringem Informationsverlust optimal komprimiert, da die Übertragungskapazitäten gering sind. Diese Masterarbeit soll zunächst einen Einblick in die astrophysikalischen Hintergründe der SMILE-Mission geben sowie die Zielsetzungen, wissenschaftlichen Anforderungen und technischen Rahmenbedingungen geben. Der Soft X-ray Imager mit seiner Hardware- und Software-Umgebung wird dabei im Detail vorgestellt und welche weiterführenden Anforderungen sich daraus für das Science Data Processing ergeben. Kurzfassung Darauf basierend sind für die Anwendung des Science Data Processing bei SMILE die notwendigen Anpassungsarbeiten in den, bereits bei CHEOPS im Einsatz befindlichen, Compress/Decompress-Programmen vorzunehmen. Der Datensimulator DaSi ist entsprechend zu adaptieren, eine Teststrategie auszuarbeiten und die notwendigen Tests durchzuführen. Eine zusätzliche Erweiterung des Science Data Processing soll die Datenkompression auch für die Event Detection Daten ermöglichen. Event Detection wird direkt in der Steuerelektronik der Charged Coupled Devices des Soft X-ray Imager durchgeführt. Dabei werden die Events, die durch die Röntgenstrahlung entstehen, in den Bildern detektiert und pro Event ein Datensatz von 5x5 Pixel generiert. Diese sind die hauptsächlich genutzten Daten und eine Kompression ist durchaus sinnvoll, auch wenn die Imagedaten durch die Event Detection bereits reduziert wurden. Dazu werden die Ergebnisse der bisher bekannten Kompressionsverfahren herangezogen und ein neues, speziell auf Events zugeschnittenes, Verfahren entwickelt. Ein auf Golomb-coding basierendes Kompressions-Verfahren wird derzeit für die PLATOMission (PLAnetary Transits and Oscillation of stars) entwickelt. Interessant ist ein Vergleich mit den Verfahren, die bereits bei CHEOPS implementiert wurden. Daraus abgeleitet, soll das Golomb-coding als Erweiterung der Kompressionsverfahren für SMILE implementiert werden. Die Einsatzmöglichkeiten des am Institut entwickelten neuen Betriebssystems UVIE FlightOS sind zu evaluieren und eine entsprechende Implementierung in den CompressProgrammen vorzunehmen. Schließlich ist auch dafür zu sorgen, dass das Science Data Processing nicht nur im standalone-Modus läuft, sondern direkt in die Application Software des Satelliten und in die Anwendungs-Software der Bodenstation eingebaut werden kann. Dafür ist die Entwicklung entsprechender Interface-Module notwendig. Im Zuge dieser Masterarbeit entstanden mehr als 3000 Programmzeilen an Programmen und Prozeduren hauptsächlich in den Programmiersprachen C und C++. In Python wurden zusätzlich einige Hilfsprogramme geschrieben.
description: The aim of the master’s thesis is to adapt and expand the science data processing already developed for CHEOPS (CHaracterising ExOPlanet Satellite) to the SMILE mission.