practical configurations for the ska - nrao safe … configurations for the ska rob millenaar spdo...

45
Practical Configurations for the SKA Practical Configurations for the SKA Rob Millenaar SPDO SPDO April 2009 1 CALIM09 SPDO/RPM

Upload: tranbao

Post on 16-Apr-2018

214 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Practical Configurations for the SKAPractical Configurations for the SKA

Rob Millenaar

SPDOSPDO

April 2009 1CALIM09     SPDO/RPM

A shifting target

A sobering thought:

We have reached a point in time where the next generation large radio astronomical facility, the SKA, has to consolidate current thoughts on how to lay out 

h t d d i th fi tisuch a system, and design these configurations, even when ongoing insight will challenge these designs before the telescope will be builtbefore the telescope will be built…

We have to do the best we canWe have to do the best we can.

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 2

Overview• Introduction

– Setting the scene

– The Configuration Design Task Force

• Configuration DesignReferences– References

– Identification of key issues

– Parameters, figures‐of‐merit

• Real world aspects– Masks

Infrastructure cost– Infrastructure cost

• Final remarks– Status

– The science loopApril 2009 CALIM09     SPDO/RPM 3

Introduction

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 4

Configurations for the SKA

PrepSKA tasks us to do:WP3.5: Optimize the array configuration 

“Study the ideal configurations for the SKA for the different Key Science Projects and determine the single configurationKey Science Projects and determine the single configuration that optimises the total return from the Key Science Projects. Match the “ideal” configuration to the geographical realitiesf th t h t li t d it i d t d t i thof the two short‐listed sites in order to determine the 

optimum configuration for each site. (...)”

The due date for this is T+18 (end 2009).

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 5

Configurations for the SKASo, in practical terms, by the end of this year the SPDO has to:SPDO has to:• study previous configurations work

• make an inventory of requirements, in relation to the currentmake an inventory of requirements, in relation to the current scientific framework: the Reference Science Plan

• derive figures‐of‐merit that are part of the configurations assessment process

• ensure that the configurations can be realised in the host environments – theMasksenvironments  the Masks 

• ensure that the developed configurations are economically feasible

• develop and use practical simulation and optimisation toolsApril 2009 CALIM09     SPDO/RPM 6

Configurations for the SKA

In other words:it i ti t t i b t th d i f th• it is now time to get serious about the design of the configurations,

• the results of earlier studies will have to be consolidated into this ‘final’ effort.

And in order to do so:• the science community needs to decide what they want the 

SKA to be able to do (and the SWG is doing that),

th i i it d t ith• the engineering community needs to come up with technically and economically realistic scenarios for phase 1 and 2, for SKA‐lo and SKA‐mid (and WP2 and 3 are doing that too).

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 7

Configurations for the SKA

Urgency in designing configurations:g y g g g• We need to do additional high sensitivity RFI monitoring measurements, at the core, but also at a gnumber of ‘representative’ remote stations.

• So, we have to find out which locations will very likely be chosen as remote stations for doing the measurements.

• And these monitoring activities will start in the second half of 2009.

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 8

Configuration Design Task ForceTask Force

• For this configuration design work, a Task Force has been assembled, under the SCWG: – Rosie Bolton (University of Cambridge)

– Mattieu de Villiers (SKA South Africa)

– Sundaram (Jive, NL)( , )

– Rob Millenaar (SPDO, [email protected])

– small number of ‘sounding board’ contributorssmall number of  sounding board  contributors

• A report with two configurations, one for each host is expected by the end of 2009host, is expected by the end of 2009.

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 9

Configuration Design Task ForceTask Force

• The simulations and optimisations tool that isThe simulations and optimisations tool that is going to be used for that is Mattieu de Villiers’ AntConfig programAntConfig program. 

See: http://www.kat.ac.za/public/wiki/AntConfigSee: http://www.kat.ac.za/public/wiki/AntConfigfor the latest Windows version of AntConfig (V1.4), and a preliminary Mac version of iAntConfig.

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 10

Kick‐off meeting

In March 2009 a kick‐off meeting for the work of h T k F h ld i M hthe Task Force was held in Manchester. The 2.5 day workshop established what the SKA 

i id b hcommunity considers to be the:

• scientific and engineering boundary conditions,

• requirements of the configurations, q g

• physically and economically feasible targets,  

• appropriate methods and tools• appropriate methods and tools.

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 11

Kick‐off meeting

The outcome of this meeting was that: 

h T k F d d h i d f• the Task Force understands what is expected of them, to be delivered by the end of 2009;

th SKA it d t d th t th T k F• the SKA community understands that the Task Force is working towards “final” configurations, which will go into the costed design for the SKA phase 1 thego into the costed design for the SKA phase 1, the PrepSKA main deliverable, and phase 2.

• Nevertheless, there are a number of open issues that the two host countries and the SPDO have to get agreement on.

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 12

Configurations Design

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 13

References

Apart from drawing information from previous and ongoing work (EVLA ALMA ATA LOFAR LWA SKADSongoing work (EVLA, ALMA, ATA, LOFAR, LWA, SKADS, the precursor telescopes, etc), two baseline documents are used:are used:

1. Memo 100: Preliminary Specifications for the Square Kilometre Array (last issue 12/2007)q y ( / )

2. The Square Kilometre Array Reference Science Plan: SKA‐mid and SKA‐lo of the SWG. A work in progress: current draft March 6, 2009 and the final version should be ready by 2010.

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 14

References3. Information available from the site bids of 2005 

4. RFP, CSTF Guidelines: CSTF=C fi ti Si l ti T k F

4. RFP, CSTF Guidelines:• Max angular resolution

• axial ratio of PSF

if i d i l i f

Configuration Simulation Task Forcechair Steven Tingay(2006)

• uniformity and circularity of uv coverage

• PSF sidelobe levels

– evaluated for:• long integration obs

• short integration obs (snapshots)

• continuum multi freq synthesis (MSF) observations• continuum multi‐freq synthesis (MSF) observations

• spectral line (narrow band, single channel) observations

Note that the RFP specified that min elevation for any station should be  30° Thi b id d30°. This must be reconsidered…

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 15

References5. From the CSTF, the evaluation of the LNSD 

configurations report, example:

• uv coverage and psf calculations, done for:– 4 h obs for northern vis limit (4 h obs time available for all stations) for MFS (25% frac bw) and sp. line (single channel)

4 h obs for southern vis limit MFS+sp line– 4 h obs for southern vis limit, MFS+sp. line

–max duration at declination of pk vis, MFS+sp. line

– snapshot (5 mins) for northern vis limit, MFS+sp. linep ( ) , p

– snapshot for southern vis limit, MFS+sp. line

– snapshot at declination of pk vis, MFS+sp. line

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 16

LNSD Southern Africa

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 17

LNSD Australia

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 18

Reference Science Plan• Purpose

Is an assembly of science component studies to be used to define the requirements (SKA‐low and mid only)

• Structureh f h ’ hFor each of the KSP’s one or more components, with 

summary of scientific and technical requirements per component.p

• StatusBeing written by the SWG. Latest draft March 09, not released. Final version expected by 2010.

• The RSP is used for configuration designStarting assumptions performance parametersStarting assumptions, performance parameters.

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 19

Reference Science PlanScience Case

Reference Science Plan (Requirements)

Case StudiesEng. Simulations

Technical R&DPrototypesPathfinders

ConfigurationCostingCosting

Readiness

Engineering Design

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 20CALIM09     SPDO/RPM

& Cost

ParametersFrom Memo 100 and later AA studies:

• Gross distribution of collecting area for phase• Gross distribution of collecting area for phase 1 and 2. Memo 100 specifies in table 1:

dish Memo 100

diameter (km) phase 1 phase 2 

provisional AA

AA‐hi AA‐lo

core 1 50% 20%

central 5 75% 50%

30% ~5‐7%

66% 50%

mid 180 100% 75%

outer 3000 100%

100% 100%

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 21

Parameters

From RSP:

• Frequency and baseline range (angular resolution) per receptor technology type: for WBSPF and PAF in dishes, sparse and dense AA.

• Imaging Dynamic Range ‐> 77dB

• Array filling factorArray filling factor 

• Sky coverage

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 22

Separate cores• Considering 3 receptor technologies: AA‐low (sparse), AA‐high (dense), dishes

• All want large filling factor in the core

• Need to separate in the core, because of:p ,– mutual shadowing

– sub‐optimal filling possibilities if all combined

– accessibility

– inter‐RFI/EMI arguments

• Extra complication: presence of precursor telescopes

• Note: Remote stations, up to a certain baseline, will d l f l lneed real estate for multiple receptor stations.

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 23

Overall SKA ConfigurationComms links

Dishes in stations spread along spiral

S i

Core ~5km dia

StationCentral ProcessingFacility 200km

Dishes

AA-hi

AA-lo

April 2009 24CALIM09     SPDO/RPM

courtesy A. Faulkner

Key Issues

Some more items to (re)consider:• In many studies so far symmetrical log spirals have been investigated. We have the practical need to come up with highly asymmetrical configurations forcome up with highly asymmetrical configurations for the longest baselines. 

• In a densely packed core shadowing becomes a• In a densely packed core, shadowing becomes a serious issue.

• To what baseline range do we consider PAFsTo what baseline range do we consider PAFs.

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 25

Key Parameters

Initial design assumptions:

Th b f i h d i f 150• The number of stations that we design for 150

• of which 70 equivalent stations in inner 5 km

• the number of antennas per station 20

• bring back all signals from stations to the correlator  f b li 180k b d h b f dfor baselines <180km, beyond that  beamformed data.

P ti l ti t h d fit th• Practical question to answer: how do we fit the required baseline range on the two continents in a scientifically useful fashionscientifically useful fashion.

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 26

Figures‐of‐merit

Prime FoM for imaging will be the rms side lobe l l f h PSF l i f hlevel of the PSF, resulting from the uv coverage for:

• snapshot observations

• spectral line imaging observationsp g g

• for multi frequency synthesis (MFS)

• Being programmed into AntConfig now.

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 27

PSF rms side lobe level1. Ambition is to have 77 dB of DR

2 Wide field of view and >50x increase in array2. Wide field of view and >50x increase in array sensitivity will place enormous amount of sources in the field; of which the stronger ~1000s can bein the field; of which the stronger  1000s can be removed for calibration ‐> sky model, but will leave:

3. ex. ~1 million 1 sigma sources in the field, andg ,

4. side lobe confusion will increase noise, 1st order estimate, by factor sqrt(nr sources)/side lobe level, y q ( )so for this example…

5. side lobe level  0.1% would still double the noise.

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 28

Log spiralsThe very demanding imaging FoM is likely best realised by a smooth log spiral configuration:realised by a smooth log spiral configuration:

• many short spacings (for high brightness )sensitivity)

• enough long spacings (to minimize confusion)

• comparable sensitivity at all scales

• aiming to prevent holes in the uv plane foraiming to prevent holes in the uv plane, for continuum work through MFS…

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 29

Multi Frequency Synthesis

• Holes in uv plane can be filled up by using l i f h imulti frequency synthesis

• Needs assumptions on the frequency dependance, spectral index

• Works till what fractional bw– Urvashi Rau’s thesis work very relevant

• uv ‐‘holiness’ metric to be worked intouv  holiness  metric to be worked into AntConfig, MdVs method and possibly Lobanov’s uvgap metricLobanov s uvgap metric.

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 30

Real World aspects

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 31

The Mask

The mask defines where stations can or cannot be located as determined by a range of aspectsbe located, as determined by a range of aspects.Example no‐go areas:• Geographically constrained areas• Geographically constrained areas• RFI constrained areas

• The mask is thought to have the most i t f l i t ti ithi thimportance for placing stations within the range of ~30‐~300km.

April 2009 32CALIM09     SPDO/RPM

Mask, Geographical• Bodies of water

• Roads This is the ‘easy’ part, even though f l id ti fRoads

– small, single‐lane

– multi‐lane

careful consideration for:

• buffer zones• seasonal influences

– rail

• Slopes

• seasonal influences• climate zones• historic data• future projections

• Mountains

• Floodplains

future projections• slope data• geology aspects• plateaus

• Environmental– Parks

• data sources• common criteria• integration in AntConfig

– Cultural exclusion areasApril 2009 33CALIM09     SPDO/RPM

Mask, RFI considerations

Criteria

• RA769‐2 continuum for the central area

• RA769‐2 VLBI for the longer baselinesg• Bottom line: given the unavoidable sources of RFI anywhere in the array (aircraft, satellites), the levels of RFI should be less than the level where cost&performance would be affected by having to:– design in more receiver headroom

– use more signal bits

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 34

Mask, format• Mask generated as a GIS ESRI shapefile, to be used within AntConfigwithin AntConfig

• ESRI shapefile is standard data format for the compilation and distribution of ‘geographical’ information– Hydrology, topography, meteorology, demography, geology etcetc.

• Data sources– Common data source, where possible: use of satellite , pdatasets, eg. landsat.org, SRTM‐90

April 2009 35CALIM09     SPDO/RPM

Mask Example

transport routes, mines, rivers

courtesy A. Tiplady

April 2009 36CALIM09     SPDO/RPM

Masks and AntConfig

• The masks will be supplied by the two hostThe masks will be supplied by the two host countries

• Will be read into AntConfig to constrain the• Will be read into AntConfig, to constrain the placement of stations during manual antenna shuffling and during automated optimisationsshuffling and during automated optimisations.

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 37

Infrastructure cost

• Cost of infrastructure must be considered while designing configurationsdesigning configurations

• Proximity of services and accessibilityfibre– fibre

– power

– roadsroads

– support base

– Tools to evaluate infrastructure cost:• SKADS costing tool

• Routing optimiser for fibre

• Costing ‘layer’ in AntConfigCosting  layer  in AntConfig

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 38

Costing layer

• Engineering consultancy for input parametersEngineering consultancy for input parameters, common for SA and AUS

• Pre process costing and generate site specific• Pre‐process costing and generate site specific costing layer – f(x,y,cost)

• Components• Components– Site establishment cost– Bulk infrastructure costBulk infrastructure cost

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 39

Costing layer

courtesy A. Tiplady

• Establishment + infrastructure costing (illustrative only)only)

April 2009 40CALIM09     SPDO/RPM

Final remarks

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 41

Status

• Reaching agreement on methods (ongoing)– masks

• specification to be completed

d i f h k• production of the masks

– costingifi ti• specification

• consultancy

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 42

Status

• Development work on AntConfig (ongoing)– functionality for mask and costing layer

– developing and implementing FoMs

– additional analysis functionality

– add multi‐computing node functionality

– the tool is intended to evolve into a general configuration research and education platform.

– mid May first release of iAntConfig (Mac edition)

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 43

Feedback and iterations

• A set of developed configurations will be presented to the SWGto the SWG

• Iterations will narrow down the options and can possibly also cause the RSP to be modifiedpossibly also cause the RSP to be modified

• Configurations that are deemed to be suitable will be presented to SSEC who will make final selection ofpresented to SSEC, who will make final selection of one preferred configuration per host country.

• These will be used in further planning and costing ofThese will be used in further planning and costing of the array, also in PrepSKA WP2.

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 44

End

April 2009 CALIM09     SPDO/RPM 45