硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星地面科學(xué)應(yīng)用部分設(shè)計與應(yīng)用

鄭世界 賈淑梅 馬想 聶建胤 李小波 李兵 屈進(jìn)祿 宋黎明

(中國科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星[1]是我國第1顆X射線天文衛(wèi)星,包含高能望遠(yuǎn)鏡、中能望遠(yuǎn)鏡、低能望遠(yuǎn)鏡和空間環(huán)境監(jiān)測器4種有效載荷[2]。2017年6月15日,HXMT衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射,運行在軌道高度550 km、傾角43°的近地圓軌道上,在軌設(shè)計壽命4年。2017年11月15日,HXMT衛(wèi)星完成衛(wèi)星及其有效載荷的測試和標(biāo)定,正式開始科學(xué)觀測[3-5]。

為保證HXMT衛(wèi)星科學(xué)觀測的正常開展,以實現(xiàn)其預(yù)定的科學(xué)目標(biāo),要求地面應(yīng)用系統(tǒng)的科學(xué)應(yīng)用部分能夠根據(jù)科學(xué)觀測需求制定相應(yīng)的觀測計劃,能將在軌觀測數(shù)據(jù)處理生成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品并提供數(shù)據(jù)分析工具。同時,科學(xué)應(yīng)用部分還需要監(jiān)測衛(wèi)星及其有效載荷的工作狀態(tài),在必要時調(diào)整有效載荷的參數(shù),以使其達(dá)到最佳的觀測能力。

本文給出了HXMT衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)的總體架構(gòu);并著重介紹了科學(xué)應(yīng)用部分的接口、功能和主要工作流程,以及其在HXMT衛(wèi)星在軌運行中的應(yīng)用情況,給出了科學(xué)應(yīng)用部分的在軌應(yīng)用效果及其評價。

1 地面應(yīng)用系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)中國科學(xué)院科學(xué)衛(wèi)星的運行規(guī)劃,衛(wèi)星的地面應(yīng)用系統(tǒng)分為任務(wù)支持與科學(xué)應(yīng)用兩部分。HXMT衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。其中:任務(wù)支持部分是衛(wèi)星的地面支撐平臺,實施有效載荷在軌運行管理,完成科學(xué)觀測數(shù)據(jù)的接收和預(yù)處理,對數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行規(guī)范化質(zhì)量控制、統(tǒng)一管理和永久歸檔,面向科學(xué)用戶提供長期的科學(xué)數(shù)據(jù)檔案共享服務(wù),面向社會公眾發(fā)布任務(wù)信息,開展科普宣傳;科學(xué)應(yīng)用部分負(fù)責(zé)HXMT衛(wèi)星的科學(xué)規(guī)劃與運行、數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成與標(biāo)定、科學(xué)數(shù)據(jù)分析軟件及用戶支持等工作。

圖1 地面應(yīng)用系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig．1 Architecture of ground application system

2 科學(xué)應(yīng)用部分設(shè)計

HXMT衛(wèi)星的科學(xué)應(yīng)用部分承擔(dān)著科學(xué)研究相關(guān)的支持工作。其具體任務(wù)包括:①圍繞科學(xué)目標(biāo),規(guī)劃科學(xué)觀測的策略和任務(wù);②征集觀測提案,制定科學(xué)觀測計劃,分析評估科學(xué)觀測任務(wù)的執(zhí)行情況,協(xié)調(diào)國內(nèi)外設(shè)備組織多波段的聯(lián)合觀測;③處理有效載荷數(shù)據(jù),開展有效載荷在軌狀態(tài)監(jiān)視與性能分析,對有效載荷的故障作出快速反應(yīng);④開展科學(xué)數(shù)據(jù)的快視、預(yù)處理、標(biāo)定和科學(xué)有效化,生成各級科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品;⑤發(fā)布面向用戶的高級科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品,并提供數(shù)據(jù)分析軟件工具與支持服務(wù),開展科學(xué)數(shù)據(jù)的國際交換與共享;⑥開展面向公眾的高能天體物理科普宣傳;⑦組織科學(xué)家使用衛(wèi)星科學(xué)數(shù)據(jù)開展科學(xué)研究。根據(jù)上述任務(wù)要求,梳理了科學(xué)應(yīng)用部分與外部的接口關(guān)系,并進(jìn)行了功能劃分和工作內(nèi)容分解。

2.1 外部接口

科學(xué)應(yīng)用部分的外部接口包括與任務(wù)支持部分、有效載荷及科學(xué)用戶的接口。

(1)與任務(wù)支持部分的接口:主要包括長期、中期、短期、機(jī)會觀測(To O)等的觀測計劃制定及計劃執(zhí)行情況,星上軟件、參數(shù)更新計劃,以及各級數(shù)據(jù)產(chǎn)品的交換等。

(2)與有效載荷的接口:主要包括有效載荷工作狀態(tài)、性能參數(shù)的監(jiān)測情況,有效載荷的在軌標(biāo)定需求、標(biāo)定計劃及標(biāo)定數(shù)據(jù)的分析結(jié)果等。

(3)與科學(xué)用戶的接口:包括面向科學(xué)用戶征集觀測提案,以及觀測完成后按照HXMT衛(wèi)星的數(shù)據(jù)發(fā)布政策,向科學(xué)用戶公開發(fā)布數(shù)據(jù)產(chǎn)品、標(biāo)定數(shù)據(jù)庫及相應(yīng)的用戶分析軟件等。

2.2 功能組成

根據(jù)上述任務(wù)分析,將HXMT衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用部分按照功能劃分為4個分系統(tǒng),包括科學(xué)運行分系統(tǒng)、高級數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成與標(biāo)定分系統(tǒng)、科學(xué)研究支撐分系統(tǒng)和科學(xué)用戶分系統(tǒng)。

(1)科學(xué)運行分系統(tǒng)的工作目標(biāo)是保證有效載荷的正常運行和科學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn),其主要任務(wù)是開展客座觀測提案的技術(shù)可行性評估;綜合考慮科學(xué)需求和有效載荷的工作模式,協(xié)調(diào)確定各儀器的觀測模式,向任務(wù)支持部分提交有效載荷工作模式表、觀測目標(biāo)和觀測時間要求;對衛(wèi)星總體工作狀態(tài)等進(jìn)行記錄與顯示處理;對有效載荷數(shù)據(jù)等進(jìn)行記錄、初步分析和顯示,開展有效載荷性能分析;對各有效載荷出現(xiàn)的故障進(jìn)行協(xié)查;根據(jù)有效載荷的要求,完成儀器參數(shù)和星載軟件的更新;負(fù)責(zé)對科學(xué)觀測完成情況進(jìn)行監(jiān)測,保證科學(xué)觀測計劃的順利執(zhí)行。

(2)高級數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成與標(biāo)定分系統(tǒng)主要完成HXMT衛(wèi)星工程和科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成和標(biāo)定、科學(xué)數(shù)據(jù)庫和標(biāo)定數(shù)據(jù)庫建設(shè)、科學(xué)數(shù)據(jù)快視分析和標(biāo)準(zhǔn)分析等方面的工作。具體包括:各種科學(xué)數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)的接收、處理、修正、轉(zhuǎn)化、存儲、檢索等操作;數(shù)據(jù)庫和文件庫的建設(shè);數(shù)據(jù)產(chǎn)品內(nèi)容、格式及產(chǎn)品流程設(shè)計;科學(xué)數(shù)據(jù)標(biāo)定模型研究;標(biāo)定數(shù)據(jù)庫構(gòu)建與標(biāo)定數(shù)據(jù)處理;科學(xué)數(shù)據(jù)快視方法設(shè)計及軟件實現(xiàn);科學(xué)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分析流程設(shè)計及軟件實現(xiàn)等研究內(nèi)容。此外,對于每一次觀測,還需要完成數(shù)據(jù)質(zhì)量報告。

(3)科學(xué)研究支撐分系統(tǒng)的主要任務(wù)是組建并運行HXMT衛(wèi)星科學(xué)委員會的日常工作組;組織客座觀測提案的評估;實現(xiàn)科學(xué)仿真能力;完成巡天觀測數(shù)據(jù)的處理工作;完成數(shù)據(jù)處理方面的培訓(xùn)講座;開展空間本底、數(shù)據(jù)分析誤差研究;完成編寫科學(xué)手冊等科學(xué)工作。

(4)科學(xué)用戶分系統(tǒng)的主要任務(wù)是收集提案,記錄追蹤提案處理的整個過程;提供觀測數(shù)據(jù)的下載和檢索;建設(shè)用戶幫助管理系統(tǒng),對用戶在數(shù)據(jù)分析中遇到的問題提供技術(shù)支持;建設(shè)和維護(hù)HXMT衛(wèi)星的主網(wǎng)站,及時通報科學(xué)成果、有效載荷狀態(tài)、觀測運行等項目信息。

2.3 主要工作

1)科學(xué)觀測計劃制定

要實現(xiàn)HXMT衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo),必須落實、細(xì)化觀測目標(biāo)。HXMT衛(wèi)星的觀測任務(wù)來自以下幾個方面。①實現(xiàn)核心科學(xué)目標(biāo)的觀測任務(wù)(定義為核心觀測),主要包括小天區(qū)深度掃描觀測和特定天體源的觀測。②以確定儀器性能為目標(biāo)的觀測任務(wù),包括定期進(jìn)行的儀器定標(biāo)觀測等。③為數(shù)據(jù)分析工作提供支撐的觀測任務(wù),如以獲取空間本底為目標(biāo)的觀測任務(wù),包括對地觀測、對空天區(qū)的觀測等。④科學(xué)家提出的客座觀測目標(biāo)進(jìn)行的觀測,根據(jù)國際天文學(xué)界的慣例,科學(xué)家可以申請一些客座觀測機(jī)會,HXMT衛(wèi)星也將接收科學(xué)家的申請。⑤ToO任務(wù)主要是針對暫現(xiàn)源、爆發(fā)現(xiàn)象的觀測。天體源的隨機(jī)爆發(fā)現(xiàn)象往往蘊含著非常豐富的科學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律,有深入研究的價值。越早獲取這些觀測信息,其研究價值越大。因此,一旦出現(xiàn)這種現(xiàn)象,需要盡快安排觀測任務(wù)。

HXMT衛(wèi)星科學(xué)觀測計劃的制定流程如圖2所示。首先開展觀測提案的征集和評審工作,獲得批準(zhǔn)的觀測提案提交到科學(xué)運行分系統(tǒng)?？茖W(xué)運行分系統(tǒng)綜合考慮觀測目標(biāo)的可見性、觀測效率、衛(wèi)星姿態(tài)、姿態(tài)機(jī)動時間等,制定長、中、短期觀測需求時間線;考慮觀測目標(biāo)的輻射特征,制定數(shù)據(jù)存儲模式;同時,根據(jù)有效載荷儀器組的要求提出有效載荷參數(shù)更新等需求。這些計劃經(jīng)過仿真確認(rèn)后,定期提交任務(wù)運行分系統(tǒng)實施。

2)科學(xué)數(shù)據(jù)處理

首先,根據(jù)HXMT衛(wèi)星不同的觀測模式,制定不同的數(shù)據(jù)處理流程。例如掃描觀測模式,對應(yīng)的科學(xué)目標(biāo)是獲得大范圍天空中源的信息(如源的位置、流強(qiáng)等),要對掃描時間、衛(wèi)星姿態(tài)、衛(wèi)星軌道及一些工程數(shù)據(jù)進(jìn)行重新的組合和轉(zhuǎn)換,這就需要研制針對性的處理流程,設(shè)計有針對性的數(shù)據(jù)格式。其次,X射線探測器獲得的信號是經(jīng)過探測器響應(yīng)以后的數(shù)據(jù),為獲得入射光子的信息,必須研究探測器對不同入射光子的響應(yīng)情況,這不僅需要探測器的地面標(biāo)定數(shù)據(jù),還需要處理在軌標(biāo)定觀測數(shù)據(jù)。另外,根據(jù)《HXMT衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理辦法》,HXMT衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)將面向國內(nèi)外公開發(fā)布,并提供數(shù)據(jù)分析的用戶支持,為了滿足科學(xué)用戶開展科學(xué)數(shù)據(jù)分析的個性化要求,需要制定探測事例的不同需求的選定策略,而且根據(jù)國際天文界通行的做法,需要研發(fā)與探測器性能、工作狀態(tài)相關(guān)的軟件,完成不同需求探測事例的選定需要。

科學(xué)數(shù)據(jù)由地面接收后,由任務(wù)支持部分對工程數(shù)據(jù)和科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后發(fā)送到科學(xué)應(yīng)用部分?？茖W(xué)應(yīng)用部分將不同探測器、不同探測模式的觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成天文數(shù)據(jù)通用的格式(即fits格式);根據(jù)不同探測器的工作狀態(tài),生成不同的能量響應(yīng)矩陣等標(biāo)定文件;生成不同級別的數(shù)據(jù)產(chǎn)品,同時提供數(shù)據(jù)處理軟件,并對科學(xué)用戶的數(shù)據(jù)分析提供技術(shù)支持。另外,為快速發(fā)現(xiàn)并觀測分析宇宙中的變源和暫現(xiàn)源,還要對有效載荷的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)快視分析,對暫現(xiàn)源進(jìn)行監(jiān)測。一旦發(fā)現(xiàn)有暫現(xiàn)源,就利用一個或幾個軌道的觀測數(shù)據(jù)對其進(jìn)行粗略定位,并在必要時啟動ToO。

3)有效載荷的監(jiān)測

HXMT衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡在發(fā)射升空后,由于受到空間環(huán)境的影響,其工作溫度、計數(shù)率水平及探測器的性能等,都與地面測試時不同,監(jiān)測有效載荷工作狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)其性能變化和工作異常,保證其安全運行,是科學(xué)應(yīng)用部分在衛(wèi)星運行期間的主要工作之一。為保證衛(wèi)星觀測任務(wù)的實施,對有效載荷進(jìn)行不同層次、不同數(shù)據(jù)、不同關(guān)注內(nèi)容的全面監(jiān)測。

圖2 科學(xué)觀測計劃制定流程Fig.2 Workflow of scientific observation scheduling

(1)衛(wèi)星總體層次的監(jiān)測:對通過遙測數(shù)據(jù)信道下傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測,從而實現(xiàn)對衛(wèi)星和有效載荷的總體工作情況監(jiān)測。

(2)有效載荷工作狀態(tài)監(jiān)測:利用接收到的工程數(shù)據(jù),如電流、電壓、溫度、開關(guān)狀態(tài)、探測器總計數(shù)率等參數(shù),監(jiān)測有效載荷狀態(tài),對一些異常情況進(jìn)行快速反應(yīng)。

(3)有效載荷性能監(jiān)測:對衛(wèi)星科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理,得出不同時間間隔的能譜、時變,以及每個探測器(或每個CCD讀出單元)上的計數(shù)率、能譜等,并結(jié)合遙測數(shù)據(jù)對探測器性能進(jìn)行綜合分析和評估,對探測器是否異常進(jìn)行快速判別。

(4)有效載荷科學(xué)數(shù)據(jù)監(jiān)測:對有效載荷的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的科學(xué)分析,對探測器是否異常進(jìn)行細(xì)致的判別,并提出有效載荷的標(biāo)定建議。

(5)有效載荷在軌標(biāo)定數(shù)據(jù)監(jiān)測:包括對探測器的能量響應(yīng)、探測效率、計數(shù)率等參數(shù)進(jìn)行分析和監(jiān)測。

3 應(yīng)用情況

HXMT衛(wèi)星發(fā)射升空后,進(jìn)行了5個月3個階段的在軌測試工作。①平臺測試階段,主要對衛(wèi)星的整體功能和性能進(jìn)行測試,同時完成有效載荷加電和部分工作模式測試;②有效載荷全面測試階段,主要包括有效載荷功能、性能及各種觀測模式和地面應(yīng)用的測試,產(chǎn)生初步的標(biāo)定數(shù)據(jù)庫;③試運行階段,主要優(yōu)化有效載荷的各項工作參數(shù)、數(shù)據(jù)處理的各項工作參數(shù)和完成在軌標(biāo)定的各項內(nèi)容。

在軌測試工作期間,科學(xué)應(yīng)用部分首先對有效載荷工作狀態(tài)和性能監(jiān)測情況進(jìn)行全面測試,并根據(jù)在軌實測情況對有效載荷參數(shù)進(jìn)行調(diào)整(共調(diào)整各類參數(shù)34次),以獲得最佳探測結(jié)果。圖3～5分別給出了科學(xué)應(yīng)用部分對高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡的幾個探測器單元探測到的光子計數(shù)譜的監(jiān)測結(jié)果,與理論預(yù)期一致,證明有效載荷在軌工作狀態(tài)正常。為了進(jìn)一步提高有效觀測時間,增加HXMT衛(wèi)星的科學(xué)產(chǎn)出,利用高能望遠(yuǎn)鏡粒子監(jiān)測器的實際探測結(jié)果,調(diào)整了南大西洋異常(SAA)區(qū)的范圍(如圖6所示)。

在觀測計劃制定與數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成與處理方面,科學(xué)應(yīng)用部分在軌測試階段共制定了79個短期觀測計劃(其中9個ToO計劃),對27個點源(超新星遺跡1個、孤立脈沖星3個、黑洞雙星7個、中子星雙星14個、空天區(qū)2個)進(jìn)行了128次觀測;對銀道面小天區(qū)進(jìn)行了159次掃描觀測,并實現(xiàn)了共計5天的全天巡天觀測。處理生成8個類別的數(shù)據(jù)產(chǎn)品,如表1所示?？茖W(xué)家利用這些數(shù)據(jù)分析得到了初步的科學(xué)成果:探測到超過100個伽馬射線暴,實現(xiàn)了X射線脈沖星導(dǎo)航的在軌試驗,監(jiān)測到首個雙中子星并合的引力波事件等[6-7]。

圖3 高能望遠(yuǎn)鏡探測器單元的光子計數(shù)譜Fig.3 Spectrum of high energy telescope detectors

圖4 中能望遠(yuǎn)鏡探測器單元的光子計數(shù)譜Fig.4 Spectrum of medium energy telescope detectors

圖5 低能望遠(yuǎn)鏡探測器單元的光子計數(shù)譜Fig.5 Spectrum of low energy telescope detectors

圖6 SAA區(qū)范圍的調(diào)整Fig.6 Adjustment of SAA area

表1 在軌測試階段的數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成情況Table 1 Data production during in-orbit test

在軌測試階段的工作驗證了科學(xué)應(yīng)用部分工作正常,具備對有效載荷工作狀態(tài)和性能的在軌監(jiān)測、分析和參數(shù)調(diào)整能力,以及制定觀測計劃開展科學(xué)觀測和數(shù)據(jù)處理、分析能力,為HXMT衛(wèi)星正常運行并實現(xiàn)預(yù)定科學(xué)目標(biāo)提供了重要保障。

4 結(jié)束語

本文從HXMT衛(wèi)星的科學(xué)需求出發(fā),給出了地面科學(xué)應(yīng)用部分的設(shè)計,包括接口關(guān)系、功能劃分及工作流程等,并利用在軌測試階段的實際數(shù)據(jù)驗證了設(shè)計的可行性,證明科學(xué)應(yīng)用部分具備支持HXMT衛(wèi)星科學(xué)產(chǎn)出的能力。

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