硬X射線調制望遠鏡衛星地面科學應用部分設計與應用

鄭世界 賈淑梅 馬想 聶建胤 李小波 李兵 屈進祿 宋黎明

(中國科學院高能物理研究所,北京 100049)

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

為保證HXMT衛星科學觀測的正常開展,以實現其預定的科學目標,要求地面應用系統的科學應用部分能夠根據科學觀測需求制定相應的觀測計劃,能將在軌觀測數據處理生成標準數據產品并提供數據分析工具。同時,科學應用部分還需要監測衛星及其有效載荷的工作狀態,在必要時調整有效載荷的參數,以使其達到最佳的觀測能力。

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

1 地面應用系統總體架構

根據中國科學院科學衛星的運行規劃,衛星的地面應用系統分為任務支持與科學應用兩部分。HXMT衛星地面應用系統的總體架構如圖1所示。其中:任務支持部分是衛星的地面支撐平臺,實施有效載荷在軌運行管理,完成科學觀測數據的接收和預處理,對數據產品進行規范化質量控制、統一管理和永久歸檔,面向科學用戶提供長期的科學數據檔案共享服務,面向社會公眾發布任務信息,開展科普宣傳;科學應用部分負責HXMT衛星的科學規劃與運行、數據產品生成與標定、科學數據分析軟件及用戶支持等工作。

圖1 地面應用系統總體架構Fig．1 Architecture of ground application system

2 科學應用部分設計

HXMT衛星的科學應用部分承擔著科學研究相關的支持工作。其具體任務包括:①圍繞科學目標,規劃科學觀測的策略和任務;②征集觀測提案,制定科學觀測計劃,分析評估科學觀測任務的執行情況,協調國內外設備組織多波段的聯合觀測;③處理有效載荷數據,開展有效載荷在軌狀態監視與性能分析,對有效載荷的故障作出快速反應;④開展科學數據的快視、預處理、標定和科學有效化,生成各級科學數據產品;⑤發布面向用戶的高級科學數據產品,并提供數據分析軟件工具與支持服務,開展科學數據的國際交換與共享;⑥開展面向公眾的高能天體物理科普宣傳;⑦組織科學家使用衛星科學數據開展科學研究。根據上述任務要求,梳理了科學應用部分與外部的接口關系,并進行了功能劃分和工作內容分解。

2.1 外部接口

科學應用部分的外部接口包括與任務支持部分、有效載荷及科學用戶的接口。

(1)與任務支持部分的接口:主要包括長期、中期、短期、機會觀測(To O)等的觀測計劃制定及計劃執行情況,星上軟件、參數更新計劃,以及各級數據產品的交換等。

(2)與有效載荷的接口:主要包括有效載荷工作狀態、性能參數的監測情況,有效載荷的在軌標定需求、標定計劃及標定數據的分析結果等。

(3)與科學用戶的接口:包括面向科學用戶征集觀測提案,以及觀測完成后按照HXMT衛星的數據發布政策,向科學用戶公開發布數據產品、標定數據庫及相應的用戶分析軟件等。

2.2 功能組成

根據上述任務分析,將HXMT衛星科學應用部分按照功能劃分為4個分系統,包括科學運行分系統、高級數據產品生成與標定分系統、科學研究支撐分系統和科學用戶分系統。

(1)科學運行分系統的工作目標是保證有效載荷的正常運行和科學目標的實現,其主要任務是開展客座觀測提案的技術可行性評估;綜合考慮科學需求和有效載荷的工作模式,協調確定各儀器的觀測模式,向任務支持部分提交有效載荷工作模式表、觀測目標和觀測時間要求;對衛星總體工作狀態等進行記錄與顯示處理;對有效載荷數據等進行記錄、初步分析和顯示,開展有效載荷性能分析;對各有效載荷出現的故障進行協查;根據有效載荷的要求,完成儀器參數和星載軟件的更新;負責對科學觀測完成情況進行監測,保證科學觀測計劃的順利執行。

(2)高級數據產品生成與標定分系統主要完成HXMT衛星工程和科學數據產品生成和標定、科學數據庫和標定數據庫建設、科學數據快視分析和標準分析等方面的工作。具體包括:各種科學數據、工程數據和輔助數據的接收、處理、修正、轉化、存儲、檢索等操作;數據庫和文件庫的建設;數據產品內容、格式及產品流程設計;科學數據標定模型研究;標定數據庫構建與標定數據處理;科學數據快視方法設計及軟件實現;科學數據標準分析流程設計及軟件實現等研究內容。此外,對于每一次觀測,還需要完成數據質量報告。

(3)科學研究支撐分系統的主要任務是組建并運行HXMT衛星科學委員會的日常工作組;組織客座觀測提案的評估;實現科學仿真能力;完成巡天觀測數據的處理工作;完成數據處理方面的培訓講座;開展空間本底、數據分析誤差研究;完成編寫科學手冊等科學工作。

(4)科學用戶分系統的主要任務是收集提案,記錄追蹤提案處理的整個過程;提供觀測數據的下載和檢索;建設用戶幫助管理系統,對用戶在數據分析中遇到的問題提供技術支持;建設和維護HXMT衛星的主網站,及時通報科學成果、有效載荷狀態、觀測運行等項目信息。

2.3 主要工作

1)科學觀測計劃制定

要實現HXMT衛星的科學目標,必須落實、細化觀測目標。HXMT衛星的觀測任務來自以下幾個方面。①實現核心科學目標的觀測任務(定義為核心觀測),主要包括小天區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的觀測任務,包括定期進行的儀器定標觀測等。③為數據分析工作提供支撐的觀測任務,如以獲取空間本底為目標的觀測任務,包括對地觀測、對空天區的觀測等。④科學家提出的客座觀測目標進行的觀測,根據國際天文學界的慣例,科學家可以申請一些客座觀測機會,HXMT衛星也將接收科學家的申請。⑤ToO任務主要是針對暫現源、爆發現象的觀測。天體源的隨機爆發現象往往蘊含著非常豐富的科學現象和規律,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,一旦出現這種現象,需要盡快安排觀測任務。

HXMT衛星科學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,獲得批準的觀測提案提交到科學運行分系統。科學運行分系統綜合考慮觀測目標的可見性、觀測效率、衛星姿態、姿態機動時間等,制定長、中、短期觀測需求時間線;考慮觀測目標的輻射特征,制定數據存儲模式;同時,根據有效載荷儀器組的要求提出有效載荷參數更新等需求。這些計劃經過仿真確認后,定期提交任務運行分系統實施。

2)科學數據處理

首先,根據HXMT衛星不同的觀測模式,制定不同的數據處理流程。例如掃描觀測模式,對應的科學目標是獲得大范圍天空中源的信息(如源的位置、流強等),要對掃描時間、衛星姿態、衛星軌道及一些工程數據進行重新的組合和轉換,這就需要研制針對性的處理流程,設計有針對性的數據格式。其次,X射線探測器獲得的信號是經過探測器響應以后的數據,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情況,這不僅需要探測器的地面標定數據,還需要處理在軌標定觀測數據。另外,根據《HXMT衛星數據管理辦法》,HXMT衛星的觀測數據將面向國內外公開發布,并提供數據分析的用戶支持,為了滿足科學用戶開展科學數據分析的個性化要求,需要制定探測事例的不同需求的選定策略,而且根據國際天文界通行的做法,需要研發與探測器性能、工作狀態相關的軟件,完成不同需求探測事例的選定需要。

科學數據由地面接收后,由任務支持部分對工程數據和科學數據進行預處理后發送到科學應用部分。科學應用部分將不同探測器、不同探測模式的觀測數據轉換成天文數據通用的格式(即fits格式);根據不同探測器的工作狀態,生成不同的能量響應矩陣等標定文件;生成不同級別的數據產品,同時提供數據處理軟件,并對科學用戶的數據分析提供技術支持。另外,為快速發現并觀測分析宇宙中的變源和暫現源,還要對有效載荷的數據進行科學快視分析,對暫現源進行監測。一旦發現有暫現源,就利用一個或幾個軌道的觀測數據對其進行粗略定位,并在必要時啟動ToO。

3)有效載荷的監測

HXMT衛星望遠鏡在發射升空后,由于受到空間環境的影響,其工作溫度、計數率水平及探測器的性能等,都與地面測試時不同,監測有效載荷工作狀態,及時發現其性能變化和工作異常,保證其安全運行,是科學應用部分在衛星運行期間的主要工作之一。為保證衛星觀測任務的實施,對有效載荷進行不同層次、不同數據、不同關注內容的全面監測。

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

(1)衛星總體層次的監測:對通過遙測數據信道下傳的數據進行監測,從而實現對衛星和有效載荷的總體工作情況監測。

(2)有效載荷工作狀態監測:利用接收到的工程數據,如電流、電壓、溫度、開關狀態、探測器總計數率等參數,監測有效載荷狀態,對一些異常情況進行快速反應。

(3)有效載荷性能監測:對衛星科學數據進行快速處理,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)上的計數率、能譜等,并結合遙測數據對探測器性能進行綜合分析和評估,對探測器是否異常進行快速判別。

(4)有效載荷科學數據監測:對有效載荷的觀測數據進行詳細的科學分析,對探測器是否異常進行細致的判別,并提出有效載荷的標定建議。

(5)有效載荷在軌標定數據監測:包括對探測器的能量響應、探測效率、計數率等參數進行分析和監測。

3 應用情況

HXMT衛星發射升空后,進行了5個月3個階段的在軌測試工作。①平臺測試階段,主要對衛星的整體功能和性能進行測試,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用的測試,產生初步的標定數據庫;③試運行階段,主要優化有效載荷的各項工作參數、數據處理的各項工作參數和完成在軌標定的各項內容。

在軌測試工作期間,科學應用部分首先對有效載荷工作狀態和性能監測情況進行全面測試,并根據在軌實測情況對有效載荷參數進行調整(共調整各類參數34次),以獲得最佳探測結果。圖3～5分別給出了科學應用部分對高能、中能和低能望遠鏡的幾個探測器單元探測到的光子計數譜的監測結果,與理論預期一致,證明有效載荷在軌工作狀態正常。為了進一步提高有效觀測時間,增加HXMT衛星的科學產出,利用高能望遠鏡粒子監測器的實際探測結果,調整了南大西洋異常(SAA)區的范圍(如圖6所示)。

在觀測計劃制定與數據產品生成與處理方面,科學應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2個)進行了128次觀測;對銀道面小天區進行了159次掃描觀測,并實現了共計5天的全天巡天觀測。處理生成8個類別的數據產品,如表1所示。科學家利用這些數據分析得到了初步的科學成果:探測到超過100個伽馬射線暴,實現了X射線脈沖星導航的在軌試驗,監測到首個雙中子星并合的引力波事件等[6-7]。

圖3 高能望遠鏡探測器單元的光子計數譜Fig.3 Spectrum of high energy telescope detectors

圖4 中能望遠鏡探測器單元的光子計數譜Fig.4 Spectrum of medium energy telescope detectors

圖5 低能望遠鏡探測器單元的光子計數譜Fig.5 Spectrum of low energy telescope detectors

圖6 SAA區范圍的調整Fig.6 Adjustment of SAA area

表1 在軌測試階段的數據產品生成情況Table 1 Data production during in-orbit test

在軌測試階段的工作驗證了科學應用部分工作正常,具備對有效載荷工作狀態和性能的在軌監測、分析和參數調整能力,以及制定觀測計劃開展科學觀測和數據處理、分析能力,為HXMT衛星正常運行并實現預定科學目標提供了重要保障。

4 結束語

本文從HXMT衛星的科學需求出發,給出了地面科學應用部分的設計,包括接口關系、功能劃分及工作流程等,并利用在軌測試階段的實際數據驗證了設計的可行性,證明科學應用部分具備支持HXMT衛星科學產出的能力。

參考文獻(References)

[1]李惕碚,吳枚．空間硬X射線調制望遠鏡[J]．物理,2008,37(9):648-651 Li Tipei,Wu Mei．The hard X-ray modulation telescope mission[J]．Physics,2008,37(9):648-651(in Chinese)

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[6]Li Tipei,Xiong Shaolin,Zhang Shuangnan,et al．Insight-HXMT observations of the first binary neutron star merger GW170817[J]．Science China Physics,Mechanics&Astronomy,2018,61(3):1-8

[7]B P Abbott1,R Abbott1,T D Abbott,et al．Multimessenger observations of a binary neutron star merger[J]．The Astrophysical Journal Supplement Series,2017,848:L12