硬X射线调制望远镜卫星地面科学应用部分设计与应用

郑世界 贾淑梅 马想 聂建胤 李小波 李兵 屈进禄 宋黎明

(中国科学院高能物理研究所,北京 100049)

硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星[1]是我国第1颗X射线天文卫星,包含高能望远镜、中能望远镜、低能望远镜和空间环境监测器4种有效载荷[2]。2017年6月15日,HXMT卫星在酒泉卫星发射中心成功发射,运行在轨道高度550 km、倾角43°的近地圆轨道上,在轨设计寿命4年。2017年11月15日,HXMT卫星完成卫星及其有效载荷的测试和标定,正式开始科学观测[3-5]。

为保证HXMT卫星科学观测的正常开展,以实现其预定的科学目标,要求地面应用系统的科学应用部分能够根据科学观测需求制定相应的观测计划,能将在轨观测数据处理生成标准数据产品并提供数据分析工具。同时,科学应用部分还需要监测卫星及其有效载荷的工作状态,在必要时调整有效载荷的参数,以使其达到最佳的观测能力。

本文给出了HXMT卫星地面应用系统的总体架构;并着重介绍了科学应用部分的接口、功能和主要工作流程,以及其在HXMT卫星在轨运行中的应用情况,给出了科学应用部分的在轨应用效果及其评价。

1 地面应用系统总体架构

根据中国科学院科学卫星的运行规划,卫星的地面应用系统分为任务支持与科学应用两部分。HXMT卫星地面应用系统的总体架构如图1所示。其中:任务支持部分是卫星的地面支撑平台,实施有效载荷在轨运行管理,完成科学观测数据的接收和预处理,对数据产品进行规范化质量控制、统一管理和永久归档,面向科学用户提供长期的科学数据档案共享服务,面向社会公众发布任务信息,开展科普宣传;科学应用部分负责HXMT卫星的科学规划与运行、数据产品生成与标定、科学数据分析软件及用户支持等工作。

图1 地面应用系统总体架构Fig．1 Architecture of ground application system

2 科学应用部分设计

HXMT卫星的科学应用部分承担着科学研究相关的支持工作。其具体任务包括:①围绕科学目标,规划科学观测的策略和任务;②征集观测提案,制定科学观测计划,分析评估科学观测任务的执行情况,协调国内外设备组织多波段的联合观测;③处理有效载荷数据,开展有效载荷在轨状态监视与性能分析,对有效载荷的故障作出快速反应;④开展科学数据的快视、预处理、标定和科学有效化,生成各级科学数据产品;⑤发布面向用户的高级科学数据产品,并提供数据分析软件工具与支持服务,开展科学数据的国际交换与共享;⑥开展面向公众的高能天体物理科普宣传;⑦组织科学家使用卫星科学数据开展科学研究。根据上述任务要求,梳理了科学应用部分与外部的接口关系,并进行了功能划分和工作内容分解。

2.1 外部接口

科学应用部分的外部接口包括与任务支持部分、有效载荷及科学用户的接口。

(1)与任务支持部分的接口:主要包括长期、中期、短期、机会观测(To O)等的观测计划制定及计划执行情况,星上软件、参数更新计划,以及各级数据产品的交换等。

(2)与有效载荷的接口:主要包括有效载荷工作状态、性能参数的监测情况,有效载荷的在轨标定需求、标定计划及标定数据的分析结果等。

(3)与科学用户的接口:包括面向科学用户征集观测提案,以及观测完成后按照HXMT卫星的数据发布政策,向科学用户公开发布数据产品、标定数据库及相应的用户分析软件等。

2.2 功能组成

根据上述任务分析,将HXMT卫星科学应用部分按照功能划分为4个分系统,包括科学运行分系统、高级数据产品生成与标定分系统、科学研究支撑分系统和科学用户分系统。

(1)科学运行分系统的工作目标是保证有效载荷的正常运行和科学目标的实现,其主要任务是开展客座观测提案的技术可行性评估;综合考虑科学需求和有效载荷的工作模式,协调确定各仪器的观测模式,向任务支持部分提交有效载荷工作模式表、观测目标和观测时间要求;对卫星总体工作状态等进行记录与显示处理;对有效载荷数据等进行记录、初步分析和显示,开展有效载荷性能分析;对各有效载荷出现的故障进行协查;根据有效载荷的要求,完成仪器参数和星载软件的更新;负责对科学观测完成情况进行监测,保证科学观测计划的顺利执行。

(2)高级数据产品生成与标定分系统主要完成HXMT卫星工程和科学数据产品生成和标定、科学数据库和标定数据库建设、科学数据快视分析和标准分析等方面的工作。具体包括:各种科学数据、工程数据和辅助数据的接收、处理、修正、转化、存储、检索等操作;数据库和文件库的建设;数据产品内容、格式及产品流程设计;科学数据标定模型研究;标定数据库构建与标定数据处理;科学数据快视方法设计及软件实现;科学数据标准分析流程设计及软件实现等研究内容。此外,对于每一次观测,还需要完成数据质量报告。

(3)科学研究支撑分系统的主要任务是组建并运行HXMT卫星科学委员会的日常工作组;组织客座观测提案的评估;实现科学仿真能力;完成巡天观测数据的处理工作;完成数据处理方面的培训讲座;开展空间本底、数据分析误差研究;完成编写科学手册等科学工作。

(4)科学用户分系统的主要任务是收集提案,记录追踪提案处理的整个过程;提供观测数据的下载和检索;建设用户帮助管理系统,对用户在数据分析中遇到的问题提供技术支持;建设和维护HXMT卫星的主网站,及时通报科学成果、有效载荷状态、观测运行等项目信息。

2.3 主要工作

1)科学观测计划制定

要实现HXMT卫星的科学目标,必须落实、细化观测目标。HXMT卫星的观测任务来自以下几个方面。①实现核心科学目标的观测任务(定义为核心观测),主要包括小天区深度扫描观测和特定天体源的观测。②以确定仪器性能为目标的观测任务,包括定期进行的仪器定标观测等。③为数据分析工作提供支撑的观测任务,如以获取空间本底为目标的观测任务,包括对地观测、对空天区的观测等。④科学家提出的客座观测目标进行的观测,根据国际天文学界的惯例,科学家可以申请一些客座观测机会,HXMT卫星也将接收科学家的申请。⑤ToO任务主要是针对暂现源、爆发现象的观测。天体源的随机爆发现象往往蕴含着非常丰富的科学现象和规律,有深入研究的价值。越早获取这些观测信息,其研究价值越大。因此,一旦出现这种现象,需要尽快安排观测任务。

HXMT卫星科学观测计划的制定流程如图2所示。首先开展观测提案的征集和评审工作,获得批准的观测提案提交到科学运行分系统。科学运行分系统综合考虑观测目标的可见性、观测效率、卫星姿态、姿态机动时间等,制定长、中、短期观测需求时间线;考虑观测目标的辐射特征,制定数据存储模式;同时,根据有效载荷仪器组的要求提出有效载荷参数更新等需求。这些计划经过仿真确认后,定期提交任务运行分系统实施。

2)科学数据处理

首先,根据HXMT卫星不同的观测模式,制定不同的数据处理流程。例如扫描观测模式,对应的科学目标是获得大范围天空中源的信息(如源的位置、流强等),要对扫描时间、卫星姿态、卫星轨道及一些工程数据进行重新的组合和转换,这就需要研制针对性的处理流程,设计有针对性的数据格式。其次,X射线探测器获得的信号是经过探测器响应以后的数据,为获得入射光子的信息,必须研究探测器对不同入射光子的响应情况,这不仅需要探测器的地面标定数据,还需要处理在轨标定观测数据。另外,根据《HXMT卫星数据管理办法》,HXMT卫星的观测数据将面向国内外公开发布,并提供数据分析的用户支持,为了满足科学用户开展科学数据分析的个性化要求,需要制定探测事例的不同需求的选定策略,而且根据国际天文界通行的做法,需要研发与探测器性能、工作状态相关的软件,完成不同需求探测事例的选定需要。

科学数据由地面接收后,由任务支持部分对工程数据和科学数据进行预处理后发送到科学应用部分。科学应用部分将不同探测器、不同探测模式的观测数据转换成天文数据通用的格式(即fits格式);根据不同探测器的工作状态,生成不同的能量响应矩阵等标定文件;生成不同级别的数据产品,同时提供数据处理软件,并对科学用户的数据分析提供技术支持。另外,为快速发现并观测分析宇宙中的变源和暂现源,还要对有效载荷的数据进行科学快视分析,对暂现源进行监测。一旦发现有暂现源,就利用一个或几个轨道的观测数据对其进行粗略定位,并在必要时启动ToO。

3)有效载荷的监测

HXMT卫星望远镜在发射升空后,由于受到空间环境的影响,其工作温度、计数率水平及探测器的性能等,都与地面测试时不同,监测有效载荷工作状态,及时发现其性能变化和工作异常,保证其安全运行,是科学应用部分在卫星运行期间的主要工作之一。为保证卫星观测任务的实施,对有效载荷进行不同层次、不同数据、不同关注内容的全面监测。

图2 科学观测计划制定流程Fig.2 Workflow of scientific observation scheduling

(1)卫星总体层次的监测:对通过遥测数据信道下传的数据进行监测,从而实现对卫星和有效载荷的总体工作情况监测。

(2)有效载荷工作状态监测:利用接收到的工程数据,如电流、电压、温度、开关状态、探测器总计数率等参数,监测有效载荷状态,对一些异常情况进行快速反应。

(3)有效载荷性能监测:对卫星科学数据进行快速处理,得出不同时间间隔的能谱、时变,以及每个探测器(或每个CCD读出单元)上的计数率、能谱等,并结合遥测数据对探测器性能进行综合分析和评估,对探测器是否异常进行快速判别。

(4)有效载荷科学数据监测:对有效载荷的观测数据进行详细的科学分析,对探测器是否异常进行细致的判别,并提出有效载荷的标定建议。

(5)有效载荷在轨标定数据监测:包括对探测器的能量响应、探测效率、计数率等参数进行分析和监测。

3 应用情况

HXMT卫星发射升空后,进行了5个月3个阶段的在轨测试工作。①平台测试阶段,主要对卫星的整体功能和性能进行测试,同时完成有效载荷加电和部分工作模式测试;②有效载荷全面测试阶段,主要包括有效载荷功能、性能及各种观测模式和地面应用的测试,产生初步的标定数据库;③试运行阶段,主要优化有效载荷的各项工作参数、数据处理的各项工作参数和完成在轨标定的各项内容。

在轨测试工作期间,科学应用部分首先对有效载荷工作状态和性能监测情况进行全面测试,并根据在轨实测情况对有效载荷参数进行调整(共调整各类参数34次),以获得最佳探测结果。图3～5分别给出了科学应用部分对高能、中能和低能望远镜的几个探测器单元探测到的光子计数谱的监测结果,与理论预期一致,证明有效载荷在轨工作状态正常。为了进一步提高有效观测时间,增加HXMT卫星的科学产出,利用高能望远镜粒子监测器的实际探测结果,调整了南大西洋异常(SAA)区的范围(如图6所示)。

在观测计划制定与数据产品生成与处理方面,科学应用部分在轨测试阶段共制定了79个短期观测计划(其中9个ToO计划),对27个点源(超新星遗迹1个、孤立脉冲星3个、黑洞双星7个、中子星双星14个、空天区2个)进行了128次观测;对银道面小天区进行了159次扫描观测,并实现了共计5天的全天巡天观测。处理生成8个类别的数据产品,如表1所示。科学家利用这些数据分析得到了初步的科学成果:探测到超过100个伽马射线暴,实现了X射线脉冲星导航的在轨试验,监测到首个双中子星并合的引力波事件等[6-7]。

图3 高能望远镜探测器单元的光子计数谱Fig.3 Spectrum of high energy telescope detectors

图4 中能望远镜探测器单元的光子计数谱Fig.4 Spectrum of medium energy telescope detectors

图5 低能望远镜探测器单元的光子计数谱Fig.5 Spectrum of low energy telescope detectors

图6 SAA区范围的调整Fig.6 Adjustment of SAA area

表1 在轨测试阶段的数据产品生成情况Table 1 Data production during in-orbit test

在轨测试阶段的工作验证了科学应用部分工作正常,具备对有效载荷工作状态和性能的在轨监测、分析和参数调整能力,以及制定观测计划开展科学观测和数据处理、分析能力,为HXMT卫星正常运行并实现预定科学目标提供了重要保障。

4 结束语

本文从HXMT卫星的科学需求出发,给出了地面科学应用部分的设计,包括接口关系、功能划分及工作流程等,并利用在轨测试阶段的实际数据验证了设计的可行性,证明科学应用部分具备支持HXMT卫星科学产出的能力。

参考文献(References)

[1]李惕碚,吴枚．空间硬X射线调制望远镜[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)

[2]Zhang Shu,Lu Fangjun,Zhang Shuangnan,et al．Introduction to the hard X-ray modulation telescope[J]．Proc．SPIE,2014,9144:914421

[3]Zhang Shu,Zhang Shuangnan,Lu Fangjun,et al．The Insight-HXMT mission and its recent progresses[J]．Proc．SPIE,2018,10699:106991

[4]Li Xiaobo,Song Liming,Li Xufang,et al．In orbit calibration status of the Insight-HXMT[J]．Proc．SPIE,2018,10699:1069969

[5]Jia Shumei,Ma Xiang,Huang Yue,et al．Insight-HXMT science operations[J]．Proc．SPIE,2018,10704:107041

[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