CN109765636B - 空间x射线探测定位精度地面试验方法 - Google Patents
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Abstract
空间X射线探测定位精度地面试验方法，首先模拟望远镜图像重建精度，然后进行卫星姿态保障精度验证、望远镜指向变化影响验证，最后计算得到望远镜对空间X射线探测定位精度验证结果。本发明基于非位置敏感的准直型探测器直接解调方法，建立空间X射线探测定位精度地面试验方法及步骤，并利用卫星测试、真空热试验等试验项目验证空间X射线定位精度；利用非位置敏感准直型探测器点扩展函数与安装基准的变化关系，通过地面真空试验测量安装基准变化，验证了空间环境变化对空间X射线探测定位的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间X射线探测定位精度地面试验方法，适用于应用准直器型X射线望远镜的航天器在轨对未知X射线源位置确定精度的地面试验方法。
背景技术
X射线起源于天体上的高能物理过程，与高温、高密度、强磁场、强引力场等极端物理条件相关，是研究黑洞、中子星等天体性质的主要手段。地球大气会吸收X射线，所以对天体的X射线观测只能在大气之上进行。人类发现的第一个黑洞，天鹅座X-1，就是通过X射线探测到的。“1965年日本学者小田率先提出一种利用准直器型探测器定位天空中X射线源的方法，次年便将探测器发射上天，测得了第一个宇宙X射线源的位置”于是NASA立即认识到它的重要意义，4年后便将第一颗天文卫星Uhuru送入太空，实现了X射线巡天的开拓。因此，在X射线天体观测领域，发现和定位新的宇宙X射线源是重要工作之一。
硬X射线调制望远镜卫星一项重要工作就是对银河系巡天的工作，可能会发现一批以黑洞和中子星为主的新的天体源。因此，硬X射线调制望远镜卫星对发现新的X射线源和定位新X射线源的位置对科学任务的实现具有重要意义。
对于对地遥感卫星的定位精度主要依靠地面控制点和像点实现。但对于空间X射线受到大气吸收等条件限制则无法使用地面参照物实现对空间X射线观测卫星进行定位。
空间X射线源定位涉及空间X射线成像技术、卫星指向精度、稳定度、卫星平台结构稳定度等多种因素。X射线空间探测卫星主要包括聚焦成像望远镜、编码板成像望远镜以及准直型望远镜。聚焦型成像望远镜由于其成像精度高，可实现高精度的X射线源定位，但其目前只能应用于低能段。高能段主要使用编码板成像望远镜和准直型望远镜，虽然编码板型望远镜可直接对X射线源定位，但其系统相对复杂、造价较为昂贵。准直型望远镜一般无法直接对X射线源成像，因此无法对未知X射线源定位，但准直型探测器与直接解调成像方法相结合，可以对空间X射线源进行高精度成像，使得准直型望远镜也可以定位空间X射线源。对于准直型望远镜，由于不是对空间X射线源直接成像，而是利用多个准直型望远镜在扫描观测状态下观测空间目标的数据，通过地面数据处理获得空间X射线源的定位信息。
针对准直型望远镜对空间X射线源定位精度影响因素较多的特点，建立了理论分析方法，分析结果表明，影响主要包括卫星提供的指向基准信息(卫星的定姿精度、时间同步误差和姿态插值误差)、望远镜成像误差以及望远镜指向误差。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了空间X射线探测定位精度地面试验方法，针对准直型望远镜对空间X射线源定位精度影响因素多、验证环境条件模拟困难等情况，提出空间X射线探测定位精度地面试验方法，可解决非位置敏感准直型X射线望远镜卫星对宇宙空间X射线源定位精度验证问题，同时也可为空间直接成像类X射线探测卫星对空间X射线探测定位精度地面验证参考使用。
本发明的技术解决方案是：空间X射线探测定位精度地面试验方法，包括如下步骤：
(1)模拟望远镜图像重建精度；
(2)卫星姿态保障精度验证；
(3)望远镜指向变化影响验证；
(4)计算得到望远镜对空间X射线探测定位精度验证结果。
所述的模拟望远镜图像重建精度的方法为：
(1)模拟产生观测数据，然后对模拟数据进行直接解调成像，测量成像得到的点源峰高，计算本底区域中各个像素的平均高度和标准偏差，进而得到点源显著性，
(2)重复步骤(1)，分别得到各次成像对应的点源显著性，进而得到点源重建位置的坐标分布、图像重建精度。
所述的卫星姿态保障精度验证包括星敏陀螺联合定姿精度、时间同步误差、姿态数据插值误差，其中：星敏陀螺联合定姿精度包括高频误差项、低频误差项。
所述的高频误差项包括随机误差、短周期项，低频误差项包括长周期项。
所述的时间同步误差
其中，ω0为卫星姿态运动角速度
为卫星姿态稳定度。
所述的姿态数据插值误差
其中，Δtsyn2为卫星向载荷提供姿态数据的时间间隔，
为卫星姿态稳定度。
所述的卫星姿态保障精度
其中，δsyn1为时间同步误差。
所述的望远镜指向变化影响验证的方法为：
(1)建立热变形分析模型，计算望远镜在轨变形，得到望远镜在不同工作状态下变形分布，进行倾角传感器的布局；
(2)在整星热真空试验过程中利用倾角传感器开展准直器安装结构的多点变形测量，获得不同温度环境条件下安装结构的热变形数据
θx、
分别为准直器在卫星X方向和Y方向由于热变形引起的转角；
(3)分析热变形对望远镜PSF的影响，得到对应的点扩展函数
其中，a、b分别为探测器被照亮部分的长和宽；w、l分别为探测器的长和宽；
(4)获得多个准直器组成的望远镜整体点扩展函数，根据望远镜整体无变形状态下的点扩展函数、有变形状态下的点扩展函数，得到望远镜指向变化影响。
所述的望远镜对空间X射线探测定位精度验证结果
其中，δimg为卫星图像重建精度，δthem为望远镜指向变化影响。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明从直接调制解调方法出发，根据影响空间X射线源定位精度的因素，提出了空间X射线源定位精度误差地面验证方法。解决了准直型X射线望远镜对空间X射线探测定位精度地面验证的问题；
(2)本发明针对准直型望远镜对空间X射线源定位精度影响因素多、验证环境条件模拟困难等情况，提出空间X射线探测定位精度地面试验方法，可解决非位置敏感准直型X射线望远镜卫星对宇宙空间X射线源定位精度验证问题，同时也可为空间直接成像类X射线探测卫星对空间X射线探测定位精度地面验证参考使用；
(3)本发明利用直接解调成像方法，实现影响因素的并行验证，提升了验证的效率，且不依赖于地面靶标标定，不需要地面大型试验系统，仅利用目前常规验证设施即可实现准直型望远镜空间X射线探测定位精度验证；
(4)本发明基于非位置敏感的准直型探测器直接解调方法，建立空间X射线探测定位精度地面试验方法及步骤，并利用卫星测试、真空热试验等试验项目验证空间X射线定位精度；利用非位置敏感准直型探测器点扩展函数与安装基准的变化关系，通过地面真空试验测量安装基准变化，验证了空间环境变化对空间X射线探测定位的影响。
附图说明
图1为是本发明建立的空间X射线探测定位精度地面试验方法流程图；
图2是点扩展函数(PSF)计算示意图；
图3是卫星结构变形对点扩展函数(PSF)的影响示意图；
图4是准直器结构图；
图5是引入热变形前后总PSF变化情况。
具体实施方式
本发明针对现有技术相比的不足，提出一种空间X射线探测定位精度地面试验方法，从直接调制解调方法出发，根据影响空间X射线源定位精度的因素，提出了空间X射线源定位精度误差地面验证方法。解决了准直型X射线望远镜对空间X射线探测定位精度地面验证的问题。
本方法利用准直型望远镜直接解调成像方法中的统计学特性，即在地面成像处理过程中需要进行大量观测数据的统计，可以将望远镜对空间X射线探测定位过程中的卫星姿态基准信息、观测载荷望远镜独立成像观测能力信息以及望远镜的指向变化信息相互独立处理，最后综合三者的信息得到最后的定位精度。因此本地面试验方法主要包括三个部分：
(1)模拟望远镜图像重建精度
望远镜图像重建是基于对空间X射线探测定位精度模拟分析，获得在理想观测情况下，望远镜载荷经地面数据处理后X射线源定位能力；
(2)卫星姿态保障精度验证
基于卫星测试数据的卫星姿态信息验证，验证卫星姿态信息的保障能力，确认其是否满足任务需求；
(3)验证望远镜指向变化影响精度
开展望远镜指向变化测量试验，获得模拟在轨环境望远镜指向变化以及指向变化对望远镜点扩展函数的影响；
(4)根据(1)、(2)、(3)获得的结果，得到望远镜对空间X射线探测定位精度验证结果。下面结合附图对本发明方法进行更详细的解释和说明。
(1)模拟望远镜图像重建精度
图像重建精度是空间X射线探测定位精度重要组成部分，其涉及到直接解调成像方法、观测时间、观测的本底噪声等因素，在地面难以通过试验进行验证，因此通过数字仿真的方式开展验证工作。
图像重建对点源定位误差的影响是通过模拟分析得到的，以下是HXMT/HE扫描定位误差分析的结果。
模拟产生HXMT在Ty＝0.5年的巡天中对一个l×b＝12°×12°天区的观测数据。模拟中，取HXMT对1mCrab源20－250keV能区光子计数为3.1×10-4cm-2s-1，该天区的观测时间T＝Ty×365×24×l×b/41000小时，各向同性本底2.7×10-2cm-2s-1，在(0，0)处有一个不同强度的点源。
对模拟数据进行直接解调成像，测量成像得到的点源峰高hs，计算距(0，0)点及天区边界距离大于1.5度的区域(本底区域)各像素的平均高度hb和标准偏差σ，则点源显著性s＝(hs-hb)/σ。
重复上述模拟及成像过程100次。分别求出各次成像得到的源的显著性，然后从中找出显著性大于6的，统计它们的坐标分布。得到点源重建位置的坐标分布。计算每个位置到(0，0)的距离，可以得出不同流强的源的一倍标准偏差定位精度，如下表所列(表1)。
表1模拟计算得到的不同强度X射线源的定位精度误差，未考虑姿态测量精度影响
| 源强 | 定位误差 |
| 0.5mCrab | 0.12° |
| 1mCrab | 0.070° |
| 2mCrab | 0.05° |
| 3mCrab | 0.031° |
| 7.14mCrab | 0.015° |
| 10mCrab | 0.01° |
| 14.3mCrab | 0.006° |
则得到10mCrab源强的空间X射线源定位精度误差为0.01°
δimg＝36″
(2)卫星姿态保障精度验证
卫星姿态保障精度主要用于望远镜观测和数据处理过程中的基准信息，即载荷光轴指向测量精度。其影响因素较多，且直接同卫星设计相关，主要受以下几方面因素影响：星敏陀螺联合定姿精度、星敏与有效载荷对准精度、时间同步误差以及姿态数据插值误差。
a)星敏陀螺联合定姿精度
这部分误差主要由控制系统部件和姿态确定算法保证，包括高频误差项(含随机误差及短周期项)和低频误差项(长周期项)。HXMT卫星所采用的中等精度星敏感器，根据在轨实测数据高频误差项可以达到5″(单轴，1σ)；低频误差项约7″(单轴)，此项可以作为系统误差考虑。
b)时间同步误差
这部分误差主要是由于卫星的控制时间与星上标准时间的偏差Δt引起，同时与卫星的姿态稳定度和姿态运动角速度相关。
其中，Δtsyn1为卫星控制时间与星上标准时间的偏差
ω0为卫星姿态运动角速度
根据卫星测试，Δt可以控制在5ms以内，姿态稳定度
优于0.005°/s，姿态角度速度ω0优于0.063°/s，因此时间同步误差为：
卫星时间同步误差不大于5ms，由此造成的载荷光轴指向误差不超过1.5″(单轴，1σ)，属随机误差。
c)姿态数据插值误差
由于卫星会定时Δtsyn2向载荷提供姿态数据，载荷根据卫星提供的姿态数据进行统计分析计算，这样会带来卫星姿态指向误差。
其中，Δtsyn2为卫星向载荷提供姿态数据的时间间隔；
卫星每Δtsyn2＝0.5秒向载荷提供一次姿态数据进行计算，卫星姿态稳定度最大按
由数据插值带来的姿态指向误差估算为
由姿态数据插值误差造成的载荷光轴指向误差不大于3″(单轴，1σ)，属随机误差。
因此，卫星姿态影响空间X射线探测定位精度为：
(3)望远镜指向变化影响验证
HXMT卫星对天区的扫描成像问题可以归结为以下调制方程的求解问题。
其中:
f(j)为待求天区第j个单元X射线源的流强；
p(i,j)为第j个单元处的射线源对第i个指向的探测器的点扩展函数值；
d(i)为第i个指向的探测器的测量值；
n(i)为观测噪声及数据的统计误差。
可以看出在准直型望远镜成像观测中点扩展函数直接影响对空间X射线源成像和定位。对于准直型望远镜而言，点源扩展函数(Point Spread Function)描述了当望远镜轴向指向某一方向时，望远镜对被观测天区中各点的探测效率。如图2。
准直器的变形和安装准直器的基准结构变形是最大影响因素，因此需要地面开展验证试验，以确认整星对X射线源定位精度。准直型望远镜的点扩展函数(PSF)描述了当望远镜轴向指向某一方向时，望远镜对被观测天区中各点的探测效率。其可用于描述望远镜实际指向与卫星指向的偏差，如图3。
望远镜准直器是铝合金框架切槽后插入薄钽片形成密集栅格结构，如图4。栅格精度直接影响望远镜的点源扩展函数(PSF)，由于准直器多小栅格结构以及在卫星热真空试验过程中被覆盖多层、反符合探测器等设备，因此无法在整星热真空试验条件下测量其变形。根据准直器钽片设计，准直器具有防变形的自由边，因此只需要在加工和安装过程中保证其安装精度即可。此部分的引起望远镜点源扩展函数(PSF)的变化为常值系统误差，可以通过在轨标定方法去除。因此这部分误差不列入验证误差内。
根据空间X射线源定位精度分析方法，准直器安装结构基准的变化对空间X射线探测定位精度影响最大，而安装结构的变形与空间热环境直接相关，因此需要在整星热真空试验环境下，获得准直器安装结构的变形情况。利用多点布置倾角传感器系统实现对准直器安装结构变形的测量，得到准直器指向偏差，用于修正望远镜观测的点扩展函数(PSF)，用以验证空间X射线探测定位精度。具体内容包括以下内容：
a)建立热变形分析模型，计算望远镜在轨变形。获得望远镜在不同工作状态下变形分布，在适应望远镜结构特点的基础上，选择能够体现变形特点的有限点，进行倾角传感器的布局；
b)在整星热真空试验过程中利用倾角传感器测量系统开展准直器安装结构的多点变形测量，获得不同温度环境条件下安装结构的热变形数据
c)根据获得的不同位置、不同温度下安装结构的热变形数据
分析热变形对望远镜PSF的影响；准直型望远镜PSF计算见图2，可按照下列公式计算：
其中，
P为点扩展函数；
a、b分别为探测器被照亮部分的长和宽；
w、l分别为探测器的长和宽
θx、
分别为准直器在卫星X方向和Y方向由于热变形引起的转角。
在此基础上获得多个准直器组成的望远镜整体PSF，针对望远镜整体无变形状态下的PSF和有变形状态下的PSF的比对，可以获得热变形对空间X射线探测定位精度影响结果。
表2测得的准直器偏角值
对于硬X射线调制望远镜由于测得各准直器变形近中心对称，因此热变形对合成点扩展函数影响(δthem)较小，在X方向约0.1'，在Y方向约0.056'，即由于热变形导致的对高能探测器定位精度的影响不超过0.1'，考虑到分析的不确定因素，热变形对高能探测器定位精度(δthem)影响不超过0.2'
δthem＝12″
(4)根据(1)、(2)、(3)获得的结果，得到望远镜对空间X射线探测定位精度验证结果，误差采用各误差源的方和根方法进行计算。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (7)
1.空间X射线探测定位精度地面试验方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)模拟望远镜图像重建精度δimg；
(2)卫星姿态保障精度验证；
(3)望远镜指向变化影响验证，具体方法为：
(3.1)建立热变形分析模型，计算望远镜在轨变形，得到望远镜在不同工作状态下变形分布，进行倾角传感器的布局；
(3.2)在整星热真空试验过程中利用倾角传感器开展准直器安装结构的多点变形测量，获得不同温度环境条件下安装结构的热变形数据
θx、
分别为准直器在卫星X方向和Y方向由于热变形引起的转角；
(3.3)分析热变形对望远镜PSF的影响，得到对应的点扩展函数
其中，a、b分别为探测器被照亮部分的长和宽；w、l分别为探测器的长和宽；
(3.4)获得多个准直器组成的望远镜整体点扩展函数，根据望远镜整体无变形状态下的点扩展函数、有变形状态下的点扩展函数，得到望远镜指向变化影响δthem；
所述的望远镜对空间X射线探测定位精度验证结果为：
其中，δimg为卫星图像重建精度，δthem为望远镜指向变化影响，δsyn为卫星姿态保障精度；
(4)计算得到望远镜对空间X射线探测定位精度验证结果。
2.根据权利要求1所述的空间X射线探测定位精度地面试验方法，其特征在于：所述的模拟望远镜图像重建精度的方法为：
(1.1)模拟产生观测数据，然后对模拟数据进行直接解调成像，测量成像得到的点源峰高，计算本底区域中各个像素的平均高度和标准偏差，进而得到点源显著性；
(1.2)重复步骤(1.1)，分别得到各次成像对应的点源显著性，进而得到点源重建位置的坐标分布、图像重建精度。
3.根据权利要求1所述的空间X射线探测定位精度地面试验方法，其特征在于：所述的卫星姿态保障精度验证包括星敏陀螺联合定姿精度、时间同步误差、姿态数据插值误差，其中：星敏陀螺联合定姿精度包括高频误差项、低频误差项。
4.根据权利要求3所述的空间X射线探测定位精度地面试验方法，其特征在于：所述的高频误差项包括随机误差、短周期项，低频误差项包括长周期项。
5.根据权利要求4所述的空间X射线探测定位精度地面试验方法，其特征在于：所述的时间同步误差
其中，ω0为卫星姿态运动角速度，
为卫星姿态稳定度。
6.根据权利要求5所述的空间X射线探测定位精度地面试验方法，其特征在于：所述的姿态数据插值误差
其中，Δtsyn2为卫星向载荷提供姿态数据的时间间隔，
为卫星姿态稳定度。
7.根据权利要求6所述的空间X射线探测定位精度地面试验方法，其特征在于：所述的卫星姿态保障精度
其中，δsyn1为时间同步误差。
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