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依巴谷空间天体测量(van Leeuwen 1997)(第 7 节)  

2013-03-09 09:47:53|  分类: 外论选译 |  标签: |举报 |字号 订阅

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7. 数据流

主数据流有两个,另外还有几个副数据流。主数据流给出压缩后的主检测器(图像解析管)以及 BT VT 恒星成图器检测器的光子计数。这些数据构成了卫星每秒 23 千比特下行线路的一部分。副数据流给出陀螺仪读数、温度、实时姿态测定、推进器点火和各种状态信息。所有数据都由位于达姆斯塔特的欧洲空间运行中心接收和存档。

在欧洲空间运行中心,卫星的遥测信号被分割为各个数据流,并记录在磁带上,以便分发给各数据归算团组。一个《数据发送界面文件》定义了文件结构、类型和格式,它在项目开始实施之前就已经建立好了。皇家格林尼治天文台按照这些规定编写了模拟软件供 FAST NDAC TDAC 使用。一个星期所采集的数据一般要用 6 7 9 磁道的 6250 比特每英寸磁带来传送。在将近 3 年时间内,向皇家格林尼治天文台(给 NDAC)、国家空间研究中心(给 FAST)以及蒂宾根和海德堡(给 TDAC)每一处寄去了约 1300 盘磁带。在 1989 11 月到 1990 年底第一批观测进行期间,对界面和数据归算处理进行了测试,在此之后,从 1991 2 月起,就开始生成观测项目所有数据的磁带。最后一批磁带在 1993 12 月收到。每个团组的第一项任务是数据磁带的归档。在 FAST TDAC ,这些磁带被复制,并列出数据目录清单,数据归算使用的是复制磁带。在 NDAC ,数据被从磁带上转录到准备用于归算的数据存储器中,这些数据被保存在 WORM 型光盘上,能随机读取观测项目的全部数据。

在这些磁带上给出的数据流,按本评论的议题,其中四个数据流尤其令人感兴趣:

· 主检测器或图像解析管数据流,主检测器即图像解析管的数据流,含有压缩后的图像解析管计数以及某些事务管理信息,例如计数与星像之间的关联,以及为重构图像解析管瞬时视场指向所需要的详细情况(供给 NDAC FAST);

· 恒星成图器数据流,含有 250 组压缩后的 BT VT 波段光子计数样本,每一组样本的中心位于卫星姿态重构所用参考星预期的凌时间(供给 NDAC FAST);

· 第谷数据流,含有恒星成图器得到的连续数据流中压缩后的 BT VT 波段计数(只供给 TDAC);

· 卫星姿态数据流,含有星载计算机实时状态测定的详细数据(这使得重构卫星实际指向与星载计算机认为正确的指向之间的差成为可能)。这个文件还给出了推进器点火和陀螺仪读数的信息。

此外,还有一些文件给出卫星轨道的详情、事务管理数据(例如温度测量结果)以及太阳被地球或月球所食的时间纪录。科学数据文件在下文中更详细给出,这里先说光子计数的解压缩。

7.1. 光子数据的解压缩

所有光子计数由卫星传送到地面站,再由地面站传送到各归算团组,压缩成 1 字节(8 比特)的整数。压缩的规则是半对数、相加,当低于饱和时,噪声完全小于固有的泊松光子计数噪声。在解压缩时,还提供光电倍增管响应非线性的改正,在某种程度上就像是接近饱和时的效应。因此,解压缩使用表格,而不是使用星载计算机压缩计数时所用的数学形式。解压缩后响应的变换用强度传递函数(ITF)描述。每个强度传递函数的低强度段和中段强度段都测定得很好。高强度段饱和的影响开始显现,它在项目开始时使用项目中得到的非常明亮恒星的数据作了校准(见图 21)。

图像解析管本该把模拟观测模式用于 21 颗最亮的恒星(Hp < 1.5)。由于观测方案与光子计数和模拟模式转换之间存在同步误差,这一模式不能使用。其结果,这些最亮的恒星数据受到饱和影响,主要影响它们的测光结果。

恒星成图器数据以与图像解析管数据相同的方式压缩。然而,这里面受到饱和影响的是2.5 星等和更亮的恒星的光子计数。饱和还影响这些最亮恒星的天体测量结果(见图 34),但在这种情况下,这些数据完全被主项目的数据所取代。

 

依巴谷空间天体测量(van Leeuwen 1997)(第 7 节) - wangjj586 - 星海微萤

 

21.  图像解析管数据流实现的强度传递函数(ITF)的查证,使用最亮恒星的数据。对角线是对于完全解压缩计数预期的关系(去除了偏置)。最亮的那些恒星的计数,尤其是 -1.5 星等的天狼星,依然受到未改正饱和的影响。

 

 

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22.  瞬时视场的平均响应变化曲线。存在随恒星颜色和栅格位置的变化。

 

7.2. 图像解析管数据流

图像解析管(IDT)数据流由压缩后的以 1/1200 秒取样周期得到的光子计数组成。   按照标称的扫描速度(168.75 角秒·秒-1),8 个这样的取样周期大致等于扫过调制栅格上一条狭缝(1.2074 角秒)所需的时间。图像解析管的敏感区域称为瞬时视场(IFOV),它可以非常快地在栅格上移动,其直径约 30 角秒(见图 22)。它不能把两个视场的数据明显地区分开。但是,由于这一视场很小,出现在目标位置处瞬时视场中来自另一视场的附着星像相对来说是很罕见的。它们的影响在很大程度上取决于目标天体与附着星像之间的星等差。因此,通常暗星比亮星受到的干扰更明显。

 

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23.   在项目实施期间瞬时视场的观测指向准确度。此图表明重构瞬时视场指向离恒星像实际位置在标明半径以内的观测结果所占比例。只使用 9.5 角秒以内的观测结果,超出这一范围的观测结果被认为与星载姿态控制回路故障有关。卫星姿态、《输入星表》和栅格几何较准的整体改进导致了项目实施期间指向准确度的提高。项目实施的最后阶段由于陀螺仪故障而遭到坏姿态的损害。

 

取样周期以这样一种方式分组,使得在 32/15 秒一幅观测画面的时间内接近同时地得到多达 10 颗恒星的观测结果。这些观测的基本单元是“狭缝”,它等于 8 次取样所需的 1/150 秒时间,这是一颗恒星观测中连续取样的最少次数。以 20 条狭缝为一组,构成 2/15 秒的交错周期,分配给多达 10 颗在视场中可见的被观测恒星。分给每颗恒星的狭缝数取决于星等以及与其他恒星的对比(也见图 48)。16 个交错周期组成一幅观测画面,它等于图像解析管数据归算的单位时间间隔。在 16 个交错周期之间,可以实施多达三种不同的观测时间分配。这样,可以使得在扫过一幅画面的时段内做到有一颗恒星进入视场和有一颗恒星离开视场。这样的观测称为“部分观测”。只有较亮的恒星才会有部分观测。较暗的恒星只有“完整观测”,即在扫过整个观测画面期间都可见。

从一幅画面到下一幅画面恒星之间优先权的逆转有助于建立起观测时间适当的整体分布。这常常意味着为得到可靠的观测结果而需要有很多条狭缝观测数据的最暗的一些恒星只在交替的画面中进行观测。

瞬时视场的重新定位(从一颗星像移到另一颗星像)需要很短但不能忽略不计的时间。因此,重新定位后的第一个取样周期不能用于数据归算。瞬时视场的定位通过线圈电流控制,线圈电流的数值包括在本数据流中。线圈电流以规则的时间间隔较准;这些较准在数据磁带上以线圈电流较准矩阵(CCCM)的形式给出。这些数据可以用于指向的重构,并与最佳指向的后验重构比较。图 23 表明了在项目实施期间指向准确度的演变。

星载计算机使用地面站提供的恒星位置和优先权文件确定每个天体需花的观测时间量,并通过星载姿态重构看看哪一个天体是可见的并位于视场之内。这样的观测方案所造成的结果是每颗恒星观测的时间量是可变的,这反映在被归算数据的准确度中(见图 48)。

 

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24.  依巴谷的 Hp 通带归一化响应曲线(粗黑线),叠加在 BJ VJ RC IC 通带(自左至右)之上。

 

调制栅格产生一个由零阶(信号加背景)以及一阶和二阶正弦谐波调制组成的信号。天体测量数据由调制相位导出;平均强度和调制振幅给出了测光数据。单颗恒星调制振幅之间以及一阶和二阶谐波相位之间的关系是恒星颜色及其在视场中位置的函数。这类关系用一个经过较准的光学传递函数(OTF)来描述(见第 8.4.5 节),被用于识别有多于一颗星像重叠在一起的情形(无论是双星造成还是偶然重叠造成),在这些情况下这些关系将不再适用(见第 8.4 节)。

图像解析管的测光通带称为 Hp ,它是按照能够最佳地返回天体测量数据来设计的。因此它是一宽带,向红端延伸,但有效波长接近约翰逊的 VJ 波段。图 24 给出了 Hp 通带与约翰逊和卡曾斯Cousins)系统中一些通带的比较。图像解析管检测器的计数速率与恒星的星等、颜色以及在项目实施中的时间有关。在项目实施期间,由于图像解析管中的中继光学组件辐射变暗,检测器的响应下降。这种影响对于较短的波长最明显,并引起通带变化(见第 9.3 节)。对于 B - V = 0 8 等的恒星,在项目实施的初期,平均响应差不多为 7000 计数·秒-1,而在晚期下降到 4000 ;红星的相对下降则小得多(见图 84)。

7.3. 恒星成图器数据

恒星成图器数据流由两个狭缝组中任何四条狭缝检测到的两个视场的光得到。狭缝宽度为 0.9 角秒,狭缝垂直于扫描方向的长度为 40 角分。狭缝的间距选取得使狭缝在标称扫描速度(168.75 角秒·秒-1)情况下每隔 40 60 20 1/600 秒的取样周期相遇。在本次扫描速度情况下,一个取样周期相当于移动 0.28 角秒。在狭缝后的光分为两个通带,称为 BT VT ,或多或少类似于约翰逊系统的 B V 通带(见图 25)。

 

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25.  BT VT 通带(粗黑线)与 BJ VJ 通带(浅黑线)的比较。

 

 

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26.  一颗恒星在垂直狭缝组上凌的光电倍增管信号(蓝光通道)。取样周期为 600 赫。四个峰对应于四条间距不等的恒星成图器狭缝,由这些峰即可得出恒星的强度和凌的时间。这是对一颗 BT = 6.62 星等的恒星(HIP 35946)凌的观测。

 

恒星成图器数据按 25 个取样周期为一组分组,每一组历时 1/24 秒,相当于一幅遥测画面。256 组这样的数据构成一个遥测幅面(32/3 秒),它等于 5 32/15 秒的观测画面。第谷数据归算以遥测幅面为单位接收所有恒星成图器数据。NDAC FAST 只接收一部分数据,这些数据对应的恒星都足够亮,它们将用于地面的姿态重构处理。共提取了 10 组这样的数据,每一组由 25 次取样构成,中心在其中相应恒星预期的凌时间(根据实时姿态测定,见下节)。当星载姿态不正确和不收敛时,这意味着提取的样本将部分或完全地丧失凌的信号。数据流中提取的信号通过恒星的编号、狭缝组和凌的视场来识别。图 26 给出了一颗相对来说较亮的恒星解压缩后恒星成图器凌信号的例子。以这种方式提取的由两个狭缝组和两个视场产生的凌的平均数为每分钟 15 次。

 

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27.  冷气推进器产生的推力的演变。圆点表明了推进器造成的正的速度变化,而推进器产生的负的速度变化用圆圈表示。突变是由气体罐改变造成的,漂移是由于气体罐清空并略微过度补偿压强损失而造成的。

 

在第谷数据流中,用画幅计数器和地面站时间标记来识别记录,但凌的识别留给了 TDAC 团组。在一个画幅的恒星成图器数据(32/3 秒)中存在的凌的平均数,到极限星等 11 等为止,为 33 次,但变化很大。

7.4. 星载姿态数据

星载姿态信息以陀螺仪测量结果、推进器点火信息和星载实时姿态测定三个数据流的形式提供。对推进器点火时间以及在某种程度上还有其强度的了解,在数据归算中十分重要。推进器点火会引起卫星绕轴自转速率的突变,则必须在卫星姿态重构中加以考虑。以推进器点火的时间长度校准卫星绕轴转动惯性速率的变化,可以把约束施加在点火期间姿态的模拟中。此外,这些校准结果给出了对航天器工作情况的进一步洞察。图 27 表明了在整个项目实施期间这种校准的结果。从中可以辨别出各种不同的特征:

· 在第 900 天处的突变是由于冷气罐的变化造成的,当时 1 号罐几乎空了;

· 这些关系的斜率与气体罐的消耗有关,压强的减小被补偿过度了;

· 某些特征是由于航天器温度的变化造成的,其原因可能是非常长时间的日食。这里,由于温度下降造成的压强减小也被补偿过度,致使推力过大;

· 推力的变化,2 号罐可达约 2 倍大,可能与它在航天器平台上的位置有关;

· 推进的结果预计在 0.02 角秒·秒-1 以内。

推进器点火之发生在一幅观测画面开始的时候。在这样的一幅画面观测过程中采集的主项目数据均被抛弃。

卫星受到微陨石撞击,有时也会造成自转速率突变。这样的突变只能通过检查陀螺仪数据(NDAC ,在数据归算开始之前)或者根据姿态重构结果拟合很差(FAST NDAC)来识别。进一步的问题出现在每月陀螺仪作清空存储操作的时候(见图 28),当备用陀螺仪开始旋转起来的时候,会在卫星中产生突然的短暂转矩。这些情况也只能由陀螺仪数据识别,它们并未记录在遥测数据中。

 

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28.  由于一个陀螺仪清空存储操作造成的对惯性速率变化速率影响的一个例子。给出了 4 号陀螺仪的读数,校准到相对于标称扫描速度的速率。备用的 3 号陀螺仪自转起来的位置在 a 。它的自转轴对准 4 号陀螺仪的输入轴(平行于卫星的z轴),请注意它在加速之中。在位置 b 处备用的 3 号陀螺仪自转停下,造成了减速。速率的突变是推进器点火的结果,它也补偿了由清空存储操作造成的卫星角动量的变化。

 

实时姿态测定数据记录了卫星测定的它的三个主轴的指向以及围绕这些轴的惯性转动速率。这些数据每隔 16/15 秒给出,对于作为数据归算一部分的星载姿态重构收敛性和稳定性并因而科学数据品质和可靠性的检查来说非常有用。可以做的最直接的比较适于观测到的恒星成图器凌时间的比较(见第 8.1 节和图 29)。

 

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29.  观测到的凌时间与基于预测的实时姿态测定(RTAD)之差,以 600 赫取样周期表达。一个视场从开始起就收敛,第二个视场从第 2400 幅画面起收敛,此后观测到的凌时间与基于预测的实时姿态测定之间总的来说相符合。通过垂直狭缝的凌用方块表示,而对于倾斜狭缝,上面一支用三角表示,下面一支用星号表示。涂黑的符号属于前导视场,空心的符号属于后随视场。垂线标明推进器点火。

 

卫星星载实时姿态测定依据的是选定恒星凌的时间和陀螺仪数据。凌的时间用于测定指向的方向。对于通过垂直狭缝的凌来说,它们提供了扫描相位估计,而对于通过两个视场倾斜狭缝的凌来说,则提供了卫星自转轴的位置。在同一些测定结果中,根据观测到的位置变化,可以导出自转速率。这样得出的速率用于校准陀螺仪的星载漂移,作为采用的恒星成图器凌之间空隙的过渡。实时姿态测定的角度和速率可以通过地面站的命令覆盖掉。更新机制由一台卡尔曼Kalman)滤波器控制。

        (原文中的致谢和引用的参考文献目录从略,需要者请检索原文。译文仅供学习交流,严禁出版和商业使用。)

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