CN109683208B - 一种适应空间x射线源定位精度分析方法 - Google Patents

Abstract

一种适应空间X射线源定位精度分析方法，首先分解得到卫星对宇宙X射线源定位精度影响因素，并分为随机误差、***误差，然后根据***误差计算高能望远镜探测器、中能望远镜探测器、低能望远镜探测器对未知X射线源定位精度，最后确定得到未知X射线源定位精度。

Description

一种适应空间X射线源定位精度分析方法

技术领域

本发明设计一种宇宙空间X射线源的定位精度分析方法，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分析方法，尤其适合多波段联合观测X射线天文观测卫星对未知空间X射线源定位精度分析。

背景技术

空间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。

硬X射线成像技术。目前世界主要是聚焦型成像技术和编码板型成像技术，其中聚焦型主要在中低能段，编码板型主要在中高能段，但其方法均技术复杂、造价昂贵。我国学者李惜碚和同事提出了一种新的成像技术—直接解调方法。该方法可以使用便宜的仪器，得出更高图像分辨率。

在卫星平台技术方面，主要通过提高对卫星指向精度、稳定度以及卫星结构稳定性等方面要求，期望提高卫星对X射线源的定位精度，因此会大幅提高卫星的难度和成本。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适应空间X射线源定位精度分析方法，针对准直型望远镜对空间X射线源定位精度低、影响因素多导致的卫星对宇宙X射线源定位精度低的情况，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射线源定位精度分析问题，同时也可为空间直接成像类X射线探测卫星对宇宙空间X射线源定位精度分析参考使用。

本发明的技术解决方案是：一种适应空间X射线源定位精度分析方法，包括如下步骤：

(1)分解得到卫星对宇宙X射线源定位精度影响因素，并分为随机误差、***误差；

(2)根据***误差计算高能望远镜探测器、中能望远镜探测器、低能望远镜探测器对未知X射线源定位精度；

(3)确定得到未知X射线源定位精度分析。

所述的***误差包括安装测量误差δ_calib、在轨结构变形误差δ_syn5、高能望远镜探测器图像重建误差δ_{i_re_HE}、中能望远镜探测器图像重建误差δ_{i_re_ME}、低能望远镜探测器图像重建误差δ_{i_re_LE}。

所述的安装测量误差δ_calib包括星敏基准镜与载荷基准镜对准测量误差、星敏光轴与基准镜引出测量误差、载荷主光轴与基准镜引出测量误差、力学和重力造成的结构变形、星敏陀螺定姿误差。

所述的在轨结构变形误差δ_syn5包括高能探测器在轨结构变形δ_{syn5_HE}、中能探测器在轨结构变形δ_{syn5_ME}、低能探测器在轨结构变形δ_{syn5_LE}。

所述的卫星高能望远镜对未知X射线源定位精度

为

卫星中能望远镜对未知X射线源定位精度

为

卫星低能望远镜对未知X射线源定位精度

为、

所述的确定得到未知X射线源定位精度分析结果的方法为：

三组望远镜共同对未知X射线源定位的精度为

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明针对准直型望远镜对空间X射线源定位精度低、影响因素多导致的卫星对宇宙X射线源定位精度低的情况，解决非位置敏感准直型X射线望远镜卫星对宇宙空间X射线源定位精度分析问题，同时也可为空间直接成像类X射线探测卫星对宇宙空间X射线源定位精度分析参考使用；

(2)本发明给出影响宇宙X射线源定位精度的因素，并对影响因素的性质和误差进行分配，形成了宇宙X射线源定位精度误差体系。针对误差体系误差性质以及X射线望远镜的成像方法，提出多望远镜联合定位精度确定分析方法；

(3)本发明与现有技术相比，对卫星***需求低，在不明显提高卫星指向精度、姿态稳定度和结构温度稳定性的前提下，获得相对较高的对宇宙空间未知X射线源的定位精度；

(4)本发明与现有技术相比，不依赖于卫星在轨直接成像，不需要在轨直接成像信息，通过卫星扫描观测获得数据地面反演成像，即可实现误差的减低和消除；

(5)本发明与现有技术相比，可实现20keV能段以上的未知X射线源的高精度定位，硬X射线调制望远镜卫星的相对聚焦成像望远镜在高能段成像困难、编码板成像定位精度低，导致对高能段未知X射线源无法定位或定位精度低，本发明利用高能望远镜成像特点，实现高能段(20-250keV)未知X射线源的高精度定位。

附图说明

图1为X射线源定位精度影响因素分解图。

具体实施方式

本方法针对现有技术的不足，提出一种宇宙空间X射线源的定位精度分析方法，从我国学者建立的直接调制解调方法建造的我国首颗X射线天文探测卫星成像能力出发，给出影响宇宙X射线源定位精度的因素，并对影响因素的性质和误差进行分配，形成了宇宙X射线源定位精度误差体系。针对误差体系误差性质以及X射线望远镜的成像方法，提出多望远镜联合定位精度确定分析方法。

本方法利用空间X射线探测卫星惯性空间目标指向和非位置敏感准直型望远镜直接解调成像方法的特点，以及硬X射线调制望远镜卫星高能、中能、低能三组望远镜共同观测同一宇宙惯性目标的卫星设计特点，提出适用于宇宙空间X射线源定位精度分析方法，包括卫星对宇宙X射线源定位精度影响因素分解和误差消除方法两个部分。

1)卫星对宇宙X射线源定位精度影响因素分解

X射线望远镜为非位置敏感准直型望远镜，不像光学成像载荷可以通过对天空或地面已知目标成像独立确定自身的姿态，而是始终依赖卫星平台提供的望远镜光轴指向，并利用望远镜观测数据进行图像重建，最终确定宇宙空间X射线源的空间位置。

根据有效载荷工作原理，X射线源定位精度主要取决于以下两个方面：载荷光轴指向测量精度和有效载荷图像重建精度。

有效载荷图像重建精度(δ_{i_re})即为图像处理结果的不确定度，与有效载荷物理性能、X射线源自身的显著度、有效载荷物理性能以及观测数据处理误差密切相关。在地面设计阶段可认为望远镜在某一显示度X射线源的成像精度为某一确定值。

载荷光轴指向测量精度影响因素较多，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δ_at

这部分误差主要由控制***部件和姿态确定算法保证，包括高频误差项δ_atH(含随机误差及短周期项)和低频误差项δ_atL(长周期项)。

b)时间同步误差δ_syn1

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，Δt_syn1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

为卫星姿态稳定度

c)姿态数据插值误差δ_syn2

由于卫星会定时Δt_syn2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，Δt_syn2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

d)星敏与有效载荷的对准精度误差

这部分误差主要包括星敏感器和有效载荷安装测量误差δ_syn3、发射段力学和重力释放造成的结构变形δ_syn4、在轨结构变形等。

其中，星敏感器和有效载荷安装测量误差δ_syn3以及发射段力学和重力释放造成的结构变形δ_syn4为常值误差，卫星在轨运行后不会发生变化。

在轨结构变形主要是由于卫星在轨结构温度变化导致结构变形，其受到在轨结构的温度水平和结构的温度波动的影响，可通过地面试验测试、地面的仿真计算以及在宇宙空间的标定的方法来确定结构变形精度δ_syn5。

2)误差消除方法

在上述的影响宇宙空间X射线源定位精度的因素中,分为***误差和随机误差。

***误差中有一部分误差在轨不变化，另一部分误差随着卫星在轨环境的变化而变化，最主要的是温度变化。其中不变化***误差可通过在轨对已知位置的X射线强源扫描观测获得变化值(这里称为在轨标定)，对于变化的***误差，根据长周期值和短周期值相叠加的特点，将长周期值利用在轨标定的方法获得变化值，短周期项变化值，通过地面试验或仿真的办法获得。这种方法可以大幅度减小***误差对未知X射线源定位精度影响。

随机误差是通过利用卫星望远镜使用的直接解调成像方法消除。其方法是利用卫星扫描过程中望远镜获得的数据进行统计分析和反演成像，因此随机误差在大量数据的统计分析和反演成像过程中予以消除。

卫星配置三种准直型望远镜，利用三种望远镜可独立同时观测同一个目标区域的特点，可进一步降低观测误差的影响，提高卫星对宇宙空间未知X射线源的定位精度。下面结合附图对本发明方法进行更详细的解释和说明。

(1)按照卫星对宇宙X射线源定位精度影响因素分解方法获得影响因素误差值δ_as1、δ_as2、δ_syn1、δ_syn2、δ_syn3、δ_syn4、δ_syn5、δ_at、δ_fcons、δ_{i_re_HE}、δ_{i_re_ME}、δ_{i_re_LE}；

(2)如图1所示为X射线源定位精度影响因素分解图，按照影响因素分解方法和图1确认各误差因素的性质，获得随机误差和***误差；

(3)根据卫星成像原理，其是通过大量观测数据进行统计分析，因此卫星观测过程中的随机误差，通过卫星观测数据地面数据处理过程中消除，在空间X射线源定位误差中不考虑δ_atH、δ_fcons、δ_syn1、δ_syn2等4项随机误差；

(4)根据自身观测设备在轨定标精度以及地面试验或仿真结果，确定***误差δ_calib、δ_syn5、δ_{i_re_HE}、δ_{i_re_ME}和δ_{i_re_LE}，如表1所示为是三组望远镜误差分配和传递关系分解图；其中，δ_calib是卫星在轨标定残差，通过卫星在轨观测已知位置X射线源获得的卫星观测***误差，可将卫星***在轨不变化的***误差δ_as1、δ_as2、δ_syn3、δ_syn4、δ_at标定到δ_calib的精度；δ_syn5为在轨结构变形引起的定位精度误差，包括δ_{syn5_HE}、δ_{syn5_ME}、δ_{syn5_LE}三种望远镜在轨热变形引起的定位精度误差，通过地面整星热真空试验热变形测量以及对望远镜点扩展函数(PSF)的影响分析获得；δ_{i_re_HE}、δ_{i_re_ME}和δ_{i_re_LE}是三种望远镜图像重建的误差，通过地面仿真模拟获得；

(5)分别确定三组望远镜对未知X射线源定位精度。

其中，

为卫星高能望远镜对未知X射线源定位精度；

为卫星中能望远镜对未知X射线源定位精度；

为卫星低能望远镜对未知X射线源定位精度；

(6)利用三组望远镜共同对未知X射线源定位

表1三组望远镜误差分配和传递关系分解图

综上所述，本发明基于非位置敏感的准直型探测器直接解调方法，建立宇宙空间X射线源定位精度误差因素及其分析方法，并通过误差源性质分析和在轨定标的应用，消除随机误差以及降低***误差，实现了望远镜对未知X射线源定位精度；通过卫星多组空间X射线望远镜的联合观测，降低了卫星对未知X射线源的定位***误差，提高了卫星对空间X射线源的定位精度，具有很好的使用价值。

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 (4)

1.一种适应空间X射线源定位精度分析方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)分解得到卫星对宇宙X射线源定位精度影响因素，并分为随机误差、***误差；

(2)根据***误差计算高能望远镜探测器、中能望远镜探测器和低能望远镜探测器对未知X射线源定位精度；

(3)确定得到未知X射线源定位精度；

所述的***误差包括安装测量误差δ_calib、在轨结构变形误差δ_syn5、高能望远镜探测器图像重建误差δ_{i_re_HE}、中能望远镜探测器图像重建误差δ_{i_re_ME}和低能望远镜探测器图像重建误差δ_{i_re_LE}；

所述的安装测量误差δ_calib包括星敏基准镜与载荷基准镜对准测量误差、星敏光轴与基准镜引出测量误差、载荷主光轴与基准镜引出测量误差、力学和重力造成的结构变形和星敏陀螺定姿误差；

所述的在轨结构变形误差δ_syn5包括高能探测器在轨结构变形δ_{syn5_HE}、中能探测器在轨结构变形δ_{syn5_ME}和低能探测器在轨结构变形δ_{syn5_LE}；

所述的卫星高能望远镜对未知X射线源定位精度

为

卫星中能望远镜对未知X射线源定位精度

为

卫星低能望远镜对未知X射线源定位精度

为、

2.根据权利要求1所述的一种适应空间X射线源定位精度分析方法，其特征在于：所述的确定得到未知X射线源定位精度分析结果的方法为：

三组望远镜共同对未知X射线源定位的精度为

3.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-权利要求2任一所述方法的步骤。

4.一种适应空间X射线源定位精度分析终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如权利要求1-权利要求2任一所述方法的步骤。

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