基于多重网格的射电源条纹搜索算法研究

空间甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Infertaro-meter, VLBI)是射电天文未来重要的发展方向,但其观测系统和轨道等不稳定因素会导致相关处理机所需的预报时延模型与实际时延相差较大,在这种情况下很难获得干涉条纹。提出了基于多重网格的射电源条纹搜索算法,可以在不使用时延模型的情况下,使相关处理机在较大范围内从原始数据中自动完成干涉条纹搜索,利用滑动窗口技术扩大搜索范围,多重网格技术提高搜索效率。实测数据表明,该算法能够在不依赖先验预报时延模型的情况下成功获得射电源干涉条纹。     

嫦娥四号VLBI群时延跳变研究

相时延处理软件是嫦娥四号(CE-4)任务甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)测轨分系统软件配置项之一,利用其处理着陆巡视器X波段DOR(Differential One-way Ranging)信号时,观测弧段(scan)内偶尔存在残余群时延跳变问题.论文主要分为两部分:一是根据VLBI信号接收和数据处理流程,从相关相位、频率、幅度和功率方面进行分析,最终将影响因素定位在昆明测站模拟信号异常;二是以scan内时延跳变影响因素分析为基础,通过修正异常基线相关相位,研究残余群时延跳变事后改正方法,并利用定轨软件验证其有效性,升级了相时延处理软件.     

利用国内VLBI网跟踪大椭圆轨道卫星

2004年7月,昆明VLBI站经过改造,由上海、乌鲁木齐和昆明站组成的中国VLBI网(CVN)采用统一的MARK4格式编制器和CVN硬盘记录系统,对大椭圆轨道卫星“探测1号”的2圈轨道的共同可视弧段进行了跟踪观测．软件相关处理程序已成功地用于检测卫星遥测信号的干涉条纹和数据相关处理．采用基于条纹幅度的加权最小二乘条纹拟合方法,获得了卫星VLBI观测量及其精度估计,完成了卫星VLBI观测量的3基线闭合误差检验．应用河外射电源校准方法和多频点相位校正信号提取方法,进行了台站钟差和仪器延迟等系统误差改正．经系统差改正后的卫星VLBI观测量序列已用于“探测1号”卫星的轨道确定．     

卫星定位精度对在轨甚低频干涉测量影响分析

由于地球电离层的阻挡以及其他干扰,在地面难以进行有效的甚低频天文观测,而使用搭载于绕地或绕月轨道卫星上的甚低频天线进行干涉观测会大大提高观测灵敏度和角分辨率.卫星定位精度会影响观测数据的处理结果,进而影响成图质量,并且会大幅影响飞行项目的复杂度和总成本.首先分析卫星姿态控制精度和星间基线测量精度对绕地轨道甚低频干涉观测的影响,之后对干涉观测中信号延时误差进行仿真,研究延时误差与数据相关处理中条纹搜索范围之间的关系,并对数据计算速度需求进行估算.分析和仿真结果可以辅助相关空间甚低频观测项目总体方案的制定和工程指标的优化.     

利用Halo轨道仿真开展嫦娥四号中继星与月面设备干涉基线的研究

初步建立了嫦娥四号中继星的晕轨道(Halo轨道)数值模型,将其应用于空间低频射电天文观测的干涉测量仿真,以地月拉格朗日平动点L_2区域的Halo轨道为基础,以发布的嫦娥四号中继星理论轨道为参考,校准和调整模型参数,通过时间和空间参考系统的变换,把轨道数据转换到L_2点旋转坐标系。然后对比Halo轨道模型与理论轨道数据之间的差别,对比模拟和理论数据分别与月面设备形成基线的长度,并对结果进行分析。两者在所分析的运行阶段,与月面设备联成基线的长度差在60 km以内,在高频频带基本满足干涉测量条纹搜索对基线初值精度的需求。     

乌鲁木齐天文站在月球探测同波束干涉测量中的作用

首先简要介绍同波束干涉测量技术,随后叙述中国科学院国家天文台乌鲁木齐天文站在2008年成功完成了约200 h日本月球卫星SELENE同波束较差甚长基线干涉测量,并阐述乌站在此次VLBI中的作用。给出利用SELENE的观测数据,分析、解算出乌站25 m天线与日本VERA网相关台站基线Rstar、Vstar的S1、S2、S3、X频段的较差相关相位、较差相关相位残差,以及对各频段的较差相关相位、较差相关相位残差比对,最后获得较差相位时延。结果显示,同波束甚长基线干涉测量比传统VLBI观测得到的群时延精度提高了1～2个量级。     

基于小波分析和神经网络的卫星钟差预报性能分析

为了有效地进行卫星钟差预报和更好地反映卫星钟差特性,提出了一种基于小波分析和神经网络的4阶段混合模型来实现卫星钟差的预报,并给出了基于小波分析和径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络进行卫星钟差预报的基本思想、预报模型和实施步骤.采用"滑动窗"划分数据,利用神经网络预测小波分解和去噪后的钟差序列各层系数,更精确地把握钟差序列复杂细致的变化规律,从而更好地逼近钟差序列.为验证该混合预报模型的可行性和有效性,利用GPS卫星钟差数据进行钟差预报精度分析,并将其与灰色系统模型和神经网络模型进行比较分析.仿真结果显示,该模型具有较好的预报精度,可为实时GPS动态精密单点定位提供较高精度的卫星钟差.     

脉冲星信号VLBI软件相关处理方法研究

脉冲星自发现以来一直是天文学家们关注的对象,甚长基线干涉测量(very long baseline interferometer,VLBI)更是以极高的角分辨率和灵敏度成为脉冲星研究的重要手段。为了使上海天文台现有的中国VLBI网(Chinese VLBI network,CVN)软件处理机能够处理脉冲星信号,讨论了用频率通道间时延补偿的方法实现非相干消色散,并通过加入矩形脉冲门同步信号,提取有效脉冲,提高了信噪比。然后改进现有CVN处理机结构,实现脉冲星信号的相关处理。最后,对脉冲位置搜索和脉冲星数据分箱(pulsar binning)技术做了初步分析与探索。VLBI数据处理结果表明此方法正确可行,能够消除色散,并获得脉冲星信号的相关处理条纹。     

S5 2007+777的射电性质研究

S5 2007+777是一个典型的低峰值频率的蝎虎天体,该天体具有kpc尺度的X射线喷流,文献中利用模型估算的方法,得出X射线波段的多普勒因子达到13.0,从而喷流尺度可以达到Mpc量级.在此,搜集了有关S5 2007+777的欧洲甚长基线射电干涉网(European VLBI Network, EVN)高分辨率档案数据、美国甚长基线射电干涉网(Very Long Baseline Array, VLBA) 15 GHz观测数据等,研究了喷流的射电结构、亮温度、自行等方面的性质,发现该源的甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)不同波段的喷流方向一致,但与文献中给出的kpc尺度的X射线喷流和甚大阵(Very Large Array, VLA)射电喷流方向存在一定的差异,说明该源的喷流辐射存在多普勒增亮效应.由VLBI观测得到的亮温度,估算了该源的射电多普勒因子的平均值及中值均为5.0,此值小于文献中X射线波段的多普勒因子,但与文献中利用其他方法得到的射电波段多普勒因子是一致的;另外,对多历元观测数据的拟合发现此源相同波段的各个成分在长历元上没有明显的自行,短历元上的自行甚至是视超光速运动.这可能是由低表面亮度成分中心位置的转移造成的.这同时也验证了之前估算的射电多普勒因子不是很大,小于X射线波段多普勒因子的结论.利用所得到的射电多普勒因子,发现该源具有较大尺度的本征射电喷流,可达到0.5 Mpc,由于这里使用的是均值,因此说明该源也有可能具有接近巨射电星系尺度的喷流.     

基于图像的天体搜索研究与自动化集成软件开发

天体搜索是天文数据处理流程的一个重要环节,也是以平方公里阵列射电望远镜(Square Kilometre Array, SKA)为代表的下一代射电望远镜在面向海量数据处理中的挑战之一.现今天体自动搜索算法、软件已日趋成熟并投入应用,不过在自动化、兼容性等方面仍具有提升空间.以更自动化、更适应海量数据需求的天体搜索算法研究为宗旨,以现有算法为研究基础,天体自动搜索软件系统得到设计和开发.该系统包含友好的交互式用户操作界面,具备可视化输出数据显示、兼容不同数据输入和输出并包含为实际应用服务的文件管理功能.该系统对于大天区图以及图像集,均能够很好地进行自动化处理.测试结果显示,上述方法对于天体搜索的改进有一定成效.后续将在此基础上对该集成系统做进一步的改进开发,以适应更多的需求.     

CVN硬盘系统和软件相关处理在e-VLBI试验中的应用

介绍了中国VLBI网（CVN）的e-VLBI技术研究进展．CVN包括上海佘山、乌鲁木齐南山2个固定观测站和云南昆明的流动站，以及上海天文台的2台站硬件相关处理机。2003年上海天文台自行研制了基于PC技术的VLBI数据记录、回放系统，命名为CVN硬盘系统，并成功将其安置于CVN观测站和处理机系统。硬件处理机经过改造后，已能处理来自硬盘和原有磁带系统的数据．从2003年至今，中国VLBI网采用该硬盘系统进行了多次VLBI观测和e-VLBI试验。在CVN硬盘系统基础上，软件相关处理技术的研究也得以开展。软件相关处理原型程序已经被用于台站条纹检测、卫星条纹搜索和数据处理中。该软件获得的计算结果被成功用于国内第一个3台站卫星VLBI的延迟和延迟率闭合试验，以及国内首次利用VLBI数据进行的卫星定轨试验。除此之外，该软件还用作硬件处理机的条纹引导器。为适应未来“嫦娥”月球探测工程，CVN将扩展成含有4个观测站和2个相关处理机（硬件、软件）的实时VLBI网。今后，e-VLBI将被应用于月球卫星导航以及测地和天体物理的VLBI观测。     

Fast radio burst search: cross spectrum vs. auto spectrum method

The search for fast radio bursts(FRBs) is a hot topic in current radio astronomy studies. In this work, we carry out a single pulse search with a very long baseline interferometry(VLBI) pulsar observation data set using both auto spectrum and cross spectrum search methods. The cross spectrum method,first proposed in Liu et al., maximizes the signal power by fully utilizing the fringe phase information of the baseline cross spectrum. The auto spectrum search method is based on the popular pulsar software package PRESTO, which extracts single pulses from the auto spectrum of each station. According to our comparison, the cross spectrum method is able to enhance the signal power and therefore extract single pulses from data contaminated by high levels of radio frequency interference(RFI), which makes it possible to carry out a search for FRBs in regular VLBI observations when RFI is present.     

The Study on the Group Delay Jumping of CE-4 VLBI System

The phase delay software is a key component of VLBI (Very Long Baseline Interferometry) orbit determination system in CE-4 mission, which is critical to deep space exploration. When processing X-band DOR (Differential One-way Ranging) signals of probes in the past, the group delay jumping occasionally occurred in the observed scan. This paper consists of two parts. First, according to the VLBI station signal reception and VLBI center data processing steps, we analyzed the frequency, phase, power, and self-correlation spectrum of the signal, and located the influencing factor at the abnormal analog signal of Kunming (KM) station. Second, the group delay jumping was revised by the post-correction method, which was based on the analysis of the abnormal unwrap phase. We used the corrected phase to get the new group delay, and used orbit determination software to verify the effectiveness of the post-correction method, which upgraded the phase delay processing software.     

基于实时多系统PPP模糊度固定的时间传递算法

随着RTS (Real-Time Service)工程的发展,时频用户可以运用实时精密单点定位(Precise Point Positioning, PPP)技术进行时间传递研究.作为RTS工程的主要参与者,CNES (Centre National d’Etudes Spatiales)分析中心开展PPPWIZARD (Precise Point Positioning with Integer and Zero-difference Ambiguity Resolution Demonstrator)工程验证实时PPP模糊度固定技术.为了探究多系统观测值和实时PPP模糊度固定对时间传递的性能提升,在综合GPS (Global Positioning System)、GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System)、 BDS (Bei Dou navigation System)和Galileo的多系统观测值的基础上,使用CNES分析中心播发的实时产品开展PPP时间传递验证实验,检验了4种不同PPP模式的工作性能.实验结果证明,在多种不同工作模式当中,综合运用多系统观测值和GPS模糊度固定技术进行PPP时间传递的标准差结果最小,标准差相比于传统GPS PPP时间传递平均下降38.1%.     

小倾角LEO多星天基平台光学跟踪GEO精密定轨

针对地基卫星测控系统(Tracking Telemetry and Command, TT&C)系统对地球静止轨道(Geostation-\lk ary Earth Orbit, GEO)卫星在空间和时间覆盖上的局限性, 提出小倾角低地球轨道(Low Earth Orbit, LEO)多星组网天基平台对GEO卫星进行跟踪定轨的方法. 根据空间环境和光学可视条件对仿真数据进行筛选以模拟真实的观测场景, 利用光学测角数据, 使用数值方法对GEO卫星的轨道进行确定. 结果与参考轨道进行重叠对比, 在平台轨道精度5 m、测量精度5rq\rq、 定轨弧长12 h的情况下, 两颗LEO卫星对GEO卫星进行跟踪定轨的精度可达到千米量级, 4颗LEO卫星对GEO目标进行跟踪定轨的精度可达到百米量级. 随着LEO组网卫星数量的增加, 定轨精度得到了较大的提高.     

Gaussianity of the cosmic microwave background: smooth goodness-of-fit tests applied to interferometric data

We adapt the smooth tests of goodness-of-fit developed by Rayner and Best to the study of the non-Gaussianity of interferometric observations of the cosmic microwave background (CMB). The interferometric measurements (visibilities) are transformed into signal-to-noise ratio eigenmodes, and then the method is applied directly in Fourier space. This transformation allows us to perform the analysis in different subsets of eigenmodes according to their signal-to-noise ratio level. The method can also deal with non-uniform or incomplete coverage of the UV plane. We explore here two possibilities: we analyse either the real and imaginary parts of the complex visibilities (Gaussianly distributed under the Gaussianity hypothesis) or their phases (uniformly distributed under the Gaussianity hypothesis). The power of the method in discriminating between Gaussian and non-Gaussian distributions is studied by using several kinds of non-Gaussian simulations. On the one hand, we introduce a certain degree of non-Gaussianity directly into the Fourier space using the Edgeworth expansion, and afterwards the desired correlation is introduced. On the other hand, we consider interferometric observations of a map with topological defects (cosmic strings). To these previous non-Gaussian simulations we add different noise levels and quantify the required signal-to-noise ratio necessary to achieve a detection of these non-Gaussian features. Finally, we have also studied the ability of the method to constrain the so-called non-linear coupling constant f _NL using χ² simulations. The whole method is illustrated here by application to simulated data from the Very Small Array interferometer.     

一种低噪声硅微条探测器读出电子学系统的设计

硅微条探测器空间分辨率高、工作性能稳定, 广泛地应用于空间高能粒子探测领域. 如费米gamma射线空间望远镜(Fermi Gamma-ray Space Telescope, FGST)以及阿尔法磁谱仪(Alpha Magnetic Spectrometer 2, AMS-02)的径迹探测器中都采用了高位置分辨率的硅微条探测器. 基于硅微条探测器在空间观测领域的应用前景, 针对硅微条探测器单元设计了一套低噪声的电子学读出系统. 整个电子学系统分为前端电子学、数据获取电路和上位机软件. 前端电子学为提高集成度, 采用了一款电荷读出芯片VATAGP8, 实现了多通道、低噪声的电荷信号测量; 数据获取电路使用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)实现了对前端电子学的时序控制以及对测量信号的采集控制; 上位机用来接收、处理数据获取电路采集的信号数据. 在对电子学通道的线性、基线、噪声等性能进行测试之后, 得到系统在0--200fC电荷输入范围内的线性增益约为13.41bin/fC, 积分非线性小于1%, 噪声小于0.093fC. 为了验证电子学读出系统对硅微条探测器单元的读出能力, 将两者集成在一起并测试了宇宙线缪子的能量沉积, 得到读出电子学系统的信噪比大于32, 缪子的电离损失能谱与Landau-Gaussian分布符合较好, 能够满足硅微条探测器单元读出电子学的设计要求.