关于北斗G2卫星的溯往追终

2022年1月, 失效的北斗G2卫星被实践21号卫星从地球静止轨道拖入了坟墓轨道. 为了这项捕获任务的安全实施, 需要预先确定北斗G2的旋转状态. 基于过去10 yr的测光观测数据展示了北斗G2卫星自转的演化过程. 根据北斗G2的自转速度和轨道的演化, 确认了在过去的10 yr里发生的6次异常事件. 据推测, 2012年的小碎片碰撞事件, 是随后几年燃油泄漏的导火索. 2017年之后剩余燃油完全释放, 再也没有出现转速异常. 将2014年太阳能帆板损坏和2016年的解体事件后建立的旋转动力学模型外推1 yr, 转轴的标准偏差小于3°, 转速标准偏差为0.11°· s^-1, 能够有效地满足捕获任务时刻旋转状态的精度要求.     

北斗亚欧全视时间比对试验

基于卫星导航双频时间传递型接收机的伪码观测量,利用国际全球卫星导航系统服务组织(International Global Navigation Satellite System (GNSS) Service, IGS)提供的高精度卫星轨道和钟差产品,实现了北斗全视法时间比对.以IGS提供的时间尺度为两个待比对站的公共参考时间,首先使用双频组合法消除电离层对伪距观测的影响,然后将对流层和地球自转效应带来的时延利用理论模型在伪码观测量中进行扣除,分别获得两个比对站时间与公共参考时间之差后,将2者再做差,便得到了北斗全视时间比对结果.以中国科学院国家授时中心(NTSC)、德国物理技术研究院(PTB)和西班牙海军天文台(ROA)所保持的国家标准时间作为比对对象,开展了长基线北斗全视时间比对试验,获得北斗全视时间传递结果,最后利用阿伦方差和时间方差两项关键性能指标以及卫星双向时间比对对其进行性能评估.结果表明:北斗全视时间比对的天稳为10-14量级,可以满足国际时间比对需求.     

太阳活动与太阳自转速率变化关系的分析

研究发现,太阳自转速率的变化与太阳活动之间存在一定的联系,但是不同学者的研究结论存在着矛盾:有的认为两者为正相关,而有的却认为是负相关.究竟两者之间是什么关系,需要做进一步深入的分析.利用EEMD (Ensemble Empirical Mode Decomposition)等方法对太阳自转速率和太阳黑子数据序列进行相关关系以及相位关系的计算和分析,以探讨太阳自转速率变化与太阳活动之间的关系.研究发现:两者的长期趋势项分量呈显著负相关;在11 yr左右周期分量上,观测到的太阳自转速率滞后太阳黑子的变化约2 yr时,呈显著负相关关系,超前3 yr时呈现次显著的正相关;对太阳活动第12–23周各周内部太阳黑子与太阳自转速率的相关分析表明,两者的关系比较复杂,但负相关关系更为显著.这为进一步理解太阳活动变化与太阳自转速率变化之间的成因联系提供了新的依据.     

基于无量纲的轨道参数开展卫星性质统计研究

目前已发现了285颗围绕太阳系八大行星公转的卫星, 它们的轨道和物理性质呈现了丰富多样性. 目前为止, 几乎所有的卫星研究工作都基于单个卫星系统或者卫星群, 似乎缺少统一的研究. 提出了一个新的与行星性质无关、只与恒星半径有关的轨道参数n, 定义为以太阳半径为单位的轨道半长轴的自然对数. 不同行星的卫星的n值都存在双极分布, 绝大部分卫星在$n\gtrsim2$区间, 其次在$n\lesssim-1$区间, 位于中间区域的行星则很少. 从卫星物理参数和轨道参数与n的关系中发现, 分属六大行星的卫星有明显的共同特征. 首先, 轨道偏心率和轨道倾角偏大的卫星的n值都在3.5左右, 它们都是巨行星的不规则卫星. 其次, n值在-1和1之间的卫星绝大部分体积大、质量大、反照率高、自转速度慢. 从文献中找到11颗系外卫星候选体, 获得了它们轨道n值和卫星质量, 发现后者也是在-1< n< 1区间最大,其他区间偏小.这些统一的 规律暗示,太阳系内不同行星的卫星形成机制以及太阳系外卫星的形成机制可能一样或类似.     

Flora小行星族自转特性研究

小行星族作为灾变碰撞的残留物,其基础物理性质提供了其母体以及后续演化信息.其中轨道以及自转特性分别反映了Yarkovsky效应以及Yarkovsky-O’Keefe-Radzievskii-Paddack效应(YORP效应)对于小行星族演化的影响.基于小行星光变数据库(Asteroid Lightcurve Database),通过对Flora小行星族自转速率分布进行研究,发现随着直径减小,族成员自转速率倾向于主要集中在3–5 d^-1的范围内.同时,可以注意到Flora小行星族整体表现出更倾向于顺行自转状态的现象,但对于轨道半长轴小于2.2au的成员来说,其顺行自转与逆行自转状态成员数目比接近于近地小行星中顺逆行自转状态源1:3的比例;此外,对于轨道半长轴大于2.2 au且具有顺行自转状态的部分族成员,在轨道半长轴-绝对星等分布中表现出聚集现象,并在聚集区域中有9颗成员展现出类似Slivan状态特征.     

热海王星系统HD 106315的近$2:1$ 平运动共振捕获与轨道演化

通过结合理论分析和数值模拟方法,可以对热海王星系统HD 106315轨道迁移中的近2:1平运动共振捕获机制以及潮汐作用下的演化过程进行研究.在轨道迁移阶段,初始轨道半长径、初始偏心率以及行星c的偏心率衰减系数K会对系统轨道构型产生影响.数值模拟结果显示当初始轨道半长径分别为ab～0.4 au、ac～0.8 au,偏心率eb和ec均小于0.03时, HD 106315b和HD 106315c在中央恒星的引力作用以及原行星盘粘滞作用下向内迁移, 65000 yr左右两颗行星均可迁移至当前观测位置附近并形成近2:1平运动共振捕获.此外,中央恒星的潮汐效应也可能会对行星系统共振构型产生影响,理论分析表明当行星潮汐耗散系数Q=100时,潮汐效应造成的轨道半长径衰减使系统轨道周期比发生的变化可能是系统脱离共振构型的原因.数值模拟结果显示, HD 106315系统内两颗行星Q103时,来自中央恒星的潮汐效应并不会使行星系统产生明显的偏心率和轨道半长径衰减,不足以使HD 106315行星系统在剩余寿命内脱离2:1平运动共振轨道构型.     

基于天文开源软件的卫星干涉测量数据处理系统

VLBI (Very Long Baseline Interferometry)技术观测卫星需要对干涉测量数据进行相关和后处理,通过相关、时延校准、条纹搜索,最终得到卫星的基线几何时延.基于天文开源软件建立起一套卫星干涉测量数据处理系统.该系统可工作在实时和事后两种状态,实现相关、中性大气、电离层、钟模型以及仪器硬件的时延校准、条纹搜索、生成基线时延和时延率序列.使用该系统处理北斗GEO (Geosynchronous Earth Orbit)卫星的干涉测量试验数据,得到了精度在1–2 ns量级的卫星基线时延序列.     

对月球形状的估算

1799年,Laplace发现月球的3个主惯量矩,与月球的轨道和自转状态并不相符.有些学者认为,这可能是现在的月球仍保留了早期的"化石"形状.大约在三十多亿年前,月球曾经离地球很近并且转得较快,然后月球逐渐迁移远离地球并且转动得慢了下来.在此迁移的较早时期,月球受到了引潮力和自转离心力的作用,成为一个椭球体.并且很快凝固.所幸的是,固态月球的岩石圈较为稳定,使我们现在仍然能够看到很早时期月球的形状.文中利用月球天平动参数以及引力场系数,计算了椭球体3个主向径a,b,c的长度和月球的平衡潮形状,得到如下3个结论:(1)开始时月球离地球是非常近的,大约在三十亿年前月球可能已经冷却和固化,现在的月球基本上保留了凝结时的形状.(2)证明了液态月球的潮汐形变是月球平衡潮高度的1.934倍.因此用月球引力场推算月球形状时,必需考虑到流体勒夫数hf=1.934的影响.(3)根据月球三个主轴a,6,c的长度之差,推算了月球临凝固时的月地距离为1.7455×1O8m,自转周期为3.652 day.从而推算出月球临凝固时的恒星月长度为8.34day.因此在月球凝结时,月球被锁定在与自转速率比为2:1的共振轨道上.     

短期威胁小行星

为更明确近地小行星撞击地球威胁的监测预警需求, 提出了"短期威胁小行星"的概念, 即未来100yr内可能对地球造成撞击威胁且等效直径大于10m的近地小行星. 以目前已发现的756颗短期威胁小行星为基础, 分析短期威胁小行星的轨道分布特点, 研究显示其与一般近地小行星的轨道分布存在差异, 短期威胁小行星的轨道半长轴更集中于1au, 轨道面更集中于黄道面. 基于近地小行星的数量模型, 初步建立了短期威胁小行星的数量估计模型, 并预估了未来100yr内存在撞击可能的短期威胁小行星的总体数量. 短期威胁小行星的特定研究对制定近地小行星搜巡监测策略有重要意义.     

北斗卫星导航系统SISURE初步评估

北斗导航系统自2018年12月27日提供全球服务以来,其服务性能受到了极大关注.以上海天文台iGMAS (International GNSS MonitoringAssessment System)分析中心发布的精密轨道、钟差产品作为基准,评估了2019年年积日3–12 d的北斗二号、北斗三号以及GPS广播星历的轨道、钟差和空间信号用户测距误差(Signal in Space User Ranging Error, SISURE,简称为URE),并且对北斗卫星导航系统结果进行了详细的分析.结果表明:在评估时间段内,北斗三号广播星历轨道精度、URE均明显优于北斗二号,且部分结果优于GPS.北斗三号广播星历轨道径向精度最高,优于0.2 m.北斗三号全部卫星URE均值优于0.4 m, URE RMS (root mean square)优于0.5 m.北斗二号每颗卫星URE均值、95%URE (置信度为95%的URE)、URE RMS小于2 m,北斗三号每颗卫星URE均值、95%URE、URE RMS小于1 m,均达到了系统公开承诺的服务性能标准.     

超导SIS混频器空间应用发射锁定机构热胀特性测量研究

高灵敏度太赫兹探测模块(High Sensitivity Terahertz Detection Module, HSTDM)是中国空间巡天望远镜---巡天光学设施的后端模块之一, 其核心探测器采用可工作于10K温区的氮化铌超导SIS (Superconductor Insulator Superconductor)混频器. 超导SIS混频前端的锁定机构在力学和热学方面需相应的特殊设计, 以应对发射阶段的力学振动以及工作运行阶段的隔热要求. 为了确认在80K温区锁定机构与混频器前端有效分离, 针对超导SIS混频前端发射锁定机构所用特氟龙材料热胀特性, 开展基于低温LVDT (Linear Variable Differential Transformer)测量和标记划痕法测量以及两种测量方法交叉验证. LVDT实验测量结果表明特氟龙材料收缩率随温度变化与理论模型基本一致, 在80K测得材料收缩率为1.86%. 据此分析, 超导SIS混频前端锁定机构在\lk 80K温度下可与10K冷级的超导SIS混频前端实现有效分离.     

Construction of Wide Field Cryogenic Telescope

We constructed a wide field cryogenic telescope (WFCT) containing a whole Ritchey-Chrétien system and a focal plane array in a cryostat for near infrared observations to cover the field of view of 0.4°. The telescope has a primary mirror of 220 mm and an engineering grade 256 × 256 InSb array. The optical components such as two mirrors, filters, spiders, and radiation shield tube are cooled down to 180 K as well as the InSb array to 35 K by a mechanical refrigerator. We show the results of the background surface brightnesses and the limiting magnitudes at 3.3 and 3.67 μm measured at Sutherland, South Africa. We describe the on-going upgrade of this instrument, equipped with a 1024 × 1024 ALADDIN InSb science grade array. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

ASO-S/FMG稳像系统的柔性支撑摆镜设计与仿真

全日面矢量磁像仪(Full-disk vector MagnetoGraph, FMG)是先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)的主载荷之一,摆镜作为FMG稳像系统的重要组成部分,其力学性能是决定载荷观测指标的重要一环,需要对其进行仿真.设计了一种侧面固定的柔性支撑镜体结构,通过调整垫片厚度,可以得到由弹性压片提供的不同大小支持力.为了确定合理的支持力范围,建立3种不同参数模型,使用有限元软件对摆镜模型进行了在轨无重力环境的静力学仿真以及摆镜摆动频率为100 Hz、摆幅为±0.1 mrad时的动力学仿真,并进一步分析了地面有重力试验环境对面形的影响.仿真结果表明所设计的摆镜机构模型均满足通光口径内静态和动态的面形波峰波谷差(PeakValley, PV)小于1/10波长,面形均方根误差(Root Mean Square, RMS)小于1/40波长的光学系统要求,地面有重力环境不会对面形产生显著影响.在仿真结果的基础上,对其中一种模型进行加工装配和实际测试,测试结果表明摆镜结构设计合理,仿真计算结果有效.     

Detectors For Space Science

The design of detector systems for flight applications requires the consideration of a number of issues unique to space instrumentation. Flight detectors must endure hostile radiation environments and thermal extremes. Paramount importance is given to reliability since inflight replacement is at best difficult and usually impossible. Flight detectors are also significant cost and design drivers since they often determine key requirements for flight instruments such as volume, mass, power consumption, heat dissipation and communications budgets. In this paper we describe the primary concerns in developing flight detector systems, and review the challenges posed by future NASA and ESA space science missions for detector development.     

A cryogenic payload for the 3rd generation of gravitational wave interferometers

Thermal noise is a limiting factor of interferometric gravitational wave detectors sensitivity in the low and intermediate frequency range. A concrete possibility for beating this limit, is represented by the development of a cryogenic last stage suspension to be integrated within a complex seismic isolation system. To this purpose a last stage payload prototype has been designed and built. It has been suspended within a dedicated cryostat with the same technique adopted for the VIRGO payload and making use of two thin wires in a cradle configuration to support a mirror made of silicon.The cooling strategy, the thermal behaviour and the system mechanical response have been deeply studied while a measurement characterization campaign has been performed both at room temperature and at cryogenic temperature. In this paper, the preliminary results obtained together with the first cooling down of the 300 kg overall mass payload at about 25 K, are reported. This study will play a driving role in the design of the third generation gravitational wave detector.     

射电天文4—40GHz超宽带低噪声放大器设计

超宽带接收机面临众多技术挑战,而关键技术难点之一是超宽带低噪声放大器.采用以砷化镓材料为基底的70 nm栅长改性高电子迁移率晶体管和双电源偏置4级放大电路结构,设计了一款4–40 GHz超宽带低噪声单片微波集成放大器,完整覆盖C、X、Ku、K、Ka共5个波段.设计仿真结果表明,该放大器增益为(40±2.5) dB,常温下噪声温度平均95 K, 4–12.5 GHz噪声温度全频带低于83 K,直流功耗130.5 mW.整个频带内输入反射系数典型值-10 d B,输出反射系数典型值-15 d B,全频带范围内稳定,无自激振荡现象.该器件可做为前置放大器,应用于超宽带接收机和大规模多波束接收机中,可有效提高射电望远镜观测效率.     

光学-近红外相机CASCAM的机械设计

光学近红外相机CASCAM(Chinese Academy of Sciences．Camera)采用光学CCD和近红外阵列HAWMH-1(HgCdTe Astronomical Wide Area Infrared Imaging)探测器，配备兴隆2．16m望远镜可同时进行光学、近红外成像和偏振观测。CASCAM的机械系统主要包括光学箱、真空箱以及致冷设计。其中光学箱是相机光学系统和探测器的载体，同时防止来自光学箱外部的红外热辐射；真空箱位于光学箱外部，它是整个系统的机械支撑，保证相机有良好的真空密封性能，并和真空泵、冷冻机一起构成了相机的致冷系统。     

The graininess of dark matter haloes

We use the recently completed one billion particle Via Lactea II Λ cold dark matter simulation to investigate local properties like density, mean velocity, velocity dispersion, anisotropy, orientation and shape of the velocity dispersion ellipsoid, as well as the structure in velocity space of dark matter haloes. We show that at the same radial distance from the halo centre, these properties can deviate by orders of magnitude from the canonical, spherically averaged values, a variation that can only be partly explained by triaxiality and the presence of subhaloes. The mass density appears smooth in the central relaxed regions but spans four orders of magnitude in the outskirts, both because of the presence of subhaloes as well as of underdense regions and holes in the matter distribution. In the inner regions, the local velocity dispersion ellipsoid is aligned with the shape ellipsoid of the halo. This is not true in the outer parts where the orientation becomes more isotropic. The clumpy structure in local velocity space of the outer halo cannot be well described by a smooth multivariate normal distribution. Via Lactea II also shows the presence of cold streams made visible by their high 6D phase space density. Generally, the structure of dark matter haloes shows a high degree of graininess in phase space that cannot be described by a smooth distribution function.     

The missing soft X-ray luminosity in cluster cooling flows

The gas temperature in the cores of many clusters of galaxies drops inward by about a factor of 3 or more within the central 100-kpc radius. The radiative cooling time drops over the same region from 5 or more Gyr down to below a few 10⁸ yr. Although this indicates that cooling flows are taking place, XMM-Newton spectra show no evidence for strong mass cooling rates of gas below  1–2 keV  . The soft X-ray luminosity expected from steady cooling flows is missing. Here we outline and test the energetics of a cold mixing model in which gas below  1–2 keV  falls from the flow and is rapidly cooled by mixing with cold gas. The missing X-ray luminosity can emerge in the ultraviolet, optical and infrared bands, where strong emission nebulosities are commonly seen. We explore further the requirements for any heat sources that balance the radiative cooling in cluster cores.