利用GECAM卫星Crab脉冲星观测数据的定轨分析

doi:10.7527/S1000-6893.2021.26641

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利用GECAM卫星Crab脉冲星观测数据的定轨分析

韩大炜(), 郑世界, 庹攸隶, 葛明玉, 宋黎明, 李新乔, 文向阳, 熊少林

中国科学院高能物理研究所粒子天体物理重点实验室，北京 100049

收稿日期:2021-11-09 修回日期:2021-12-04 接受日期:2022-04-08 出版日期:2023-02-15 发布日期:2022-04-24
通讯作者: 韩大炜 E-mail:dwhan@ihep.ac.cn
基金资助:
中国科学院空间科学战略性先导科技专项(XDA15360300);国家自然科学基金(U1838101)

Orbit determination analysis using Crab observation data of GECAM mission

Dawei HAN(), Shijie ZHENG, Youli TUO, Mingyu GE, Liming SONG, Xinqiao LI, Xiangyang WEN, Shaolin XIONG

Key Laboratory of Particle Astrophysics，The Institute of High Energy Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Received:2021-11-09 Revised:2021-12-04 Accepted:2022-04-08 Online:2023-02-15 Published:2022-04-24
Contact: Dawei HAN E-mail:dwhan@ihep.ac.cn
Supported by:
Strategic Priority Program on Space Science, the Chinese Academy of Sciences(XDA15360300);National Natural Science Foundation of China(U1838101)

摘要/Abstract

摘要：

怀柔一号引力波暴高能电磁对应体全天监测器（GECAM）卫星是中国探测引力波暴（GWBs）、快速射电暴（FRBs）和伽马射线暴（GRBs）等暴发现象高能电磁对应体的空间天文卫星。得益于使用硅光电倍增器代替传统器件的创新设计，GECAM在具有很高的时间分辨率（0.1 µs）、绝对时间精度（~3 µs）和很广视场的同时大幅减轻了重量。利用GECAM卫星的Crab观测数据，基于轨道动力学模型和脉冲星脉冲轮廓显著性分析的定轨算法（SEPO）开展了单脉冲星的定轨验证。结果表明该算法能实现对GECAM卫星B卫星的轨道进行定轨，利用40天的在轨观测数据可得定轨精度（99.7%置信度）如下：轨道半长轴精度为5.85 m，偏心率精度为0.000 121，轨道倾角精度为0.013 1°，升交点赤经精度为0.165°，近地点幅角精度为0.216°，平近地点角精度为0.217°。试验证明了用作伽马暴监视的微小卫星也可进行脉冲星定轨，为中国未来脉冲星空间定轨和导航提供了新的思路。

关键词: 怀柔一号, Crab脉冲星, 脉冲星导航, X射线, 轨道动力学

Abstract:

Huairou-I， the Gravitational Wave High-Energy Electromagnetic Counterpart All-Sky Monitor （GECAM） satellite， is used to monitor various types of Gravitational Wave Bursts （GWBs）， Fast Radio Bursts （FRBs）， and Gamma-Ray Bursts （GRBs）. Thanks to the novel design using silicon photoelectric multipliers instead of traditional devices in the GRD detector and electronics， GECAM features a high time resolution （0.1 μs）， time accuracy （~ 3 μs）， and wide field of view， and reduces the weight greatly. In this work， we report our results of testing pulsar navigation with GECAM observations. The Significance Enhancement of Pulse-profile with Orbit-dynamics （SEPO） algorithm combines orbit dynamics and pulsar profile analysis for the first time in China， which has been used in the POLAR and Insight-HXMT Satellite. With 40 days observations of the Crab pulsar， the GECAM-B orbit is determined successfully. The parameter values of the orbital elements are solved and the errors are estimated by the bootstrap method. The errors with 99.7% confidence are semi-major axis error of 5.85 m， eccentricity error of 0.000 121， inclination error of 0.013 1°， RAAN error of 0.165°， error for argument of perigee of 0.216°， and mean anomaly error of 0.217°. The experiment proves that the small satellites used for gamma-ray burst monitoring can be also used to determine the orbit by the pulsar， which provides a new idea for pulsar orbit determination and navigation in the future.

Key words: Huairou-I, Crab, pulsar navigation, X-ray, orbital dynamics

中图分类号:

韩大炜, 郑世界, 庹攸隶, 葛明玉, 宋黎明, 李新乔, 文向阳, 熊少林. 利用GECAM卫星Crab脉冲星观测数据的定轨分析[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526641-526641.

Dawei HAN, Shijie ZHENG, Youli TUO, Mingyu GE, Liming SONG, Xinqiao LI, Xiangyang WEN, Shaolin XIONG. Orbit determination analysis using Crab observation data of GECAM mission[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(3): 526641-526641.

图/表 9

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表1

图2

表2

图3

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表4

参考文献 22

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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参数	设置
探测器	溴化镧（LaBr₃）晶体与硅光电倍增管（SiPM）
	溴化镧（LaBr₃）晶体与硅光电倍增管（SiPM）
数量	25
几何探测面积（单体）	45.36 cm²
探测能区	5 keV~5 MeV
能量分辨率（半高全宽）	13%@59.5 keV
死时间	4 µs
时间分辨率	~0.1 μs
探测器相对时间误差	< 0.3 μs

动力学模型类型	说明或具体设置
静态动力场	WGS84_EGM96 （35×35）
潮汐扰动	固体潮（IERS 2003）
三体引力	日月引力
大气阻力	大气密度模型Jacchia Roberts
面质比	0.001 6 m²/kg

参数	最小值	最大值	搜索步长
半长轴/m	-50	50	5
偏心率	-0.001	0.003	0.000 2
轨道倾角/（°）	-0.10	0.10	0.01
升交点赤经/（°）	-1.0	1.0	0.1
近地点幅角/（°）	-1.0	1.0	0.1
平近地点角/（°）	-1.0	1.0	0.1

参数	半长轴/m	偏心率/10^-3	轨道倾角/（°）	升交点赤经/（°）	近地点幅角/（°）	平近地点角/（°）
GECAM卫星计算最优值偏离	-0.53	0.68	-0.000 01	0.001 7	0.003 5	0.003 4
GECAM卫星计算偏离的误差（3σ）	5.85	1.21	0.013 1	0.165	0.216	0.217
POLAR望远镜计算的最优值偏离^［11］	1.0	-25	0.003 2	-0.023	-0.002 4	-0.001 7
POLAR望远镜计算偏离的误差（3σ）^［11］	7	26	0.023	0.17	0.043	0.043
“慧眼”卫星所有望远镜5天计算的最优值偏离^［15］	5.25	-0.50	0.007	0.01	0.002	0.002
“慧眼”卫星所有望远镜5天计算偏离的误差（3σ）^［15］	6.40	0.52	0.01	0.03	0.04	0.04

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利用GECAM卫星Crab脉冲星观测数据的定轨分析

Orbit determination analysis using Crab observation data of GECAM mission

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