基于Spark分布式框架的海量星表数据时序重构方法研究

时序重构是时域天文学中的一个重要数据处理步骤,也是拟合光变曲线、开展时域分析研究的基础。Hadoop、Spark这类MapReduce分布式模型在执行过程中分布式集群节点间的任务比较独立,需要跨节点的数据传输量较少。提出了非阻塞异步执行流程,每个分布式进程完全针对独立天区的数据进行连续处理,而分块边缘的新增天体导致的其他节点的新增证认任务延时批量追加,并且会根据各进程间的进度不同确定追加方式,保证证认计算没有遗漏,从而在提高并发效率的同时保证算法的精度。此外,对两表间的不同Join策略从理论和实验两个角度进行了研究并提出了免Join策略。最后通过基于Spark分布式框架的高效时序重构系统的设计完成了以上研究的验证。实验表明,与以往研究结果相比,该时序重构算法效率提升明显,为时域天文学中的天文时序数据分析的开展打下了良好的基础。

BDS-3新频点信号双频精密单点定位精度分析

北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite System,BDS)已于2020年7月正式建成并开通,北斗三号(BDS-3)在旧信号B1I和B3I的基础上,增加了B1C、B2a新信号.为了全面评估BDS-3的新信号B1C、B2a的定位性能,试验了GPS (Global Positioning System)、BDS-3、BDS-2/BDS-3新旧信号的定位性能和BDS系统不同频点与GPS组合定位性能,对BDS (B1I+B3I、B1C/B2a)+GPS (L1+L2)组合静态PPP (Precise Point Positioning)定位性能进行分析,并与单卫星系统对比分析.试验结果表明:BDS-3 (B1C/B2a)在East (E)、North (N)、Up (U)方向的定位精度优于1.25 cm、0.89 cm、1.67 cm,BDS-3新旧频点在E、N方向上定位精度与GPS L1/L2在同一水平上,U方向上新频点定位精度高于GPS L1/L2和BDS-3旧频点,较旧频点定位精度提升了34.2%,新频点收敛时间25.9 min比旧频点提升了12.7%;相较于BDS、GPS单系统,组合系统BDS/GPS定位精度和收敛时间有了明显的提高,BDS-3 (B1C/B2a)+GPS在E、N方向上与BDS-3 (B1I/B3I)+GPS定位精度相当,在U方向上定位精度前者较后者有了明显的提升,提升了17.2%,组合系统新频点收敛时间20.1 min比旧频点提升了17.6%.

矮行星Haumea系统定心算法的探究

受地球大气影响,使用地基光学望远镜观测角距离较小的双星系统或主卫星系统时往往会出现星象不可分辨的情况.因此,系统光心位置与系统质心位置可能存在一定的偏差.准确地测量太阳系天体系统质心位置可以改进其轨道参数,有助于揭示太阳系的形成与演化.以矮行星Haumea及其亮卫星Hi’iaka的运动为例,仿真系统光心围绕质心扰动的过程,探究视宁度(用星象的半高全宽表示)变化对准确测量光心位置的影响.仿真结果表明,使用二维高斯定心算法测定的系统光心位置随视宁度变化,而修正矩定心算法的定心结果不受视宁度的影响.根据仿真结果,研究能够有效减少视宁度变化对光心位置准确测量影响的定心算法十分必要;同时,新的定心算法还需考虑主星光度变化的影响.使用云南天文台2.4 m望远镜, 1 m望远镜以及紫金山天文台姚安观测站0.8 m望远镜从2022年2月7日至2022年5月25日观测矮行星Haumea系统,得到29晚共463幅CCD图像.新定心算法确定的光心位置与使用二维高斯定心算法的结果相比具有更好的位置拟合效果.此外,还发现亮卫星Hi’iaka在Jet Propulsion Laboratory (JPL)历表与Institut de Mécanique Céleste et de Calcul des éphémérides (IMCCE)历表中的位置存在较大偏差.

不完备轮廓图像小天体三维重构算法

受光照角度的影响,探测器拍摄的小天体图像不完整,三维重构困难。针对此问题,提出了一种基于不完备轮廓的小天体三维重构算法。首先,利用Ostu算法对图像进行阈值分割,利用EDPF(edge drawing parameter free)算法提取不完备轮廓;其次,利用太阳的方位信息,结合不完备轮廓,考虑阴影的影响,保留被照亮区域和可能区域,计算出扩展轮廓;然后,利用一组扩展轮廓和投影矩阵,将三维包围盒的计算转化为线性不等式的求解;最后,划分体素实现小天体的三维重构。利用平均半径对重构结果与参考模型的豪斯多夫距离进行归一化,评价重构质量。仿真结果表明,重构误差小于4%的分布概率占95%以上,并对光照角度变化具有一定的鲁棒性。

深度学习语义分割方法用于双致密天体并合引力波数据处理研究

研究表明,基于深度学习的引力波搜寻,有望解决匹配滤波方法的低效率问题。与传统的匹配滤波引力波信号搜寻、基于贝叶斯后验或深度学习的波源参数估计方法相比,基于深度学习的端对端的引力波搜寻输出缺乏波源的时频信息,如双星并合信号到达时间和信号在探测站灵敏度区间的持续时间等。首次实现了深度学习用于应变信号时频点的细粒度分类,研究了基于图像语义分割的引力波搜寻方法。通过真实噪声和仿真物理信号合成数据,使用Q变换将其转换为时频图,构建像素级标注数据集。构建并训练时频图像语义分割模型,研究了其应用于引力波信号数据分析的可行性。结果表明语义分割方法未来有望作为基于深度学习的引力波信号搜寻流水线的一个组件,还可用于进一步提取信号的时频信息。

脉冲星导航试验卫星空间计时数据的初步分析

脉冲星导航试验卫星(X-ray pulsar-based navigation-1,XPNAV-1)是我国首颗致力于探索X射线脉冲星导航技术的空间试验平台,已在轨运行七年多,获得大批观测数据,本文收集了该卫星三年多的空间观测数据,开展了一些有益的技术探索.首先处理分析了卫星对Crab脉冲星观测数据,得到Crab脉冲星的每轨、每天和总脉冲轮廓,结果表明,在时间维度上脉冲轮廓是稳定的,与国内外观测结果一致性较好;其次得到Crab脉冲星不同能段脉冲轮廓,分析了脉冲轮廓随能量变化特征;在能量维度上,得到了Crab脉冲星在不同脉冲相位区间的能谱,发现能谱与相位区间的脉冲强度成正比,表明我国自主研制的聚焦型X射线探测器具备良好的技术状态,也实现了卫星精确地“看得见”脉冲星的试验目标.最后利用XPNAV-1卫星的三天观测数据,实现基于最小二乘算法的脉冲星导航试验解算,得到卫星轨道确定精度约为56.93 km,分析发现XPNAV-1星对Crab脉冲星观测误差和初始轨道误差对当前导航解算精度影响较大.

利用图像相关性搜寻运动目标

在天文图像处理领域,图像减法技术应用广泛。由于不同的大气条件、曝光时间和滤光片等原因,两幅图像无法直接进行图像相减。提出一种新的图像减法算法,其本质是从统计学上利用相关性消除两幅图像之间具有相似流量分布的部分,并保留具有不同流量分布的部分。该算法执行速度快,数值稳定且局部独立。基于本文算法,开发了一套以Python语言作为接口,C语言作为底层实现的图像减法代码。使用该算法以及其他3种类似的算法处理天文图像,试验结果表明,该算法能够在短时间内找出两幅图像之间的差异,并快速定位运动目标,同时具有良好的鲁棒性和位置测量稳定性。

基于文件的大规模星表高效索引与融合

大规模星表的快速检索是交叉证认、多波段数据融合、暂现源搜寻等任务实现的基础,尤其是大视场暂现源搜寻需要在一个曝光周期内完成观测结果与大规模星表的检索与交叉证认,以发现正在变化的天体。现有的大规模星表通常包含数十亿天体,为了在有限内存的情况下对其进行快速检索,提出了一套解决方案。通过使用基于HEALPix的多分辨率动态划分算法,能够将星表按照不同天区天体密度切分成大小合适且均匀的星表文件;进而在开源序列化组件Protocol Buffers基础上设计出一套针对星表的序列化方案,作为星表切分和检索时的中间存储介质,以尽可能提高检索时的速度。还尝试应用Peano-Hilbert编号代替HEALPix原有Z型编号顺序遍历星表,提高了缓存命中率,实现了对大规模星表的高效融合,方便对数据的后续利用与研究。

第三代国际天球参考架

第三代国际天球参考架(the 3rd realization of the International Celestial Reference Frame,ICRF3)于2019年1月1日起,代替其前代参考架第二代国际天球参考架(the 2nd realization of the International Celestial Reference Frame,ICRF2)成为最新的国际天球参考架,与国际天球参考系(the International Celestial Reference System,ICRS)在ICRF2的误差范围内指向一致。ICRF3发表后,在诸多领域中都发挥着至关重要的作用。ICRF3的新特点也给其数据的使用带来了影响。详细介绍ICRF3的基本性质,并对ICRF3的使用方法进行说明,还将ICRF3内部三个波段参考架,以及ICRF3与Gaia-CRF3进行了比较,检验了ICRF3参考架的稳定性,讨论了其中可能存在的系统误差。

云南天文台2.4 m望远镜几何扭曲变化初步探究

几何扭曲(Geometric Distortion,GD)是电荷耦合器件(Charge-Coupled Device,CCD)高精度测量不可忽略的因素,通常需要细致的观测工作导出,这必然占用宝贵的观测时间。利用丽江观测站2.4 m望远镜观测密集星场的CCD图像,初步发现了图像几何扭曲随天顶距(Zenith Distance,ZD)的变化规律。具体地,本文参考Gaia DR3星表提供的位置信息并进行数据归算,改正了较差颜色折射(Differential Color Refraction,DCR)效应,求解出不同观测时间CCD的几何扭曲模型,并使用四阶多项式拟合。结果表明,CCD图像的几何扭曲与观测时的天顶距存在一定的相关性。在像素x方向,几何扭曲模型四次项x^(4),x^(3)y,x^(2)y^(2)和xy^(3)、二次项x^(2)和xy与天顶距存在较明显的线性关系;在y方向,与天顶距存在线性关系的系数项为四次项x^(4)和xy^(3)、三次项xy^(2)和二次项xy。

Astrometry.net与SCAMP在天测位置定标中的应用研究

为探究Astrometry.net和SCAMP两款软件在天测位置定标时的应用差异以及以不同方式运行软件所得定标效果的差异,分别介绍了两款软件位置定标的原理,以ZTF(Zwicky Transient Facility)的100张巡天图像为测试图像,以Gaia DR2为参考星表,分别以4种不同的定标流程对测试图像进行了位置定标。从计算总耗时、星表匹配情况和坐标均方根(Root Mean Square,RMS)偏差3个方面,比较了不同流程所得定标的结果,同时也与ZTF给出的定标结果进行了对比。结果表明,Astrometry.net能够快速给出粗略的线性定标结果,SCAMP可以快速在前者的基础上直接进行扭曲修正,两者相结合的定标流程平均耗时仅为1 s,所得定标结果的平均赤经赤纬均方根偏差均小于70毫角秒(小于0.1个像素),优于仅使用Astrometry.net所得定标结果。由此可见,搭配使用Astrometry.net和SCAMP可以实现更快速且更准确的天测位置定标,可推广应用到时域天文巡天项目的数据处理上。

遥感SiCH-2卫星光学系统“猫眼”效应的卫星激光测距

乌克兰地球遥感卫星SiCH-2由2011年发射升空,目前已停止工作,处于失效失控状态,作为空间碎片目标由北美防空司令部(NORAD)提供两行根数(TLE)预报.本文分析了光学系统的“猫眼”效应,以上海天文台卫星激光测距(SLR)系统实现对SiCH-2卫星进行激光测距,测量回波强度大,测距精度优于10 cm.测距能力表明SiCH-2对激光反射回波达到合作目标带反射器的卫星激光测距水平,与光电探测设备“猫眼”效应分析的探测能力相当,测距数据结果表明该卫星处于自转状态,自转周期为4.3 s.本文国内外首次实现基于“猫眼”效应对在轨目标的激光测距,为远距离空间目标的探测提供了新的方法,促进高精度激光探测技术的应用发展,有利于对失效或轨道异常的光学系统类光电探测系列卫星进行监视监测.

中高轨卫星广播星历精度分析

GPS广播星历参数具有物理意义明确、参数少、精度高等优点,可以考虑将它应用于其他卫星导航系统。但是GPS系统的卫星构成比较单一,而其他卫星导航系统可能包含中地球轨道 (MEO)、倾斜地球同步轨道(IGSO)和地球静止轨道(GEO)等多种不同类型的中高轨卫星。分析了采用GPS广播星历参数时,MEO、IGSO和GEO卫星的广播星历拟合精度,特别讨论了轨道倾角接近于0的GEO卫星的广播星历拟合精度,并给出了相应的改进措施。计算表明,对于 MEO卫星,2 h的广播星历拟合精度(三维位置)可达厘米级;对于IGSO卫星和轨道倾角较大的GEO卫星,4 h的广播星历拟合精度约为0．1 m,径向位置误差在厘米量级;而对于轨道倾角接近于0的GEO卫星,若不采取特殊措施,由于轨道倾角和升交点经度统计相关,其广播星历拟合精度很差,为此提出了一种坐标转换方法。采用此方法后的广播星历拟合精度可达0．1 m,径向位置误差为厘米量级。

电离层延迟改正模型综述

电离层延迟改正模型通常可以分为广播星历用的预报模型、广域差分用的实时模型、后处理模型3类,不同应用要求需要选择不同的模型。主要比较分析了几种常用的电离层延迟改正模型: 用于广域差分中生成格网模型的三角级数模型、多项式模型、低阶球谐函数模型等都可以获得很好的改正效果,且这3种模型基本上是等价的;电离层延迟谐函数展开模型可以用来分析电离层长时间系列的变化特征;国际电离层参考模型IRI的改正精度一般可以达到60％的效果;而GPS 星历采用的Klobuchar模型的参数设置存在一些不足,对此提出了一些改进措施。

InSAR技术现状与应用

合成孔径雷达干涉测量(InSAR)是近期发展起来的一种新型空间对地观测技术。经相干处理,它把合成孔径雷达(SAR)产生的单视复数图像中的相位信息提取出来,给出目标点的三维信息。由于SAR具有全天候、全天时和对某些地物有一定穿透性等特点,使InSAR技术的潜在应用领域相当广泛,目前已经成为地学界相关研究的热点之一。介绍了SAR和InSAR的基本原理与发展概况,分析了InSAR测量模式的测高精度,着重讨论了InSAR技术的应用及其与天文地球动力学研究的相互促进关系。

GPS掩星折射率剖面一维变分同化

近年来,GPS／LEO(全球定位系统／低地球轨道)卫星无线电掩星技术给出了地球大气探测的新途径．从LEO卫星观测到的掩星数据可以反演的地球大气的气压、水汽、温度等剖面;它们对气象和大气科学研究,是具有潜在价值的数据资源．掩星数据资料的同化技术可以有效地改进这些气象参数的剖面,从而改进目前的数值天气预报模式．在当前采用的一维变分同化反演技术中,可以用掩星观测资料的大气折射率或弯曲角剖面进行同化,来反演大气水汽和温度剖面以及海平面压强．作为独立自主开发的GPD／LEO掩星技术系统的一部分,以欧洲中尺度天气预报分析(ECMWF)资料为背景场,CHAMP 掩星观测得到的折射率剖面为观测值,采用Levenberg—Marquardt方法实行GPS掩星资料一维变分同化．在讨论中,用掩星观测点附近相应的探空气球资料来检验CHAMP掩星资料变分同化的结果．

COSMIC掩星数据与L波段探空数据的对比分析

COSMIC(Constellation Observation System for Meteorology,Ionosphere and Climate)每天可以提供全球2000～3000条从40 km高空到近地面的大气温、压、湿的廓线资料,有效地弥补了常规探空资料在时间和空间上分辨率的不足。通过对2008年5月20日至2008年11月26日COSMIC资料与L波段探空秒数据进行比对,结果表明,在10 km高度以下,COSMIC反演的湿廓线资料与L波段探空数据偏差较小,温度偏差为-0.5℃,均方根误差为1.5℃;折射率偏差为1.4N,均方根误差为5.9N;气压偏差为2.0 hPa,均方根误差为4.7 hPa;水汽压偏差为0.1 hPa,均方根误差为1.1 hPa。COSMIC干廓线资料与L波段探空相比,在10～30 km高度内,温度偏差为-0.3℃,均方根误差为1.9℃;折射率偏差为0.4N,均方根误差为0.9N;气压偏差为1.4 hPa,均方根误差为2.6 hPa。表明COSMIC资料既具有较高的时空分辨率,又具有较好的精度,在数值模式中具有重要的潜在应用。

ITRF2005简介和评析

该文对最新的国际地球参考框架ITRF2005进行了简单介绍,指出了IFRF2000与ITRF 2005之间在解的生成、基准的定义和实现等方面的差别,特别评析了ITRF2005所作改进的理由和合理性,同时也指出了ITRF2005与ITRF2000一样,没有满足协议地球参考系(CTRS)的定向随时间的演化需遵循相对于地壳无整体旋转(NNR)的约束条件,并就此提出了解决办法。

Crab脉冲星X射线计时观测数据处理与分析

对我国公开发布的空间试验卫星X射线探测器观测Crab脉冲星的数据进行了处理与分析,描述了利用X射线脉冲星观测数据与卫星轨道数据建立积分脉冲轮廓与标准脉冲轮廓的方法,给出了在频域测量脉冲星脉冲到达时刻(toa)的原理方法与算法.利用每组观测数据,计算得到Crab脉冲星脉冲toa,通过与Crab脉冲星星历预报脉冲toa的比较,分析得到卫星载荷X射线探测器观测Crab脉冲星,在消除掉系统误差后,50 min积分时间的观测精度约14μs.

CCD漂移扫描的基本原理及在天文上的应用

简要回顾了CCD在天文观测上的发展历程，介绍了CCD漂移扫描观测模式的基本原理；分析了该技术的优点和不足；综述CCD漂移扫描技术的应用现状；最后简述国内在CCD漂移扫描技术上的应用研究现状及对该技术的展望。