POLAR 科学数据中心

1. POLAR科学数据中心 宋黎明 中国科学院高能物理研究所

2. 概要 基本介绍 科学中心工作 研制阶段 时间节点 结语

3. 科学目标 科学目标： 测量伽玛暴硬X射线/伽玛射线的线性偏振度以及偏振方向，研究伽玛暴的辐射环境、辐射机制。 探测器组成： POLAR由偏振探测器（OBOX）和电控箱（IBOX）两个部分组成。

4. 偏振测量原理 能量为50~500 keV范围内的硬X射线/伽玛射线与塑料闪烁体之间发生Compton散射。 伽玛光子在探测器阵列的某一根塑料闪烁体棒中发生第一次Compton散射，产生的反冲电子在该闪烁体棒中沉积能量，散射后的光子在另外一根塑料闪烁体棒中发生第二次Compton散射或光电，产生的反冲电子或光电子在该闪烁体棒中沉积能量。 直到散射光子被完全吸收或者逃逸出整个探测器阵列。

6. 载荷数据 POLAR能够获得的数据共有2类，即工程数据和科学数据。 工程数据之一----平台参数 包括时间信息、平台位置、经纬度、高度、速度、指向等平台相关的信息。 工程数据之二----数字量遥测 包括仪器的状态、时间、高低压电压值，温度、指令反馈等信息。

7. 工程数据之三---- 1553B链路的工程数据 包括时间、IBOX，OBOX状态，模块触发率、温度、OBOX指令反馈等信息。 工程数据之四---- LVDS链路的工程数据 LVDS链路的工程数据主要是OBOX的一些工程信息，如时间、指令反馈、模块温度、OBOX状态字、CT状态字、模块高压、阈值、计数率等信息。 科学数据： 科学数据通过LVDS链路发送至PDHU，包含的信息有模块的触发模式、计数率、触发模块的各通道的ADC道数等科学信息。

8. 数据量 POLAR入轨后，每年能探测到的GRB大约有100个，因此科学数据中主要为本底数据。 空间本底有效事例率为2.4 kHz，考虑标定源后，事例率大约为3 kHz。 POLAR每个事例数据平均长度为308字节（平均2个模块，每个模块每个事例为154字节），每天产生的科学数据大约为3.2 GB。 考虑工程数据与辅助数据后，每天总数据量大约为4 GB。

9. 科学数据中心—主要职责 POLAR科学数据中心（PSDC）的主要职责是以科学研究需求为依据，在首席科学家的领导下，组织开展科学研究；承担探测仪器的科学运行；完成科学数据和辅助数据的存储、处理工作；为用户分析数据提供支持。

10. 科学数据中心—具体任务 1）结合模拟仿真完成探测器的地面标定； 2）完成在轨运行方案的规划和设计； 3）完成观测数据、工程数据、辅助数据的格式设计； 4）通过工程量和科学数据开展有效载荷功能、性能的监测与研究； 5）处理观测数据，生成数据产品； 6）开发数据分析软件，为科学家提供数据分析的工具； 7）组织开展伽玛暴偏振理论研究。

11. 科学数据中心—科学运行 载荷在轨工作模式有正常工作模式、待机模式、维护模式、诊断模式以及关机模式。 正常工作模式包含伽玛暴模式和SAA模式。伽玛暴观测模式下支持伽玛暴偏振观测、在轨标定测量、本底观测等。在SAA模式下将关闭或降低MAPMT的高压。 载荷在轨科学、安全运行，需要具备以下能力： 1）保证各种观测模式顺利切换，快速调整观测计划， 2）利用平台参数及载荷数据对载荷工作状态进行快速分析，保证载荷安全； 3）载荷工作参数更新，保证载荷数据质量； 4）发出故障报警信号，并给出具体运控操作方案； 5）科学数据快视获取GRB预警信息。

12. 科学数据中心—数据产品化 TG-2应用总体部将下传数据处理成载荷数据原包，POLAR科学数据中心需要进行预处理、数据转换、数据标定等过程生成更高级的数据产品，供后续的分析使用。 数据产品生成包括数据的解包、解码、物理量转换、时间转换、科学工程信息融合、标定数据处理、数据标定、数据产品标准化等过程。

13. 科学数据中心—数据分析 1）数据产品：对载荷源包数据和工程辅助数据等进行解码、时间戳单位转换、物理量转换、数据标定、数据产品的标准化，生成用户能够使用的数据文件； 2）数据标定：通过对影响探测器性能的各种因素进行研究，形成参数化的标定模型；同时对地面标定、标定观测、标定源等数据进行分析，配合模拟计算产生并适时更新标定数据库； 3）用户数据分析软件：根据POLAR探测器的特点，对获取的事例进行标定，消除仪器对数据的影响，完成数据分析过程中的各个功能，如好时间段确定、光子挑选、本底扣除、调制曲线生成、物理结果提取等；同时提供多种与用户和数据的接口，保证物理结果的准确性和灵活性；

14. 科学数据中心—数据分析过程 和一般的空间天文数据处理不同，POLAR得到入射光子能量沉积信息只是数据处理的中间步骤，随后才能根据这些入射信息计算调制曲线，最后利用理论调制曲线和探测调制曲线的比值获得GRB的偏振信息。 1）伽玛暴时间窗口寻找； 2）本底处理； 3）有效事例判选； 4）将数据处理成调制曲线； 5）从调制曲线提取伽玛暴偏振信息； 6）误差分析。

15. 科学数据中心—数据管理 1）数据存储：建立统一的存储与数据库公共环境，实现POLAR在轨数据的近线、离线二级数据存储环境，为科学数据的安全存储、长期保存提供保障； 2）数据管理：建设POLAR科学数据库，对产生的各类数据进行分类存储与统一管理和长期保存，定期进行数据备份，确保数据的安全和完备； 3）任务宣传与科普：通过PSDC网站，发布任务背景、任务动态、研究成果等，开展公益性的科普宣传。

16. 科学数据中心—科学研究支撑 1）研制模拟软件：根据POLAR的物理设计、实验数据以及在轨运行条件等设计模拟软件，满足数据分析、仪器标定、本底研究和误差研究的要求； 2）误差研究：通过对模拟计算数据和观测数据的分析，对POLAR的科学探测能力、空间本底、数据分析误差等进行研究； 3）理论研究：联系各单位相关学者组成伽玛暴瞬时辐射偏振科学研究工作组，进行伽玛暴瞬时辐射偏振的理论研究； 4）支持科学委员会的日常工作。

17. 科学数据中心—科学用户需求 1）数据检索与发布：对尚未公开的数据进行查询和下载（仅限内部）；对发布的科学数据以及工程辅助数据进行查询和下载；对发布的标定数据进行查询和下载；对发布的标准调制曲线进行查询和下载；对用户数据分析软件进行下载； 2）帮助桌面：当科学用户对数据产品、数据分析过程及软件应用存在疑问时，可以通过帮助桌面提交问题，技术人员将及时予以回答，最后形成FAQ； 3）信息发布：为POLAR科学用户提供一个综合的信息服务平台，提供新闻、文档、论文等资料的发布功能，也为POLAR项目和国际天文界的良好交流提供一个窗口。

18. 科学数据中心-接口分析

19. 科学数据中心-组成

20. 科学数据中心-科学运行分系统

21. 科学数据中心-数据产品与标定

22. 科学数据中心-数据产品与标定

23. 高级数据产品生成与标定 数据接收与转发子系统 数据预处理子系统 技术处理子系统 标定数据处理子系统 数据快视子系统 科学处理子系统 数据产品生成子系统 科学数据中心-数据产品与标定

24. 科学数据中心-研究支撑

25. 科学数据中心-研究支撑

26. 科学数据中心-研究支撑

27. 科学数据中心-数据分析流程 1）从一级数据产品出发，挑选好时间段； 2）根据好时间段信息及POLAR事例挑选原则产生光子事例文件； 3）利用光子事例文件生成光变曲线； 4）从光变曲线中提取本底； 5）利用光子事例文件，通过POLAR数据处理算法生成观测调制曲线； 6）将观测到的源信息以及提取的本底作为输入，利用模拟软件得到模拟调制曲线； 7）将观测调制曲线与模拟结果进行比较，最终得到偏振度及偏振方向等物理结果。

28. 研制阶段

29. 各阶段任务分析 POLAR科学数据中心的建设工作分为系统设计，系统研制、在轨运行、任务后四个阶段： 系统设计阶段 方案设计：POLAR任务需求分析；与其他系统接口的技术协调；科学数据中心技术方案设计； 任务分解：根据总体技术方案，进行任务分解，规定研制进度，研制过程管理要求，形成建设任务书； 系统研制阶段 系统研制建设：明确系统的内外部接口，签订接口控制文档；制定数据管理归档计划和产品标准规范；科学数据中心非标软件研制（需求分析、设计、编码、测试）；科学数据中心标准软件、硬件建设（设计、采购、安装、测试）；科学数据中心软、硬件集成部署； 系统联试：科学数据中心参加与测控系统、卫星、科学数据中心之间进行对接实验；卫星工程各大系统研制完成后进行任务模拟运行，科学数据中心参加大系统联试，按照实际模式运行；科学数据中心预验收，技术状态准备就绪。

30. 任务运行阶段 在轨测试：卫星发射后需要进行卫星和有效载荷在轨功能、性能测试，以验证卫星和有效载荷的正确性，测试卫星和有效载荷的相关参数。科学数据中心参与卫星系统的在轨测试，并主要承担制定有效载荷在轨测试计划的任务，通过在轨测试数据进行在轨测试数据处理和载荷工作状态监视。 任务执行：卫星在轨期间，科学数据中心参加并支撑任务实施，提出观测模式要求执行相关科学探测任务，开展数据产品生成、在轨标定、数据产品归档与发布、信息发布与科普宣传、载荷工作状态监视等业务。 任务后阶段 卫星在轨寿命结束后，科学数据中心需完成相关的档案整理工作，进行系统总结，对科学数据及任务相关资料进行长期保存和永久归档，并继续提供长期的数据发布与用户支持服务。

31. 时间节点

32. 结语 通过标定准确还原入射光子信息、巡天数据成像、提供高质量的科学研究支撑等是地面应用系统的任务，任何工作上的失误都会对科学目标的实现造成影响，和硬件对科学目标的影响没有什么两样，因此要谨慎、细致、全面； 载荷研制与科学应用的结合是我们开展空间探测研究所具备的综合优势。要尽早开始探测器标定实验，这个工作不仅重要，而且可以更充分发挥探测器研制、物理模拟与数据分析结合的优势； 为保证科学目标的实现，需要开展数据分析误差、空间本底等方面的研究工作，地面应用系统将在建设数据处理流程的同时开展这些工作。