[论文解读] The In-Flight Realtime Trigger and Localization Software of GECAM

Xiaoyun Zhao, S. L. Xiong+87 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 6

一句话总结

本文介绍了GECAM（2020年12月发射的天基伽马射线监测器）在轨实时触发与定位软件。该软件运行于EBOX中央处理器（CPU），在保持低延迟通过北斗系统下行传输的同时，对天体伽马射暴实现高触发效率，并有效抑制带电粒子和背景涨落引起的误触发，同时采用优化的定位算法，适用于短时和长时伽马射暴。

ABSTRACT

Realtime trigger and localization of bursts are the key functions of GECAM, which is an all-sky gamma-ray monitor launched in Dec 10, 2020. We developed a multifunctional trigger and localization software operating on the CPU of the GECAM electronic box (EBOX). This onboard software has the following features: high trigger efficiency for real celestial bursts with a suppression of false triggers caused by charged particle bursts and background fluctuation, dedicated localization algorithm optimized for short and long bursts respetively, short time latency of the trigger information which is downlinked throught the BeiDou satellite navigation System (BDS). This paper presents the detailed design and deveopment of this trigger and localization software system of GECAM, including the main functions, general design, workflow and algorithms, as well as the verification and demonstration of this software, including the on-ground trigger tests with simulated gamma-ray bursts made by a dedicated X-ray tube and the in-flight performance to real gamma-ray bursts and magnetar bursts.

研究动机与目标

• 通过星上处理实现在轨实时探测与定位伽马射暴（GRBs）和磁星暴。
• 在在轨运行期间，最大限度减少由带电粒子事件和背景涨落引起的误触发。
• 通过北斗卫星导航系统实现触发信息的低延迟传输。
• 开发并验证一种双模定位算法，针对短时和长时伽马射暴进行优化。
• 通过地面模拟GRB测试和真实天体暂现源的在轨数据，验证软件性能。

提出的方法

• 软件在GECAM电子盒（EBOX）的CPU上实现，用于对探测器数据进行实时处理。
• 采用多功能触发引擎，可区分真实的天体伽马射暴与仪器噪声及带电粒子背景。
• 针对短时和长时暴分别应用专用定位算法，根据暴的持续时间优化定位精度。
• 触发时间以高精度编码，并通过北斗卫星导航系统下行传输，确保低延迟。
• 系统利用多个探测器上的能量沉积模式，计算源方向和触发时间。
• 通过地面X射线管模拟和真实GRB及磁星暴的在轨数据对性能进行了验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低功耗、星上处理环境下，如何实现高效率且误报率低的实时伽马射暴探测？
• RQ2 哪些算法方法可在计算资源有限的星上环境中，实现对短时和长时伽马射暴的精确定位？
• RQ3 该系统如何利用北斗卫星系统实现触发信息的低延迟下行传输？
• RQ4 在轨运行期间，该软件在多大程度上抑制了带电粒子事件和背景涨落引起的误触发？
• RQ5 在模拟和真实天体暂现源测试中，触发与定位系统的性能表现如何？

主要发现

• 星上软件在实现真实天体暴高触发效率的同时，有效抑制了带电粒子事件和背景涨落引起的误触发。
• 系统展示了低延迟触发报告能力，触发信息通过北斗卫星系统实时下行传输。
• 双模定位算法成功为短时和长时伽马射暴提供了高精度的源方向估计。
• 使用专用X射线管的地面测试证实了软件正确识别和定位模拟伽马射暴的能力。
• 在轨性能通过真实伽马射暴和磁星暴数据得到验证，确认了系统在轨运行的鲁棒性与可靠性。
• 该软件满足所有实时运行的设计要求，包括低计算负载和在轨条件下高可靠性。