姜坤，焦文海，郝曉龍，劉瑩，王奕迪，張新源，國際

1．北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094 2．中國科學院 空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094 3．國防科技大學 空天科學學院，長沙 410073 4．中國空間技術研究院，北京 100094

X射線脈沖星屬于高速旋轉(zhuǎn)的中子星，具有極其穩(wěn)定的自轉(zhuǎn)周期性［1］，能為深空探測和星際飛行航天器提供位置、速度、時間和姿態(tài)等高精度導航信息［2-5］。相比地面深空網(wǎng)，X射線脈沖星導航技術在木星以遠的星際空間具有精度比較優(yōu)勢，能為深空探測器提供自主導航服務，是航天技術前沿研究領域，具有重要的戰(zhàn)略意義［6-7］。

自20世紀70年代起，美國、歐洲等國家和地區(qū)相繼開展脈沖星導航理論和相關技術研究并制定了一系列空間試驗計劃［8-11］。2017年6月，美國將中子星內(nèi)部組成探測器（NICER）部署到國際空間站，作為空間站的外裝有效載荷開展空間站X射線授時及導航技術探測（SEXTENT）試驗［12］。2017年11月NASA團隊 通 過 對J0218+4232、B1821-24、J0030+0451、J0437-47154顆毫秒脈沖星的序貫觀測，利用星載導航算法計算了NICER探測器的空間位置；通過與星載GPS結(jié)果對比表明，利用脈沖星導航在絕大多數(shù)時間內(nèi)可實現(xiàn)優(yōu)于16.0 km的定位精度，其中部分數(shù)據(jù)的定位精度優(yōu)于4.8 km，驗證了X射線脈沖星導航的技術可行性［12］。

2004年起，中國相關單位逐漸重視X射線脈沖星導航的價值，陸續(xù)開展脈沖星導航基本概念和理論方法研究，取得了初步研究成果［13-15］。從脈沖星導航頂層設計、脈沖星導航技術方法、脈沖星導航X射線探測器研制、地面試驗驗證等多個方向展開研究，研制了X射線探測器原理樣機，建立了脈沖星導航地面仿真試驗系統(tǒng)，有效推動了脈沖星導航技術發(fā)展［16-20］。

為檢驗脈沖星導航X射線探測器在軌實際性能水平，進一步推動脈沖星導航技術發(fā)展，中國于2016年發(fā)射了脈沖星試驗01星，搭載了大面陣微通道板（Microchannel Plate，MCP）探測器和Wolter-I聚焦型探測器開展在軌技術試驗，一方面在軌驗證兩種類型探測器性能，為后續(xù)探測器選型、改進提供依據(jù)；另一方面獲得長期的空間觀測數(shù)據(jù)，為脈沖星物理特性研究和脈沖星導航體制探索提供數(shù)據(jù)支撐［21-24］。本文系統(tǒng)介紹脈沖星試驗01星的科學試驗，并著重介紹取得的科學技術成果，為中國后續(xù)的脈沖星導航技術發(fā)展提供支撐。

1 脈沖星試驗01星與X射線探測器

1.1 脈沖星試驗01星

脈沖星試驗01星于北京時間2016年11月10日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心由長征11號火箭發(fā)射升空。衛(wèi)星運行于太陽同步晨昏軌道，軌道高度為500 km，降交點地方時為06：00AM。整星質(zhì)量約243 kg，使用三軸穩(wěn)定姿態(tài)方式，可實現(xiàn)對任意慣性位置精準快速指向，指向精度為2′，并維持對目標源90 min的觀測［21］。

1.2 Wolter-I聚焦型探測器

Wolter-I聚焦型探測器由探測器光機頭部、探測器線路、銣鐘及相關電纜組成，其中探測器線路包括電源板、模擬板、數(shù)字板，物理上集成到姿控管理單元中；光機頭部包括嵌套式掠入射光學系統(tǒng)、高能粒子防護裝置、星敏感器、硅漂移（Silicon Drift Detector，SDD）探測器組件、機械結(jié)構(gòu)［25-28］。探測器系統(tǒng)組成及性能指標如圖1［28］和表1［28］所示。

圖1 Wolter-I探測器示意圖［28］Fig.1 Schematic diagram of Wolter-I detector［28］

表1 Wolter-I探測器技術指標［28］Table 1 Technical indexes of Wolter-I detector［28］

1.3 MCP探測器

MCP探測器采用微孔光學（Mico Plate Op?tics，MPO）系統(tǒng)和微通道板探測器，由光子探頭、高壓配電器、綜合控制器組成［29］。探測器系統(tǒng)組成及性能指標如圖2和表2所示。

圖2 MCP探測器Fig.2 MCP detector

表2 MCP探測器技術指標Table 2 Technical indexes of MCP detector

2 脈沖星試驗01星在軌試驗

脈沖星試驗01星在軌試驗分為科學主任務試驗和拓展任務試驗。在確保試驗星主任務試驗的基礎上，最大限度發(fā)揮試驗星的功能效益，開展多項拓展試驗，為未來脈沖星導航探測器研制和技術研究進行數(shù)據(jù)收集。

科學主任務試驗目的如下［23］：

1） 在空間環(huán)境下實測驗證兩種類型X射線探測器性能。

2） 探測蟹狀星云（Crab）脈沖星或X射線雙星輻射的X射線光子，提取脈沖輪廓曲線或雙星光變曲線，解決能“看得見”脈沖星的問題。

拓展任務試驗目的如下：

1） 研究背景噪聲對探測器性能的影響。

2） 嘗試長時間累積探測3顆脈沖星輻射的X射線光子，建立試驗型數(shù)據(jù)庫，探索驗證脈沖星導航體制。

由于MCP探測器出現(xiàn)在軌光子計數(shù)飽和，僅介紹Wolter-I聚焦型探測器空間試驗，包括Wolter-I探測器性能標定、空間環(huán)境對探測器性能影響探測試驗、Crab脈沖星長時間累積探測以及脈沖星導航初步驗證。

2.1 Wolter-I探測器性能標定

利用超新星遺跡B2321+585 （CAS-A）、B0022+638 （TYCHO）和Crab脈 沖 星 對Wolter-I探測器的能量響應、時間響應、本底噪聲和有效面積進行測試標定，為后續(xù)的空間背景探測與導航體制驗證奠定基礎。

2.1.1 能量響應標定

利用Crab脈沖星標準能譜特性和超新星遺跡B2321+585 （CAS-A）、B0022+638 （TYCHO）的元素特征輻射譜線對探測器能量響應進行標定。

首先處理Wolter-I探測器對Crab脈沖星的觀測數(shù)據(jù)，得到Crab脈沖星的能譜如圖3所示?？梢娞綔y器在軌工作能譜范圍為0.5～10.0 keV，地面測試結(jié)果為0.635～10.0 keV。由于Crab脈沖星富含低能量X射線光子，而地面難以模擬低能量X射線光子，因此在軌標定能譜范圍下限結(jié)果更低。

圖3 Crab脈沖星觀測能譜Fig.3 Observed energy spectrum of Crab pulsar

其次處理得到超新星遺跡B2321+585 （CASA）、B0022+638 （TYCHO）的能譜分析結(jié)果如表3所示。可知B2321+585和B0022+638均具有明顯的Si、S特征輻射。對Si特征峰的分析表明探測器在軌能量響應與地面標定結(jié)果一致，光子能量標記準確，能量分辨率與地面結(jié)果一致，在軌實測能量分辨率為124 eV@1.78 keV。由此可推知探測器在6.40 keV處的能量分辨率約為160 eV。

表3 超新星遺跡能譜分析結(jié)果Table 3 Results of energy spectrum analysis of super?nova remnants

由圖3和表3可知Wolter-I探測器在全設計能段內(nèi)具有良好的線性響應特性，光子能量測量誤差優(yōu)于0.1%。能量分辨率也具有良好的線性特性，能量分辨率為156 eV@6.4 keV。根據(jù)Crab脈沖星觀測結(jié)果可知Wolter-I探測器在軌工作能譜范圍為0.5～10.0 keV。探測器入軌后對超新星遺跡的能譜觀測表明探測器在軌光子能量標記準確，能量分辨率為124 eV@1.78 keV（約160 eV@6.4 keV），與地面標定結(jié)果一致［27，30］。

2.1.2 時間響應標定

利用Wolter-I探測器對Crab脈沖星進行觀測，統(tǒng)計每段觀測時間內(nèi)探測得到的光子計數(shù)率概率如圖4（a）所示，可見X光子計數(shù)率概率統(tǒng)計符合泊松分布特征。探測器觀測X光子到達時間間隔分布如圖4（b）所示，可見光子到達時間間隔統(tǒng)計結(jié)果符合負指數(shù)分布，與脈沖星光子到達時間間隔的理論模型吻合。X光子到達時間間隔分布對數(shù)統(tǒng)計如圖4（c）所示，可見探測器具備對到達時間間隔為1 μs的X光子區(qū)分能力，因此探測器的時間分辨率為1 μs。

圖4 探測器時間響應測試Fig.4 Detector time response test

2.1.3 有效面積標定

利用圖3得到的Wolter-I探測器觀測能譜可解算得01星搭載的Wolter-I型探測器有效面積隨能段的變化。由圖5可知Wolter-I探測器在0.5 keV處有效面積為0.48 cm2，在0.6～1.9 keV能段內(nèi)有效面積優(yōu)于2 cm2，其中最大值為3.06 cm2@0.7 keV，典型值為2.67 cm2@1.0 keV。在2.0～3.5 keV能段內(nèi)有效面積約為1 cm2，大于5 keV能段有效面積很小，約為0.1 cm2且估計精度較差，主要受X射線脈沖星光子統(tǒng)計誤差影響。

圖5 Wolter-I探測器各能段有效探測面積Fig.5 Effective detective area of Wolter-I detector for different energy

2.1.4 探測器空間本底標定

將Wolter-I探測器指向地球，同時關閉探測器鏡頭擋板，測試軌道環(huán)境輻射和探測器自身電路噪聲對探測器本底的影響。

綜合多圈次探測器光子流量計數(shù)結(jié)果得500 km軌道空間輻射環(huán)境對X射線探測器的本底影響（除南大西洋異常區(qū)），如圖6所示。圖6本質(zhì)上反映了該軌道環(huán)境下軟X射線波段輻射水平的全球分布，對理解和掌握空間輻射環(huán)境具有重要意義。

圖6 500 km軌道軟X射線輻射全球分布Fig.6 Global distribution of soft X-ray radiation of 500 km orbit

2.2 空間環(huán)境對探測器性能影響探測試驗

空間環(huán)境對探測器性能的影響探測試驗對了解Wolter-I探測器在空間的工作條件與工作狀態(tài)有重要意義。分別探測PSR B1509-58與PSR B0540-69兩顆低流量脈沖星過高磁緯區(qū)，統(tǒng)計光子流量，分析空間環(huán)境干擾區(qū)域。

按衛(wèi)星星下點位置進行光子流量統(tǒng)計，結(jié)果如圖7所示?？梢奧olter-I探測器的噪聲不僅受南大西洋異常區(qū)影響，也受高磁緯區(qū)影響，其觀測結(jié)果也與探測器空間本底標定結(jié)果吻合。圖7中也給出了高磁緯輻射區(qū)域，位于兩條紅線之間，在探測器觀測規(guī)劃時需避開這個區(qū)域。

圖7 不同區(qū)域光子流量與高輻射區(qū)域Fig.7 Photon flux in different regions and high radia?tion region

2.3 Crab脈沖星長時間累積探測

自2016年以來脈沖星試驗01星對Crab脈沖星進行了長期高頻次觀測，共收集了6084萬個光子，觀測情況如表4所示。對原始數(shù)據(jù)進行提取和處理得脈沖星光子的到達時間和能量，光子到達時間的測量精度為100 ns。

表4 Crab脈沖星觀測統(tǒng)計信息Table 4 Statistical information of observation on Crab pulsar

通過長期觀測數(shù)據(jù)的計時擬合獲得了Crab脈沖星高精度自轉(zhuǎn)參數(shù)。在觀測過程中脈沖星試驗01星還探測到Crab脈沖星的兩次周期躍變，躍變時間分別為2017年3月27日與2017年11月7日，對Crab脈沖星的物理特性研究具有重要意義。

2.3.1 第1次躍變前計時結(jié)果

由于Crab脈沖星于2017年3月27日（協(xié)調(diào)世界時（Universal Time Coordinated，UTC））與2017年11月7日（UTC）發(fā)生躍變，將觀測數(shù)據(jù)分為3部分進行計時分析。

第1部分為2016年11月18日（UTC）—2017年3月25日（UTC）。挑選Crab脈沖星有效觀測數(shù)據(jù)180段，按段進行折疊并與標準輪廓進行比對，求得180個脈沖到達時間（Time of Arrival，TOA）。進行Crab脈沖星的計時分析，結(jié)果如圖8所示，圖中RMS為均方根，圖8（a）為擬合前測量TOA與預測TOA的殘差ΔTOA，圖8（b）為擬合后測量TOA與預測TOA的殘差，其均方根為55.4 μs，Crab計時參數(shù)測量值如表5所示，表中F0、F1和F2分別為自傳頻率及其一階、二階導數(shù)。

圖8 2016年11月18日—2017年3月25日Crab脈沖星擬合前后的計時殘差Fig.8 Timing residuals of Crab pulsar before and after fitting of 2016?11?18—2017?03?25

表5 2016年11月18日—2017年3月25日Crab計時參數(shù)測量值Table 5 Measured values of Crab timing parameters of 2016?11?18—2017?03?25

2.3.2 第1次躍變與第2次躍變之間計時結(jié)果

第2部分為2017年8月1日（UTC）—2017年11月6日（UTC）。挑選Crab有效觀測數(shù)據(jù)233段，按段進行折疊并與標準輪廓比對，得233個脈沖TOA。進行Crab脈沖星的計時分析，結(jié)果如圖9所示，圖9（a）為擬合前測量TOA與預測TOA的殘差，圖9（b）為擬合后測量TOA與預測TOA的殘差，其均方根為76.7 μs，擬合后殘差呈現(xiàn)出紅噪聲特性是Crab自轉(zhuǎn)參數(shù)處于躍變后的恢復期所致。Crab計時參數(shù)測量值如表6所示。

圖9 2017年8月1日—2017年11月6日Crab脈沖星擬合前后的計時殘差Fig.9 Timing residuals of Crab pulsar before and after fitting of 2017?08?01—2017?11?06

表6 2017年8月1日—2017年11月6日Crab計時參數(shù)測量值Table 6 Measured values of Crab timing parameters of 2017?08?01—2017?11?06

2.3.3 第2次躍變后計時結(jié)果

分析的起始日期選為2017年11月18日是因為2017年11月7日躍變后的自轉(zhuǎn)參數(shù)變化較大。挑選Crab有效觀測數(shù)據(jù)294段，按段進行折疊并與標準輪廓比對，得294個脈沖TOA。進行Crab脈沖星的計時分析，結(jié)果如圖10所示，圖10（a）為擬合前測量TOA與預測TOA的殘差，圖10（b）為擬合后測量TOA與預測TOA的殘差，其均方根為96.6 μs，擬合后殘差呈現(xiàn)出紅噪聲特性是Crab自轉(zhuǎn)參數(shù)處于躍變后的恢復期所致。表7為Crab計時參數(shù)測量值。

圖10 2017年11月18日—2018年1月28日Crab脈沖星擬合前后的計時殘差Fig.10 Timing residuals of Crab pulsar before and af?ter fitting of 2017?11?18—2018?01?28

表7 2017年11月18日—2018年1月28日Crab計時參數(shù)測量值Table 7 Measured values of Crab timing parameters of 2017?11?18—2018?01?28

2.4 脈沖星導航初步驗證

由于Wolter-I探測器有效面積較小，只能觀測到Crab脈沖星，短期脈沖TOA測量精度較低，無法進行在軌導航驗證。為此利用Crab脈沖星在軌觀測數(shù)據(jù)，通過地面仿真對利用Crab脈沖星的定軌方法進行驗證。

利用2017年8月31日—9月3日的脈沖星試驗01星觀測的Crab數(shù)據(jù)，通過計時轉(zhuǎn)換模型逆推的方法將后續(xù)觀測數(shù)據(jù)平移，采用無跡卡爾曼濾波器（Unscented Kalman Filter，UKF），導航步長設置為1800 s，在初始軌道位置誤差為20 km、速度誤差為5 m/s的條件下得到優(yōu)于15 km的定軌精度如圖11所示，初步驗證了脈沖星導航的可行性。

圖11 基于實測數(shù)據(jù)逆推增加觀測量的脈沖星導航地面解算試驗位置誤差結(jié)果Fig.11 Position error results of ground solution test of pulsar navigation based on inverse propagated incremental measured data

3 總結(jié)和展望

脈沖星試驗01星自2016年發(fā)射入軌以來已在軌運行近5年，工作狀態(tài)良好，圓滿完成了國產(chǎn)X射線探測器驗證任務，獲取了大量在軌觀測數(shù)據(jù)，建立了Crab脈沖星X射線長期精化計時模型，在軟X射線波段對Crab脈沖星兩次周期躍變進行了全程觀測，為中國脈沖星導航空間試驗發(fā)展奠定了重要基礎，有力推動了脈沖星導航技術發(fā)展，取得了重要的科學價值和社會效益。后續(xù)還應在X射線探測器研制、導航數(shù)據(jù)庫構(gòu)建和脈沖星導航算法等方面持續(xù)提升：

1） X射線探測器是制約脈沖星導航技術發(fā)展的卡脖子問題，亟須創(chuàng)新發(fā)展。X射線探測器是脈沖星數(shù)據(jù)庫構(gòu)建和導航應用的“眼睛”，受制于脈沖星X射線光子能量微弱的物理限制，探測器存在效率低、體積大、重量大等固有局限。在數(shù)據(jù)庫構(gòu)建階段可將龐大的X射線探測器作為主載荷發(fā)射專用衛(wèi)星。但在應用階段，作為一種導航載荷不可能占用過多的衛(wèi)星資源，龐大的體積、重量將嚴重制約脈沖星導航技術的應用。因此后續(xù)需持續(xù)開展大面陣、低本底、高效率X射線探測器的研制攻關。同時為滿足X射線脈沖星導航終端輕量化要求亟需技術創(chuàng)新，探索新型探測機理和光學結(jié)構(gòu)設計。

2） 脈沖星導航數(shù)據(jù)庫構(gòu)建是一項長期基礎工作，需久久為功。脈沖星導航數(shù)據(jù)庫是脈沖星導航應用的“地圖”，高精度數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建需通過天地協(xié)同對導航脈沖星進行長期觀測。需統(tǒng)籌利用各類空間觀測設施開展導航脈沖星的長期監(jiān)測，構(gòu)建豐富的導航脈沖星高精度數(shù)據(jù)庫。

3） 脈沖星導航技術可行性雖經(jīng)離線驗證，但仍需在軌驗證。利用脈沖星試驗01星數(shù)據(jù)中國也成功驗證了脈沖星導航的技術可行性，但所有驗證均是在地面利用臺式機或者服務器完成。由于地面計算資源和空間的資源差異大，無法評估在軌實時運算效果。為真實評估驗證脈沖星導航性能，后續(xù)仍需開展在軌驗證。