1、526611-1航空学报Acta Aeronautica et Astronautica SinicaFeb.15 2023 Vol.44 No.3ISSN 1000-6893 CN 11-1929/V脉冲星试验 01星科学试验与成果姜坤1，2，*，焦文海1，郝晓龙1，刘莹1，王奕迪3，张新源4，国际11北京跟踪与通信技术研究所，北京 1000942中国科学院 空天信息创新研究院，北京 1000943国防科技大学 空天科学学院，长沙 4100734中国空间技术研究院，北京 100094摘 要：X 射线脉冲星导航作为一种战略性、前沿性、基础性技术，自概念诞生以来就备受国际关注。由于脉冲星导航仿真
2、验证模型复杂，关键技术难以全部地面验证，为此中国于 2016年发射了脉冲星试验 01星开展系列科学试验。对脉冲星试验 01星科学试验成果进行了系统总结：利用大流量脉冲星实测数据对 Wolter-I聚焦型探测器在轨能量响应、时间响应、有效面积和本底噪声进行了测试标定，基于低流量脉冲星实测数据开展了空间环境探测试验，对蟹状星云（Crab）脉冲星进行长期观测并计时分析得到了高精度自转参数，初步试验验证了脉冲星导航技术。结合脉冲星试验 01星的科学试验经验提出了未来发展方向。相关试验的开展摸清了中国脉冲星导航技术能力现状，获取了大量自主观测数据，加速了中国脉冲星导航技术发展。关键词：脉冲星试验 01星
3、；蟹状星云脉冲星；X射线探测器；X射线脉冲星导航；周期跃变中图分类号：V474.1；P145.6 文献标识码：A 文章编号：1000-6893（2023）03-526611-10X 射线脉冲星属于高速旋转的中子星，具有极其稳定的自转周期性1，能为深空探测和星际飞行航天器提供位置、速度、时间和姿态等高精度导航信息2-5。相比地面深空网，X 射线脉冲星导航技术在木星以远的星际空间具有精度比较优势，能为深空探测器提供自主导航服务，是航 天 技 术 前 沿 研 究 领 域，具 有 重 要 的 战 略意义6-7。自 20 世纪 70 年代起，美国、欧洲等国家和地区相继开展脉冲星导航理论和相关技术研究并
4、制 定 了 一 系 列 空 间 试 验 计 划8-11。2017 年6 月，美国将中子星内部组成探测器（NICER）部署到国际空间站，作为空间站的外装有效载荷 开 展 空 间 站 X 射 线 授 时 及 导 航 技 术 探 测（SEXTENT）试验12。2017 年 11 月 NASA 团队 通 过 对 J0218+4232、B1821-24、J0030+0451、J0437-4715 4 颗毫秒脉冲星的序贯观测，利用星载导航算法计算了 NICER 探测器的空间位置；通过与星载 GPS 结果对比表明，利用脉 冲 星 导 航 在 绝 大 多 数 时 间 内 可 实 现 优 于16.0 km 的定
5、位精度，其中部分数据的定位精度优于 4.8 km，验证了 X 射线脉冲星导航的技术可行性12。2004年起，中国相关单位逐渐重视 X 射线脉http:/ 引用格式：姜坤，焦文海，郝晓龙，等.脉冲星试验 01星科学试验与成果 J.航空学报，2023，44（3）：526611.JIANG K，JIAO W H，HAO X L，et al.Scientific experiments and achievements of XPNAV-1J.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2023，44（3）：526611（in Chinese）.doi：10.752
6、7/S1000-6893.2022.26611收稿日期：2021-11-03；退修日期：2021-11-08；录用日期：2022-03-21；网络出版时间：2022-04-08 09：05网络出版地址：https：/ X 射线探测器研制、地面试验验证等多个方向展开研究，研制了 X 射线探测器原理样机，建立了脉冲星导航地面仿真试验系统，有效推动了脉冲星导航技术发展16-20。为检验脉冲星导航 X 射线探测器在轨实际性能水平，进一步推动脉冲星导航技术发展，中国于 2016 年发射了脉冲星试验 01 星，搭载了大面阵微通道板（Microchannel Plate，MCP）探测器和 Wolter-I聚
7、焦型探测器开展在轨技术试验，一方面在轨验证两种类型探测器性能，为后续探测器选型、改进提供依据；另一方面获得长期的空间观测数据，为脉冲星物理特性研究和脉冲星导航体制探索提供数据支撑21-24。本文系统介绍脉冲星试验 01星的科学试验，并着重介绍取得的科学技术成果，为中国后续的脉冲星导航技术发展提供支撑。1脉冲星试验 01星与 X射线探测器1.1脉冲星试验 01星脉冲星试验 01 星于北京时间 2016 年 11 月10 日在酒泉卫星发射中心由长征 11 号火箭发射升空。卫星运行于太阳同步晨昏轨道，轨道高度为 500 km，降交点地方时为 06：00AM。整星质量约 243 kg，使用三轴稳定姿态
8、方式，可实现对任意惯性位置精准快速指向，指向精度为 2，并维持对目标源 90 min的观测21。1.2Wolter-I聚焦型探测器Wolter-I 聚焦型探测器由探测器光机头部、探测器线路、铷钟及相关电缆组成，其中探测器线路包括电源板、模拟板、数字板，物理上集成到姿控管理单元中；光机头部包括嵌套式掠入射光学系统、高能粒子防护装置、星敏感器、硅漂移（Silicon Drift Detector，SDD）探测器组件、机械结构25-28。探测器系统组成及性能指标如图 128和表 128所示。1.3MCP探测器MCP 探测器采用微孔光学（Mico Plate Optics，MPO）系统和微通道板探测器
9、，由光子探头、高压配电器、综合控制器组成29。探测器系统组成及性能指标如图 2和表 2所示。表 2MCP探测器技术指标Table 2Technical indexes of MCP detector名称工作能段/keV探测面积/cm2探测灵敏度/（ph s-1cm-2）时间分辨率/ns要求1.015.0 2 400 10-3 优于 100 图 2MCP探测器Fig.2MCP detector嵌套式掠入射光学系统星敏感器高能粒子防护装置SDD探测器组件机械结构安装支架姿控管理单元铷钟图 1Wolter-I探测器示意图28Fig.1Schematic diagram of Wolter-I det
10、ector28表 1Wolter-I探测器技术指标28Table 1Technical indexes of Wolter-I detector28名称工作能段探测面积时间分辨率能量分辨率要求0.510.0 keV30 cm21.5 keV1.5 s200 eV6.4 keV航空学报526611-32脉冲星试验 01星在轨试验脉冲星试验 01 星在轨试验分为科学主任务试验和拓展任务试验。在确保试验星主任务试验的基础上，最大限度发挥试验星的功能效益，开展多项拓展试验，为未来脉冲星导航探测器研制和技术研究进行数据收集。科学主任务试验目的如下23：1）在空间环境下实测验证两种类型 X 射线探测器性能
11、。2）探测蟹状星云（Crab）脉冲星或 X 射线双星辐射的 X 射线光子，提取脉冲轮廓曲线或双星光变曲线，解决能“看得见”脉冲星的问题。拓展任务试验目的如下：1）研究背景噪声对探测器性能的影响。2）尝试长时间累积探测 3颗脉冲星辐射的 X射线光子，建立试验型数据库，探索验证脉冲星导航体制。由于 MCP 探测器出现在轨光子计数饱和，仅介绍 Wolter-I 聚焦型探测器空间试验，包括Wolter-I探测器性能标定、空间环境对探测器性能影响探测试验、Crab脉冲星长时间累积探测以及脉冲星导航初步验证。2.1Wolter-I探测器性能标定利 用 超 新 星 遗 迹 B2321+585（CAS-A）、
12、B0022+638（TYCHO）和 Crab 脉 冲 星 对Wolter-I探测器的能量响应、时间响应、本底噪声和有效面积进行测试标定，为后续的空间背景探测与导航体制验证奠定基础。2.1.1能量响应标定利用 Crab脉冲星标准能谱特性和超新星遗迹B2321+585（CAS-A）、B0022+638（TYCHO）的元素特征辐射谱线对探测器能量响应进行标定。首先处理 Wolter-I探测器对 Crab脉冲星的观测数据，得到Crab脉冲星的能谱如图3所示。可见探测器在轨工作能谱范围为 0.510.0 keV，地面测试结果为0.63510.0 keV。由于Crab脉冲星富含低能量X射线光子，而地面难以
13、模拟低能量X射线光子，因此在轨标定能谱范围下限结果更低。其次处理得到超新星遗迹B2321+585（CAS-A）、B0022+638（TYCHO）的能谱分析结果如表 3所示。可知 B2321+585 和 B0022+638 均具有明显的 Si、S特征辐射。对 Si特征峰的分析表明探测器在轨能量响应与地面标定结果一致，光子能量标记准确，能量分辨率与地面结果一致，在轨实测能量分辨率为 124 eV1.78 keV。由此可推知探测器在6.40 keV处的能量分辨率约为160 eV。由图 3 和表 3 可知 Wolter-I探测器在全设计能段内具有良好的线性响应特性，光子能量测量误差优于 0.1%。能量
14、分辨率也具有良好的线性特 性，能 量 分 辨 率 为 156 eV6.4 keV。根 据Crab脉冲星观测结果可知Wolter-I探测器在轨工作能谱范围为 0.510.0 keV。探测器入轨后对超新星遗迹的能谱观测表明探测器在轨光子能量表 3超新星遗迹能谱分析结果Table 3Results of energy spectrum analysis of super-nova remnants参数有效光子个数Si特征峰K理论中心值/keVK理论中心值/keV实测中心值/keV中心值相对偏差/%理论能量分辨率/eV实测能量分辨率/eV能量分辨率相对偏差/%B2321+585108 0881.741
15、.831.78501201243.33B0022+63836 7201.741.831.78501201275.33图 3Crab脉冲星观测能谱Fig.3Observed energy spectrum of Crab pulsar航空学报526611-4标记准确，能量分辨率为 124 eV1.78 keV（约160 eV6.4 keV），与地面标定结果一致27，30。2.1.2时间响应标定利用Wolter-I探测器对Crab脉冲星进行观测，统计每段观测时间内探测得到的光子计数率概率如图4（a）所示，可见X光子计数率概率统计符合泊松分布特征。探测器观测X光子到达时间间隔分布如图4（b）所示，可
16、见光子到达时间间隔统计结果符合负指数分布，与脉冲星光子到达时间间隔的理论模型吻合。X光子到达时间间隔分布对数统计如图4（c）所示，可见探测器具备对到达时间间隔为1 s的X光子区分能力，因此探测器的时间分辨率为1 s。2.1.3有效面积标定利用图3得到的Wolter-I探测器观测能谱可解算得 01星搭载的 Wolter-I型探测器有效面积随能段的变化。由图5可知Wolter-I探测器在0.5 keV处有效面积为 0.48 cm2，在 0.61.9 keV 能段内有效面积优于 2 cm2，其中最大值为 3.06 cm20.7 keV，典型值为 2.67 cm21.0 keV。在 2.03.5 keV能段内有效面积约为1 cm2，大于5 keV能段有效面积很小，约为 0.1 cm2且估计精度较差，主要受X射线脉冲星光子统计误差影响。2.1.4探测器空间本底标定将 Wolter-I探测器指向地球，同时关闭探测器镜头挡板，测试轨道环境辐射和探测器自身电路噪声对探测器本底的影响。综 合 多 圈 次 探 测 器 光 子 流 量 计 数 结 果 得500 km轨道空间辐射环境对X射线探测器的本底影响（
