脉冲星试验01星科学试验与成果

姜坤，焦文海，郝晓龙，刘莹，王奕迪，张新源，国际

1．北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094 2．中国科学院 空天信息创新研究院，北京 100094 3．国防科技大学 空天科学学院，长沙 410073 4．中国空间技术研究院，北京 100094

X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、J0437-47154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射线脉冲星导航的价值，陆续开展脉冲星导航基本概念和理论方法研究，取得了初步研究成果［13-15］。从脉冲星导航顶层设计、脉冲星导航技术方法、脉冲星导航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。

1.1 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］。

1.2 Wolter-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1［28］和表1［28］所示。

图1 Wolter-I探测器示意图［28］Fig.1 Schematic diagram of Wolter-I detector［28］

表1 Wolter-I探测器技术指标［28］Table 1 Technical indexes of Wolter-I detector［28］

1.3 MCP探测器

MCP探测器采用微孔光学（Mico Plate Op⁃tics，MPO）系统和微通道板探测器，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。

图2 MCP探测器Fig.2 MCP detector

表2 MCP探测器技术指标Table 2 Technical indexes of MCP detector

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。

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。

2.1 Wolter-I探测器性能标定

利用超新星遗迹B2321+585 （CAS-A）、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0.5～10.0 keV，地面测试结果为0.635～10.0 keV。由于Crab脉冲星富含低能量X射线光子，而地面难以模拟低能量X射线光子，因此在轨标定能谱范围下限结果更低。

图3 Crab脉冲星观测能谱Fig.3 Observed energy spectrum of Crab pulsar

其次处理得到超新星遗迹B2321+585 （CASA）、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 eV@1.78 keV。由此可推知探测器在6.40 keV处的能量分辨率约为160 eV。

表3 超新星遗迹能谱分析结果Table 3 Results of energy spectrum analysis of super‑nova remnants

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%。能量分辨率也具有良好的线性特性，能量分辨率为156 eV@6.4 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0.5～10.0 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标记准确，能量分辨率为124 eV@1.78 keV（约160 eV@6.4 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 μs的X光子区分能力，因此探测器的时间分辨率为1 μs。

图4 探测器时间响应测试Fig.4 Detector time response test

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0.6～1.9 keV能段内有效面积优于2 cm2，其中最大值为3.06 cm2@0.7 keV，典型值为2.67 cm2@1.0 keV。在2.0～3.5 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。

图5 Wolter-I探测器各能段有效探测面积Fig.5 Effective detective area of Wolter-I detector for different energy

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（除南大西洋异常区），如图6所示。图6本质上反映了该轨道环境下软X射线波段辐射水平的全球分布，对理解和掌握空间辐射环境具有重要意义。

图6 500 km轨道软X射线辐射全球分布Fig.6 Global distribution of soft X-ray radiation of 500 km orbit

2.2 空间环境对探测器性能影响探测试验

空间环境对探测器性能的影响探测试验对了解Wolter-I探测器在空间的工作条件与工作状态有重要意义。分别探测PSR B1509-58与PSR B0540-69两颗低流量脉冲星过高磁纬区，统计光子流量，分析空间环境干扰区域。

按卫星星下点位置进行光子流量统计，结果如图7所示。可见Wolter-I探测器的噪声不仅受南大西洋异常区影响，也受高磁纬区影响，其观测结果也与探测器空间本底标定结果吻合。图7中也给出了高磁纬辐射区域，位于两条红线之间，在探测器观测规划时需避开这个区域。

图7 不同区域光子流量与高辐射区域Fig.7 Photon flux in different regions and high radia⁃tion region

2.3 Crab脉冲星长时间累积探测

自2016年以来脉冲星试验01星对Crab脉冲星进行了长期高频次观测，共收集了6084万个光子，观测情况如表4所示。对原始数据进行提取和处理得脉冲星光子的到达时间和能量，光子到达时间的测量精度为100 ns。

表4 Crab脉冲星观测统计信息Table 4 Statistical information of observation on Crab pulsar

通过长期观测数据的计时拟合获得了Crab脉冲星高精度自转参数。在观测过程中脉冲星试验01星还探测到Crab脉冲星的两次周期跃变，跃变时间分别为2017年3月27日与2017年11月7日，对Crab脉冲星的物理特性研究具有重要意义。

2.3.1 第1次跃变前计时结果

由于Crab脉冲星于2017年3月27日（协调世界时（Universal Time Coordinated，UTC））与2017年11月7日（UTC）发生跃变，将观测数据分为3部分进行计时分析。

第1部分为2016年11月18日（UTC）—2017年3月25日（UTC）。挑选Crab脉冲星有效观测数据180段，按段进行折叠并与标准轮廓进行比对，求得180个脉冲到达时间（Time of Arrival，TOA）。进行Crab脉冲星的计时分析，结果如图8所示，图中RMS为均方根，图8（a）为拟合前测量TOA与预测TOA的残差ΔTOA，图8（b）为拟合后测量TOA与预测TOA的残差，其均方根为55.4 μs，Crab计时参数测量值如表5所示，表中F0、F1和F2分别为自传频率及其一阶、二阶导数。

图8 2016年11月18日—2017年3月25日Crab脉冲星拟合前后的计时残差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计时参数测量值Table 5 Measured values of Crab timing parameters of 2016‑11‑18—2017‑03‑25

2.3.2 第1次跃变与第2次跃变之间计时结果

第2部分为2017年8月1日（UTC）—2017年11月6日（UTC）。挑选Crab有效观测数据233段，按段进行折叠并与标准轮廓比对，得233个脉冲TOA。进行Crab脉冲星的计时分析，结果如图9所示，图9（a）为拟合前测量TOA与预测TOA的残差，图9（b）为拟合后测量TOA与预测TOA的残差，其均方根为76.7 μs，拟合后残差呈现出红噪声特性是Crab自转参数处于跃变后的恢复期所致。Crab计时参数测量值如表6所示。

图9 2017年8月1日—2017年11月6日Crab脉冲星拟合前后的计时残差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计时参数测量值Table 6 Measured values of Crab timing parameters of 2017‑08‑01—2017‑11‑06

2.3.3 第2次跃变后计时结果

分析的起始日期选为2017年11月18日是因为2017年11月7日跃变后的自转参数变化较大。挑选Crab有效观测数据294段，按段进行折叠并与标准轮廓比对，得294个脉冲TOA。进行Crab脉冲星的计时分析，结果如图10所示，图10（a）为拟合前测量TOA与预测TOA的残差，图10（b）为拟合后测量TOA与预测TOA的残差，其均方根为96.6 μs，拟合后残差呈现出红噪声特性是Crab自转参数处于跃变后的恢复期所致。表7为Crab计时参数测量值。

图10 2017年11月18日—2018年1月28日Crab脉冲星拟合前后的计时残差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计时参数测量值Table 7 Measured values of Crab timing parameters of 2017‑11‑18—2018‑01‑28

2.4 脉冲星导航初步验证

由于Wolter-I探测器有效面积较小，只能观测到Crab脉冲星，短期脉冲TOA测量精度较低，无法进行在轨导航验证。为此利用Crab脉冲星在轨观测数据，通过地面仿真对利用Crab脉冲星的定轨方法进行验证。

利用2017年8月31日—9月3日的脉冲星试验01星观测的Crab数据，通过计时转换模型逆推的方法将后续观测数据平移，采用无迹卡尔曼滤波器（Unscented Kalman Filter，UKF），导航步长设置为1800 s，在初始轨道位置误差为20 km、速度误差为5 m/s的条件下得到优于15 km的定轨精度如图11所示，初步验证了脉冲星导航的可行性。

图11 基于实测数据逆推增加观测量的脉冲星导航地面解算试验位置误差结果Fig.11 Position error results of ground solution test of pulsar navigation based on inverse propagated incremental measured data

脉冲星试验01星自2016年发射入轨以来已在轨运行近5年，工作状态良好，圆满完成了国产X射线探测器验证任务，获取了大量在轨观测数据，建立了Crab脉冲星X射线长期精化计时模型，在软X射线波段对Crab脉冲星两次周期跃变进行了全程观测，为中国脉冲星导航空间试验发展奠定了重要基础，有力推动了脉冲星导航技术发展，取得了重要的科学价值和社会效益。后续还应在X射线探测器研制、导航数据库构建和脉冲星导航算法等方面持续提升：

1） X射线探测器是制约脉冲星导航技术发展的卡脖子问题，亟须创新发展。X射线探测器是脉冲星数据库构建和导航应用的“眼睛”，受制于脉冲星X射线光子能量微弱的物理限制，探测器存在效率低、体积大、重量大等固有局限。在数据库构建阶段可将庞大的X射线探测器作为主载荷发射专用卫星。但在应用阶段，作为一种导航载荷不可能占用过多的卫星资源，庞大的体积、重量将严重制约脉冲星导航技术的应用。因此后续需持续开展大面阵、低本底、高效率X射线探测器的研制攻关。同时为满足X射线脉冲星导航终端轻量化要求亟需技术创新，探索新型探测机理和光学结构设计。

2） 脉冲星导航数据库构建是一项长期基础工作，需久久为功。脉冲星导航数据库是脉冲星导航应用的“地图”，高精度数据库的构建需通过天地协同对导航脉冲星进行长期观测。需统筹利用各类空间观测设施开展导航脉冲星的长期监测，构建丰富的导航脉冲星高精度数据库。

3） 脉冲星导航技术可行性虽经离线验证，但仍需在轨验证。利用脉冲星试验01星数据中国也成功验证了脉冲星导航的技术可行性，但所有验证均是在地面利用台式机或者服务器完成。由于地面计算资源和空间的资源差异大，无法评估在轨实时运算效果。为真实评估验证脉冲星导航性能，后续仍需开展在轨验证。

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