“天枢Ⅱ号”X射线脉冲星导航动态模拟系统及实验验证_盛立志.pdf

526656-1航空学报Acta Aeronautica et Astronautica SinicaFeb.15 2023 Vol.44 No.3ISSN 1000-6893 CN 11-1929/V“天枢号”X射线脉冲星导航动态模拟系统及实验验证盛立志1，*，郑伟2，苏桐1，张大鹏2，王奕迪2，杨向辉1，徐能1，李治泽21中国科学院 西安光学精密机械研究所，西安 7101192国防科技大学 空天科学学院，长沙 410073摘 要：X 射线脉冲星导航真实运行场景的模拟验证手段尚不够完善，限制了导航和探测理论的发展及工程化应用的实现。提出了基于脉冲星辐射特性和航天器轨道模型的 X 射线脉冲星动态信号模拟方法，设计了能实现多种实验场景模拟的 X射线脉冲星模拟源，并根据脉冲星辐射特性构建了“天枢号”X射线脉冲星导航地面实验系统，可以高质量复现脉冲星导航空间运行场景。设计了静态及动态不同类型的实验对实验系统的性能进行了验证测试，针对 PSR B0531+21、PSR B1937+21两颗脉冲星，开展了静态模拟实验，获得的脉冲轮廓相似度分别为 99.5%、99.1%；开展了200 km 轨道高度的动态近地圆轨模拟实验，PSR B0531+21、PSR B1937+21 的周期测试值和理论值的偏差分别为38 451、350 ps，还原到 SSB（Solar System Barycenter）处的轮廓相似度分别为 99.86%、99.99%。实现了椭圆轨道的超实时仿真实验，仿真时长可压缩 50%，轮廓相似度为 99.89%。实现了基于霍曼变轨模型的轨道机动模拟，周期变化的测试值与理论值的偏差标准差为 637 ps。该地面实验系统性能稳定，可以满足不同类型的 X 射线脉冲星导航模拟实验需求。关键词：X射线脉冲星导航；动态实验；X射线脉冲源；X射线探测器；半实物验证中图分类号：V11 文献标识码：A 文章编号：1000-6893（2023）03-526656-11X 射线脉冲星导航（X-ray Pulsar Navigation，XPNAV）是以高稳定的脉冲星辐射信号的时空信息为参考，从而实现航天器的位置、速度信息确定的新型导航方式，导航系统运行过程中不需要地 面 观 测 站 的 校 准，具 有 完 全 自 主 导 航 的 能力1-6。目前，国内外已围绕 X 射线脉冲星导航XPNAV 进行了大量的理论及初步实验研究。美国国家航空航天局（NASA）于 2017 年发射了中子星内部结构探测器（Neutron-star Interior Composition Explorer，NICER），NICER 搭载了 56 个口径为 10 cm 的 X 射线聚焦镜，开展了 X 射线脉冲星计时研究及脉冲星导航验证研究，并通过对毫秒脉冲星的观测得出了导航精度可达 10 km 的结论7。中国于 2016 年 11 月发射了 XPNAV-1，这是中国首颗脉冲星导航试验卫星。XPNAV-1中搭载了准直型和聚焦型两种 X 射线探测器，其中，聚焦型探测器有效探测能段为 0.510 keV，有效面积为 30 cm2 8。卫星对 PSR B0531+21脉http:/ 引用格式：盛立志，郑伟，苏桐，等.“天枢号”X 射线脉冲星导航动态模拟系统及实验验证J.航空学报，2023，44（3）：526656.SHENG L Z，ZHENG W，SU T，et al.Ground test bench for X-ray pulsar navigation dynamic simulationJ.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2023，44（3）：526656（in Chinese）.doi：10.7527/S1000-6893.2022.26656收稿日期：2021-11-15；退修日期：2021-12-10；录用日期：2022-01-27；网络出版时间：2022-03-19 09：27网络出版地址：https：/ X 射线脉冲星“看得见”的目标。此外，中国于 2016年 9月发射的天宫二号上的伽马暴偏振探测仪（POLAR）9和 2017 年 6 月发射的用于空间天文研究的硬 X 射线调制望远镜（Hard X-ray Modulation Telescope，HXMT）10均对 X 射线脉冲星进行了观测，并开展了导航试验空间验证。虽然上述空间观测和验证已经获得不少成果，但 XPNAV 工程化应用仍有一定的距离，完善的脉冲星数据库的建立、脉冲星信号降噪及高精度脉冲到达时间 TOA（Timing of Arrival）估计、轻型化高效率 X射线探测系统研制等关键技术仍需要深入研究。X 射线无法穿透大气层，导航工程化之前必须要开展 X 射线脉冲星地面模拟实验研究，为导航相关理论提供实验验证平台。NASA 的戈达德空间飞行中心 GSFC 开发了 X 射线导航实验 平 台（X-ray Navigation Laboratory Testbed，GXLT），X 射 线 模 拟 源 采 用 调 制 X 射 线 源（Modulated X-Ray Source，MXS），探测器为硅漂 移 探 测 器 SDD（Sicicon Drift Detector）。MXS 主要是通过紫外 LED 调制光电阴极，产生的光电子经过电子倍增器件后在阳极高压作用下 轰 击 阳 极 靶 材，从 而 产 生 调 制 的 X 射 线。GXLT 可以进行 3 个层次的仿真：纯软件层面、不模拟光子到达过程的仿真，纯软件模拟光子到达过程的软件层面闭环模拟实验，以及全物理闭环仿真实验11。中国也开展了脉冲星导航地面模拟实验验证技术的相关研究，并取得了一定的进展。国防科技大学于 2011 年研制了国内首套 X 射线脉冲星导航半实物仿真系统，可以利用探测器实时探测 X 射线光子信号，将光子到达时间通过数据采集传入导航计算机并进行处理，实现 TOA 估计和导航滤波算法，从而实现 X 射线脉冲星导航的半实物仿真12。中国航天科技集团五院建立了脉冲星导航探测器地面标定装置，用于探测器脉冲轮廓还原能力和探测效率、能量分辨率等指标的标定13。西安电子科技大学基于可见光搭建了脉冲星地面验证系统，模拟源采用线性较好的蓝色发光二极管 LED（Light Emitting Diode），探测器为光电倍 增 管 PMT（Photomultiplier Tubes），通 过 减光片将光子流量控制在单光子探测范畴，实现脉冲星信号地面模拟实验研究14-15。中国科学院西安光学精密机械研究所对 X 射线模拟源及探 测 器 等 关 键 技 术 进 行 了 大 量 研 究，提 出 了一种用于产生脉冲 X 射线的栅控 X 射线管，可以对任意脉冲星的轮廓进行模拟，开展了基于X 射线脉冲星导航的静态模拟实验16-18。目前文献报道的基于 X 射线波段的半实物实验系统开展的大多局限于静态实验，并没有包含航天器轨道运动特性。本文面向脉冲星导航应用研究的需求，采用栅控 X 射线管的方法开展基于脉冲星辐射特性和航天器轨道模型的 X 射线脉冲星动态信号模拟，构建地面实验系统，对 X 射线脉冲星静态辐射特性及包含各种动态效应的动态脉冲信号进行高精度模拟和效果评估。1“天枢号”X 射线脉冲星导航动态模拟系统“天枢号”X射线脉冲星导航地面实验系统的组成如图 1 所示，第 1 个模块主要实现对 X 射线脉冲星及背景噪声的模拟。PC 软件控制终端、动态信号发生器、栅控信号调制器组成了脉冲星模拟控制器，用该控制器驱动栅控 X 射线管发射所要模拟的 X 射线脉冲信号，模拟不同的工作状态，利用 GPS（Global Position System）驯服的原子钟来给出精确时标；直流 X 射线管和二次靶转台构成了单能 X 射线模拟器，在上位机软件控制终端及驱动电源的作用下可以实现对背景 X射线噪声的模拟。第 2 个模块为真空实验平台，主要由真空计、真空管道、分子泵、机械干泵等构成，模拟太空中的真空环境。X 射线聚焦光学（Nested Xray Focusing Optics，NXFO）SDD 探测器、制冷及电压控制模块、SDD 电子学等构成了聚焦型探测系统，用于接收光子信息；接收到的光子信息在信号处理计算机中进行处理，完成相关实验验证工作。系统实物如图 2所示。X射线脉冲星模拟源由脉冲星模拟控制终端和脉冲 X 射线发射源组成，实现对 X 射线脉冲星的模拟。脉冲星模拟控制终端用于实验参数的航空学报526656-3配置，包含航天器及星体的轨道信息和脉冲星辐射特征等信息，并根据设定的条件实时计算脉冲轮廓数据，用于脉冲 X 射线发射源的控制，实现导航的静态及动态实验仿真。脉冲 X射线发射源的核心器件为栅控 X射线管，由灯丝、阴极罩、栅极、聚焦极、阳极靶、玻璃外壳组成，如图 3所示。当灯丝加上电流，阳极加上高压，灯丝发射的电子就会在高压电场下加速运动并轰击阳极靶材产生 X 射线。如果栅极加上调制信号，轰击阳极靶的电子数目就随调制信号的强度的变化而变化，发射 X 射线的强度也随之变化。聚焦极的主要作用是改变球管内部电场分布实现对从阴极发射的电子汇聚，缩小电子束斑尺寸，从而降低电子束的弥散时间，提高频率响应能力。在模拟实验中，脉冲星模拟控制终端根据设定的实验条件实时计算脉冲轮廓幅度数据，然后经过数字信号传输接口发送给数据转换电子学，数据转换电子学将轮廓幅度信号转换为栅极电压信号，在栅极电压的作用下栅控 X 射线管发射PC软件控制器 动态信号发生器栅控信号调制器栅控X射线管电源栅控X射线管真空管道分子泵机械干泵聚焦光学SDD制冷、电压控制 SDD电子学信号处理PCGPS驯服的原子钟X射线脉冲星信号模拟真空平台探测及数据处理系统同步信号图 1X射线脉冲星导航地面实验系统组成Fig.1Composition of X-ray pulsar navigation ground experiment system图 2“天枢号”X射线脉冲星导航动态模拟系统Fig.2“TIANSHU”XPNAV ground experiment systemVg栅极电压；Va阳极电压图 3栅控 X射线管结构图Fig.3Structure diagram of grid controlled X-ray tube航空学报526656-4与模拟脉冲星轮廓一致的 X射线脉冲信号。2X射线脉冲星导航动态模拟信号2.1X射线脉冲星动态信号产生原理脉冲星的标准脉冲轮廓是将长时间观测的光子到达时间序列转换到太阳系质心坐标 SSB（Solar System Barycenter）处的太阳系质心坐标时，然后进行周期折叠得出的累积轮廓。在常规的静态模拟实验中，脉冲星模拟控制器依照标准脉冲轮廓模型计算 X 射线脉冲星轮廓数据。而在动态实验中，由于航天器及星体的运动会产生各种动态效应，航天器记录的光子到达时间序列周期折叠所得到的脉冲轮廓不再是标准脉冲轮廓，动态信号发生器依据航天器的运动状态和标准轮廓模型计算出动态脉冲轮廓数据，流程如图 4所示。由于脉冲星模拟控制器为数字系统，模拟脉冲的相位并非连续的，因此只需根据计算周期转换等间隔的有限时间点。将航天器固有时 按照等时间间隔 0排列为 0，1，k，与之对应的坐标时为 t0，t1，tk，有tk-t0=k+1c2(rEAkVEk+2rEAkVEAk+2rEkVEk)-1c2(rEA0VE0+2rEA0VEA0+2rE0VE0)（1）式中：k=k-0；k为固有时 的等分数；rEAk为地心到航天器的距离矢量；rE为 SSB 到地心的距离矢量；VE为地球相对于 SSB 的速度矢量；VEAk为航天器相对地心的速度矢量。根据式（1）就可将等间隔的固有时间序列转换为坐标系时间序列，坐标系时间序列并非等间隔。由于脉冲轮廓没有具体函数表达式，通常是等时间间隔存储有限的数据点。固有时间序列0，1，k是等间隔排列的，而其对应的 SSB 坐标时时间序列 tSSB0，t