面向脉冲星深空基准建立的X射线望远镜及发展设想_周庆勇.pdf

526608-1航空学报Acta Aeronautica et Astronautica SinicaFeb.15 2023 Vol.44 No.3ISSN 1000-6893 CN 11-1929/V面向脉冲星深空基准建立的 X射线望远镜及发展设想周庆勇1，2，*，魏子卿1，2，雷耀虎3，刘思伟1，2，郝小龙4，吴富梅1，2，杨彦佶5，强鹏飞61地理信息工程国家重点实验室，西安 7100542西安测绘研究所，西安 7100543深圳大学 物理与光电工程学院 教育部/广东省光电子器件与系统重点实验室，深圳 5180604北京通信与跟踪技术研究所，北京 1000905中国科学院 高能物理研究所 粒子天体物理重点实验室，北京 1000496中国科学院 西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室，西安 710119摘 要：深空基准是进入、利用和控制太空的基础，X 射线望远镜是构建脉冲星深空基准的重要观测设备。首先，论述了脉冲星计时在深空基准建立中的作用，定性分析了毫秒脉冲星空间观测对 X射线望远镜的需求，系统总结了 X射线望远镜的国内外技术现状及发展趋势；其次，针对 X射线毫秒脉冲星观测中脉冲信号弱而非脉冲信号及空间弥散本底较强的特点，提出了利用毫秒脉冲星高分辨率成像观测抑制非脉冲噪声的方法，并初步设计了一种高分辨率低噪声 X射线望远镜；最后，分析了不同的脉冲信号流量、非脉冲信号流量、角分辨率及单次镜片反射效率分别对聚焦成像型、聚焦非成像型和准直非成像型 X 射线望远镜脉冲星观测信噪比的影响，发现聚焦成像型 X 射线望远镜在弱脉冲信号和强非脉冲信号流量下具有较好的探测能力。同时计算结果表明：在相同条件下，聚焦成像型望远镜对 5颗导航脉冲星的探测灵敏度，比美国中子星内部组成探测器（NICER）的 X 射线计时仪器（XTI）有不同程度的提高。可见，设计的聚焦成像型 X射线望远镜，能够有效地提高毫秒 X 射线脉冲星的观测能力，能为国家综合定位导航授时（PNT）及深空基准体系的建设提供硬件支持。关键词：深空基准；脉冲星导航；X射线望远镜；X射线探测器；脉冲星计时中图分类号：V447+.1 文献标识码：A 文章编号：1000-6893（2023）03-526608-18深空为国家利益的“高边疆”，国家战略的新制高点。一个航天强国为维护国家利益和太空权益，必须大力发展进入、利用和控制太空的能力。深空基准是指通过观测恒星、脉冲星、行星等天体建立的参考标准，是地球空间基准的拓展和延伸，是开展深空探测活动的基础1，主要解决飞行器“在哪里”和“去哪里”等基本问题。当前深空基准的建立主要是利用地面射电观测手段，http:/ 引用格式：周庆勇，魏子卿，雷耀虎，等.面向脉冲星深空基准建立的 X 射线望远镜及发展设想 J.航空学报，2023，44（3）：526608.ZHOU Q Y，WEI Z Q，LEI Y H，et al.X-ray telescope for pulsar deep space reference and its development visionJ.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2023，44（3）：526608（in Chinese）.doi：10.7527/S1000-6893.2021.26608收稿日期：2021-11-02；退修日期：2021-11-26；录用日期：2021-12-29；网络出版时间：2023-02-15网络出版地址：https：/ 2033 年将宇航员送上火星2。中国明确提出深空探测三步走战略规划，将围绕月球的探索、开发和利用，小行星和彗星探测，小行星、火星采样返回，木星及其卫星探测、太阳系边际探测及行星际穿越等方面，积极培育、稳步实施3-4。可以预见，随中国深空探测活动增多和飞行距离的增加，对高精度、高实时性深空基准的需求日益迫切。然而基于传统方法构建的深空基准精度随着作用距离增大而急剧下降，因此，希望寻找一种深空基准自主构建的技术，以减少对地面测控网的依赖，并提升飞行器导航精度及其自主性。自 1967年发现首颗脉冲星后5，科学家便意识到脉冲星在时空基准建设中潜在应用价值6-8。X射线脉冲星是高速旋转且自转频率极其稳定的中子星9，其位置坐标可精确测定10，犹如恒星星表一样构成一种高精度惯性参考系；它们辐射的脉冲信号具有高稳定周期和高稳态轮廓特性，部分毫秒脉冲星自转频率长期稳定度优于地面原子钟，因此能够为飞行器深空航行提供良好的时间和空间参考基准11。当前，中国具备一定的深空探测能力，但深空基准建设总体上处于较低的水平，严重依赖于西方发达国家，特别是在关键器件和设备上。遥远的毫秒脉冲星可构建类似导航卫星的星座，形成一个服务范围更广的时空基准服务信息系统。脉冲星信号不受人为干扰，安全性高，是深空飞行器极好的天然导航信标12-13。X 射线毫秒脉冲星计时观测的用途在于7，14：提供一种独立自主的时空基准服务，实现安全自主的全域导航服务。需要指出的是，尽管当前脉冲星导航授时精度在近地空间无法与地基导航或卫星导航媲美，但该技术在近地空间的可用性毋庸置疑；为高价值卫星提供一种自主导航的冗余手段，提升大范围长航时的自主导航能力和在轨自主运行能力，提高中国控制空间的本领；是当前超远距离空间唯一的自主导航手段，能增强远离地面测控台站作用距离的飞行器的自主导航能力，为中国未来的深空探测如太阳系边际探测提供支持14。随着对自主导航的迫切需求和相关技术的飞速发展，脉冲星导航终究将会变成现实，从而开启全新的深空自主导航时代。美 国 非 常 重 视 脉 冲 星 时 空 基 准 建 设 及 应用15-17。21世纪初，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）提出了“基于 X 射线源的自主导航定位验证”计划，其目标是能够为飞行器在太阳系内任意位置提供独立于全球定位系统（Global Positioning System，GPS）的自主导航能力16。2015 年6月，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）将脉冲星自主导航与 X 射线通信作为“革命性概念”列入其空间发展规划（20152035年），并计划将 X 射线脉冲星导航技术用于 2027年和 2033年的火星探测计划18。与此同时，2017年，NASA 启动了“X 射线计时与导航技术的空间站在轨验证试验”（Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology，SEXTANT）项目，利用在国际空间站上搭载的中子星内部组成探测器（Neutron star Interior Composition Explorer，NICER），在国际上首次开展了观测毫秒脉冲星的导航技术试验，成功将空间站位置误差收敛到16 km 范围，最好可达 5 km19-20。美国正积极利用其深空探测网开展脉冲星观测，以期为其将来脉冲星深空自主导航提供星历参数支持21-22，并计划 2023 年利用其月球探测器开展一次更远距离的脉冲星导航空间试验23。此外，毫秒脉冲星能够提供一种独立的基于遥远自然天体并持续数百万乃至数十亿年的时间基准，称为脉冲星时，具有高稳定性、全自主性和全宇宙性的特点，可驾驭原子钟长期稳定度，服务范围广，在时频基准建设方面有良好的应用前景11。2010 年，DARPA 提 出 了 X 射 线 计 时（X-ray Timing，XTIM）计划17，XTIM 是一套用 X 射线脉冲星为美国空间资产提供自主定时和定位的系统，独立并补充 GPS。2019 年，NASA 公布 SEXTANT项目 2 年观测数据实现天基脉冲星时年稳约3 10-1424。2018 年 欧 空 局（European Space Agency，ESA）启 动 了 地 基 脉 冲 星 时 试 验 项 目PulChron，其目的是监测和改善伽利略卫星导航航空学报526608-3系统时间的长期稳定性25。中国学者也开展大量的脉冲星时空基准研究工作，利用国内外 X 射线 脉 冲 星 空 间 观 测 数 据 开 展 了 导 航 性 能 分析26-28，利 用 国 际 脉 冲 星 计 时 阵（International Pulsar Timing Arrary，IPTA）的毫秒脉冲星观测数据开展脉冲星时稳定性估计29-30，其中国防科大王奕迪博士在脉冲星导航误差补偿、计时模型抗差估计等方面做了很多开创性工作，推动中国在基于实测数据的深空基准研究28。脉冲星深空基准在中国更加泛在、更加融合、更加智能的综合 PNT 体系建设中占据着重要地位。根据中国综合 PNT 发展体系构想，脉冲星导航和授时技术是为深空用户提供基准信息的主要手段31-32。即使飞行器远离地球，脉冲星深空基准误差并不会急剧增大，将与地基深空网形成重要的互补作用。在国家综合 PNT 体系中，通过空间 X 射线和地面射电频段同时观测毫秒脉冲星，还可实现高精度的天地时间溯源11。建设中国自主的 X 射线脉冲星导航授时系统，形成脉冲星深空基准自主建立、维持与精化能力，摆脱长期依赖国外的不利局面，有利于争取“高边疆”战略主动权。X射线脉冲星展示了其在国家综合 PNT、深空基准建设中良好的应用前景，然而最基础性、最关键的工作是高效精确地探测来自脉冲星的 X 射线光子，因此研制出满足需求的 X 射线望远镜是实现脉冲星导航授时、建立自主脉冲星深空基准的技术基础。1性能需求分析脉冲星深空基准的建立需要 X 射线望远镜、导航授时算法及脉冲星参数库等要素的支持。相比于地球空间基准，脉冲星深空基准的建设涉及更大的时空参考框架，其数据处理一般在太阳质心参考系中解算。首先，X 射线望远镜记录每个到达光子的本地时空坐标，获取脉冲到达时间（Time of Arrival，TOA）、多普勒频移等观测量，再融合脉冲星星历参数和轨道动力学信息，经导航滤波算法解算，最终得到导航和授时信息13。若准确知道飞行器空间位置，可更加精确地建立脉冲星时。X射线望远镜作为脉冲星导航授时系统的“眼睛”，用于获取脉冲 TOA 等基本观测量。通过对 X 射线光子序列按照脉冲星自转参数折叠得到观测脉冲轮廓，然后与标准轮廓模板比较，得到脉冲 TOA。其精度与 X射线光子时间测量精度和信号信噪比息息相关，直接影响着脉冲星导航授时精度，因而发展高性能 X 射线望远镜对于整个脉冲星深空基准建设至关重要。美国近年之所以率先成功实现 X 射线脉冲星导航授时空间试验，就是因为 NASA 研制出高性能的 X射线计时仪器（X-ray Timing Instrument，XTI），能高精度且高效地测量来自脉冲星的 X 射线光子时间、能量等信息。研制一款性能先进的 X 射线望远镜，开展与之相关的关键技术研究，力推中国脉冲星导航授时 空 间 试 验，使 其 试 验 结 果 优 于 当 前 美 国SEXTANT 的结果，为中国将来脉冲星深空基准建立奠定基础。通过论证分析和进一步优化，脉冲星导航精度能够优于 1 km，脉冲星时十年稳定度可达 10-15，便于将来的深空探测器提供自主导航授时服务13。公里级导航服务需要脉冲 TOA测量精度优于 3 s，而高稳定授时服务需要脉冲TOA 精度达到 300 ns，这就要求为高精度脉冲星时空基准建立设计的 X 射线望远镜，应具有有效面积大、时间响应快、角分辨好、噪声低、重量轻等特点，对其基本要求如下：1）具有高探测效率和足够大的有效面积（应0.3 m21 keV），且易模块化拼接。毫秒 X射线脉冲星信号流量一般10-3 ctscm-2s-1，高效地收集来自脉冲星的光子是 X 射线望远镜的首要任务。2）具有优良的时间测量精度，时间分辨率高（应优于 1 s），能够对光子信号快速识别，且信号转移时延小。3）具有良好的能量分辨率