XPNAV-1卫星聚焦型X...脉冲星望远镜在轨稳定性分析_周庆勇.pdf

526610-1航空学报Acta Aeronautica et Astronautica SinicaFeb.15 2023 Vol.44 No.3ISSN 1000-6893 CN 11-1929/VXPNAV1卫星聚焦型 X射线脉冲星望远镜在轨稳定性分析周庆勇1，2，*，闫林丽3，李连升4，冯来平1，2，石永强4，孙鹏飞5，方柳1，2，王龙1，21西安测绘研究所，西安7100542地理信息工程国家重点实验室，西安7100543安徽建筑大学 数理学院，合肥2306014北京控制工程研究所，北京1000905中国电子科技集团公司第三十九研究所，西安710076摘 要：聚焦型 X 射线脉冲星望远镜（FXPT）是脉冲星导航试验（XPNAV-1）卫星的核心载荷，为中国首款在轨工作的聚焦型 X射线望远镜，其在轨稳定性一直备受关注。首先，分析了 XPNAV-1卫星对具有特征能谱辐射的超新星遗迹观测数据评估 FXPT 在轨性能的稳定性的可行性，发现拟合得到的 FXPT 能量响应参数存在较大误差，且缺乏长期超新星遗迹观测数据，难以支持望远镜在轨性能长期稳定性分析。其次，通过处理分析 XPNAV-1卫星于 2016年 11月2019年 11月间 1 455次 4.1106 s Crab脉冲星观测数据，发现 FXPT 在 9.5 keV 附近长期较稳定地存在大量的 X 射线光子，且其能量分布曲线近似高斯分布，排除了其来自脉冲星辐射可能性后，推断其来自于 FXPT 的超上阈信号，同时发现在 7.5 keV 能量处存在特征谱线辐射，判断其来自于望远镜镜片材料 Ni的受激辐射 K射线。继而提出了一种利用望远镜本征特征能谱和超上阈信号共同监测其在轨稳定性的方法，通过分析近 4年 XPNAV-1卫星对 Crab脉冲星的观测能谱，发现 FXPT 于 2017 年 10月后性能趋于稳定，该方法有效弥补 XPNAV-1卫星无携带辐射标定装置的缺点。同时恢复出 Crab脉冲星累积脉冲轮廓，且轮廓形状与 RXTE 卫星观测结果的相似度为 98.6%，FXPT 能够精准地获取Crab脉冲星的脉冲轮廓。关键词：聚焦型 X射线脉冲星望远镜；脉冲星导航试验（XPNAV-1）卫星；Crab脉冲星；脉冲轮廓；光子能量分布中图分类号：V447+.1 文献标识码：A 文章编号：1000-6893（2023）03-526610-11脉冲星是一类高速自转的中子星，能稳定地向外辐射脉冲信号，位置能精确被测定，且自转极其稳定，能够为航天器提供自主导航服务1。X 射线脉冲星导航是一种新型天文自主导航技术，具有传统天文导航系统共性特性：自主性高，安全性高，导航误差不累积2。空间均匀分布的脉冲星可构建类似导航卫星的星座，增强远离地面测控台站作用距离的飞行器自主导航能力，降http:/ 引用格式：周庆勇，闫林丽，李连升，等.XPNAV1 卫星聚焦型 X 射线脉冲星望远镜在轨稳定性分析 J.航空学报，2023，44（3）：526610.ZHOU Q Y，YAN L L，LI L S，et al.On-orbit stability analysis of FXPT on XPNAV-1 J.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2023，44（3）：526610（in Chinese）.doi：10.7527/S1000-6893.2021.26610收稿日期：2021-11-02；退修日期：2021-11-30；录用日期：2022-01-07；网络出版时间：2023-02-15网络出版地址：https：/ X 射线脉冲星导航在近地空间的精度无法与地基导航技术相比3，但深空领域远远高于传统天文导航和地基导航技术，应用前景广阔。相比于卫星导航系统，脉冲星时空参考框架更大，可实现近地、深空、星际范围无缝导航，且导航误差不随距离增加而急剧增大，是当前超远距离自主导航的唯一手段。脉冲星自主导航技术在国家导航定位和授时体系论 证 与 建 设 中 也 占 据 着 重 要 位 置4。中 国 于2016年发射了 XPNAV-1卫星，其核心目的是在轨验证国产望远镜性能和开展脉冲星导航空间试验5。XPNAV-1卫星是中国首颗专门从事于验证脉冲星导航技术的试验卫星，由中国空间技术研究院研制6-7。XPNAV-1 卫星设计寿命为 1 年，现已在轨工作 5年，收集了大量观测数据，国内学者开展了大量的脉冲星信号处理和计时分析工作8-9，证实了国产望远镜成功地探测到 Crab 脉冲星的信号，开展了初步的脉冲星导航试验10。此外还开展 Crab 脉冲星计时稳定性分析和 2017年最大周期跃变量精确测定11。聚焦型 X 射线望远镜是脉冲星自主导航系统的核心设备，相同有效面积的聚焦型望远镜的灵敏度比非聚焦型设备高出 2 个数量级12-13，且能够有效地抑制空间背景噪声的影响。聚焦型 X射线望远镜主要由聚焦 X光学系统和 X射线探测器 2 部分组成，前者负责 X 射线光子的聚焦与收集，后者再进行光电转换及信号读出14-15。根据掠入射反射结构的不同，聚焦型 X 射线望远镜主要有 KB 型（Kirkpatrick-Baez）、Wolter 型和微孔光学阵列等结构。Wolter 型光学系统具有较高的聚焦效率，当前国际上主要大型 X 射线空间观测望远镜均采取这种聚焦系统。X射线探测器包括气体探测器、微通道板型探测器、闪烁体探测器和半导体探测器，其中半导体探测器能够满足脉 冲 星 导 航 对 时 间 分 辨 率、能 量 分 辨 率 的 要求16。自 Giacconi 开创空间 X 射线天文观测以来，美国 NASA 和欧空局研制了一系列的聚焦型X射线望远镜，望远镜的性能越来越高，有效面积逐渐增大，角分辨率逐渐提高17。随着中国对空间高能天文及脉冲星导航的重视，国内多家单位开展基于不同技术及工艺的聚焦型 X 射线望远镜的研制12，15，17，其中包括由北京控制工程研究所研制的 FXPT7。FXPT 是 XPNAV-1 卫星的主要载荷，为一种抛物面镜嵌套共焦 X 射线望远镜，为中国在轨工作的首款该类型设备12，18。FXPT 的光学结构与美国在国际空间站开展脉冲星导航试验的探测设备类似，故 FXPT 也具有本底噪声小、噪声抑制力强等优点19。截至目前，FXPT 已正常在轨工作 5年多时间，远超设计寿命。事实上，望远镜性能与空间运行环境、器件工作状态及运行时间等因素密切相关。在发射前，使用 X 射线双晶单色仪和同步辐射光源对 FXPT 的性能参数进行精确标定20-21，它常被用作数据处理中标准参数。FXPT 是一个空间结构非常精密的科学仪器，经长征运载火箭发射的强烈冲击，可能导致聚焦光学系统与探测器精准对焦的细微变化。在轨期间，需承受在轨恶劣的热环境和复杂的空间电磁环境，任何微小的 X 射线镜片面形变化或结构形变都会影响 FXPT 的聚焦性能，降低设备的探测灵敏度。此外，随着长时间电磁辐照，FXPT 内部元器件老化而性能参数发生变化，如X 射线探测器能量分辨率会随时间而增大。因此，望远镜稳定性是一个需持续关注的问题，在望远镜长期数据处理中，需要对望远镜性能参数及时修正，否则会影响数据分析结果准确性，但当前国内学者对 FXPT 在轨稳定性研究较少。对于大面积 X 射线望远镜，往往自带放射源对望远镜部分遮挡区域进行标定，或观测超新星遗迹进行能谱标定22-23。Crab 脉冲星的 X 射线辐射流量强且稳定，辐射信号具有清晰的脉冲轮廓特征，易于识别，故常作为 X 射线标定源。然而FXPT 几何面积为 30 cm2，卫星空间载荷容量有限，难以携带标定装置12。国内学者根据国际上精确测定的 Crab脉冲星辐射参数，考虑宇宙中性氢对 X 射线光子的吸收效应，估计出 FXPT 的有效面积和探测效率12，24。由于缺乏 FXPT 对具有特征能谱辐射的超新星遗迹持续不间断的观测数据，本文研究了一种利用望远镜本征特征能谱辐射和超上阈信号共同监测其在轨稳定性的方法，分析了 FXPT近 4年的在轨稳定性。航空学报526610-31FXPT简介XPNAV-1卫星于 2016 年 11月 10日发射升空，采用整星零动量三轴稳定姿态控制方式，运行在太阳同步轨道上。卫星采用一体化综合电子设计，整星重约 243 kg。XPNAV-1 卫星科学任 务 包 括，一 是 在 轨 验 证 FXPT 性 能，解 决FXPT 在轨看得见脉冲星的问题，并为后续探测器选型、改进提供依据；二是获得 1颗以上 X 射线脉冲星空间观测数据，为脉冲星物理特性研究和导航机制探索提供数据支撑6，8。FXPT 基于掠入射全反射聚焦原理，X 射线光子以很小的掠入射角照射到每层超光滑的反射镜内表面，经全外反射聚焦到焦平面探测器上。硅基探测器基于光电效应将每个聚焦的 X射线光子转换成电信号，通过前置放大、成形滤波等电子学处理，精确记录每个 X 射线光子的到达时间及能量信息。FXPT包括嵌套式掠入射光学系统、焦平面探测器（即硅漂移探测器（Silicon Drift Detectors，SDD）探测器组件）、脉冲信号处理电路、高能粒子防护装置、姿态管理单元和星敏感器12，18，如图 1所示，其中光学系统和星敏感器安装在卫星舱外。FXPT包括以下主要组成部分：1）嵌套式掠入射光学系统19：采用单次反射的聚焦型 X 射线光学系统，其功能是将 X 射线光子聚焦在 SDD 上。该光学系统由 4 层 Ni基抛物面反射镜和最外层微晶玻璃抛光的反射镜组成，Ni基反射镜表面镀 Au金属，而玻璃反射镜表面镀 Ir 金属。采用多层嵌套技术增加了光学系统的有效面积，提高了望远镜的观测灵敏度。2）SDD 探测器组件：采用面积 25 mm2的SDD，SDD 也是美国脉冲星导航空间试验用的 X射线探测器，将 X 射线光子转换成电子-空穴对，最终将其转换为电流信号。SDD 具有计数率高、能量分辨率高的优点。3）脉冲信号处理电路20：由前置放大器、模拟电路、数字电路和电源线组成。前置放大器将X射线光子产生的电荷转换为电流信号，电荷量与入射光子能量成正比。电流脉冲信号通过比较器转换为触发信号，用星载铷钟标记触发信号的到达时间，实现光子信号高信噪比的信号处理。4）高能粒子防护装置20：包括磁性偏转器和一个高能粒子屏蔽体。采用磁性偏转器对进入的电子产生的洛伦兹力，并使电子偏离焦平面探测器，减少了高能电子的影响。高能粒子屏蔽体位于望远镜前部，当望远镜进入南大西洋异常区时关闭，以减少空间高能重粒子对SDD的损害。5）星敏感器：其光轴与望远镜光轴平行，用于指向和跟踪 X射线脉冲星。6）精确时钟：FXPT 由 2个高精度的时间参考，分别为恒温晶体振荡器和铷钟，在无 GPS 授时的情况下可实现高精度的计时。晶体振荡器和铷钟相互备份，提高时间系统的整体可靠性。同时，FXPT 还选择 GPS 秒脉冲进行长时间保持，选择恒温晶体振荡器进行短时间保持。由于原子钟功耗大，大多数观测使用晶体振荡器和GPS作为时间参考20。此外，望远镜还包括镜筒、电子学结构、安装法兰和支撑结构等，用于固定望远镜。FXPT 通过光学、电路、主被动屏蔽等综合设计有效抑制空间噪声的影响，能满足高信噪比脉冲星观测任务需求，同时设计了 2套精密时钟系统互为备份，提高了望远镜整体的可靠性18。FXPT 的基本性能参数如表 1所示12，20。2 数据基本情况及处理方法2.1数据基本情况XPNAV-1卫星是基于整星自旋和主动控制来实现脉冲星的实时跟踪，指向控制精度优于2。XPNAV-1 卫星对 Crab 脉冲星进行了长期且密集的观测，Crab 脉冲星是一颗年轻脉冲星，在多个能段有电磁辐射，其轮廓形状存在明显的图 1FXPT的系统结构图18Fig.1System structure of FXPT18航空学报526610-4双峰结构，双峰间隔约 0.4个相位，且脉冲轮廓随能量不同而变化，X 射线脉冲轮廓比射电脉冲轮廓宽，并存在桥区辐射。通过对原始数据进行解析和