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脉冲星试验01星科学试验与成果_姜坤.pdf
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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 ke
17、V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(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。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
18、验对了图 5Wolter-I探测器各能段有效探测面积Fig.5Effective detective area of Wolter-I detector for different energy图 4探测器时间响应测试Fig.4Detector time response test航空学报526611-5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
19、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。2.3Crab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 6 084 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。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
20、 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
21、,结果如图 8图 82016 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.8Timing residuals of Crab pulsar before and after fitting of 2016111820170325图 7不同区域光子流量与高辐射区域Fig.7Photon flux in different regions and high radiation region图 6500 km轨道软 X射线辐射全球分布Fig.6Global distribution of soft X-ray radiation of 500 km
22、 orbit表 4Crab脉冲星观测统计信息Table 4Statistical information of observation on Crab pulsar年份2016201720182019合计观测轨数1375535162491 455曝光时间/(103 s)3811 5301 4847054 101光子数/1044912 3082 2251 0606 084航空学报526611-6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 TOA,图 8(b)为拟合后测量 TOA 与预测 TOA 的残差,其均方根为55.4 s,Crab 计时参数测量值如表
23、 5 所示,表中F0、F1和 F2分 别 为 自 传 频 率 及 其 一 阶、二 阶导数。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 s,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
24、所示。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 s,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为图 92017 年 8 月 1 日2017 年 11 月 6 日 Crab 脉冲星拟合前后
25、的计时残差Fig.9Timing residuals of Crab pulsar before and after fitting of 2017080120171106图 102017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.10Timing residuals of Crab pulsar before and after fitting of 2017111820180128表 52016 年 11 月 18 日2017 年 3 月 25 日 Crab 计时参数测量值Table 5Measured values of Crab timing p
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