美国脉冲星导航空间飞行试验进展

丁陶伟 帅平（中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室）

1 引言

脉冲星属于高速旋转的中子星，具有极其稳定的周期性，它被誉为自然界中最稳定的天文时钟。脉冲星导航是以脉冲星辐射的X射线信号作为天然信标，航天器自主确定位置、速度、时间和姿态等导航参数的过程。近十余年来，脉冲星导航一直是国际航天前沿技术研究的热点领域，备受世界航天大国关注[1-2]。

2004年，美国国防高级研究计划局（DARPA）提出“X射线导航与自主定位验证”（XNAV）计划[3]，目标是建立一个能够为航天器提供定轨精度10m、定时精度1ns、姿态测量精度3″的脉冲星导航网络。2006年，美国国家航空航天局（NASA）启动利用X射线脉冲星的深空探测器自主导航技术研究计划，以满足2030年实现250m的轨道精度指标需求[4-5]。2011年，NASA戈达德航天飞行中心（GSFC）的首席研究员基思·根德罗（Keith Gendreau）博士提出“中子星内部构成探测器”（NICER）任务的科学提案[6]。同时，在NASA太空技术任务局（STMD）的资助下，GSFC联合美国大学空间研究协会（USRA）开展了“空间站X射线计时与导航技术试验”（SEXTANT）项目[7]，并将其纳入NICER任务的技术演示增强项目。2017年6月，NICER任务探测设备成功发射至国际空间站，开始开展中子星内部结构探测研究以及SEXTANT脉冲星导航空间飞行试验，实测验证脉冲星导航的技术可行性。

2 NICER任务概述

任务背景

2011年，NASA提出了新一轮的“探索者任务”（Explorers Missions）计划，选择了11项科学提案进行评估，提案包括研究地球大气、太阳、银河系以及恒星周围的类地行星等未来的潜在科学任务，进而从中选择具有最佳科学价值和可行性发展的计划作为“探索者任务”。NICER任务作为提案之一，其计划在国际空间站上放置X射线计时仪器，以探索中子星内部物质的结构、动力学和能量辐射机制。NASA科学任务委员会将NICER任务列入“探索者任务”计划的实施项目之一，该项目的首席研究员是GSFC的天体物理学家基思·根德罗，副首席研究员是USRA的科学家扎文·阿祖玛尼（Zaven Arzoumanian）。GSFC作为NICER任务的牵头单位，其合作团队还包括麻省理工学院卡夫利研究所（MIT Kavli Institute）、穆格公司（Moog）和海军研究实验室（NRL）等。

任务组成

NICER是NASA首次致力于中子星研究的任务，国际空间站为其提供了稳定的平台和丰富的资源，降低了设计成本和风险，为任务提供了保障。NICER是一项二合一任务，其主要科学目标是对中子星和实验室无法模拟的物理环境中的致密天体进行综合研究，通过在软X射线能带展开对中子星的观测，精确测量中子星的半径及质量，并进一步揭示中子星内部物质的结构、动力学和能量辐射机制。除了主要的中子星观测项目外，NICER还进行了由STMD资助的SEXTANT项目，其主要目的是利用毫秒脉冲星的观测数据，在轨实时演示验证脉冲星导航的可行性[8]。由于NICER探测器具有有效观测面积大，信噪比和分辨率较高等优点，可以从微弱的毫秒脉冲星信号中提取高质量的导航信息，所以非常适合脉冲星导航演示。

SEXTANT项目系统架构

SEXTANT项目是NICER任务的增强演示项目，其目标是在轨开展脉冲星导航空间飞行试验，照片展示了该项目研究团队的核心成员，从左到右分别是：俞伟峰（Wayne Yu）、肖恩·森佩尔（Sean Semper）、杰森·米切尔（Jason Mitchell）、卢克·温特尼茨（Luke Winternitz）、蒙瑟·哈苏内（Munther Hassouneh）和萨姆·普莱斯（Sam Price）。其中，GSFC系统分析部技术助理总监杰森·米切尔担任SEXTANT项目经理，GSFC工程师卢克·温特尼茨担任项目系统架构师。

SEXTANT项目工程团队

SEXTANT项目利用NICER对X射线毫秒脉冲星光子到达时间的计时数据来自主确定其在太空中的位置和速度，在轨实时演示基于脉冲星的航天器导航。该系统由四部分组成，包括X射线计时仪系统、导航飞行软件、地面测试平台和地面支持系统[9]，其具体功能如下：

1）X射线计时仪系统是NICER任务的核心设备，同时也是承载SEXTANT试验演示的有效载荷。其主要用于观测具有高时间分辨率、高光子流量和低背景噪声的中子星。

2）导航飞行软件的关键算法主要包括实现光子到达事件的处理与滤波、生成多普勒测量值以及通过扩展卡尔曼滤波器进行航天器状态估计，具体操作过程是：首先，考虑到观测计划和可见脉冲星的约束，将按顺序观测来自SEXTANT目录的多颗毫秒脉冲星；其次，从给定的毫秒脉冲星累积足够的光子事件后，对收集到的光子到达时间进行批处理以提取脉冲相位和多普勒测量值；最后，将这些测量值传递到导航滤波器，结合航天器动力学模型以更新对航天器状态的估计。

3）地面测试平台是由GSFC研制，通过对算法软件系统和探测器进行测试，以快速逼真的模拟环境来评估脉冲星导航方案的可行性。

4）地面支持系统由GSFC的科学任务运营中心（SMOC）进行构建并提供任务支持，主要功能是生成和维护支持脉冲星导航演示所需要的脉冲星信息，并提出试验任务规划，上行注入指令序列，以达到科学试验任务目标。

3 X射线计时仪系统技术分析

X射线计时仪系统结构示意图

X射线计时仪系统是SEXTANT项目的核心设备，其由计时仪主体设备、星体跟踪器、GPS天线以及附属设施组成。其中，X射线计时仪主体设备是洗衣机大小的长方体结构，体积为778mm×1245mm×800mm，主要由X射线聚焦镜头、硅漂移探测器（SDD）阵列和集成光学平台等部件组成，其主要功能是负责收集并记录X射线光子；GPS接收机主要负责标记光子到达时间；星体跟踪器负责引导指向系统跟踪探测目标；附属设备由转接板、污染防护罩和指向系统等组成，其作用是将探测器主体安装在国际空间站上，提供平台支持。X射线计时仪系统具有收集面积大、体积与质量小、观测效率高等特点，在光子能量为1.5keV时其聚焦效率可达到50%。GSFC首席研究员基思·根德罗表示，“NICER的灵敏度、X射线能量分辨率和时间分辨率能够更精确地测量中子星半径，以解释中子星的内部构成，这样的测量精度比以往技术水平提高了一个数量级。”超高的测量精度为中子星观测提供了很好的条件。

由于X射线具有波长短、频率高、能量大和穿透性强等特点，容易被介质吸收，以正入射方式入射到物质，其传播方向不会发生明显改变，因此传统的光学聚焦镜头均难以使X射线聚焦。目前常用的X射线聚焦方法包括Wolter型掠入射方法、反射光栅方法和微孔光学方法等。其中，Wolter型掠入射方法是利用X射线的掠入射全反射性质实现聚焦成像，根据抛物面与双曲面和椭圆面的反射镜组合形式，以及聚焦的焦点位置不同，Wolter掠入射光学系统可分为Wolter－Ⅰ，Wolter－Ⅱ和Wolter－Ⅲ三种类型。其中，Wolter－Ⅰ型掠入射望远镜是一种利用深度抛物面和双曲面组合构成的一个环状扇面镜。X射线计时仪系统安装的聚焦镜头采用类似Wolter－Ⅰ型的掠入射聚焦方式，每个镜头均由24个嵌套的抛物线形镀金薄箔反射镜组成，其长度为0.1524m，口径为0.1m，焦距为1.085m。由于对成像没有要求，因此聚焦透镜只有初级的旋转抛物面反射镜，没有次级旋转双曲面反射镜，这样可以满足轻量化短焦距的要求[10]。56个X射线聚焦镜头的共对准阵列安装在光学平台上，为最大化节省探测器面积，聚焦镜头以近似7×8的阵列方式排列，该阵列用于将星体辐射的X射线光子聚焦到探测器后端相应的聚焦阵列上。在光子能量为1.5keV时，该聚焦阵列能够提供有效探测面积为2000cm2；在光子能量为6keV时，其能够提供有效探测面积为600cm2。

56个聚焦镜头组装的聚焦阵列

X射线探测器是通过测量入射光子与探测器物质碰撞作用而释放的能量，从而达到探测X射线光子数量的目的。根据X射线探测器主体探测物质的不同性质，可以将探测器分为充气正比计数器、微通道板探测器、半导体探测器、SDD探测器、闪烁体探测器和热敏探测器等。目前，空间X射线探测器应用较多的有SDD探测器和微通道板探测器。X射线计时仪采用GSFC联合MIT天文仪器团队研制的专用SDD探测器，能够以较强的光谱分辨率记录光子能量，在0.2～12keV的能谱范围内提供高信噪比光子计数能力。目前，主流SDD探测器的时间分辨率一般在微秒量级，能量分辨率在200eV以上，X射线计时仪采用的专用SDD探测器的时间分辨率达到了300ns，能量分辨率在光子流量为1keV时达到85eV；在光子流量为6keV时达到137keV。与主流SDD相比，此专用SDD探测器具有较大的能谱范围、较高的时间分辨率和能量分辨率，代表了目前X射线探测器的先进水平。

4 空间飞行试验过程及结果

探测器的发射、安装与调试

美国东部时间2017年6月3日17:07，太空探索技术公司（SpaceX）的猎鹰－9（Falcon－9）火箭成功发射了“龙”（Dragon）货运飞船，执行第十一次空间站商业补给服务（CRS－11）任务，其搭载发射项目包括NICER任务的探测设备。6月5日，NICER任务的探测设备与国际空间站会合，并被国际空间站上的机械臂成功抓获；6月13日，设备在国际空间站的快速后勤舱－2（ELC－2）上完成安装，仪器开始通电[11]；到6月30日，X射线计时仪和恒星跟踪仪已完成对准，热系统功能符合预期，设备已基本完成调试工作，在轨测试完毕。

2017年6月3日猎鹰－9火箭发射图

NICER任务探测设备在“国际空间站”上的工作示意图

NICER科学观测任务

X射线计时仪系统在完成一系列调试工作后，于2017年7月17日开始定期观测天体目标，主要对中子星、黑洞等致密天体开展观测研究。

可以看出，NICER任务的主要任务是对中子星展开观测。其中，SEXTANT项目作为NICER任务的技术演示增强试验，期间利用NICER对脉冲星的实测数据开展了两次试验：一次为地面后处理试验；另一次为在轨空间飞行试验。

SEXTANT地面后处理试验

2017年10月，SEXTANT研究团队对编号为PSR B1937+21的脉冲星进行了观测。该脉冲星是最早发现的一颗毫秒脉冲星，其周期为1.588ms，J2000.0历元下的赤经和赤纬分别为294.91°和21.58°，光子流量为4.99×10-5ph/cm2/s。研究团队将其观测数据下传到GSFC地面处理中心，利用导航飞行软件进行地面后处理试验，通过单颗脉冲星的观测数据进行轨道改进，初步得到20km的导航精度，验证了导航飞行软件的可靠性，也为后续在轨空间飞行试验的开展奠定了基础。

NICER任务事件进展表

续表

SEXTANT在轨空间飞行试验

2017年11月，SEXTANT研究团队选择了4颗毫秒脉冲星作为观测目标，开展了SEXTANT项目第一次在轨空间飞行试验（SEXTANT Experiment 1），获得了脉冲星编号、脉冲周期以及J2000.0历元国际天球参考系下的赤经和赤纬等参数数据。

这4颗脉冲星具有极其稳定的辐射周期，在未来数年内脉冲到达时间的精度都将优于微秒量级。在为期2天的实验中，X射线计时仪通过观测产生了78个测量值并获得时序数据，SEXTANT将其输入到专门开发的机载算法中，将结果与GPS接收机得到的位置数据进行了对比。结果表明，当空间站以超过27000km/h的速度绕地球飞行时，该导航系统可以将其定位在15km的误差半径范围内。可以看出：在没有加入脉冲星观测数据时，定位误差发散；当加入脉冲星观测数据后，系统的定位误差在7.5h后收敛到了10km范围内，并且在试验剩余时间内仍远低于该阈值，位置精度在大部分时间保持在5km内[12]。2018年1月，NASA在其官网上发布了脉冲星导航在轨试验结果，其在轨导航精度已经达到5km。SEXTANT项目系统架构师卢克·温特尼茨（Luke Winternitz）说：“试验过程比我们预先计划的两星期要快很多，这次的试验结果证明了该系统拥有可以自主运行的能力。”

SEXTANT第一次在轨试验观测脉冲星参数

脉冲星导航空间飞行试验结果图

SEXTANT项目经理杰森·米切尔（Jason Mitchell）说：“这次成功的演示将X射线脉冲星导航确立为一种新型自主导航模式，我们已经证明，这项技术可以在太阳系内外的任何地方实现定位导航，并能够增强深空探测能力。”后续，GSFC研究团队将继续开展脉冲星导航第二次空间飞行试验，其目标将实现优于1km的导航误差。为了提高该技术未来在空间飞行任务中的实用性，GSFC研究团队将致力于减小探测器尺寸、质量和功率要求，并提高仪器的灵敏度以满足空间飞行试验及工程任务需求。尽管目前被广泛使用的GPS系统对于地球上的用户来说能够达到几米的定位精度，但是对于深空探测来说，数百米的定位精度就能够满足任务需求。这项技术为深空导航提供了一种全新的选择方案，可以与现有的基于航天器的无线电和光学导航系统协同工作。尽管可能还需要花费数年时间才能将成熟的脉冲星导航系统应用于深空任务，但NASA工程师已经证明了这项技术的可行性，并为未来的行星际深空探测提供技术储备。

5 结论

综上所述，从2004年以来，美国在脉冲星导航研究领域中投入了大量研究资源，并且已经在脉冲星导航关键技术研究、地面试验验证、X射线探测器研制以及空间飞行试验中取得了重大进展。在NICER任务中，美国成功研制了轻量化、高效率、高精度的X射线计时仪，重点对中子星等致密天体展开了观测研究。SEXTANT项目作为NICER任务的技术演示增强项目，在2017年10月和11月分别利用脉冲星实测数据开展了一次地面后处理试验和一次空间飞行试验。在地面后处理试验中利用单颗脉冲星的观测数据得到20km的导航精度，验证了导航飞行软件的可靠性；在空间飞行试验中对4颗毫秒脉冲星进行了为期两天的观测，利用78组实测数据进行了在轨演示验证，试验结果达到了5km的导航精度。SEXTANT的试验结果证明了脉冲星导航这一技术概念的有效性及其在当前技术下的可实现性，为深空导航提供了一种全新的选择方案。