李連升，梅志武，呂政欣，鄧樓樓，陳建武，石永強，左富昌，孫 艷，周 昊，張海力

(北京控制工程研究所， 北京 100190)

【航天工程】

掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠(yuǎn)鏡及在軌數(shù)據(jù)分析

李連升，梅志武，呂政欣，鄧樓樓，陳建武，石永強，左富昌，孫 艷，周 昊，張海力

(北京控制工程研究所， 北京 100190)

掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠(yuǎn)鏡是XPNAV-1衛(wèi)星的主載荷，其首要科學(xué)探測任務(wù)是以PSR B0531+21脈沖星為觀測目標(biāo)，根據(jù)在軌實測數(shù)據(jù)恢復(fù)脈沖輪廓，實現(xiàn)基于掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠(yuǎn)鏡“看得見”PSR B0531+21脈沖星的目標(biāo)。掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠(yuǎn)鏡主要由多層嵌套準(zhǔn)Wolter-I X射線光學(xué)系統(tǒng)、硅漂移探測器、磁偏轉(zhuǎn)器、電子學(xué)、高能粒子防護(hù)罩、高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部組件組成。介紹了脈沖星探測需求、有效載荷工作原理與設(shè)計原則、探測任務(wù)、主要技術(shù)指標(biāo)以及在軌觀測主任務(wù)期間觀測數(shù)據(jù)的初步分析結(jié)果。

脈沖星試驗衛(wèi)星； 聚焦型X射線望遠(yuǎn)鏡； 在軌觀測； 數(shù)據(jù)分析

X射線脈沖星導(dǎo)航是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ奶煳淖灾鲗?dǎo)航方法，具有不依賴地面測控站、擺脫地理條件限制、實現(xiàn)航天器全軌道自主導(dǎo)航、戰(zhàn)時自主生存能力強等特點，可為近地軌道、深空乃至行星際航天器提供豐富的等導(dǎo)航信息[1-2]。美國國防部先進(jìn)研究計劃局(DARPA)提出了“基于 X 射線源的自主導(dǎo)航定位驗證(XNAV)”計劃[3]，并聯(lián)合美國海軍天文臺等多家單位擬定和啟動了脈沖星導(dǎo)航的研究計劃，將X射線脈沖星導(dǎo)航納入國防部長期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要。

脈沖星導(dǎo)航與空間X射線探測都離不開高性能X射線望遠(yuǎn)鏡。目前的X射線望遠(yuǎn)鏡主要包括準(zhǔn)直調(diào)制型、編碼孔徑式、正入射式(鍍多層膜)、掠入射Wolter-I型和龍蝦眼型等，其工作原理、探測能段、空間角分辨率不盡相同。根據(jù)文獻(xiàn)[4,5]可知，掠入射Wolter-I型空間X射線望遠(yuǎn)鏡具有本底噪聲小、角分辨率高、可通過多層嵌套實現(xiàn)大的探測面積等特點，廣泛用于空間X射線探測以及X射線脈沖星觀測與導(dǎo)航。美國于2017年6月發(fā)射了X射線脈沖星計時與導(dǎo)航探測器[6](The Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology，SEXTANT)，采用了掠入射Wolter-I聚焦型望遠(yuǎn)鏡的方案。此外，國外已發(fā)射的X射線脈沖星探測型號[7]還包括美國的X射線探測定時衛(wèi)星RXTE、ChandraX射線觀測站和Swift衛(wèi)星、德國的ROSAT號X射線觀測站，ESA的軟X射線空間望遠(yuǎn)鏡XMM-Newton以及美國的NuSTAR等。

我國在脈沖星導(dǎo)航理論與算法方面開展相關(guān)工作[8-10]，但觀測數(shù)據(jù)均采用國外已公開數(shù)據(jù)。因此，為獲得脈沖星在軌觀測原始數(shù)據(jù)，中國空間技術(shù)研究院研制了我國首顆脈沖星試驗衛(wèi)星01星(XPNAV-1)，進(jìn)行脈沖星在軌觀測，積累科學(xué)數(shù)據(jù)。目前該項工作已獲得包括美國在內(nèi)的世界航天強國的積極關(guān)注[11]。其中，XPNAV-1衛(wèi)星的主載荷是由北京控制工程研究所研制的掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠(yuǎn)鏡(Grazing Incidence Focusing X-Ray Pulsar Telescope，iFXPT)?？紤]到PSR B0531+21(Crab脈沖星)是最明亮的空間X射線源之一，也是脈沖星導(dǎo)航演示驗證規(guī)劃的一個觀測目標(biāo)[12]，本次飛行任務(wù)以PSR B0531+21脈沖星為觀測目標(biāo)。目前，通過在軌長時間累積觀測，已獲取我國第一手PSR B0531+21脈沖星X射線的觀測數(shù)據(jù)。

本文主要介紹掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠(yuǎn)鏡有效載荷的科學(xué)任務(wù)與需求分析、有效載荷設(shè)計原則、工作原理與組成、主要技術(shù)指標(biāo)，以及在軌觀測數(shù)據(jù)的初步分析結(jié)果。

1 iFXPT科學(xué)任務(wù)與需求分析

X射線脈沖星試驗衛(wèi)星01星[13](XPNAV-1)于2016年11月10日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心由固體火箭發(fā)射升空。XPNAV-1是一顆三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，重約270kg，運載軌道為500km的LEO軌道，該衛(wèi)星的主載荷是掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠(yuǎn)鏡，如圖1中的iFXPT。其科學(xué)任務(wù)包括：(1)在軌驗證iFXPT探測方案與性能；(2)實現(xiàn)對PSR B0531+21脈沖星的在軌觀測，并恢復(fù)其輻射輪廓；(3)通過長期累積觀測，獲得大量用于研究脈沖星輻射特性的科學(xué)觀測數(shù)據(jù)。

探測需求分析：考慮到觀測目標(biāo)脈沖星輻射流量微弱的特性以及空間本底噪聲大等特點，對觀測設(shè)備的信噪比和靈敏度提出了苛刻要求。X射線脈沖星的觀測量是每個X光子的到達(dá)時間(Time of Arrival, TOA)。TOA的測量精度取決于Δt的測量精度，這與測量積分脈沖輪廓的信噪比有關(guān)。TOA精度與脈沖輪廓信噪比(SNR)和脈沖寬度W之間關(guān)系為[14]：

(1)

由式(1)可知，選擇X射線輻射流量大、脈寬窄的脈沖星有利于提高信噪比。此外，增大有效面積、延長觀測積分時間、抑制空間本底噪聲均有助于提高探測靈敏度和信噪比。此外，考慮到空間輻射背景的復(fù)雜性以及有效信號與本底噪聲信號的能量可區(qū)分性，iFXPT應(yīng)具備較高的能量分辨率。此外，隨著航天器的微型化與低成本化發(fā)展趨勢，如何實現(xiàn)輕質(zhì)化、低功耗和高可靠性的X射線望遠(yuǎn)鏡也是研制過程中必須考慮的問題。

圖1 XPNAV-1衛(wèi)星與iFXPT載荷

2 掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠(yuǎn)鏡

2.1 有效載荷設(shè)計原則

開展掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠(yuǎn)鏡設(shè)計時需考慮的設(shè)計原則：

1) 科學(xué)探測任務(wù)是有效載荷設(shè)計時考慮的首要因素，它決定了有效載荷的功能、性能和組成等。首先需要重點分析被觀測對象的物理特性，影響信噪比的背景噪聲等因素。例如需要根據(jù)脈沖星輻射流量、輻射能段選擇X射線光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)和探測器件類型，需要根據(jù)空間輻射背景遴選適合脈沖星探測的本底抑制措施等；

2) 有效載荷需要面臨復(fù)雜的空間環(huán)境，能否適應(yīng)空間熱交變的工作環(huán)境以及火箭發(fā)射沖擊是成敗的關(guān)鍵。此外，還必須考慮的抗力學(xué)、高低溫、真空、紫外輻照、銀河宇宙線和太陽輻射等措施；

3) 有效載荷需要考慮如何在軌精確瞄準(zhǔn)觀測目標(biāo)，即精確指向問題。此外，還需構(gòu)建有效載荷與整星基準(zhǔn)的關(guān)系矩陣，與整星控制系統(tǒng)研究避開地球、月球、太陽等天體對觀測目標(biāo)的遮擋問題；

4)需要考慮有效載荷功耗與整星能源的匹配性，考慮在觀測弧段內(nèi)的有效觀測時間，有效載荷工作時間與衛(wèi)星能源供應(yīng)之間是否最優(yōu)。

2.2 有效載荷設(shè)計與工作原理

iFXPT主要包括掠入射Wolter-I光學(xué)系統(tǒng)、硅漂移探測器件、脈沖信號處理電路、空間本底抑制結(jié)構(gòu)(磁偏轉(zhuǎn)器和高能粒子擋板)、高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等五部分組成，iFXPT工作原理如圖2所示。

圖2 掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠(yuǎn)鏡工作原理

iFXPT采用多層嵌套Wolter-I型光學(xué)系統(tǒng)收集脈沖星輻射的X光子?；谛敲舾衅鲗崿F(xiàn)在軌對目標(biāo)脈沖星的粗搜索和精確定位，采用整星自旋和控制分系統(tǒng)主動控制技術(shù)實現(xiàn)對脈沖星的實時跟蹤，對設(shè)定的目標(biāo)脈沖星的輻射流量、輻射能譜、光子到達(dá)時間、輪廓、輻射周期等進(jìn)行全方位觀測研究。iFXPT的光學(xué)系統(tǒng)和星敏感器安裝在艙外，光學(xué)系統(tǒng)外部通過包覆和加熱片進(jìn)行熱控，其余部分置于艙內(nèi)，對于電子線路采用半導(dǎo)體制冷的方式進(jìn)行溫控，降低熱噪聲對器件的影響，確保硅漂移探測器件具有良好的工作環(huán)境。有效載荷具備能量觸發(fā)和時間觸發(fā)兩種工作模式，可以通過地面發(fā)送指令進(jìn)行工作模式切換。各組件工作原理如下：

1) Wolter-I光學(xué)系統(tǒng)：采用Wolter-I型掠入射光學(xué)系統(tǒng)，基于全反射理論將脈沖星輻射的X光子聚焦在探測器件上。該光學(xué)系統(tǒng)具有固有光學(xué)增益高、信噪比高的特點。采用多層嵌套技術(shù)增大光學(xué)系統(tǒng)的有效面積，提高載荷的探測靈敏度[15]。

2) 硅漂移探測器件：X射線探測器主要利用光電效應(yīng)，通過測量入射光子與探測器物質(zhì)碰撞作用而釋放的次級電子，從而間接探測X射線光子。硅漂移探測器件，在外加電場作用下，利用收集X射線光子產(chǎn)生的電子空穴對直接探測X射線。具有高計數(shù)率和高能量分辨能力[16]。

3) 脈沖信號處理電路：由前置放大、模擬板、數(shù)字板、電源板組成。X射線光子在探測器內(nèi)部激發(fā)出電荷，并轉(zhuǎn)化為電流信號。電荷數(shù)量及其對應(yīng)瞬態(tài)電流，與入射光子能量成正比。這些電流脈沖序列時間間隔隨機(jī)變化，而且幅度和持續(xù)時間也在不斷變化。表征瞬態(tài)電流序列的主要參數(shù)有計數(shù)率和能譜。通過在一定時間范圍內(nèi)的累積，統(tǒng)計出X射線光子的時變特性。為獲取X射線光子到達(dá)時間，對快速變化的模擬脈沖經(jīng)過比較器轉(zhuǎn)換為觸發(fā)信號，并采用星載時鐘標(biāo)記X射線光子的到達(dá)時間。

4) 空間本底抑制組件：包括磁偏轉(zhuǎn)器與高能粒子防護(hù)罩，其中磁偏轉(zhuǎn)器對進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部的電子施加洛倫茲力，使其偏離原運動軌跡，降低對探測器件的影響。高能粒子防護(hù)罩用于屏蔽空間高能粒子對探測器件的損傷。

5) 高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)：對脈沖星探測器進(jìn)行機(jī)械支撐，并提供空間粒子防護(hù)能力。關(guān)鍵是需具備足夠的剛度和結(jié)構(gòu)強度，既要經(jīng)受住固體火箭發(fā)射時惡劣的力學(xué)環(huán)境，也要確保產(chǎn)品在軌具有良好的熱環(huán)境適應(yīng)性。

2.3 iFXPT性能指標(biāo)與主要功能

iFXPT在地面進(jìn)行了測試與標(biāo)定[17]，其中與科學(xué)探測任務(wù)相關(guān)的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 iFXPT主要性能指標(biāo)

iFXPT的主要功能包括：

1) 脈沖星探測：可實現(xiàn)高精度的X射線光子到達(dá)時間標(biāo)記功能、具有高能量分辨率；

2) 高精度時標(biāo)：接收GPS秒脈沖、UTC整秒廣播數(shù)據(jù)，結(jié)合銣鐘生成的高精度時鐘信號，綜合生成高精度光子時標(biāo)的功能；

3) 科學(xué)數(shù)據(jù)格式編排：探測器根據(jù)接收到的廣播數(shù)據(jù)將部分衛(wèi)星參數(shù)插入載荷數(shù)據(jù)格式中，將載荷數(shù)據(jù)編排、組幀；

4) 科學(xué)數(shù)據(jù)管理：在衛(wèi)星星務(wù)系統(tǒng)的調(diào)度下，具備遙測數(shù)據(jù)采集功能并向星務(wù)計算機(jī)發(fā)送遙測參數(shù)，接收來自星務(wù)計算機(jī)的遙控指令和廣播數(shù)據(jù)的功能。

3 在軌數(shù)據(jù)分析

目前，iFXPT已在軌穩(wěn)定運行一年，成功獲取大量PSR B0531+21的觀測數(shù)據(jù)。以下選取MJD57727-57741期間主任務(wù)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行在軌數(shù)據(jù)初步分析。

1) 流量特性

在軌觀測期間，每個觀測時段內(nèi)觀測到的光子計數(shù)率平均流量如圖3所示。在主任務(wù)觀測期間，探測器觀測得到的光子計數(shù)率穩(wěn)定，平均計數(shù)率為14.7 ph/s。

圖3 PSR B0531+21脈沖星流量時變特性

對每段觀測時間內(nèi)探測得到的PSR B0531+21脈沖星光子計數(shù)率概率情況進(jìn)行統(tǒng)計，獲得如圖4所示的結(jié)果。經(jīng)擬合可知，觀測數(shù)據(jù)中脈沖星光子計數(shù)率統(tǒng)計符合泊松分布[18]。

圖4 PSR B0531+21脈沖星流量概率特性

2) 能譜特性

對探測到的光子能量信息進(jìn)行統(tǒng)計，得到PSR B0531+21脈沖星的能譜信息，0.5～5 keV能段內(nèi)的光子能譜信息如圖5所示，可得到脈沖星輻射的光子能量近似呈冪律譜[19]分布。

圖5 PSR B0531+21脈沖星能譜特性

3) PSR B0531+21脈沖星脈沖輪廓恢復(fù)

將在軌實測數(shù)據(jù)中光子到達(dá)時刻修正到太陽質(zhì)心坐標(biāo)系后進(jìn)行PSR B0531+21輪廓恢復(fù)，恢復(fù)得到的輪廓周期與相位均與美國RXTE衛(wèi)星得到的輪廓(2～10 keV)周期與相位相符，如圖6。

通過對iFXPT在軌觀測數(shù)據(jù)分析可知：觀測到的PSR B0531+21脈沖星光子流量穩(wěn)定，光子流量符合泊松分布規(guī)律，其能譜分布近似呈冪律譜分布，并實現(xiàn)了PSR B0531+21脈沖星的輪廓恢復(fù)，且與RXTE衛(wèi)星獲得的PSR B0531+21脈沖星輪廓互相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.968。觀測數(shù)據(jù)表明iFXPT探測方案可行，在軌性能良好，可用于后續(xù)脈沖星導(dǎo)航試驗以及空間科學(xué)探測等領(lǐng)域。

圖6 PSR B0531+21脈沖星輪廓恢復(fù)

4 結(jié)論

掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠(yuǎn)鏡是脈沖星試驗衛(wèi)星01星的主載荷，配置了多層嵌套Wolter-I X射線光學(xué)系統(tǒng)、硅漂移探測器、空間本底抑制結(jié)構(gòu)、脈沖信號處理電路、高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等組件。采用多層嵌套Wolter-I X射線光學(xué)系統(tǒng)在軌開展X射線脈沖星觀測屬于國內(nèi)首次。通過對在軌觀測數(shù)據(jù)初步分析，已獲得PSR B0531+21脈沖星的流量特性、能譜分布及其脈沖輪廓等。驗證了iFXPT探測方案的可行性及性能。該載荷工作狀態(tài)正常，滿足任務(wù)要求，能夠支持開展后續(xù)科學(xué)探測任務(wù)。

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GrazingIncidenceFocusingX-RayPulsarTelescopeandAnalysisofIn-OrbitObservationData

LI Liansheng， MEI Zhiwu， LYU Zhengxin， DENG Loulou， CHEN Jianwu，SHI Yongqiang， ZUO Fuchang， SUN Yan， ZHOU Hao， ZHANG Haili

(Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100090, China)

The Grazing Incidence Focusing X-Ray Pulsar Telescope (iFXPT) is the main payload of XPNAV-1 satellite. With PSR B0531+21 pulsar as observation target, the pulsar profile was recovered based on the data obtained by the iFXPT, realizing the main objective that “observing” PSR B0531+21 with the iFXPT for the first time in China. The iFXPT is composed of Wolter-I X-ray optics, silicon drift detector, magnetic diverter, electronics, high-energy particle shield and high stable structures. The observation requirements, working principle and design rationale of iFXPT, exploration task, main technical indexes, and the preliminary analysis results of in-orbit data were introduced in this paper.

X-ray pulsar test satellite; focusing X-ray telescope; in-orbit observation; data analysis

2017-09-15；

2017-10-08

李連升(1981—)，男，博士，高級工程師，主要從事脈沖星導(dǎo)航技術(shù)、航天器優(yōu)化設(shè)計研究。

10.11809/scbgxb2017.12.040

本文引用格式：李連升，梅志武，呂政欣，等.掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠(yuǎn)鏡及在軌數(shù)據(jù)分析[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(12):175-179.

formatLI Liansheng， MEI Zhiwu， LYU Zhengxin, et al.Grazing Incidence Focusing X-Ray Pulsar Telescope and Analysis of In-Orbit Observation Data[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):175-179.

V11;V57;TJ8

A

2096-2304(2017)12-0175-05

(責(zé)任編輯唐定國)