美國脈沖星導(dǎo)航空間飛行試驗進展

丁陶偉 帥平（中國空間技術(shù)研究院錢學森空間技術(shù)實驗室）

1 引言

脈沖星屬于高速旋轉(zhuǎn)的中子星，具有極其穩(wěn)定的周期性，它被譽為自然界中最穩(wěn)定的天文時鐘。脈沖星導(dǎo)航是以脈沖星輻射的X射線信號作為天然信標，航天器自主確定位置、速度、時間和姿態(tài)等導(dǎo)航參數(shù)的過程。近十余年來，脈沖星導(dǎo)航一直是國際航天前沿技術(shù)研究的熱點領(lǐng)域，備受世界航天大國關(guān)注[1-2]。

2004年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）提出“X射線導(dǎo)航與自主定位驗證”（XNAV）計劃[3]，目標是建立一個能夠為航天器提供定軌精度10m、定時精度1ns、姿態(tài)測量精度3″的脈沖星導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)。2006年，美國國家航空航天局（NASA）啟動利用X射線脈沖星的深空探測器自主導(dǎo)航技術(shù)研究計劃，以滿足2030年實現(xiàn)250m的軌道精度指標需求[4-5]。2011年，NASA戈達德航天飛行中心（GSFC）的首席研究員基思·根德羅（Keith Gendreau）博士提出“中子星內(nèi)部構(gòu)成探測器”（NICER）任務(wù)的科學提案[6]。同時，在NASA太空技術(shù)任務(wù)局（STMD）的資助下，GSFC聯(lián)合美國大學空間研究協(xié)會（USRA）開展了“空間站X射線計時與導(dǎo)航技術(shù)試驗”（SEXTANT）項目[7]，并將其納入NICER任務(wù)的技術(shù)演示增強項目。2017年6月，NICER任務(wù)探測設(shè)備成功發(fā)射至國際空間站，開始開展中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測研究以及SEXTANT脈沖星導(dǎo)航空間飛行試驗，實測驗證脈沖星導(dǎo)航的技術(shù)可行性。

2 NICER任務(wù)概述

任務(wù)背景

2011年，NASA提出了新一輪的“探索者任務(wù)”（Explorers Missions）計劃，選擇了11項科學提案進行評估，提案包括研究地球大氣、太陽、銀河系以及恒星周圍的類地行星等未來的潛在科學任務(wù)，進而從中選擇具有最佳科學價值和可行性發(fā)展的計劃作為“探索者任務(wù)”。NICER任務(wù)作為提案之一，其計劃在國際空間站上放置X射線計時儀器，以探索中子星內(nèi)部物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、動力學和能量輻射機制。NASA科學任務(wù)委員會將NICER任務(wù)列入“探索者任務(wù)”計劃的實施項目之一，該項目的首席研究員是GSFC的天體物理學家基思·根德羅，副首席研究員是USRA的科學家扎文·阿祖瑪尼（Zaven Arzoumanian）。GSFC作為NICER任務(wù)的牽頭單位，其合作團隊還包括麻省理工學院卡夫利研究所（MIT Kavli Institute）、穆格公司（Moog）和海軍研究實驗室（NRL）等。

任務(wù)組成

NICER是NASA首次致力于中子星研究的任務(wù)，國際空間站為其提供了穩(wěn)定的平臺和豐富的資源，降低了設(shè)計成本和風險，為任務(wù)提供了保障。NICER是一項二合一任務(wù)，其主要科學目標是對中子星和實驗室無法模擬的物理環(huán)境中的致密天體進行綜合研究，通過在軟X射線能帶展開對中子星的觀測，精確測量中子星的半徑及質(zhì)量，并進一步揭示中子星內(nèi)部物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、動力學和能量輻射機制。除了主要的中子星觀測項目外，NICER還進行了由STMD資助的SEXTANT項目，其主要目的是利用毫秒脈沖星的觀測數(shù)據(jù)，在軌實時演示驗證脈沖星導(dǎo)航的可行性[8]。由于NICER探測器具有有效觀測面積大，信噪比和分辨率較高等優(yōu)點，可以從微弱的毫秒脈沖星信號中提取高質(zhì)量的導(dǎo)航信息，所以非常適合脈沖星導(dǎo)航演示。

SEXTANT項目系統(tǒng)架構(gòu)

SEXTANT項目是NICER任務(wù)的增強演示項目，其目標是在軌開展脈沖星導(dǎo)航空間飛行試驗，照片展示了該項目研究團隊的核心成員，從左到右分別是：俞偉峰（Wayne Yu）、肖恩·森佩爾（Sean Semper）、杰森·米切爾（Jason Mitchell）、盧克·溫特尼茨（Luke Winternitz）、蒙瑟·哈蘇內(nèi)（Munther Hassouneh）和薩姆·普萊斯（Sam Price）。其中，GSFC系統(tǒng)分析部技術(shù)助理總監(jiān)杰森·米切爾擔任SEXTANT項目經(jīng)理，GSFC工程師盧克·溫特尼茨擔任項目系統(tǒng)架構(gòu)師。

SEXTANT項目工程團隊

SEXTANT項目利用NICER對X射線毫秒脈沖星光子到達時間的計時數(shù)據(jù)來自主確定其在太空中的位置和速度，在軌實時演示基于脈沖星的航天器導(dǎo)航。該系統(tǒng)由四部分組成，包括X射線計時儀系統(tǒng)、導(dǎo)航飛行軟件、地面測試平臺和地面支持系統(tǒng)[9]，其具體功能如下：

1）X射線計時儀系統(tǒng)是NICER任務(wù)的核心設(shè)備，同時也是承載SEXTANT試驗演示的有效載荷。其主要用于觀測具有高時間分辨率、高光子流量和低背景噪聲的中子星。

2）導(dǎo)航飛行軟件的關(guān)鍵算法主要包括實現(xiàn)光子到達事件的處理與濾波、生成多普勒測量值以及通過擴展卡爾曼濾波器進行航天器狀態(tài)估計，具體操作過程是：首先，考慮到觀測計劃和可見脈沖星的約束，將按順序觀測來自SEXTANT目錄的多顆毫秒脈沖星；其次，從給定的毫秒脈沖星累積足夠的光子事件后，對收集到的光子到達時間進行批處理以提取脈沖相位和多普勒測量值；最后，將這些測量值傳遞到導(dǎo)航濾波器，結(jié)合航天器動力學模型以更新對航天器狀態(tài)的估計。

3）地面測試平臺是由GSFC研制，通過對算法軟件系統(tǒng)和探測器進行測試，以快速逼真的模擬環(huán)境來評估脈沖星導(dǎo)航方案的可行性。

4）地面支持系統(tǒng)由GSFC的科學任務(wù)運營中心（SMOC）進行構(gòu)建并提供任務(wù)支持，主要功能是生成和維護支持脈沖星導(dǎo)航演示所需要的脈沖星信息，并提出試驗任務(wù)規(guī)劃，上行注入指令序列，以達到科學試驗任務(wù)目標。

3 X射線計時儀系統(tǒng)技術(shù)分析

X射線計時儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

X射線計時儀系統(tǒng)是SEXTANT項目的核心設(shè)備，其由計時儀主體設(shè)備、星體跟蹤器、GPS天線以及附屬設(shè)施組成。其中，X射線計時儀主體設(shè)備是洗衣機大小的長方體結(jié)構(gòu)，體積為778mm×1245mm×800mm，主要由X射線聚焦鏡頭、硅漂移探測器（SDD）陣列和集成光學平臺等部件組成，其主要功能是負責收集并記錄X射線光子；GPS接收機主要負責標記光子到達時間；星體跟蹤器負責引導(dǎo)指向系統(tǒng)跟蹤探測目標；附屬設(shè)備由轉(zhuǎn)接板、污染防護罩和指向系統(tǒng)等組成，其作用是將探測器主體安裝在國際空間站上，提供平臺支持。X射線計時儀系統(tǒng)具有收集面積大、體積與質(zhì)量小、觀測效率高等特點，在光子能量為1.5keV時其聚焦效率可達到50%。GSFC首席研究員基思·根德羅表示，“NICER的靈敏度、X射線能量分辨率和時間分辨率能夠更精確地測量中子星半徑，以解釋中子星的內(nèi)部構(gòu)成，這樣的測量精度比以往技術(shù)水平提高了一個數(shù)量級。”超高的測量精度為中子星觀測提供了很好的條件。

由于X射線具有波長短、頻率高、能量大和穿透性強等特點，容易被介質(zhì)吸收，以正入射方式入射到物質(zhì)，其傳播方向不會發(fā)生明顯改變，因此傳統(tǒng)的光學聚焦鏡頭均難以使X射線聚焦。目前常用的X射線聚焦方法包括Wolter型掠入射方法、反射光柵方法和微孔光學方法等。其中，Wolter型掠入射方法是利用X射線的掠入射全反射性質(zhì)實現(xiàn)聚焦成像，根據(jù)拋物面與雙曲面和橢圓面的反射鏡組合形式，以及聚焦的焦點位置不同，Wolter掠入射光學系統(tǒng)可分為Wolter－Ⅰ，Wolter－Ⅱ和Wolter－Ⅲ三種類型。其中，Wolter－Ⅰ型掠入射望遠鏡是一種利用深度拋物面和雙曲面組合構(gòu)成的一個環(huán)狀扇面鏡。X射線計時儀系統(tǒng)安裝的聚焦鏡頭采用類似Wolter－Ⅰ型的掠入射聚焦方式，每個鏡頭均由24個嵌套的拋物線形鍍金薄箔反射鏡組成，其長度為0.1524m，口徑為0.1m，焦距為1.085m。由于對成像沒有要求，因此聚焦透鏡只有初級的旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，沒有次級旋轉(zhuǎn)雙曲面反射鏡，這樣可以滿足輕量化短焦距的要求[10]。56個X射線聚焦鏡頭的共對準陣列安裝在光學平臺上，為最大化節(jié)省探測器面積，聚焦鏡頭以近似7×8的陣列方式排列，該陣列用于將星體輻射的X射線光子聚焦到探測器后端相應(yīng)的聚焦陣列上。在光子能量為1.5keV時，該聚焦陣列能夠提供有效探測面積為2000cm2；在光子能量為6keV時，其能夠提供有效探測面積為600cm2。

56個聚焦鏡頭組裝的聚焦陣列

X射線探測器是通過測量入射光子與探測器物質(zhì)碰撞作用而釋放的能量，從而達到探測X射線光子數(shù)量的目的。根據(jù)X射線探測器主體探測物質(zhì)的不同性質(zhì)，可以將探測器分為充氣正比計數(shù)器、微通道板探測器、半導(dǎo)體探測器、SDD探測器、閃爍體探測器和熱敏探測器等。目前，空間X射線探測器應(yīng)用較多的有SDD探測器和微通道板探測器。X射線計時儀采用GSFC聯(lián)合MIT天文儀器團隊研制的專用SDD探測器，能夠以較強的光譜分辨率記錄光子能量，在0.2～12keV的能譜范圍內(nèi)提供高信噪比光子計數(shù)能力。目前，主流SDD探測器的時間分辨率一般在微秒量級，能量分辨率在200eV以上，X射線計時儀采用的專用SDD探測器的時間分辨率達到了300ns，能量分辨率在光子流量為1keV時達到85eV；在光子流量為6keV時達到137keV。與主流SDD相比，此專用SDD探測器具有較大的能譜范圍、較高的時間分辨率和能量分辨率，代表了目前X射線探測器的先進水平。

4 空間飛行試驗過程及結(jié)果

探測器的發(fā)射、安裝與調(diào)試

美國東部時間2017年6月3日17:07，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的獵鷹－9（Falcon－9）火箭成功發(fā)射了“龍”（Dragon）貨運飛船，執(zhí)行第十一次空間站商業(yè)補給服務(wù)（CRS－11）任務(wù)，其搭載發(fā)射項目包括NICER任務(wù)的探測設(shè)備。6月5日，NICER任務(wù)的探測設(shè)備與國際空間站會合，并被國際空間站上的機械臂成功抓獲；6月13日，設(shè)備在國際空間站的快速后勤艙－2（ELC－2）上完成安裝，儀器開始通電[11]；到6月30日，X射線計時儀和恒星跟蹤儀已完成對準，熱系統(tǒng)功能符合預(yù)期，設(shè)備已基本完成調(diào)試工作，在軌測試完畢。

2017年6月3日獵鷹－9火箭發(fā)射圖

NICER任務(wù)探測設(shè)備在“國際空間站”上的工作示意圖

NICER科學觀測任務(wù)

X射線計時儀系統(tǒng)在完成一系列調(diào)試工作后，于2017年7月17日開始定期觀測天體目標，主要對中子星、黑洞等致密天體開展觀測研究。

可以看出，NICER任務(wù)的主要任務(wù)是對中子星展開觀測。其中，SEXTANT項目作為NICER任務(wù)的技術(shù)演示增強試驗，期間利用NICER對脈沖星的實測數(shù)據(jù)開展了兩次試驗：一次為地面后處理試驗；另一次為在軌空間飛行試驗。

SEXTANT地面后處理試驗

2017年10月，SEXTANT研究團隊對編號為PSR B1937+21的脈沖星進行了觀測。該脈沖星是最早發(fā)現(xiàn)的一顆毫秒脈沖星，其周期為1.588ms，J2000.0歷元下的赤經(jīng)和赤緯分別為294.91°和21.58°，光子流量為4.99×10-5ph/cm2/s。研究團隊將其觀測數(shù)據(jù)下傳到GSFC地面處理中心，利用導(dǎo)航飛行軟件進行地面后處理試驗，通過單顆脈沖星的觀測數(shù)據(jù)進行軌道改進，初步得到20km的導(dǎo)航精度，驗證了導(dǎo)航飛行軟件的可靠性，也為后續(xù)在軌空間飛行試驗的開展奠定了基礎(chǔ)。

NICER任務(wù)事件進展表

續(xù)表

SEXTANT在軌空間飛行試驗

2017年11月，SEXTANT研究團隊選擇了4顆毫秒脈沖星作為觀測目標，開展了SEXTANT項目第一次在軌空間飛行試驗（SEXTANT Experiment 1），獲得了脈沖星編號、脈沖周期以及J2000.0歷元國際天球參考系下的赤經(jīng)和赤緯等參數(shù)數(shù)據(jù)。

這4顆脈沖星具有極其穩(wěn)定的輻射周期，在未來數(shù)年內(nèi)脈沖到達時間的精度都將優(yōu)于微秒量級。在為期2天的實驗中，X射線計時儀通過觀測產(chǎn)生了78個測量值并獲得時序數(shù)據(jù)，SEXTANT將其輸入到專門開發(fā)的機載算法中，將結(jié)果與GPS接收機得到的位置數(shù)據(jù)進行了對比。結(jié)果表明，當空間站以超過27000km/h的速度繞地球飛行時，該導(dǎo)航系統(tǒng)可以將其定位在15km的誤差半徑范圍內(nèi)。可以看出：在沒有加入脈沖星觀測數(shù)據(jù)時，定位誤差發(fā)散；當加入脈沖星觀測數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)的定位誤差在7.5h后收斂到了10km范圍內(nèi)，并且在試驗剩余時間內(nèi)仍遠低于該閾值，位置精度在大部分時間保持在5km內(nèi)[12]。2018年1月，NASA在其官網(wǎng)上發(fā)布了脈沖星導(dǎo)航在軌試驗結(jié)果，其在軌導(dǎo)航精度已經(jīng)達到5km。SEXTANT項目系統(tǒng)架構(gòu)師盧克·溫特尼茨（Luke Winternitz）說：“試驗過程比我們預(yù)先計劃的兩星期要快很多，這次的試驗結(jié)果證明了該系統(tǒng)擁有可以自主運行的能力。”

SEXTANT第一次在軌試驗觀測脈沖星參數(shù)

脈沖星導(dǎo)航空間飛行試驗結(jié)果圖

SEXTANT項目經(jīng)理杰森·米切爾（Jason Mitchell）說：“這次成功的演示將X射線脈沖星導(dǎo)航確立為一種新型自主導(dǎo)航模式，我們已經(jīng)證明，這項技術(shù)可以在太陽系內(nèi)外的任何地方實現(xiàn)定位導(dǎo)航，并能夠增強深空探測能力。”后續(xù)，GSFC研究團隊將繼續(xù)開展脈沖星導(dǎo)航第二次空間飛行試驗，其目標將實現(xiàn)優(yōu)于1km的導(dǎo)航誤差。為了提高該技術(shù)未來在空間飛行任務(wù)中的實用性，GSFC研究團隊將致力于減小探測器尺寸、質(zhì)量和功率要求，并提高儀器的靈敏度以滿足空間飛行試驗及工程任務(wù)需求。盡管目前被廣泛使用的GPS系統(tǒng)對于地球上的用戶來說能夠達到幾米的定位精度，但是對于深空探測來說，數(shù)百米的定位精度就能夠滿足任務(wù)需求。這項技術(shù)為深空導(dǎo)航提供了一種全新的選擇方案，可以與現(xiàn)有的基于航天器的無線電和光學導(dǎo)航系統(tǒng)協(xié)同工作。盡管可能還需要花費數(shù)年時間才能將成熟的脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于深空任務(wù)，但NASA工程師已經(jīng)證明了這項技術(shù)的可行性，并為未來的行星際深空探測提供技術(shù)儲備。

5 結(jié)論

綜上所述，從2004年以來，美國在脈沖星導(dǎo)航研究領(lǐng)域中投入了大量研究資源，并且已經(jīng)在脈沖星導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究、地面試驗驗證、X射線探測器研制以及空間飛行試驗中取得了重大進展。在NICER任務(wù)中，美國成功研制了輕量化、高效率、高精度的X射線計時儀，重點對中子星等致密天體展開了觀測研究。SEXTANT項目作為NICER任務(wù)的技術(shù)演示增強項目，在2017年10月和11月分別利用脈沖星實測數(shù)據(jù)開展了一次地面后處理試驗和一次空間飛行試驗。在地面后處理試驗中利用單顆脈沖星的觀測數(shù)據(jù)得到20km的導(dǎo)航精度，驗證了導(dǎo)航飛行軟件的可靠性；在空間飛行試驗中對4顆毫秒脈沖星進行了為期兩天的觀測，利用78組實測數(shù)據(jù)進行了在軌演示驗證，試驗結(jié)果達到了5km的導(dǎo)航精度。SEXTANT的試驗結(jié)果證明了脈沖星導(dǎo)航這一技術(shù)概念的有效性及其在當前技術(shù)下的可實現(xiàn)性，為深空導(dǎo)航提供了一種全新的選擇方案。