“脉冲星试验卫星”顺利升空

薛力军 丁强强 何民 郑靖 (深圳航天东方红海特卫星有限公司)

“脉冲星试验卫星”顺利升空

X-ray Pulsar Satellite was Successfully Launched

薛力军 丁强强 何民 郑靖 (深圳航天东方红海特卫星有限公司)

由深圳东方红海特卫星有限公司抓总研制的“脉冲星试验卫星”与另外4颗卫星于2016年11月10日顺利升空，其中“脉冲星试验卫星”总质量243kg，搭载了微通道板（MCP）型脉冲星探测器和掠入射聚焦型脉冲星探测器。其主要任务是开展脉冲星的空间观测以及脉冲星导航技术体制的试验验证。它是首颗开展脉冲星X射线在轨探测的卫星系统。

1 引言

脉冲星属于一种高速自转的中子类天体（恒星演化末期形成的一种天体，质量介于白矮星与黑洞之间）。脉冲星的磁极会辐射特定的电磁波束，由于脉冲星高速稳定的自旋运动，使其发出的脉冲周期极其稳定（周期稳定性最高可达10-19～10-21s/s），远优于目前国际最先进的星载铷钟和氢钟（周期稳定性约10-15s/s）。所以脉冲星被誉为自然界最精准的天文时钟。

脉冲星是一种优良的天然导航信标，具有固定的空间角位置和极其稳定的自转周期。采用脉冲星的脉冲信号作为时钟源进行导航定位，可实现基于绝对时空基准的航天器自主导航，能够长期、自主、稳定地为航天器自身提供位置、速度、时间和姿态等高精度自主导航信息。这种新的导航定位技术，我们称之为脉冲星导航技术。

脉冲星导航技术不依赖于现有的导航星座系统，可大幅减少航天器对地面测控系统的依赖程度，增强系统的抗干扰和自主生存能力。此技术是下一代卫星导航系统自主运行的基础，是实现未来深空探测、星际飞行等系统自主导航的主要技术手段，对于我国未来航天器技术水平的提升具有极其重要的战略价值。脉冲星导航技术属于战略性和前沿性研究领域，国内外航天机构均在积极推进脉冲星导航技术的研究与应用。

脉冲星示意图

2 研究现状

针对脉冲星导航技术，国内外科研机构都开展了长期深入的理论研究和地面试验等工作。最初基于脉冲星信号源进行飞行器导航的设想是由美国航空航天局（NASA）提出，经过世界各国科研人员多年的基础技术积累，目前已经接近于工程实现。我国在该领域的研究工作处于国际领先地位。

国外研究现状

1974年，美国NASA喷气推进实验室（JPL）首次提出基于射电脉冲星的行星际飞行航天器自主轨道确定方法，开创了脉冲星导航技术研究的先河。1981年，美国通信系统研究所的T.J.Chester和S.A.Butman等人提出利用脉冲星辐射的X射线信号用于地球卫星导航的构想。

1993年，美国海军研究实验室（NRL）设计了非常规恒星特征（USA）试验设备，继承了传统天文导航的掩星法观测思路，提出利用X射线源测定航天器的轨道和姿态，以及利用X射线脉冲星进行时间保持的综合方法。

1999年，装有非常规恒星特征试验设备的美国空军“高级研究和全球观测卫星”（ARGOS）入轨，开展了包括非常规恒星特征试验在内的9项空间科学试验研究。其中，非常规恒星特征试验的X射线探测器采集了大量的观测数据，分别进行了4个主题项目研究，即X射线天体物理学研究、X射线导航研究、X射线大气上层探测研究及在空间环境条件下的信号与数据处理技术等。由于在非常规恒星特征试验中X射线导航采用了传统天文导航的掩星观测方法，因此，“高级研究和全球观测卫星”轨道确定精度主要取决于高层大气模型，只能达到几千米水平。严格地说，非常规恒星特征试验不属于真正意义上的X射线脉冲星导航飞行试验范畴。

2003年，美国马里兰大学帕克分校的Sheikh在深入分析研究脉冲星的基本物理特征和现代卫星导航系统体制的基础上，初步论证了基于X射线脉冲星的航天器自主高精度轨道确定的可行性。

2004年，美国国防高级研究计划局（DARPA）提出了“基于X射线源的自主导航定位验证”（XNAV）计划，致力于创建一个脉冲星网络，利用脉冲星发射的X射线源进行卫星自主导航定位。

美国X射线脉冲星导航概念图

“基于X射线源的自主导航定位验证”计划分为3个阶段实施：可行性论证阶段（2005－2007年）；地面仿真试验与原理样机研制阶段（2007－2008年）；空间飞行试验验证阶段（2009年以后）。令人遗憾的是，2006年6月，在该计划第一阶段任务完成后，DARPA不再支持进一步的飞行试验，因此该计划未步入第二阶段。但是，人们并没有停止对脉冲星自主导航这一新型导航技术的关注与探索。

2006年，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，目标是于2009年以后实现X射线脉冲星导航技术空间飞行试验验证（截至2016年此目标尚未实现）。

2009年，俄罗斯科学院空间研究所（IKI）宣布其正在着手研究基于X射线脉冲星的自主导航系统。该研究所首先将利用国际γ射线天体物理实验室（INTEGRAL）的卫星获取适用于导航的X射线脉冲星，并分析其特征，然后将在“国际空间站”（ISS）上验证X射线探测器各项探测指标。

2010年，DARPA又重新提出新的脉冲星导航计划—“X射线脉冲星计时系统”（XTIM）计划。该计划是一个用X射线脉冲星为空间资产提供自主定时和定位信息，并将这些信息广播给地面和其他空间用户，供导航和定时之用，以独立并补充GPS卫星导航系统。该计划的主要目的包括：

1）在少许或无地面支持的条件下，更新GPS星历和定时。

2）提供一个替代的时间源，用于GPS接收机的检校，以检测欺骗干扰攻击。

3）满足军用导航和通信需要，创造一个真正自主的、大尺度的时间参考。

国内研究现状

国内有关射电脉冲星的观测和理论研究已开展了20余年，主要集中在天文学、天体物理学和时间计量方法等方面的研究。1996年，我国开始启用25m的射电望远镜对射电脉冲星进行观测研究，对射电脉冲星的周期参数、周期跃变、自旋速率、脉冲轮廓、星际闪烁和频谱特征等方面进行了研究。同时，还开展了利用毫秒脉冲星的时间计量理论分析研究工作。2016年7月，我国已经完成“500m口径球面射电望远镜”（FAST）的主体工程。该望远镜具有口径大、频带宽和灵敏度高等优点，天区覆盖可达到70%，其性能指标要优于美国的“阿雷西博”（Arecibo）射电望远镜（305m口径）。该望远镜的建成必将增强我国巡天观测射电脉冲星的能力。我国已初步具备射电脉冲星观测和理论研究的基本条件。射电脉冲星的巡天观测技术、信号与数据处理技术以及时间计量的理论方法研究，为我国开展X射线脉冲星导航技术研究奠定了基础。

在空间X射线探测研究方面，我国在神舟－2飞船留轨舱上安装了X射线探测器，探测太阳X射线以及X/γ射线暴。探测器由宽能谱段和高时间分辨率的3台船载仪器组成，3台探测器能够相互联合和同步触发观测。其中，超软X射线探测器的探测能谱范围为0.2～2keV；X射线探测器的探测能谱范围为10～200keV；γ射线探测器的探测能谱范围为200keV～8MeV。我国还计划在2017年发射高能X射线探测卫星—“硬X射线调制望远镜”（HXMT）。这些将为我国开展X射线脉冲星导航研究提供巡天观测技术储备和必要的实测数据。

测试中的“脉冲星试验卫星”

自2005年以来，国内相关科研院所密切跟踪国外X射线脉冲星导航技术研究动向，开展了X射线脉冲星导航的基本概念和原理、理论模型和算法、关键技术和途径等方面的分析研究工作，初步建立了脉冲星导航的理论体系和基本框架，梳理关键技术，并进行数值仿真分析试验研究，为我国深入开展X射线脉冲星导航技术研究创造了有利条件。

2013年底，中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院确定了自主研制我国首颗“脉冲星试验卫星”的任务目标，卫星总体及核心载荷均由中国空间技术研究院自主研制完成。经历2年多的时间，该卫星于2016年10月研制完成并升空，成为我国首颗开展脉冲星X射线在轨探测以及脉冲星导航技术验证的卫星系统。

3 总体方案

卫星概况

该卫星由有效载荷和卫星平台组成。有效载荷包括微通道板型探测器、掠入射聚焦型探测器等；卫星平台包括结构机构组件、综合电子组件、控制组件、电源组件、数传组件、热控组件和天线组件。

“脉冲星试验卫星”组成图

卫星整星质量约243kg，采用一体化综合电子设计，将星务、控制运算、测控、“全球定位系统”（GPS）、电源控制集成于综合电子组件。卫星采用整星零动量+磁控三轴稳定姿态控制方式，并采用铝蜂窝板箱式结构，整体分为±Z两舱。整星采用集中不调节母线供配电体制，利用工业级锂电池组和固定展开三结砷化镓太阳电池阵供电。星地测控采用S频段非相干扩频体制，数传采用X频段。

卫星发射状态包络尺寸为1125mm（X）× 1135mm（Y）×1785mm（Z），在轨展开状态包络尺寸为2753mm（X）×1135mm（Y）×1785mm（Z）。

卫星发射状态（左）及在轨展开状态示意图（右）

卫星任务

由于X射线属于高能光子，集中了脉冲星绝大部分辐射能量，工程实现上易于采用小型化设备对其开展探测与处理，方便后续脉冲星导航技术的工程应用，所以本次卫星任务的观测目标选择X射线脉冲星的脉冲信号进行在轨测量与试验。

经过综合论证设计，“脉冲星试验卫星”的空间飞行试验预期目标是：

1）在空间环境下实测验证两种类型的X射线探测器性能，研究宇宙背景噪声对探测器作用机理。

2）探测多颗典型X射线脉冲星的辐射光子，提取脉冲轮廓曲线，解决能够“看得见”脉冲星的问题。

3）进行长时间累积探测脉冲星辐射的X射线光子，初步建立试验型数据库，结合卫星高精度定轨数据，实际验证脉冲星导航技术体制。

工作模式

根据卫星发射流程及试验任务需求，卫星工作模式如下。

1）发射段模式：只保留基本的供配电、星务管理、测控、姿态测量功能，其余功能处于关闭状态。该模式主要应用于卫星发射飞行阶段。

2）入轨调整模式：卫星平台供配电、星务管理、测控、姿态测量与控制功能处于工作状态，其余功能处于关闭状态。该模式主要应用于状态建立阶段。在该模式下，卫星消除星箭分离后姿态不稳定状态，完成太阳电池翼展开，建立对地稳定姿态。

3）任务等待模式：卫星平台功能处于正常状态，卫星姿态对日，有效载荷功能关闭。

4）探测任务模式：卫星平台功能处于正常状态，有效载荷功能分时启用，卫星姿态对惯性空间定向，开展X射线脉冲星观测。

5）对地数传模式：卫星平台功能处于正常状态，卫星姿态三轴对地稳定，数传发射开机，对地传输数据。

6）安全模式：为卫星故障条件下的处置模式，卫星平台供配电、星务管理、测控、姿态控制功能处于安全模式，有效载荷功能关闭。

“脉冲星试验卫星”整星工作模式及切换流程图

脉冲星探测器

卫星搭载试验的探测器包括大面阵微通道板型探测器和掠入射聚焦型探测器。

（1）微通道板型脉冲星探测器

该探测器利用大面阵通道板探测器实现对X射线脉冲星的探测，获取脉冲星X射线光子到达时间数据。该探测器由光子探头、综合控制器和高压配电器组成。光子探头实现对X射线光子的光电转换；综合控制器完成光子到达时间信号的采集、科学数据的传输、内部数据管理，以及与平台的信息交互等功能；高压配电器对所有探头的内置高压进行控制和遥测采集，并与综合控制器进行数据传输。

“脉冲星试验卫星”系统指标

光子探头采用模块化设计，每个光子探头内置高压，为探测器工作提供负高压环境。它使用基于微通道板的探测技术实现对X射线脉冲星辐射光子的探测和光子到达时间的测量，主要由密封门、密封门开启机构、充气阀和泄压阀、微通道板探测器组件等部分组成。

（2）掠入射聚焦型脉冲星探测器

该探测器组件由探测器光学头部、探测器线路以及铷钟组成。

1）光学头部：它将脉冲星的X射线光子聚焦在探测器上，增大探测器的有效探测面积。

2）探测器线路：它主要利用光电效应和康普顿效应，通过测量入射光子与探测器物质碰撞作用而释放的次级电子，从而间接探测X射线光子。光子在探测器内部激发出电荷，电荷数量对应的瞬态电流与入射光子能量成正比。这些电流脉冲序列时间间隔随机变化，而且幅度和持续时间也在不断变化。通过在一定时间范围内的累积，统计出X射线光子的时变特性。

3）铷钟：为获取X射线光子到达时间，对快速变化的模拟脉冲经过比较器转换为触发信号，并采用星载时钟标记X射线光子的到达时间。卫星平台时间系统结合星载铷钟，实现星上时间的高稳定性。

最终，在星载计算机对到达时间进行转换和修正之后，进行历元折叠得到X射线脉冲星的测量脉冲轮廓，并与标准脉冲轮廓进行互相关处理，得到时间差。结合观测多颗脉冲星的时间差，估计航天器的位置，实现航天器的自主导航。

卫星平台

“脉冲星试验卫星”的平台仍然沿用高集成度、柔性化配置和平台的综合高性价比设计思路。整个平台继承了开拓－1A卫星的产品状态，秉承了“打造最高性价比卫星系统”的理念，以工业现货产品为基础，选用了适合商业卫星需求的产品体系、产保体系和研制模式。在星上产品配套方面，充分发挥了工业领域在计算机技术、能源和通信领域等产品技术优势。通过与一批具有技术实力的科技型企业深入开展技术合作，在满足卫星品质要求的同时，显著提升了相关工业产品的质量品质及相关企业的品牌价值。

（1）综合电子组件

综合电子组件的任务是实现卫星的星务管理、测控应答、姿态控制功能中的计算与管理、供电与配电功能中的电源控制与管理、热控功能中的热控管理等功能。它由星载计算机模块、测控模块、测控收发前端、GPS模块、电源控制模块及机箱组成。

（2）控制组件

控制组件的功能是为卫星提供所需的姿态条件，具体包括：

1）具有消除星箭分离时的姿态偏差，对星体角速度进行速率阻尼；

”脉冲星试验卫星“太阳电池翼正在接受测试

2）具有在指定时间内建立并保持对日定向姿态的能力；

3）具有对地定向三轴稳定能力，满足数传工作期间的指向精度和姿态稳定度的要求；

4）具备对脉冲星定向的能力，满足有效载荷工作期间的指向精度和姿态稳定度的要求；

5）姿态异常时，具有重新捕获姿态并建立稳定的三轴姿态的能力；

6）具有自主及地面人工诊断与重构系统，以及地面注入修改星上软件的能力。

卫星飞行过程中的主要事件包括：星箭分离、速率阻尼、太阳搜索、太阳定向、对日巡航、脉冲星定向控制等。

（3）数传组件

数传组件的主要功能是实现载荷数据和平台工程数据的多路复接和存储，并在卫星过境时将存储器内数据经加扰、编码、滤波和调制放大后，通过数传天线传送到地面。该组件由数传通信机和数传天线组成。数传速率10Mbit/s，固存容量32Gbit。

（4）电源组件

电源组件的功能主要是实现太阳能的光电转换及电能存储。电源组件包括太阳电池翼、锂离子蓄电池组。太阳电池翼采用宇航级三结砷化镓太阳电池片；锂离子蓄电池组采用工业小容量单体锂离子电池组，额定容量为20Ah。

4 研制历程

2013年10月，首颗“脉冲星试验卫星”以中国空间技术研究院自主创新项目开始立项研制。

2014年12月，项目完成了全部卫星平台以及探测器载荷的关键技术攻关工作，正式转入工程星研制阶段。

2015年9月，“脉冲星试验卫星”的同平台卫星开拓－1A卫星成功发射并稳定运行，验证了卫星平台的设计正确性与空间环境适应性。

2015年11月，卫星明确了与长征－11运载火箭的发射计划，确定了最终发射节点。

2016年10月，完成“脉冲星试验卫星”的全部研制工作。

2016年11月10日，卫星发射入轨。

5 应用前景

“脉冲星试验卫星”是我国脉冲星导航技术发展规划的第一阶段标志性成果，它实现了我国X射线脉冲星的在轨观测与脉冲星导航技术体制的试验验证。

未来计划在2020年左右，从整体上验证X射线脉冲星导航系统，并实现地面脉冲星射电观测，补充和完善国内射电脉冲星观测设施，形成高精度的地面射电脉冲星观测网络，构建与精化完整的脉冲星导航数据库，利用装载X射线脉冲星导航设备的多颗卫星，组成太阳系质心空间基准星座，提供轨道精度100m、时间精度1μs的时空基准信息，用于开展大型星座系统的自主运行。

计划在2025年左右实现X射线脉冲星导航技术的工程化应用，满足未来航天器的轨道精度10m和时间同步精度1μs的长时间高精度自主运行需求。实现X射线脉冲星导航探测器型谱化以及小型化导航终端，使得脉冲星导航技术可以应用于各类空间系统飞行器之中，提高航天器的自主运行能力，实现深空飞行器无缝导航与精密控制，持续探索更优的导航信号源，完善导航数据库，构建并维持我国绝对时空基准系统，大幅度提升我国空间飞行器的自主运行能力以及深空探测等科学领域的技术支持能力。