X射线脉冲星导航探测技术发展综述

李连升, 梅志武，吕政欣，邓楼楼,刘继红, 陈建武, 石永强, 左富昌

(1.北京控制工程研究所，北京 100190； 2.北京航空航天大学，机械工程及自动化学院，北京 100191)

【专家特稿】

X射线脉冲星导航探测技术发展综述

李连升1, 梅志武1，吕政欣1，邓楼楼1,刘继红2, 陈建武1, 石永强1, 左富昌1

(1.北京控制工程研究所，北京 100190； 2.北京航空航天大学，机械工程及自动化学院，北京 100191)

X射线脉冲星导航技术是一种具有发展潜力的新型自主导航技术，美国NASA、欧空局、日本JAXA等航天强国科研机构均将其列为重点发展对象，采用“自然界最精准的天文时钟”的脉冲星作为导航信标，可以大大提升航天器战时自主导航生存能力。本文综述X射线脉冲星导航探测技术的发展现状，深入分析X射线脉冲星导航对探测终端设备的需求，梳理出X射线脉冲星导航需要突破的关键技术及可实现的途径，为我国X射线脉冲星导航领域的快速发展提供了技术参考。

X射线探测；脉冲星导航；聚焦型光学系统；本底抑制

脉冲星是大质量恒星演化、坍缩、超新星爆发的遗迹，是一种超高密度、超高温、超高压、超强电磁场和超强稳定自转周期的中子星[1]，自转周期变化率稳定性高达10-19～10-21，被誉为自然界最稳定的天文时钟[2-3]。X射线脉冲星导航的概念诞生于20世纪70年代，它是一种新型的天文导航方法, 相比于传统的导航方法[4]，它具有定位精度高、抗干扰能力强、无需地面系统支持、全轨道自主导航等特点，尤其在深空探测、空天战争等极端条件下对航天器自主导航具有不可替代的优势，可提高航天器的战时自主生存能力，是各航天强国争相发展的尖端技术[5]。然而，由于脉冲星自身的物理特性、X射线光子的特殊性以及空间背景噪声的复杂性，实际工程化应用的脉冲星导航探测极为复杂，探测器对有效探测面积、探测效率、时间分辨率、能量分辨、使用寿命、制造工艺、搭载可行性等因素提出了较高要求。虽然以美国宇航局、欧空局等为代表的科研团队开展了大量研究，但距离实际工程应用仍有较大差距，其中缺失高性能的脉冲星探测设备是制约该领域快速发展的瓶颈。

本文在回顾国内外X射线脉冲星探测历程的基础上，从实际工程应用出发讨论脉冲星导航对终端设备的需求，重点论述了X射线脉冲星探测终端设备的关键技术，提出我国在X射线脉冲星导航领域的发展建议，以图促进我国在脉冲星自主导航领域的快速发展。

1 X射线脉冲星探测发展历程

脉冲星最早记载历史可追溯至我国宋代(公元1054年)，《宋史·天文志》记载了大质量恒星演化、坍缩、爆发的信息，Crab及星云正是其爆炸的结果[6]。自1967年英国剑桥大学Hewish与其学生Bell在对射电波大气随机折射研究中发现首颗射电脉冲星信号以来[7]，X射线脉冲星探测大致经历以下四个阶段：

1) 脉冲星探测萌芽阶段(1970s—1990s)

20世纪70年代，Uhurn卫星和美国天文观测卫星Ariel-5的成功发射，分别探测到了X射线脉冲点光源Cen X-3和Her X-1，从此正式开创了人类探索宇宙空间X射线脉冲星的历史。1974年，美国喷气推进实验室的Downs博士首次提出将射电脉冲星应用于星际导航的设想，并推算出理论精度约为150 km[8]。1976年，美国天文观测卫星Ariel-5首次观测到X射线脉冲星信号[9]。1977年到1981年间，NASA 发射了两颗大型科学卫星进行X射线天文学的研究，分别是HEAO-1和HEAO-2[10]。1981年，美国通信系统所的Chester和Butman等人提出了脉冲星X射线导航的初步构想[11]。1983年ESA发射了X射线天文观测台，在轨获得大量观测数据，同时也验证了轨道的合理性，为后续大型X射线天文观测台的成功发射奠定基础。1990年德国发射了ROSAT卫星，使发现的 X 射线源增加到将近105个，并且许多 X 射线源的精确位置也得到确认[12]。

2) 脉冲星探测辉煌阶段(1990s—2000s)

1993年，美国海军研究实验室的Wood博士设计了非常规恒星特征试验(Unconventional Stellar Aspect experiment, USA)，并搭载1999年发射的先进研究和对地观测卫星(Advanced Research and Global Observation Satellite，ARGOS)卫星[13]，如图1。采用准直型气体正比计数器获得了大量脉冲星探测数据，进行了基于X射线源的空间导航试验，并验证了定姿的基本原理。

图1 ARGOS卫星上的USA试验

1995年12月30日美国宇航局成功发射了一颗观测天文X射线源的卫星——罗希 X 射线计时探测器(Rossi X-ray Timing Explorer，RXTE)，搭载了全天监视器、正比计数器阵列和高能X射线计时器，虽然不能成像，但时间分辨率高、有效面积大、探测波段宽。其对Crab脉冲星的观测数据至今仍被认为标准数据，对于脉冲星导航与轮廓折叠算法的验证发挥了至关重要的作用。

1999年7月23日，美国宇航局的“哥伦比亚”号航天飞机将Chandra卫星(如图2)[14]送入地球轨道。该卫星实为星载一体化结构，配备了多层嵌套的Wolter-I掠入射X射线光学系统，角分辨率(0.5’’)至今仍未被突破，探测能段范围为：0.08～10 keV，时间分辨率为16 μs。

图2 Chandra X射线天文台

1999年，欧洲ESA发射了多镜面X射线观测卫星(X-ray Multiple Mirror，XMM-Newton)[15]，如图3。采用多层嵌套的Wolter-I掠入射X射线光学系统和CCD的技术方案，有效面积为4 500 cm2@1 keV。

2000年，德国的X射线观测卫星Rontgen[16]完成了一次较为广泛的X射线全天巡视，探测到18 806个亮源(>0.05 counts/s 0.1～2.4 keV)和105 924个暗源。

3) 脉冲星探测与导航理论完备阶段(2000s—2010s)

进入新的千年，随着人类在脉冲星探测领域获得的大量在轨数据，以美国NASA和欧空局为典型代表的科研机构对脉冲星导航可行性进行论证，进一步丰富和完善了脉冲星导航理论，朝着工程化的方向迈进。

2003年，Sheikh[17]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，从而掀起了X射线脉冲星导航研究的热潮，美国、日本、欧盟等国家纷纷制定相关研究计划，开展理论方法研究、关键技术攻关、原理样机研制和飞行试验验证等方面的工作。

图3 X射线空间望远镜XMM-Newton

2004年，美国国防高级研究计划局启动了“基于X射线源的自主导航定位(XNAV)”研究计划，使X射线脉冲星导航成为导航领域研究的热点[18]。XNAV计划包括X射线脉冲星性质研究、X射线探测器开发、脉冲星导航算法设计以及空间系统研制，目的是为导航卫星、通信卫星和其他航天器提供高可靠性的定位、测姿和授时服务。

2004年，欧空局启动了“ESA深空探测器脉冲星导航”计划，论证了基于脉冲星时间信息的深空导航的可行性，并开展了脉冲星导航理论方法和仿真验证研究工作[19]。

俄罗斯科学院宇宙空间研究所于2009年3月在其网站上发表了“俄罗斯不易打击的GPS”报道，宣称已在国际天体物理学天文台和国际γ射线天体物理实验卫星上进行了脉冲星观测试验，并取得了良好效果，将借助宇航员在国际空间站上开展X射线脉冲星导航在轨试验验证。

4) 脉冲星探测与导航在轨验证阶段(2010s—未来)

2011年，NASA的戈达德航天中心(Goddard Space Flight Center, GSFC)以XNAV项目为基础，联合美国大学空间研究联合会，启动了“空间站X射线计时阵与导航技术试验”(Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, SEX-TANT)项目[20]，如图4。根据NASA官网报导，该型号将搭载SpaceX-11龙飞船于2017年6月初择机发射。该望远镜采用了掠入射聚焦型X射线光学系统和硅漂移室探测器的技术方案，有效探测面积为1 800 cm2，时间分辨率为200 ns的探测阵列，搭载国际空间站在轨验证脉冲星导航、授时与通信等试验项目。

2012年，美国发射了“核光谱望远镜阵列”NuSTAR卫星[21]，如图5。探测能段为3-79keV，采用10米焦距的掠入射光学系统(Wolter-I)和CdZn探测器观测宇宙爆发的高能X射线。

2012年美国发射了一种基于龙虾眼光学系统的宽视场X射线成像仪[22]，可探测地球、月球、金星和彗星上的太阳风遇到中性气体时所产生的软X射线辐射，也可用于观测X射线暂现源。

图4 美国SEX-TANT计划空间站搭载

图5 美国NuSTAR望远镜

2015年，印度发射了该国历史上第一颗多波段天文观测卫星Astrosat[23]，如图6。采用CZT成像仪对Crab脉冲星成像，软X射线成像仪采用Wolter-I+CCD的方案对微弱脉冲星观测，成功获取图像。

图6 印度Astrasat科学探测卫星

2016年2月，日本与美国经过近十年的联合攻关，研制并发射了Astro-H大型空间科学探测卫星，Astro-H是迄今为止最大的X射线探测卫星，如图7。遗憾的是由于其在轨故障[24]，在轨运行数日之后解体，该型号的在轨失利是国际天文界和航天界的重大损失。

图7 美-日联合研制的Astro-H望远镜

目前计划2020年前发射的型号还包括：欧空局与日本正在研制的水星探测计划[25]——BepiColombo，搭载了基于微孔聚焦光学系统的X射线探测器，探测能段0.5～7.5keV，预计2018年10月发射。

图8 欧空局与日本BepiColombo计划

上述国外空间X射线脉冲星探测任务为人类认知脉冲星做出了巨大贡献。我国X射线探测计划起步较晚，1994年，中科院高能物理研究所设计一颗名为“硬X射线调制望远镜”的卫星(HXMT)，如图9，计划2017年发射。随后，神舟二号飞船、FY-1C/1D、FY2等卫星搭载了X射线探测器、空间X射线环境监测器[26,27]。我国卫星搭载的空间X射线探测器主要是用于空间环境监测。对X射线脉冲星探测的研究偏重于脉冲星导航算法理论研究，采用的数据主要来自国外已公开的数据。

图9 中国硬X射线调制望远镜HXMT

2016年11月10日，我国发射了世界首颗脉冲星导航专用试验卫星[28](XPNAV-1)，该星由中国空间技术研究院研制，主要任务是开展X射线脉冲星在轨观测，验证X射线脉冲星导航相关技术，如图10、图11所示。

XPNAV-1的主载荷为北京控制工程研究所研制的国内首台掠入射聚焦型X射线脉冲星探测器，采用多层嵌套的掠入射Wolter-I光学系统和硅漂移探测器的技术方案，探测能谱为0.5～10 keV，光学视场为15角分，时间分辨率优于1.5 μs，能量分辨率优于180 eV@5.9 keV，空间本底抑制效率优于90%。该卫星搭载的另一载荷为山东航天电子技术研究所研制的微通道板探测器。

图10 中国脉冲星导航专用试验卫星XPNAV-1

图11 脉冲星导航专用试验卫星成功发射[29]

目前，该卫星采用掠入射聚焦型X射线脉冲星探测器完成了对Crab脉冲星(PSR B0531+21)的观测，并获得大量一手在轨观测数据，已在北斗卫星导航系统官网发布[30]。经初步分析，观测到的PSR B0531+21脉冲星辐射特性(光子流量、能谱、时间间隔、脉冲周期)与国际公认结果相符，且恢复的Crab脉冲星轮廓与国际公开的标准轮廓高度一致，如图12。迄今为止，该卫星圆满完成既定任务，并取得多项重大突破：(1)实现了我国首次基于掠入射聚焦型脉冲星探测器“看得见”脉冲星的目标；(2)首次验证了脉冲星导航体制的可行性；(3)验证了具有自主知识产权的掠入射聚焦型脉冲星探测器技术方案的可行性及在轨性能指标。目前，该型号已引起美国等世界航天强国的极大关注，NASA为XPNAV-1卫星建立了官网[31]，并纳入型号与数据管理体系。

图12 PSR B0531+21(Crab)脉冲星轮廓恢复

2 X射线脉冲星探测需求分析

X射线脉冲星导航基本原理示意图如图13，利用航天器搭载的X射线探测设备和高精度时钟观测脉冲星X光子并记录其到达航天器的时刻，经过一定时间的积分获得大样本观测数据，基于时间转换方程将光子到达时刻转换到太阳系质心惯性系中，采用周期搜索和脉冲历元折叠等算法处理提取脉冲轮廓，然后将观测脉冲轮廓与标准脉冲轮廓进行比对，获得两个脉冲轮廓的相位差，该相位差反映了观测的和预报的脉冲信号到达SSB的时间差，而脉冲到达时间差正比于航天器的位置误差在脉冲星视线矢量上的投影。融合不同观测时段多颗脉冲星的测量信息，结合航天器轨道动力学模型，采用卡尔曼滤波算法，经过反复迭代运算估计可获得航天器的位置信息，实现航天器自主导航[5]。

图13 脉冲星导航原理示意图

由于观测对象(脉冲星)辐射的特殊性(流量微弱)、导航精度和空间环境等因素相关，因此对脉冲星探测器具有较高的要求。X射线脉冲星导航是基于脉冲到达时间差观测量进行的，提高脉冲到达时间差观测量的精度是提升脉冲星导航精度的关键。TOA的测量精度取决于Δt的测量精度，这与测量积分脉冲轮廓的信噪比有关。TOA精度与脉冲轮廓信噪比(SNR)和脉冲宽度W之间关系为[32-33]：

(1)

由式(1)可知，在选择脉冲星源时，应该选择X射线辐射流量大、脉宽窄的脉冲星。同时，脉冲轮廓的信噪比与探测器有效面积和观测积分时间等因素有关。

实际上，(1)脉冲星辐射流量比较微弱，一般在10-3～10-4counts/cm2/s量级以下。如果要求获得高信噪比的脉冲轮廓，这就要求探测器具有较高的探测效率。(2)X射线脉冲星辐射能谱服从幂律谱分布，且各脉冲星辐射能谱不同且能量集中在软X 射线能段。此外，空间环境存在大量不同能量的X光子，也可进入探测器视场，但其不具有统计特征，可通过长时间累加和能量区分进行甄别。因此，研制的X射线脉冲星探测终端设备应具有较高的能量分辨率。(3)随着深空探测的发展，X射线脉冲星探测终端设备所处的空间环境极为复杂，存在背景辐射来源多、高能粒子损伤累积效应、脉冲星与星云往往同时存在等显著特征，为保证其能够适应强辐射环境，并有效抑制空间本底噪声，要求探测终端设备具有较快时间响应及较强的空间本底抑制能力。(4)航天器微型化与低成本化是航天器的发展方向，因此如何实现X射线脉冲星探测终端设备的轻质化、低功耗和高可靠性也是必须考虑的因素。

3 X射线探测关键技术及现状

X光子收集技术、X光电转换与微弱信号处理技术和空间本底抑制技术是研制高效率X射线脉冲星探测终端设备的关键技术，各关键技术的功能及其相互间的关系框图如图14。

图14 关键技术与功能关系框图

3.1 X光子收集技术

高效率的X光子收集是X射线脉冲星导航的前提。可将其分为聚焦型和非聚焦型两大类，其中非聚焦型X光子收集器主要包括准直型探测器；聚焦型X光子收集器(包括掠入射Wolter-I和微孔聚焦光学系统(Micro Pore Optics, MPO)。

3.1.1 准直型探测器

目前采用准直型探测器[34-35]的航天型号包括：RXTE、ROSAT、Suzaku、HXMT、XPNAV-1、Astrosat等。该类探测器的核心是前端的准直器，准直器单体为有准直栅格的圆筒结构，其物理功能是让特定方向的X射线通过，吸收衰减其他方向的X射线，能够满足对高能X射线屏蔽要求的材料有铅、钨、钽等。不同波长的光辐射通过机械准直器时，其透过率随波长的增大而减小。正是采用准直器屏蔽空间本底辐射，视场一般为度(°)量级，准直效果直接影响探测器本底噪声。工作机理是：利用通道内表层在一定能量的电子(光子、离子或带荷粒子)碰撞下可产生二次电子的特性，二次电子在电场的作用下沿通道加速前进，经过重复多次的碰撞和电子倍增过程，最后在高电势输出端面有大量的电子输出产生，这个过程被形象比喻为“电子雪崩”。此外，该类探测器不具备聚光功能和能量分辨率。

3.1.2 Wolter掠入射聚焦型光学系统

1952年，德国物理学家Hans Wolter提出了满足阿贝正弦条件的掠入射聚焦新X射线光学系统，包括Wolter-I、Wolter-II和Wolter-III三种类型，各有优缺点[14]。其中Wolter-I以易于工程实现获得广泛应用。 Wolter-I型X射线光学系统是由一个旋转抛物面和一个旋转双曲面组成的同轴共焦系统，基于X射线全反射理论，X光子以小的掠入射角入射到超光滑镜片的内表面，通过两次反射后将X光子聚焦在焦点处。从而克服了单个旋转对称非球面反射镜因不满足阿贝正弦条件而引起轴外成像存在严重慧差的缺陷，可以获得较高的成像分辨率。

自1978年11月美国发射“爱因斯坦”卫星(首次采用大型掠入射Wolter望远镜)以来，掠入射聚焦光学系统[36]逐渐成为空间X射线观测卫星的理想选择。美国NASA的NICER载荷为了提高光学系统的反射效率，采用了单次反射的近似Wolter掠入射聚焦型光学系统，如图15。在工程研制中，为了提高探测效率，通常采用多层嵌套技术提高单个镜头的有效集光面积以及将多个嵌套的X射线光学镜头进行阵列，提高产品的整体有效探测面积。典型的应用包括美国Chandra望远镜、NuSTAR望远镜、欧洲ESA的XMM-Newton望远镜、印度的AstroSAT、我国的XPNAV-1聚焦型Wolter-I光学系统等。目前增大有效探测面积的主要方法包括单个镜头多层嵌套技术和多镜头阵列技术[37]，发展趋势包括美国NASA的采用商业化的玻璃复制法[21]和单晶硅MEMS技术[38]两条技术路线，欧空局目前在发展Silicon Pore Optics 掠入射光学系统[39]的技术路线。

图15 NICER Wolter-I掠入射聚焦型光学系统

3.1.3 微孔聚焦光学系统

Wolter-I掠入射聚焦型光学系统大多采用传统的玻璃研磨或电镀镍等工艺路线，存在重量大，焦距长等问题，不容易满足X射线脉冲星导航设备的轻小型化要求。国外针对航天任务对X射线聚焦镜头轻质化的需求，很多研究机构尝试多种新的工艺方法。比如，龙虾眼聚焦光学系统就是借鉴商用微通道板的制备方法和仿生技术而研制了新型微孔聚焦光学系统[40]。主要由若干正方形截面柱体阵列构成，如图16。X 射线入射到MPO 孔壁时，如果入射角小于临界全反射角，则入射光线在方孔侧壁上发生全反射，聚焦在焦面上；如果入射角大于全反射临界角，则光线被孔壁吸收，不参与成像。目前国外设计与研制龙虾眼光学系统的单位主要有英国University of Leicester大学、法国Photonis公司、捷克布拉格理工大学和北方夜视技术股份有限公司南京分公司等。

图16 微孔聚焦光学系统

3.2 X光电转换与微弱信号处理技术

X光电转换与微弱信号处理技术是X射线脉冲星探测的关键，如何根据X光子与物质的作用机理选取适合脉冲星导航的X光子探测器件直接影响导航精度。同时，与其匹配的微弱信号滤波成形、放大、幅值甄别、能量与时间信息提取等电子学特征直接影响系统信噪比。

3.2.1 X射线探测器件

X光电转换是通过X射线探测器实现的，其原理是通过X射线与物质的相互作用，利用电离激发或光电效应等转换成电信号，供后端电子学处理。空间X射线探测器[5]，最开始为盖革计数器、气体正比计数器、微通道板探测器，后来发展到闪烁体探测器(RXTE/HXTE、Fermi/GBM)、CCD、半导体探测器(Si-PIN、SDD等，SUZAKU/XIS、XMM、Chandra)。遴选X射线探测器需考虑的指标包括：能量-电荷转化效率、时间分辨率、能量分辨率、线性和稳定性、探测器制冷水平与工作温度、密封窗口及透过率等。常用X射线探测器的技术指标与特点如表1所示。随着工艺和技术的进步，X射线探测器的发展趋势是：高量子效率、高时间分辨率、高能量分辨率、低电压、低功耗、高可靠性。半导体探测器将是空间X射线探测技术的发展主流。此外，目前还出现了石墨烯X射线探测器等新产品。

表1 常用X射线探测器的技术指标与特点[41]

3.2.2 微弱信号处理技术

在脉冲星探测中，X射线探测器输出脉冲幅度大概只有数十mV，脉冲宽度仅为纳秒量级，如何较好地提取和处理微弱信号是提高X射线脉冲星望远镜品质的关键[42]。应采用低噪声放大器放大。由于X射线光子到达时间是随机的，而经过放大之后的脉冲信号下降速度很慢，在脉冲计数率很高情况下，极有可能出现脉冲堆积，应采用成形放大器加快脉冲下降沿衰减，同时提高信噪比。通过采用低噪声的脉冲信号放大器和快速成形放大器，提高脉冲的信噪比，同时提高对X射线光子的计数率。

3.3 空间本底抑制技术

X射线波段与其他波段的光子信号探测不同，在X射线脉冲星探测中，存在空间辐射背景噪声、仪器设备以及数据处理等大量的噪声源，而可用的脉冲星信号恰恰又比较微弱，此消彼长，探测难度倍增。因此，空间本底抑制技术是提高X射线脉冲星探测信噪比的关键技术。

按照航天器所处的区域划分，空间背景噪声可分为非辐射带区域和辐射带区域[43]。其中，非辐射带区域本底噪声主要包括原初宇宙线中的弥散光子、质子、电子；地磁场束缚的质子、电子；宇宙线与大气作用产生的次级质子、次级电子；辐射带区域的本底噪声主要包括质子和电子。具体来源：宇宙弥散X 射线本底、原初宇宙线粒子本底、低能荷电粒子本底、大气反照X射线本底、活化本底等。

目前，空间本底抑制技术有被动和主动屏蔽两种[32,44]，主要包括：准直器、电磁偏转、反符合、波形鉴别法和多层金属屏蔽等。被动屏蔽主要是指利用铅、钽等对X 射线质量吸收系数较大的材料形成准直器，以阻挡视场之外的粒子以及非源方向X射线光子的入射，降低本底产生。在研制过程中需注意被动屏蔽材料与高能宇宙线发生的二次激发造成的本底问题。主动屏蔽包括：(1)反符合法：利用多种探测器共同记录高能粒子的入射，采用反符合法在观测数据中将高能粒子去除，应用塑料闪烁体探测器可对荷电粒子高效率探测。(2)电磁偏转法：采用电磁场对进入作用范围内的质子与电子作用，将其运动轨迹偏转，避免直接击中探测器造成本底噪声增大，甚至损伤。(3)波形鉴别法：根据宇宙射线与X射线信号波形的差异性，采用电路波形鉴别法抑制空间辐射本底，该法适用于低能X射线(≤30 keV)。

4 我国X射线脉冲星探测的发展方向

目前，X射线脉冲星探测已在脉冲星导航、X射线通信、脉冲星授时等领域凸显出发展潜力，并逐步向工程化方向发展，未来发展方向为：

1) 研制大面阵高效率的X光子收集器。目前，电镀镍和玻璃复制仍为美国和欧空局的主流方法。我国应着眼已有研制技术，吃透现有方法的制备工艺、加工和装调等技术，研制高水平的X光子收集器。此外，还应着眼未来，采用硅基等新材料、MEMS技术、复制技术等研制超大面积、轻质化和高效率的X光子收集器。

2) 发展高效率低噪声的探测器件和电子学技术。我国除了在遴选性能优良的电子器件之外，应着重加强X单光子探测器件的新材料优选、制冷技术、镀膜技术和真空封装技术等关键技术攻关，在提高光电转换效率的同时，提高对宽能段X射线的响应率。研制具有高时间分辨率、高能量分辨率和低暗电流的探测器件。电子学技术研究的重点包括研制高信噪比的电子学系统，提高时间和能量标记精度，大力发展微系统(SoC)集成技术等。

3) 通过提高空间辐射本底的抑制效率提高脉冲星探测终端的信噪比和灵敏度。X射线脉冲星探测空间环境极为复杂，而探测目标(脉冲星)辐射信号微弱，这给脉冲星探测带来了巨大挑战。为此，我国应深入开展空间辐射环境研究，构建脉冲星探测终端所在轨道的精确辐射模型。综合开展X射线光学系统杂散光屏蔽、空间高能粒子偏转、辐射本底反符合、多层复合材料吸收、太阳辐照抑制等研究，进一步提高脉冲星探测终端的信噪比和灵敏度。

此外，在获得脉冲星探测数据之后，开展高效精确的在轨数据处理也是我国应该重点开展的研究内容，包括时间模型转换精度分析、高精度的脉冲轮廓折叠算法、TOA精确提取技术、脉冲星导航和高信噪比滤波算法等。

5 结论

本文对X射线脉冲星导航的发展现状进行了分析、归纳和总结，结合导航实际分析了当前X射线脉冲星导航的需求。重点介绍了脉冲星导航X射线探测的关键技术，如X光子收集技术、X光电转换与微弱信号处理技术以及空间本底抑制技术等，提出了我国X射线脉冲星导航领域发展方向。

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(责任编辑 周江川)

Overview of the Development of X-Ray Pulsar Navigation Detection Technology

LI Lian-sheng1， MEI Zhi-wu1， LYU Zheng-xin1， DENG Lou-lou1， LIU Ji-hong2， CHEN Jian-wu1， SHI Yong-qiang1， ZUO Fu-chang1

(1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China； 2.School of Mechanical Engineering & Automation，Beihang University，Beijing 100191, China)

X ray pulsar navigation is a new navigation technology with potential for development, which has been listed as the key development field and research focus by the world’s aerospace power research institutions, such as the National Aeronautics and Space Administration, European Space Agency and Japan Aerospace Exploration Agency etc. The most accurate astronomical clock in nature (pulsar) is taken as the navigation beacon, which can greatly improve the survivability of spacecraft autonomous navigation in wartime. Therefore, the development status of X ray pulsar navigation technology was reviewed in this paper. The requirements of pulsar navigation for the detection terminal equipment were analyzed, and also the key technologies and the way to realize the pulsar navigation have been summarized. It provides reference for the rapid development of X-ray pulsar navigation in China.

X-ray detecting; pulsar navigation; focusing optical system; background suppression technique

2017-03-13；

2017-04-10 基金项目：国家自然科学基金资助项目 (51175019)

李连升(1981—)，男，本刊审稿专家，高级工程师，博士，主要从事脉冲星导航技术、航天器优化设计研究。

10.11809/scbgxb2017.05.001

format:LI Lian-sheng，MEI Zhi-wu，LYU Zheng-xin, et al.Overview of the Development of X-Ray Pulsar Navigation Detection Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):1-9.

V11;V57

A

2096-2304(2017)05-0001-09

本文引用格式：李连升，梅志武，吕政欣，等.X射线脉冲星导航探测技术发展综述[J].兵器装备工程学报，2017(5):1-9.