美國(guó)脈沖星導(dǎo)航空間飛行試驗(yàn)進(jìn)展

丁陶偉 帥平（中國(guó)空間技術(shù)研究院錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)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(yù)為自然界中最穩(wěn)定的天文時(shí)鐘。脈沖星導(dǎo)航是以脈沖星輻射的X射線信號(hào)作為天然信標(biāo)，航天器自主確定位置、速度、時(shí)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(guó)際航天前沿技術(shù)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，備受世界航天大國(guó)關(guān)注[1-2]。

2004年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）提出“X射線導(dǎo)航與自主定位驗(yàn)證”（XNAV）計(jì)劃[3]，目標(biāo)是建立一個(gè)能夠?yàn)楹教炱魈峁┒ㄜ壘?0m、定時(shí)精度1ns、姿態(tài)測(cè)量精度3″的脈沖星導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)。2006年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）啟動(dòng)利用X射線脈沖星的深空探測(cè)器自主導(dǎo)航技術(shù)研究計(jì)劃，以滿足2030年實(shí)現(xiàn)250m的軌道精度指標(biāo)需求[4-5]。2011年，NASA戈達(dá)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(cè)器”（NICER）任務(wù)的科學(xué)提案[6]。同時(shí)，在NASA太空技術(shù)任務(wù)局（STMD）的資助下，GSFC聯(lián)合美國(guó)大學(xué)空間研究協(xié)會(huì)（USRA）開展了“空間站X射線計(jì)時(shí)與導(dǎo)航技術(shù)試驗(yàn)”（SEXTANT）項(xiàng)目[7]，并將其納入NICER任務(wù)的技術(shù)演示增強(qiáng)項(xiàng)目。2017年6月，NICER任務(wù)探測(cè)設(shè)備成功發(fā)射至國(guó)際空間站，開始開展中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)研究以及SEXTANT脈沖星導(dǎo)航空間飛行試驗(yàn)，實(shí)測(cè)驗(yàn)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(jì)劃，選擇了11項(xiàng)科學(xué)提案進(jìn)行評(píng)估，提案包括研究地球大氣、太陽(yáng)、銀河系以及恒星周圍的類地行星等未來的潛在科學(xué)任務(wù)，進(jìn)而從中選擇具有最佳科學(xué)價(jià)值和可行性發(fā)展的計(jì)劃作為“探索者任務(wù)”。NICER任務(wù)作為提案之一，其計(jì)劃在國(guó)際空間站上放置X射線計(jì)時(shí)儀器，以探索中子星內(nèi)部物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)和能量輻射機(jī)制。NASA科學(xué)任務(wù)委員會(huì)將NICER任務(wù)列入“探索者任務(wù)”計(jì)劃的實(shí)施項(xiàng)目之一，該項(xiàng)目的首席研究員是GSFC的天體物理學(xué)家基思·根德羅，副首席研究員是USRA的科學(xué)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(tuán)隊(duì)還包括麻省理工學(xué)院卡夫利研究所（MIT Kavli Institute）、穆格公司（Moog）和海軍研究實(shí)驗(yàn)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(guó)際空間站為其提供了穩(wěn)定的平臺(tái)和豐富的資源，降低了設(shè)計(jì)成本和風(fēng)險(xiǎn)，為任務(wù)提供了保障。NICER是一項(xiàng)二合一任務(wù)，其主要科學(xué)目標(biāo)是對(duì)中子星和實(shí)驗(yàn)室無法模擬的物理環(huán)境中的致密天體進(jìn)行綜合研究，通過在軟X射線能帶展開對(duì)中子星的觀測(cè)，精確測(cè)量中子星的半徑及質(zhì)量，并進(jìn)一步揭示中子星內(nèi)部物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)和能量輻射機(jī)制。除了主要的中子星觀測(cè)項(xiàng)目外，NICER還進(jìn)行了由STMD資助的SEXTANT項(xiàng)目，其主要目的是利用毫秒脈沖星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在軌實(shí)時(shí)演示驗(yàn)證脈沖星導(dǎo)航的可行性[8]。由于NICER探測(cè)器具有有效觀測(cè)面積大，信噪比和分辨率較高等優(yōu)點(diǎn)，可以從微弱的毫秒脈沖星信號(hào)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(xiàng)目系統(tǒng)架構(gòu)

SEXTANT項(xiàng)目是NICER任務(wù)的增強(qiáng)演示項(xiàng)目，其目標(biāo)是在軌開展脈沖星導(dǎo)航空間飛行試驗(yàn)，照片展示了該項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)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(dān)任SEXTANT項(xiàng)目經(jīng)理，GSFC工程師盧克·溫特尼茨擔(dān)任項(xiàng)目系統(tǒng)架構(gòu)師。

SEXTANT項(xiàng)目工程團(tuán)隊(duì)

SEXTANT項(xiàng)目利用NICER對(duì)X射線毫秒脈沖星光子到達(dá)時(shí)間的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)來自主確定其在太空中的位置和速度，在軌實(shí)時(shí)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(jì)時(shí)儀系統(tǒng)、導(dǎo)航飛行軟件、地面測(cè)試平臺(tái)和地面支持系統(tǒng)[9]，其具體功能如下：

1）X射線計(jì)時(shí)儀系統(tǒng)是NICER任務(wù)的核心設(shè)備，同時(shí)也是承載SEXTANT試驗(yàn)演示的有效載荷。其主要用于觀測(cè)具有高時(shí)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(shí)現(xiàn)光子到達(dá)事件的處理與濾波、生成多普勒測(cè)量值以及通過擴(kuò)展卡爾曼濾波器進(jìn)行航天器狀態(tài)估計(jì)，具體操作過程是：首先，考慮到觀測(cè)計(jì)劃和可見脈沖星的約束，將按順序觀測(cè)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(duì)收集到的光子到達(dá)時(shí)間進(jìn)行批處理以提取脈沖相位和多普勒測(cè)量值；最后，將這些測(cè)量值傳遞到導(dǎo)航濾波器，結(jié)合航天器動(dòng)力學(xué)模型以更新對(duì)航天器狀態(tài)的估計(jì)。

3）地面測(cè)試平臺(tái)是由GSFC研制，通過對(duì)算法軟件系統(tǒng)和探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試，以快速逼真的模擬環(huán)境來評(píng)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(xué)任務(wù)運(yùn)營(yíng)中心（SMOC）進(jìn)行構(gòu)建并提供任務(wù)支持，主要功能是生成和維護(hù)支持脈沖星導(dǎo)航演示所需要的脈沖星信息，并提出試驗(yàn)任務(wù)規(guī)劃，上行注入指令序列，以達(dá)到科學(xué)試驗(yàn)任務(wù)目標(biāo)。

3 X射線計(jì)時(shí)儀系統(tǒng)技術(shù)分析

X射線計(jì)時(shí)儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

X射線計(jì)時(shí)儀系統(tǒng)是SEXTANT項(xiàng)目的核心設(shè)備，其由計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)儀主體設(shè)備是洗衣機(jī)大小的長(zhǎng)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(cè)器（SDD）陣列和集成光學(xué)平臺(tái)等部件組成，其主要功能是負(fù)責(zé)收集并記錄X射線光子；GPS接收機(jī)主要負(fù)責(zé)標(biāo)記光子到達(dá)時(shí)間；星體跟蹤器負(fù)責(zé)引導(dǎo)指向系統(tǒng)跟蹤探測(cè)目標(biāo)；附屬設(shè)備由轉(zhuǎn)接板、污染防護(hù)罩和指向系統(tǒng)等組成，其作用是將探測(cè)器主體安裝在國(guó)際空間站上，提供平臺(tái)支持。X射線計(jì)時(shí)儀系統(tǒng)具有收集面積大、體積與質(zhì)量小、觀測(cè)效率高等特點(diǎn)，在光子能量為1.5keV時(shí)其聚焦效率可達(dá)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(shí)間分辨率能夠更精確地測(cè)量中子星半徑，以解釋中子星的內(nèi)部構(gòu)成，這樣的測(cè)量精度比以往技術(shù)水平提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)?！背叩臏y(cè)量精度為中子星觀測(cè)提供了很好的條件。

由于X射線具有波長(zhǎng)短、頻率高、能量大和穿透性強(qiáng)等特點(diǎn)，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(huì)發(fā)生明顯改變，因此傳統(tǒng)的光學(xué)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(xué)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(shí)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(diǎn)位置不同，Wolter掠入射光學(xué)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(yuǎn)鏡是一種利用深度拋物面和雙曲面組合構(gòu)成的一個(gè)環(huán)狀扇面鏡。X射線計(jì)時(shí)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(gè)鏡頭均由24個(gè)嵌套的拋物線形鍍金薄箔反射鏡組成，其長(zhǎng)度為0.1524m，口徑為0.1m，焦距為1.085m。由于對(duì)成像沒有要求，因此聚焦透鏡只有初級(jí)的旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，沒有次級(jí)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(gè)X射線聚焦鏡頭的共對(duì)準(zhǔn)陣列安裝在光學(xué)平臺(tái)上，為最大化節(jié)省探測(cè)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(cè)器后端相應(yīng)的聚焦陣列上。在光子能量為1.5keV時(shí)，該聚焦陣列能夠提供有效探測(cè)面積為2000cm2；在光子能量為6keV時(shí)，其能夠提供有效探測(cè)面積為600cm2。

56個(gè)聚焦鏡頭組裝的聚焦陣列

X射線探測(cè)器是通過測(cè)量入射光子與探測(cè)器物質(zhì)碰撞作用而釋放的能量，從而達(dá)到探測(cè)X射線光子數(shù)量的目的。根據(jù)X射線探測(cè)器主體探測(cè)物質(zhì)的不同性質(zhì)，可以將探測(cè)器分為充氣正比計(jì)數(shù)器、微通道板探測(cè)器、半導(dǎo)體探測(cè)器、SDD探測(cè)器、閃爍體探測(cè)器和熱敏探測(cè)器等。目前，空間X射線探測(cè)器應(yīng)用較多的有SDD探測(cè)器和微通道板探測(cè)器。X射線計(jì)時(shí)儀采用GSFC聯(lián)合MIT天文儀器團(tuán)隊(duì)研制的專用SDD探測(cè)器，能夠以較強(qiáng)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(jì)數(shù)能力。目前，主流SDD探測(cè)器的時(shí)間分辨率一般在微秒量級(jí)，能量分辨率在200eV以上，X射線計(jì)時(shí)儀采用的專用SDD探測(cè)器的時(shí)間分辨率達(dá)到了300ns，能量分辨率在光子流量為1keV時(shí)達(dá)到85eV；在光子流量為6keV時(shí)達(dá)到137keV。與主流SDD相比，此專用SDD探測(cè)器具有較大的能譜范圍、較高的時(shí)間分辨率和能量分辨率，代表了目前X射線探測(cè)器的先進(jìn)水平。

4 空間飛行試驗(yàn)過程及結(jié)果

探測(cè)器的發(fā)射、安裝與調(diào)試

美國(guó)東部時(shí)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(yùn)飛船，執(zhí)行第十一次空間站商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)（CRS－11）任務(wù)，其搭載發(fā)射項(xiàng)目包括NICER任務(wù)的探測(cè)設(shè)備。6月5日，NICER任務(wù)的探測(cè)設(shè)備與國(guó)際空間站會(huì)合，并被國(guó)際空間站上的機(jī)械臂成功抓獲；6月13日，設(shè)備在國(guó)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(jì)時(shí)儀和恒星跟蹤儀已完成對(duì)準(zhǔn)，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(cè)試完畢。

2017年6月3日獵鷹－9火箭發(fā)射圖

NICER任務(wù)探測(cè)設(shè)備在“國(guó)際空間站”上的工作示意圖

NICER科學(xué)觀測(cè)任務(wù)

X射線計(jì)時(shí)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(cè)天體目標(biāo)，主要對(duì)中子星、黑洞等致密天體開展觀測(cè)研究。

可以看出，NICER任務(wù)的主要任務(wù)是對(duì)中子星展開觀測(cè)。其中，SEXTANT項(xiàng)目作為NICER任務(wù)的技術(shù)演示增強(qiáng)試驗(yàn)，期間利用NICER對(duì)脈沖星的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開展了兩次試驗(yàn)：一次為地面后處理試驗(yàn)；另一次為在軌空間飛行試驗(yàn)。

SEXTANT地面后處理試驗(yàn)

2017年10月，SEXTANT研究團(tuán)隊(duì)對(duì)編號(hào)為PSR B1937+21的脈沖星進(jìn)行了觀測(cè)。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(tuán)隊(duì)將其觀測(cè)數(shù)據(jù)下傳到GSFC地面處理中心，利用導(dǎo)航飛行軟件進(jìn)行地面后處理試驗(yàn)，通過單顆脈沖星的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行軌道改進(jìn)，初步得到20km的導(dǎo)航精度，驗(yàn)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(yàn)的開展奠定了基礎(chǔ)。

NICER任務(wù)事件進(jìn)展表

續(xù)表

SEXTANT在軌空間飛行試驗(yàn)

2017年11月，SEXTANT研究團(tuán)隊(duì)選擇了4顆毫秒脈沖星作為觀測(cè)目標(biāo)，開展了SEXTANT項(xiàng)目第一次在軌空間飛行試驗(yàn)（SEXTANT Experiment 1），獲得了脈沖星編號(hào)、脈沖周期以及J2000.0歷元國(guó)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(dá)時(shí)間的精度都將優(yōu)于微秒量級(jí)。在為期2天的實(shí)驗(yàn)中，X射線計(jì)時(shí)儀通過觀測(cè)產(chǎn)生了78個(gè)測(cè)量值并獲得時(shí)序數(shù)據(jù)，SEXTANT將其輸入到專門開發(fā)的機(jī)載算法中，將結(jié)果與GPS接收機(jī)得到的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，當(dāng)空間站以超過27000km/h的速度繞地球飛行時(shí)，該導(dǎo)航系統(tǒng)可以將其定位在15km的誤差半徑范圍內(nèi)?？梢钥闯觯涸跊]有加入脈沖星觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，定位誤差發(fā)散；當(dāng)加入脈沖星觀測(cè)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(yàn)剩余時(shí)間內(nèi)仍遠(yuǎn)低于該閾值，位置精度在大部分時(shí)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(yàn)結(jié)果，其在軌導(dǎo)航精度已經(jīng)達(dá)到5km。SEXTANT項(xiàng)目系統(tǒng)架構(gòu)師盧克·溫特尼茨（Luke Winternitz）說：“試驗(yàn)過程比我們預(yù)先計(jì)劃的兩星期要快很多，這次的試驗(yàn)結(jié)果證明了該系統(tǒng)擁有可以自主運(yùn)行的能力?！?/p>

SEXTANT第一次在軌試驗(yàn)觀測(cè)脈沖星參數(shù)

脈沖星導(dǎo)航空間飛行試驗(yàn)結(jié)果圖

SEXTANT項(xiàng)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(xiàng)技術(shù)可以在太陽(yáng)系內(nèi)外的任何地方實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航，并能夠增強(qiáng)深空探測(cè)能力?！焙罄m(xù)，GSFC研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)開展脈沖星導(dǎo)航第二次空間飛行試驗(yàn)，其目標(biāo)將實(shí)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(shí)用性，GSFC研究團(tuán)隊(duì)將致力于減小探測(cè)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(yàn)及工程任務(wù)需求。盡管目前被廣泛使用的GPS系統(tǒng)對(duì)于地球上的用戶來說能夠達(dá)到幾米的定位精度，但是對(duì)于深空探測(cè)來說，數(shù)百米的定位精度就能夠滿足任務(wù)需求。這項(xiàng)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(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)協(xié)同工作。盡管可能還需要花費(fèi)數(shù)年時(shí)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(xiàng)技術(shù)的可行性，并為未來的行星際深空探測(cè)提供技術(shù)儲(chǔ)備。

5 結(jié)論

綜上所述，從2004年以來，美國(guó)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(yàn)驗(yàn)證、X射線探測(cè)器研制以及空間飛行試驗(yàn)中取得了重大進(jìn)展。在NICER任務(wù)中，美國(guó)成功研制了輕量化、高效率、高精度的X射線計(jì)時(shí)儀，重點(diǎn)對(duì)中子星等致密天體展開了觀測(cè)研究。SEXTANT項(xiàng)目作為NICER任務(wù)的技術(shù)演示增強(qiáng)項(xiàng)目，在2017年10月和11月分別利用脈沖星實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開展了一次地面后處理試驗(yàn)和一次空間飛行試驗(yàn)。在地面后處理試驗(yàn)中利用單顆脈沖星的觀測(cè)數(shù)據(jù)得到20km的導(dǎo)航精度，驗(yàn)證了導(dǎo)航飛行軟件的可靠性；在空間飛行試驗(yàn)中對(duì)4顆毫秒脈沖星進(jìn)行了為期兩天的觀測(cè)，利用78組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了在軌演示驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了5km的導(dǎo)航精度。SEXTANT的試驗(yàn)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(dāng)前技術(shù)下的可實(shí)現(xiàn)性，為深空導(dǎo)航提供了一種全新的選擇方案。