“脈沖星試驗衛星”順利升空

薛力軍 丁強強 何民 鄭靖 (深圳航天東方紅海特衛星有限公司)

“脈沖星試驗衛星”順利升空

X-ray Pulsar Satellite was Successfully Launched

薛力軍 丁強強 何民 鄭靖 (深圳航天東方紅海特衛星有限公司)

由深圳東方紅海特衛星有限公司抓總研制的“脈沖星試驗衛星”與另外4顆衛星于2016年11月10日順利升空，其中“脈沖星試驗衛星”總質量243kg，搭載了微通道板（MCP）型脈沖星探測器和掠入射聚焦型脈沖星探測器。其主要任務是開展脈沖星的空間觀測以及脈沖星導航技術體制的試驗驗證。它是首顆開展脈沖星X射線在軌探測的衛星系統。

1 引言

脈沖星屬于一種高速自轉的中子類天體（恒星演化末期形成的一種天體，質量介于白矮星與黑洞之間）。脈沖星的磁極會輻射特定的電磁波束，由于脈沖星高速穩定的自旋運動，使其發出的脈沖周期極其穩定（周期穩定性最高可達10-19～10-21s/s），遠優于目前國際最先進的星載銣鐘和氫鐘（周期穩定性約10-15s/s）。所以脈沖星被譽為自然界最精準的天文時鐘。

脈沖星是一種優良的天然導航信標，具有固定的空間角位置和極其穩定的自轉周期。采用脈沖星的脈沖信號作為時鐘源進行導航定位，可實現基于絕對時空基準的航天器自主導航，能夠長期、自主、穩定地為航天器自身提供位置、速度、時間和姿態等高精度自主導航信息。這種新的導航定位技術，我們稱之為脈沖星導航技術。

脈沖星導航技術不依賴于現有的導航星座系統，可大幅減少航天器對地面測控系統的依賴程度，增強系統的抗干擾和自主生存能力。此技術是下一代衛星導航系統自主運行的基礎，是實現未來深空探測、星際飛行等系統自主導航的主要技術手段，對于我國未來航天器技術水平的提升具有極其重要的戰略價值。脈沖星導航技術屬于戰略性和前沿性研究領域，國內外航天機構均在積極推進脈沖星導航技術的研究與應用。

脈沖星示意圖

2 研究現狀

針對脈沖星導航技術，國內外科研機構都開展了長期深入的理論研究和地面試驗等工作。最初基于脈沖星信號源進行飛行器導航的設想是由美國航空航天局（NASA）提出，經過世界各國科研人員多年的基礎技術積累，目前已經接近于工程實現。我國在該領域的研究工作處于國際領先地位。

國外研究現狀

1974年，美國NASA噴氣推進實驗室（JPL）首次提出基于射電脈沖星的行星際飛行航天器自主軌道確定方法，開創了脈沖星導航技術研究的先河。1981年，美國通信系統研究所的T.J.Chester和S.A.Butman等人提出利用脈沖星輻射的X射線信號用于地球衛星導航的構想。

1993年，美國海軍研究實驗室（NRL）設計了非常規恒星特征（USA）試驗設備，繼承了傳統天文導航的掩星法觀測思路，提出利用X射線源測定航天器的軌道和姿態，以及利用X射線脈沖星進行時間保持的綜合方法。

1999年，裝有非常規恒星特征試驗設備的美國空軍“高級研究和全球觀測衛星”（ARGOS）入軌，開展了包括非常規恒星特征試驗在內的9項空間科學試驗研究。其中，非常規恒星特征試驗的X射線探測器采集了大量的觀測數據，分別進行了4個主題項目研究，即X射線天體物理學研究、X射線導航研究、X射線大氣上層探測研究及在空間環境條件下的信號與數據處理技術等。由于在非常規恒星特征試驗中X射線導航采用了傳統天文導航的掩星觀測方法，因此，“高級研究和全球觀測衛星”軌道確定精度主要取決于高層大氣模型，只能達到幾千米水平。嚴格地說，非常規恒星特征試驗不屬于真正意義上的X射線脈沖星導航飛行試驗范疇。

2003年，美國馬里蘭大學帕克分校的Sheikh在深入分析研究脈沖星的基本物理特征和現代衛星導航系統體制的基礎上，初步論證了基于X射線脈沖星的航天器自主高精度軌道確定的可行性。

2004年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）提出了“基于X射線源的自主導航定位驗證”（XNAV）計劃，致力于創建一個脈沖星網絡，利用脈沖星發射的X射線源進行衛星自主導航定位。

美國X射線脈沖星導航概念圖

“基于X射線源的自主導航定位驗證”計劃分為3個階段實施：可行性論證階段（2005－2007年）；地面仿真試驗與原理樣機研制階段（2007－2008年）；空間飛行試驗驗證階段（2009年以后）。令人遺憾的是，2006年6月，在該計劃第一階段任務完成后，DARPA不再支持進一步的飛行試驗，因此該計劃未步入第二階段。但是，人們并沒有停止對脈沖星自主導航這一新型導航技術的關注與探索。

2006年，NASA啟動利用X射線脈沖星的深空探測器自主導航技術研究計劃，目標是于2009年以后實現X射線脈沖星導航技術空間飛行試驗驗證（截至2016年此目標尚未實現）。

2009年，俄羅斯科學院空間研究所（IKI）宣布其正在著手研究基于X射線脈沖星的自主導航系統。該研究所首先將利用國際γ射線天體物理實驗室（INTEGRAL）的衛星獲取適用于導航的X射線脈沖星，并分析其特征，然后將在“國際空間站”（ISS）上驗證X射線探測器各項探測指標。

2010年，DARPA又重新提出新的脈沖星導航計劃—“X射線脈沖星計時系統”（XTIM）計劃。該計劃是一個用X射線脈沖星為空間資產提供自主定時和定位信息，并將這些信息廣播給地面和其他空間用戶，供導航和定時之用，以獨立并補充GPS衛星導航系統。該計劃的主要目的包括：

1）在少許或無地面支持的條件下，更新GPS星歷和定時。

2）提供一個替代的時間源，用于GPS接收機的檢校，以檢測欺騙干擾攻擊。

3）滿足軍用導航和通信需要，創造一個真正自主的、大尺度的時間參考。

國內研究現狀

國內有關射電脈沖星的觀測和理論研究已開展了20余年，主要集中在天文學、天體物理學和時間計量方法等方面的研究。1996年，我國開始啟用25m的射電望遠鏡對射電脈沖星進行觀測研究，對射電脈沖星的周期參數、周期躍變、自旋速率、脈沖輪廓、星際閃爍和頻譜特征等方面進行了研究。同時，還開展了利用毫秒脈沖星的時間計量理論分析研究工作。2016年7月，我國已經完成“500m口徑球面射電望遠鏡”（FAST）的主體工程。該望遠鏡具有口徑大、頻帶寬和靈敏度高等優點，天區覆蓋可達到70%，其性能指標要優于美國的“阿雷西博”（Arecibo）射電望遠鏡（305m口徑）。該望遠鏡的建成必將增強我國巡天觀測射電脈沖星的能力。我國已初步具備射電脈沖星觀測和理論研究的基本條件。射電脈沖星的巡天觀測技術、信號與數據處理技術以及時間計量的理論方法研究，為我國開展X射線脈沖星導航技術研究奠定了基礎。

在空間X射線探測研究方面，我國在神舟－2飛船留軌艙上安裝了X射線探測器，探測太陽X射線以及X/γ射線暴。探測器由寬能譜段和高時間分辨率的3臺船載儀器組成，3臺探測器能夠相互聯合和同步觸發觀測。其中，超軟X射線探測器的探測能譜范圍為0.2～2keV；X射線探測器的探測能譜范圍為10～200keV；γ射線探測器的探測能譜范圍為200keV～8MeV。我國還計劃在2017年發射高能X射線探測衛星—“硬X射線調制望遠鏡”（HXMT）。這些將為我國開展X射線脈沖星導航研究提供巡天觀測技術儲備和必要的實測數據。

測試中的“脈沖星試驗衛星”

自2005年以來，國內相關科研院所密切跟蹤國外X射線脈沖星導航技術研究動向，開展了X射線脈沖星導航的基本概念和原理、理論模型和算法、關鍵技術和途徑等方面的分析研究工作，初步建立了脈沖星導航的理論體系和基本框架，梳理關鍵技術，并進行數值仿真分析試驗研究，為我國深入開展X射線脈沖星導航技術研究創造了有利條件。

2013年底，中國航天科技集團公司所屬中國空間技術研究院確定了自主研制我國首顆“脈沖星試驗衛星”的任務目標，衛星總體及核心載荷均由中國空間技術研究院自主研制完成。經歷2年多的時間，該衛星于2016年10月研制完成并升空，成為我國首顆開展脈沖星X射線在軌探測以及脈沖星導航技術驗證的衛星系統。

3 總體方案

衛星概況

該衛星由有效載荷和衛星平臺組成。有效載荷包括微通道板型探測器、掠入射聚焦型探測器等；衛星平臺包括結構機構組件、綜合電子組件、控制組件、電源組件、數傳組件、熱控組件和天線組件。

“脈沖星試驗衛星”組成圖

衛星整星質量約243kg，采用一體化綜合電子設計，將星務、控制運算、測控、“全球定位系統”（GPS）、電源控制集成于綜合電子組件。衛星采用整星零動量+磁控三軸穩定姿態控制方式，并采用鋁蜂窩板箱式結構，整體分為±Z兩艙。整星采用集中不調節母線供配電體制，利用工業級鋰電池組和固定展開三結砷化鎵太陽電池陣供電。星地測控采用S頻段非相干擴頻體制，數傳采用X頻段。

衛星發射狀態包絡尺寸為1125mm（X）× 1135mm（Y）×1785mm（Z），在軌展開狀態包絡尺寸為2753mm（X）×1135mm（Y）×1785mm（Z）。

衛星發射狀態（左）及在軌展開狀態示意圖（右）

衛星任務

由于X射線屬于高能光子，集中了脈沖星絕大部分輻射能量，工程實現上易于采用小型化設備對其開展探測與處理，方便后續脈沖星導航技術的工程應用，所以本次衛星任務的觀測目標選擇X射線脈沖星的脈沖信號進行在軌測量與試驗。

經過綜合論證設計，“脈沖星試驗衛星”的空間飛行試驗預期目標是：

1）在空間環境下實測驗證兩種類型的X射線探測器性能，研究宇宙背景噪聲對探測器作用機理。

2）探測多顆典型X射線脈沖星的輻射光子，提取脈沖輪廓曲線，解決能夠“看得見”脈沖星的問題。

3）進行長時間累積探測脈沖星輻射的X射線光子，初步建立試驗型數據庫，結合衛星高精度定軌數據，實際驗證脈沖星導航技術體制。

工作模式

根據衛星發射流程及試驗任務需求，衛星工作模式如下。

1）發射段模式：只保留基本的供配電、星務管理、測控、姿態測量功能，其余功能處于關閉狀態。該模式主要應用于衛星發射飛行階段。

2）入軌調整模式：衛星平臺供配電、星務管理、測控、姿態測量與控制功能處于工作狀態，其余功能處于關閉狀態。該模式主要應用于狀態建立階段。在該模式下，衛星消除星箭分離后姿態不穩定狀態，完成太陽電池翼展開，建立對地穩定姿態。

3）任務等待模式：衛星平臺功能處于正常狀態，衛星姿態對日，有效載荷功能關閉。

4）探測任務模式：衛星平臺功能處于正常狀態，有效載荷功能分時啟用，衛星姿態對慣性空間定向，開展X射線脈沖星觀測。

5）對地數傳模式：衛星平臺功能處于正常狀態，衛星姿態三軸對地穩定，數傳發射開機，對地傳輸數據。

6）安全模式：為衛星故障條件下的處置模式，衛星平臺供配電、星務管理、測控、姿態控制功能處于安全模式，有效載荷功能關閉。

“脈沖星試驗衛星”整星工作模式及切換流程圖

脈沖星探測器

衛星搭載試驗的探測器包括大面陣微通道板型探測器和掠入射聚焦型探測器。

（1）微通道板型脈沖星探測器

該探測器利用大面陣通道板探測器實現對X射線脈沖星的探測，獲取脈沖星X射線光子到達時間數據。該探測器由光子探頭、綜合控制器和高壓配電器組成。光子探頭實現對X射線光子的光電轉換；綜合控制器完成光子到達時間信號的采集、科學數據的傳輸、內部數據管理，以及與平臺的信息交互等功能；高壓配電器對所有探頭的內置高壓進行控制和遙測采集，并與綜合控制器進行數據傳輸。

“脈沖星試驗衛星”系統指標

光子探頭采用模塊化設計，每個光子探頭內置高壓，為探測器工作提供負高壓環境。它使用基于微通道板的探測技術實現對X射線脈沖星輻射光子的探測和光子到達時間的測量，主要由密封門、密封門開啟機構、充氣閥和泄壓閥、微通道板探測器組件等部分組成。

（2）掠入射聚焦型脈沖星探測器

該探測器組件由探測器光學頭部、探測器線路以及銣鐘組成。

1）光學頭部：它將脈沖星的X射線光子聚焦在探測器上，增大探測器的有效探測面積。

2）探測器線路：它主要利用光電效應和康普頓效應，通過測量入射光子與探測器物質碰撞作用而釋放的次級電子，從而間接探測X射線光子。光子在探測器內部激發出電荷，電荷數量對應的瞬態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變化，而且幅度和持續時間也在不斷變化。通過在一定時間范圍內的累積，統計出X射線光子的時變特性。

3）銣鐘：為獲取X射線光子到達時間，對快速變化的模擬脈沖經過比較器轉換為觸發信號，并采用星載時鐘標記X射線光子的到達時間。衛星平臺時間系統結合星載銣鐘，實現星上時間的高穩定性。

最終，在星載計算機對到達時間進行轉換和修正之后，進行歷元折疊得到X射線脈沖星的測量脈沖輪廓，并與標準脈沖輪廓進行互相關處理，得到時間差。結合觀測多顆脈沖星的時間差，估計航天器的位置，實現航天器的自主導航。

衛星平臺

“脈沖星試驗衛星”的平臺仍然沿用高集成度、柔性化配置和平臺的綜合高性價比設計思路。整個平臺繼承了開拓－1A衛星的產品狀態，秉承了“打造最高性價比衛星系統”的理念，以工業現貨產品為基礎，選用了適合商業衛星需求的產品體系、產保體系和研制模式。在星上產品配套方面，充分發揮了工業領域在計算機技術、能源和通信領域等產品技術優勢。通過與一批具有技術實力的科技型企業深入開展技術合作，在滿足衛星品質要求的同時，顯著提升了相關工業產品的質量品質及相關企業的品牌價值。

（1）綜合電子組件

綜合電子組件的任務是實現衛星的星務管理、測控應答、姿態控制功能中的計算與管理、供電與配電功能中的電源控制與管理、熱控功能中的熱控管理等功能。它由星載計算機模塊、測控模塊、測控收發前端、GPS模塊、電源控制模塊及機箱組成。

（2）控制組件

控制組件的功能是為衛星提供所需的姿態條件，具體包括：

1）具有消除星箭分離時的姿態偏差，對星體角速度進行速率阻尼；

”脈沖星試驗衛星“太陽電池翼正在接受測試

2）具有在指定時間內建立并保持對日定向姿態的能力；

3）具有對地定向三軸穩定能力，滿足數傳工作期間的指向精度和姿態穩定度的要求；

4）具備對脈沖星定向的能力，滿足有效載荷工作期間的指向精度和姿態穩定度的要求；

5）姿態異常時，具有重新捕獲姿態并建立穩定的三軸姿態的能力；

6）具有自主及地面人工診斷與重構系統，以及地面注入修改星上軟件的能力。

衛星飛行過程中的主要事件包括：星箭分離、速率阻尼、太陽搜索、太陽定向、對日巡航、脈沖星定向控制等。

（3）數傳組件

數傳組件的主要功能是實現載荷數據和平臺工程數據的多路復接和存儲，并在衛星過境時將存儲器內數據經加擾、編碼、濾波和調制放大后，通過數傳天線傳送到地面。該組件由數傳通信機和數傳天線組成。數傳速率10Mbit/s，固存容量32Gbit。

（4）電源組件

電源組件的功能主要是實現太陽能的光電轉換及電能存儲。電源組件包括太陽電池翼、鋰離子蓄電池組。太陽電池翼采用宇航級三結砷化鎵太陽電池片；鋰離子蓄電池組采用工業小容量單體鋰離子電池組，額定容量為20Ah。

4 研制歷程

2013年10月，首顆“脈沖星試驗衛星”以中國空間技術研究院自主創新項目開始立項研制。

2014年12月，項目完成了全部衛星平臺以及探測器載荷的關鍵技術攻關工作，正式轉入工程星研制階段。

2015年9月，“脈沖星試驗衛星”的同平臺衛星開拓－1A衛星成功發射并穩定運行，驗證了衛星平臺的設計正確性與空間環境適應性。

2015年11月，衛星明確了與長征－11運載火箭的發射計劃，確定了最終發射節點。

2016年10月，完成“脈沖星試驗衛星”的全部研制工作。

2016年11月10日，衛星發射入軌。

5 應用前景

“脈沖星試驗衛星”是我國脈沖星導航技術發展規劃的第一階段標志性成果，它實現了我國X射線脈沖星的在軌觀測與脈沖星導航技術體制的試驗驗證。

未來計劃在2020年左右，從整體上驗證X射線脈沖星導航系統，并實現地面脈沖星射電觀測，補充和完善國內射電脈沖星觀測設施，形成高精度的地面射電脈沖星觀測網絡，構建與精化完整的脈沖星導航數據庫，利用裝載X射線脈沖星導航設備的多顆衛星，組成太陽系質心空間基準星座，提供軌道精度100m、時間精度1μs的時空基準信息，用于開展大型星座系統的自主運行。

計劃在2025年左右實現X射線脈沖星導航技術的工程化應用，滿足未來航天器的軌道精度10m和時間同步精度1μs的長時間高精度自主運行需求。實現X射線脈沖星導航探測器型譜化以及小型化導航終端，使得脈沖星導航技術可以應用于各類空間系統飛行器之中，提高航天器的自主運行能力，實現深空飛行器無縫導航與精密控制，持續探索更優的導航信號源，完善導航數據庫，構建并維持我國絕對時空基準系統，大幅度提升我國空間飛行器的自主運行能力以及深空探測等科學領域的技術支持能力。