X射線脈沖星導航探測技術發展綜述

李連升, 梅志武，呂政欣，鄧樓樓,劉繼紅, 陳建武, 石永強, 左富昌

(1.北京控制工程研究所，北京 100190； 2.北京航空航天大學，機械工程及自動化學院，北京 100191)

【專家特稿】

X射線脈沖星導航探測技術發展綜述

李連升1, 梅志武1，呂政欣1，鄧樓樓1,劉繼紅2, 陳建武1, 石永強1, 左富昌1

(1.北京控制工程研究所，北京 100190； 2.北京航空航天大學，機械工程及自動化學院，北京 100191)

X射線脈沖星導航技術是一種具有發展潛力的新型自主導航技術，美國NASA、歐空局、日本JAXA等航天強國科研機構均將其列為重點發展對象，采用“自然界最精準的天文時鐘”的脈沖星作為導航信標，可以大大提升航天器戰時自主導航生存能力。本文綜述X射線脈沖星導航探測技術的發展現狀，深入分析X射線脈沖星導航對探測終端設備的需求，梳理出X射線脈沖星導航需要突破的關鍵技術及可實現的途徑，為我國X射線脈沖星導航領域的快速發展提供了技術參考。

X射線探測；脈沖星導航；聚焦型光學系統；本底抑制

脈沖星是大質量恒星演化、坍縮、超新星爆發的遺跡，是一種超高密度、超高溫、超高壓、超強電磁場和超強穩定自轉周期的中子星[1]，自轉周期變化率穩定性高達10-19～10-21，被譽為自然界最穩定的天文時鐘[2-3]。X射線脈沖星導航的概念誕生于20世紀70年代，它是一種新型的天文導航方法, 相比于傳統的導航方法[4]，它具有定位精度高、抗干擾能力強、無需地面系統支持、全軌道自主導航等特點，尤其在深空探測、空天戰爭等極端條件下對航天器自主導航具有不可替代的優勢，可提高航天器的戰時自主生存能力，是各航天強國爭相發展的尖端技術[5]。然而，由于脈沖星自身的物理特性、X射線光子的特殊性以及空間背景噪聲的復雜性，實際工程化應用的脈沖星導航探測極為復雜，探測器對有效探測面積、探測效率、時間分辨率、能量分辨、使用壽命、制造工藝、搭載可行性等因素提出了較高要求。雖然以美國宇航局、歐空局等為代表的科研團隊開展了大量研究，但距離實際工程應用仍有較大差距，其中缺失高性能的脈沖星探測設備是制約該領域快速發展的瓶頸。

本文在回顧國內外X射線脈沖星探測歷程的基礎上，從實際工程應用出發討論脈沖星導航對終端設備的需求，重點論述了X射線脈沖星探測終端設備的關鍵技術，提出我國在X射線脈沖星導航領域的發展建議，以圖促進我國在脈沖星自主導航領域的快速發展。

1 X射線脈沖星探測發展歷程

脈沖星最早記載歷史可追溯至我國宋代(公元1054年)，《宋史·天文志》記載了大質量恒星演化、坍縮、爆發的信息，Crab及星云正是其爆炸的結果[6]。自1967年英國劍橋大學Hewish與其學生Bell在對射電波大氣隨機折射研究中發現首顆射電脈沖星信號以來[7]，X射線脈沖星探測大致經歷以下四個階段：

1) 脈沖星探測萌芽階段(1970s—1990s)

20世紀70年代，Uhurn衛星和美國天文觀測衛星Ariel-5的成功發射，分別探測到了X射線脈沖點光源Cen X-3和Her X-1，從此正式開創了人類探索宇宙空間X射線脈沖星的歷史。1974年，美國噴氣推進實驗室的Downs博士首次提出將射電脈沖星應用于星際導航的設想，并推算出理論精度約為150 km[8]。1976年，美國天文觀測衛星Ariel-5首次觀測到X射線脈沖星信號[9]。1977年到1981年間，NASA 發射了兩顆大型科學衛星進行X射線天文學的研究，分別是HEAO-1和HEAO-2[10]。1981年，美國通信系統所的Chester和Butman等人提出了脈沖星X射線導航的初步構想[11]。1983年ESA發射了X射線天文觀測臺，在軌獲得大量觀測數據，同時也驗證了軌道的合理性，為后續大型X射線天文觀測臺的成功發射奠定基礎。1990年德國發射了ROSAT衛星，使發現的 X 射線源增加到將近105個，并且許多 X 射線源的精確位置也得到確認[12]。

2) 脈沖星探測輝煌階段(1990s—2000s)

1993年，美國海軍研究實驗室的Wood博士設計了非常規恒星特征試驗(Unconventional Stellar Aspect experiment, USA)，并搭載1999年發射的先進研究和對地觀測衛星(Advanced Research and Global Observation Satellite，ARGOS)衛星[13]，如圖1。采用準直型氣體正比計數器獲得了大量脈沖星探測數據，進行了基于X射線源的空間導航試驗，并驗證了定姿的基本原理。

圖1 ARGOS衛星上的USA試驗

1995年12月30日美國宇航局成功發射了一顆觀測天文X射線源的衛星——羅希 X 射線計時探測器(Rossi X-ray Timing Explorer，RXTE)，搭載了全天監視器、正比計數器陣列和高能X射線計時器，雖然不能成像，但時間分辨率高、有效面積大、探測波段寬。其對Crab脈沖星的觀測數據至今仍被認為標準數據，對于脈沖星導航與輪廓折疊算法的驗證發揮了至關重要的作用。

1999年7月23日，美國宇航局的“哥倫比亞”號航天飛機將Chandra衛星(如圖2)[14]送入地球軌道。該衛星實為星載一體化結構，配備了多層嵌套的Wolter-I掠入射X射線光學系統，角分辨率(0.5’’)至今仍未被突破，探測能段范圍為：0.08～10 keV，時間分辨率為16 μs。

圖2 Chandra X射線天文臺

1999年，歐洲ESA發射了多鏡面X射線觀測衛星(X-ray Multiple Mirror，XMM-Newton)[15]，如圖3。采用多層嵌套的Wolter-I掠入射X射線光學系統和CCD的技術方案，有效面積為4 500 cm2@1 keV。

2000年，德國的X射線觀測衛星Rontgen[16]完成了一次較為廣泛的X射線全天巡視，探測到18 806個亮源(>0.05 counts/s 0.1～2.4 keV)和105 924個暗源。

3) 脈沖星探測與導航理論完備階段(2000s—2010s)

進入新的千年，隨著人類在脈沖星探測領域獲得的大量在軌數據，以美國NASA和歐空局為典型代表的科研機構對脈沖星導航可行性進行論證，進一步豐富和完善了脈沖星導航理論，朝著工程化的方向邁進。

2003年，Sheikh[17]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，從而掀起了X射線脈沖星導航研究的熱潮，美國、日本、歐盟等國家紛紛制定相關研究計劃，開展理論方法研究、關鍵技術攻關、原理樣機研制和飛行試驗驗證等方面的工作。

圖3 X射線空間望遠鏡XMM-Newton

2004年，美國國防高級研究計劃局啟動了“基于X射線源的自主導航定位(XNAV)”研究計劃，使X射線脈沖星導航成為導航領域研究的熱點[18]。XNAV計劃包括X射線脈沖星性質研究、X射線探測器開發、脈沖星導航算法設計以及空間系統研制，目的是為導航衛星、通信衛星和其他航天器提供高可靠性的定位、測姿和授時服務。

2004年，歐空局啟動了“ESA深空探測器脈沖星導航”計劃，論證了基于脈沖星時間信息的深空導航的可行性，并開展了脈沖星導航理論方法和仿真驗證研究工作[19]。

俄羅斯科學院宇宙空間研究所于2009年3月在其網站上發表了“俄羅斯不易打擊的GPS”報道，宣稱已在國際天體物理學天文臺和國際γ射線天體物理實驗衛星上進行了脈沖星觀測試驗，并取得了良好效果，將借助宇航員在國際空間站上開展X射線脈沖星導航在軌試驗驗證。

4) 脈沖星探測與導航在軌驗證階段(2010s—未來)

2011年，NASA的戈達德航天中心(Goddard Space Flight Center, GSFC)以XNAV項目為基礎，聯合美國大學空間研究聯合會，啟動了“空間站X射線計時陣與導航技術試驗”(Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, SEX-TANT)項目[20]，如圖4。根據NASA官網報導，該型號將搭載SpaceX-11龍飛船于2017年6月初擇機發射。該望遠鏡采用了掠入射聚焦型X射線光學系統和硅漂移室探測器的技術方案，有效探測面積為1 800 cm2，時間分辨率為200 ns的探測陣列，搭載國際空間站在軌驗證脈沖星導航、授時與通信等試驗項目。

2012年，美國發射了“核光譜望遠鏡陣列”NuSTAR衛星[21]，如圖5。探測能段為3-79keV，采用10米焦距的掠入射光學系統(Wolter-I)和CdZn探測器觀測宇宙爆發的高能X射線。

2012年美國發射了一種基于龍蝦眼光學系統的寬視場X射線成像儀[22]，可探測地球、月球、金星和彗星上的太陽風遇到中性氣體時所產生的軟X射線輻射，也可用于觀測X射線暫現源。

圖4 美國SEX-TANT計劃空間站搭載

圖5 美國NuSTAR望遠鏡

2015年，印度發射了該國歷史上第一顆多波段天文觀測衛星Astrosat[23]，如圖6。采用CZT成像儀對Crab脈沖星成像，軟X射線成像儀采用Wolter-I+CCD的方案對微弱脈沖星觀測，成功獲取圖像。

圖6 印度Astrasat科學探測衛星

2016年2月，日本與美國經過近十年的聯合攻關，研制并發射了Astro-H大型空間科學探測衛星，Astro-H是迄今為止最大的X射線探測衛星，如圖7。遺憾的是由于其在軌故障[24]，在軌運行數日之后解體，該型號的在軌失利是國際天文界和航天界的重大損失。

圖7 美-日聯合研制的Astro-H望遠鏡

目前計劃2020年前發射的型號還包括：歐空局與日本正在研制的水星探測計劃[25]——BepiColombo，搭載了基于微孔聚焦光學系統的X射線探測器，探測能段0.5～7.5keV，預計2018年10月發射。

圖8 歐空局與日本BepiColombo計劃

上述國外空間X射線脈沖星探測任務為人類認知脈沖星做出了巨大貢獻。我國X射線探測計劃起步較晚，1994年，中科院高能物理研究所設計一顆名為“硬X射線調制望遠鏡”的衛星(HXMT)，如圖9，計劃2017年發射。隨后，神舟二號飛船、FY-1C/1D、FY2等衛星搭載了X射線探測器、空間X射線環境監測器[26,27]。我國衛星搭載的空間X射線探測器主要是用于空間環境監測。對X射線脈沖星探測的研究偏重于脈沖星導航算法理論研究，采用的數據主要來自國外已公開的數據。

圖9 中國硬X射線調制望遠鏡HXMT

2016年11月10日，我國發射了世界首顆脈沖星導航專用試驗衛星[28](XPNAV-1)，該星由中國空間技術研究院研制，主要任務是開展X射線脈沖星在軌觀測，驗證X射線脈沖星導航相關技術，如圖10、圖11所示。

XPNAV-1的主載荷為北京控制工程研究所研制的國內首臺掠入射聚焦型X射線脈沖星探測器，采用多層嵌套的掠入射Wolter-I光學系統和硅漂移探測器的技術方案，探測能譜為0.5～10 keV，光學視場為15角分，時間分辨率優于1.5 μs，能量分辨率優于180 eV@5.9 keV，空間本底抑制效率優于90%。該衛星搭載的另一載荷為山東航天電子技術研究所研制的微通道板探測器。

圖10 中國脈沖星導航專用試驗衛星XPNAV-1

圖11 脈沖星導航專用試驗衛星成功發射[29]

目前，該衛星采用掠入射聚焦型X射線脈沖星探測器完成了對Crab脈沖星(PSR B0531+21)的觀測，并獲得大量一手在軌觀測數據，已在北斗衛星導航系統官網發布[30]。經初步分析，觀測到的PSR B0531+21脈沖星輻射特性(光子流量、能譜、時間間隔、脈沖周期)與國際公認結果相符，且恢復的Crab脈沖星輪廓與國際公開的標準輪廓高度一致，如圖12。迄今為止，該衛星圓滿完成既定任務，并取得多項重大突破：(1)實現了我國首次基于掠入射聚焦型脈沖星探測器“看得見”脈沖星的目標；(2)首次驗證了脈沖星導航體制的可行性；(3)驗證了具有自主知識產權的掠入射聚焦型脈沖星探測器技術方案的可行性及在軌性能指標。目前，該型號已引起美國等世界航天強國的極大關注，NASA為XPNAV-1衛星建立了官網[31]，并納入型號與數據管理體系。

圖12 PSR B0531+21(Crab)脈沖星輪廓恢復

2 X射線脈沖星探測需求分析

X射線脈沖星導航基本原理示意圖如圖13，利用航天器搭載的X射線探測設備和高精度時鐘觀測脈沖星X光子并記錄其到達航天器的時刻，經過一定時間的積分獲得大樣本觀測數據，基于時間轉換方程將光子到達時刻轉換到太陽系質心慣性系中，采用周期搜索和脈沖歷元折疊等算法處理提取脈沖輪廓，然后將觀測脈沖輪廓與標準脈沖輪廓進行比對，獲得兩個脈沖輪廓的相位差，該相位差反映了觀測的和預報的脈沖信號到達SSB的時間差，而脈沖到達時間差正比于航天器的位置誤差在脈沖星視線矢量上的投影。融合不同觀測時段多顆脈沖星的測量信息，結合航天器軌道動力學模型，采用卡爾曼濾波算法，經過反復迭代運算估計可獲得航天器的位置信息，實現航天器自主導航[5]。

圖13 脈沖星導航原理示意圖

由于觀測對象(脈沖星)輻射的特殊性(流量微弱)、導航精度和空間環境等因素相關，因此對脈沖星探測器具有較高的要求。X射線脈沖星導航是基于脈沖到達時間差觀測量進行的，提高脈沖到達時間差觀測量的精度是提升脈沖星導航精度的關鍵。TOA的測量精度取決于Δt的測量精度，這與測量積分脈沖輪廓的信噪比有關。TOA精度與脈沖輪廓信噪比(SNR)和脈沖寬度W之間關系為[32-33]：

(1)

由式(1)可知，在選擇脈沖星源時，應該選擇X射線輻射流量大、脈寬窄的脈沖星。同時，脈沖輪廓的信噪比與探測器有效面積和觀測積分時間等因素有關。

實際上，(1)脈沖星輻射流量比較微弱，一般在10-3～10-4counts/cm2/s量級以下。如果要求獲得高信噪比的脈沖輪廓，這就要求探測器具有較高的探測效率。(2)X射線脈沖星輻射能譜服從冪律譜分布，且各脈沖星輻射能譜不同且能量集中在軟X 射線能段。此外，空間環境存在大量不同能量的X光子，也可進入探測器視場，但其不具有統計特征，可通過長時間累加和能量區分進行甄別。因此，研制的X射線脈沖星探測終端設備應具有較高的能量分辨率。(3)隨著深空探測的發展，X射線脈沖星探測終端設備所處的空間環境極為復雜，存在背景輻射來源多、高能粒子損傷累積效應、脈沖星與星云往往同時存在等顯著特征，為保證其能夠適應強輻射環境，并有效抑制空間本底噪聲，要求探測終端設備具有較快時間響應及較強的空間本底抑制能力。(4)航天器微型化與低成本化是航天器的發展方向，因此如何實現X射線脈沖星探測終端設備的輕質化、低功耗和高可靠性也是必須考慮的因素。

3 X射線探測關鍵技術及現狀

X光子收集技術、X光電轉換與微弱信號處理技術和空間本底抑制技術是研制高效率X射線脈沖星探測終端設備的關鍵技術，各關鍵技術的功能及其相互間的關系框圖如圖14。

圖14 關鍵技術與功能關系框圖

3.1 X光子收集技術

高效率的X光子收集是X射線脈沖星導航的前提。可將其分為聚焦型和非聚焦型兩大類，其中非聚焦型X光子收集器主要包括準直型探測器；聚焦型X光子收集器(包括掠入射Wolter-I和微孔聚焦光學系統(Micro Pore Optics, MPO)。

3.1.1 準直型探測器

目前采用準直型探測器[34-35]的航天型號包括：RXTE、ROSAT、Suzaku、HXMT、XPNAV-1、Astrosat等。該類探測器的核心是前端的準直器，準直器單體為有準直柵格的圓筒結構，其物理功能是讓特定方向的X射線通過，吸收衰減其他方向的X射線，能夠滿足對高能X射線屏蔽要求的材料有鉛、鎢、鉭等。不同波長的光輻射通過機械準直器時，其透過率隨波長的增大而減小。正是采用準直器屏蔽空間本底輻射，視場一般為度(°)量級，準直效果直接影響探測器本底噪聲。工作機理是：利用通道內表層在一定能量的電子(光子、離子或帶荷粒子)碰撞下可產生二次電子的特性，二次電子在電場的作用下沿通道加速前進，經過重復多次的碰撞和電子倍增過程，最后在高電勢輸出端面有大量的電子輸出產生，這個過程被形象比喻為“電子雪崩”。此外，該類探測器不具備聚光功能和能量分辨率。

3.1.2 Wolter掠入射聚焦型光學系統

1952年，德國物理學家Hans Wolter提出了滿足阿貝正弦條件的掠入射聚焦新X射線光學系統，包括Wolter-I、Wolter-II和Wolter-III三種類型，各有優缺點[14]。其中Wolter-I以易于工程實現獲得廣泛應用。 Wolter-I型X射線光學系統是由一個旋轉拋物面和一個旋轉雙曲面組成的同軸共焦系統，基于X射線全反射理論，X光子以小的掠入射角入射到超光滑鏡片的內表面，通過兩次反射后將X光子聚焦在焦點處。從而克服了單個旋轉對稱非球面反射鏡因不滿足阿貝正弦條件而引起軸外成像存在嚴重慧差的缺陷，可以獲得較高的成像分辨率。

自1978年11月美國發射“愛因斯坦”衛星(首次采用大型掠入射Wolter望遠鏡)以來，掠入射聚焦光學系統[36]逐漸成為空間X射線觀測衛星的理想選擇。美國NASA的NICER載荷為了提高光學系統的反射效率，采用了單次反射的近似Wolter掠入射聚焦型光學系統，如圖15。在工程研制中，為了提高探測效率，通常采用多層嵌套技術提高單個鏡頭的有效集光面積以及將多個嵌套的X射線光學鏡頭進行陣列，提高產品的整體有效探測面積。典型的應用包括美國Chandra望遠鏡、NuSTAR望遠鏡、歐洲ESA的XMM-Newton望遠鏡、印度的AstroSAT、我國的XPNAV-1聚焦型Wolter-I光學系統等。目前增大有效探測面積的主要方法包括單個鏡頭多層嵌套技術和多鏡頭陣列技術[37]，發展趨勢包括美國NASA的采用商業化的玻璃復制法[21]和單晶硅MEMS技術[38]兩條技術路線，歐空局目前在發展Silicon Pore Optics 掠入射光學系統[39]的技術路線。

圖15 NICER Wolter-I掠入射聚焦型光學系統

3.1.3 微孔聚焦光學系統

Wolter-I掠入射聚焦型光學系統大多采用傳統的玻璃研磨或電鍍鎳等工藝路線，存在重量大，焦距長等問題，不容易滿足X射線脈沖星導航設備的輕小型化要求。國外針對航天任務對X射線聚焦鏡頭輕質化的需求，很多研究機構嘗試多種新的工藝方法。比如，龍蝦眼聚焦光學系統就是借鑒商用微通道板的制備方法和仿生技術而研制了新型微孔聚焦光學系統[40]。主要由若干正方形截面柱體陣列構成，如圖16。X 射線入射到MPO 孔壁時，如果入射角小于臨界全反射角，則入射光線在方孔側壁上發生全反射，聚焦在焦面上；如果入射角大于全反射臨界角，則光線被孔壁吸收，不參與成像。目前國外設計與研制龍蝦眼光學系統的單位主要有英國University of Leicester大學、法國Photonis公司、捷克布拉格理工大學和北方夜視技術股份有限公司南京分公司等。

圖16 微孔聚焦光學系統

3.2 X光電轉換與微弱信號處理技術

X光電轉換與微弱信號處理技術是X射線脈沖星探測的關鍵，如何根據X光子與物質的作用機理選取適合脈沖星導航的X光子探測器件直接影響導航精度。同時，與其匹配的微弱信號濾波成形、放大、幅值甄別、能量與時間信息提取等電子學特征直接影響系統信噪比。

3.2.1 X射線探測器件

X光電轉換是通過X射線探測器實現的，其原理是通過X射線與物質的相互作用，利用電離激發或光電效應等轉換成電信號，供后端電子學處理。空間X射線探測器[5]，最開始為蓋革計數器、氣體正比計數器、微通道板探測器，后來發展到閃爍體探測器(RXTE/HXTE、Fermi/GBM)、CCD、半導體探測器(Si-PIN、SDD等，SUZAKU/XIS、XMM、Chandra)。遴選X射線探測器需考慮的指標包括：能量-電荷轉化效率、時間分辨率、能量分辨率、線性和穩定性、探測器制冷水平與工作溫度、密封窗口及透過率等。常用X射線探測器的技術指標與特點如表1所示。隨著工藝和技術的進步，X射線探測器的發展趨勢是：高量子效率、高時間分辨率、高能量分辨率、低電壓、低功耗、高可靠性。半導體探測器將是空間X射線探測技術的發展主流。此外，目前還出現了石墨烯X射線探測器等新產品。

表1 常用X射線探測器的技術指標與特點[41]

3.2.2 微弱信號處理技術

在脈沖星探測中，X射線探測器輸出脈沖幅度大概只有數十mV，脈沖寬度僅為納秒量級，如何較好地提取和處理微弱信號是提高X射線脈沖星望遠鏡品質的關鍵[42]。應采用低噪聲放大器放大。由于X射線光子到達時間是隨機的，而經過放大之后的脈沖信號下降速度很慢，在脈沖計數率很高情況下，極有可能出現脈沖堆積，應采用成形放大器加快脈沖下降沿衰減，同時提高信噪比。通過采用低噪聲的脈沖信號放大器和快速成形放大器，提高脈沖的信噪比，同時提高對X射線光子的計數率。

3.3 空間本底抑制技術

X射線波段與其他波段的光子信號探測不同，在X射線脈沖星探測中，存在空間輻射背景噪聲、儀器設備以及數據處理等大量的噪聲源，而可用的脈沖星信號恰恰又比較微弱，此消彼長，探測難度倍增。因此，空間本底抑制技術是提高X射線脈沖星探測信噪比的關鍵技術。

按照航天器所處的區域劃分，空間背景噪聲可分為非輻射帶區域和輻射帶區域[43]。其中，非輻射帶區域本底噪聲主要包括原初宇宙線中的彌散光子、質子、電子；地磁場束縛的質子、電子；宇宙線與大氣作用產生的次級質子、次級電子；輻射帶區域的本底噪聲主要包括質子和電子。具體來源：宇宙彌散X 射線本底、原初宇宙線粒子本底、低能荷電粒子本底、大氣反照X射線本底、活化本底等。

目前，空間本底抑制技術有被動和主動屏蔽兩種[32,44]，主要包括：準直器、電磁偏轉、反符合、波形鑒別法和多層金屬屏蔽等。被動屏蔽主要是指利用鉛、鉭等對X 射線質量吸收系數較大的材料形成準直器，以阻擋視場之外的粒子以及非源方向X射線光子的入射，降低本底產生。在研制過程中需注意被動屏蔽材料與高能宇宙線發生的二次激發造成的本底問題。主動屏蔽包括：(1)反符合法：利用多種探測器共同記錄高能粒子的入射，采用反符合法在觀測數據中將高能粒子去除，應用塑料閃爍體探測器可對荷電粒子高效率探測。(2)電磁偏轉法：采用電磁場對進入作用范圍內的質子與電子作用，將其運動軌跡偏轉，避免直接擊中探測器造成本底噪聲增大，甚至損傷。(3)波形鑒別法：根據宇宙射線與X射線信號波形的差異性，采用電路波形鑒別法抑制空間輻射本底，該法適用于低能X射線(≤30 keV)。

4 我國X射線脈沖星探測的發展方向

目前，X射線脈沖星探測已在脈沖星導航、X射線通信、脈沖星授時等領域凸顯出發展潛力，并逐步向工程化方向發展，未來發展方向為：

1) 研制大面陣高效率的X光子收集器。目前，電鍍鎳和玻璃復制仍為美國和歐空局的主流方法。我國應著眼已有研制技術，吃透現有方法的制備工藝、加工和裝調等技術，研制高水平的X光子收集器。此外，還應著眼未來，采用硅基等新材料、MEMS技術、復制技術等研制超大面積、輕質化和高效率的X光子收集器。

2) 發展高效率低噪聲的探測器件和電子學技術。我國除了在遴選性能優良的電子器件之外，應著重加強X單光子探測器件的新材料優選、制冷技術、鍍膜技術和真空封裝技術等關鍵技術攻關，在提高光電轉換效率的同時，提高對寬能段X射線的響應率。研制具有高時間分辨率、高能量分辨率和低暗電流的探測器件。電子學技術研究的重點包括研制高信噪比的電子學系統，提高時間和能量標記精度，大力發展微系統(SoC)集成技術等。

3) 通過提高空間輻射本底的抑制效率提高脈沖星探測終端的信噪比和靈敏度。X射線脈沖星探測空間環境極為復雜，而探測目標(脈沖星)輻射信號微弱，這給脈沖星探測帶來了巨大挑戰。為此，我國應深入開展空間輻射環境研究，構建脈沖星探測終端所在軌道的精確輻射模型。綜合開展X射線光學系統雜散光屏蔽、空間高能粒子偏轉、輻射本底反符合、多層復合材料吸收、太陽輻照抑制等研究，進一步提高脈沖星探測終端的信噪比和靈敏度。

此外，在獲得脈沖星探測數據之后，開展高效精確的在軌數據處理也是我國應該重點開展的研究內容，包括時間模型轉換精度分析、高精度的脈沖輪廓折疊算法、TOA精確提取技術、脈沖星導航和高信噪比濾波算法等。

5 結論

本文對X射線脈沖星導航的發展現狀進行了分析、歸納和總結，結合導航實際分析了當前X射線脈沖星導航的需求。重點介紹了脈沖星導航X射線探測的關鍵技術，如X光子收集技術、X光電轉換與微弱信號處理技術以及空間本底抑制技術等，提出了我國X射線脈沖星導航領域發展方向。

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(責任編輯 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 基金項目：國家自然科學基金資助項目 (51175019)

李連升(1981—)，男，本刊審稿專家，高級工程師，博士，主要從事脈沖星導航技術、航天器優化設計研究。

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：李連升，梅志武，呂政欣，等.X射線脈沖星導航探測技術發展綜述[J].兵器裝備工程學報，2017(5):1-9.