掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠鏡及在軌數據分析

李連升，梅志武，呂政欣，鄧樓樓，陳建武，石永強，左富昌，孫 艷，周 昊，張海力

(北京控制工程研究所， 北京 100190)

【航天工程】

掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠鏡及在軌數據分析

李連升，梅志武，呂政欣，鄧樓樓，陳建武，石永強，左富昌，孫 艷，周 昊，張海力

(北京控制工程研究所， 北京 100190)

掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠鏡是XPNAV-1衛星的主載荷，其首要科學探測任務是以PSR B0531+21脈沖星為觀測目標，根據在軌實測數據恢復脈沖輪廓，實現基于掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠鏡“看得見”PSR B0531+21脈沖星的目標。掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠鏡主要由多層嵌套準Wolter-I X射線光學系統、硅漂移探測器、磁偏轉器、電子學、高能粒子防護罩、高穩定結構等關鍵部組件組成。介紹了脈沖星探測需求、有效載荷工作原理與設計原則、探測任務、主要技術指標以及在軌觀測主任務期間觀測數據的初步分析結果。

脈沖星試驗衛星； 聚焦型X射線望遠鏡； 在軌觀測； 數據分析

X射線脈沖星導航是一種具有發展潛力的天文自主導航方法，具有不依賴地面測控站、擺脫地理條件限制、實現航天器全軌道自主導航、戰時自主生存能力強等特點，可為近地軌道、深空乃至行星際航天器提供豐富的等導航信息[1-2]。美國國防部先進研究計劃局(DARPA)提出了“基于 X 射線源的自主導航定位驗證(XNAV)”計劃[3]，并聯合美國海軍天文臺等多家單位擬定和啟動了脈沖星導航的研究計劃，將X射線脈沖星導航納入國防部長期發展戰略規劃綱要。

脈沖星導航與空間X射線探測都離不開高性能X射線望遠鏡。目前的X射線望遠鏡主要包括準直調制型、編碼孔徑式、正入射式(鍍多層膜)、掠入射Wolter-I型和龍蝦眼型等，其工作原理、探測能段、空間角分辨率不盡相同。根據文獻[4,5]可知，掠入射Wolter-I型空間X射線望遠鏡具有本底噪聲小、角分辨率高、可通過多層嵌套實現大的探測面積等特點，廣泛用于空間X射線探測以及X射線脈沖星觀測與導航。美國于2017年6月發射了X射線脈沖星計時與導航探測器[6](The Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology，SEXTANT)，采用了掠入射Wolter-I聚焦型望遠鏡的方案。此外，國外已發射的X射線脈沖星探測型號[7]還包括美國的X射線探測定時衛星RXTE、ChandraX射線觀測站和Swift衛星、德國的ROSAT號X射線觀測站，ESA的軟X射線空間望遠鏡XMM-Newton以及美國的NuSTAR等。

我國在脈沖星導航理論與算法方面開展相關工作[8-10]，但觀測數據均采用國外已公開數據。因此，為獲得脈沖星在軌觀測原始數據，中國空間技術研究院研制了我國首顆脈沖星試驗衛星01星(XPNAV-1)，進行脈沖星在軌觀測，積累科學數據。目前該項工作已獲得包括美國在內的世界航天強國的積極關注[11]。其中，XPNAV-1衛星的主載荷是由北京控制工程研究所研制的掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠鏡(Grazing Incidence Focusing X-Ray Pulsar Telescope，iFXPT)。考慮到PSR B0531+21(Crab脈沖星)是最明亮的空間X射線源之一，也是脈沖星導航演示驗證規劃的一個觀測目標[12]，本次飛行任務以PSR B0531+21脈沖星為觀測目標。目前，通過在軌長時間累積觀測，已獲取我國第一手PSR B0531+21脈沖星X射線的觀測數據。

本文主要介紹掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠鏡有效載荷的科學任務與需求分析、有效載荷設計原則、工作原理與組成、主要技術指標，以及在軌觀測數據的初步分析結果。

1 iFXPT科學任務與需求分析

X射線脈沖星試驗衛星01星[13](XPNAV-1)于2016年11月10日在酒泉衛星發射中心由固體火箭發射升空。XPNAV-1是一顆三軸穩定衛星，重約270kg，運載軌道為500km的LEO軌道，該衛星的主載荷是掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠鏡，如圖1中的iFXPT。其科學任務包括：(1)在軌驗證iFXPT探測方案與性能；(2)實現對PSR B0531+21脈沖星的在軌觀測，并恢復其輻射輪廓；(3)通過長期累積觀測，獲得大量用于研究脈沖星輻射特性的科學觀測數據。

探測需求分析：考慮到觀測目標脈沖星輻射流量微弱的特性以及空間本底噪聲大等特點，對觀測設備的信噪比和靈敏度提出了苛刻要求。X射線脈沖星的觀測量是每個X光子的到達時間(Time of Arrival, TOA)。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[14]：

(1)

由式(1)可知，選擇X射線輻射流量大、脈寬窄的脈沖星有利于提高信噪比。此外，增大有效面積、延長觀測積分時間、抑制空間本底噪聲均有助于提高探測靈敏度和信噪比。此外，考慮到空間輻射背景的復雜性以及有效信號與本底噪聲信號的能量可區分性，iFXPT應具備較高的能量分辨率。此外，隨著航天器的微型化與低成本化發展趨勢，如何實現輕質化、低功耗和高可靠性的X射線望遠鏡也是研制過程中必須考慮的問題。

圖1 XPNAV-1衛星與iFXPT載荷

2 掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠鏡

2.1 有效載荷設計原則

開展掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠鏡設計時需考慮的設計原則：

1) 科學探測任務是有效載荷設計時考慮的首要因素，它決定了有效載荷的功能、性能和組成等。首先需要重點分析被觀測對象的物理特性，影響信噪比的背景噪聲等因素。例如需要根據脈沖星輻射流量、輻射能段選擇X射線光學系統設計關鍵參數和探測器件類型，需要根據空間輻射背景遴選適合脈沖星探測的本底抑制措施等；

2) 有效載荷需要面臨復雜的空間環境，能否適應空間熱交變的工作環境以及火箭發射沖擊是成敗的關鍵。此外，還必須考慮的抗力學、高低溫、真空、紫外輻照、銀河宇宙線和太陽輻射等措施；

3) 有效載荷需要考慮如何在軌精確瞄準觀測目標，即精確指向問題。此外，還需構建有效載荷與整星基準的關系矩陣，與整星控制系統研究避開地球、月球、太陽等天體對觀測目標的遮擋問題；

4)需要考慮有效載荷功耗與整星能源的匹配性，考慮在觀測弧段內的有效觀測時間，有效載荷工作時間與衛星能源供應之間是否最優。

2.2 有效載荷設計與工作原理

iFXPT主要包括掠入射Wolter-I光學系統、硅漂移探測器件、脈沖信號處理電路、空間本底抑制結構(磁偏轉器和高能粒子擋板)、高穩定結構等五部分組成，iFXPT工作原理如圖2所示。

圖2 掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠鏡工作原理

iFXPT采用多層嵌套Wolter-I型光學系統收集脈沖星輻射的X光子。基于星敏感器實現在軌對目標脈沖星的粗搜索和精確定位，采用整星自旋和控制分系統主動控制技術實現對脈沖星的實時跟蹤，對設定的目標脈沖星的輻射流量、輻射能譜、光子到達時間、輪廓、輻射周期等進行全方位觀測研究。iFXPT的光學系統和星敏感器安裝在艙外，光學系統外部通過包覆和加熱片進行熱控，其余部分置于艙內，對于電子線路采用半導體制冷的方式進行溫控，降低熱噪聲對器件的影響，確保硅漂移探測器件具有良好的工作環境。有效載荷具備能量觸發和時間觸發兩種工作模式，可以通過地面發送指令進行工作模式切換。各組件工作原理如下：

1) Wolter-I光學系統：采用Wolter-I型掠入射光學系統，基于全反射理論將脈沖星輻射的X光子聚焦在探測器件上。該光學系統具有固有光學增益高、信噪比高的特點。采用多層嵌套技術增大光學系統的有效面積，提高載荷的探測靈敏度[15]。

2) 硅漂移探測器件：X射線探測器主要利用光電效應，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。硅漂移探測器件，在外加電場作用下，利用收集X射線光子產生的電子空穴對直接探測X射線。具有高計數率和高能量分辨能力[16]。

3) 脈沖信號處理電路：由前置放大、模擬板、數字板、電源板組成。X射線光子在探測器內部激發出電荷，并轉化為電流信號。電荷數量及其對應瞬態電流，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。表征瞬態電流序列的主要參數有計數率和能譜。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。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。

4) 空間本底抑制組件：包括磁偏轉器與高能粒子防護罩，其中磁偏轉器對進入產品內部的電子施加洛倫茲力，使其偏離原運動軌跡，降低對探測器件的影響。高能粒子防護罩用于屏蔽空間高能粒子對探測器件的損傷。

5) 高穩定結構：對脈沖星探測器進行機械支撐，并提供空間粒子防護能力。關鍵是需具備足夠的剛度和結構強度，既要經受住固體火箭發射時惡劣的力學環境，也要確保產品在軌具有良好的熱環境適應性。

2.3 iFXPT性能指標與主要功能

iFXPT在地面進行了測試與標定[17]，其中與科學探測任務相關的性能指標如表1所示。

表1 iFXPT主要性能指標

iFXPT的主要功能包括：

1) 脈沖星探測：可實現高精度的X射線光子到達時間標記功能、具有高能量分辨率；

2) 高精度時標：接收GPS秒脈沖、UTC整秒廣播數據，結合銣鐘生成的高精度時鐘信號，綜合生成高精度光子時標的功能；

3) 科學數據格式編排：探測器根據接收到的廣播數據將部分衛星參數插入載荷數據格式中，將載荷數據編排、組幀；

4) 科學數據管理：在衛星星務系統的調度下，具備遙測數據采集功能并向星務計算機發送遙測參數，接收來自星務計算機的遙控指令和廣播數據的功能。

3 在軌數據分析

目前，iFXPT已在軌穩定運行一年，成功獲取大量PSR B0531+21的觀測數據。以下選取MJD57727-57741期間主任務觀測數據進行在軌數據初步分析。

1) 流量特性

在軌觀測期間，每個觀測時段內觀測到的光子計數率平均流量如圖3所示。在主任務觀測期間，探測器觀測得到的光子計數率穩定，平均計數率為14.7 ph/s。

圖3 PSR B0531+21脈沖星流量時變特性

對每段觀測時間內探測得到的PSR B0531+21脈沖星光子計數率概率情況進行統計，獲得如圖4所示的結果。經擬合可知，觀測數據中脈沖星光子計數率統計符合泊松分布[18]。

圖4 PSR B0531+21脈沖星流量概率特性

2) 能譜特性

對探測到的光子能量信息進行統計，得到PSR B0531+21脈沖星的能譜信息，0.5～5 keV能段內的光子能譜信息如圖5所示，可得到脈沖星輻射的光子能量近似呈冪律譜[19]分布。

圖5 PSR B0531+21脈沖星能譜特性

3) PSR B0531+21脈沖星脈沖輪廓恢復

將在軌實測數據中光子到達時刻修正到太陽質心坐標系后進行PSR B0531+21輪廓恢復，恢復得到的輪廓周期與相位均與美國RXTE衛星得到的輪廓(2～10 keV)周期與相位相符，如圖6。

通過對iFXPT在軌觀測數據分析可知：觀測到的PSR B0531+21脈沖星光子流量穩定，光子流量符合泊松分布規律，其能譜分布近似呈冪律譜分布，并實現了PSR B0531+21脈沖星的輪廓恢復，且與RXTE衛星獲得的PSR B0531+21脈沖星輪廓互相關系數高達0.968。觀測數據表明iFXPT探測方案可行，在軌性能良好，可用于后續脈沖星導航試驗以及空間科學探測等領域。

圖6 PSR B0531+21脈沖星輪廓恢復

4 結論

掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠鏡是脈沖星試驗衛星01星的主載荷，配置了多層嵌套Wolter-I X射線光學系統、硅漂移探測器、空間本底抑制結構、脈沖信號處理電路、高穩定結構等組件。采用多層嵌套Wolter-I X射線光學系統在軌開展X射線脈沖星觀測屬于國內首次。通過對在軌觀測數據初步分析，已獲得PSR B0531+21脈沖星的流量特性、能譜分布及其脈沖輪廓等。驗證了iFXPT探測方案的可行性及性能。該載荷工作狀態正常，滿足任務要求，能夠支持開展后續科學探測任務。

[1] SHEIKH S I, PINES D.Spacecraft Navigation Using X-Ray Pulsar [J].Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2006, 29(1): 49-63.

[2] LI P F, XU G D, DONG L M, et al.A Real Time Estimation Method of Time-delay for X ray Pulsar Signal[J].ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICA, 2014，35(7)：1966-1976.(in Chinese).

[3] ALAN H.EXPRESS Pallet Payload Interface Requirements[R].Space Station Payloads Office, 2004.Darryll J P.ARPA/DARPA Space Programs[R].DARPA, 2004.

[4] GORENSTEIN P.Grazing incidence telescopes for x-ray astronomy [J].Optical Engineering, 2012, 51(1): 1-14.

[5] 李連升，鄧樓樓，梅志武,等.基于Monte Carlo的聚焦型X射線望遠鏡多物理場耦合分析方法[J].航空學報, 2016, 37(4): 1249-1260.

[6] KEITH C,GENDREAUA, ZAVEN ARZOUMANIANAB, PHILLIP W.ADKINS, et al.The Neutron star Interior Composition Explorer (NICER): design and development[C]//Proceedings of SPIE, Space Telescopes and Instrumentation 2016: Ultraviolet to Gamma Ray, 2016, 9905:1-16.

[7] 李連升, 鄧樓樓, 梅志武,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, 38(5): 1-9.

[8] 黃良偉, 帥平, 林晴晴, 等.X射線脈沖星導航標稱數據庫構建[J].中國空間科學技術, 2015, 32(3): 66-74.

[9] 周慶勇.脈沖星計時模型及應用[J].兵器裝備工程學報, 2010, 31(9):142-145.

[10] 王奕迪, 鄭偉, 安雪瀅, 等.基于改進動靜態濾波的脈沖星/CNS深空探測組合導航方法[J].中國空間科學技術, 2013, 33(5):22-28.

[11] https://nssdc.gsfc.nasa,gov/nmc/spacecraftDisplay.do?id=2016-066A.

[12] KIRSCH M G F, BRIEL U G, BURROWS D, et al.PSR B0531+21: the standard X-ray candle with all (modern) X-ray satellites[C]//UV, X-Ray, and Gamma-Ray Space Instrumentation for Astronomy XIV, Proc.of SPIE, 5898,589803.

[13] ZHANG X Y, SHUAI P, HUANG L W, et al.Mission overview and initial observation results of the X-ray pulsar navigation-I statellite[J].International Journal of Aerospace Engineering, 2017, https://doi.org/10.1155/2017/8561830.

[14] MALAGUTIA G, PARESCHIB G, FERRANDOC P, et al.Active and passive shielding design optimization and technical solutions for deep sensitivity hard X-ray focusing telescopes[C]//Proc.of SPIE Vol.2005, 5900: 59000M-1.

[15] ZUO F C, MEI Z W, et al.Design and development of grazing incidence X-ray mirror[C]//Proc.of SPIE, 9796, selected papers of the Photoelectronic Technology Committee Conferences held November 2015, 97965p.

[16] SHI Y Q, MEI Z W, LV Z X, DENG L L.The effective area calibration precision analysis of grazing incidence soft x-ray optical system[C]//Proc.of SPIE, 9796, selected papers of the Photoelectronic Technology Committee Conferences held November 2015,97961p.

[17] CHEN J W, MEI Z W, et al.X-ray photon time tagging error analysis and simulation for pulsar navigation[C]//Sensors, Systems, and Next-Generation Satellites XVII, Proc.of SPIE 8889, 888924.

[18] ANDREW L, FRANCIS G S.Pulsar Astronomy(Forth Edition)[M].Cambridge University Press, 2011:117-133.

[19] KIRSCH M G F,.BRIEL U G, BURROWS D, et al.PSR B0531+21: the standard X-ray candle with all (modern) X-ray satellites[C]//UV, X-Ray, and Gamma-Ray Space Instrumentation for Astronomy XIV, Proc.of SPIE, 5898, 589803.

GrazingIncidenceFocusingX-RayPulsarTelescopeandAnalysisofIn-OrbitObservationData

LI Liansheng， MEI Zhiwu， LYU Zhengxin， DENG Loulou， CHEN Jianwu，SHI Yongqiang， ZUO Fuchang， SUN Yan， ZHOU Hao， ZHANG Haili

(Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100090, China)

The Grazing Incidence Focusing X-Ray Pulsar Telescope (iFXPT) is the main payload of XPNAV-1 satellite. With PSR B0531+21 pulsar as observation target, the pulsar profile was recovered based on the data obtained by the iFXPT, realizing the main objective that “observing” PSR B0531+21 with the iFXPT for the first time in China. The iFXPT is composed of Wolter-I X-ray optics, silicon drift detector, magnetic diverter, electronics, high-energy particle shield and high stable structures. The observation requirements, working principle and design rationale of iFXPT, exploration task, main technical indexes, and the preliminary analysis results of in-orbit data were introduced in this paper.

X-ray pulsar test satellite; focusing X-ray telescope; in-orbit observation; data analysis

2017-09-15；

2017-10-08

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

10.11809/scbgxb2017.12.040

本文引用格式：李連升，梅志武，呂政欣，等.掠入射聚焦型X射線脈沖星望遠鏡及在軌數據分析[J].兵器裝備工程學報，2017(12):175-179.

formatLI Liansheng， MEI Zhiwu， LYU Zhengxin, et al.Grazing Incidence Focusing X-Ray Pulsar Telescope and Analysis of In-Orbit Observation Data[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):175-179.

V11;V57;TJ8

A

2096-2304(2017)12-0175-05

(責任編輯唐定國)