石永強(qiáng),李連升,左富昌,陳建武,梅志武

(北京控制工程研究所,北京 100190)

0 引言

脈沖星是恒星大部分核燃料已經(jīng)耗盡時(shí)通過爆發(fā)形成的致密天體[1]。1967年,英國(guó)劍橋大學(xué)的T.Hewish教授及其學(xué)生J.Bell博士發(fā)現(xiàn)首顆射電脈沖星。1976年,美國(guó)天文觀測(cè)衛(wèi)星Ariel-5 首次觀測(cè)到脈沖星的X 射線輻射信號(hào)[2]。脈沖星能夠沿磁極方向發(fā)射輻射波束,如圖1所示,由于其自轉(zhuǎn)軸與磁極方向不一致,脈沖星的轉(zhuǎn)動(dòng)帶著輻射波束在宇宙中掃過一個(gè)巨大的錐形。當(dāng)輻射波束掃過安裝在地面或航天器上的探測(cè)設(shè)備時(shí),探測(cè)設(shè)備隨即接收到一個(gè)脈沖信號(hào),猶如海上為船舶導(dǎo)航的燈塔。

圖1 脈沖星及其輻射波束示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulsar and its radiation beam

由于脈沖星具有極其致密和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),因此其自轉(zhuǎn)周期非常穩(wěn)定。尤其是毫秒脈沖星理論上自轉(zhuǎn)周期變化率達(dá)到10-19～10-21,被譽(yù)為自然界最穩(wěn)定的天體時(shí)鐘[3]。目前,脈沖星最好的脈沖到達(dá)時(shí)間測(cè)量殘差達(dá)到約50 ns(J0437-4715)[4]。由于X 射線毫秒脈沖星在X 射線波段上輻射信號(hào),X射線光子探測(cè)設(shè)備易于小型化,但難以穿過地球的稠密大氣層,在宇宙空間中利用X 射線脈沖星進(jìn)行導(dǎo)航與計(jì)時(shí)成為可能[5]。

1 X射線脈沖星計(jì)時(shí)

目前廣泛應(yīng)用的原子時(shí)由氫鐘、銫鐘以及新型鐘等多臺(tái)原子鐘組成分布式守時(shí)鐘組并通過時(shí)間比對(duì)產(chǎn)生。原子鐘受環(huán)境影響存在頻率漂移特性,理想的原子鐘離開大地水平面其頻率會(huì)發(fā)生變化,長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足。例如,全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS)星載原子鐘存在長(zhǎng)期漂移,星座整體時(shí)間會(huì)迅速偏移,30天后星地鐘差可達(dá)10μs以上。

脈沖星具有穩(wěn)定的自轉(zhuǎn)周期[6],有可能成為有實(shí)用價(jià)值的、作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的脈沖星時(shí)(pulsar timing,PT)。單個(gè)脈沖星時(shí)受各種噪聲(原子時(shí)、行星歷表、引力波以及自身不穩(wěn)定性)影響,穩(wěn)定度不夠好。綜合脈沖星時(shí)類似于綜合原子時(shí),由多個(gè)脈沖星綜合得到,來消除獨(dú)立噪聲源的影響[7]。

通常,脈沖星的射電信號(hào)比較強(qiáng),是首選的計(jì)時(shí)分析波段。國(guó)際上通過脈沖星計(jì)時(shí)陣(pulsar timing array,PTA)對(duì)于建立精確的脈沖星時(shí)間模型已經(jīng)做了大量工作,主要包括北美引力波天文臺(tái)脈沖星計(jì)時(shí)陣(north american nanohertz observatory for gravitational waves,NANOGrav)、澳大利亞Parkes脈沖星計(jì)時(shí)陣(Parkes pulsar timing array,PPTA)以及歐洲5個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合組成的脈沖星計(jì)時(shí)陣(European pulsar timing array,EPTA),獲得了持續(xù)多年的脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)[8]。目前毫秒脈沖星射電觀測(cè)單個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)間(time of arrival,TOA)最好的計(jì)時(shí)精度約為50 ns,遠(yuǎn)低于原子鐘計(jì)時(shí)精度,但原子時(shí)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度不如脈沖星時(shí)。

英國(guó)的Jodrell Bank天文臺(tái)自1988年以來對(duì)脈沖星B0531+21進(jìn)行持續(xù)觀測(cè),并且每月發(fā)布最新的脈沖星時(shí)間模型。利用國(guó)際脈沖星計(jì)時(shí)陣(international pulsar timing array,IPTA)J1713+0743跨度19.4年和J0437-4715跨度14.8年的觀測(cè)數(shù)據(jù),時(shí)間自主保持精度分別可達(dá)3μs和1μs[9]。2012年,G.Hobbs等[10]利用澳大利亞Parkes脈沖星計(jì)時(shí)陣中19顆毫秒脈沖星歷時(shí)約17年的觀測(cè)數(shù)據(jù),分析得到脈沖星時(shí)比國(guó)際原子時(shí)(temps atomique international,TAI)具有更高的精度。2019 年G.Hobbs等[11]利用國(guó)際脈沖星計(jì)時(shí)陣(IPTA)48顆毫秒脈沖星長(zhǎng)期計(jì)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析得到脈沖星時(shí),再次證明了其比國(guó)際原子時(shí)具有更高的精度。未來,隨著觀測(cè)設(shè)備對(duì)脈沖星TOA 觀測(cè)精度的不斷提高和脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度的增加,綜合脈沖星時(shí)的短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定度可望得到進(jìn)一步提高。

由于射電望遠(yuǎn)鏡口徑大、天線質(zhì)量與體積大,大部分只能建立在地面,可觀測(cè)天區(qū)與選址相關(guān),還受到星際介質(zhì)的干擾[12]。在X 射線波段,脈沖星的空間觀測(cè)幾乎不受星際介質(zhì)的影響,觀測(cè)約束少,設(shè)備易于小型化。但是毫秒脈沖星的X 射線輻射信號(hào)弱,需要長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)才能獲得比較準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)參數(shù)。傳統(tǒng)上,脈沖星TOA 空間觀測(cè)精度水平明顯低于地面射電觀測(cè)水平。近年來,隨著國(guó)際空間站X 射線計(jì)時(shí)與導(dǎo)航在軌實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(NICER/SEXTANT)的在軌應(yīng)用,空間X 射線脈沖星計(jì)時(shí)得到了快速發(fā)展,取得了豐碩成果?？臻gX 射線脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)接近了地面射電觀測(cè)水平,并證明了其應(yīng)用價(jià)值。

2019年,J.S.Deneva基于國(guó)際空間站X 射線計(jì)時(shí)與導(dǎo)航在軌實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(NICER/SEXTANT)空間X 射線脈沖星觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),利用1年觀測(cè)數(shù)據(jù)脈沖星B1937+21時(shí)間穩(wěn)定度可達(dá)3×10-14[13],如圖2所示。

圖2 脈沖星B1937+21的時(shí)間穩(wěn)定度(NICER)[13]Fig.2 Timing stability of pulsar B1937+21(NICER)[13]

2018年,西安電子科技大學(xué)孫海峰等[14]提出了一種不依賴于初始射電模型參數(shù)的X射線脈沖星計(jì)時(shí)模型。2023年,孫海峰等[15]分析了NICER對(duì)脈沖星B1937+21 5年的觀測(cè)數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)篩選進(jìn)一步提高了TOA的準(zhǔn)確性,分析得到B1937+21旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定度為1.7×10-14,其精度與NANOGrav地面射電數(shù)據(jù)相當(dāng)。

2023 年,中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心童明雷等[16]利用XPNAV-1衛(wèi)星觀測(cè)的Crab脈沖星數(shù)據(jù)研究了駕馭星載原子鐘頻率的方法,利用Crab 脈沖星1個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)10-10、10-11和10-12量級(jí)的仿真星載鐘相對(duì)頻率偏差校準(zhǔn)的相對(duì)誤差分別為0.3%、42%和113%。后續(xù),利用1年的Crab觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)10-12量級(jí)的仿真星載鐘相對(duì)頻率偏差校準(zhǔn)的相對(duì)誤差達(dá)到2%,利用Crab脈沖星1年觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間穩(wěn)定度可達(dá)10-12[17]。

由于脈沖星時(shí)與原子時(shí)具有長(zhǎng)短期時(shí)間穩(wěn)定度優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的特點(diǎn),結(jié)合二者優(yōu)勢(shì)可以建立一種新型的高精度綜合時(shí)間尺度,具有重要意義:

1)脈沖星自轉(zhuǎn)穩(wěn)定性很高,時(shí)頻長(zhǎng)期穩(wěn)定性顯著優(yōu)于原子時(shí),可以彌補(bǔ)原子時(shí)長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足的缺陷。

2)脈沖星時(shí)是與原子時(shí)物理機(jī)制不同的時(shí)間尺度,可以改變目前時(shí)頻體系單一依賴原子鐘的格局,進(jìn)而提高當(dāng)前原子時(shí)頻體系的可靠性和穩(wěn)定性。

3)脈沖星鐘在非常時(shí)期可以提供獨(dú)立的自然溯源標(biāo)準(zhǔn),提高當(dāng)前守時(shí)系統(tǒng)的可靠性和安全性。

4)脈沖星時(shí)在整個(gè)太陽系內(nèi)都可適用,可為深空飛行器提供時(shí)間服務(wù)。

2 X射線脈沖星導(dǎo)航

X射線脈沖星導(dǎo)航通過毫秒脈沖星自然天體提供導(dǎo)航信息,精確確定航天器位置[18]。X 射線脈沖星導(dǎo)航(X-ray pulsar navigation,XNAV)的主要制約因素是有限的觀測(cè)信噪比和復(fù)雜的計(jì)時(shí)噪聲缺乏物理模型。

X射線毫秒脈沖星輻射極其微弱,一般為10-5ph/(cm2·s·keV)量級(jí)。同時(shí),由于脈沖星觀測(cè)設(shè)備自身噪聲和空間輻射帶來的環(huán)境本底,需要觀測(cè)很長(zhǎng)時(shí)間才能得到一個(gè)較高信噪比的脈沖輪廓。脈沖星導(dǎo)航信號(hào)有限的觀測(cè)信噪比既限制了導(dǎo)航精度,也導(dǎo)致了脈沖星導(dǎo)航的信息更新較慢,難以像GPS或北斗導(dǎo)航系統(tǒng)一樣實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)導(dǎo)航。

此外,即使是自轉(zhuǎn)周期相對(duì)穩(wěn)定的毫秒脈沖星,當(dāng)前現(xiàn)實(shí)觀測(cè)條件下經(jīng)過現(xiàn)有計(jì)時(shí)模型對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)處理后也存在振幅為μs級(jí)的白噪聲,從而限制了導(dǎo)航精度為km 量級(jí)。目前,國(guó)內(nèi)外通過X 射線脈沖星在軌實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,脈沖星導(dǎo)航在太陽系定位精度為km 量級(jí)。從導(dǎo)航精度方面考慮,與當(dāng)前廣泛應(yīng)用的無線電測(cè)定軌方法相比,脈沖星導(dǎo)航技術(shù)在木星軌道之外空間才具有顯著的精度優(yōu)勢(shì)。

基于脈沖星導(dǎo)航當(dāng)前可實(shí)現(xiàn)的精度水平和導(dǎo)航信號(hào)更新速度,人們將脈沖星導(dǎo)航與其他導(dǎo)航方式進(jìn)行組合以獲得兼具精度與實(shí)時(shí)性的更具實(shí)用意義的組合導(dǎo)航系統(tǒng)[19]。目前,常用于與脈沖星導(dǎo)航進(jìn)行組合的導(dǎo)航方式包括慣性導(dǎo)航和天文/光學(xué)導(dǎo)航,利用脈沖星導(dǎo)航絕對(duì)定位信息對(duì)慣性導(dǎo)航誤差進(jìn)行修正,利用星光角距、星光多普勒信息等與脈沖星導(dǎo)航組合提升導(dǎo)航精度和更新率。

綜合考慮,X 射線脈沖星導(dǎo)航在航天器導(dǎo)航中存在三大特殊優(yōu)勢(shì)。一是相對(duì)傳統(tǒng)依賴于地基無線電測(cè)控網(wǎng)的導(dǎo)航方式,脈沖星導(dǎo)航可提供脫離地面支持的無延時(shí)的航天器自主導(dǎo)航定位服務(wù);二是脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)可在全太陽系大尺度空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)其他導(dǎo)航方式難以比擬的km 級(jí)自主導(dǎo)航精度;三是脈沖星導(dǎo)航應(yīng)用約束條件較少,適用范圍廣,不受“日凌”太陽干擾、行星遮擋、觀測(cè)目標(biāo)可見性及目標(biāo)距離等因素的影響。

因此,X 射線脈沖星導(dǎo)航在以下兩種應(yīng)用場(chǎng)景具有特殊優(yōu)勢(shì),一是深空自主導(dǎo)航[20],降低對(duì)地面設(shè)施的依賴和運(yùn)行成本,彌補(bǔ)地基深空測(cè)控導(dǎo)航網(wǎng)和深空天文光學(xué)導(dǎo)航的應(yīng)用限制和不足[21],尤其是在10 AU 以外的遠(yuǎn)深空、太陽近距軌道等特殊場(chǎng)景下;二是增強(qiáng)已有衛(wèi)星系統(tǒng)的生存能力,在無地面站或人為支持情況下,為近地軌道衛(wèi)星提供持續(xù)一定時(shí)間的導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)[22-23]。

3 X射線脈沖星計(jì)時(shí)導(dǎo)航空間試驗(yàn)進(jìn)展

X 射線脈沖星輻射的脈沖信號(hào)具有高穩(wěn)定周期特性和高穩(wěn)態(tài)輪廓特征,能夠?yàn)楹教炱魈峁┩獠繒r(shí)空基準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)外航天部門制定了一系列的發(fā)展計(jì)劃,推動(dòng)核心關(guān)鍵技術(shù)研究,積極開展空間演示驗(yàn)證試驗(yàn)。

(1)RXTE衛(wèi)星[24]

對(duì)X射線脈沖星進(jìn)行精密計(jì)時(shí)觀測(cè)的航天器首先是美國(guó)的RXTE X 射線計(jì)時(shí)衛(wèi)星,如圖3所示。RXTE(Rossi X-ray timing explorer)衛(wèi)星于1995年12月30日發(fā)射入軌,軌道高度600 km,傾角23°,質(zhì)量3 000 kg。RXTE 搭載的正比計(jì)數(shù)器陣列(programmable counter array,PCA)探測(cè)能譜范圍2～60 keV,總探測(cè)面積6 250 cm2,視場(chǎng)為1.2°。RXTE衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)具有1μs的時(shí)間精度,在國(guó)內(nèi)外脈沖星計(jì)時(shí)導(dǎo)航理論研究中獲得大量應(yīng)用,其觀測(cè)Crab脈沖星輪廓常被作為標(biāo)準(zhǔn)輪廓。根據(jù)RXTE衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析,脈沖星導(dǎo)航精度可達(dá)到16.3 km[25]。

圖3 正在組裝中的RXTE衛(wèi)星Fig.3 RXTE satellite under assembly

(2)USA 試驗(yàn)[26]

美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室(naval research laboratory,NRL)設(shè)計(jì)了非常規(guī)恒星特征(unconventional stellar aspect,USA)試驗(yàn),如圖4所示,主要驗(yàn)證利用掩星法實(shí)現(xiàn)空間X 射線源定軌、定姿及定時(shí)技術(shù)。1999年2月,USA 試驗(yàn)裝置隨美國(guó)空軍先進(jìn)技術(shù)研究與全球觀測(cè)衛(wèi)星(ARGOS)發(fā)射至840 km高度的太陽同步軌道上。USA 試驗(yàn)采用兩臺(tái)準(zhǔn)直型氣體正比計(jì)數(shù)探測(cè)器,探測(cè)X 射線能量范圍為1～15 ke V,能量分辨率為1 keV@5.9 ke V,探測(cè)器有效面積為0.1 m2,視場(chǎng)為1.2°×1.2°,質(zhì)量約245.2 kg,功耗約50 W,時(shí)標(biāo)精度為32μs。

圖4 ARGOS衛(wèi)星Fig.4 ARGOSsatellite

試驗(yàn)期間,ARGOS衛(wèi)星的GPS接收機(jī)為USA試驗(yàn)光子標(biāo)記提供高精度時(shí)間參考,同時(shí)可提供精確的外部校準(zhǔn)軌道信息。Sheikh 博士對(duì)USA 試驗(yàn)的Crab脈沖星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,比較了預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)的脈沖到達(dá)時(shí)間,采用誤差修正方法,得出Crab脈沖星視線方向上航天器的位置精度約為2 km。

(3)NICER/SEXTANT 項(xiàng)目[27]

2011年,NASA 啟動(dòng)了“X 射線計(jì)時(shí)與導(dǎo)航技術(shù)的空間站在軌驗(yàn)證試驗(yàn)”(NICER/SEXTANT)項(xiàng)目,如圖5 所示。NICER/SEXTANT 是第一次在軌演示觀測(cè)X 射線毫秒脈沖星驗(yàn)證導(dǎo)航技術(shù)的項(xiàng)目。通過對(duì)多個(gè)毫秒脈沖星序貫觀測(cè),驗(yàn)證僅依靠XNAV 技術(shù)的航天器實(shí)時(shí)軌道確定水平。試驗(yàn)早期使用地基射電天文臺(tái)得到的脈沖星計(jì)時(shí)模型,之后任務(wù)使用NICER 增強(qiáng)計(jì)時(shí)模型,XNAV 系統(tǒng)的性能由導(dǎo)航結(jié)果與星載GPS導(dǎo)航結(jié)果比較確定。NICER/SEXTANT 主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 NICER/SEXTANT技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical specifications of NICER/SEXTANT

圖5 搭載國(guó)際空間站(ISS)的NICER/SEXTANTFig.5 NICER/SEXTANT on the International Space Station(ISS)

如圖6 所示,NICER 在軌觀測(cè)毫秒脈沖星B1937+21,曝光時(shí)間為8 000 s,共收集到約2 500個(gè)光子,其中噪聲光子約1 600個(gè),有效光子約900個(gè)。在NICER 的工作能段內(nèi),B1937+21輻射流強(qiáng)約為6.25×10-5ph/(cm2·s)。這表明,NICER 在軌觀測(cè)8000 s的靈敏度已經(jīng)優(yōu)于10-5ph/(cm2·s)量級(jí)。經(jīng)過計(jì)算,NICER 在上述觀測(cè)B1937+21時(shí)的TOA 的測(cè)量精度約為5μs。

圖6 NICER 在軌觀測(cè)B1937+21的脈沖輪廓Fig.6 Pulse profile of B1937+21 obtained by NICER

NICER 于2017年11月開展了脈沖星自主導(dǎo)航在軌驗(yàn)證試驗(yàn)。其中,在軌自主導(dǎo)航期間,8 h后數(shù)據(jù)收斂至10 km 以內(nèi),如圖7所示。后續(xù)使用2天的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行地面導(dǎo)航仿真試驗(yàn),如圖8所示,在2天內(nèi)位置導(dǎo)航精度可以收斂至5 km 以內(nèi),速度誤差收斂至5 m/s以內(nèi)[28]。

圖7 NICER 在軌實(shí)時(shí)自主導(dǎo)航試驗(yàn)[28]Fig.7 In orbit real-time autonomous navigation test results of NICER[28]

圖8 NICER 利用在軌數(shù)據(jù)的地面導(dǎo)航試驗(yàn)[28]Fig.8 Ground navigation test results using in orbit data of NICER[28]

(4)ESA BepiColombo MIXS[29]

BepiColombo是ESA 和JAXA 聯(lián)合研制的水星探測(cè)器,于2018年發(fā)射,預(yù)計(jì)2025年到達(dá)水星,由行星軌道器(Mercury planetary orbiter,MPO)和磁層軌道器(Mercury magnetospheric orbiter,MMO)兩顆衛(wèi)星組成,用于研究水星的磁場(chǎng)、內(nèi)部和表面結(jié)構(gòu)等。行星軌道器的載荷包括X 射線成像譜儀(MIXS)。

MIXS包括準(zhǔn)直型和聚焦型兩種探測(cè)器,如圖9所示。準(zhǔn)直型探測(cè)器具備大面積、寬視場(chǎng)水星表面巡視探測(cè)功能,聚焦型探測(cè)器具備小視場(chǎng)高分辨率水星表面成像功能。MIXS被認(rèn)為是脈沖星導(dǎo)航的探路者,質(zhì)量10 kg,有效面積大約50 cm2,預(yù)計(jì)導(dǎo)航精度4.4 km @5 000 s觀測(cè)時(shí)間。

圖9 BepiColombo X射線成像譜儀(MIXS)Fig.9 X-ray imaging spectrometer(MIXS)of BepiColombo

(5)NASA CubeX[30]

CubeX是集成一臺(tái)X射線成像譜儀(X-ray imaging spectrometer,XIS)和一臺(tái)軟X 射線太陽監(jiān)視器(solar X-ray monitor,SXM)的12 U 立方星,如圖10所示,將運(yùn)行在4 000 km×6 000 km 的環(huán)月軌道,用于驗(yàn)證X 射線脈沖星的深空導(dǎo)航可行性與性能,實(shí)現(xiàn)深空自主導(dǎo)航并降低自主導(dǎo)航成本。CubeX 將利用Crab和B1937+21實(shí)現(xiàn)差分校準(zhǔn)導(dǎo)航,通過按順序觀測(cè)不同的脈沖星實(shí)現(xiàn)絕對(duì)導(dǎo)航性能的評(píng)估。

圖10 NASA CubeX衛(wèi)星及其X射線成像譜儀(XIS)Fig.10 X-ray imaging spectrometer(XIS)of NASA CubeX

Cube X 衛(wèi)星預(yù)計(jì)于2023—2027年發(fā)射,將演示使用X 射線毫秒脈沖星開展深空導(dǎo)航。在未來大量衛(wèi)星進(jìn)行行星際探索的新時(shí)代,X 射線脈沖星自主導(dǎo)航變得至關(guān)重要。

(6)脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星(XPNAV-1)

2013年底,中國(guó)航天科技集團(tuán)五院確定了自主研制我國(guó)首顆脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星的任務(wù)目標(biāo)。由北京控制工程研究所研制的掠入射聚焦型脈沖星探測(cè)器(TSXS)是X 射線脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星上的主要導(dǎo)航載荷,如圖11所示。2016年11月衛(wèi)星發(fā)射入軌并完成在軌測(cè)試,成為我國(guó)首顆開展X 射線脈沖星在軌精密計(jì)時(shí)觀測(cè)以及脈沖星導(dǎo)航技術(shù)驗(yàn)證的衛(wèi)星系統(tǒng)。脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星掠入射聚焦型脈沖星探測(cè)器的主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 掠入射聚焦型脈沖星探測(cè)器技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical specifications of TSXS

圖11 X射線脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星Fig.11 X-ray pulsar navigation test satellite

XPNAV-1開展了一系列在軌測(cè)試、標(biāo)定和試驗(yàn),國(guó)內(nèi)首次在軌驗(yàn)證了高靈敏X 射線聚焦探測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了針對(duì)X射線脈沖星的空間長(zhǎng)時(shí)間高精度凝視觀測(cè),獲得了大量脈沖星觀測(cè)數(shù)據(jù)。首次利用我國(guó)自主數(shù)據(jù)獲得了Crab脈沖星X 射線(0.5～10 keV)計(jì)時(shí)模型[31]。

在脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星在軌飛行試驗(yàn)中,由國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室分別獨(dú)立完成了脈沖星觀測(cè)數(shù)據(jù)處理以及導(dǎo)航精度的分析工作,脈沖星在軌導(dǎo)航精度可收斂至20 km 以內(nèi)[32]。

(7)中國(guó)慧眼衛(wèi)星(HXMT)

2017年,中國(guó)科學(xué)院利用采用準(zhǔn)直方案的慧眼衛(wèi)星(HXMT)[33]和搭載天宮二號(hào)的天極望遠(yuǎn)鏡(POLAR)[34]科學(xué)載荷也開展了脈沖星導(dǎo)航的研究。慧眼衛(wèi)星總質(zhì)量2 700 kg,采用準(zhǔn)直型探測(cè)方案,有效載荷包括高能X 射線望遠(yuǎn)鏡(HE)、中能X射線望遠(yuǎn)鏡(ME)和低能X 射線望遠(yuǎn)鏡(LE),如圖12所示。綜合利用衛(wèi)星所有望遠(yuǎn)鏡5天的觀測(cè)數(shù)據(jù),定位精度可以達(dá)到10 km。

圖12 慧眼衛(wèi)星Fig.12 HXMT satellite

綜上可知,美國(guó)等航天強(qiáng)國(guó)在X 射線脈沖星計(jì)時(shí)導(dǎo)航技術(shù)研究中處于領(lǐng)先地位,在理論研究、方案實(shí)現(xiàn)、在軌演示驗(yàn)證等方面均已取得了突破性進(jìn)展。目前ESA 啟動(dòng)了“PulChron”計(jì)劃,旨在利用歐洲脈沖星計(jì)時(shí)陣(EPTA)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來定期(每月一次)校準(zhǔn)伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)鐘。美歐已在水星探測(cè)和地月空間導(dǎo)航中將脈沖星導(dǎo)航技術(shù)投入工程實(shí)際應(yīng)用。

當(dāng)前我國(guó)也在積極推進(jìn)脈沖星計(jì)時(shí)導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。通過科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金等研發(fā)項(xiàng)目在X 射線脈沖星計(jì)時(shí)導(dǎo)航、脈沖星光學(xué)與探測(cè)等領(lǐng)域突破相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)內(nèi)通過XPNAV-1 和HXMT 等衛(wèi)星載荷研制已具備了脈沖星計(jì)時(shí)導(dǎo)航載荷的工程研制能力。為早日將脈沖星計(jì)時(shí)導(dǎo)航技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用,縮短與歐美航天強(qiáng)國(guó)的差距,需盡快在軌部署新一代高性能X 射線脈沖星觀測(cè)與計(jì)時(shí)導(dǎo)航載荷,在軌開展導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫構(gòu)建和實(shí)時(shí)導(dǎo)航驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文討論了空間X 射線脈沖星計(jì)時(shí)與導(dǎo)航兩大應(yīng)用模式。

X射線脈沖星計(jì)時(shí)可用于建立長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)于原子時(shí)的脈沖星時(shí)間;充分發(fā)揮脈沖星時(shí)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì),構(gòu)建原子時(shí)-脈沖星時(shí)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的新型時(shí)間體系;同時(shí)觀測(cè)脈沖星射線和X 射線信號(hào),實(shí)現(xiàn)針對(duì)同一天然目標(biāo)的天地時(shí)間溯源,構(gòu)建基于自然基準(zhǔn)的天基時(shí)間體系;在非常時(shí)期提供獨(dú)立的自然溯源標(biāo)準(zhǔn);提高時(shí)頻體系的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。

X射線脈沖星導(dǎo)航的主要制約因素是有限的觀測(cè)信噪比和復(fù)雜的計(jì)時(shí)噪聲缺乏物理模型,在當(dāng)前現(xiàn)實(shí)觀測(cè)條件下導(dǎo)航精度為km 量級(jí)。可構(gòu)建融合脈沖星導(dǎo)航的組合導(dǎo)航系統(tǒng),具備大尺度空間下脫離地面支持的無延時(shí)無約束自主高精度導(dǎo)航能力,應(yīng)用于深空自主導(dǎo)航和近地自主導(dǎo)航備份增強(qiáng)兩種典型場(chǎng)景。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的空間試驗(yàn)結(jié)果,脈沖星時(shí)穩(wěn)定度可達(dá)10-14量級(jí),脈沖星導(dǎo)航精度可達(dá)到km 量級(jí),初步具備在軌應(yīng)用價(jià)值。近年來,國(guó)外脈沖星計(jì)時(shí)導(dǎo)航技術(shù)已進(jìn)入工程實(shí)際應(yīng)用階段。加快國(guó)內(nèi)脈沖星計(jì)時(shí)導(dǎo)航技術(shù)的在軌演示驗(yàn)證與工程應(yīng)用具有重要意義。