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脉冲星导航定位系统:航天科技五院508所X射线探测系统关键技术获得突破

508所X射线探测系统关键技术获突破

       日前,508所X射线探测系统技术团队成功完成了高像质X射线聚焦镜头的研制及测试工作,获得了接近理论极限的X射线聚焦效果。该关键技术的突破解决了X射 线聚焦探测的核心难题,达到国内一流,国际先进的水平。另外,该技术团队还成功突破了高精度信号处理电路技术,基于508所激光探测电路的基础,重点攻克 了单光子X射线的高效捕获技术、高时间精度的X射线光子时标技术、高精度X射线光子能量量化技术。

       X射线探测系统是脉冲星导航定位系统的核心,具有极为重要的战略意义和工程应用价值。508所项目组从2013年起开始该系统的关键技术攻关和产品的研制工 作,该技术攻关过程中,项目组无任何经验可以借鉴,研制人员从最基础的材料起步,仅镜头成型工艺就进行了数百次的尝试,不断改进镀膜工艺,总结经验,屡败 屡战,以科学试验的态度来面对零基础的工程难题,不断提升样件的成像性能,最终获得了成功。

       在高精度信号处理电路技术方面,自方案设计初期,团队就提出了直接面向国际同类计划的指标开展设计。通过多次试验测试,项目组不断优化信号放大与噪声控制参 数,目前达到的指标已经接近设计要求。目前团队正在开展第三代电路系统的研制,该电路系统将最终达到国际先进水平。

(508所 韩美玲)


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       当前,航天器的导航信息大多通过地面测控系统提供。然而随着航天技术的发展,在轨航天器数目日益增多,极大增加了地面测控系统的负担,并降低了航天器在特殊情况下的生存能力。此外,日益复杂的空间任务也对航天器自主运行技术提出了紧迫需求。

       为此,大力发展自主导航技术是应对日益复杂空间任务的迫切需求,也是提高航天器生存能力、降低运营费用的关键所在。

自主导航

       航天器的导航系统通常分为自主和非自主两大类。航天器自主导航是指航天器不依赖外界支持,完全依靠自身搭载设备,与外界不发生光、电联系的导航定位技术。美国学者Lemay提出用下列四个特点来表示航天器自主导航的概念:(1)自给或者独立;(2)实时操作;(3)无辐射;(4)不依靠地面设备。工程实践一般认为,不依赖地面支持,航天器能利用星上自带设备能实时确定自己状态的方法,都称为航天器自主导航。

一种新兴的自主导航方法:X射线脉冲星导航

      X射线脉冲星导航是一种新兴的航天器自主导航方法,通过处理脉冲星辐射的X射线光子信息,可提供航天器的位置、姿态等参考信息,从而实现对航天器状态的估计。相对于卫星导航,X射线脉冲星导航的适用范围不局限于近地空间,且不受人为干扰;相对于传统天文导航方法,X射线脉冲星导航可以同时提供位置、姿态、时间等完整的导航信息。X射线脉冲星在X波段特征明显,可以避免空间各种信号的干扰,适当限制X射线的能量可以将探测器小型化,且有足够的流量敏感度和时空分辨率。

X射线脉冲星导航

       脉冲星是一种高速自转的中子星。天文观测和天体物理研究表明,质量较大的恒星演化到晚期,其内部核原料大部分已经消耗,导致辐射压大幅降低,难以抗衡引力从而引起塌缩,形成了诸如白矮星、中子星和黑洞等的致密星。其中,一颗相当于太阳质量中子星的直径大约为10km,核心密度达到1012kg/cm3,磁场强度可达104~1013Gauss。

      脉冲星的自转轴和磁轴不重合,两个磁极可发射辐射波束。当星体自转且磁极波束扫过测量设备时,测量设备就可接收到一个脉冲信号,犹如海上为船舶导航的灯塔一样。脉冲星自转周期的长期稳定性极佳,若干毫秒脉冲星自转周期的长期稳定度可媲美当前的原子钟。根据辐射频段的不同,将在射电频段上辐射信号的脉冲星称为射电脉冲星,在X射线频段上辐射信号的脉冲星称为X射线脉冲星。X射线属于高能射线,易于小型化探测设备,但难以穿过稠密的地球大气,因此只能在外部空间进行观测。

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脉冲星“自转”模型

       通过在太阳系质心(Solar System Barycenter,SSB)处建立脉冲星的相位时间模型,可以计算出某一脉冲到达太阳系质心的时间。同时,通过在轨处理光子测量数据,可以得到该脉冲到达航天器的时间。测量时间和预估时间之差,反映了航天器相对于SSB的位置在脉冲星方向上的投影。通过处理不同方向的测量信息,可以估计出航天器的位置和时间。与星敏感器的定姿原理类似,基于脉冲星的方位测量信息可以确定航天器的姿态。

       作为天文导航的一种,X射线脉冲星导航具有天文导航的共性特点:自主性强,抗干扰能力强、可靠性高、可同步定位定姿、导航误差不随时间积累。除此之外,X射线脉冲星导航还具有独特的优势,主要体现在以下几个方面:

1、提供高精度的参考时间基准

       X射线脉冲星的自转周期高度稳定。对于部分毫秒脉冲星,若观测时间大于8年,其长期稳定度可达到10-15量级。利用脉冲星的观测信息,一方面可以建立综合脉冲星时,用于维持航天器导航系统时间,另一方面可在实现航天器定位的同时校正星载原子钟钟差。

2、导航精度高

       传统天文导航方法通过测量参考天体与航天器的空间角来实现航天器定位,其导航精度依赖于航天器到参考天体的距离。对处于巡航段的深空探测器,传统天文导航方法仅能获得几千公里的定位精度。然而,在相同情况下,X射线脉冲星导航的精度可优于十公里。

3、对导航敏感器精度要求较低

      除了航天器与参考天体的距离,传统天文导航方法的性能主要受测角敏感器精度的限制。为了提高导航性能,势必需要研发高精度的敏感器。由本书的后续章节可知,X射线脉冲星导航的性能可通过增加信号累积时间来提高,因此在满足基本的时空分辨率前提下可降低探测器的精度要求,节省成本。

      除此之外,同卫星导航相比,X射线脉冲星导航还具有可同时服务于近地航天器、深空探测器的优势。


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