面向脉冲星深空基准建立的X射线望远镜及发展设想

深空基准是进入、利用和控制太空的基础，X射线望远镜是构建脉冲星深空基准的重要观测设备。首先，论述了脉冲星计时在深空基准建立中的作用，定性分析了毫秒脉冲星空间观测对X射线望远镜的需求，系统总结了X射线望远镜的国内外技术现状及发展趋势；其次，针对X射线毫秒脉冲星观测中脉冲信号弱而非脉冲信号及空间弥散本底较强的特点，提出了利用毫秒脉冲星高分辨率成像观测抑制非脉冲噪声的方法，并初步设计了一种高分辨率低噪声X射线望远镜；最后，分析了不同的脉冲信号流量、非脉冲信号流量、角分辨率及单次镜片反射效率分别对聚焦成像型、聚焦非成像型和准直非成像型X射线望远镜脉冲星观测信噪比的影响，发现聚焦成像型X射线望远镜在弱脉冲信号和强非脉冲信号流量下具有较好的探测能力。同时计算结果表明：在相同条件下，聚焦成像型望远镜对5颗导航脉冲星的探测灵敏度，比美国中子星内部组成探测器（NICER）的X射线计时仪器（XTI）有不同程度的提高。可见，设计的聚焦成像型X射线望远镜，能够有效地提高毫秒X射线脉冲星的观测能力，能为国家综合定位导航授时（PNT）及深空基准体系的建设提供硬件支持。     

X射线脉冲星导航空间试验进展与展望

X射线脉冲星导航（XNAV）技术作为一种新型的航天器自主导航技术,是目前深空探测巡航段最有潜力的自主导航技术之一。X射线脉冲星导航的概念提出于20世纪80年代,经过数十年的发展,该技术已逐渐从理论研究走向空间试验。介绍了近些年国内外完成的脉冲星导航空间试验,系统梳理和分析了当前脉冲星导航空间试验使用的信号处理方法、导航方法和X射线探测终端。根据国内外脉冲星导航空间试验的特点,总结了目前国内脉冲星导航试验在在轨解算和X射线探测终端方面的不足。最后,结合空间试验的现状及工程应用的实际需要,对未来脉冲星导航空间试验进行了展望。     

X射线脉冲星导航方法研究综述

X射线脉冲星导航技术是一种新兴的、有潜力的航天器自主导航技术。作为导航参考源,脉冲星的自转长期稳定性极佳。因此,X射线脉冲星导航在深空探测、星座自主导航以及时间基准自主维持等领域具有较大优势。首先,对X射线脉冲星导航的背景意义进行了简要介绍。其次,介绍了X射线脉冲星导航2个方面的关键技术：面向导航的脉冲星数据处理技术以及脉冲星导航理论的研究进展。再次,总结了现有的以及未来可能的X射线脉冲星导航应用体制。最后,展望了X射线脉冲星导航技术的发展趋势,并对全文进行了总结。     

脉冲星角位置强度关联测量聚焦光学系统

脉冲星导航为未来深空探测与导航提供一种可能途径，采用X射线强度关联方法对脉冲星角位置进行高精度测量，可适应高精度时空基准系统构建的发展需求，从理论上提高导航精度。X射线聚焦光学系统是脉冲星高精度测量与探测设备的核心部件，通过高效率聚焦实现对脉冲星极弱X射线光子流量的增强。首先，针对脉冲星角位置强度关联测量地面试验需求，开展了多层嵌套X射线聚焦光学系统的光学设计与性能分析，获得了设计参数对有效面积和角分辨率的影响关系，确定了反射镜几何参数与反射面材料；其次，确定了聚焦光学系统的总体制造误差标准，对高频误差和中低频误差分别进行了分配；然后，采用电铸镍复制工艺加工了超光滑芯轴与反射镜，测试了芯轴的粗糙度和面形误差，利用北京同步辐射光源测试了反射镜的反射率；最后，搭建了原位精密装调装置，完成了多层嵌套反射镜精密装调，实测角分辨率达到12.16″。经强度关联测量试验验证，聚焦光学系统显著提高了探测器接收的光子个数，满足脉冲星角位置强度关联测量的要求。     

轻量化大面积嵌套聚焦型X射线望远镜

嵌套聚焦型X射线望远镜在脉冲星自主导航、X射线天文学等领域有广泛的应用需求。论文开展了紧凑型、大面积、嵌套聚焦型X射线望远镜的光学优化设计，成功探索出基于轻质平面玻璃的X射线掠入射反射镜热成型、镜面精密切割、嵌套同轴共焦装配等工艺流程，研制了一款轻量化、大面积、嵌套聚焦型X射线望远镜(NFXT)。NFXT镜面轴向长度300 mm，厚度0.3 mm，镜面溅射Ir金属膜，膜层厚度300 nm，镜面粗糙度优于0.3 nm(rms)。NFXT共计11层嵌套，每层圆周向等分3个扇区，内8层镜面为近似抛物面的锥形镜，外3层为抛物面镜，11层镜面同轴共焦装配。NFXT净几何面积175 cm²，有效探测面积130 cm²@1.5 keV，轴上视场聚焦光斑半径0.85 mm(EoE=50%)，包络尺寸(直径×高度)为200 mm×326 mm，能谱响应范围0.2～12 keV，后工作距1300 mm，重量4.25 kg。NFXT技术突破，为国内开展脉冲星导航试验验证，以及研制先进的X射线天文卫星提供关键技术支撑。     

Wolter-Ⅰ型X射线脉冲星探测器的空间环境本底分析

X射线脉冲星导航具有自主性强、抗干扰、安全性高等特点。针对X射线脉冲星辐射信号的探测与识别介绍了一款Wolter-Ⅰ型X射线脉冲星探测器。为评估探测器的性能、提升灵敏度，对该Wolter-Ⅰ型X射线脉冲星探测器开展了蒙特卡罗(MC)模拟研究。首先基于空间环境信息系统(SPENVIS)平台给出运行轨道中不同种类带电粒子的分布与能谱特征；然后采用GEANT4软件构建了Wolter-Ⅰ型X射线脉冲星探测器的质量模型，模拟了探测器对电子、质子及氦等带电粒子的响应；最后以遮光膜参数优化为例说明探测器优化方式，并给出优化后探测器在700 km地球圆轨道上的空间环境本底。结果表明优化后探测器的空间环境本底为30.68 cts·s^-1。     

X射线脉冲星计时导航应用模式与空间试验进展

结合国家导航体系发展与工程应用迫切需求，主要讨论了X射线脉冲星计时导航的应用模式，并介绍了国内外空间试验进展。总结了脉冲星计时地基射电与空间X射线观测的特点和发展现状，阐释了脉冲星时研究与发展的重要意义；总结并归纳了X射线脉冲星导航的应用特点和现有水平，讨论了X射线脉冲星导航的技术优势和典型应用场景；总结了国内外X射线脉冲星计时导航的空间试验进展。根据国内外的空间试验结果，脉冲星时稳定度可达10-14量级，脉冲星导航精度可达到km量级，初步具备在轨应用价值。因此，加快推进国内脉冲星计时导航技术的在轨演示验证与工程应用具有重要意义。     

脉冲星试验01星科学试验与成果

X射线脉冲星导航作为一种战略性、前沿性、基础性技术，自概念诞生以来就备受国际关注。由于脉冲星导航仿真验证模型复杂，关键技术难以全部地面验证，为此中国于2016年发射了脉冲星试验01星开展系列科学试验。对脉冲星试验01星科学试验成果进行了系统总结：利用大流量脉冲星实测数据对Wolter-I聚焦型探测器在轨能量响应、时间响应、有效面积和本底噪声进行了测试标定，基于低流量脉冲星实测数据开展了空间环境探测试验，对蟹状星云（Crab）脉冲星进行长期观测并计时分析得到了高精度自转参数，初步试验验证了脉冲星导航技术。结合脉冲星试验01星的科学试验经验提出了未来发展方向。相关试验的开展摸清了中国脉冲星导航技术能力现状，获取了大量自主观测数据，加速了中国脉冲星导航技术发展。     

XPNAV-1卫星聚焦型X射线脉冲星望远镜在轨稳定性分析

聚焦型X射线脉冲星望远镜(FXPT)是脉冲星导航试验(XPNAV-1)卫星的核心载荷，为中国首款在轨工作的聚焦型X射线望远镜，其在轨稳定性一直备受关注。首先，分析了XPNAV-1卫星对具有特征能谱辐射的超新星遗迹观测数据评估FXPT在轨性能的稳定性的可行性，发现拟合得到的FXPT能量响应参数存在较大误差，且缺乏长期超新星遗迹观测数据，难以支持望远镜在轨性能长期稳定性分析。其次，通过处理分析XPNAV-1卫星于2016年11月―2019年11月间1 455次4.1×10⁶ s Crab脉冲星观测数据，发现FXPT在9.5 keV附近长期较稳定地存在大量的X射线光子，且其能量分布曲线近似高斯分布，排除了其来自脉冲星辐射可能性后，推断其来自于FXPT的超上阈信号，同时发现在7.5 keV能量处存在特征谱线辐射，判断其来自于望远镜镜片材料Ni的受激辐射Kα射线。继而提出了一种利用望远镜本征特征能谱和超上阈信号共同监测其在轨稳定性的方法，通过分析近4年XPNAV-1卫星对Crab脉冲星的观测能谱，发现FXPT于2017年10月后性能趋于稳定，该方法有效弥补XPNAV-1卫星...     

“天枢Ⅱ号”X射线脉冲星导航动态模拟系统及实验验证

X射线脉冲星导航真实运行场景的模拟验证手段尚不够完善，限制了导航和探测理论的发展及工程化应用的实现。提出了基于脉冲星辐射特性和航天器轨道模型的X射线脉冲星动态信号模拟方法，设计了能实现多种实验场景模拟的X射线脉冲星模拟源，并根据脉冲星辐射特性构建了“天枢Ⅱ号”X射线脉冲星导航地面实验系统，可以高质量复现脉冲星导航空间运行场景。设计了静态及动态不同类型的实验对实验系统的性能进行了验证测试，针对PSR B0531+21、PSR B1937+21两颗脉冲星，开展了静态模拟实验，获得的脉冲轮廓相似度分别为99.5%、99.1%；开展了200 km轨道高度的动态近地圆轨模拟实验，PSR B0531+21、PSR B1937+21的周期测试值和理论值的偏差分别为38 451、350 ps，还原到SSB(Solar System Barycenter)处的轮廓相似度分别为99.86%、99.99%。实现了椭圆轨道的超实时仿真实验，仿真时长可压缩50%，轮廓相似度为99.89%。实现了基于霍曼变轨模型的轨道机动模拟，周期变化的测试值与理论值的偏差标准差为637 ps。该地面实验系统性能稳定，可以满足不...     

空间X射线反射式聚焦系统的同步辐射表征技术

针对脉冲星观测与计时导航等领域对空间X射线望远镜测试与标定的迫切需求，综述了目前国内外基于同步辐射和X射线自由电子激光光源发展的多种高精度的反射式聚焦系统的面形检测、系统标定和反射率计量测量技术。着重介绍了细光束、哈特曼波前传感器、光栅干涉、近场散斑等面形测试方法在不同尺度和面形的反射镜在线测量中的应用，阐明了其在工程应用中的优劣。介绍了同步辐射装置在空间X射线望远镜的在线成像和校准以及反射率计量上已开展的卓有成效工作。期望通过相关综述介绍，可以推广空间X射线望远镜反射元件广泛利用同步辐射等大科学装置进行性能表征实验，以此促进相关领域的进一步发展。国内同步辐射大科学装置的建立和蓬勃发展为大尺度空间X射线望远镜的在线检测、校准和光学性能表征提供了重要支撑。     

5颗导航用X射线脉冲星计时分析

脉冲星计时特性分析是开展脉冲星导航和脉冲星时研究的基础，为其提供了精确的脉冲星计时模型参数和辐射特征。本文在系统总结脉冲星计时分析方法的基础上，选择了当前导航中应用最广泛的5颗脉冲星，并利用国内外在轨X射线观测卫星的最新观测数据对其分析，包括：“慧眼”硬X射线调制解调望远镜（HXMT）针对Crab脉冲星和PSR B1509-58的观测，中子星内部结构探测器（NICER）针对PSRs J1821-2452A、J1939+2134和J0030+0451的观测。通过对“慧眼”HXMT和NICER在2017-2021年高精度计时观测数据的分析，获得了较长时间段内脉冲星最新状态的自转特性和物理信息，一方面给定了脉冲星最新的、覆盖时间长、自转参数精度较高的X射线星历，证明在X射线波段也可独立给出较高精度的星历；另一方面建立了它们清晰显著的积分脉冲轮廓，其中在选定的能量段范围内3颗毫秒脉冲星的轮廓是当前最精确的，可为脉冲星导航研究提供最新的标准模板。本文仅对脉冲星的X射线数据进行了分析，未来利用国内外多个望远镜，开展多波段联合计时分析，将是脉冲星计时研究的重要方向。     

基于仿脉冲星X射线信标的航天器定位方法

受X射线脉冲星导航技术的启发，提出了一种基于仿脉冲星X射线信标的航天器定位新方法，即利用人造信标模仿脉冲星发送高稳定性高信噪比X射线脉冲信号为航天器提供定位服务。首先介绍了仿脉冲星X射线信标基于三球交汇的定位原理，在分析X射线信标信号覆盖范围与天体引力摄动的影响的基础上，提出了在太阳系行星轨道中的拉格朗日点布置X射线信标的方案。其次，分析论证了人造辐射源的可行性，并基于优选脉冲星准则并结合实际脉冲星特征对辐射源参数进行初步优化。然后针对将来可能的地火转移任务需要，结合航天器动力学模型构建了基于X射线信标的观测方程，采用扩展卡尔曼滤波方法，研究了X射线信标几何分布、观测误差、信标数量、钟差及轨道误差对于航天器位置确定精度的影响。仿真结果表明，在同时观测3颗信标、TOA(Time of Arrival)测量精度为50 ns的条件下，该方法的航天器位置估计精度可达152 m，并且大部分信标组合都能将定位误差控制在1 km内。增加观测信标数量对定位精度较低信标组合的提升显著，但由于太阳系各行星间轨道倾角较小，地火转移轨道航天器同时观测5颗信标时定位误差仍在百米量级。根据深空探测领域航天器的实际...     

脉冲星特征频率信号的到达时间处理方法

脉冲星导航是具有发展潜力的深空探测技术之一，然而极低的能流密度限制了脉冲星信号的信噪比，对高精度导航应用提出了极大的挑战。只有在脉冲星信号处理技术方面取得突破，才能使脉冲星导航系统小型化、实用化。本文综合分析了脉冲星导航应用存在的问题，探讨了脉冲星导航应用的技术途径，从深空应用的角度提出了脉冲星导航系统的可行方案，提出了一种脉冲星特征频率信号处理方法，分析了该方法的克拉美-罗界，利用Crab脉冲星数据进行了仿真验证。仿真结果表明：脉冲星特征频率信号处理方法可实现Crab脉冲星矢量方向3 km的定位精度，符合理论预期。     

基于Monte Carlo的聚焦型X射线脉冲星望远镜多物理场耦合分析方法

聚焦型X射线脉冲星望远镜(XPT)是涉及光学、机械学、热学等多学科的复杂航天载荷,多物理场耦合分析对提高其在轨性能和可靠性至关重要。传统的光机热多场耦合分析(MCA)方法并不能考虑X射线能量及其反射率信息,而且存在学科间数据传递困难的问题。为此,首先基于Monte Carlo和X射线全反射理论提出了一种高效的多物理场耦合分析方法。该方法同时考虑X射线能量和反射率两大特征信息,基于有限元分析(FEA)法建立了XPT热-结构物理场耦合方程和有限元分析模型,针对不同工况进行热分析、结构分析以及热-结构物理场耦合分析。其次,采用Construction Geometry函数分别提取不同工况下光学镜头面形的形变量,并基于多项式函数对变形后的镜头面形进行拟合和误差分析。然后,基于所提方法对变形后的光学系统聚焦性能进行分析与评价,得到镜头形变对XPT光学聚焦性能的影响规律。最后,以多层嵌套的XPT为例,对不同视场角和形变的X射线光学系统聚焦性能进行了仿真分析。结果表明,在全视场时热-结构耦合形变、热形变及结构形变导致XPT聚焦性能分别下降30.01%,14.35%和7.85%,弥散斑均方根依次为2.9143 mm,2.6038 mm,2.5311 mm。通过与试验结果对比分析,验证了所提方法的有效性,可用于XPT的可靠性设计。     

基于卫星实测数据的X射线脉冲星导航体制验证

介绍了X射线脉冲星序贯观测导航体制和脉冲星导航基本原理。提出了基于卫星实测数据的脉冲星导航基本观测量处理方法。针对中国首颗大型天文卫星“慧眼”（Insight-HXMT）的能粒子探测器载荷观测的原始观测数据，给出了导航观测量处理精度结果。同时将卫星精密定轨星历作为标称轨道，与X射线脉冲星导航定位结果进行对比，得出了Insight-HXMT卫星数据的X射线脉冲星导航精度约为10 km的结论。最后，针对实测数据导航结果讨论了本次试验的不足并给出了未来脉冲星导航试验的建议。     

X射线脉冲星星表方位误差估计算法研究

星表方位误差是影响脉冲星导航精度的一项主要因素,也是天文研究的一项重要内容。本文提出一种基于卫星导航数据,采用卡尔曼滤波器对X射线脉冲星星表方位误差估计的方法。仿真结果表明,在不考虑其他误差因素下,该方法可以较好地估计出X射线脉冲星的星表方位误差,改善星表精度,随着人类对宇宙空间认识的加深,本文研究结果对未来基于X射线脉冲星的自主导航和天文观测研究具有一定的潜在理论参考价值。     

太阳信息辅助的脉冲相位估计方法及导航应用

X射线脉冲星导航是一种新兴的航天器自主导航方法，脉冲相位是其基本测量量。然而，现有的在轨航天器脉冲相位估计方法计算量大，阻碍了X射线脉冲星导航的工程应用。为了减少脉冲相位估计的计算量，提出了一种基于太阳信息辅助的深空探测器脉冲相位估计方法。通过太阳信息粗略地消除航天器轨道运动的影响，并推导了对应的脉冲星相位计算公式。在此基础上，提出了一种X射线脉冲星/太阳信息深组合导航方法，并通过仿真验证了太阳信息辅助脉冲相位估计方法和组合导航方法的性能。仿真结果表明，所提出的脉冲相位估计方法在保证精度的前提下具有更小的计算量。此外，对于深空探测器，所提出的组合导航方法的位置误差相比于仅使用太阳信息导航的方法降低了70.1%。     

Crab脉冲星标准脉冲轮廓更新对计时精度的改进

对于脉冲星试验01星的两年实测数据，针对蟹状星云脉冲星星历经历了多次更新的特点，提出了更新标准脉冲轮廓进行X射线计时的改进方法。以一系列观测时长为实测数据分组，再采用改进后的方法进行计时分析并与改进前的结果进行对比。通过对比改进前后的计时结果，发现改进方法得到的计时残差的均方根(root mean square, RMS)平均降低了14.2%，定位精度平均提高了14.4%，估计原子钟相对频率偏差的精度平均提高了26.2%，体现了改进方法处理经历多次星历更新的Crab脉冲星观测数据的合理性和优越性。此外，改进方法对脉冲星试验01星两年观测数据的稳定度σz没有量级上的改进，说明改进方法对Crab脉冲星时间稳定度的影响不大。     

利用Crab脉冲星X射线观测校准星载原子钟频率

为了改善星载原子钟长期的时间保持能力，并提高其自主性，利用XPNAV-1卫星观测的Crab脉冲星数据研究了驾驭星载原子钟频率的方法。在X射线脉冲星计时处理中，利用高斯核回归的方法平滑了脉冲星轮廓，可以有效提高脉冲轮廓的信噪比(SNR)，从而提高了计时精度。通过仿真记录光子到达时刻的参考钟存在频率偏差，分析了参考钟频率偏差对脉冲星拟合前计时残差的影响，基于此给出了脉冲星校准星载原子钟频率的方法。对于存在10^-11量级频率偏差的星载钟，1个月左右的Crab脉冲星数据可以获得相对误差约40%的频率校准精度。利用更长时间跨度的脉冲星计时数据，预期可以进一步提高星载钟的频率校准精度。