脉冲星试验01星科学试验与成果

doi:10.7527/S1000-6893.2022.26611

Abstract

Abstract:

X-ray pulsar navigation， as a strategic， cutting-edge， and basic technology， has attracted international attention since the birth of the concept. Due to the complexity of the pulsar navigation simulation verification model， it is difficult to verify all key technologies on the ground. Therefore， China launched the XPNAV-1 satellite in 2016 and carried out a series of scientific experiments. This paper systematically summarizes the scientific experiment results of XPNAV-1. The energy response， time response， effective area and background noise of Wolter-I focusing detector are on-orbit measured and calibrated using the measured data of large flow pulsars. Based on the measured data of low flow pulsars， the space environment detection experiment was carried out； the rotation parameters of Crab pulsar with high accuracy are obtained by long-term observation and timing analysis； the pulsar navigation technology is verified by preliminary experiments. Combined with the scientific experiment experience of XPNAV-1， the future development direction is proposed. The experiments have found out the current capability of pulsar navigation technology， and obtained a large amount of independent observation data， accelerating the development of pulsar navigation technology of China.

Key words: XPNAV-1, Crab pulsar, X-ray detector, X-ray pulsar navigation, pulsar glitch

CLC Number:

V474.1

Kun JIANG, Wenhai JIAO, Xiaolong HAO, Ying LIU, Yidi WANG, Xinyuan ZHANG, Ji GUO. Scientific experiments and achievements of XPNAV-1[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(3): 526611.

Figures/Tables 18

Fig.1

Table 1

Fig.2

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References 30

1	LYNE A， GRAHAM-SMITH F. Pulsar astronomy［M］. Cambridge： Cambridge University Press， 2012.
2	郑伟，王奕迪，汤国建. X射线脉冲星导航理论与应用［M］. 北京：科学出版社， 2015.
	ZHENG W， WANG Y D， TANG G J. X-ray pulsar-based navigation： Theory and applications［M］. Beijing： Science Press， 2015 （in Chinese）.
3	CHESTER T J， BUTMAN S A. Navigation using X-ray pulsars： 19810018591［R］. Washington， D.C.： NASA， 1981.
4	帅平，李明，陈绍龙. X射线脉冲星导航系统原理与方法［M］. 北京：中国宇航出版社， 2009： 1-22.
	SHUAI P， LI M， CHEN S L. Principles and methods for X-ray pulsar-based navigation system［M］. Beijing： China Astronautic Publishing House， 2009： 1-22 （in Chinese）.
5	周庆勇，魏子卿，闫林丽，等. 面向综合定位导航授时系统的天地基脉冲星时间研究［J］. 物理学报， 2021， 70（13）： 139701.
	ZHOU Q Y， WEI Z Q， YAN L L， et al. Space/ground based pulsar timescale for comprehensive PNT system［J］. Acta Physica Sinica， 2021， 70（13）： 139701 （in Chinese）.
6	王奕迪. X射线脉冲星信号处理与导航方法研究［D］. 长沙：国防科学技术大学， 2016： 1-10.
	WANG Y D. X-ray pulsar-based navigation： Signal processing and positioning algorithms［D］. Changsha： National University of Defense Technology， 2016： 1-10 （in Chinese）.
7	周庆勇. 脉冲星计时数据的处理理论与方法研究［D］. 郑州：战略支援部队信息工程大学， 2020.
	ZHOU Q Y. Research on theory and methods of pulsar timing data［D］. Zhengzhou： Information Engineering University， 2020 （in Chinese）.
8	SHEIKH S. The use of variable celestial X-ray sources for spacecraft navigation［D］. City of College Park： University of Maryland， 2005.
9	REICHLEY P， DOWNS G， MORRRIS G. Use of pulsar signals as clock［J］. NASA Jet Propulsion Laboratory Quarterly Technical Review， 1971， 1（2）： 80-86.
10	ÁLVAREZ J S， PLANAS A U， PIERA N， et al. Feasibility study for a spacecraft navigation system relying on pulsar timing information： 4202［R］. Paris： European Space Agency Advanced Concepts Team， 2004.
11	HANSON J E. Principles of X-ray navigation： SLAC-R-809［R］. Springfield： Office of Scientific and Technical Information （OSTI）， 2006.
12	MITCHELL J W， WINTERNITZ L B， HASSOUNEH M A， et al. Sextant X-ray pulsar navigation demonstration： Initial on-orbit results［M］∥ WALKER C A H. Guidance， Navigation， and Control 2018， Pts I-Ii： Advances in the Astronautical Sciences. New York： American Astronautical Society， 2018： 1229-1240.
13	帅平，陈绍龙，吴一帆，等. X射线脉冲星导航原理［J］. 宇航学报， 2007， 28（6）： 1538-1543.
	SHUAI P， CHEN S L， WU Y F， et al. Navigation principles using X-ray pulsars［J］. Journal of Astronautics， 2007， 28（6）： 1538-1543 （in Chinese）.
14	刘利. 相对论时间比对理论与高精度时间同步技术［D］. 郑州：解放军信息工程大学， 2004.
	LIU L. Relativistic theory of time transfer and techniques of clock synchronization［D］. Zhengzhou： PLA Information Engineering University， 2004 （in Chinese）.
15	费保俊，孙维瑾，肖昱，等. X射线脉冲星自主导航的基本测量原理［J］. 装甲兵工程学院学报， 2006， 20（3）： 59-63.
	FEI B J， SUN W J， XIAO Y， et al. Basic measurement principle of XNAV［J］. Journal of Academy of Armored Force Engineering， 2006， 20（3）： 59-63 （in Chinese）.
16	WANG Y D， ZHANG W. Pulsar phase and Doppler frequency estimation for XNAV using on-orbit epoch folding［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2016， 52（5）： 2210-2219.
17	熊凯，魏春岭，刘良栋. 鲁棒滤波技术在脉冲星导航中的应用［J］. 空间控制技术与应用， 2008， 34（6）： 8-11， 17.
	XIONG K， WEI C L， LIU L D. Application of robust filtering in pulsars-based navigation［J］. Aerospace Control and Application， 2008， 34（6）： 8-11， 17 （in Chinese）.
18	ZHANG X Y. Phase tracking for pulsar navigation with Doppler frequency［J］. Acta Astronautica， 2016， 129： 179-185.
19	胡慧君，赵宝升，盛立志，等. 基于X射线脉冲星导航的地面模拟系统研究［J］. 物理学报， 2011， 60（2）： 853-861.
	HU H J， ZHAO B S， SHENG L Z， et al. A simulation experiment system for X-ray pulsar based navigation［J］. Acta Physica Sinica， 2011， 60（2）： 853-861 （in Chinese）.
20	张大鹏. X射线脉冲星导航数据处理与验证评估技术研究［D］. 长沙：国防科技大学， 2018.
	ZHANG D P. X-ray pulsar-based navigation： Data processing and verification-evaluation technology［D］. Changsha： National University of Defense Technology， 2018 （in Chinese）.
21	黄良伟，帅平，张新源，等. 脉冲星导航试验卫星时间数据分析与脉冲轮廓恢复［J］. 中国空间科学技术， 2017， 37（3）： 1-10.
	HUANG L W， SHUAI P， ZHANG X Y， et al. XPNAV-1 Satellite timing data analysis and pulse profile recovery［J］. Chinese Space Science and Technology， 2017， 37（3）： 1-10 （in Chinese）.
22	郭倩. “快箭”长征十一号成功发射脉冲星试验卫星［J］. 中国航天， 2016（12）： 9.
	GUO Q. LM-11 successfully launched XPNAV-1［J］. Aerospace China， 2016（12）： 9 （in Chinese）.
23	帅平，刘群，黄良伟，等. 首颗脉冲星导航试验卫星及其观测结果［J］. 中国惯性技术学报， 2019， 27（3）： 281-287.
	SHUAI P， LIU Q， HUANG L W， et al. Pulsar navigation test satellite XPNAV-1 and its observation results［J］. Journal of Chinese Inertial Technology， 2019， 27（3）： 281-287 （in Chinese）.
24	帅平，张新源，黄良伟，等. 脉冲星导航试验卫星科学观测数据分析［J］. 空间控制技术与应用， 2017， 43（2）： 1-6.
	SHUAI P， ZHANG X Y， HUANG L W， et al. X-ray pulsar navigation test satellite science data analysis［J］. Aerospace Control and Application， 2017， 43（2）： 1-6 （in Chinese）.
25	周庆勇，魏子卿，姜坤，等. 一种聚焦型X射线探测器在轨性能标定方法［J］. 物理学报， 2018， 67（5）： 050701.
	ZHOU Q Y， WEI Z Q， JIANG K， et al. A method of calibrating effective area of focusing X-ray detector by using normal spectrum of Crab pulsar［J］. Acta Physica Sinica， 2018， 67（5）： 050701 （in Chinese）.
26	周庆勇，魏子卿，姜坤，等. 面向脉冲星导航的聚焦型X射线探测器测试标定方法研究［J］. 光子学报， 2020， 49（6）： 604001.
	ZHOU Q Y， WEI Z Q， JIANG K， et al. Research on the test and calibration method of a focusing X-ray detector for pulsar navigation［J］. Acta Photonica Sinica， 2020， 49（6）： 604001 （in Chinese）.
27	左富昌，梅志武，邓楼楼，等. 多层嵌套掠入射光学系统研制及在轨性能评价［J］. 物理学报， 2020， 69（3）： 030702.
	ZUO F C， MEI Z W， DENG L L， et al. Development and in-orbit performance evaluation of multi-layered nested grazing incidence optics［J］. Acta Physica Sinica， 2020， 69（3）： 030702 （in Chinese）.
28	SHI Y Q， MEI Z W， HE Y， et al. Ground calibration and in-orbit performance of the time-resolved soft X-ray spectrometer on board XPNAV-1［J］. Proceedings of SPIE， 2020， 6（3）： 034006.
29	周庆勇，盛立志，魏子卿，等. 微通道板型X射线探测器的脉冲信号探测能力实验分析［J］. 光子学报， 2018， 47（9）： 904002.
	ZHOU Q Y， SHENG L Z， WEI Z Q， et al. Experimental analysis of pulse signal detection capability of the MCP X-ray detector［J］. Acta Photonica Sinica， 2018， 47（9）： 904002 （in Chinese）.
30	周庆勇，闫林丽，李连升，等. XPNAV-1卫星聚焦型X射线脉冲星望远镜在轨稳定性分析［J］. 航空学报， 2023， 44（3）： 526610.
	ZHOUQ Y， YAN L L， LI L S， et al. The Stability Analysis of FXPT on XPNAV-1 Satellite ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（3）： 526610 （in Chinese）.

名称	要求
工作能段	0.5~10.0 keV
探测面积	≥30 cm²@1.5 keV
时间分辨率	≤1.5 μs
能量分辨率	≤200 eV@6.4 keV

名称	要求
工作能段/keV	1.0~15.0
探测面积/cm²	2 400
探测灵敏度/（ph·s^-1·cm^-2）	10^-3
时间分辨率/ns	优于100

参数		B2321+585	B0022+638
有效光子个数		108 088	36 720
Si特征峰	Kα理论中心值/keV	1.74	1.74
	Kβ理论中心值/keV	1.83	1.83
	实测中心值/keV	1.785	1.785
	中心值相对偏差/%	0	0
	理论能量分辨率/eV	120	120
	实测能量分辨率/eV	124	127
	能量分辨率相对偏差/%	3.33	5.33

年份	观测轨数	曝光时间/（10³ s）	光子数/10⁴
合计	1 455	4 101	6 084
2016	137	381	491
2017	553	1 530	2 308
2018	516	1 484	2 225
2019	249	705	1 060

参数	测量值
历元（Modified Julian Date，MJD）	57 735.004 617 113 780
F₀/Hz	29.647 216 596 28
F₁/s^-2	-3.689 461 85×10^-10
F₂/s^-3	1.294 9×10^-20

Scientific experiments and achievements of XPNAV-1

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参数	测量值
历元（MJD）	58 011.729 396 056 769
F₀/Hz	29.638 398 922 36
F₁/s^-2	-3.686 602 935×10^-10
F₂/s^-3	6.472 76×10^-21

参数	测量值
历元（MJD）	58 104.006 742 439 567
F₀/Hz	29.635 468 185 37
F₁/s^-2	-3.701 405 72×10^-10
F₂/s^-3	2.82 806 6×10^-19

[1]	Wei ZHENG, Yusong WANG, Kun JIANG, Yidi WANG. Space experiments on X-ray pulsar navigation: Progress and prospects [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(6): 28843-028843.
[2]	Qingyong ZHOU, Ziqing WEI, Yaohu LEI, Siwei LIU, Xiaolong HAO, Fumei WU, Yanji YANG, Pengfei QIANG. X-ray telescope for pulsar deep space reference and its development vision [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(3): 526608-526608.
[3]	Jinsheng LIU, Bo WANG, Juan SONG, Wencong WANG, Jingjing LI, Zhenhua XU. Estimation of space radiation background of Wolter‑I X‑ray pulsar detector [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(3): 526599-526599.
[4]	Junqiu YIN, Yunpeng LIU, Xiaobin TANG. Spacecraft positioning method based on pulsar-like X-ray beacon [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(3): 526596-526596.
[5]	Lizhi SHENG, Wei ZHENG, Tong SU, Dapeng ZHANG, Yidi WANG, Xianghui YANG, Neng XU, Zhize LI. Ground test bench for X-ray pulsar navigation dynamic simulation [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(3): 526656-526656.
[6]	Qingyong ZHOU, Linli YAN, Liansheng LI, Laiping FENG, Yongqiang SHI, Pengfei SUN, Liu FANG, Long WANG. On⁃orbit stability analysis of FXPT on XPNAV⁃1 [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(3): 526610-526610.
[7]	Kai XIONG, Chunling WEI, Liansheng LI, Peng ZHOU. Pulsar/inter-satellite LOS integrated navigation based on augmented QLEKF [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(3): 526232-526232.
[8]	LI Min, ZHANG Yingchun, GENG Yunhai, ZHU Baolong, LI Huayi. A robust extended Kalman filter algorithm for X-ray pulsar navigation system [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2016, 37(4): 1305-1315.