□ 梁亚坤 紫晓

太空中的“小精灵”
——解析首颗脉冲星试验卫星

□ 梁亚坤 紫晓

2016年11月10日，在万众瞩目中，我国首颗X射线脉冲星试验卫星开始了太空探索之旅。作为中国航天在原始创新、技术革命道路上的一个重要里程碑事件，X射线脉冲星试验卫星的发射，对于尝试建立一个长期稳定运行的时间基准系统具有重要意义。

整星三维图

小卫星肩负大使命

利用脉冲星引导航天器在宇宙空间自由地航行，目前仅仅是在理论上成立，在技术上到底可行不可行，全世界都不得而知，是世界航天技术的“无人区”。

2005年，中国空间技术研究院跟踪国际研究动向，敏锐洞察脉冲星导航这一航天“跨代”发展的颠覆性技术的大势，自主投入率先果断启动了脉冲星导航理论研究工作。在国外可参考研究成果极少，国内相关研究基础十分薄弱的情况下，取得了理论的突破； 2013年10月，又自主启动了脉冲试验卫星的研制工程。经过十余年的刻苦攻关，形成了系统完整的脉冲星导航理论体系，突破了总体设计、核心关键技术攻关、地面试验验证等关键技术和专用试验卫星的研制，把世界第一颗X射线脉冲星试验卫星放飞到广袤的宇宙空间。

X射线脉冲星试验卫星是一颗只有243千克重的微小卫星，堪称太空中的”小精灵”。别看它个头小，却携带了116千克的载荷，本领非常大。太空“小精灵”长着一双宇宙“千里眼”，科学家把其中的一只眼睛叫做准直型微通道板探测器，它一下子可以看到2400平方厘米大小的面积；另一只叫做聚焦型探测器，它的聚焦镜头口径为17厘米，是国际上最先进的软X射线探测器，不仅可以观看数万光年外的脉冲星，而且可以记录每一个X光子的能量，绘制能量颜色图，研究每颗脉冲星的内部结构与成分组成。特别是通过长时间地看同一颗脉冲星，可以获得脉冲星的辐射特性、时变特性以及周期变化情况等等。不仅如此，它还可以通过全体扫描的方式，探测全天区的软X射线暂现源和包括空间太阳风爆发、地球电离层等空间环境，为人类提供更多的太空“天气”预报，是个太空“多面手”。

科学家试图通过它在一年的寿命周期里实现三个目标。一是在空间环境下实测验证两种类型的X射线探测器性能，研究宇宙背景噪声及探测器响应机制；二是探测蟹状星云脉冲星或脉冲双星系统，提取脉冲星轮廓，解决用中国研制的探测器“看得见”X射线脉冲星的问题；三是尝试长时间累积观测3颗低流量脉冲星，建立试验型数据库，探索建立脉冲星导航系统体制的可行性。

如果X射线脉冲星试验卫星首飞证明脉冲星导航技术是可行的，无疑将颠覆目前的卫星导航体制，推动卫星导航技术的革命性变革，实现在世界航天技术的最高点上由中国“领跑”。

勇于创新实现快好省

X射线脉冲星试验卫星项目，从论证到研制完成只用了3年时间，其中从卫星任务确定开始正样研制到整星出厂只用了10个月，可以说是我国研制速度最快的微小卫星项目之一，创造了快、好、省卫星研制的成功经验。

工作体制新

脉冲星试验卫星，搭载了准直型微通道板探测器和射聚焦型探测器。这两种X射线脉冲星探测技术都是我国首次上天投入使用，在性能上各有所长，它们既可以相互配合，又可以独立完成探测任务。微通道板探测器的有效探测面积大，所需的脉冲星观测时间短；聚焦型探测器的探测效率高，设备规模小。科技人员之所以选用两种不同体制的探测器开展在轨试验，其目的就是为了解决、验证X射线脉冲星在轨“看得见”的问题。一方面通过多种探测技术对X射线脉冲星的在轨观测获取第一手的科学数据，进一步开展脉冲星导航；另一方面，也为未来脉冲星探测器的技术发展方向提供实际数据支撑，为脉冲星导航技术的工程化应用奠定基础。

复杂程度高

为了更快更多地获得科学数据，研究人员要求太空“小精灵”能够在一天的全部轨道圈次内不停地工作。如果按照现有的技术手段实现这一目标，卫星每完成一次“凝视观测”任务，地面都需要预先向卫星发送大约50条指令。这些指令主要用于设置探测器状态、设置卫星平台设备进入观测状态、设定卫星姿态调整计划以及结束观测任务后的卫星状态恢复等。如果要实现让它每一圈都工作的目标，则地面人员需要在卫星整个寿命期间，不停地上注控制指令，并监控状态，这几乎是“不可能完成的任务”。为了让它在每一天或每一周，运行的每一圈中都不停地工作，多做贡献，需要对它进行更为复杂的设计，给它安装上“智能大脑”，这样，地面人员只需要一次性发送何时何地看谁的指令，由它自行排序，自主分解成所需要的动作，按照计划逐一完成全部观测工作。

功能密度强

为使这颗微小卫星浓缩更多更为强大的功能，科技人员通过采用综合电子组件，实现了卫星功能的高度集成。比如说，用一台重量仅为10千克的单机，替代常规设计的6～8台设备，实现卫星的信息管理、遥测遥控、电源管理与控制、姿态轨道运算与控制、信息处理以及热控管理等全部功能。通过系统性集成化的设计，大大提高了卫星平台的功能密度，在整个200多千克的卫星平台中，有效载荷几乎占据了一半的重量，这在过去都是没有的，从而，探索出一条适合于我国商业微小卫星发展的技术发展道路。

研制流程新

卫星采用了突破传统模式，优化研制流程，“一步正样”的研制模式。技术人员通过事先对系统电接口的充分测试后，直接投产正样产品；用深入全面的系统仿真技术代替或简化整星级的各类试验项目，同时在确保系统测试项目完备，确保卫星质量的可靠性的的前提下，尽可能优化研制流程，大幅缩短测试试验周期，因此，仅用10个月，就完成了卫星的设计、生产、总装、测试与试验等全部工作，创造了我国研制速度最快微小卫星项目的成功先例，这也标志着我国的微小卫星设计建造水平进入了一个全新的发展阶段。

卫星外形局部特写

脉冲星为航天器导航想象图

试验验证难

在卫星研制中，都要经过各种试验验证，千锤百炼达到要求后才能“放行”。可是，脉冲星辐射的X射线光子无法穿透地球稠密大气层，只能在大气层外空间才能探测到，在地面上怎样进行试验呢？为了在地面定量测试X射线脉冲星导航关键技术和模拟验证导航过程，技术人员大干40天，每天工作12小时以上，克服各种困难，出色完成了整个地面试验系统的整体框架和接口、软件系统以及硬件系统的设计，建立X射线脉冲星导航地面试验系统，通过这个系统形成了航天器自主导航的测试环境，逼真地模拟了脉冲星X射线光子信号辐射特征以及空间背景噪声，解决了对X射线光子探测、导航数据库更新及调用等关键技术的测试与航天器自主导航系统体制地面试验验证的技术难题，从而，还形成了国内唯一的脉冲星导航探测器定点检测平台。多型探测器和试验设施的研制，填补了国内空白，并实现了国产化。这不仅对推动脉冲星导航技术发展具有重大意义，同时，这些成果预期可以取得较大的经济和社会效益。