空间引力波探测惯性传感器关键技术与进展

空间引力波探测任务中的核心科学载荷之一是惯性传感器，旨在探测极其微弱的空间引力波的波纹变化。首先介绍了空间惯性传感器的探测机理和工作原理；然后从电容位移传感、静电反馈控制、地面评价3个方面介绍了惯性传感器设计的关键技术；并且对国内外惯性传感器的发展研究现状进行了梳理，可以看到惯性传感器关键指标为残余加速度噪声，国外在该指标上达到3×10^-15m/s²/Hz^1/2,国内与国外存在着3个量级的差距，因此开展高精度空间惯性传感器研究与设计具有重大战略意义和科学意义，是中国有望赶超世界科技前沿或领跑世界科技研究的重要方向之一。面向中国未来空间引力波探测任务中的惯性传感器需求，可以聚焦于惯性传感器控制体制策略、交流执行机参数优化、多自由度解耦控制技术、低噪声技术这四个方面的研究。     

基于多神经网络的可展开网状天线型面调整方法

为在提高可展开网状天线型面精度的同时减少型面调整的工作量,提出了一种基于多神经网络的型面调整方法。通过分析新型张拉网状天线型面与调整索相关性与耦合机制,首次提出了型面调整策略。以10 m口径的新型张拉网状天线为例进行了数值仿真研究,调整后型面的均方根值从5.4×10^-3m降低到1.1×10^-3m,从而验证了方法的有效性。     

太阳系天体引力对空间引力波探测日心编队构型的影响分析

针对太极空间引力波探测任务，建立了太阳系天体引力摄动对日心编队构型影响的数学模型，利用仿真手段分析了太阳系中行星和月球、矮行星和小行星引力摄动对空间引力波探测日心编队构型的影响，提出了一种综合考虑小行星到卫星轨道距离和星等的二重筛选方法，能够快速估计小行星相对加速度的上界.分析了日心编队构型卫星初始相位角变化对太阳系天体引力摄动的影响.仿真结果表明，在行星和月球中，地球、金星和木星引力对空间引力波探测编队构型影响较大，行星和月球的引力叠加影响达到-2.78×10-11km·-2.矮行星的引力叠加影响不大于1.25×10-17km·-2，小行星引力的叠加影响不大于1.1180×10-15km·-2.另外，编队卫星受到的太阳系天体引力摄动对编队构型卫星初始相位角的变化不敏感.      

电学前沿计量技术在航天型号保障中的应用

针对航天器中电学基准的长期稳定性、多种传感器输出电信号的线性度、电脉冲测量的时延等多个航天电测领域的难题,提出采用电学量子计量技术和计算基准技术的解决方案,可以10^-9量级的不确定度测量航天器中电阻基准短期变化量,从而推算出长期变化量,对航天器的稳定控制具有重要作用;可以极小的不确定度校准多种传感器输出的毫伏、微伏量级电压的线性度,对航天传感器测量准确度具有重要意义;可在10^-9秒量级确定电脉冲测量中电阻引入的时延,对航天器电推进系统的控制具有重要作用。     

电学前沿计量技术在航天型号保障中的应用

针对航天器中电学基准的长期稳定性、多种传感器输出电信号的线性度、电脉冲测量的时延等多个航天电测领域的难题,提出采用电学量子计量技术和计算基准技术的解决方案,可以10^-9量级的不确定度测量航天器中电阻基准短期变化量,从而推算出长期变化量,对航天器的稳定控制具有重要作用;可以极小的不确定度校准多种传感器输出的毫伏、微伏量级电压的线性度,对航天传感器测量准确度具有重要意义;可在10^-9秒量级确定电脉冲测量中电阻引入的时延,对航天器电推进系统的控制具有重要作用。     

平面引力辅助中施加脉冲的最优位置

在引力辅助过程中施加脉冲可以改善变轨效果。虽然轨道设计中一般将施加脉冲的位置设置在轨道的近拱点,但是并没有研究表明近拱点是施加脉冲的最优位置。为了研究平面引力辅助中施加单次共面脉冲的最优位置,首先采用6个参数对变轨过程进行描述,其中3个参数表征平面引力辅助、2个参数表征脉冲的大小与方向、1个参数表征施加脉冲的位置。然后将航天器的状态向量表示成参数的函数,进而求出变轨之后航天器的能量变化。研究施加脉冲的位置对航天器能量的影响,结果表明最优位置一般并不是近拱点,在最优位置施加脉冲比在近拱点有时可高效20%以上。      

基于433 Eros的多面体引力模型精度与运行时间研究

基于Planetary Data System(PDS)公布的433 Eros多面体模型,使用多面体模型法计算了433 Eros的表面引力加速度分布情况,并研究了该方法在不同精度的多面体模型下的计算时间和误差。实验结果表明:1)多面体模型法的时间复杂度为O(n);2)在以433 Eros为目标天体的着陆导航与制导控制相关仿真计算中,使用面数为22 540的多面体模型进行引力加速度计算,可以同时满足计算速度和精度的要求,并且由于计算速度接近实时,可用于半物理仿真实验中。     

空间引力红移实验的原理与精度

通过对文献[4, 5]关于空间引力红移实验原理与精度的分析,根据爱因斯坦惯性力与引力等效的原理,提出在航天器内部,重力的大部分被惯性力抵消,因而其中的微重力比轨道重力小很多(失重).因此,应当把星载原子钟的重力势取为与微重力相当的有效重力势,而不能简单地将星载钟的重力势取为轨道重力势.另外,检验相对论红移需要将理论值与实验值进行对比,这两种数值均具有误差,而检验精度取决于误差较大者.因此,如果不提高地球重力模型(例如EGM2008)精度而只提高测量精度则不能提高检验精度.     

基于卫星自旋的纯引力轨道万有引力干扰抑制

一个称为“内卫星”的验证质量块位于外卫星的内部空腔中,不与外卫星接触而自由飞行,由于外卫星的屏蔽,其不受大气阻力、太阳光压等干扰作用,沿着纯引力轨道飞行。外卫星会对内卫星产生万有引力作用,是内卫星纯引力轨道的主要残余干扰。根据卫星相对运动动力学方程,建立了万有引力干扰对内卫星纯引力轨道影响的分析模型;基于将外卫星绕轨道面法向旋转以调制万有引力的策略,建立了外卫星自旋对万有引力干扰影响的抑制模型。以内编队纯引力飞行系统为例,对比计算了外卫星有无自旋时万有引力干扰对内卫星纯引力轨道的影响。基于模型的分析表明,外卫星自旋能够显著抑制万有引力干扰对内卫星纯引力轨道的长期影响;实例计算表明,万有引力干扰的天长期影响能够降低5~7个数量级。     

引力场中运动物体加速度的各向异性

在引力或任何其它力的作用下 ,运动物体的加速度是各向异性的。即在同样大小力的作用下 ,力与速度方向垂直时的加速度要大于力与速度方向一致时的加速度。将这种横向额外加速度理论应用在天体力学方面 ,正确地计算了行星近日点的“多余”进动角和光线在经过太阳表面时由引力引起的偏转角。并且定性地解释了最近发现的所谓航天器的“奇异”加速度。因此 ,行星、航天器和光子等等完全不同的物体在引力场中的运动轨道可以用完全相同的物理机制——“加速度各向异性”理论扩展了的牛顿理论加以描述。     

多普勒跟踪测量用于时空引力检验的尝试:(Ⅰ)理论建模

作为多普勒跟踪测量用于时空引力检验的尝试,在多普勒建模过程中加入了对于局部洛仑兹不变性(LLI)以及局部位置不变性(LPI)的检验参数。LLI/LPI是包括广义相对论在内的任何度规引力理论的基石。通过迭代求解多普勒建模过程中所需的光行时解,证明了只有在单程以及三程多普勒测量中可以检验LLI和LPI。鉴于该种测量手段无需额外载荷以及我国测控精度,可以尝试通过单/三程多普勒测量来检验LLI和LPI的科学目标。     

超低轨卫星气动舵机辅助姿态控制方法设计

针对超低轨卫星姿态控制差异化需求,开展了基于气动舵机辅助的姿态控制策略研究。完成了超低轨道稀薄大气下卫星气动舵机布局设计与气动特性研究,理论气动力可达10^-1 N量级,气动力矩可达10^-1 N·m量级。在此基础上,完成了基于气动舵机辅助的姿态控制策略研究。通过仿真验证,在x轴采用动量轮控制、y轴和z轴采用气动舵机辅助控制情况下,可实现优于0.004°的三轴指向精度和优于0.000 7(°)/s的三轴姿态稳定度。所设计气动舵机辅助姿态控制策略对超低轨卫星技术应用与发展具有重要技术价值和工程意义。     

基于极点配置的空间站角动量管理

针对惯性系下引力梯度力矩及其他干扰力矩引起控制力矩陀螺（CMG）角动量积累的问题,采用引力梯度力矩来平衡姿态,设计了基于极点配置的空间站角动量管理控制器。首先在惯性系下建立了空间站线性化模型,并分析了俯仰轴方向在惯性系角动量管理的不可行性。由此,将俯仰轴与滚动/偏航轴解耦,不约束俯仰轴方向的CMG角动量,将常值、1倍和2倍于轨道频率的扰动纳入状态方程以抑制其对俯仰轴姿态的影响。在滚动/偏航轴方向将常值扰动纳入状态方程中以抑制其对CMG角动量的影响;将1倍、2倍于轨道频率的扰动纳入到状态方程中以抑制其对姿态的影响。然后采用带极点配置的线性二次型（LQR）算法求解出反馈增益矩阵,该算法可以避免选取权重矩阵,并且根据系统性能要求即能将闭环极点配置到复平面虚轴左侧指定的区域。最后仿真结果验证了该算法的可行性。      

板式表面张力贮箱推进剂重定位过程数值仿真的网格收敛性分析

为了验证2.67 L卫星贮箱性能，通过建立贮箱仿真模型，分别对贮箱50%与60%填充率下推进剂的重定位过程进行仿真验证。为了提高仿真效率，通过引入GCI指数这一概念，对比295万、625万、767万、955万网格数量的仿真结果，对仿真模型的网格收敛性进行分析。通过两个工况仿真结果的对比验证，认为当网格数量为625万时，数值模拟的误差能够收敛，具有较高的仿真效率。基于该仿真模型，对比分析了贮箱在受到轴向、周向扰动时与不受扰动时推进剂重定位过程的质心坐标变化，发现在扰动持续1 s情况下，推进剂质心变化小于1×10^-3m,因此认为该板式贮箱具有较好的抗扰动能力。     

引力探测器-B入轨

引力探测器-B(GP-B)卫星于2004年4月19日发射,基本目的是验证爱因斯坦的广义相对论。爱因斯坦于1915年就提出了广义相对论,认为引力场的存在影响时空的几何形状,这个效应似乎使得空间一时间弯曲。根据这个理论,有两位科学家在1918年通过计算得出结论：一个旋转的大质量物体将缓慢地拖曳其周围的时空,这种效     

一种基于连续星图观测的自旋姿态估计方法

传统的利用地球敏感器和太阳敏感器作为测量仪器的自旋卫星姿态确定方法存在系统误差和安装误差等,从而导致自旋姿态确定误差较大的问题,文章提出了一种利用星敏感器获取的连续星图估计卫星自旋姿态参数的新方法。该方法以卫星的自旋轴和旋转角速度作为状态变量,通过星敏感器连续跟踪拍摄的恒星的成像位置作为观测量,利用无迹卡尔曼滤波估计出卫星的自旋姿态参数。仿真结果表明,在星敏感器的精度为3″时,该方法的自旋轴估计精度为0.3448″,自旋角速度估计精度为10^-4(°)/s数量级。     

空间制冷机压缩机自适应主动振动控制方法

空间制冷机压缩机的振动是制约其应用于敏感仪器的一项关键因素,压缩机的振动会导致成像模糊,降低探测目标的分辨率和定位精度,甚至引起平台的机械共振。为了降低压缩机振动对空间有效载荷敏感器件的影响,采用基于自适应窄带陷波滤波器的自适应主动减振算法,此算法与振动传递函数模型无关,不受应用环境的限制,通过不断调整驱动信号的幅度和相位来实现自适应减振。搭建了由DSP控制软件、硬件电路、振动传感器组成的自适应主动减振系统,将此算法首次用于压缩机减振,并试验验证了算法的有效性。将压缩机的基频振动由0.166m/s²降低为0.014m/s²,下降了21.2dB。     

高稳定度低温蓝宝石微波频率源设计

利用蓝宝石晶体在低温下具有低损耗的特点，设计并研制了本征模式为WGH_12,0,0的蓝宝石微波腔。当温度稳定在6.4K时，其Q值能够达到4.0×10⁸。以此微波腔为基础，形成正反馈振荡回路，并根据POUND电路原理对环路中振荡信号的相位进行控制，提高整机稳定度指标。为满足频率互比测试的需求，采用共用一个低温装置的方案，构建了两台低温蓝宝石微波源，一路输出频率为9.204GHz，另一路输出频率为9.205GHz，两路信号混频，并用时间间隔计数器测量差频信号的频率。经计算，低温蓝宝石微波频率源的秒级频率稳定度达到了3.28×10^-15。     

包含引力辅助变轨的三体Lambert问题求解算法

对包含引力辅助变轨的三体Lambert问题提出了一种数值求解算法,分为转移轨道初始设计和终值搜索两部分.采用伪状态理论,通过简单迭代求解高精度的转移轨道初始设计结果,在此基础之上,通过数值积分在更复杂的摄动环境中,计算精确的转移轨道和一二阶状态转移矩阵,并利用二阶微分修正算法搜索最终解.经过数值算例检验,这种方法具有较高的效率和鲁棒性,可以有效解决三体系统中引力辅助转移轨道的高敏感性问题.     

包含引力辅助变轨的三体Lambert问题求解算法

对包含引力辅助变轨的三体Lambert问题提出了一种数值求解算法,分为转移轨道初始设计和终值搜索两部分.采用伪状态理论,通过简单迭代求解高精度的转移轨道初始设计结果,在此基础之上,通过数值积分在更复杂的摄动环境中,计算精确的转移轨道和一二阶状态转移矩阵,并利用二阶微分修正算法搜索最终解.经过数值算例检验,这种方法具有较高的效率和鲁棒性,可以有效解决三体系统中引力辅助转移轨道的高敏感性问题.