空间引力波探测中无拖曳控制方法研究
发布时间：2022-01-10 00:33
本文面向空间引力波探测"高精度"要求,从动力学与控制论的角度,对无拖曳卫星控制系统进行了研究.参考LISA Pathfinder模型,无拖曳卫星包含两个检验质量,其控制系统包括卫星平台姿态控制回路、无拖曳控制回路和静电悬浮控制回路.无拖曳控制回路采用无拖曳控制技术,检验质量处于自由落体状态,控制卫星平台"强跟随"检验质量,实现检验质量和卫星平台的高微重力水平.静电悬浮控制回路采用了主动隔振控制技术,控制检验质量"弱跟随"卫星平台,衰减从卫星平台传递到检验质量的振动扰动,实现检验质量的高微重力水平,同时避免检验质量与传感器的电极笼碰撞.基于Proportional-Integral-Differentive （PID）控制算法,分析了两种控制技术的频域特性,并推导了PID控制器参数的计算公式,由此可以根据控制性能要求快速地确定控制器参数.随后,本文提出了一种控制策略,设计了PID控制器,通过数值仿真验证了控制策略的有效性和控制器参数的准确性.
【文章来源】：中国科学:物理学 力学 天文学. 2020,50(07)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
(网络版彩图)控制系统的灵敏度函数和补灵敏度函数.(a)无拖曳控制回路;(b)静电悬浮控制回路;(c)卫星平台姿态控制
空间引力波探测项目LISA、太极计划和天琴计划,均采用三颗无拖曳卫星等边三角形编队构型方案,每颗无拖曳卫星包含1–2个检验质量.图1展示了LISA项目及其后续调整的eLISA(evolved-LISA)/NGO(New Gravitational Wave Observatory)项目的引力波探测卫星编队构型图.表1中列出了这几项引力波探测项目的部分指标参数.为满足空间引力波探测高精度指标要求,无拖曳卫星的控制系统具备如下功能:(1)卫星平台姿态控制,满足激光干涉测量链路对准要求;(2)检验质量无拖曳控制,实现高精度无拖曳水平,从而具备对极微弱引力波的分辨测量能力;(3)卫星平台与检验质量间的相对运动控制,通过静电悬浮控制,一方面避免检验质量与传感器的电极笼碰撞;另一方面,隔离卫星平台传递到检验质量的振动扰动,实现检验质量的高微重力水平.为验证无拖曳卫星的控制系统,LISA Pathfinder项目采用图2所示布局方案.卫星平台配置了高精度微推力器,以及用于姿态测量的星敏感器.卫星平台与检验质量之间部署了电容式传感器和静电力作动器.电容式传感器实现卫星平台和检验质量之间相对位置和姿态的高精度测量;静电力作动器输出对卫星平台或检验质量的控制作用.在两个检验质量连线方向进行激光干涉测量,一方面验证激光干涉仪的测量精度另一方面用于评估检验质量的无拖曳水平.
实现无拖曳卫星高精度控制性能,是成功探测空间引力波的前提.在空间引力波探测科学模式中,图2所示的无拖曳卫星需要进行15自由度控制,包括3个自由度的卫星平台姿态控制、6个自由度的无拖曳控制、6个自由度的静电悬浮控制.无拖曳控制和静电悬浮控制的自由度的选择有多种组合方案;卫星平台姿态控制可以采用微推力器或静电力作动器输出控制作用.因此,无拖曳卫星控制系统的设计是一项复杂的具有挑战性的任务,涉及15个自由度、2套执行机构以及多种控制策略,需要长期投入进行攻关研究.3 无拖曳卫星控制技术
【参考文献】：
期刊论文
[1]引力波探测检验广义相对论[J]. 曹周键,何孝凯. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2018(07)
[2]The Taiji Program in Space for gravitational wave physics and the nature of gravity[J]. Wen-Rui Hu,Yue-Liang Wu. National Science Review. 2017(05)
[3]天琴计划轨道构型长期漂移特性分析[J]. 万小波,张晓敏,黎明. 中国空间科学技术. 2017(03)
[4]空间引力波探测——天文学的一个新窗口[J]. 黄双林,龚雪飞,徐鹏,Pau Amaro-Seoane,边星,陈跃文,陈弦,房震,冯学锋,刘富坤,李硕,李想,罗子人,邵明学,Rainer Spurzem,唐文林,王龑,王瑛,臧云龙,刘润球. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2017(01)
[5]激光干涉仪引力波探测器中的光学技术进展[J]. 李永贵,张晓莉,李英民. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2017(01)
[6]空间引力波探测计划-LISA系统设计要点[J]. 王智,马军,李静秋. 中国光学. 2015(06)
[7]空间激光干涉引力波探测[J]. 罗子人,白姗,边星,陈葛瑞,董鹏,董玉辉,高伟,龚雪飞,贺建武,李洪银,李向前,李玉琼,刘河山,邵明学,宋同消,孙保三,唐文林,徐鹏,徐生年,杨然,靳刚. 力学进展. 2013(04)
本文编号：3579728
【文章来源】：中国科学:物理学 力学 天文学. 2020,50(07)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
(网络版彩图)控制系统的灵敏度函数和补灵敏度函数.(a)无拖曳控制回路;(b)静电悬浮控制回路;(c)卫星平台姿态控制
空间引力波探测项目LISA、太极计划和天琴计划,均采用三颗无拖曳卫星等边三角形编队构型方案,每颗无拖曳卫星包含1–2个检验质量.图1展示了LISA项目及其后续调整的eLISA(evolved-LISA)/NGO(New Gravitational Wave Observatory)项目的引力波探测卫星编队构型图.表1中列出了这几项引力波探测项目的部分指标参数.为满足空间引力波探测高精度指标要求,无拖曳卫星的控制系统具备如下功能:(1)卫星平台姿态控制,满足激光干涉测量链路对准要求;(2)检验质量无拖曳控制,实现高精度无拖曳水平,从而具备对极微弱引力波的分辨测量能力;(3)卫星平台与检验质量间的相对运动控制,通过静电悬浮控制,一方面避免检验质量与传感器的电极笼碰撞;另一方面,隔离卫星平台传递到检验质量的振动扰动,实现检验质量的高微重力水平.为验证无拖曳卫星的控制系统,LISA Pathfinder项目采用图2所示布局方案.卫星平台配置了高精度微推力器,以及用于姿态测量的星敏感器.卫星平台与检验质量之间部署了电容式传感器和静电力作动器.电容式传感器实现卫星平台和检验质量之间相对位置和姿态的高精度测量;静电力作动器输出对卫星平台或检验质量的控制作用.在两个检验质量连线方向进行激光干涉测量,一方面验证激光干涉仪的测量精度另一方面用于评估检验质量的无拖曳水平.
实现无拖曳卫星高精度控制性能,是成功探测空间引力波的前提.在空间引力波探测科学模式中,图2所示的无拖曳卫星需要进行15自由度控制,包括3个自由度的卫星平台姿态控制、6个自由度的无拖曳控制、6个自由度的静电悬浮控制.无拖曳控制和静电悬浮控制的自由度的选择有多种组合方案;卫星平台姿态控制可以采用微推力器或静电力作动器输出控制作用.因此,无拖曳卫星控制系统的设计是一项复杂的具有挑战性的任务,涉及15个自由度、2套执行机构以及多种控制策略,需要长期投入进行攻关研究.3 无拖曳卫星控制技术
【参考文献】：
期刊论文
[1]引力波探测检验广义相对论[J]. 曹周键,何孝凯. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2018(07)
[2]The Taiji Program in Space for gravitational wave physics and the nature of gravity[J]. Wen-Rui Hu,Yue-Liang Wu. National Science Review. 2017(05)
[3]天琴计划轨道构型长期漂移特性分析[J]. 万小波,张晓敏,黎明. 中国空间科学技术. 2017(03)
[4]空间引力波探测——天文学的一个新窗口[J]. 黄双林,龚雪飞,徐鹏,Pau Amaro-Seoane,边星,陈跃文,陈弦,房震,冯学锋,刘富坤,李硕,李想,罗子人,邵明学,Rainer Spurzem,唐文林,王龑,王瑛,臧云龙,刘润球. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2017(01)
[5]激光干涉仪引力波探测器中的光学技术进展[J]. 李永贵,张晓莉,李英民. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2017(01)
[6]空间引力波探测计划-LISA系统设计要点[J]. 王智,马军,李静秋. 中国光学. 2015(06)
[7]空间激光干涉引力波探测[J]. 罗子人,白姗,边星,陈葛瑞,董鹏,董玉辉,高伟,龚雪飞,贺建武,李洪银,李向前,李玉琼,刘河山,邵明学,宋同消,孙保三,唐文林,徐鹏,徐生年,杨然,靳刚. 力学进展. 2013(04)
本文编号：3579728
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