空間引力波探測中無拖曳控制方法研究
發(fā)布時間：2022-01-10 00:33
本文面向空間引力波探測"高精度"要求,從動力學與控制論的角度,對無拖曳衛(wèi)星控制系統(tǒng)進行了研究.參考LISA Pathfinder模型,無拖曳衛(wèi)星包含兩個檢驗質(zhì)量,其控制系統(tǒng)包括衛(wèi)星平臺姿態(tài)控制回路、無拖曳控制回路和靜電懸浮控制回路.無拖曳控制回路采用無拖曳控制技術,檢驗質(zhì)量處于自由落體狀態(tài),控制衛(wèi)星平臺"強跟隨"檢驗質(zhì)量,實現(xiàn)檢驗質(zhì)量和衛(wèi)星平臺的高微重力水平.靜電懸浮控制回路采用了主動隔振控制技術,控制檢驗質(zhì)量"弱跟隨"衛(wèi)星平臺,衰減從衛(wèi)星平臺傳遞到檢驗質(zhì)量的振動擾動,實現(xiàn)檢驗質(zhì)量的高微重力水平,同時避免檢驗質(zhì)量與傳感器的電極籠碰撞.基于Proportional-Integral-Differentive （PID）控制算法,分析了兩種控制技術的頻域特性,并推導了PID控制器參數(shù)的計算公式,由此可以根據(jù)控制性能要求快速地確定控制器參數(shù).隨后,本文提出了一種控制策略,設計了PID控制器,通過數(shù)值仿真驗證了控制策略的有效性和控制器參數(shù)的準確性.
【文章來源】：中國科學:物理學 力學 天文學. 2020,50(07)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：11 頁
【部分圖文】：
(網(wǎng)絡版彩圖)控制系統(tǒng)的靈敏度函數(shù)和補靈敏度函數(shù).(a)無拖曳控制回路;(b)靜電懸浮控制回路;(c)衛(wèi)星平臺姿態(tài)控制
空間引力波探測項目LISA、太極計劃和天琴計劃,均采用三顆無拖曳衛(wèi)星等邊三角形編隊構型方案,每顆無拖曳衛(wèi)星包含1–2個檢驗質(zhì)量.圖1展示了LISA項目及其后續(xù)調(diào)整的eLISA(evolved-LISA)/NGO(New Gravitational Wave Observatory)項目的引力波探測衛(wèi)星編隊構型圖.表1中列出了這幾項引力波探測項目的部分指標參數(shù).為滿足空間引力波探測高精度指標要求,無拖曳衛(wèi)星的控制系統(tǒng)具備如下功能:(1)衛(wèi)星平臺姿態(tài)控制,滿足激光干涉測量鏈路對準要求;(2)檢驗質(zhì)量無拖曳控制,實現(xiàn)高精度無拖曳水平,從而具備對極微弱引力波的分辨測量能力;(3)衛(wèi)星平臺與檢驗質(zhì)量間的相對運動控制,通過靜電懸浮控制,一方面避免檢驗質(zhì)量與傳感器的電極籠碰撞;另一方面,隔離衛(wèi)星平臺傳遞到檢驗質(zhì)量的振動擾動,實現(xiàn)檢驗質(zhì)量的高微重力水平.為驗證無拖曳衛(wèi)星的控制系統(tǒng),LISA Pathfinder項目采用圖2所示布局方案.衛(wèi)星平臺配置了高精度微推力器,以及用于姿態(tài)測量的星敏感器.衛(wèi)星平臺與檢驗質(zhì)量之間部署了電容式傳感器和靜電力作動器.電容式傳感器實現(xiàn)衛(wèi)星平臺和檢驗質(zhì)量之間相對位置和姿態(tài)的高精度測量;靜電力作動器輸出對衛(wèi)星平臺或檢驗質(zhì)量的控制作用.在兩個檢驗質(zhì)量連線方向進行激光干涉測量,一方面驗證激光干涉儀的測量精度另一方面用于評估檢驗質(zhì)量的無拖曳水平.
實現(xiàn)無拖曳衛(wèi)星高精度控制性能,是成功探測空間引力波的前提.在空間引力波探測科學模式中,圖2所示的無拖曳衛(wèi)星需要進行15自由度控制,包括3個自由度的衛(wèi)星平臺姿態(tài)控制、6個自由度的無拖曳控制、6個自由度的靜電懸浮控制.無拖曳控制和靜電懸浮控制的自由度的選擇有多種組合方案;衛(wèi)星平臺姿態(tài)控制可以采用微推力器或靜電力作動器輸出控制作用.因此,無拖曳衛(wèi)星控制系統(tǒng)的設計是一項復雜的具有挑戰(zhàn)性的任務,涉及15個自由度、2套執(zhí)行機構以及多種控制策略,需要長期投入進行攻關研究.3 無拖曳衛(wèi)星控制技術
【參考文獻】：
期刊論文
[1]引力波探測檢驗廣義相對論[J]. 曹周鍵,何孝凱. 中國科學:物理學 力學 天文學. 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]天琴計劃軌道構型長期漂移特性分析[J]. 萬小波,張曉敏,黎明. 中國空間科學技術. 2017(03)
[4]空間引力波探測——天文學的一個新窗口[J]. 黃雙林,龔雪飛,徐鵬,Pau Amaro-Seoane,邊星,陳躍文,陳弦,房震,馮學鋒,劉富坤,李碩,李想,羅子人,邵明學,Rainer Spurzem,唐文林,王龑,王瑛,臧云龍,劉潤球. 中國科學:物理學 力學 天文學. 2017(01)
[5]激光干涉儀引力波探測器中的光學技術進展[J]. 李永貴,張曉莉,李英民. 中國科學:物理學 力學 天文學. 2017(01)
[6]空間引力波探測計劃-LISA系統(tǒng)設計要點[J]. 王智,馬軍,李靜秋. 中國光學. 2015(06)
[7]空間激光干涉引力波探測[J]. 羅子人,白姍,邊星,陳葛瑞,董鵬,董玉輝,高偉,龔雪飛,賀建武,李洪銀,李向前,李玉瓊,劉河山,邵明學,宋同消,孫保三,唐文林,徐鵬,徐生年,楊然,靳剛. 力學進展. 2013(04)
本文編號：3579728
【文章來源】：中國科學:物理學 力學 天文學. 2020,50(07)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：11 頁
【部分圖文】：
(網(wǎng)絡版彩圖)控制系統(tǒng)的靈敏度函數(shù)和補靈敏度函數(shù).(a)無拖曳控制回路;(b)靜電懸浮控制回路;(c)衛(wèi)星平臺姿態(tài)控制
空間引力波探測項目LISA、太極計劃和天琴計劃,均采用三顆無拖曳衛(wèi)星等邊三角形編隊構型方案,每顆無拖曳衛(wèi)星包含1–2個檢驗質(zhì)量.圖1展示了LISA項目及其后續(xù)調(diào)整的eLISA(evolved-LISA)/NGO(New Gravitational Wave Observatory)項目的引力波探測衛(wèi)星編隊構型圖.表1中列出了這幾項引力波探測項目的部分指標參數(shù).為滿足空間引力波探測高精度指標要求,無拖曳衛(wèi)星的控制系統(tǒng)具備如下功能:(1)衛(wèi)星平臺姿態(tài)控制,滿足激光干涉測量鏈路對準要求;(2)檢驗質(zhì)量無拖曳控制,實現(xiàn)高精度無拖曳水平,從而具備對極微弱引力波的分辨測量能力;(3)衛(wèi)星平臺與檢驗質(zhì)量間的相對運動控制,通過靜電懸浮控制,一方面避免檢驗質(zhì)量與傳感器的電極籠碰撞;另一方面,隔離衛(wèi)星平臺傳遞到檢驗質(zhì)量的振動擾動,實現(xiàn)檢驗質(zhì)量的高微重力水平.為驗證無拖曳衛(wèi)星的控制系統(tǒng),LISA Pathfinder項目采用圖2所示布局方案.衛(wèi)星平臺配置了高精度微推力器,以及用于姿態(tài)測量的星敏感器.衛(wèi)星平臺與檢驗質(zhì)量之間部署了電容式傳感器和靜電力作動器.電容式傳感器實現(xiàn)衛(wèi)星平臺和檢驗質(zhì)量之間相對位置和姿態(tài)的高精度測量;靜電力作動器輸出對衛(wèi)星平臺或檢驗質(zhì)量的控制作用.在兩個檢驗質(zhì)量連線方向進行激光干涉測量,一方面驗證激光干涉儀的測量精度另一方面用于評估檢驗質(zhì)量的無拖曳水平.
實現(xiàn)無拖曳衛(wèi)星高精度控制性能,是成功探測空間引力波的前提.在空間引力波探測科學模式中,圖2所示的無拖曳衛(wèi)星需要進行15自由度控制,包括3個自由度的衛(wèi)星平臺姿態(tài)控制、6個自由度的無拖曳控制、6個自由度的靜電懸浮控制.無拖曳控制和靜電懸浮控制的自由度的選擇有多種組合方案;衛(wèi)星平臺姿態(tài)控制可以采用微推力器或靜電力作動器輸出控制作用.因此,無拖曳衛(wèi)星控制系統(tǒng)的設計是一項復雜的具有挑戰(zhàn)性的任務,涉及15個自由度、2套執(zhí)行機構以及多種控制策略,需要長期投入進行攻關研究.3 無拖曳衛(wèi)星控制技術
【參考文獻】：
期刊論文
[1]引力波探測檢驗廣義相對論[J]. 曹周鍵,何孝凱. 中國科學:物理學 力學 天文學. 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]天琴計劃軌道構型長期漂移特性分析[J]. 萬小波,張曉敏,黎明. 中國空間科學技術. 2017(03)
[4]空間引力波探測——天文學的一個新窗口[J]. 黃雙林,龔雪飛,徐鵬,Pau Amaro-Seoane,邊星,陳躍文,陳弦,房震,馮學鋒,劉富坤,李碩,李想,羅子人,邵明學,Rainer Spurzem,唐文林,王龑,王瑛,臧云龍,劉潤球. 中國科學:物理學 力學 天文學. 2017(01)
[5]激光干涉儀引力波探測器中的光學技術進展[J]. 李永貴,張曉莉,李英民. 中國科學:物理學 力學 天文學. 2017(01)
[6]空間引力波探測計劃-LISA系統(tǒng)設計要點[J]. 王智,馬軍,李靜秋. 中國光學. 2015(06)
[7]空間激光干涉引力波探測[J]. 羅子人,白姍,邊星,陳葛瑞,董鵬,董玉輝,高偉,龔雪飛,賀建武,李洪銀,李向前,李玉瓊,劉河山,邵明學,宋同消,孫保三,唐文林,徐鵬,徐生年,楊然,靳剛. 力學進展. 2013(04)
本文編號：3579728
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