摘要：探讨了一种针对空间引力波探测任务的在轨无拖曳控制技术,基于未来可行的地心轨道探测任务背景进行分析设计,并对搭载两颗检验质量的在轨无拖曳系统进行航天器与质量块间相对运动动力学及耦合特性建模。同时,初步分析了任务中无拖曳系统指标和摄动,并设计了基于频域H_(∞)最优控制理论的系统相对平动控制律。数值仿真结果表明,当双检验质量在轨无拖曳系统各检验质量按激光测距呼吸角排列时,采用无固定追踪点策略且在非敏感轴无悬浮控制输入的情况下,可以实现航天器对基准点的追踪,并满足系统频域性能指标的要求。同时,每颗检验质量的时域偏移量可以控制在微米级别,从而获得任务所需的纯引力基准。

摘要：本文内容分为两部分.第一部分通过外尔曲率来阐述引力波这个物理概念,为天体源引力波探测(地面或空间)建立一个基本的理论框架.第二部分中,在中国科学院二期先导研究的基础上,我们进一步地说明空间引力波探测的天文学意义,特别是在探索早期宇宙中星系结构的形成,星系-黑洞共同演化结构等重大天文问题中提供一种全新的观察窗口.简要介绍中国科学院空间引力波探测计划(太极计划)的任务设计,并进一步阐明其科学目标以及与(e)LISA项目的区别所在,最后给出空间任务中关键载荷的初步分析.

摘要：太极计划是中国探测空间引力波的一项重点任务。望远镜作为空间引力波探测中的重要组成部分,它的性能会直接影响引力波探测的精度。现有的典型空间引力波望远镜结构中次镜灵敏度高,难以满足更大口径的空间引力波望远镜对制造装调公差的要求,特别是在轨稳定性公差要求。为解决以上问题,首先,提出了一种中间像面设置于三四镜之间的新型空间引力波望远镜光学系统结构,以降低次镜灵敏度;结合高斯光学理论方法,从理论上分析并计算新型望远镜结构的初始参数。其次,通过优化设计,获得入瞳直径为400 mm,放大倍率为80倍,科学视场为±8μrad,波前误差RMS值优于0.0063λ的望远镜光学系统。最后,建立了望远镜系统的灵敏度评价公差分配表,对比分析了现有望远镜结构与新型望远镜结构的公差情况。结果显示:相较于现有望远镜结构,新型望远镜结构的灵敏度降低了30.4%,具有低灵敏度优势,为空间引力波望远镜的设计提供了一种优选方案。

摘要：空间引力波望远镜的波像差与指向抖动耦合产生的远场相位噪声是引力波探测的主要噪声源。基于其产生的理论机制,建立了噪声耦合系数与望远镜像差间的函数关系,提出了控制特定像差的优化策略。结合望远镜设计实例验证了该方法对抑制远场相位噪声的效果,当波前质量水平为λ/20(λ=1064nm)时,优化后的噪声耦合系数优于0.11 pm/nrad,较优化前降低了一个数量级,远优于指标要求,所提方法极大地提升了望远镜的远场相位稳定性。

摘要：空间引力波探测太极计划将利用激光干涉的方法,测量两个检验质量之间的距离变化反演引力波信息。在0.1 mHz处,要求检验质量在敏感轴方向的总残余加速度保持在3×10^(-15)m·s^(-2)/√Hz以下。由航天器载荷静引力、热形变和质量波动引起的自引力噪声是检验质量的残余加速度噪声主要来源之一,要求检验质量在敏感轴方向的自引力加速度小于1×10^(-10)m/s^(2),引力梯度小于5×10^(-8)s^(-2)。为了计算检验质量处的自引力大小和引力梯度,针对检验质量与引力源几何形状的不规则性,基于有限元法编写程序计算了引力参考传感器中的引力源作用在检验质量上的线加速度、角加速度和引力梯度。为了缩短计算时间,提出“类自适应”网格划分方法以减小网格数量,并设计了配重以补偿自引力。计算结果显示,经过补偿后的检验质量在敏感轴方向的自引力加速度为9.2377×10^(-12)m/s^(2),引力梯度为-2.5691×10^(-8)s^(-2),满足设计要求。本研究能够为航天器和引力参考传感器的设计与引力补偿提供参考与指导。

摘要：在散射理论的基础上,介绍了一种星载望远镜消光材料积分散射特性测试装置,实现对星载望远镜消光材料散射特性更为全面的测量。对积分散射理论、系统构造、系统性能进行了阐述。对系统进行建模仿真分析,得到结论:消光材料的散射特性在不同点位和入射角下存在明显差异,系统能够测量多种条件下消光材料的散射特性,并得到消光材料全面的散射特性分布。研究结果为根据消光材料特性进行针对性设计提供了更全面、更准确的散射特性分布,为杂散光的测量与抑制、高性能光学仪器的研制与装调以及计算光学等领域的研究提供了参考。为空间引力波探测星载望远镜系统的材料选型、特性研究、杂散光分析与抑制提供了基础。

摘要：在空间引力波探测中,由于星间激光干涉臂不等,导致激光频率噪声不能共模消除,从而使微弱的引力波信号被激光频率噪声淹没。时间延迟干涉(TDI)技术通过将激光相位数据在时间上延迟,构成虚拟等臂干涉,从而能减小激光频率噪声对引力波信号探测的影响。为了在地面验证TDI技术能够将激光频率噪声对引力波探测的影响降低至3×10^(-7) Hz/√Hz(傅里叶频率1 mHz处),需要分析TDI地面验证系统本底噪声的主要来源。通过实验测量和计算分析,提出了面向TDI技术地面验证的激光干涉仪的重要参数设计要求,包括激光干涉臂的臂长差、激光频率稳定度、气压稳定度、激光功率稳定度以及各部件温度稳定度等。

摘要：针对基于CW(Clohessy-Wiltshire)方程所设计的空间引力波探测编队在二体非线性引力场下的臂长发散问题,提出了一种基于二阶CW方程的编队构形设计方法。推导了二阶CW方程的微分形式,利用摄动法得到了二阶CW方程的近似解析解,并以此为基础证明了完美空间圆形绕飞轨道的不存在性,分析了基于CW方程所设计的标称构形的发散原因;基于二阶CW方程与能量匹配周期条件以航天器相位角为优化变量构建了编队构形优化模型,建立了基于全局优化算法和模式搜索算法的多约束构形优化方法;以“太极”任务为背景对优化结果进行了仿真验证。仿真表明:所提出的优化方法能够将编队臂长的平均误差降低至0.32%、最大误差降低至0.44%。

摘要：在空间引力波探测太极计划中,激光干涉测距系统是获取引力波信号的直接手段,为了消除激光频率不稳定性对其的影响,需利用时间延迟干涉技术降低噪声的干扰。时间延迟干涉是一种数据后处理方法,要实现该技术的数据构型,需对卫星臂长实现精确的绝对距离测量。本文从太极计划的需求分析出发,分别从信源编码设计、延迟环设计以及数据处理算法等方面介绍测距系统的设计方案。在信源编码中,文章通过分析m序列、gold序列、Weil码三种伪随机码的自、互相关性优劣以及长度选取上的灵活性,最终选择了Weil码并筛选出其自相关性最优的移位-截取组合,将其作为测距系统所用的伪随机码。同时,基于该测距系统,搭建了一套地面电子学验证实验装置,以模拟信号传输的物理过程并验证系统性能。实验主体装置采用一块基于Xilinx公司K7芯片的自研FPGA板卡用以模拟卫星通信测距过程以及实现锁相环、延迟环等功能。实验将24.4 kbps的16位信息码与1.5625 Mbps的1024位Weil码进行BPSK调制,采样频率为50 MHz,通过10~60 m的射频同轴电缆进行传输后,使用质心法对采集数据进行优化,随后测定该距离。实验结果表明:在60 m范围内,测距精度优于1.6 m。实验证明了测距系统原理及设计的可行性,为下一步的光学系统验证奠定了技术基础。

摘要：针对空间引力波探测航天器平台稳定姿态控制问题,提出一种改进的多变量模型参考自适应控制(MRAC)方案,应用于探测航天器平台无拖曳控制回路中,实现控制系统闭环鲁棒性的提升,抑制与系统输入相匹配的有界附加干扰和参数不确定性。考虑系统状态不易直接获得,MRAC方案的设计基于输出反馈和输出调节;为提高闭环系统鲁棒性,设计自适应修正项,该修正项的得出基于通过稳定性分析构造的线性矩阵不等式组(LMIs)的解。基于Lyapunov方法的稳定性分析验证了各信号的闭环稳定性,数值仿真验证了无拖曳自由度在面临非线性不确定性和附加干扰时的良好鲁棒性。