基于内编队的引力参考敏感器研究

The space gravity probe which takes satellite gravity measurement, gravitational wave detection and the test of equivalence principle as the representative has greatly brought the development of space technology as well as the possibility of profound changes of modern physics. The key of space gravity probe is the construction of gravitational reference sensor and how to ensure the proof mass flies along the purely gravitational orbit. According to the gravitational reference sensor based on Inner-formation Flying System put forward by the proposer, the fundamental theory and key technologies are investigated. The gravitational reference sensor has a cavity which can prevent the proof mass from the disturbance of exterior space. According to the remained non-gravitational disturbance on the proof mass in the cavity, coupling mechanism and micro effect are adequately considered, the high-accuracy coupling model is built and the control method of non-gravitational disturbance with stringent specification is also proposed. According to the requirements of relative state measurement, a low disturbance, high-accuracy measurement method will be proposed and the measurement system will be designed. Finally, the measurement and verification method of very weak non-gravitational disturbance will be proposed which satisfies the technological requirements of space gravity probe. The study has significant meaning for the key technologies of gravitational reference sensor and narrowing the gap with foreign, which will provide theoretical support for our future space gravity probe mission.

以卫星重力测量、引力波探测、等效原理检验等为代表的空间引力探测，不仅极大地带动了航天技术的飞跃，也极有可能引起现代物理研究的深刻变革。空间引力探测的关键在于构造引力参考敏感器，使其中的验证质量沿纯引力轨道飞行，从而实现引力探测。针对申请人提出的基于内编队的引力参考敏感器，研究在轨应用的基础理论问题与关键技术。该引力参考敏感器具有空腔，屏蔽了外部空间扰动对验证质量的影响。针对验证质量在腔体内受到的残余非引力干扰，在充分分析其耦合作用及微观效应的基础上，建立高精度耦合力学模型，并提出高指标的非引力干扰综合抑制方法；针对腔体中验证质量相对状态测量要求，提出低扰动、高精度测量方法，并开展测量系统方案设计。最后，提出验证质量极弱非引力干扰的测量与验证方法，满足空间引力探测指标要求。项目研究对突破引力参考敏感器的关键技术、缩小与国外研究的差距具有重要意义，可为我国未来空间引力探测任务提供理论支撑。

卫星重力测量、天基引力波探测等空间引力探测任务的成功实施有赖于对非引力作用的有效剔除或精确测量。通过构造验证质量块的纯引力轨道，内编队引力参考敏感器有效剔除了非引力干扰的影响，为高精度的空间引力探测任务提供了关键支撑。位于航天器质心附近的内编队引力参考敏感器主要由空腔结构、安装在腔体内壁的位移敏感器和包含其间的球形验证质量块组成，利用验证质量块与腔体结构的相对位移测量信息驱动航天器紧密跟踪验证质量块，来维持验证质量块的纯引力飞行状态。内编队引力参考敏感器无需对验证质量块施加悬浮控制力，更容易达到极低的非引力干扰抑制水平，是最为理想的纯引力轨道构造方式。.通过对影响内编队引力参考敏感器性能的主要因素进行了分析，建立了验证质量块非引力干扰的频域指标分配模型。针对验证质量块的初始状态捕获和长波重力场测量任务需求，提出了基于光能探测阵列的相对测量系统概念，动态量程与腔体间隙相当，可达cm量级，精度优于1mm。针对长基线相对轨道摄动重力场测量的高精度任务数据获取需求，采用了基于掩光能量敏感的相对位移测量方法。考虑敏感器的几何布局，建立了验证质量块三位移与敏感器输出的关系模型。设计了可解析求解验证质量块位移的“三正交”和“两平行”敏感器布局方式。研究了基于掩光能量测量信息的验证质量块质心相对位移确定方法以及维持控制下的内编队引力参考敏感器任务能力评估问题。提出了基于H∞回路成形的鲁棒维持控制方法，能够满足任务频段内的非引力干扰抑制和球体质心位移确定指标要求。分析了内编队引力参考敏感器支持下的长基线相对轨道摄动重力场测量任务能力。在非引力干扰的常值分量得到充分抑制、随机分量为1×10-11m/s2的条件下，内编队导航星的自主轨道预报可在三个月内保持m级精度。基于LQR控制律的仿真结果表明nm精度的高性能内编队引力参考敏感器可显著降低维持控制对航天器的功率和推进剂质量需求。