空间引力波探测惯性传感器关键技术与进展.pdf
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1、中国空间科学技术A u g.2 5 2 0 2 3 V o l.4 3 N o.4 1-1 2C h i n e s e S p a c e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g yI S S N1 0 0 0-7 5 8 X C N1 1-1 8 5 9/Vh t t p:z g k j.c a s t.c nD O I:1 0.1 6 7 0 8/j.c n k i.1 0 0 0-7 5 8 X.2 0 2 3.0 0 4 8空间引力波探测惯性传感器关键技术与进展吴树范1,2,张倩云1,2,刘梅林1,2,*,沈强1,21.上海市引力波探测前沿科学研究
2、基地,上海2 0 0 2 4 02.上海交通大学 航空航天学院,上海2 0 0 2 4 0摘 要: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31 0-1 5m/s2/H z1/2,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
3、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。关键词:空间惯性传感器;空间引力波探测;电容位移传感;静电反馈控制;地面评价中图分类号:V 1 1 文献标识码:A收稿日期:2 0 2 2-0 7-1 8;修回日期:2 0 2 2-1 0-1 8;录用日期:2 0 2 2-1 0-2 0;网络出版时间:2 0 2 2-1 0-3 1 1 0:2 6基金项目:国家重点研发计划“惯性传感器控制方法与技术研究”
4、(2 0 2 0 Y F C 2 2 0 0 8 0 0)*通信作者.E-m a i l:M e i l i n.L i u s j t u.e d u.c n引用格式:吴树范,张倩云,刘梅林,等.空间引力波探测惯性传感器关键技术与进展J.中国空间科学技术,2 0 2 3,4 3(4):1-1 2.WU S F,Z HAN G Q Y,L I U M L,e t a l.K e y t e c h n o l o g i e s a n d p r o g r e s s o f i n e r t i a l s e n s o r s f o r s p a c e g r a v i t
5、 a t i o n a l w a v e d e t e c t i o nJ.C h i n e s e S p a c e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 3(4):1-1 2(i n C h i n e s e).K e y t e c h n o l o g i e s a n d p r o g r e s s o f i n e r t i a l s e n s o r s f o r s p a c e g r a v i t a t i o n a l w a v e d e t e c t i o nW
6、U S h u f a n1,2,Z H A N G Q i a n y u n1,2,L I U M e i l i n1,2,*,S H E N Q i a n g1,21.S h a n g h a i F r o n t i e r s S c i e n c e C e n t r e f o r G r a v i t a t i o n a l W a v e D e t e c t i o n,S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0,C h i n a2.S c h o o l o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o
7、n a u t i c s,S h a n g h a i J i a o T o n g U n i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0,C h i n aA b s t r a c t:S p a c e i n e r t i a l s e n s o r i s o n e o f t h e k e y s c i e n c e p a y l o a d s i n s p a c e g r a v i t a t i o n a l w a v e d e t e c t i o n m i s s i o n,a i m i
8、 n g t o d e t e c t i n f i n i t e s i m a l c h a n g e i n g r a v i t a t i o n a l w a v e.T h e r e s e a r c h p r o g r e s s,d e t e c t i o n p r i n c i p l e a n d w o r k i n g m e c h a n i s m o f t h e i n e r t i a l s e n s o r w e r e i n t r o d u c e d a n d d i s c u s s e d t
9、 o i l l u s t r a t e i t s t e c h n i c a l c h a l l e n g e s.T h e k e y t e c h n o l o g i e s o f t h e i n e r t i a l s e n s o r d e s i g n w e r e i l l u s t r a t e d i n t h r e e a s p e c t s:c a p a c i t a n c e d i s p l a c e m e n t s e n s i n g,e l e c t r o s t a t i c f e
10、 e d b a c k c o n t r o l a n d g r o u n d e v a l u a t i o n.T h e n,t h e d e v e l o p m e n t a n d r e s e a r c h s t a t u s o f i n e r t i a l s e n s o r s w o r l d w i d e w e r e r e v i e w e d a n d s u mm a r i z e d.I t c o u l d b e s e e n t h a t t h e r e s i d u a l a c c e
11、l e r a t i o n n o i s e w a s t h e k e y i n d i c a t o r o f t h e i n e r t i a l s e n s o r.I t r e a c h e d 31 0-1 5m/s2/H z1/2o r d e r s o f m a g n i t u d e a b r o a d.T h e r e a r e t h r e e o r d e r s o f m a g n i t u d e d e f i c i t b e t w e e n d o m e s t i c a n d a b r o
12、 a d.T h u s,t h e s t u d y o n h i g h p r e c i s i o n s p a c e i n e r t i a l s e n s o r h a s g r e a t s t r a t e g i c a n d s c i e n t i f i c s i g n i f i c a n c e.T o m e e t t h e n e e d s o f i n e r t i a l s e n s o r s i n C h i n a s f u t u r e s p a c e g r a v i t a t i o
13、 n a l w a v e d e t e c t i o n m i s s i o n s,t h e r e s e a r c h c a n f o c u s o n i n e r t i a l s e n s o r c o n t r o l s y s t e m s t r a t e g y,A C a c t u a t o r p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n,m u l t i-d e g r e e-o f-f r e e d o m d e c o u p l i n g c o n t r o l t e
14、 c h n o l o g y,a n d l o w n o i s e t e c h n o l o g y.K e y w o r d s:s p a c e i n e r t i a l s e n s o r;s p a c e g r a v i t a t i o n a l w a v e d e t e c t i o n;c a p a c i t a n c e d i s p l a c e m e n t s e n s i n g;e l e c t r o s t a t i c 2 中国空间科学技术A u g.2 5 2 0 2 3 V o l.4 3 N
15、 o.4f e e d b a c k c o n t r o l;g r o u n d e v a l u a t i o n1 引言高精度的引力波探测是未来基础科学领域最前沿的研究课题之一1。空间引力波探测器相对于地面探测器来说对中低频段更敏感,具有独特的科学价值。目前最具代表性的空间引力波探测计划有欧洲航天局(E S A)的引力波探测计 划L I S A及 其 先 驱 任 务L I S A P a t h f i n d e r(L P F)2;以及国内中山大学牵头发起的“天琴计划”和由中国科学院与欧洲航天局合作发起的“太极计划”。“天琴计划”将在距离地球表面11 05k m高度的同一
16、绕地轨道面内放置三颗航天器,各个航天器之间相位角相差1 2 0,测量频段在1mH z 0.1H z3。“太极计划”预计在2 0 3 3年前后发射由三颗卫星组成的引力波探测星组,与L I S A类似在绕日轨道上形成一个等边三角形,卫星之间相距31 06k m,测量频段在0.1mH z 1H z4。空间惯性传感器作为空间引力波的关键载荷之一,其内部的检验质量(T e s t M a s s,TM)为激光干涉仪提供惯性基准5-6。如图1所示为天琴测量星座组成的激光干涉仪测量平台,三颗卫星两两之间构成激光测量臂。引力波会引起时空的伸缩,当引力波经过测量臂时,时空伸缩引起的光程差被干涉仪读取,图中黄色部
17、分代表的是惯性传感器的检验质量,它是卫星本地测地线的参考点。图1 天琴激光干涉仪测量平台6F i g.1 M e a s u r e m e n t p l a t f o r m o f T i a n Q i n l a s e r i n t e r f e r o m e t e r6惯性传感器由检验质量、电极笼、前端电子学系统以及辅助系统构成,如图2所示。其中检验质量是惯性传感器的核心部件,前端电子学系统包括电容位移传感、静电执行机以及控制器三大部分,辅助系统包含锁紧释放系统、紫外放电系统、真空系统,辅助系统处于检验质量的外围,锁紧释放系统负责保证发射时检验质量的安全,紫外放电系统负
18、责管理检验质量上残余电荷,真空系统用于支撑检验质量和电极笼。惯性传感器的主要功能可以分为以下两种7:1)对航天器受到的非保守力,如大气阻力、太阳光压等作用而产生的加速度进行测量,并反馈给航天器的无拖曳系统,该系统通过控制微推进器产生与之相对的加速度来抵消这部分的非保守力的作用。2)作为激光干涉测量系统的一部分,为激光干涉提供惯性基准,通过测量检验质量与航天器之间的相对位移验证激光干涉系统的性能。图2 空间惯性传感器系统组成示意F i g.2 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e c o m p o s i t i o n o f s p a c e
19、 i n e r t i a l s e n s o r s y s t e m这两种功能对应着不同的工作模式,即加速度计模式和惯性参考模式。在一般的空间应用场景下例如测量非引力、引力梯度、弱力检测等采用加速度计模式,在该模式下,检验质量跟随航天器运动。在空间引力波探测中一般使用惯性参考模式,航天器跟随检验质量运动,检验质量作为惯性基准,这就要求在该模式下检验质量敏感轴上的残余加速度噪声必须控制在极低的水平,残余加速度噪声即惯性传感器的关键指标。目前国内外的空间引力波探测计划对于残余加速度噪声指标的要求均在1 0-1 5 m/s2/H z1/2量级。国 外 目 前 在 轨 测 试 噪 声 水
20、平 已 达 到吴树范,等:空间引力波探测惯性传感器关键技术与进展3 1 0-1 5 m/s2/H z1/2量级,中国目前用于空间引力波探测的惯性传感器噪声水平在1 0-1 2 m/s2/H z1/2量级,仍存在3个数量级的差距。可以看出,空间惯性传感器的设计仍面临着极大的挑战。本文将从空间惯性传感器的工作原理、关键技术、研究进展几方面入手分析总结空间惯性传感器的设计思路及研究现状,同时对未来惯性传感器的研究突破方向进行了初步探讨。2 空间惯性传感器工作原理空间惯性传感器的工作原理可以看作一个检测系统,传感器外壳受到的外界干扰加速度可以看作输入量,检验质量相对惯性传感器的位移为输出量,其基本模型
21、可以看作由检验质量、阻尼系统和轻弹簧组成。传感器受到外界非保守力的作用会产生加速度,而检验质量由于惯性的作用会保持原来的运动状态,与传感器发生相对运动。前端电子学单元利用差分电容传感实现检验质量位置和姿态的高精度检测,将检测到的位置及姿态信息传递给控制系统,由控制系统计算出相应的控制力,并转换为电压幅值信号,通过静电执行机构产生反馈电压施加在极板上,以此产生静电力来实现对检验质量的六自由度控制,即“电容位移传感+静电反馈控制”,如图3所示。目前,空间引力波探测任务中的高精度惯性传感器主要采用这种工作原理。如图4所示为信号在惯性传感器内部的传递形式。在执行机回路中,输入是来自无拖曳系统的控制力信
22、号,在回路中首先将控制力转换为电压控制信号,电压控制信号通过一系列的变化变成施加在极板上的电压Vf,这个电压信号对检验质量会产生静电力,控制检验质量的平动和转动,在电容位移传感回路中,检测极板与检验质量间的电荷变化,将变化量传递给无拖曳系统,计算出所需的控制力传递给执行机回路。所以惯性传感器就是引力波探测科学卫星的无拖曳姿态控制系统的一个核心传感器兼重要执行机构,既感知和检测细微的相对运动,同时,通过静电反馈控制的协助,以实现对外环卫星姿态的无拖曳控制目标。图3 惯性传感器工作原理示意1 2F i g.3 S c h e m a t i c d i a g r a m o f i n e r
23、t i a l s e n s o r w o r k i n g p r i n c i p l e1 2图4 惯性传感器信号传递形式F i g.4 F o r m o f i n e r t i a l s e n s o r s i g n a l t r a n s m i s s i o n 3 空间惯性传感器关键技术目前大部分空间惯性传感器主要基于“电容位移传感+静电反馈控制”的工作原理,因此,电容位移传感及静电反馈控制是空间惯性传感器设计时的两大关键技术。此外,在空间惯性传感器入轨前必须对其功能和性能指标进行相应的地面验证以确保并评估系统的基本功能和在轨状态。以下将从这三个方面介
24、绍空间惯性传感器的关键技术。3.1 电容位移传感技术位移测量是惯性传感器主要功能之一,而以差分电容传感器为基础的惯性传感器能够对缓变外界扰动力所造成的微小位移进行纳米级精确测量。电容位移传感将检验质量的位移转换成相应的电容变化量,并通过电容变化量来表征(评价)被测物理量8。电容传感器通常由传感元件和检测电路组成,如图5所示。传感元件感知被测物理量并将其转化为电容信号输出,检测电路将电容信号转换成易于测量的电压或者电流信号。4 中国空间科学技术A u g.2 5 2 0 2 3 V o l.4 3 N o.4图5 电容传感原理示意1 2F i g.5 S c h e m a t i c d i
25、a g r a m o f c a p a c i t a n c e s e n s i n g p r i n c i p l e1 2目前,惯性传感器通常使用结构形式简单的平行板电容器作为测量基础器件以降低设计加工难度。根据平行板电容器的基本原理,忽略边缘效应,其电容值可以表示为9:C=0rAd(1)式中:0和r分别代表真空介电常数和相对介电常数,相对介电常数与材料属性相关,在轨时电极间介质可近似为真空即r=1;A为有效电极面积;d为电极之间的间距。从式(1)可知,要改变电容的大小可以从改变介电常数、有效电极面积、电极间距三个方面进行。但是在真空环境中,改变介电常数需要依靠改变材料介质来
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