空间引力波探测航天器系统及平台技术 被引量：7

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作者 张立华 黎明 +3 位作者 高永新 胡越欣 王凤彬 张涛 《中山大学学报（自然科学版）》 CAS CSCD 北大核心 2021年第1期129-137,共9页

引力波探测是当代物理学最重要的前沿领域之一,与引力波的地面探测相比,引力波的空间探测能够探测更丰富的波源和更遥远的目标,具有重大的科学价值。空间引力波探测带来了空前的技术挑战,对航天器系统和平台提出了极高的技术指标要求,... 引力波探测是当代物理学最重要的前沿领域之一,与引力波的地面探测相比,引力波的空间探测能够探测更丰富的波源和更遥远的目标,具有重大的科学价值。空间引力波探测带来了空前的技术挑战,对航天器系统和平台提出了极高的技术指标要求,传统的卫星平台难以满足任务需求,必须设计开发新的平台,并突破诸多关键技术。本文对空间引力波探测航天器总体和平台设计面临的挑战、主要的设计约束条件进行了分析,提出了天琴引力波探测航天器的总体方案设想和初步的构型布局方案,对航天器平台所涉及的关键技术进行了梳理,并对后续解决途径提出了建议。 展开更多

关键词 空间引力波探测 航天器总体 航天器平台 关键技术

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天琴计划简介 被引量：21

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作者 罗俊 艾凌皓 +153 位作者 艾艳丽 安子聪 白伟钢 白彦峥 包佳慧 曹斌 常文博 陈琛 陈厚源 崔凯 单莹 丁延卫 段会宗 范会敏 范磊 范纹彤 范霄 冯文凡 付新菊 付瑜亮 高晨光 郜青 高添泉 高鑫 高永新 龚云贵 谷德峰 辜凌云 郭兴 韩西达 何芸 胡一鸣 胡越新 胡展 黄顺佳 黄祥青 黄潇博 纪沐婕 蒋贇 焦磊 靳鸿鸣 康小明 匡双阳 雷卫华 李程远 李洪银 李珏 李康康 李萌 李明 黎明 李涛 李霄栋 李语强 李祝 李竹溪 黎樽彪 练军想 梁正程 林伟 凌晨 刘辉 刘佳恒 刘建平 刘力 刘祺 刘尚飞 刘胜前 刘帅 刘旭辉 刘雁冲 刘源 龙江 龙军 陆璐 罗成健 骆颖欣 马波 梅健伟 孟云鹤 明珉 牛翔 潘加键 庞爱平 彭慧生 屈少波 区子维 任亮亮 申荣锋 沈岩 石常富 宋佳凝 宋培义 索晓晨 谭柏轩 谭定银 檀庄斌 涂良成 王成 王铖锐 王凤彬 王海天 王继河 王凌风 王尚胜 王泰卜 汪旭东 王炎 汪洋 汪一萍 王智钊 魏东东 文明轩 吴庆文 吴勤勤 吴书朝 吴先霖 夏冰 夏旭 肖青 肖小圆 谢宁 徐家豪 颜浩 闫勇 杨铖 杨诚鋆 杨涓 杨列 杨山清 叶伯兵 叶贤基 叶小容 尹航 于达仁 袁慧敏 曾明 张才士 张德轩 张建东 张静怡 张锦绣 张居正 张开 张蜡宝 张立华 张涛 张鑫 张鑫2 张雪峰 赵宏超 赵玥 赵泽伟 周鸿博 《中山大学学报（自然科学版）》 CAS CSCD 北大核心 2021年第1期1-19,共19页

天琴计划预期于2035年左右发射并部署边长约17万公里的等边三角形卫星星座,构成一个引力波天文台—天琴。天琴将对10^(-4)~1 Hz频段的引力波进行探测,为人类描绘一幅更全面的宇宙图景。在本文中,我们对天琴计划的背景和提出过程、天琴... 天琴计划预期于2035年左右发射并部署边长约17万公里的等边三角形卫星星座,构成一个引力波天文台—天琴。天琴将对10^(-4)~1 Hz频段的引力波进行探测,为人类描绘一幅更全面的宇宙图景。在本文中,我们对天琴计划的背景和提出过程、天琴的主要探测对象和主要科学目标、天琴需要攻克的核心关键技术问题、天琴计划技术路线图及进展等进行介绍,以方便更多人加入这一项富有挑战而又激动人心的工作。 展开更多

关键词 天琴计划 空间引力波探测 引力波

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太极计划激光链路构建地面模拟控制系统研究 被引量：3

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作者 赵梦阳 高瑞弘 +1 位作者 张强涛 罗子人 《中国激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第19期114-124,共11页

太极计划需要通过激光捕获指向系统实现两颗卫星之间超长距离(3×10^(6)km)的激光链路构建,并且实现1μrad的捕获精度以及10 nrad/Hz(1 mHz~1 Hz)的指向抖动控制精度。空间引力波探测提出利用星敏感器(STR)、互补金属氧化物半导体(C... 太极计划需要通过激光捕获指向系统实现两颗卫星之间超长距离(3×10^(6)km)的激光链路构建,并且实现1μrad的捕获精度以及10 nrad/Hz(1 mHz~1 Hz)的指向抖动控制精度。空间引力波探测提出利用星敏感器(STR)、互补金属氧化物半导体(CMOS)捕获相机以及四象限光电探测器(QPD)等三级探测器逐步构建双向激光链路的方案,并最终通过差分波前传感技术(DWS)测量的高精度姿态信息来实现超稳的激光指向抖动控制。目前该方案仍处于理论论证阶段。为了测试该方案,采用实验室现有激光捕获指向一体化的光学系统以及一块ZYNQ芯片的自研板卡,尝试实现整个激光链路构建过程的全自主控制流程。实验结果表明:在大气环境下,成功自主完成了双向激光链路的构建,最终对应到实际系统望远镜前的捕获精度达到了0.07μrad,指向控制过程的控制精度在太极计划的敏感频段内达到了9.7 nrad/Hz,能够满足任务需求。实验成功验证了激光链路构建方案的可行性,为下一步太极计划激光链路构建控制系统工程实施阶段的板级实现奠定了基础。 展开更多

关键词 光通信 空间引力波探测 双向激光链路构建 全流程自主控制 光斑质心定位

原文传递

空间引力波探测无拖曳技术现状与趋势

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作者 张锦绣 陶文舰 +3 位作者 连晓斌 王继河 孟云鹤 刘源 《国防科技大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期1-17,共17页

航天器无拖曳控制是实现引力波空间探测科学平台超静超稳运行的核心关键技术之一。目前,国内外各研究机构对航天器系统的动力学与控制进行了深入研究,并针对不同的探测频段需求提出了不同的探测任务。根据探测任务进行了航天器编队设计... 航天器无拖曳控制是实现引力波空间探测科学平台超静超稳运行的核心关键技术之一。目前,国内外各研究机构对航天器系统的动力学与控制进行了深入研究,并针对不同的探测频段需求提出了不同的探测任务。根据探测任务进行了航天器编队设计与控制的详细介绍和分析,对涉及的无拖曳与姿态控制、高精度惯性传感器与执行机构等原理和理论方法进行了深入的剖析。针对现已开展的空间引力波探测无拖曳航天器在轨飞行的演示验证整体情况进行详述和分析。在此基础上,提出后续开展相关研究中亟待解决的关键问题,指出未来无拖曳航天器系统动力学与控制的研究热点和趋势。 展开更多

关键词 无拖曳航天器 空间引力波探测 轨道设计与控制 无拖曳与姿态控制 惯性传感器与执行机构 飞行演示验证

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面向毫赫兹频段激光强度噪声抑制的低噪声光电探测技术 被引量：1

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作者 郑立昂 李番 +8 位作者 王嘉伟 李健博 高丽 贺子洋 尚鑫 尹王保 田龙 杨文海 郑耀辉 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第5期272-281,共10页

通过选定低噪声电压基准芯片作为光电二极管的稳定偏压,采用低暗电流光电二极管,设计外围跨阻放大电路,利用低温漂系数元件,温控及电磁屏蔽等,研发低噪声光电探测器,并通过低频段强度噪声评估系统对其噪声进行测试评估。实验结果表明:... 通过选定低噪声电压基准芯片作为光电二极管的稳定偏压,采用低暗电流光电二极管,设计外围跨阻放大电路,利用低温漂系数元件,温控及电磁屏蔽等,研发低噪声光电探测器,并通过低频段强度噪声评估系统对其噪声进行测试评估。实验结果表明:所研发的低噪声探测器在空间引力波频段的电子学噪声谱密度在1.649×10^(-5)V/Hz^(1/2)以下,在0.1 mHz处为1.649×10^(-5)V/Hz^(1/2),在1 mHz处为6.95×10^(-6)V/Hz^(1/2),在1 Hz处为7.07×10^(-8)V/Hz^(1/2);在8 mW激光入射光电二极管时,探测器抬高为40 dB。该探测器噪声性能均小于相应引力波探测中对激光强度噪声的要求,可为引力波探测中激光强度噪声抑制等方面提供关键器件支撑。 展开更多

关键词 激光放大器 空间引力波探测 光电探测 电压噪声表征 对数轴谱密度算法

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面向空间引力波探测的程控低噪声高精度电压基准源 被引量：1

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作者 王嘉伟 李健博 +7 位作者 李番 郑立昂 高子超 安炳南 马正磊 尹王保 田龙 郑耀辉 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第4期377-383,共7页

引力波探测打开了探索宇宙的新窗口,开启了多信使天文学时代.大型激光干涉仪作为空间及地基引力波探测装置,需要使用低噪声激光光源,通过光电负反馈降噪技术可以抑制激光噪声,提高大型激光干涉仪的灵敏度.光电负反馈控制需要将光电探测... 引力波探测打开了探索宇宙的新窗口,开启了多信使天文学时代.大型激光干涉仪作为空间及地基引力波探测装置,需要使用低噪声激光光源,通过光电负反馈降噪技术可以抑制激光噪声,提高大型激光干涉仪的灵敏度.光电负反馈控制需要将光电探测器信号与电压基准源信号相减,之后经过比例积分微分器得到误差信号,来控制泵浦电流驱动器的输出功率,从而实现激光噪声抑制.由于光电探测器信号受激光强度影响,其输出电压在一定范围内变化,这就需要电压基准源信号的输出电压可变;另外,电压基准源的性能直接影响反馈控制环路的整体性能,是激光噪声抑制的下限.本文通过选定低噪声基准芯片及数模转换芯片,设计外控电路、采用低温漂系数元件、通过精密布板及电磁屏蔽等方案,研发高精度低噪声程控电压基准源;并通过可编程逻辑门阵列模块编程控制数模转换,实现程控电压基准源输出电压精密变化.结果表明:所研发的电压基准源输出电压范围为-10V—+10 V,输出电压分辨率达20 bit,在空间引力波频段输出电压的相对噪声谱密度低于9.6×10^(-6)Hz^(-1/2),基准源噪声性能均优于相应引力波探测中对激光强度噪声要求,为引力波探测中激光强度噪声抑制等方面提供关键器件支撑. 展开更多

关键词 空间引力波探测 电压基准源 电压噪声表征 对数轴谱密度算法

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面向空间引力波探测的低噪声平衡零拍探测系统研究(特邀) 被引量：3

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作者 王炜杰 李番 +6 位作者 李健博 鞠明健 郑立昂 田宇航 尹王保 田龙 郑耀辉 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2022年第6期101-109,共9页

空间引力波探测频段位于0.1 mHz~1 Hz范围内,在该频段内包含了更大特征质量和尺度的引力波波源信息。目前,基于不同尺寸及空间轨道的大型激光干涉空间引力波探测计划已经逐步实施,其中在干涉仪的激光光源系统中,需要抑制激光强度噪声及... 空间引力波探测频段位于0.1 mHz~1 Hz范围内,在该频段内包含了更大特征质量和尺度的引力波波源信息。目前,基于不同尺寸及空间轨道的大型激光干涉空间引力波探测计划已经逐步实施,其中在干涉仪的激光光源系统中,需要抑制激光强度噪声及频率噪声等,光电探测作为激光噪声表征及抑制的第一级器件,其性能将直接影响激光噪声抑制效果。通过选定低噪声芯片、高稳定偏压系统的基础上,采用自减电路及跨阻放大电路进行整体电路设计;在电磁屏蔽、低温漂系数元件、低噪声供电以及主动温控等技术手段实现了高增益低噪声平衡零拍探测系统的研制;结合快速傅里叶变换法以及对数轴功率谱密度算法对其增益、带宽等性能进行评估测试,并进一步对激光的强度噪声在0.05 mHz~1 Hz频段进行探测表征。实验结果表明:所研发平衡零拍探测电子学噪声谱密度在1 mHz~1 Hz的频率范围内在3.6×10^(-5)V/Hz^(1/2)以下,小于空间引力波探测对激光光源噪声要求;进一步当入射光功率为400μW时,测量得到平衡零拍探测系统在0.1 mHz~1 Hz的频率范围内增益在20 dB以上;激光强度噪声谱密度在1 mHz处为3.6×10^(-2)V/Hz^(1/2),实现低噪声光电探测及激光强度噪声表征,为空间引力波探测中激光强度噪声表征及抑制等方面提供关键器件支撑。 展开更多

关键词 空间引力波探测 平衡零拍探测 真空噪声 对数轴谱密度算法

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天琴轨道与星座设计进展 被引量：4

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作者 张雪峰 叶伯兵 +6 位作者 檀庄斌 袁慧敏 罗成健 焦磊 谷德峰 丁延卫 梅健伟 《中山大学学报（自然科学版）》 CAS CSCD 北大核心 2021年第1期123-128,共6页

天琴计划预计将在地球10万km高度附近处的圆轨道上部署三颗无拖曳控制卫星,组成近似等边三角形星座,并利用高精度星间激光干涉链路来探测宇宙空间中mHz频段的低频引力波信号。采用地球高轨是天琴计划的显著特征,如何行之有效地设计和利... 天琴计划预计将在地球10万km高度附近处的圆轨道上部署三颗无拖曳控制卫星,组成近似等边三角形星座,并利用高精度星间激光干涉链路来探测宇宙空间中mHz频段的低频引力波信号。采用地球高轨是天琴计划的显著特征,如何行之有效地设计和利用地球轨道是天琴方案面临的重要问题。本文将从星座构型稳定性优化、轨道面与轨道半径选取、地月系引力场干扰效应评估、阴影规避这四个方面介绍天琴轨道与星座设计的主要研究进展。 展开更多

关键词 空间引力波探测 天琴计划 轨道设计 星座构型 空间环境效应

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低频段低噪声电压基准源的电压噪声测试与表征 被引量：3

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作者 赵子琳 李番 +4 位作者 李瑞鑫 武志学 尹王保 杨荣草 田龙 《量子光学学报》 北大核心 2022年第1期1-7,共7页

空间引力波探测面向0.1 mHz~1 Hz频段引力波信号,在此频段内包含了更大特征质量和尺度的波源信息。目前的空间引力波探测计划都采用大型激光干涉仪装置进行探测,其中激光光源系统以及无拖曳系统等关键部件的灵敏度都依赖于极低的电学噪... 空间引力波探测面向0.1 mHz~1 Hz频段引力波信号,在此频段内包含了更大特征质量和尺度的波源信息。目前的空间引力波探测计划都采用大型激光干涉仪装置进行探测,其中激光光源系统以及无拖曳系统等关键部件的灵敏度都依赖于极低的电学噪声,然而极低电学噪声受限于航天器上电压基准源的噪声水平,这就需要研发低噪声电压基准源并对激光强度噪声及关键电学器件的电学噪声进行低频段噪声表征。本文通过选定低噪声基准芯片,并设计相关外围电路、仿真模拟、电磁屏蔽、采用低温漂系数元件、低噪声供电以及主动温控等技术手段实现了低噪声基准电压源的研制。由于0.1 mHz~1 Hz频段无法用现有商用设备进行此全频段噪声分析,我们利用高精度数字万用表进行基准源输出电压的测试与采集,并采用快速傅里叶变换法以及对数轴功率谱密度法将采集的数据进行计算处理,得到所研发电压基准在0.01 mHz~1 Hz频段的电压噪声谱密度。实验结果表明电压噪声谱密度在0.01 mHz时达到1.85×10^(−3)V/Hz^(1/2),在0.1 mHz~1 Hz的频率范围内在4.89×10^(−4)V/Hz^(1/2)以下。此低噪声电压基准源的研发及其噪声评估为空间引力波探测中激光强度噪声抑制等方面提供关键器件支撑。 展开更多

关键词 空间引力波探测 电压基准源 电压噪声表征 对数轴谱密度算法

原文传递

基于卡尔曼滤波的输出调节自适应无拖曳控制

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作者 孙笑云 吴树范 沈强 《深空探测学报（中英文）》 CSCD 北大核心 2023年第3期283-291,共9页

针对一类仅能获得系统降维输出信息的自适应输出调节控制问题,提出了一种基于卡尔曼滤波的输出调节模型参考自适应控制方法,利用卡尔曼滤波的非线性估计能力,实现降维输出量测信息向全维状态信息的估计,利用观测状态实现闭环系统输出向... 针对一类仅能获得系统降维输出信息的自适应输出调节控制问题,提出了一种基于卡尔曼滤波的输出调节模型参考自适应控制方法,利用卡尔曼滤波的非线性估计能力,实现降维输出量测信息向全维状态信息的估计,利用观测状态实现闭环系统输出向参考状态的自适应跟踪,并确保各闭环信号的稳定性。将上述方法应用于空间引力波探测任务无托曳稳定平台的控制问题中,实现无托曳控制系统在面临系统参数未知及附加干扰时稳定的输出跟踪能力。基于Lyapunov方法实现各闭环信号稳定性的理论分析,数值仿真对比验证了该方法相对于一般输出调节自适应控制方法跟踪能力的优越性。 展开更多

关键词 卡尔曼滤波 模型参考自适应控制 输出调节 空间引力波探测 无托曳控制

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面向空间引力波探测的激光强度噪声评估系统 被引量：3

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作者 李番 王嘉伟 +7 位作者 高子超 李健博 安炳南 李瑞鑫 白禹 尹王保 田龙 郑耀辉 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第20期371-379,共9页

空间引力波探测的波源特征面向更大特征质量和尺度的引力波源信息,与地基引力波探测、原初引力波探测、脉冲星引力波探测等形成互补探测方案.空间引力波探测基于长距离激光干涉装置,主要探测0.1 mHz—1 Hz频段范围内的引力波信号,由于... 空间引力波探测的波源特征面向更大特征质量和尺度的引力波源信息,与地基引力波探测、原初引力波探测、脉冲星引力波探测等形成互补探测方案.空间引力波探测基于长距离激光干涉装置,主要探测0.1 mHz—1 Hz频段范围内的引力波信号,由于空间引力波探测装置的灵敏度直接受到激光光源噪声的影响,为满足空间引力波探测的要求,就需要对极低频段激光强度噪声进行评估与表征.本文基于低噪声光电探测、高精度数字万用表操控以及对数频率轴功率谱密度估计算法编程,构建极低频段激光强度噪声测试评估系统.实验结果表明,在0.1 mHz—1 Hz频段高精度万用表的电子学噪声低于5×10^(-5)V/Hz^(1/2),探测器电子学噪声低于4×10^(-5)V/Hz^(1/2),高精度万用表及探测器的电子学噪声均低于我国空间引力波探测计划中对激光光源强度噪声的要求.本文中构建的0.1 mHz—1 Hz频段激光强度噪声评估系统满足了我国空间引力波探测计划对激光强度噪声评估的需求,为空间引力波探测中激光光源噪声评估及噪声抑制奠定了重要基础. 展开更多

关键词 空间引力波探测 激光强度噪声 对数频率轴功率谱密度估计算法 噪声评估系统

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空间激光干涉引力波探测器轨道修正方法 被引量：4

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作者 黄文涛 师鹏 +1 位作者 赵育善 武海雷 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第3期598-607,共10页

针对空间激光干涉引力波探测器轨道修正问题,提出一种基于虚拟编队构型设计的航天器轨道修正方法。空间激光干涉引力波探测器由3颗航天器组成等边三角形构型。由于入轨误差和摄动的影响,探测器的构型不稳定。假设名义轨道上运行着一颗... 针对空间激光干涉引力波探测器轨道修正问题,提出一种基于虚拟编队构型设计的航天器轨道修正方法。空间激光干涉引力波探测器由3颗航天器组成等边三角形构型。由于入轨误差和摄动的影响,探测器的构型不稳定。假设名义轨道上运行着一颗理想航天器,实际轨道上的真实航天器与之组成虚拟编队,探测器的3颗真实航天器分别与对应的理想航天器组成3个虚拟编队。考虑探测器构型稳定性要求和摄动的影响,对虚拟编队的构型进行设计,进而求解航天器平均轨道要素修正量。求解得到的航天器平均轨道要素修正量小于偏差量,轨道修正通过四脉冲控制实现。数值仿真结果表明,该方法通过部分轨道修正满足了探测器的构型稳定性要求,具有减少燃料消耗、延长任务寿命的潜力。 展开更多

关键词 空间激光干涉引力波探测 轨道修正 虚拟编队 摄动 天琴计划

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