引力波探测器控制

深入探究探测器的动力学与控制技术对于确保空间引力波探测平台能够达到超静超稳状态并圆满完成科学探测任务至关重要,这是“空间引力波探测”项目成功的基础理论保障。目前,空间引力波探测任务中控制的难点主要包括实现检验质量的超低扰动多级释放控制、双检验质量探测器的无拖曳控制、超大尺度无拖曳探测器编队的协同控制等。本专题主要针对空间引力波探测无拖曳及编队控制任务,全面综述了空间引力波探测无拖曳控制技术国内外研究现状及趋势,深入研究了基于径向力平衡飞行控制的航天器高精度轨道捕获技术、超大尺度星座构形的协同捕获控制策略、双检验质量无拖曳系统的平动控制问题。

鉴于此,《国防科技大学学报》组织策划“引力波探测器控制”专题。专题发表于《国防科技大学学报》2024年第2期,包含1篇综述性论文,3篇技术性论文。专题文章由中山大学天琴计划教育部重点实验室联合航空航天学院、人工智能学院团队撰写,旨在针对空间引力波探测中超静超稳航天器控制问题,通过国内外研究现状剖析、先进控制理论与方法应用等,让读者能够了解和掌握空间引力波探测无拖曳及编队控制思路与方法。

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  • 1  空间引力波探测无拖曳技术现状与趋势
    张锦绣,陶文舰,连晓斌,王继河,孟云鹤,刘源
    2024, 46(2):1-17. DOI: 10.11887/j.cn.202402001
    [摘要](4545) [HTML](572) [PDF 5.24 M](2668)
    摘要:
    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。
    2  地心甚高轨道星座构形协同捕获控制策略
    孟云鹤,吕健康,罗宇飞
    2024, 46(2):18-26. DOI: 10.11887/j.cn.202402002
    [摘要](3696) [HTML](485) [PDF 1.76 M](2076)
    摘要:
    针对地心甚高轨道星座构形协同捕获控制问题,基于虚拟编队方法设计了协同捕获控制策略,采用三脉冲燃耗最优轨迹规划算法对构形捕获轨迹进行协同规划;并且结合自适应全程积分滑模控制器对卫星各自转移轨迹进行跟踪控制。以10万km轨道高度的三星星座构形捕获为例进行仿真验证,仿真结果表明:该策略可以有效应用于地心甚高轨道星座构形捕获控制,能够在燃耗较少的情况下使星座中卫星同时到达各自的标称位置,同时具有较高的精度。
    3  利用径向力平衡飞行控制的航天器高精度轨道捕获方法
    孟云鹤,侯佳睿,罗宇飞
    2024, 46(2):27-35. DOI: 10.11887/j.cn.202402003
    [摘要](3612) [HTML](486) [PDF 1.17 M](2117)
    摘要:
    为实现对探测器轨道形状与高度的精准调整,提出一种径向力平衡飞行的航天器连续推力控制新方法。建立连续推力平衡飞行的动力学极坐标模型,并推导出特殊条件下的解析轨道解,进一步分析边值条件,给出连续推力的控制律。利用这一平衡飞行控制理论,构建轨道捕获的最优控制策略。考虑推力器的推力水平,通过一次或多次的控制过程,实现对轨道形状、轨道高度及轨道相位的综合调整。数值仿真表明:利用平衡飞行的轨道控制方法,配置微小推力器的空间引力波探测器可以实现高精度的轨道捕获;该方法具有控制过程可解析、计算量小、简便、实用等特点。
    4  地心轨道引力波探测无拖曳系统平动控制策略
    郝立维,张锦绣,王继河,张谕,孙玥
    2024, 46(2):36-48. DOI: 10.11887/j.cn.202402004
    [摘要](3598) [HTML](501) [PDF 4.22 M](2145)
    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。