[发明专利]引力波探测位移模式下的多级双超无拖曳控制方法及系统

说明书

本发明提供了一种引力波探测位移模式下的多级双超无拖曳控制方法及系统，包括：一级跟踪步骤：根据载荷舱与载荷舱内的质量块的相对位移，在匀强磁场中通过电流控制载荷舱与平台舱之间的磁浮机构，使所述磁浮机构产生洛伦兹力，将所述洛伦兹力反向作用在载荷舱上，抵消载荷舱和质量块之间的相对位移变化；二级跟踪步骤：在平台舱与载荷舱之间的相对位移超出设定阈值时，使用平台舱上的推力器的推进让平台舱与载荷舱之间的相对位移保持在设定阈值内。首先利用两舱之间的磁浮机构实现载荷舱对质量块的一级跟踪，其次利用平台舱上的常值推力器实现平台舱对载荷舱的二级跟踪，实现了对卫星平动自由度的多级无拖曳控制。

技术领域

本发明涉及航天控制领域，具体地，涉及一种面向未来引力波探测位移模式下的多级双超无拖曳控制方法及系统。

背景技术

空间激光干涉引力波探测是检验广义相对论最有效的手段之一，其主要是通过测量长基线激光干涉仪臂长的变化获取引力波信息。由于航天器受到大气阻尼、太阳光压、宇宙射线等外部环境扰动和航天器结构振动、姿态调节、航天器内部移动部件等航天器自身扰动，导致航天器加速度变化超出了精密空间科学实验对外部扰动的要求。在该情况下，无拖曳卫星的概念被提出，它是一种利用微推力主动抵消太空环境扰动，实现阻尼消除的技术。其基本思想以位于卫星内部检验质量为惯性参考，采用高精度传感技术测量质量块相对于卫星的运动，进而控制微推进器产生适当推力和力矩，使卫星跟随检验质量运动。

空间引力波探测需要高精度的无拖曳与姿态控制技术作为支撑。一方面，为精密测量出检验质量块的位移变化，对卫星以及载荷的残余扰动力水平提出了很高的要求；另一方面，星间激光测距要求卫星与载荷具备较高的指向精度和姿态稳定度。无拖曳控制技术已在TRIAD I，GP-B、LISApathfinder等科学任务中得到了应用。

华中科技大学发表的论文《无拖曳控制技术及其应用》以空间引力实验为应用背景，对无拖曳控制系统的组成和关键技术进行了详细讨论，专利文献“一种无拖曳卫星相对位移通道的输出反馈抗干扰控制方法”(CN105629739B)阐述了无拖曳卫星在多源干扰情况下相对位移输出的控制方法。专利“一种基于特征模型的航天器无拖曳控制方法”(CN107390526B)考虑了空间环境特征，使航天器的非引力加速度抑制精度优于传统的积分控制方法和嵌入式模型控制方法。

这些无拖曳卫星平台和论文专利均采用和提到传统的位移模式的无拖曳控制：采用电推进或冷气推进作为无拖曳控制的执行器，让卫星跟踪检验质量块，来降低作用在检验质量块上的外界阻尼，补偿后卫星的残余扰动水平要求在10^-10～10^-15m/s²/Hz^1/2。NASA和ESA的空间激光干涉引力波探测计划LISA(eLISA)，要求指向精度优于20nrad，指向稳定性优于8nrad/Hz^1/2，航天器残余扰动水平优于3×10^-15m/s²/Hz^1/2；中国正在开展的引力波探测任务——“天琴”计划要求指向精度优于10nrad，指向稳定性优于10nrad/Hz^1/2，航天器残余扰动水平优于4×10^-10m/s²/Hz^1/2。上述需求指标比目前水平至少高2个量级以上。这对于卫星平台的设计无疑是一种挑战。因此，一个超精超稳无拖曳卫星平台的实现是解决上述问题的关键之一。其中“超精”意味着超高指向精度，“超稳”表示超高姿态稳定度，“无拖曳”表示航天器或载荷达到科学任务要求的低扰动力水平，实现无阻尼飞行。此外，这种类型的推进器续携带工质燃料，难调难控，大大限制卫星的在轨寿命，无法进行长期观测，且随着工质的消耗，卫星质心会产生较大偏移，不利于科学任务的实现。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种引力波探测位移模式下的多级双超无拖曳控制方法及系统。

根据本发明提供的一种引力波探测位移模式下的多级双超无拖曳控制方法，包括：