空间引力波探测超前瞄准机构研制与测试

探测低频引力波需要脱离地缘噪声干扰,在空间搭建激光干涉引力波探测装置。太极、LISA、天琴等空间引力波探测任务,计划在几十万到几百万公里量级的臂长上实现皮米级的位移测量精度,以满足引力波探测的要求。在探测任务中,考虑轨道季节性变化和星间激光传输时间等因素,发射光束需要一个超前角度,确保远端望远镜能够接收到光束,从而完成星间激光干涉。针对发射光束需要超前角度的需求,设计并研制了一款用于激光干涉链路中提供超前角度的光束指向机构,即超前瞄准机构。该机构基于将偏转轴配置在反射镜面上的设计理念,采用柔性铰链和杠杆配合的结构形式,利用压电陶瓷自闭环进行驱动控制,实现光束一维高精度偏转。对该机构进行仿真分析,验证其力学特性以及偏转范围。对所研制的机构进行了一系列实验测试,结果表明,该机构偏转范围可达到709.4μrad,偏转精度可达到0.44μrad,机构偏转引起的光程差优于10 pm/(Hz)1/2(1~10 Hz)。从而验证了该机构设计的可行性,为实现光束超稳高精度偏转提供一定的参考。

量子定位系统中的卫星间链路超前瞄准角跟踪补偿

为了进一步提高量子定位系统的精度,根据量子定位系统中发射端卫星和接收端卫星均在运动的情况,提出一种卫星间链路的超前瞄准角跟踪补偿方法:分析在量子导航定位系统中不同链路的超前瞄准角跟踪补偿情况,并对各自特点进行对比;再根据卫星轨道坐标系下发射端卫星和接收端卫星的位置计算地心惯性系下2颗卫星的相对位置,转换到卫星星上俯仰坐标系计算出超前瞄准角,并分析超前瞄准点在精跟踪探测器中的坐标转换关系;然后根据反射镜有效反射面积计算超前瞄准角对链路中量子接收效率的影响;最后,设计补偿方案并采用矩阵实验室(MATLAB)进行卫星轨道和超前瞄准角仿真,计算出需要补偿的随时间变化的方位角和俯仰角。

量子定位系统中的精跟踪系统与超前瞄准系统

在描述量子定位系统(QPS)及其捕获、跟踪和瞄准(ATP)系统的工作过程的基础上,对ATP中的精跟踪系统的组成结构进行了详细的设计,并对其中各部件参数与系统性能之间的关系进行分析;对精跟踪系统中的快速反射镜的镜面直径、转角范围、角分辨率、谐振频率、精跟踪探测器的像元尺寸、帧频、像元阵列、灵敏度等参数的合理选择进行详细分析;建立精跟踪控制系统各部分的传递函数及完整方框图;对超前瞄准系统结构以及超前瞄准角与超前瞄准探测器中超前瞄准点的坐标转换关系进行了分析,为超前瞄准角闭环实现提供了一套实施方案。

基于运动信息融合的高精度超前瞄准角算法

超前瞄准角计算精度和时间极为重要,直接影响系统跟瞄精度和碎片测距距离。在使用极短弧段的光学测角数据定轨时,稀疏观测数据常常导致定轨结果不收敛,进而无法利用传统方法计算出精确的超前瞄准角。提出了一种新的超前瞄准角计算方法,利用卫星平台搭载的惯性传感器和光学探测器所测数据,使用基于Levenberg-Marquardt算法的数据融合算法解算出相对运动的角速度,再结合轨道预报中相对精确的距离信息求解超前瞄准角。在使用极短弧段光学测角数据定轨的工作条件下,新的超前瞄准角计算方法误差小于0.1μrad,收敛时间最短为10 s,均优于传统计算方法,满足激光测距系统的瞄准精度要求。