Recent Status of Taiji Program in China

The Taiji-1 satellite is a pilot satellite mission of Taiji program,which is used to verify Taiji’s key technology and also to testify the feasibility of Taiji roadmap.Taiji-1 was launched on 31 August 2019 and its designed mission was successfully completed.The in-orbit scientific achievements of Taiji-1 satellite in the first stage have been published and now it has entered the extended task phase.Taiji-2 will prepare all the technology needed by Taiji-3,and remove all the technical obstacles faced by Taiji-3.

Taiji-1 Satellite Mission

China’s first satellite to conduct experiments on key technologies related to space-based gravitational wave detection,Taiji-1,has successfully completed its in-orbit tests,making a breakthrough in the country’s gravitational wave detection.With the success of Taiji-1’s in-orbit tests,the first goal of Chinese Academy of Science’s three-step strategy to implement the Taiji program has been successfully achieved.

面向空间激光干涉的多通道相位测量系统

空间引力波探测激光干涉系统由多路干涉仪组成,涉及到多组干涉信号的相位采集和读出,多通道相位测量系统是空间激光干涉的关键核心技术之一。本文从太极计划及其地基激光干涉实验需求入手,设计、搭建并测试了多通道相位测量系统。首先,给出多通道相位测量系统的软硬件设计,包括硬件架构设计、数字锁相环测相算法、软件架构设计等。其次,对多通道相位计进行时域功能测试,包括相位准确度和线性度。测试结果表明多通道相位测量系统在不同工况下的动静态相位线性度和准确度良好。最终,对多通道相位计进行不同通道、不同频率、不同幅值下的频域噪声测试。测试结果还表明本文设计的多通道相位计,在0.1 mHz~1 Hz频段内,相位噪声水平均优于2πurad/√Hz;不同通道之间具有很好的一致性,由通道差异或ADC芯片差异引入的相位噪声在目标频段内可以忽略不计;对于频率在5-25 MHz之间的任意干涉信号,相位计在目标频段内均满足需求。因此,该多通道相位测量系统满足空间引力波探测及地基干涉实验的需求。

太极计划时钟噪声传递的地面原理验证

太极计划是中国科学院提出的空间引力波探测任务,其利用激光差分干涉的方法探测卫星间由引力波引起的pm级位移波动。为消除卫星间因时钟不同步而产生的测量误差,拟采用边带倍频时钟噪声传递方法进行星间时钟噪声测量与消除。本文讨论太极计划星间时钟噪声传递的需求、原理、方法,并设计实验进行原理验证。通过搭建电子学实验测试两个系统时钟噪声的极限值,确定实验相关参数,进一步通过光学实验验证边带倍频传递方案的原理。实验结果表明,本文提出的时钟噪声消除方案及相关参数合理可行,满足太极计划的应用需求。在0.05 Hz~1 Hz频段,星间时钟噪声的抑制效果优于2π×10^(−5)rad/Hz^(1/2),满足太极探路者的噪声需求。本文研究为未来太极计划的时钟噪声传递方案与参数设计奠定实验和理论基础。

Progress of Taiji-2 Project

Taiji-2 project is the second step of Taiji program,which is to verify the required technology for Taiji-3 mission.The feasibility study of Taiji-2 is successfully finished,and some of the main progress is introduced here.

空间引力波探测望远镜初步设计与分析

引力波的直接观测已开启引力波天文学的新篇章,爱因斯坦的百年预言终获证实。空间引力波探测器使得探测0.1 m Hz^1 Hz频段丰富的引力波源成为可能,与地面引力波探测器互为补充,才可实现更加宽广波段的引力波探测,揭开宇宙早期的更多秘密。空间激光干涉引力波探测采用外差干涉测量技术,测量间距百万公里的两自由悬浮测试质量间10 pm量级的变化量。望远镜是激光干涉测量系统的重要组成部分,1 pm的光程稳定性及苛刻的杂散光要求,不同于传统的几何成像望远镜。本文根据空间太极计划任务需求,对望远镜的功能及技术要求进行了分析,并完成了原理样机的初步方案设计,针对百万公里远场波前分布,分析了望远镜系统的敏感性,同时完成了在轨光机热集成仿真,为后面原理样机的研制奠定了技术基础。

中国空间引力波探测“太极计划”及“太极1号”在轨测试

我国空间引力波探测“太极计划”将打开中低频段(0.1 mHz^1 Hz)的引力波观测窗口,为人类研究宇宙起源与演化、黑洞起源与演化、引力本质、暗能量和暗物质等提供全新的方法和手段。由于空间引力波探测涉及一系列关键技术,太极计划提出了“单星”“双星”和“三星”3步走的发展路线图。目前“单星”计划——“太极1号”发射成功,并圆满完成了第一阶段的在轨测试。本文将简要介绍空间引力波探测的科学价值、国内外背景和关键技术分解,重点对太极计划及其3步走发展规划进行分析,并提出后续工作的一些设想和发展建议。

太极计划激光指向调控方案介绍

空间引力波探测中为实现引力波信号科学测量,卫星发射到预定轨道后需首先完成百万公里级激光链路的构建。同时为保证引力波信号不会被激光指向噪声淹没,激光指向稳定性需达到nrad/√Hz量级。为此需设计一套复杂而精密的激光指向调控方案。本文以太极计划为背景,详细阐述了可采用的指向调控方案。拟将整个过程将分为两个阶段,首先进行激光捕获过程,在该过程中,使用星敏感器(STR)与电荷耦合器件(CCD)作为辅助捕获探测器,将激光指向不确定区域控制到μrad量级。之后进行激光精密指向过程,利用差分波前敏感测角(DWS)技术对激光指向稳定性进行控制。根据太极计划要求,对各阶段捕获探测器提出了视场及精度要求,并论述了采用DWS技术实现精密指向的可行性。相关结论可为未来的验证实验奠定理论基础,对太极计划指向系统构建提供参考。

Advancing space-based gravitational wave astronomy: Rapid parameter estimation via normalizing flows

Gravitational wave(GW) astronomy is witnessing a transformative shift from terrestrial to space-based detection, with missions like Taiji at the forefront. While the transition brings unprecedented opportunities for exploring massive black hole binaries(MBHBs), it also imposes complex challenges in data analysis, particularly in parameter estimation amidst confusion noise.Addressing this gap, we utilize scalable normalizing flow models to achieve rapid and accurate inference within the Taiji environment. Innovatively, our approach simplifies the data's complexity, employs a transformation mapping to overcome the year-period time-dependent response function, and unveils additional multimodality in the arrival time parameter. Our method estimates MBHBs several orders of magnitude faster than conventional techniques, maintaining high accuracy even in complex backgrounds. These findings significantly enhance the efficiency of GW data analysis, paving the way for rapid detection and alerting systems and enriching our ability to explore the universe through space-based GW observation.

太极计划星间激光通信参数设计及实验验证

在太极计划中,三颗卫星将构成边长为300万km的三角形星座。为完成卫星间的信息交互,需要在星间干涉链路中加入激光通信。笔者从太极计划星间通信的需求出发,基于目前的相位计系统,提出了太极计划星间激光通信方案及系统参数的设计。为验证所设计参数的合理性以及通信系统的性能,基于自研板卡,搭建了电子学模拟系统及光学验证系统。在发送端将通信码与伪随机码以直接序列扩频的方式调制至激光相位,通过激光链路将信息发送至接收端,并采用锁相环及延迟环对其进行解析,完成通信功能。测试结果表明,所设计的通信系统参数较为合理,能够与相位计系统有效融合,在通信速率为19.5 kb/s的条件下,通信系统的误码率优于10^(-6),可为太极计划的相关参数设计提供参考。