中山大学月球激光测距研究与实验

地月激光测距是"天琴计划"0123技术路线图中的第"0"步,为实现引力波探测卫星的高精度定轨及相关科学研究,本文开展了月球激光测距分析与实验研究,分析系统探测能力和测距精度。中山大学天琴计划激光测距台站(以下简称"天琴台站")采用1.2 m口径激光测距望远镜,激光波长1064 nm,激光能量320mJ,激光重复频率100 Hz,激光脉宽80 ps,首次采用2×2多元阵列超导探测器进行月球激光测距。天琴台站于2019年6月8日(农历初六)晚首次获得来自Apollo 15角反射器阵列有效回波信号4组,随后于2019年11月7日(农历十一)晚成功接收到来自月面全部5个激光角反射器阵列的有效回波信号,测距精度达到cm量级,标致着天琴台站已经具备常规月球激光测距能力。

天琴惯性传感器初步设计思考与进展

介绍了引力波探测任务中惯性传感器的需求、工作原理和发展,重点讨论了LISA Pathfinder卫星惯性传感器的研究进展。对比天琴计划需求分析,讨论了天琴惯性传感器的设计要点,在此基础上给出了天琴惯性传感器的初步设计和噪声分析。最后,介绍了天琴一号惯性传感器在轨测量结果和后续研究计划。

天琴轨道与星座设计进展

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。

天琴计划简介

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。

天琴无拖曳控制研究的关键问题

无拖曳控制技术利用微推进器产生的推力来补偿航天器受到的非保守力使其跟随检验质量运动,是获得超低微重力水平卫星平台的重要途径,是空间基础物理、微重力测量、地球科学和卫星导航等实验研究的关键技术之一。本文阐述了无拖曳控制的发展历程和基本工作原理,对无拖曳控制系统的组成和控制算法进行了讨论,最后简要介绍了天琴引力波探测任务卫星无拖曳控制系统的结构,并针对天琴无拖曳控制系统的研究提出了关键问题以及对未来研究方向的展望。

天琴卫星测定轨技术

空间引力波探测在卫星发射入轨、科学实验运行等阶段都对卫星测定轨有较高的任务需求。天琴计划采用地球高轨道卫星,可利用的跟踪测量手段更加丰富,轨道跟踪测量和确定精度受到测控距离、测量系统误差、编队尺度、轨道控制以及测站跟踪几何等因素的影响。本文围绕天琴卫星测定轨技术,介绍了天琴卫星测定轨任务需求,分析了可用于天琴卫星轨道跟踪测量的多种手段的水平和技术特点,并对天琴卫星高精度轨道确定技术的发展趋势进行了展望。

利用天琴研究引力与黑洞本质

空间引力波探测器的一个重要研究目标,是利用引力波信号对物理学的基本理论进行研究。具体而言,主要是研究引力与黑洞的本质。前者主要是检验引力理论是否符合广义相对论,后者则是检验探测到的辐射引力波的致密天体是否为广义相对论中所预言的克尔黑洞。天琴作为一个空间引力波探测器,将能够探测到大量不同类型的引力波源所发出的信号。利用这些各不相同的信号,我们将有望从各个可能的方面对引力与黑洞的本质进行研究。在本文中,我们将对天琴所采用的研究引力与黑洞本质的方法进行介绍,并对预期中天琴所能达到的探测精度进行分析。

天琴计划的回顾与小结

20世纪80年代,华中工学院(现华中科技大学)在武汉喻家山下利用原人防工程山洞建设引力实验室(现引力中心),利用山洞温度稳定、震动小、电磁干扰弱等天然优势,在引力实验基础研究领域和引力波探测技术研发方面开始了长达近40年的研究探索。引力中心一直从事引力实验与理论研究。

随机引力波背景及天琴探测

在毫赫兹频段附近存在着种类丰富的随机引力波源,主要来自原初宇宙和早期宇宙演化的过程,以及晚期宇宙各种天体物理过程产生的引力波的非相干叠加。天琴等空间引力波探测器在毫赫兹频段具有最好的灵敏度,因此空间引力波探测将帮助我们深入探知宇宙起源及其演化的细节;也有望成为探查超标准模型新物理的独特而有效的途径。本文将介绍多种随机引力波背景的产生机理以及简单评估天琴对随机引力波背景的探测能力。

地心轨道引力波探测无拖曳系统平动控制策略

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。

空间引力波探测航天器关键技术分析

引力波信号极其微弱,给空间探测任务带来了极大的技术挑战,对航天器提出了更高的系统指标,目前的航天器已有技术在很多方面无法满足空间引力波探测。文章在对国内外空间引力波探测航天器介绍的基础上,对航天器无拖曳与姿态控制、连续可调微推进、超稳定温度控制等关键技术进行分析,并对中国天琴一号卫星在轨完成的关键技术及实现情况进行介绍。最后,提出了空间引力波探测航天器在位移模式无拖曳控制、微牛级连续可调微推进等关键技术上的发展建议。

面向空间引力波探测任务的微推进技术研究进展

微推力器是实现空间引力波探测中无拖曳控制任务的关键。本文在分析空间引力波探测无拖曳控制系统对微推力器要求基础上,通过微推进技术原理开展分析,梳理出了满足要求的微推力器,包括冷气推力器、波电离离子推力器、会切磁场型霍尔推力器和场致发射推力器4种备选方案,并介绍了4种推力器以及基于推力器的无拖曳控制国内外相关研究现状。在此基础上,本文介绍了天琴计划开展以来针对这几种微推力器的研制进展,并对后续应用于引力波探测的微推进技术研究方向进行展望。

引力波数据处理技术

空间引力波探测是天文学、物理学未来数十年的发展重点和科研热点。而,空间引力波探测的科学目标,必须经由数据处理实现。因此,结合实际空间引力波探测器,开展数据处理研究,是兑现空间引力波探测科学价值的必要保证。本文针对空间引力波探测,结合天琴,介绍了引力波数据处理中的匹配滤波概念,并对引力波信号探测及参数估计进行了论述。

地月激光测距角反射器研制进展

月球激光测距在广义相对论的检验以及地月系统的理解上做出了巨大贡献。然而由于月球天平动效应的影响,约50年前安置在月球上的阵列式角反射器将单个回波光子对应的测距精度限制在了厘米级的水平。为了进一步提升测距精度,需要部署新一代单体大孔径的激光角反射器。本文主要介绍我们170 mm有效孔径的中空激光角反射器的研制进展。测试结果表明,我们实现了空心激光角反射器三个二面角的精度分别为0.10″,0.30″和0.24″。远场衍射图样模拟表明,该样机能够达到理想Apollo 11/14反射器阵列68.5%返回信号强度。我们期望这种空心激光角反射器可以应用于新一代的月球激光测距。

星间激光干涉测量技术

近年来迅速发展的空间引力波探测、卫星重力测量、深空探测等空间任务需求,对超远距离、超高精度星间激光干涉测量技术提出了极具挑战性的技术要求。在典型的空间引力波探测中,要求在百万千米(10^(9)m)距离上达到皮米(10^(-12)m)量级的激光干涉测量精度。本文根据空间任务中对星间激光干涉测量的需求,介绍了星间激光干涉测量系统的总体构成,并讨论了测量系统中的各项关键技术:空间应用型激光器技术、超稳光学平台、稳频技术、精密相位测量与超低功率弱光锁相技术、星间激光快速捕获、跟踪与超精密光束指向测控技术等,以及目前的技术发展现状。星间激光干涉测量技术能力的提高,将能够满足更广泛的空间任务需求并大幅推进空间任务的进一步发展。

天琴计划与国际合作

2016年2月11日,LIGO(the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)科学合作组宣布于2015年9月14 日探测到来自GW150914的引力波信号[1].这是人类首次直接观测到引力波,也是人类首次观测到双黑洞并合的天文现象.全世界新闻媒体争相报道,造成极大轰动与回响.引力波探测的实现使人类进入了利用引力波来探测宇宙的全新时期。

高精度温度传感、测量与控制技术综述

空间引力波探测中,高精度温度传感、测量与控制作为探测卫星的关键技术之一,技术指标高,实现难度大。本文主要针对高精度温度传感、测量与控制,介绍了传统铂电阻和NTC热敏电阻温度传感特性、新型光纤温度传感关键技术以及基于PID的温度控制算法,对温度传感、测量以及控制算法特性进行了分析归纳。

基于LSTM神经网络的短期轨道预报

针对基于动力学模型的轨道预报方法对卫星自主轨道预报与大量非合作目标轨道预报中存在建模成本过高和缺少目标空间环境信息的问题,提出一种基于误差数据驱动的神经网络轨道预报方法。该方法在解析法动力学模型的基础上,使用长短期记忆神经网络对历史轨道预报的误差进行学习,预测未来短期动力学模型的预报误差,以此对预报结果进行修正。选用Ajisai卫星轨道数据和SGP4(simplified general perturbations)动力学模型对所提模型的有效性和性能进行仿真验证。实验结果表明,所提方法对地心惯性坐标系下3个轴一天的预报误差分别下降到原来的16.87%、17.66%、19.58%,显著提升了轨道预报精度。

大质量双黑洞并合及其探测

观测表明在正常星系和活动星系核中一般存在一个百万到数十亿太阳质量的超大质量黑洞和大量的恒星级质量黑洞。同时,中等质量黑洞存在的证据也初露端倪。在宇宙形成后的几亿年内,观测发现一些超大质量黑洞就达到了百亿个太阳质量,这些超大质量黑洞的形成和增长过程仍然是一个谜。在星系形成的等级结构模型中,小星系通过不断的并合形成越来越大的星系,其星系中心的黑洞也经历着并合和吸积过程,逐渐形成今天观测到的不同红移处的超大质量黑洞。本文主要对黑洞基本特征、当前主要观测结果、中等质量黑洞候选体、种子黑洞以及超大质量黑洞与星系关系等做一个简单的综述,并对天琴对宇宙中大质量双黑洞的探测能力进行评估。对于这些大质量双黑洞引力波的分析,将可以有效帮助我们认识宇宙中大质量黑洞的特性以及超大质量黑洞的形成和演化历史。

新一代单体月球激光角反射器方案设计

设计了用于新一代月球激光测距(Lunar Laser Ranging,LLR)的单体大孔径激光角反射器,在分析当前国内外研究进展及发展趋势基础上,介绍了所设计的单体大孔径激光角反射器的整体设计方案,具体包括:角反射器的设计和月面安置方案、地面测试方案。验证结果表明:所设计的单体170 mm孔径空心角反射器,在532 nm波长的反射光强可达到理想“阿波罗11”(Apollo 11)角反射器阵列的68.5%。该研究预期可将月球激光测距的单个接收光子对应的内符合精度提升至毫米量级。