空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统技术方案

本发明专利技术提供了一种空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统，包括：大理石平台，被配置为其表面所在的二维平面模拟空间引力波探测卫星星座三星形成的空间轨道平面；三个相同的漂浮体，被配置为模拟组成空间引力波探测卫星星座的卫星；以及任务控制终端，被配置为对实验任务内容以及相关条件进行设置，并进行各漂浮体配置参数的设置和更新，本发明专利技术实现了对激光对准的动力学过程、控制算法以及控制策略进行地面半物理或全物理等效模拟及仿真验证。行地面半物理或全物理等效模拟及仿真验证。行地面半物理或全物理等效模拟及仿真验证。

【技术实现步骤摘要】
空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统


[0001]本专利技术涉及航天
，特别涉及一种空间引力波探测卫星星座星间激光指向捕获与对准控制的地面等效演示验证系统。

技术介绍

[0002]引力波探测由最初的共振棒到地面L型激光干涉仪，再发展到空间引力波探测的沿革。地面与空间激光干涉引力波探测器的主要区别在于测量频段的不同。由于受地表震动和引力梯度噪声的影响以及干涉臂长的限制，地面引力波探测的频段无法覆盖天体事件所产生的引力波中低频范围，因此需要发展空间百万公里量级的长基线激光干涉引力波探测系统。
[0003]目前国内外空间引力波探测计划均包含三颗相同的卫星，组成边长几十万或几百万公里的等边三角形，运行在地心或日心轨道上，三颗卫星组成3个非独立的夹角为60
°
的迈克尔逊干涉仪，用来测量卫星间由引力波引起的距离变化。为了构建迈克尔逊干涉仪的激光干涉测量臂，需要控制三颗卫星在同一空间平面内实现星间激光两两捕获和对准，由于星间距离过于遥远，相对位置容易发生变化，各卫星轨道和姿态控制又存在耦合，测量信息存在误差和明显的时延，因此实现三星激光两两对准变得十分困难。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统，以解决现有的空间引力波探测三星激光两两对准非常困难的问题，实现对激光对准的动力学过程、控制算法以及控制策略进行地面半物理或全物理等效模拟及仿真验证。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统，包括：
[0006]大理石平台，被配置为其表面所在的二维平面模拟空间引力波探测卫星星座三星形成的空间轨道平面；
[0007]三个相同的漂浮体，被配置为模拟组成空间引力波探测卫星星座的卫星；以及
[0008]任务控制终端，被配置为对实验任务内容以及相关条件进行设置，并进行各漂浮体配置参数的设置和更新。
[0009]可选的，在所述的空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统中，所述的大理石平台经过调平后能够满足多个漂浮体来回自由漂浮行走，且漂浮行走的面积达到几十平米到几百平米。
[0010]可选的，在所述的空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统中，所述漂浮体包括上层空间和下层空间，下层空间安装有气瓶、充气阀、自锁阀、减压阀、电磁阀、压力传感器、管路、推力器、单轴飞轮和电源系统，其中气瓶、充气阀、自锁阀、减压阀、电磁阀、压力传感器、管路和推力器构成推进子系统，模拟在轨卫星采用的冷气推进子系统。
[0011]可选的，在所述的空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统中，漂浮体安装有
四个气瓶，均垂直安装在下层空间的内部，各个气瓶的出气口连接管路以通向各个推力器，管路之间安装自锁阀、减压阀和压力传感器；
[0012]充气阀用于向气瓶内填充气体；
[0013]自锁阀作为气瓶内的气体输出的开关；
[0014]减压阀将管路内的高压气体进行适当减压；
[0015]压力传感器用于测量气瓶出口和减压阀出口的压力值；
[0016]电磁阀安装在靠近推力器喷口附近的管路上，通过接收控制指令实现推力器的快速喷气；
[0017]有4个喷口朝下的推力器均匀安装在下层空间的底部，通过向下喷气使得漂浮体漂浮于大理石平台上几十微米的高度。
[0018]可选的，在所述的空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统中，电源系统位于4个气瓶之间，包括蓄电池和电源控制器，被配置为向漂浮体上各设备提供电力，以模拟卫星的星载电池和电源控制器；
[0019]单轴飞轮安装在电源系统下方，单轴飞轮的旋转轴沿漂浮体对地轴方向，使得漂浮体能够在对地方向轴上进行单自由度姿态控制，用于模拟空间引力波探测卫星星座各卫星在垂直于星座轨道平面方向自由度上的姿态控制。
[0020]可选的，在所述的空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统中，漂浮体外侧面沿轴向同一高度均匀分布4组推力器簇，每组推力器簇包含2个推力器，推力器簇的推力器的喷口方向均垂直于漂浮体对地轴，并且沿漂浮体径向朝外，使得漂浮体在大理石平台上能够进行二自由度的位移喷气控制，从而模拟空间引力波探测卫星星座各卫星在星座轨道平面内的二自由度自由运动。
[0021]可选的，在所述的空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统中，漂浮体上层空间安装有单轴光纤陀螺仪、两台相同的激光发射与探测一体机、一台可闭环控制调节张角的支架、激光雷达同步定位与建图系统、无线路由器和高性能计算机；
[0022]单轴光纤陀螺仪用于漂浮体对地轴方向的角速度和转动姿态的测量与确定；
[0023]两台相同的激光发射与探测一体机能够分别同时朝两个不同的方向发射激光和接收激光信号，用来模拟空间引力波探测卫星星座星间激光链路，激光发射与探测一体机能够模拟空间引力波探测卫星所采用的激光干涉仪载荷；
[0024]一台可闭环控制调节张角的支架用于装载两台激光发射与探测一体机，以保证两台激光发射与探测一体机的光轴之间的夹角为60度，并且使得两个光轴形成的平面与地面近乎平行，支架的张角通过精密电机驱动进行小角度范围内的调节，支架结构模拟空间引力波探测卫星的望远镜结构；
[0025]激光雷达同步定位与建图系统包含激光雷达设备和必要的传感器，通过激光同步定位与建图算法计算漂浮体在大理石平台上的位置和姿态，用来模拟空间引力波探测卫星星座各卫星的轨道与姿态确定；
[0026]高性能计算机是漂浮体的核心部分，进行各敏感器的数据采集、处理以及各种算法实现，并生成控制指令输出给执行机构以完成闭环控制，高性能计算机用于模拟卫星的星载计算机功能；
[0027]无线路由器与高性能计算机连接，一方面将高性能计算机传输过来的数据通过无
线功能向其它漂浮体和任务控制终端输出，另一方面接收其它漂浮体和任务控制终端的无线信号，然后传递给所在漂浮体的高性能计算机；
[0028]将信号数据加上一定时延，以模拟空间引力波探测卫星星座百万公里级别的星间通信和星地通信延迟特性。
[0029]可选的，在所述的空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统中，所述任务控制终端安装在大理石平台附近，其为带有无线信号传输功能的地面计算机；
[0030]任务控制终端对实验任务内容以及相关条件进行设置，并进行各漂浮体配置参数的设置和更新，包括漂浮体的初始位置、初始姿态、推力器控制参数；
[0031]任务控制终端通过无线信号将漂浮体相关参数和实验步骤序列分发给各漂浮体，并远程控制漂浮体启动，决定实验任务的开启和中止，以模拟地面站的作用。
[0032]可选的，在所述的空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统中，所述空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统的工作流程包括：
[0033]第一步骤：将三个漂浮体放置在大理石平台上合适的位置处，然后启动漂浮体的电源总开关，通过任务控制终端给各漂浮体的高性能计算机发送各传感器和执行机构供电开启指令，确保各漂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统，其特征在于，包括：大理石平台，被配置为其表面所在的二维平面模拟空间引力波探测卫星星座三星形成的空间轨道平面；三个相同的漂浮体，被配置为模拟组成空间引力波探测卫星星座的卫星；以及任务控制终端，被配置为对实验任务内容以及相关条件进行设置，并进行各漂浮体配置参数的设置和更新。2.如权利要求1所述的空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统，其特征在于，所述的大理石平台经过调平后能够满足多个漂浮体来回自由漂浮行走，且漂浮行走的面积达到几十平米到几百平米。3.如权利要求1所述的空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统，其特征在于，所述漂浮体包括上层空间和下层空间，下层空间安装有气瓶、充气阀、自锁阀、减压阀、电磁阀、压力传感器、管路、推力器、单轴飞轮和电源系统，其中气瓶、充气阀、自锁阀、减压阀、电磁阀、压力传感器、管路和推力器构成推进子系统，模拟在轨卫星采用的冷气推进子系统。4.如权利要求3所述的空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统，其特征在于，漂浮体安装有四个气瓶，均垂直安装在下层空间的内部，各个气瓶的出气口连接管路以通向各个推力器，管路之间安装自锁阀、减压阀和压力传感器；充气阀用于向气瓶内填充气体；自锁阀作为气瓶内的气体输出的开关；减压阀将管路内的高压气体进行适当减压；压力传感器用于测量气瓶出口和减压阀出口的压力值；电磁阀安装在靠近推力器喷口附近的管路上，通过接收控制指令实现推力器的快速喷气；有4个喷口朝下的推力器均匀安装在下层空间的底部，通过向下喷气使得漂浮体漂浮于大理石平台上几十微米的高度。5.如权利要求3所述的空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统，其特征在于，电源系统位于4个气瓶之间，包括蓄电池和电源控制器，被配置为向漂浮体上各设备提供电力，以模拟卫星的星载电池和电源控制器；单轴飞轮安装在电源系统下方，单轴飞轮的旋转轴沿漂浮体对地轴方向，使得漂浮体能够在对地方向轴上进行单自由度姿态控制，用于模拟空间引力波探测卫星星座各卫星在垂直于星座轨道平面方向自由度上的姿态控制。6.如权利要求3所述的空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统，其特征在于，漂浮体外侧面沿轴向同一高度均匀分布4组推力器簇，每组推力器簇包含2个推力器，推力器簇的推力器的喷口方向均垂直于漂浮体对地轴，并且沿漂浮体径向朝外，使得漂浮体在大理石平台上能够进行二自由度的位移喷气控制，从而模拟空间引力波探测卫星星座各卫星在星座轨道平面内的二自由度自由运动。7.如权利要求3所述的空间引力波探测卫星星座地面演示验证系统，其特征在于，漂浮体上层空间安装有单轴光纤陀螺仪、两台相同的激光发射与探测一体机、一台可闭环控制调节张角的支架、激光雷达同步定位与建图系统、无线路由器和高性能计算机；单轴光纤陀螺仪用于漂浮体对地轴方向的角速度和转动姿态的测量与确定；
两台相同的激光发射与探测一体机能够分别同时朝两个不同的方向发射激光和接收激光信号，用来模拟空间引力波探测卫星星座星间激光链路，激光发射与探测一体机能够模拟空间引力波探测卫星所采用的激光干涉仪载荷；一台可闭环控制调节张角的...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡志强，谢祥华，朱野，刘会杰，
申请(专利权)人：上海微小卫星工程中心，
类型：发明
国别省市：