空间惯性传感器与无拖曳控制.pdf

1 空间惯性传感器与无拖曳控制空间惯性传感器与无拖曳控制 周泽兵 2009.7.5 zhouzb 基本物理量测量教育部重点实验室/物理学院 华中科技大学, 武汉 430074 2009年全国研究生暑期学校 广义相对论理论和实验 2009.6.207.10 2009年全国研究生暑期学校 广义相对论理论和实验 2009.6.207.10 2 报告内容报告内容报告内容报告内容 ? ? 基本原理与发展趋势基本原理与发展趋势 ? ? 空间应用空间应用 ? ? 课题组研究进展介绍课题组研究进展介绍 3 1 1、基本原理和发展趋势、基本原理和发展趋势 基本原理：牛顿力学（惯性定律） 惯性平台：加速度计、陀螺仪 1942年, V2火箭； 1954年，飞机； 1957年，卫星； 1958年，核潜艇； 4 基本概念基本概念基本概念基本概念 Inertial sensor concept is tightly associated with Accelerometer Basic principle: law of inertia Navigation system: accelerometer +gyroscope Related: gradiometer; gravity apparatus; vibration measurement Basic composition: proof mass + motion sensor + servo actuator proof mass: test mass; inertial sensitive mass; gravitational mass Space application condition: nano-g (pico- femto- g) high precision and small dynamic range In general, inertial sensor is combined with drag-free control 5 加速度计的基本原理加速度计的基本原理加速度计的基本原理加速度计的基本原理 2 r0r xxy + += = ? 0 2 r0 /xy = = ? 高精度加速度计发展趋势： （1）提高位移传感水平 （2）降低弹簧振子本征频率 )(yxkxm = =? ? 0 /k m = = 例如：f0=10Hz, xr=1nm, a = 0.4 g0 xr=x - y k m y x 6 加速度计的分类加速度计的分类 Proof Mass Senor Open- Output Proof Mass Actuator Controller Closed- Output Sensor 连接：机械（摆式、悬臂、振梁）、无机械连接 位移传感：光学、电容、压电、SQUID 反馈控制：静电、磁悬浮、全光 检验质量TM：宏观、原子 发展趋势：高精度、多自由度、小型化 7 永久磁铁 伺服放大 电流 检测 反馈线圈 石英摆片 电容传感 机械连接式的空间加速度计 石英挠性加速度计 8 超导悬浮加速度计 SQUID (superconducting quantum interference device) 高灵敏度、高分辨率 (10-12g0) 缺点：低温条件 9 JPL实验室 Stanford大学 分辨率：20 ng/Hz1/2 带宽： 5 Hz 1.5kHz 尺寸：13.2 mm * 11.6 mm 位移检测水平： 10-13 m/Hz1/2 悬臂梁本征频率： 100 Hz MEMS隧道电流型加速度计隧道电流型加速度计 10 Richard D. Martin and W. Thomas Pike为NASA研制的硅微加 速度计 分辨率：1 ng /Hz1/2 频率带宽：0.05Hz50Hz MEMS “三明治”摆式电容加速度计 11 静电悬浮加速度计 电容传感静电反馈控制 一个检验质量完成六个自由度测量 无机械连接 12 光悬浮（全光）惯性传感器 光学测量、光压控制 /drag-free控制 更弱反弹效应 ( back action, weak linkage) LISA 候选方案、 BBO (Big Bang Observer)拟采用方案 13 原子干涉技术的惯性传感器 重力仪/重力梯度仪 Possible application: Gravimeter, gravity gradiometer, gyroscope, time standard 14 1975 CACTUS 1996 ASTRE: gravity survey 2000 STAR : CHAMP 2002 SuperSTAR : GRACE 2009 GRADIO GOCE 2012 MICROSCOPE LISA 2018? 2011 LPF 2、空间应用、空间应用 15 Application of Inertial Sensor Application of Inertial Sensor Proof mass: sensitive to force (interaction) response to space-time geometry Reference mass: to control spacecraft (drag-free control) DRS (Disturbance reduction system) sensor (capacitive, optical, SQUID) Accelerometer: to measurement the acceleration of spacecraft to meas. the gravitational gradient, new force, and so on to control the PM 16 加速度测量模式加速度测量模式 （AccelerometerAccelerometer） 惯性参考模式惯性参考模式 (Geodesic)(Geodesic) 检验质量跟踪 航天器 航天器跟踪 检验质量 空间应用模式空间应用模式空间应用模式空间应用模式 17 空间应用模式1加速度测量模式 18 空间应用模式1加速度测量模式 19 空间应用模式1加速度测量模式 20 空间应用模式1加速度测量模式 21 空间应用模式1加速度测量模式 pmpmapm spspngsp / / xgFm XgFm =+ =+ ? ? 应用：测量非引力、引力梯度、弱力检测 例如：CHAMP、GRACE、GOCE, MicroSCOPE 基本需求： 加速度计噪声低 质心重合，减少卫星旋转效应、引力梯度 原理：比较加速度计TM和卫星受力之差；或者两TM受力差 apmngsp /FmFm= 22 V V 空间应用模式2惯性参考模式 23 V V 空间应用模式2惯性参考模式 24 V V 空间应用模式2惯性参考模式 25 V V 空间应用模式2惯性参考模式 26 空间应用模式2惯性参考模式 pmpm spspngspdfsp / xg XgFmFm = =+ ? ? 原理：加速度计TM作为测地线标准，检验其在引力场中运动 应用：引力实验、无拖曳航天 例如：GP-B, GOCE, LISA, GRACE Follow on 基本需求: PM低残余扰动力（接近测地线） 航天器低扰动，drag-free control 检验质量精密测量 27 ?发展与应用 28 ?卫星重力测量 CHAMP GFZ,Germany, 2000 GRACE NASA/GFZ, 2002 GOCE ESA, 2009 大地水准面 （3cm275km）全球重力异常图 意义：全球重力场测量 应用：导航、地球物理、地震、海洋、冰川等 GRACE结果：1个月等价于原先30年数据 29 卫星重力测量原理 轨道 GPSGPS、LR KBR 加速度计加速度计 非引力非引力 合外力合外力 地球引力地球引力 ModelModel Super-Star： 3*10-11g0/Hz1/2 （10-40.1Hz） ONERA, France Super-Star Accelerometer：3*10-10 m/s2/Hz1/2 1mHz Developed by ONERA, France CHAMP/STAR-Accelerometer GRACE/SuperSTAR Accelerometer 31 32 空间重力梯度仪及重力梯度卫星应用 P1 P1 P2 P2 梯度仪实质：相隔一段距离的两个加速度计组成 33 梯度仪分辨率4*10-3E/Hz1/2 加速度计期待分辨率 2*10-12m/s2/Hz1/2 重力梯度卫星GOCE卫星 （2009.3.17发射） 34 GRACE Follow-on 50km50km星间距星间距 220km220km 300km300km轨高（轨高（400km400km） 无拖曳（无拖曳（1010- -12 12m/s m/s 2 2 /Hz/Hz1/2 1/2） ）SuperSTARSuperSTAR（ 1010- -10 10m/s m/s 2 2 /Hz/Hz1/2 1/2） ） LR (1nm)LR (1nm)KBR (1um)KBR (1um) GRACE FollowGRACE Follow- -ononGRACEGRACE 35 Inertial Sensor Design for GRACE Follow-on Mission PM作为激光干涉反射镜（测量基线端面） 位移传感器：PM与卫星之间位置与姿态测量 控制器与执行机：控制PM与卫星相对位置与姿态 提供无拖曳控制的输入信号 36 GPB （Gravity Probe B） 2004.4.20 发射 目标：引磁效应（广义相对论效应） 短程线效应（卫星轨道进动）： 6.6/year Lense-thirring 效应（坐标系拖曳）： 0.042/year 达到技术指标： 陀螺仪精度：5*10-10 rad 陀螺漂移：2*10-13 rad/h 无拖曳与加速度计：10-11m/s2 Equivalence Principle Test Inertia: property of an object to resist changes in its motion Gravitation: property of an object which connects to a gravity field amF II =Inertial mass: F Gravitational mass: 2 /rGMmF GG = WEP: the ratio of mI/mGis constant, independent of its composition SEP（EEP）: all of the laws of physics are the same in all small regions of space, regardless of their relative motion or acceleration. EP test is significant for testifying the Einsteins general relativity, and searching for new-interaction. Galileo 1590? 10-1510-18 1976-now 5*10-13 等效原理检验概述等效原理检验概述 Newton 1687 10-3 1922 10-9 Adelberger 1999 10-13 Etvs X Y Z MICROSCOPE (ONERA-ESA 2012) Differential Acceleration along the measurement axis time 1 orbit1 orbit MYRIADE 40 Radial control electrodes Electrostatic shield Spin control electrodes Sensitive axis electrodes Test masses MicroSCOPE中的差分加速度计中的差分加速度计 Expected Precision: 5*10-15m/s2 ：10-15 检验质量：检验质量：Pt/Ti; Pt/Pt 41 Inertial Sensor for LISA (空间引力波探测空间引力波探测) 预期残余扰动力: 3*10-15m/s2/Hz1/20.1mHz 1mHz 42 Inertial Sensor Design for LISA by ONERA 43 LISA Pathfinder LTP TM2 follows up with SC TM1 and TM2 are free fall in the interested BW along the X axis 48 FEEP for LISA Pathfinder (ESA) Range: 150uN Resolution: 0.1uN; noise: 0.1uN/Hz1/2(10-41Hz) Another colloidal thrusters (NASA) 0.1uN30uN 49 Inertial Senor and Drag-free Control Model Fsp,g Fsp,ng Xsxa Fpm,g Fpm,n Capacitance Transducer Hs Controller Hc Electrostatic Actuator Ha Coupling Kcp Vfed Coupling Kcp Verr Proof massspacecraft Thruster Ht ()()()() 22 22 =+ ncpccpn aaK xK xTM残余加速度残余加速度 50 第1类噪声来源：加速度计系统内部噪声 22 n,1nena ()axV H=+=+ () 2222 t0 ebp,rmscpd 2 0 C VVV md =+ t0 b a 0 = C V H md ncpdbamp 4=+ B VVVVk TRB 接触势差波动、直流偏置电压波动、 运放噪声、反馈电阻噪声 等效静电角频率 51 第2类噪声来源：环境影响效应 = n,2ex,nTM /aFm ?磁场相互作用： ?残余电荷库仑力、洛仑兹力： ?高能粒子碰撞： ?大气阻尼： ?温度效应：辐射压、辐射计、排气、热胀冷缩 ? m0 (/) = = + r FMVBB ? ? q =+=+FqEqvB ? ? ? ? pp /=Fdp dtm E rg0 16/=FPSvv 52 第3类噪声来源：卫星平台耦合效应 ()2 n abbb = =+ ? ? ? ? ?无拖曳控制耦合无拖曳控制耦合 ?引力效应引力效应 ?卫星旋转运动的耦合卫星旋转运动的耦合 SuperSTAR