吳樹范,張倩云,劉梅林,*,沈強(qiáng)

1.上海市引力波探測(cè)前沿科學(xué)研究基地,上海 200240

2.上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院,上海 200240

1 引言

高精度的引力波探測(cè)是未來基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域最前沿的研究課題之一[1]?？臻g引力波探測(cè)器相對(duì)于地面探測(cè)器來說對(duì)中低頻段更敏感,具有獨(dú)特的科學(xué)價(jià)值。目前最具代表性的空間引力波探測(cè)計(jì)劃有歐洲航天局(ESA)的引力波探測(cè)計(jì)劃LISA及其先驅(qū)任務(wù)LISA Pathfinder(LPF)[2];以及國內(nèi)中山大學(xué)牽頭發(fā)起的“天琴計(jì)劃”和由中國科學(xué)院與歐洲航天局合作發(fā)起的“太極計(jì)劃”?！疤烨儆?jì)劃”將在距離地球表面1×105km高度的同一繞地軌道面內(nèi)放置三顆航天器,各個(gè)航天器之間相位角相差120°,測(cè)量頻段在1mHz～0.1Hz[3]?！疤珮O計(jì)劃”預(yù)計(jì)在2033年前后發(fā)射由三顆衛(wèi)星組成的引力波探測(cè)星組,與LISA類似在繞日軌道上形成一個(gè)等邊三角形,衛(wèi)星之間相距3×106km,測(cè)量頻段在0.1mHz～1Hz[4]。

空間慣性傳感器作為空間引力波的關(guān)鍵載荷之一,其內(nèi)部的檢驗(yàn)質(zhì)量(Test Mass,TM)為激光干涉儀提供慣性基準(zhǔn)[5-6]。如圖1所示為天琴測(cè)量星座組成的激光干涉儀測(cè)量平臺(tái),三顆衛(wèi)星兩兩之間構(gòu)成激光測(cè)量臂。引力波會(huì)引起時(shí)空的伸縮,當(dāng)引力波經(jīng)過測(cè)量臂時(shí),時(shí)空伸縮引起的光程差被干涉儀讀取,圖中黃色部分代表的是慣性傳感器的檢驗(yàn)質(zhì)量,它是衛(wèi)星本地測(cè)地線的參考點(diǎn)。

圖1 天琴激光干涉儀測(cè)量平臺(tái)[6]

慣性傳感器由檢驗(yàn)質(zhì)量、電極籠、前端電子學(xué)系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)構(gòu)成,如圖2所示。其中檢驗(yàn)質(zhì)量是慣性傳感器的核心部件,前端電子學(xué)系統(tǒng)包括電容位移傳感、靜電執(zhí)行機(jī)以及控制器三大部分,輔助系統(tǒng)包含鎖緊釋放系統(tǒng)、紫外放電系統(tǒng)、真空系統(tǒng),輔助系統(tǒng)處于檢驗(yàn)質(zhì)量的外圍,鎖緊釋放系統(tǒng)負(fù)責(zé)保證發(fā)射時(shí)檢驗(yàn)質(zhì)量的安全,紫外放電系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理檢驗(yàn)質(zhì)量上殘余電荷,真空系統(tǒng)用于支撐檢驗(yàn)質(zhì)量和電極籠。慣性傳感器的主要功能可以分為以下兩種[7]:

圖2 空間慣性傳感器系統(tǒng)組成示意

1)對(duì)航天器受到的非保守力,如大氣阻力、太陽光壓等作用而產(chǎn)生的加速度進(jìn)行測(cè)量,并反饋給航天器的無拖曳系統(tǒng),該系統(tǒng)通過控制微推進(jìn)器產(chǎn)生與之相對(duì)的加速度來抵消這部分的非保守力的作用。

2)作為激光干涉測(cè)量系統(tǒng)的一部分,為激光干涉提供慣性基準(zhǔn),通過測(cè)量檢驗(yàn)質(zhì)量與航天器之間的相對(duì)位移驗(yàn)證激光干涉系統(tǒng)的性能。

這兩種功能對(duì)應(yīng)著不同的工作模式,即加速度計(jì)模式和慣性參考模式。在一般的空間應(yīng)用場(chǎng)景下例如測(cè)量非引力、引力梯度、弱力檢測(cè)等采用加速度計(jì)模式,在該模式下,檢驗(yàn)質(zhì)量跟隨航天器運(yùn)動(dòng)。在空間引力波探測(cè)中一般使用慣性參考模式,航天器跟隨檢驗(yàn)質(zhì)量運(yùn)動(dòng),檢驗(yàn)質(zhì)量作為慣性基準(zhǔn),這就要求在該模式下檢驗(yàn)質(zhì)量敏感軸上的殘余加速度噪聲必須控制在極低的水平,殘余加速度噪聲即慣性傳感器的關(guān)鍵指標(biāo)。

目前國內(nèi)外的空間引力波探測(cè)計(jì)劃對(duì)于殘余加速度噪聲指標(biāo)的要求均在10-15m/s2/Hz1/2量級(jí)。國外目前在軌測(cè)試噪聲水平已達(dá)到10-15m/s2/Hz1/2量級(jí),中國目前用于空間引力波探測(cè)的慣性傳感器噪聲水平在10-12m/s2/Hz1/2量級(jí),仍存在3個(gè)數(shù)量級(jí)的差距?？梢钥闯?空間慣性傳感器的設(shè)計(jì)仍面臨著極大的挑戰(zhàn)。本文將從空間慣性傳感器的工作原理、關(guān)鍵技術(shù)、研究進(jìn)展幾方面入手分析總結(jié)空間慣性傳感器的設(shè)計(jì)思路及研究現(xiàn)狀,同時(shí)對(duì)未來慣性傳感器的研究突破方向進(jìn)行了初步探討。

2 空間慣性傳感器工作原理

空間慣性傳感器的工作原理可以看作一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng),傳感器外殼受到的外界干擾加速度可以看作輸入量,檢驗(yàn)質(zhì)量相對(duì)慣性傳感器的位移為輸出量,其基本模型可以看作由檢驗(yàn)質(zhì)量、阻尼系統(tǒng)和輕彈簧組成。

傳感器受到外界非保守力的作用會(huì)產(chǎn)生加速度,而檢驗(yàn)質(zhì)量由于慣性的作用會(huì)保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),與傳感器發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。前端電子學(xué)單元利用差分電容傳感實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)質(zhì)量位置和姿態(tài)的高精度檢測(cè),將檢測(cè)到的位置及姿態(tài)信息傳遞給控制系統(tǒng),由控制系統(tǒng)計(jì)算出相應(yīng)的控制力,并轉(zhuǎn)換為電壓幅值信號(hào),通過靜電執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生反饋電壓施加在極板上,以此產(chǎn)生靜電力來實(shí)現(xiàn)對(duì)檢驗(yàn)質(zhì)量的六自由度控制,即“電容位移傳感+靜電反饋控制”,如圖3所示。目前,空間引力波探測(cè)任務(wù)中的高精度慣性傳感器主要采用這種工作原理。

圖3 慣性傳感器工作原理示意[12]

如圖4所示為信號(hào)在慣性傳感器內(nèi)部的傳遞形式。在執(zhí)行機(jī)回路中,輸入是來自無拖曳系統(tǒng)的控制力信號(hào),在回路中首先將控制力轉(zhuǎn)換為電壓控制信號(hào),電壓控制信號(hào)通過一系列的變化變成施加在極板上的電壓Vf,這個(gè)電壓信號(hào)對(duì)檢驗(yàn)質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生靜電力,控制檢驗(yàn)質(zhì)量的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),在電容位移傳感回路中,檢測(cè)極板與檢驗(yàn)質(zhì)量間的電荷變化,將變化量傳遞給無拖曳系統(tǒng),計(jì)算出所需的控制力傳遞給執(zhí)行機(jī)回路。所以慣性傳感器就是引力波探測(cè)科學(xué)衛(wèi)星的無拖曳姿態(tài)控制系統(tǒng)的一個(gè)核心傳感器兼重要執(zhí)行機(jī)構(gòu),既感知和檢測(cè)細(xì)微的相對(duì)運(yùn)動(dòng),同時(shí),通過靜電反饋控制的協(xié)助,以實(shí)現(xiàn)對(duì)外環(huán)衛(wèi)星姿態(tài)的無拖曳控制目標(biāo)。

圖4 慣性傳感器信號(hào)傳遞形式

3 空間慣性傳感器關(guān)鍵技術(shù)

目前大部分空間慣性傳感器主要基于“電容位移傳感+靜電反饋控制”的工作原理,因此,電容位移傳感及靜電反饋控制是空間慣性傳感器設(shè)計(jì)時(shí)的兩大關(guān)鍵技術(shù)。此外,在空間慣性傳感器入軌前必須對(duì)其功能和性能指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的地面驗(yàn)證以確保并評(píng)估系統(tǒng)的基本功能和在軌狀態(tài)。以下將從這三個(gè)方面介紹空間慣性傳感器的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 電容位移傳感技術(shù)

位移測(cè)量是慣性傳感器主要功能之一,而以差分電容傳感器為基礎(chǔ)的慣性傳感器能夠?qū)徸兺饨鐢_動(dòng)力所造成的微小位移進(jìn)行納米級(jí)精確測(cè)量。電容位移傳感將檢驗(yàn)質(zhì)量的位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電容變化量,并通過電容變化量來表征(評(píng)價(jià))被測(cè)物理量[8]。電容傳感器通常由傳感元件和檢測(cè)電路組成,如圖5所示。傳感元件感知被測(cè)物理量并將其轉(zhuǎn)化為電容信號(hào)輸出,檢測(cè)電路將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電壓或者電流信號(hào)。

圖5 電容傳感原理示意[12]

目前,慣性傳感器通常使用結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單的平行板電容器作為測(cè)量基礎(chǔ)器件以降低設(shè)計(jì)加工難度。根據(jù)平行板電容器的基本原理,忽略邊緣效應(yīng),其電容值可以表示為[9]:

(1)

式中:ε0和εr分別代表真空介電常數(shù)和相對(duì)介電常數(shù),相對(duì)介電常數(shù)與材料屬性相關(guān),在軌時(shí)電極間介質(zhì)可近似為真空即εr=1;A為有效電極面積;d為電極之間的間距。

從式(1)可知,要改變電容的大小可以從改變介電常數(shù)、有效電極面積、電極間距三個(gè)方面進(jìn)行。但是在真空環(huán)境中,改變介電常數(shù)需要依靠改變材料介質(zhì)來實(shí)現(xiàn),不僅工藝復(fù)雜而且難以滿足高可靠性和高精度的需求,因此一般不采用這種方法,目前主要采用的是變面積和變間距這兩種方式,從幾何結(jié)構(gòu)的角度來改變電容值,從而建立位移與電容變化間的相互關(guān)系。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中,對(duì)于變面積電容傳感,需要考慮面積變化過程中的電極邊緣效應(yīng),多自由度測(cè)量情況下存在的軸間耦合誤差以及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式[10]。對(duì)于變間距的傳感來說,需要在設(shè)計(jì)中考慮位移變化與電容變化超出一定區(qū)間后呈現(xiàn)非線性關(guān)系的問題,可以通過伺服反饋將檢驗(yàn)質(zhì)量控制在線性區(qū)間內(nèi)。此外,當(dāng)檢驗(yàn)質(zhì)量同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)時(shí),檢驗(yàn)質(zhì)量和極板不再滿足平行關(guān)系,如圖6所示為檢驗(yàn)質(zhì)量與極板間距示意圖,EL1-EL4表示四塊極板?？梢钥闯?極板間距與平動(dòng)位移x,y及轉(zhuǎn)動(dòng)角度φ有關(guān),對(duì)于高精度空間引力波探測(cè)的慣性傳感器來說,需要考慮平動(dòng)位移和轉(zhuǎn)動(dòng)角度的耦合關(guān)系。平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)間的耦合會(huì)給位移信號(hào)的測(cè)量帶來噪聲,同時(shí),慣性傳感器中靜電反饋與位移傳感間也會(huì)存在耦合,施加的靜電反饋控制力會(huì)對(duì)位移信號(hào)的測(cè)量引入額外的耦合噪聲,如圖4所示。因此,在對(duì)位移傳感模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)首先對(duì)各項(xiàng)噪聲進(jìn)行研究,進(jìn)行噪聲預(yù)算分配,再根據(jù)分配的指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

圖6 檢驗(yàn)質(zhì)量與極板間距示意

3.2 靜電反饋控制技術(shù)

傳感電路將檢驗(yàn)質(zhì)量與極板間的電容變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),執(zhí)行機(jī)回路將電壓信號(hào)施加在極板上,當(dāng)一對(duì)極板上施加的電壓不相等時(shí),會(huì)對(duì)檢驗(yàn)質(zhì)量產(chǎn)生靜電控制力,控制檢驗(yàn)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)[11-13]。檢驗(yàn)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)可以分解為平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),如圖7所示。

圖7 靜電反饋控制原理示意圖[13]

圖7表示的是檢驗(yàn)質(zhì)量在x方向上的平動(dòng)和繞著z軸的轉(zhuǎn)動(dòng),由分布在檢驗(yàn)質(zhì)量外的EL1～EL4四塊極板控制。施加控制平動(dòng)的電壓u1x和u2x,產(chǎn)生的平動(dòng)靜電力如下:

(2)

施加控制轉(zhuǎn)動(dòng)的電壓u1φ和u2φ,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)靜電力如下:

(3)

式中:ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù);Sx為x軸方向的單個(gè)極板的面積;di為第i個(gè)極板與檢驗(yàn)質(zhì)量之間的距離;d0為極板標(biāo)稱距離;C0為標(biāo)稱距離下的標(biāo)稱電容值。從式(2)(3)可知,改變一對(duì)極板的電壓,可以在檢驗(yàn)質(zhì)量上產(chǎn)生相應(yīng)的靜電力,且一對(duì)極板上的電壓差值越大產(chǎn)生的靜電力越大。

對(duì)極板施加的電壓有兩種類型:直流電壓與交流電壓[13]。當(dāng)采用直流電壓時(shí),平動(dòng)電壓和轉(zhuǎn)動(dòng)電壓會(huì)產(chǎn)生耦合靜電力。為了避免耦合的影響,施加直流電壓一般采用分時(shí)控制的方式,即在一個(gè)周期內(nèi)只施加平動(dòng)電壓或轉(zhuǎn)動(dòng)電壓。然而在實(shí)際控制中需要對(duì)平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)這兩個(gè)自由度同時(shí)進(jìn)行控制,直流電壓的分時(shí)控制難以滿足要求。而交流電壓通過采用不同的頻率來消除耦合電壓對(duì)靜電力的影響,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢驗(yàn)質(zhì)量?jī)蓚€(gè)自由度進(jìn)行同時(shí)控制且相互獨(dú)立,因此目前靜電反饋控制中主要使用交流控制的方式。

3.3 地面評(píng)價(jià)方法

空間慣性傳感器在入軌前必須對(duì)其功能和性能指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的地面驗(yàn)證,一方面有利于驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的覆蓋性、穩(wěn)定性、可靠性,另一方面有利于確認(rèn)系統(tǒng)基本功能并估計(jì)慣性傳感器的在軌工作狀態(tài)和能力。因此在地面如何對(duì)空間慣性傳感器進(jìn)行全面地測(cè)試,特別是對(duì)一些關(guān)鍵性能和指標(biāo)的驗(yàn)證就顯得尤為重要[14]。

空間慣性傳感器工作在空間微重力環(huán)境下,不受重力約束,呈“懸浮”狀態(tài)。而在地球表面由于受到重力和大地脈動(dòng)的影響,導(dǎo)致慣性傳感器無法完全正常工作,從而無法對(duì)其全面標(biāo)定。同時(shí)空間慣性傳感器分辨率非常高,量程往往又比較小,遠(yuǎn)小于重力加速度。所以必須采用一些特殊的手段來抑制地球重力對(duì)測(cè)量的影響。通常采用的方法有高壓懸浮[15]、懸絲扭擺[16]、自由落體[17]。

高壓懸浮方式對(duì)電極在豎直方向上施加高壓,產(chǎn)生的靜電力使檢驗(yàn)質(zhì)量在電極籠內(nèi)實(shí)現(xiàn)自由懸浮,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)檢驗(yàn)質(zhì)量六個(gè)自由度的指標(biāo)測(cè)試。華中科技大學(xué)研制的高壓懸浮原理樣機(jī)目前可實(shí)現(xiàn)對(duì)71g的檢驗(yàn)質(zhì)量進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試[18]。

懸絲扭擺采用懸絲的張力平衡檢驗(yàn)質(zhì)量所受到的重力,使檢驗(yàn)質(zhì)量在一定程度上能夠自由運(yùn)動(dòng),模擬在軌時(shí)的自由狀態(tài)。 采用一根懸絲將檢驗(yàn)質(zhì)量懸掛,檢驗(yàn)質(zhì)量在扭轉(zhuǎn)方向能夠自由運(yùn)動(dòng),再將懸絲和檢驗(yàn)質(zhì)量懸掛在扭秤的端點(diǎn)處,另一端添加質(zhì)量相同的配平質(zhì)量,形成二級(jí)扭擺系統(tǒng)。一級(jí)懸絲的轉(zhuǎn)動(dòng)可以直接反映檢驗(yàn)質(zhì)量的平動(dòng),由此進(jìn)行慣性傳感器的兩自由度測(cè)試。如圖8所示為二級(jí)扭擺示意圖。

圖8 二級(jí)扭擺示意

自由落體方式將慣性傳感器放置于膠囊發(fā)射器內(nèi),利用落塔力學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境,使慣性傳感器進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng),利用自由落體過程中產(chǎn)生的微重力環(huán)境模擬在軌環(huán)境,實(shí)現(xiàn)對(duì)慣性傳感器六自由度控制能力的測(cè)試。該方式是最接近在軌運(yùn)行狀態(tài)的方式。但由于下落距離短,實(shí)驗(yàn)時(shí)間只有幾秒,無法對(duì)分辨率指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1所示為不同地面評(píng)價(jià)方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

表1 慣性傳感器不同地面評(píng)價(jià)方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

4 空間慣性傳感器研究進(jìn)展

空間引力波探測(cè)任務(wù)中的高精度慣性傳感器主要采用“電容位移傳感+靜電反饋控制”的工作原理。國外研究機(jī)構(gòu)慣性傳感器研究進(jìn)展如表2所示。

表2 國外研究機(jī)構(gòu)慣性傳感器研究進(jìn)展

其中,ONERA從1964年起研制了第一代高精度靜電加速度計(jì)CACTUS,并于1975-1979年在CASTOR-D5B衛(wèi)星上搭載。在軌實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理表明,其分辨率達(dá)到了10-9m/s2。隨后ONERA承擔(dān)了一系列空間計(jì)劃的靜電加速度計(jì)的研制工作。典型成果體現(xiàn)在CHAMP、GRACE、GOCE、GRACE Follow-on四顆重力衛(wèi)星上的主載荷——靜電加速度計(jì)STAR、SuperSTAR、GRADIO、SuperSTAR-FO,在測(cè)量頻段內(nèi)的噪聲譜密度分別達(dá)到3×10-9m/s2/Hz1/2、1×10-10m/s2/Hz1/2、2×10-12m/s2/Hz1/2、1×10-10m/s2/Hz1/2,上述靜電加速度計(jì)采用導(dǎo)電金絲注入載波,反饋控制方式均采用直流靜電反饋控制[17,19-21]。

意大利Trento University主要承擔(dān)了LISA Pathfinder(LPF)中的空間慣性傳感器的設(shè)計(jì)和地面測(cè)試工作。該空間慣性傳感器面向空間引力波探測(cè)的需求,相對(duì)于ONERA所設(shè)計(jì)的靜電加速度計(jì)在殘余加速度指標(biāo)上有了明顯的提升。其采用紫外放電技術(shù)代替原本的金絲導(dǎo)電技術(shù)以抑制導(dǎo)電金絲的影響,并采用交流的靜電反饋控制技術(shù)保證檢驗(yàn)質(zhì)量的零電位,用改進(jìn)的靜電模型分析了由雜散靜電場(chǎng)作用于導(dǎo)電殼內(nèi)的帶電檢驗(yàn)質(zhì)量造成的力噪聲,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明了如何正確地測(cè)量和消除與測(cè)試質(zhì)量電荷相互作用的雜散場(chǎng)。同時(shí)搭建了高精度地面二級(jí)扭擺系統(tǒng),開展慣性傳感器的地面性能評(píng)估,在軌測(cè)量結(jié)果顯示加速度噪聲在2mHz為1.74×10-15m/s2/Hz1/2,在20μHz為6×10-15m/s2/Hz1/2。斯普利特大學(xué)University of Split和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院ETH Zürich主要開展LPF中慣性傳感器的傳感和反饋電路系統(tǒng)研制與測(cè)試,如圖9所示,并對(duì)空間慣性傳感器系統(tǒng)的傳感與驅(qū)動(dòng)電子系統(tǒng)中的噪聲進(jìn)行詳細(xì)分析與抑制,對(duì)前端電路和載波穩(wěn)定性也開展了相關(guān)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證[13]?？梢钥闯隹臻g引力波任務(wù)和其他空間任務(wù)核心指標(biāo)需求存在一定差異,空間引力波探測(cè)采用慣性基準(zhǔn)模式,而其他空間任務(wù)大多采用加速度計(jì)模式,不同的空間應(yīng)用場(chǎng)景下,對(duì)檢驗(yàn)質(zhì)量上噪聲水平的要求不同,這就導(dǎo)致關(guān)鍵技術(shù)在應(yīng)用時(shí)會(huì)存在差異。

圖9 LPF慣性傳感器前端電子學(xué)部件[13]

此外,國外其他研究機(jī)構(gòu)也開展了一系列的研究以達(dá)到對(duì)傳感器檢驗(yàn)質(zhì)量精確控制的目的。Armano Md等人[22-23]。研究了靜電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精度及其對(duì)LPF主要觀測(cè)值的影響,并開發(fā)了一個(gè)基于LPF設(shè)計(jì)的模擬器來計(jì)算接近現(xiàn)實(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓,從而得到驅(qū)動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)對(duì)檢驗(yàn)質(zhì)量的精確控制。M O Schulte等人[24]設(shè)計(jì)了充電管理裝置(CMD)來消除低噪音影響下連續(xù)充電或高放電率下間歇充電需要從測(cè)試質(zhì)量去除靜電電荷。Nico Brandt等人[25]對(duì)慣性傳感器進(jìn)行了全面的靜電有限元分析,針對(duì)不同的檢驗(yàn)質(zhì)量平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),提取了檢驗(yàn)質(zhì)量在6個(gè)自由度內(nèi)的靜電力和扭矩,以及檢驗(yàn)質(zhì)量與18個(gè)電極和外殼之間所有不可忽略的電容。并提出了一種適應(yīng)解析靜電模型,更準(zhǔn)確地反映傳感器的靜電力、力矩和剛度值,為檢驗(yàn)質(zhì)量多自由度耦合控制提供了理論依據(jù)。上述研究均是基于對(duì)檢驗(yàn)質(zhì)量的精確控制的目的開展的,因此對(duì)檢驗(yàn)質(zhì)量的精確控制是實(shí)現(xiàn)高精度低噪聲的空間引力波探測(cè)慣性傳感器的基礎(chǔ)。

國內(nèi)從事基于“電容位移傳感+靜電反饋控制”的工作原理的相關(guān)慣性傳感器的研究機(jī)構(gòu)主要有中山大學(xué)、華中科技大學(xué)、蘭州物理研究所、中科院、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等。中山大學(xué)自2014年起開展引力波探測(cè)任務(wù)中慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的指標(biāo)分析、誤差計(jì)算與方案設(shè)計(jì),研制了空間引力波探測(cè)任務(wù)中的慣性基準(zhǔn)系統(tǒng),并成功應(yīng)用于TianQin-1試驗(yàn)衛(wèi)星,在軌測(cè)試精度為0.1Hz處5×10-12m/s2/Hz1/2[26]。華中科技大學(xué)多年來針對(duì)重力衛(wèi)星任務(wù),研制了多套靜電懸浮加速度計(jì)工程樣機(jī),搭建單級(jí)/二級(jí)扭擺系統(tǒng)開展靜電懸浮加速度計(jì)的多自由度地面性能測(cè)試與評(píng)估,測(cè)試精度可達(dá)10-12～10-11m/s2/Hz1/2量級(jí);并針對(duì)引力波探測(cè)任務(wù)中靜電加速度計(jì)的低擾動(dòng)需求,開展控制器設(shè)計(jì)以及交流反饋控制研究[14,27-28]。蘭州物理研究所采用高壓懸浮技術(shù)開展地面靜電加速度計(jì)的性能測(cè)試,并開展靜電加速度計(jì)樣機(jī)研制,搭載于Taiji-1試驗(yàn)衛(wèi)星[29-30]。中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所為Taiji-1試驗(yàn)衛(wèi)星研制了一套具備搭載條件的空間慣性傳感器敏感結(jié)構(gòu)工程樣機(jī),開展了地面測(cè)試對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試評(píng)估,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)在軌性能進(jìn)行了評(píng)估[7,31]。上述國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)大多是基于中國“天琴計(jì)劃”和“太極計(jì)劃”的空間引力波探測(cè)需求來開展對(duì)慣性傳感器的研制。此外,針對(duì)其他的空間測(cè)量任務(wù),清華大學(xué)研制了星載硅微靜電懸浮加速度計(jì),并開展地面相關(guān)測(cè)試;并基于等效原理檢驗(yàn)計(jì)劃開展空間慣性傳感器研制[32],同樣推動(dòng)著空間慣性傳感器技術(shù)的發(fā)展。如表3所示,為上述研究機(jī)構(gòu)的主要研究?jī)?nèi)容及相關(guān)成果。

表3 國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)慣性傳感器研究進(jìn)展

上海交通大學(xué)牽頭承擔(dān)了國家“引力波探測(cè)”重大專項(xiàng)中的慣性傳感器研究專項(xiàng),與多個(gè)研究機(jī)構(gòu)協(xié)作,共同開展空間引力波探測(cè)慣性傳感器相關(guān)技術(shù)的研究與工程實(shí)現(xiàn)。重點(diǎn)針對(duì)傳感器低噪聲多自由度控制方法開展研究,研制慣性傳感器控制系統(tǒng)原理及工程樣機(jī),實(shí)現(xiàn)空間引力波探測(cè)慣性傳感器高精度控制。目前在理論方面已開展基于模型參考自適應(yīng)抗飽和的慣性傳感器解耦控制技術(shù)研究,如圖10所示,基于固定時(shí)間觀測(cè)器及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的噪聲預(yù)估與抑制技術(shù)研究、考慮輸入滯后與通訊中斷、硬件計(jì)算性能的自觸發(fā)/事件觸發(fā)控制技術(shù)、多自由度解耦性能指標(biāo)驗(yàn)證等方面的研究[33]。在樣機(jī)研制方面已完成引力波探測(cè)慣性傳感器交流靜電反饋兩自由度原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),如圖11所示。該原理樣機(jī)在殘余位移控制指標(biāo)上仿真精度已達(dá)10-9量級(jí),如圖12所示。針對(duì)原理樣機(jī)的性能指標(biāo)測(cè)試,提出采用半物理仿真的形式,如圖13所示,借助仿真手段,對(duì)慣性傳感器的探頭模塊及位移傳感模塊進(jìn)行建模,同時(shí)引入無拖曳控制模塊,能夠快速地獲得關(guān)鍵性能指標(biāo)的初步測(cè)試結(jié)果,有利于推動(dòng)慣性傳感器的模塊化設(shè)計(jì),加速研制進(jìn)程。

圖10 STM-EMRAC控制結(jié)構(gòu)

圖11 慣性傳感器交流靜電反饋兩自由度原理樣機(jī)

圖12 慣性傳感器兩自由度殘余位移仿真曲線

圖13 半實(shí)物仿真方案設(shè)計(jì)

綜上所述,空間引力波探測(cè)慣性傳感器的設(shè)計(jì)研制是一項(xiàng)需要眾多學(xué)科交叉協(xié)同的研究,吸引了國內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)學(xué)者的關(guān)注。相較于其他空間慣性傳感器而言,引力波探測(cè)慣性傳感器的難點(diǎn)體現(xiàn)在超高精度和超低噪聲上。要實(shí)現(xiàn)滿足空間引力波探測(cè)需求的高精度空間慣性傳感器,對(duì)現(xiàn)有的慣性傳感器技術(shù)提出了很高的要求。從頂層設(shè)計(jì)到各組成部件設(shè)計(jì)再到測(cè)試環(huán)節(jié)都需要理論和工程上的創(chuàng)新。此外,慣性傳感器的設(shè)計(jì)研制在大多數(shù)情況下可能由多個(gè)團(tuán)隊(duì)共同完成,每個(gè)團(tuán)隊(duì)結(jié)合自身優(yōu)勢(shì),對(duì)慣性傳感器的某一部件開展針對(duì)性的研究。在這一設(shè)計(jì)進(jìn)程中,慣性傳感器不同部件間的信號(hào)傳遞,輸入輸出關(guān)系,噪聲的分配,單一模塊如何完成總體指標(biāo)的測(cè)試,例如僅有執(zhí)行回路如何實(shí)現(xiàn)敏感軸殘余加速度的測(cè)試,這些問題需要加以重點(diǎn)考慮。同時(shí)結(jié)合實(shí)際的研制及測(cè)試對(duì)理論上各部件的指標(biāo)分配進(jìn)行驗(yàn)證,根據(jù)實(shí)際的工程難度,對(duì)各部件的指標(biāo)分配進(jìn)行優(yōu)化。由于慣性傳感器設(shè)計(jì)總指標(biāo)敏感軸殘余加速度受眾多因素影響,對(duì)于易于實(shí)現(xiàn)的需求,適當(dāng)提高指標(biāo)要求,對(duì)于工程上實(shí)現(xiàn)難度高的需求,可以考慮適當(dāng)放寬指標(biāo)要求,這有利于降低工程實(shí)現(xiàn)的難度并進(jìn)一步加快慣性傳感器的研制進(jìn)程。

5 結(jié)論

本文討論了空間慣性傳感器的組成、工作原理及三大關(guān)鍵技術(shù),梳理了國內(nèi)外近年來對(duì)慣性傳感器的研究進(jìn)展。可以看到,空間慣性傳感器是實(shí)現(xiàn)空間引力波探測(cè)的核心載荷,具有很多技術(shù)挑戰(zhàn),國際國內(nèi)都在積極開展相關(guān)的研究和工程實(shí)現(xiàn)。隨著中國空間引力波探測(cè)計(jì)劃的持續(xù)推進(jìn),開展高精度空間慣性傳感器研究與設(shè)計(jì)具有重大戰(zhàn)略意義和科學(xué)意義,是中國有望趕超世界科技前沿或領(lǐng)跑世界科技研究的重要方向之一。本文認(rèn)為,面向中國未來空間引力波探測(cè)任務(wù)中的慣性傳感器需求,應(yīng)該聚焦以下四個(gè)方面的研究。

1)慣性傳感器控制體制策略研究?！疤烨儆?jì)劃”對(duì)慣性傳感器提出了在1mHz～0.1Hz頻段敏感方向引入的殘余加速度擾動(dòng)小于1×10-15m/s2/Hz1/2的指標(biāo)需求[4],這就對(duì)檢驗(yàn)質(zhì)量的控制提出了很高的要求,而慣性傳感器檢驗(yàn)質(zhì)量具有非線性多輸入多輸出動(dòng)力學(xué)耦合特性,外部多源擾動(dòng)及噪聲會(huì)影響對(duì)檢驗(yàn)質(zhì)量的控制精度。因此,高精度慣性傳感器控制體制策略是一個(gè)至關(guān)重要的研究方向,將為慣性傳感器的實(shí)際設(shè)計(jì)提供精確的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2)交流執(zhí)行機(jī)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化。針對(duì)交流執(zhí)行機(jī)需要設(shè)計(jì)合適的交流電壓幅值、頻率、相位。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮眾多的約束,如考慮信號(hào)頻率的混疊效應(yīng)、檢驗(yàn)質(zhì)量的執(zhí)行剛度為常數(shù)、以及硬件電路實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)不同器件的性能,綜合上述約束,如何通過優(yōu)化的方法獲得交流執(zhí)行機(jī)的最優(yōu)參數(shù)是一個(gè)有待解決的問題。

3)交流反饋多自由度解耦控制技術(shù)?？刂茩z驗(yàn)質(zhì)量的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),極板上的交流電壓在檢驗(yàn)質(zhì)量上產(chǎn)生的靜電力包含耦合項(xiàng),即控制不同自由度的電壓信號(hào)會(huì)對(duì)同一個(gè)自由度上靜電力同時(shí)產(chǎn)生作用。在精度要求較低的情況下,這些耦合項(xiàng)可以忽略,但是在高精度的設(shè)計(jì)需求下,直接忽略這些耦合項(xiàng)會(huì)造成控制精度的下降,特別在面向深空引力波探測(cè)過程中,對(duì)敏感軸的耦合加速度擾動(dòng)要求小于1×10-15m/s2/Hz1/2,如何降低不同自由度之間的耦合干擾是一個(gè)值得深入探討的問題。

4)慣性傳感器低噪聲技術(shù)。慣性傳感器運(yùn)行時(shí)會(huì)受到內(nèi)部噪聲及外部噪聲的影響,內(nèi)部噪聲主要是設(shè)計(jì)時(shí)由于電路器件性能導(dǎo)致的,外部噪聲主要包括熱噪聲、環(huán)境噪聲、輻射噪聲、布朗噪聲等。這些噪聲影響著慣性傳感器的精度。為降低噪聲對(duì)慣性傳感器的影響,對(duì)于內(nèi)部噪聲,通過一些工程技術(shù)手段如自穩(wěn)零斬波技術(shù)可以降低器件帶來的噪聲。對(duì)于外部噪聲,對(duì)慣性傳感器的影響主要體現(xiàn)在獲得實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)包含大量的噪聲,因此需要對(duì)噪聲來源進(jìn)行分析,并建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型,針對(duì)噪聲模型,如何通過濾波技術(shù)將有用信號(hào)從大量的噪聲中提取出來也是未來研究的方向。