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太极计划 指向调控方案介绍

高瑞弘,刘河山,罗子人,靳刚

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高瑞弘, 刘河山, 罗子人, 靳刚. 太极计划 指向调控方案介绍[J]. , 2019, 12(3): 425-431. doi: 10.3788/CO.20191203.0425
引用本文: 高瑞弘, 刘河山, 罗子人, 靳刚. 太极计划 指向调控方案介绍[J]. , 2019, 12(3): 425-431.doi:10.3788/CO.20191203.0425
GAO Rui-hong, LIU He-shan, LUO Zi-ren, JIN Gang. Introduction of laser pointing scheme in the Taiji program[J]. Chinese Optics, 2019, 12(3): 425-431. doi: 10.3788/CO.20191203.0425
Citation: GAO Rui-hong, LIU He-shan, LUO Zi-ren, JIN Gang. Introduction of laser pointing scheme in the Taiji program[J].Chinese Optics, 2019, 12(3): 425-431.doi:10.3788/CO.20191203.0425

太极计划 指向调控方案介绍

doi:10.3788/CO.20191203.0425
基金项目:

中科院战略性先导科技专项(B)XDB23030000

详细信息
    作者简介:

    高瑞弘(1994-), 男, 辽宁大连人, 博士研究生, 主要从事空间引力波探测中的 干涉测量方面的研究。E-mail:gaoruihong@imech.ac.cn

    罗子人(1980-), 男, 理学博士, 现任中国科学院力学研究所副研究员, 硕士生导师, 主要从事空间引力波探测中的 干涉测量方面的研究。E-mail:luoziren@imech.ac.cn

  • 中图分类号:P171.3;O439

Introduction of laser pointing scheme in the Taiji program

Funds:

the Strategic Priority Research Program(B) of the Chinese Academy of ScienceXDB23030000

More Information
  • 摘要: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 链路的构建。同时为保证引力波信号不会被 指向噪声淹没, 指向稳定性需达到nrad/ 量级。为此需设计一套复杂而精密的 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 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 指向不确定区域控制到μrad量级。之后进行 精密指向过程,利用差分波前敏感测角(DWS)技术对 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。

  • 图 1星敏感器位置示意图

    Figure 1.Location map of star sensor

    图 2CCD 信号捕获方案示意图(a); SC2 扫描(b); SC1接收到来自SC2 (c); SC1视线对准SC2;(d)SC2视线对准SC1

    Figure 2.CCD laser acquisition scheme (a)SC2 laser scanning; (b)SC1 captures the laser from SC2; (c)SC1 points to SC2; (d)SC2 points to SC1

    图 3CCD表面光斑偏移示意图

    Figure 3.Schematic of spot position offset on CCD surface

    图 4实际 波前示意图

    Figure 4.Schematic diagram of real laser wavefront

    图 5DWS测角原理图。其中Beam 1为本地 ,Beam 2为传播 ,α为光束夹角

    Figure 5.Schematic diagram of angle-measuring principle for DWS. Beam 1 represents the local beam, Beam 2 represents the propagating beam andαrepresents the included angle

    图 6两光束均入射到QPD中心时由DWS技术引入的角度测量误差与入射光束偏角关系图

    Figure 6.Relationship between the measurement error induced by the DWS and angular offset when both beams vertically enter the QPD center

    表 1矫正过程不确定区域的误差预算

    Table 1.Error budget of uncertain areas in correction process

    误差项 平面内误差/μrad 平面外误差/μrad
    STR与卫星矫正误差 50 50
    望远镜与卫星矫正误差 50 50
    望远镜与望远镜指向驱动器矫正误差 25 25
    望远镜指向驱动器绝对位置误差 0.5 0
    飞船姿态的长期项漂移 30 30
    望远镜平面内指向角相对飞船的长期项漂移 0.01 0
    总计(线性和) 155.5 155
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    表 2CCD捕获过程不确定区域的误差预算

    Table 2.Error budget of uncertain area in CCD acquisition process

    误差项 误差值/μrad
    导航误差 11.9
    望远镜视线矫正残余误差 5
    视线与输出光束角度误差 1
    卫星姿态长期项漂移 5
    望远镜平面内指向角相对飞船的长期项漂移 1
    总计(线性和) 23.9
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    表 3QPD捕获过程不确定区域的误差预算

    Table 3.Error budget of uncertain area in QPD acquisition process

    误差项 误差值/μrad
    CCD捕获精度 0.04
    卫星姿态与望远镜平面内指向角短期项抖动 0.1
    QPD与CCD位置矫正偏差 1
    总计(线性和) 1.14
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    表 4太极计划各级指向探测器要求

    Table 4.Performance requirements of point sensors at various levels in Taiji program

    STR CCD QPD
    视场 0.35 rad 200 μrad 1.5 μrad
    精度 5 μrad (RMS 3σ) 40 nrad (RMS 3σ) 10 nrad/
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出版历程
  • 收稿日期:2018-06-29
  • 修回日期:2018-08-31
  • 刊出日期:2019-06-01

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