空间惯性传感器检验质量动力学与控制研究进展

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31781

电子电气工程与控制

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空间惯性传感器检验质量动力学与控制研究进展

吴树范¹^,², 孙笑云¹^,², 张倩云¹^,², 沈强¹^,²(), 向煜¹^,²

^1.上海交通大学航空航天学院，上海 200240
^2.上海市引力波探测前沿科学研究基地，上海 200240

收稿日期:2025-01-08 修回日期:2025-02-10 接受日期:2025-03-18 出版日期:2025-04-22 发布日期:2025-04-22
通讯作者: 沈强 E-mail:qiangshen@sjtu.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2020YFC2200800);国家重点研发计划(2021YFC2202600);国家重点研发计划(2022YFC2204800)

Research progress in test mass dynamics and control of space inertial sensor

Shufan WU¹^,², Xiaoyun Sun¹^,², Qianyun ZHANG¹^,², Qiang SHEN¹^,²(), Yu XIANG¹^,²

^1.School of Aeronautics and Astronautics，Shanghai Jiao Tong University. Shanghai 200240，China
^2.Shanghai Gravitational Wave Detection Frontier Scientific Research Base. Shanghai 200240，China

Received:2025-01-08 Revised:2025-02-10 Accepted:2025-03-18 Online:2025-04-22 Published:2025-04-22
Contact: Qiang SHEN E-mail:qiangshen@sjtu.edu.cn
Supported by:
National Key R&D Program of China(2020YFC2200800)

摘要/Abstract

摘要：

以空间引力波探测任务为背景，综述了无拖曳航天器内部用于提供精确惯性参考基准的空间惯性传感器在动力学建模、控制策略确定及控制器设计方面的前沿研究进展。首先介绍了空间惯性传感器在空间引力波探测任务中的作用与结构配置，提供了解析的传感器电压驱动过程，并介绍了对应的传感器工作模式。然后，在2种引力波探测任务对应的无拖曳航天器构型下，描述了惯性传感器内部多检验质量的动力学模型建立过程。最后，针对探测任务需求，综述了惯性传感器静电悬浮控制的相应问题和方法，描述了针对空间惯性传感器静电悬浮控制问题研究的必要性和紧迫性，并对该控制技术的前沿研究问题进行了总结与展望。

关键词: 空间惯性传感器, 航天器动力学, 检验质量静电悬浮控制, 空间引力波探测, 无拖曳航天器

Abstract:

Again the backdrop of space gravitational wave detection missions， this paper reviews the cutting-edge research progress in the dynamics modeling， control strategy determination， and controller design of space inertial sensors used to provide precise inertial reference benchmarks， The paper first introduces the role and structural configuration of space inertial sensors in space gravitational wave detection missions， provides an analytical description of the sensor voltage driving process， and introduces the corresponding sensor operating modes. Then， under the configurations of two types of gravity wave detection missions corresponding to the drag-free spacecraft， the process of establishing the dynamics model of multiple test masses within the inertial sensor is described. Subsequently， in response to the requirements of the detection mission， this paper reviews the relevant issues and methods of electrostatic suspension control for inertial sensors， describes the necessity and urgency of studying the electrostatic suspension control issues for space inertial sensors， and summarizes and prospects the frontier research issues of this control technology.

Key words: space inertial sensor, spacecraft dynamics, test mass electrostatic suspension control, space gravitational wave detection, drag-free spacecraft

中图分类号:

V448.2

吴树范, 孙笑云, 张倩云, 沈强, 向煜. 空间惯性传感器检验质量动力学与控制研究进展[J]. 航空学报, 2025, 46(17): 331781.

Shufan WU, Xiaoyun Sun, Qianyun ZHANG, Qiang SHEN, Yu XIANG. Research progress in test mass dynamics and control of space inertial sensor[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(17): 331781.

图/表 22

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表1

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参考文献 48

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

故障类型	故障特点	采取措施
单极板故障	缓变，精度下降	诊断、控制律重构
多极板故障	缓变，在某些轴向失去功能	诊断、重构，启用备份件
空间强干扰	精度极大下降	诊断，按严重程度进行控制律重构或锁紧
振动冲击	可能带来设备损毁	锁紧

典型阶段	典型模式	切换条件	关键动作
①发射入轨	锁紧保护模式	发射开始前	锁紧夹紧爪
②释放	释放模式	轨道转移和编队保持	打开夹爪
③捕获	加速度计模式	黏滞力100 μN量级	静电捕获
④关键参数标定	寄生刚度测量，接触势差测量与补偿，磁场耦合测量，参与电荷测量与补偿	完成捕获后	各参数标定模式间切换
⑤科学测量阶段	科学测量模式	卫星处于最小扰动状态	最小扰动态观测
⑥安全应急模式	故障模式	当某通道、某模块、某单机出现故障时	引入故障诊断与容错控制模块

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[1]	孙笑云, 吴树范, 沈强. 基于LMI的输出跟踪自适应鲁棒无拖曳控制[J]. 航空学报, 2023, 44(S1): 727654-727654.
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