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太极计划激光指向调控方案介绍

高瑞弘 刘河山 罗子人 靳刚

高瑞弘, 刘河山, 罗子人, 靳刚. 太极计划激光指向调控方案介绍[J]. 中国光学, 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. 太极计划激光指向调控方案介绍[J]. 中国光学, 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

太极计划激光指向调控方案介绍

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激光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激光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 Science XDB23030000

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激光链路的构建。同时为保证引力波信号不会被激光指向噪声淹没,激光指向稳定性需达到nrad/量级。为此需设计一套复杂而精密的激光指向调控方案。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,首先进行激光捕获过程,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,将激光指向不确定区域控制到μrad量级。之后进行激光精密指向过程,利用差分波前敏感测角(DWS)技术对激光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  2  CCD激光信号捕获方案示意图(a); SC2激光扫描(b); SC1接收到来自SC2激光(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  3  CCD表面光斑偏移示意图

    Figure  3.  Schematic of spot position offset on CCD surface

    图  4  实际激光波前示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of real laser wavefront

    图  5  DWS测角原理图。其中Beam 1为本地激光,Beam 2为传播激光,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 and α represents 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  2  CCD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  3  QPD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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