1、1空间惯性传感器与无拖曳控制周泽兵 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 4300742009年全国研究生暑期学校广义相对论理论和实验 2009.6.207.102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31、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Inertial sensor concept is tightly associated wit
2、h AccelerometerBasic principle: law of inertiaNavigation system: accelerometer +gyroscopeRelated: gradiometer; gravity apparatus; vibration measurementBasic composition: proof mass + motion sensor + servo actuatorproof mass: test mass; inertial sensitive mass; gravitational massSpace application con
3、dition: nano-g (pico- femto- g)high precision and small dynamic rangeIn general, inertial sensor is combined with drag-free control5加速度计的基本原理加速度计的基本原理2r0rx xy+ = 0 2r0/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/km =例如： f0=10Hz, xr=1nm,a = 0.4 g0xr=x -ykmyx6加速度计的分类ProofMassSenorOpen-OutputPro
4、ofMassActuatorControllerClosed-OutputSensor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9JPL实验室Stanford大学分辨率： 20 ng/Hz1/2带宽
5、： 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 HzMEMS隧道电流型加速度计10Richard 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： 0.05Hz50HzMEMS “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)
6、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 standard141975 CACTUS1996 ASTRE: gravity survey2000 STAR : CHAMP2002 SuperSTAR : GRACE2009 GRADIO GOCE2012MICROSCOPELISA 2018? 2011 LPF 2、空间应用15Application of Inertial
7、 Sensor Proof mass: sensitive to force (interaction)response to space-time geometryReference mass:to control spacecraft (drag-free control)DRS (Disturbance reduction system)sensor (capacitive, optical, SQUID)Accelerometer:to measurement the acceleration of spacecraftto meas. the gravitational gradie
8、nt, new force, and so onto control the PM16加速度测量模式加速度测量模式（Accelerometer）惯性参考模式惯性参考模式(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pm pm a pmsp sp ng sp/xgFmXgFm= +=+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
9、：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apm ngsp/Fm F m=22V空间应用模式 2惯性参考模式23V空间应用模式 2惯性参考模式24V空间应用模式 2惯性参考模式25V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pm pmsp sp ng sp df sp/xgX g Fm Fm=+ +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，
10、drag-free control检验质量精密测量27发展与应用28卫星重力测量CHAMPGFZ,Germany, 2000GRACENASA/GFZ, 2002GOCEESA, 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GPS、 LRKBR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ModelSuper-Star：3*10-11g0/Hz1/2 （ 10-40.1Hz）ONERA, France Super-Star Accelerometer： 3*10-10 m/s2/Hz1/2 1mHzDeveloped by ONERA, France CHAMP/STAR-AccelerometerGRACE/SuperSTAR Accelerometer
