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基于FEM的引力参考传感器自引力计算与补偿

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中国空间科学技术（中英文） 2024年第2期44卷 89-97页

作者：高志勇王上王智国科大杭州高等研究院基础物理与数学科学学院杭州310012 中国科学院大学北京100049 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033

空间引力波探测太极计划将利用激光干涉的方法,测量两个检验质量之间的距离变化反演引力波信息。在0.1 mHz处,要求检验质量在敏感轴方向的总残余加速度保持在3×10^(-15)m·s^(-2)/√Hz以下。由航天器载荷静引力、热形变和质量波动引起... 详细信息

空间引力波探测太极计划将利用激光干涉的方法,测量两个检验质量之间的距离变化反演引力波信息。在0.1 mHz处,要求检验质量在敏感轴方向的总残余加速度保持在3×10^(-15)m·s^(-2)/√Hz以下。由航天器载荷静引力、热形变和质量波动引起的自引力噪声是检验质量的残余加速度噪声主要来源之一,要求检验质量在敏感轴方向的自引力加速度小于1×10^(-10)m/s^(2),引力梯度小于5×10^(-8)s^(-2)。为了计算检验质量处的自引力大小和引力梯度,针对检验质量与引力源几何形状的不规则性,基于有限元法编写程序计算了引力参考传感器中的引力源作用在检验质量上的线加速度、角加速度和引力梯度。为了缩短计算时间,提出“类自适应”网格划分方法以减小网格数量,并设计了配重以补偿自引力。计算结果显示,经过补偿后的检验质量在敏感轴方向的自引力加速度为9.2377×10^(-12)m/s^(2),引力梯度为-2.5691×10^(-8)s^(-2),满足设计要求。本研究能够为航天器和引力参考传感器的设计与引力补偿提供参考与指导。

关键词：空间引力波探测引力参考传感器自引力引力梯度引力补偿有限元法

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GOCE引力梯度的频谱分析及滤波

地球物理学报 2012年第9期55卷 2909-2916页

作者：万晓云于锦海曾艳艳中国科学院计算地球动力学重点实验室北京100049 中国科学院研究生院地球科学学院北京100049

GOCE卫星提供的梯度数据含有非常大的低频误差,如何处理这种误差是GOCE数据处理中最为关键的工作之一.本文根据GOCE卫星的运行情况,首先分析了梯度数据的频率特性,推导了频率与阶次的对应关系;并在此之上,介绍了针对低频误差的滤波方法... 详细信息

GOCE卫星提供的梯度数据含有非常大的低频误差,如何处理这种误差是GOCE数据处理中最为关键的工作之一.本文根据GOCE卫星的运行情况,首先分析了梯度数据的频率特性,推导了频率与阶次的对应关系;并在此之上,介绍了针对低频误差的滤波方法,即移去恢复和向前向后滤波方法,前者可解决滤波中的低频信号损失问题,后者则主要解决了滤波中的相位漂移问题.最终结果表明:引力梯度的时间频谱与球谐展开中的阶次虽不是一一对应的,但各阶所对应的最大截止频率与阶次却有一定的显式表达.同时也表明,本文所采用的滤波方法是有效的,达到了消除低频误差但保留观测频段信号的目的.

关键词： GOCE 引力梯度滤波

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引力梯度不变量与相关边界条件

中国科学（D辑） 2010年第2期40卷 178-187页

作者：于锦海赵东明中国科学院研究生院地球科学学院北京100049 中国科学院测量与地球物理研究所武汉430077 宇航动力学国家重点实验室西安710043 郑州信息工程大学测绘学院郑州450052

本文研究了以引力梯度的不变量作为基本数据来进行地球引力场恢复的方法.该方法的特点是,处理的数据只与卫星定位数据和引力梯度观测数据相关,而与卫星的姿态无关.首先从不变量出发对扰动位作了线性化展开,得到了一般的线性化模型,即:... 详细信息

本文研究了以引力梯度的不变量作为基本数据来进行地球引力场恢复的方法.该方法的特点是,处理的数据只与卫星定位数据和引力梯度观测数据相关,而与卫星的姿态无关.首先从不变量出发对扰动位作了线性化展开,得到了一般的线性化模型,即:卫星轨道上边界条件的一般形式;其次在球近似下推导了该线性化模型的表达式,并给出了相应的球谐级数解算方法;然后进一步顾及了J2项的影响,改进了球近似模型,得到了顾及J2项情况下关于扰动位的边界条件,并给出了相应的解法;利用EGM96引力场模型对建立的边界条件的理论精度进行了验证和引力场恢复试验,结果表明:球近似模型的平均精度达到了10?7,恢复模型的阶次能达到200阶,而顾及J2项模型的平均精度则达到了10?8,恢复的阶次则可以达到280阶;最后从理论上证明了使用不变量作为基本数据不会使数据组合的误差放大,而且针对GOCE计划的情况论述了不变量的计算方法.

关键词：地球引力场引力梯度不变量扰动位

应用引力梯度测量的火星中低轨道航天器自主导航

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航天器工程 2018年第3期27卷 17-23页

作者：陈培韩锦飞赖玉敏孙秀聪谭龙玉北京航空航天大学宇航学院北京100191 上海航天控制研究所上海201109 上海空间智能控制技术重点实验室上海201109

针对目前行星附近(行星周围中低轨道高度)的自主导航手段有限,且主要依赖地面设备的支持,导航自主性和实时性比较差,精度不高,无法满足未来探测任务的需求的问题,文章提出了使用引力梯度这种天体本身的物理信息对近地行星附近的航天器... 详细信息

针对目前行星附近(行星周围中低轨道高度)的自主导航手段有限,且主要依赖地面设备的支持,导航自主性和实时性比较差,精度不高,无法满足未来探测任务的需求的问题,文章提出了使用引力梯度这种天体本身的物理信息对近地行星附近的航天器进行导航的方法。并以火星附近的导航为算例,采用了全新的120阶火星引力场模型计算引力梯度;使用特征值分解法从引力梯度张量矩阵中提取位置信息,并使用非线性迭代方法解算出高阶引力场模型下的精确位置;最后得出在300km火星轨道上,100mE和10mE噪声水平下,三维导航精度分别可以达到300m和30m以内。该导航方法完全自主,并且导航精度高,实时性好,导航结果可靠,有望应用于近地行星的探测任务。

关键词：行星中低轨道自主导航引力梯度最小二乘法

GOCE引力梯度数据滤波方法的设计与结果分析

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大地测量与地球动力学 2014年第3期34卷 146-150页

作者：杨洪国黄强青岛农业大学青岛266109 西南交通大学地球科学与环境工程学院成都610097

为了滤掉GOCE引力梯度数据的低频误差,基于引力梯度数据的频谱特性设计了3种滤波方法,并选取其中滤波效果最优的一种方法处理了2009-11-02~2010-01-10共70 d的引力梯度数据。利用滤波后的70 d引力梯度数据恢复的1个200阶次的重力场模型... 详细信息

为了滤掉GOCE引力梯度数据的低频误差,基于引力梯度数据的频谱特性设计了3种滤波方法,并选取其中滤波效果最优的一种方法处理了2009-11-02~2010-01-10共70 d的引力梯度数据。利用滤波后的70 d引力梯度数据恢复的1个200阶次的重力场模型结果显示,引力梯度数据恢复的模型必须进行正则化处理,施加了正则化的模型与GO_CONS_GCF_2_TIM_R3在160阶前具有一致的精度。

关键词： GOCE 引力梯度低频误差快速傅里叶变换带通滤波器

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角加速度法测G实验中背景引力梯度效应研究

角加速度法测G实验中背景引力梯度效应研究

作者：柯孟华中科技大学

学位级别：硕士

万有引力常数G不仅在物理学中占据着特殊的地位,在航空航天等工程领域也扮演着重要的角色。G值只能由实验测量来确定。迄今为止,国际上有许多G值的测量结果,但是相对精度优于50ppm的仅8个,并且各实验小组利用不同方法得到的G值在误差范... 详细信息

万有引力常数G不仅在物理学中占据着特殊的地位,在航空航天等工程领域也扮演着重要的角色。G值只能由实验测量来确定。迄今为止,国际上有许多G值的测量结果,但是相对精度优于50ppm的仅8个,并且各实验小组利用不同方法得到的G值在误差范围内互不吻合,说明测G实验中依然存在尚未被正确评估的系统误差。我们实验室在不断改进周期法测G实验的同时,也开展了角加速度法测G实验,通过在25ppm水平上对比两种方法得出的G值研究其中可能存在的系统误差,提高测量结果的置信水平。角加速度法测G实验作为一个复杂的科学实验,涉及的内容十分广泛。本文主要研究实验中背景引力梯度效应的影响,包含山体等相对静止的引力背景和用于支撑吸引质量球的微晶玻璃支架等相对转动的引力背景两部分。在双转台运动时,静止背景梯度效应只与悬点转台转速相关,这样可以通过人为设定调制频率将此部分效应与调制信号分离出来。然而支架背景是随吸引质量球一起运动的,其引力效应频率与调制信号频率重合,无法区分这部分效应与调制信号,因此后者对G值测量结果的影响更大。实验中发现转动背景引力梯度效应贡献给G值的误差超过900ppm,远大于G值测量设定的目标(引力梯度效应的大小,依据测量结果设计不同结构尺寸的质量块进行补偿,经多次补偿后此部分效应降低到1.1±1.5ppm,使其不再成为本实验中主要的误差项。同时也初步完成了对静止背景引力梯度效应的测量和补偿,为进一步获得高精度的G值测量结果打下了基础。

关键词：角加速度法测G 引力梯度测量和补偿

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扭秤弱等效原理实验中的引力梯度效应研究

扭秤弱等效原理实验中的引力梯度效应研究

作者：岳英华中科技大学

学位级别：硕士

弱等效原理是爱因斯坦广义相对论的基本假设之一,它指出“在均匀引力场中,不同组份物体的惯性质量和引力质量之比相等”。检验弱等效原理的方法多为扭秤方案和自由落体方案,自由落体法由于受到实验高度的限制,使得在地球上的实验精度无... 详细信息

弱等效原理是爱因斯坦广义相对论的基本假设之一,它指出“在均匀引力场中,不同组份物体的惯性质量和引力质量之比相等”。检验弱等效原理的方法多为扭秤方案和自由落体方案,自由落体法由于受到实验高度的限制,使得在地球上的实验精度无法得到进一步提高,因此现在高精度的地面实验大都采用扭秤方案。随着空间微重力科学的发展,人们可以利用航天技术开展这一领域的研究,美国和欧空局联合进行的STEP计划就是在空间站进行检验等效原理实验,其预期实验精度为10量级。本文主要计算和分析引力梯度效应对弱等效原理实验的影响,结果发现对于调制的扭秤,由于系统的不对称所引起的引力梯度效应达到了10Nm,而周围引力场的不对称同样也会对实验产生不同程度的影响。经过理论分析,采用增强扭秤检验系统和周围引力场的对称性的方法可以减小和降低引力梯度效应对实验的影响。同时我们也设计了相关的实验对此进行验证。我们还对二重对称扭秤的光子实验数据进行了分析,结果发现二倍频的效应为10Nm 的量级,通过计算分析我们发现扭秤周围环境的不对称所引入的引力梯度效应是不容忽视的,因此针对喻家山人防山洞的具体情况,我们对光子实验的实际环境进行了模拟计算,理论分析结果表明对于二重对称的扭秤而言,环境不对称的影响引起的力矩效应为5.4940×10 Nm,对于四重对称的扭秤来说,效应为1.8668×10Nm,可以看到随着扭秤对称性的增加,引力梯度的效应减小了一个数量级。

关键词：弱等效原理扭秤引力梯度

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月球引力梯度测量

月球引力梯度测量

用于重力梯度仪标校的引力产生装置轨迹优化方法

中国宇航学会深空探测技术专业委员会第八届学术年会

作者：周泽兵蔡林高防华中科技大学物理学院华中科技大学地球物理研究所华中科技大学电信系

本文提出利用月球引力梯度的卫星测量方案,并分析和讨论了梯度测量噪声、卫星高度和跟踪精度对月球引力梯度探测的影响。若月球引力梯度测量卫星运行在轨道高度为50km的极圆轨道上,梯度测量水平达到100mE/Hz,可望获得空间分辨率约为20k... 详细信息

本文提出利用月球引力梯度的卫星测量方案,并分析和讨论了梯度测量噪声、卫星高度和跟踪精度对月球引力梯度探测的影响。若月球引力梯度测量卫星运行在轨道高度为50km的极圆轨道上,梯度测量水平达到100mE/Hz,可望获得空间分辨率约为20km的月球引力场模型,预计其引力异常测量精度达到约8mGal,月球水准面累积误差达到约38.5cm。

关键词：月球探测引力梯度卫星测量

来源： cnki会议评论

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导航与控制 2013年第3期12卷 39-42+64+30页

作者：马存尊李海兵杨慧马杰北京航天控制仪器研究所

本文主要讨论一种利用引力产生装置轨迹的移动进行引力梯度测试、标定和校准的方法。首先研究了引力产生装置对重力梯度测量系统的作用力影响,给出旋转式重力梯度仪的测量原理,推导了引力产生装置在重力梯度仪测量系统中的引力梯度信号... 详细信息

本文主要讨论一种利用引力产生装置轨迹的移动进行引力梯度测试、标定和校准的方法。首先研究了引力产生装置对重力梯度测量系统的作用力影响,给出旋转式重力梯度仪的测量原理,推导了引力产生装置在重力梯度仪测量系统中的引力梯度信号输出表达式。文中设定了引力梯度测试参数,比较引力产生装置在空间中的不同位置移动区域产生的引力梯度信号的输出变化范围,确定引力产生装置的最佳轨迹。最后对重力梯度的测试标校方法作进一步分析。

关键词：重力梯度仪引力产生装置引力梯度轨迹优化