摘要
空间引力波探测任务作为地面引力波探测的补充和扩展，需要在宇宙空间中搭建正三角形的卫星编队来通过激光干涉的方式探测引力波信号，而由于引力波信号的微弱性，空间引力波探测任务要求星间激光测距精度要达到1pm/Hz1/2量级，测试质量块TM沿敏感轴方向的残余加速度要小于10-15m/s2/Hz1/2量级，卫星位移控制精度要达到1nm/Hz1/2量级。 为了满足引力波探测如此之高的卫星平台指标要求，目前只能通过无拖曳控制方案来实现。微推力器作为无拖曳控制的主要执行机构，要求其输出宽范围连续可调、稳定的微小推力来实时抵消非保守力干扰，而在推力作用过程中所产生的推力噪声又会对无拖曳系统产生影响。因此针对无拖曳控制和微推进系统的研究，成为面向引力波探测任务实现超“静精稳”平台的必要手段和重要保证，也是实现类似高精度空间科学实验面临的基础性科学问题和亟待解决的瓶颈性技术难题，本文的主要研究内容包括： 1）基于无拖曳位移模式，建立卫星和测试质量相对位置的的无拖曳控制模型和微牛级会切霍尔推力器的推力模型，并对无拖曳控制系统中卫星和测试质量受到主要非保守力和噪声进行建模分析，建立微牛级推进无拖曳仿真系统。 2）对于微牛级会切型霍尔推进系统进行部件级分解，根据推力稳态实测数据对推力模型进行参数辨识，分析推力器输入参数的动态响应过程，建立部件级的微牛级推进系统；并基于相对位置的轨道数据对推力进行估计，充分考虑微推进系统的工作特性及约束条件，从微牛级推力器内环反馈控制出发设计了自适应控制算法实现推力的精密闭环反馈控制，以降低执行机构的噪声水平、提高响应速度，实现内环反馈保证推力的高精度、高分辨率、高稳定性输出。 3）依据无拖曳卫星的超高精度、低带宽限制及鲁棒性要求，针对无拖曳控制系统的1nm/Hz高精度指标要求和0.1Hz的带宽限制以及系统未建模动态的不确定性影响进行H∞控制器设计，并考虑工程实际中控制器H∞复杂度高的问题设计了结构化H∞控制器，并通过仿真分析无拖曳控制系统的稳定性和鲁棒性。 4）考虑复杂空间环境中无法准确建模的干扰源、微推进系统的输出约束及干扰特性，进行微推进系统和无拖曳控制系统进行一体化控制设计，为了增强无拖曳控制的鲁棒性能，使得无拖曳控制器在不同任务时期中具有稳定的性能水平，采用自抗扰控制理论进行总扰动估计和补偿，实现引力波探测对无拖曳卫星提出的超“静精稳”无拖曳控制指标。 本文针对空间引力波探测的特殊背景下的超高精度要求，微推力器作为执行机构对无拖曳系统的耦合影响，充分考虑微推进系统的工作特性及约束条件，结合微牛级推力器和无拖曳控制系统进行一体化控制研究，理论上实现了应用于引力波探测任务的微牛级推进无拖曳控制系统的指标需求，为类似的高精度空间任务提供了参考基础。
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