一种面向空间引力波探测的自引力补偿方法

本发明属于空间引力波探测，具体而言，涉及一种面向空间引力波探测的自引力补偿方法。

背景技术：

1、在空间引力波探测任务中，是利用空间引力波探测器中所包含的若干颗航天器构建超长基线编队，依靠搭载于各航天器内的惯性传感器内部，且处于自由悬浮状态的检验质量作为纯惯性测量基准，通过检验质量间激光干涉精准捕捉引力波造成的皮米级基线伸缩时空微应变，以此探测中低频引力波信号。但航天器因壳体、载荷、推进剂等部件的装配导致其本体质量分布无法做到绝对均匀，会形成不均衡的航天器自引力场持续拉扯检验质量，对检验质量施加额外引力扰动，引入残余加速度噪声，极易掩盖微弱的引力波有效探测信号。

2、自引力噪声补偿是通过设计平衡质量调整航天器本体质量分布，抵消其对检验质量产生的引力扰动，从而将残余加速度噪声控制在探测任务要求的极限内的技术。

3、现有自引力噪声补偿方法中，因航天器复杂构型导致多轴引力耦合效应显著，仅单一轴向优化易引发其他方向噪声超标，且平衡质量的物理质量与布局受如航天器空间冲突等工程约束，难以精准平衡，极易导致惯性传感器灵敏度下降。而利用航天器姿态的频繁调整或增加燃料消耗来抑制残余加速度噪声，则会加速航天器的磨损，增大故障风险，缩短任务寿命。

4、因此，怎样研发能够对航天器本体质量合理补偿，以抑制其残余加速度噪声的自引力补偿方法，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有自引力噪声补偿方法因航天器复杂构型导致多轴引力耦合效应显著，仅单一轴向优化易引发其他方向噪声超标，平衡质量的物理质量与布局受如航天器冲突等工程约束，难以精准平衡，以及利用航天器姿态的频繁调整或增加燃料消耗来抑制残余加速度噪声，会加速航天器的磨损，增大故障风险，缩短任务寿命的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种面向空间引力波探测的自引力补偿方法，包括：

3、建立有限元离散模型并输出有限元节点参数，基于有限元节点参数和万有引力公式计算检验质量所受航天器引力的引力基准值；

4、获取检验质量的质量及尺寸参数，并根据引力基准值计算检验质量所受到的基准自引力线加速度、基准自引力角加速度和基准自引力刚度；

5、选取并构建平衡质量的构型参数集，以根据预获取的惯性传感器的包络几何参数生成构型参数集的取值约束集，并基于分离轴定理对平衡质量进行安装条件判定，以筛选得到合格平衡质量配置集；

6、根据基准自引力线加速度和基准自引力角加速度构建自引力加速度误差目标函数，基于基准自引力刚度构建自引力刚度误差目标函数，并基于合格平衡质量配置集构建平衡质量物理质量目标函数；

7、基于多目标遗传算法生成若干平衡质量构型候选解，以构建第一优化模型，并结合多目标遗传算法对若干平衡质量构型候选解进行优化处理，以输出具有精英可行解的差异化可行解集，其中，每个平衡质量构型候选解均包括其内的每个平衡质量的构型参数集和空间安装坐标；

8、基于差异化可行解集构建第二优化模型，并通过多算子差分算法对差异化可行解集进行优化处理，以输出待补偿平衡质量构型，其中，差异化可行解集中的每个可行解均包括构型参数集、空间安装坐标和其内的全部平衡质量的总质量。

9、作为可选的是，所述建立有限元离散模型并输出有限元节点参数，基于有限元节点参数和万有引力公式计算检验质量所受航天器引力的引力基准值，具体包括：

10、构建空间引力波探测器的三维几何模型并获取原始参数集，根据fem和原始参数集，建立有限元离散模型并输出有限元节点参数；

11、基于有限元节点参数和万有引力公式，计算得到检验质量所受航天器引力的引力基准值。

12、作为可选的是，所述获取检验质量的质量及尺寸参数，并根据引力基准值计算检验质量所受到的基准自引力线加速度、基准自引力角加速度和基准自引力刚度，具体包括：

13、设基准自引力线加速度为，获取检验质量的质量值并设为，根据引力基准值，得到：

14、

15、设基准自引力角加速度为，获取检验质量x轴、y轴和z轴上的尺寸值并设为、和，基于欧拉方程计算得到：

16、

17、式中：

18、、和分别表示为对应检验质量的第i个网格节点的x轴、y轴和z轴上的角加速度；

19、设引力基准值在e方向上的分量为，并设其对应j方向的基准自引力刚度为k，则：

20、

21、式中：

22、e和均表示为x轴、y轴或z轴；

23、表示为检验质量的初始质心坐标；

24、表示为检验质量沿x轴、y轴或z轴的位移量。

25、作为可选的是，所述选取并构建平衡质量的构型参数集，以根据预获取的惯性传感器的包络几何参数生成构型参数集的取值约束集，并基于分离轴定理对平衡质量进行安装条件判定，以筛选得到合格平衡质量配置集，具体包括：

26、选取均呈圆弧贴片构型的若干平衡质量，提取每个平衡质量的周向起始角、周向终止角、轴向顶部高度、轴向底部高度、径向厚度以及与每个检验质量相匹配的平衡质量数量，并构建构型参数集；

27、根据预获取的惯性传感器的内腔圆柱内径、轴向安装高度范围和周向角度范围，生成构型参数集的取值约束集，其中，包络几何参数包括内腔圆柱内径、轴向安装高度范围和周向角度范围；

28、基于分离轴定理，将每个平衡质量的三维图像投影至惯性传感器的圆柱安装基准面的二维投影区间，以当任意两平衡质量不存在重叠时，判定安装条件合格。

29、作为可选的是，选取均呈圆弧贴片构型的若干平衡质量，提取每个平衡质量的周向起始角、周向终止角、轴向顶部高度、轴向底部高度、径向厚度以及与每个检验质量相匹配的平衡质量数量，并构建构型参数集，具体包括：

30、以惯性传感器的内腔圆柱区域的中心轴线为z轴，建立圆柱坐标系，选取呈圆弧贴片构型的任一平衡质量预安装于圆柱区域，以确定周向起始角和周向终止角；

31、根据圆柱区域的沿z轴的轴向边界，以确定轴向顶部高度和轴向底部高度；

32、获取平衡质量的径向厚度和每个检验质量相匹配的平衡质量数量，以构成构型参数集：

33、

34、式中：

35、表示为第个平衡质量；

36、表示为周向起始角；

37、表示为周向终止角；

38、表示为轴向顶部高度；

39、表示为轴向底部高度；

40、表示为径向厚度；

41、表示为与每个检验质量相匹配的平衡质量数量。

42、作为可选的是，根据预获取的惯性传感器的内腔圆柱内径、轴向安装高度范围和周向角度范围，生成构型参数集的取值约束集，具体包括：

43、基于空间引力波探测器的实际构型数据获取惯性传感器的内腔圆柱内径、轴向安装高度范围和周向角度范围；

44、根据内腔圆柱内径、轴向安装高度范围和周向角度范围，生成构型参数集的取值约束集：

45、

46、式中：

47、和分别表示为构型参数集的取值下限和取值上限；

48、、、、以及分别表示为周向起始角、周向终止角、轴向顶部高度、轴向底部高度、径向厚度的取值上限；

49、、、、以及分别表示为周向起始角、周向终止角、轴向顶部高度、轴向底部高度、径向厚度的取值下限。

50、作为可选的是，所述基于分离轴定理，将每个平衡质量的三维图像投影至惯性传感器的圆柱安装基准面的二维投影区间，以当任意两平衡质量投影不存在重叠时，判定安装条件合格，以筛选得到合格平衡质量配置集，具体包括：

51、基于平衡质量几何参数将每个平衡质量映射至三维基准坐标系内，以获取三维图像；

52、将每个平衡质量的三维图像投影至惯性传感器的圆柱安装基准面的二维投影区间，并根据分离轴定理对任意两平衡质量投影的投影区间进行重叠检测，得到第一重叠标识overlap1和第二重叠标识overlap2；

53、当overlap1=false且overlap2=false时，判定任意两平衡质量不重叠，则安装条件合格，以筛选得到合格平衡质量配置集。

54、作为可选的是，所述根据基准自引力线加速度和基准自引力角加速度构建自引力加速度误差目标函数，基于基准自引力刚度构建自引力刚度误差目标函数，并基于合格平衡质量配置集构建平衡质量物理质量目标函数，具体包括：

55、根据基准自引力线加速度和基准自引力角加速度，并基于外点惩罚函数构建自引力加速度误差目标函数：

56、式中：

57、表示为预安装有平衡质量的航天器的总质量的分布特征；

58、表示平衡质量预安装后所计算得到的检验质量受到的自引力加速度；

59、表示为第i个检验质量所受到的自引力加速度的预设目标值；

60、表示为全部检验质量的自引力加速度的预设目标值的个数；

61、表示每个检验质量的自引力加速度偏差的线性权重系数；

62、表示每个检验质量的自引力加速度偏差超出预设目标值后的附加偏差的惩罚权重系数；

63、表示为第i个检验质量的自引力加速度对应的权重系数；

64、根据基准自引力刚度，并基于外点惩罚函数构建自引力刚度误差目标函数：

65、式中：

66、表示平衡质量预安装后所计算得到的检验质量受到的自引力刚度；

67、表示为第i个检验质量所受到的自引力刚度的预设目标值；

68、为全部检验质量的自引力刚度的预设目标值的个数；

69、每个检验质量的自引力刚度偏差的线性权重系数；

70、表示为表示每个检验质量的自引力刚度偏差超出预设目标值后的附加偏差的惩罚权重系数；

71、表示为第i个检验质量的自引力加速度对应的权重系数；

72、基于合格平衡质量配置集，并根据均质固件质量计算公式，构建平衡质量物理质量目标函数：

73、

74、式中：

75、表示为平衡质量的材料密度；

76、表示为从周向起始角至周向终止角的方向角；

77、r表示为惯性传感器的半径。

78、作为可选的是，所述基于多目标遗传算法生成若干平衡质量构型候选解，构建并通过第一优化模型对若干平衡质量构型候选解进行优化处理，以输出具有精英可行解的差异化可行解集，具体包括：

79、基于精英可行非支配排序遗传算法，生成若干平衡质量构型候选解；

80、根据自引力加速度误差目标函数、自引力刚度误差目标函数、取值约束集以及合格平衡质量配置集函数，构建第一优化模型：

81、

82、采用引入g-支配改进排序逻辑的精英可行非支配排序遗传算法，对若干平衡质量构型候选解进行迭代寻优计算，以筛选出精英候选解，并将精英候选解和非精英候选解分层存储，以输出差异化可行解集。

83、作为可选的是，所述基于差异化可行解集构建第二优化模型，并通过多算子差分算法对差异化可行解集进行优化处理，以输出待补偿平衡质量构型，其中，差异化可行解集中的每个可行解均包括构型参数集、空间安装坐标和其内的全部平衡质量的总质量，具体包括：

84、基于差异化可行解集构建第二优化模型：

85、

86、通过多算子差分算法对差异化可行解集进行自适应迭代寻优，并选取自引力加速度误差目标函数和引力刚度误差目标函数均≤0且其内全部平衡质量的总质量最小的可行解定义为待补偿平衡质量构型。

87、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

88、本发明提出的面向空间引力波探测的自引力补偿方法，通过建立有限元离散模型并计算检验质量所受航天器引力的引力基准值，实现航天器复杂构型下多轴引力场的精确建模，为后续多物理量耦合分析提供基础数据；再通过基于引力基准值计算检验质量的基准自引力线加速度、角加速度及刚度，实现多轴引力耦合效应的量化表征，避免单一轴向优化导致的其他方向噪声超标问题；又通过选取平衡质量构型参数集并基于分离轴定理筛选合格配置，实现平衡质量物理质量与布局的工程约束的显式建模，确保候选解满足空间安装可行性；还通过构建自引力加速度误差目标函数、自引力刚度误差目标函数及平衡质量物理质量目标函数，实现多目标优化框架的建立，同步平衡噪声抑制效果与工程实施成本；进一步通过基于多目标遗传算法生成差异化可行解集，实现全局搜索能力与局部精炼能力的结合，避免陷入局部最优解；以通过利用多算子差分算法对差异化可行解集二次优化，实现待补偿平衡质量构型的精准输出，在保证总质量约束的前提下最小化残余加速度噪声。本发明无需依赖航天器姿态频繁调整或增加燃料消耗，从而降低机械磨损与故障风险，延长任务寿命。

89、根据以上内容可知，采用本发明的技术方案能够有效地解决现有自引力噪声补偿方法因航天器复杂构型导致多轴引力耦合效应显著，仅单一轴向优化易引发其他方向噪声超标，平衡质量的物理质量与布局受如航天器冲突等工程约束，难以精准平衡，以及利用航天器姿态的频繁调整或增加燃料消耗来抑制残余加速度噪声，会加速航天器的磨损，增大故障风险，缩短任务寿命的问题。

90、本发明的其他特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。