一种自引力静态-动态协同补偿方法及系统

本发明涉及空间引力波探测，具体涉及一种自引力静态-动态协同补偿方法及系统，同时提供了一种相应的计算机终端和计算机可读存储介质。

背景技术：

1、引力波是时空曲率的动态涟漪，直接观测引力波开启了探索宇宙的多信使天文学新时代。诸如激光干涉空间天线（laser interferometer space antenna，lisa）、太极和天琴等空间引力波探测航天器，利用星间激光干涉仪探测由引力波引起的、相距超过10万公里的检验质量之间的皮米级位移变化，从而反演引力波信号。为了在毫赫兹频段达到所需的灵敏度，必须为测试质量建立近乎完美的自由落体环境，这就要求将测试质量的残余加速度噪声严格抑制在10-¹5m·s-²·hz-¹/²量级以下。航天器的质量分布会对检验质量产生局部引力效应，称为自引力。作为主要的内部噪声源，自引力场会引入加速度及其刚度，均会对最终的检验质量残余加速度产生显著影响。因此，空间引力波探测器都对自引力提出了严格的要求，例如，lisa要求自引力偏差优于5×10-¹0m·s-²，自引力刚度优于3×10-8s-²。自引力场由航天器的局部质量分布决定，受航天器复杂构型影响，如果没有针对性的设计和补偿，自引力很容易超出要求。目前航天器残余引力不平衡的补偿主要依赖于补偿质量块（balance mass，bm）的策略性部署。现有研究主要实现自引力效应的静态补偿，本质上依赖于航天器质量分布随时间保持不变的假设，难以应对实际在轨科学运行中复杂的动态场调制。

2、在实际的在轨科学运行过程中，受结构热变形、燃料持续消耗、移动光学组件（moving optical sub-assembly，mosa）的旋转以及检验质量的相对运动等因素影响，自引力会呈现复杂的动态演化过程。其中，mosa的持续旋转构成了一种高度关键且复杂的动态引力扰动。在轨科学运行过程中，mosa必须持续旋转以维持星间激光链路。由于mosa和检验质量刚性集成且同步旋转，这种旋转运动学不可避免地改变了大型航天器平台和检验质量之间的相对方位，从而导致引力场的显著时变。

3、自引力补偿的根本目的在于在全时域范围内抑制科学观测频段内检验质量所受的残余加速度噪声。现有相关研究主要集中于静态基线补偿，即通过初始质量配置优化建立低扰动惯性基准，以降低静态自引力效应的影响。然而，在轨运行过程中，mosa转动等时变因素会引发引力场动态调制，导致检验质量受到随时间演化的残余加速度扰动。针对该类动态演化自引力效应，现有研究仍存在一定空白，尚缺少一种同时兼顾静态基准奠定与动态演化抑制的自引力协同补偿方案。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种自引力静态-动态协同补偿方法及系统，同时提供了一种相应的计算机终端和计算机可读存储介质。

2、根据本发明的第一个方面，提供了一种自引力静态-动态协同补偿方法，包括：

3、基于有限元方法，计算基线配置下航天器对检验质量的自引力效应，并评估自引力效应产生的噪声扰动；

4、针对所述自引力效应及其产生的噪声扰动，结合补偿质量块的实际安装位置，建立不同构型下补偿质量块的参数化模型，确定约束条件，并构建涵盖补偿性能与补偿质量块物理质量的多目标适应度函数；

5、基于所述多目标适应度函数，根据补偿质量块的不同安装位置对自引力效应的物理灵敏度差异，首先利用安装于惯性传感器内侧的补偿质量块建立自引力效应的静态补偿基准，然后引入安装于移动光学组件和航天器平台上的补偿质量块，对动态扰动进行补偿，并同步对静态补偿方案进行微调，最终实现对静态效应与动态效应的协同补偿设计。

6、优选地，所述基于有限元方法，计算基线配置下航天器对检验质量的自引力效应，并评估自引力效应产生的噪声扰动，包括：

7、对基线配置下的航天器实际构型进行几何重建，生成精细网格并将结构划分为离散的有限元，对有限元的所有节点的引力贡献进行矢量求和，得到作用于检验质量的总自引力，即基线配置下航天器对检验质量的自引力效应；

8、根据检验质量的质量及尺寸参数，得到自引力效应产生的线加速度和角加速度噪声扰动，并通过中心差分方法计算对应的刚度项；

9、通过移动光学组件与有限元节点之间的坐标变换关系，计算不同转角下有限元各节点的更新坐标，并利用更新后的节点坐标计算对应转角下检验质量受到的自引力变化结果；

10、通过所述线加速度和角加速度及其刚度项以及所述自引力变化结果，对自引力效应产生的噪声扰动进行评估。

11、优选地，所述针对所述自引力效应及其产生的噪声扰动，结合补偿质量块的实际安装位置，建立不同构型下补偿质量块的参数化模型，确定约束条件，并构建涵盖补偿性能与补偿质量块物理质量的多目标适应度函数，包括：

12、将自引力补偿分为静态补偿和动态补偿；其中：

13、对于静态补偿，将补偿质量块部署在惯性传感器内侧，采用圆弧贴片构型，通过近场布局实现对静态引力效应的有效平衡，设计该构型下补偿质量块的参数化模型表示为：

14、；

15、式中，表示安装在惯性传感器上用于补偿第

n个检验质量自引力效应的第

i个补偿质量块参数；和分别表示第个补偿质量块的起始角和终止角；和分别表示第个补偿质量块的底部高度和顶部高度；表示第个补偿质量块的厚度；表示第个检验质量的补偿质量块数量；

16、对于动态补偿，补偿质量块采用长方体构型，并分别安装在航天器平台与移动光学组件上，从而实现同步的相对运动，设计该构型下补偿质量块的参数化模型表示为：

17、；

18、；

19、式中，表示安装在移动光学组件上用于补偿第

n个检验质量自引力效应的第

i个补偿质量块参数；表示安装在航天器平台上用于补偿第

n个检验质量自引力效应的第

i个补偿质量块参数；表示第个补偿质量块的质心坐标；、和分别表示第个补偿质量块的长度、宽度和高度；和表示安装在每个移动光学组件和航天器上的补偿质量块数量；

20、确定变量边界约束和几何干涉约束；其中，所述变量边界约束用于将所有补偿质量块的参数集均被限制在其预定义的物理上下限范围内，以满足安装要求；所述几何干涉约束用于防止任何物理重叠；

21、构建一个综合评估模型来表示优化参数相对于参考指标的综合偏差成本，同时作为自引力加速度补偿、自引力刚度补偿以及移动光学组件导致的自引力加速度变化补偿的关键自引力性能指标，则：

22、；

23、式中，表示安装补偿质量块后计算得到检验质量受到总的自引力效应；表示优化后得到的用于补偿第

n个检验质量自引力效应的补偿质量块的参数；表示第个参数的目标值；表示自引力参数的数量；和分别表示单个参数的线性项和惩罚项的权重；表示对应目标函数中第个参数的权重；，分别表示自引力线加速度、角加速度和刚度的参数对应项；

24、同时建立补偿质量块的总质量指标；

25、其中，用于补偿自引力加速度的静态偏差，用于补偿自引力刚度的静态偏差，用于补偿由移动光学组件旋转引起自引力加速度动态变化，用于表示补偿质量块的总质量，这些指标共同构成了涵盖补偿性能与补偿质量块物理质量的多目标适应度函数。

26、优选地，所述基于所述多目标适应度函数，根据补偿质量块的不同安装位置对自引力效应的物理灵敏度差异，首先利用安装于惯性传感器内侧的补偿质量块建立自引力效应的静态补偿基准；然后引入安装于移动光学组件和航天器平台上的补偿质量块，对动态扰动进行补偿，并同步对静态补偿方案进行微调，最终实现对静态效应与动态效应的协同补偿设计，包括：

27、利用安装在惯性传感器内部的补偿质量块建立静态补偿基准，通过对补偿质量块参数进行优化，使基线配置下航天器对检验质量产生的静态自引力加速度及其相关刚度满足预设指标要求，此时，将优化问题表示为：

28、；

29、在完成上述优化即建立静态补偿基准之后，引入安装于移动光学组件和航天器上的补偿质量块，对动态自引力效应进行针对性补偿，同时，对惯性传感器内部的补偿质量块进行协同微调以修正静态自引力偏移，最终获得同时满足静态自引力要求与动态自引力要求的最优补偿质量块配置，此时，将优化问题表示为：

30、；

31、通过上述分阶段协同补偿策略，实现对静态效应与动态效应的协同补偿设计。

32、优选地，还包括：

33、基于所述优化问题，确定主优化目标和次优化目标，采用双阶段混合优化算法，分别针对主优化目标和次补偿优化进行补偿质量块迭代寻优。

34、优选地，所述采用双阶段混合优化算法，分别针对主优化目标和次优化目标进行补偿质量块迭代寻优，包括：

35、所述双阶段混合优化算法，包括：将多目标优化问题依据工程优先级解耦为两个顺序协调的子阶段；其中：

36、第一阶段，该阶段将优化过程聚焦于作为主优化目标的关键自引力性能指标，其中，静态补偿时所述关键自引力性能指标包括和，动态补偿时所述关键自引力性能指标包括、和，此时暂不考虑补偿质量块的总质量指标，在高维空间中锁定满足物理性能要求的可行域；

37、第二阶段，该阶段利用第一阶段获得的可行域，将优化重心转移至对作为次优化目标的补偿质量块的总质量的最小化。

38、根据本发明的第二个方面，提供了一种自引力静态-动态协同补偿系统，包括：

39、自引力效应计算模块，该模块基于有限元方法，计算基线配置下航天器对检验质量的自引力效应，并评估自引力效应产生的噪声扰动；

40、多目标适应度函数构建模块，该模块针对所述自引力效应及其产生的噪声扰动，结合补偿质量块的实际安装位置，建立不同构型下补偿质量块的参数化模型，确定约束条件，并构建涵盖补偿性能与补偿质量块物理质量的多目标适应度函数；

41、协同补偿设计模块，该模块基于所述多目标适应度函数，根据补偿质量块的不同安装位置对自引力效应的物理灵敏度差异，首先利用安装于惯性传感器内侧的补偿质量块建立自引力效应的静态补偿基准，然后引入安装于移动光学组件和航天器平台上的补偿质量块，对动态扰动进行补偿，并同步对静态补偿方案进行微调，最终实现对静态效应与动态效应的协同补偿设计。

42、优选地，所述协同补偿设计模块，还包括：

43、双阶段混合优化算法单元，该单元基于所述优化问题，确定主优化目标和次优化目标，采用双阶段混合优化算法，分别针对主优化偿目标和次优化目标进行补偿质量块迭代寻优。

44、根据本发明的第三个方面，提供了一种计算机终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，该处理器执行该计算机程序时可用于执行本发明上述中任一项所述的方法，或，运行本发明上述中任一项所述的系统。

45、根据本发明的第四个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时可用于执行本发明上述中任一项所述的方法，或，运行本发明上述中任一项所述的系统。

46、由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：

47、本发明构建了面向航天器自引力效应的静态与动态协同补偿方法，能够同时实现基线配置下自引力偏置的静态补偿以及mosa转动引起时变自引力扰动的动态补偿，从而有效改善检验质量周围的引力环境。

48、本发明采用先静态后动态的分阶段优化策略，可显著缩小优化搜索空间，降低参数耦合程度，提高优化效率与求解稳定性。

49、本发明在优化过程中综合考虑bms（balance mass，补偿质量块）的安装位置、几何形状、补偿性能及质量代价，在满足工程安装约束的前提下实现补偿效果与bms质量之间的平衡，因而具有较强的工程可实施性、适配性和应用价值。

50、本发明采用静态与动态自引力效应的协同补偿机制，其中静态和动态补偿阶段均采用双阶段混合优化算法进行迭代优化，在满足补偿性能要求的同时可有效避免质量冗余，实现了基线配置下静态自引力偏差与mosa构型变化引起的动态自引力扰动的协同补偿，具有优化效率高、稳定性好和工程可实施性强的优点。