[论文解读] Measuring the absolute non-gravitational acceleration of a spacecraft: goals, devices, methods, performances

Benjamin Lenoir, Bruno Christophe+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文提出重力高级装置（GAP），一种带有旋转平台的静电加速度计，可实现对航天器非引力加速度的无偏测量。通过使用定制的旋转信号调制加速度计的朝向，该方法抑制了仪器漂移，在三小时内实现了1 pm·s⁻²的测量精度，显著提升了太阳系尺度下广义相对论检验的轨道重构精度。

ABSTRACT

Space provides unique opportunities to test gravitation. By using an interplanetary spacecraft as a test mass, it is possible to test General Relativity at the Solar System distance scale. This requires to compute accurately the trajectory of the spacecraft, a process which relies on radio tracking and is limited by the uncertainty on the spacecraft non-gravitational acceleration. The Gravity Advanced Package (GAP) is designed to measure the non-gravitational acceleration without bias. It is composed of an electrostatic accelerometer supplemented by a rotating stage. This article presents the instrument and its performances, and describes the method to make unbiased measurements. Finally, it addresses briefly the improvement brought by the instrument as far as orbit reconstruction is concerned.

研究动机与目标

• 为深空探测器实现绝对、无偏的非引力加速度测量，以实现高精度轨道确定。
• 解决当前轨道重构中因非引力力（如太阳辐射压力和热反冲力）建模不确定性所导致的局限性。
• 实现非引力加速度测量精度达10 pm·s⁻²，符合欧洲航天局（ESA）对基础物理任务的推荐标准。
• 通过直接测量波动的非引力加速度，减少轨道拟合中的相关性和自由参数。
• 支持利用深空探测器在太阳系距离尺度下开展广义相对论的未来检验。

提出的方法

• GAP采用三轴静电加速度计（MicroSTAR）测量作用于航天器的外部力，包括非引力加速度。
• 通过压电促动器驱动的旋转平台，对加速度计的x轴方向进行调制，产生随时间变化的信号，以区分偏置与真实加速度。
• 调制信号的设计确保在调制周期τ内，调制函数与cos(θ(t))的乘积对常数项、线性项和二次项的积分均为零，从而实现完全的偏置抑制。
• 旋转轨迹根据遮蔽时间（T_M）与调制周期（τ）的比值进行优化，其中T_M = 200 s、τ = 600 s时可实现最优噪声性能。
• 对调制后的数据进行后处理，恢复每个调制周期内的无偏平均加速度，噪声特性通过阿伦方差和功率谱密度进行分析。
• 该方法将信号与偏置视为短时间间隔内的时间仿射函数，从而实现漂移效应的解析抵消。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在太空中利用静电加速度计实现对航天器非引力加速度的无偏绝对测量？
• RQ2 需要何种调制波形与旋转策略，才能完全抑制加速度计测量中的仪器漂移与偏置？
• RQ3 GAP在多大程度上通过直接测量非引力加速度提升了轨道重构的精度？
• RQ4 GAP的噪声性能与太阳辐射压力和热反冲力的自然波动相比如何？
• RQ5 GAP能否实现未来空间基础物理任务所要求的10 pm·s⁻²精度水平？

主要发现

• 当调制周期为600 s、遮蔽时间为200 s时，GAP在无偏加速度测量中实现了4.2 × 10⁻¹² m·s⁻²的精度。
• 在三小时积分时间内，平均非引力加速度的不确定性降低至1 pm·s⁻²，达到空间引力测试中10 pm·s⁻²的目标。
• 无偏测量中的噪声在感兴趣的频率范围内近似为白色且谱平坦，表明彩色噪声污染极低。
• GAP测量噪声的功率谱密度显著低于太阳辐射压力波动（10 AU处为0.1 m²·kg⁻¹的球形截面质量比），可探测此前无法测量的加速度。
• 通过直接测量非引力加速度，GAP减少了对建模的依赖，消除了轨道拟合中的相关参数，提升了轨迹重构的精度。
• 该方法的解析框架确保：当调制信号满足关于m(t)、cos(θ(t))和调制周期内时间相关项的三个积分条件时，可实现完全的偏置抑制。