• Non ci sono risultati.

Design, implementation and analysis of the LISA gravity reference sensor actuation algorithm

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Condividi "Design, implementation and analysis of the LISA gravity reference sensor actuation algorithm"

Copied!
28
0
0

Testo completo

(1)

Facoltà di Ingegneria  Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Aerospaziale     

Design, Implementation and Analysis of the 

LISA Gravity Reference Sensor Actuation 

Algorithm 

      Tesi di laurea specialistica in ingegneria aerospaziale curriculum spaziale  Anno Accademico 2008‐2009  13 Ottobre 2009      Relatori: 

Prof. G. Mengali 

Ing. F. Cirillo  

Dr. P. Gath  

Candidato:  

Diego Giorgi 

   

(2)
(3)

LISA,  the  Laser  Interferometer  Space  Antenna,  and  its  technology‐demonstrating  LISA  Pathfinder  form  a  cooperative  mission  between  ESA  and  NASA  aiming  to  detect  and  measure  gravitational waves. The measurement bandwidth over which LISA operates is 0.1 mHz–1 Hz with  a goal to extending the  measurements down to 30 μHz. This measurement  bandwidth is where  much  of  the  most  interesting  gravitational  wave  sources  are  emitting,  and  is  directly  complementary to a number of planned ground‐based interferometers (LIGO, VIRGO, TAMA 300  and  GEO600)  that  will  observe  gravitational  waves  over  the  higher  frequency  regime  (10– 1000Hz). The two main categories of gravitational wave sources  detectable by LISA are galactic  binaries and the massive black holes expected to exist at the centre of most galaxies.  

The  LISA  space  segment  consists  of  three  spacecrafts  flying  in  a  quasi‐equilateral  triangular formation, in an Earth‐trailing orbit at some 20 degrees behind or in front of the Earth.  Each of the three identical spacecraft carries a V‐shaped payload which is a measurement system  consisting  of:  two  Gravity  Reference  Sensors  (basically  two  free‐flying  test  masses  that  will  undergo  displacement  due  to  the  passage  of  gravitational  waves),    the  associated  laser  interferometer measurement systems and the electronics. The two arms of the V‐shaped payload  of the spacecraft at one corner of the triangle together with the corresponding single arms of the  other  two  spacecrafts  constitute  one  of  the  three  Michelson‐type  interferometers.  These  interferometers  are  able  to  detect  gravitational  waves  through  the  measurement  of  changes  in  the  length  of  the  optical  path  between  the  two  reflective  test  masses  of  one  arm  of  the  interferometer  relatively  to  the  other  arm.  In  order  to  detect  the  extremely  small  displacement  caused by the passage of the gravitational waves the test masses have to be maintained in a drag‐ free environment well shielded from the other external noise effects.  

Nevertheless, caused by the LISA geometrical configuration, a pure drag‐free strategy for  both  the  test  masses  in  each  spacecraft  cannot  be  performed.  This  results  in  a  extremely  fine  control system able to maintain the test masses relative position and their orientation respect to  the  spacecraft,  and  able  to  perform  the  drag‐free  along,  at  least,  the  direction  of  the  interferometer arms. For this reason, some electrostatic forces are applied to the test masses by  means of voltages applied to the electrodes that surround them.     

This  thesis,  starting  from  the  current  status  of  the  LISA  Pathfinder  mission,  proposes  an  alternative Gravity Reference Sensor actuation strategy for the generation of the voltages on the  electrodes.  The  analytical  analysis  of  the  stiffness  and  the  noise  induced  by  the  new  actuation  strategy  as  well  the  main  issues  connected  with  the  Gravity  Reference  Sensor  electronics  are  presented. Detailed simulation are needed in order to ensure the mission success, for this reason  an  End‐to‐End  Simulator  is  under  development.  This  work  includes  the  implementation  of  the  Gravity Reference Sensor model in the LISA End‐to‐End Simulator. Simulation are done in order to  validate the GRS model implementation and the feasibility of the proposed actuation strategy. 

(4)

ii 

LISA,  accronomo  per  Laser  interferometer  Space  Antenna,  e  LISA  Pathfinder  la  missione  che  verificherà  le  tecnologie  necessarie  per  la  realizzazione  di  LISA,  formano  una  missione  coperativa tra ESA e NASA che si propone di rilevare e misurare le onde gravitazionali. La banda di  frequenza nella quale LISA opera è compresa tra 0.1 mHz e 1 Hz con il proposito di estendere le  misurazioni fino a 30 μHz. Questa banda di frequenza delle misurazioni corrisponde alla banda di  frequenza  di  molte  delle  più  interessanti  sorgenti  di  onde  gravitazionali  ed  è  direttamente  complementare  a  numerosi  interferometri  realizzati  a  terra  (LIGO,  VIRGO,  TAMA  300  and  GEO600)  che  osserveranno  le  onde  gravitazionali  a  più  alta  frequenza  (10‐1000Hz).  Le  due  principali  sorgenti  di  onde  gravitazionali  rilevabili  da  LISA  sono  i  sistemi  binari  e  buchi  neri  massicci supposti esistere al centro di molte galassie.  

Il segmento spaziale di LISA consiste in tre satelliti disposti in una formazione triangolare  quasi  equilatera  ognuno  in  un  orbita  elicentrica  del  raggio  dell’orbita  terrestre  a  circa  20  gradi  davanti (o dietro) la terra stessa. Ognuno dei tre identici satelliti porta un carico pagante a forma  di  V  che  è  un  sistema  di  misurazione  composto  da:  due  Gravity  Reference  Sensors  (fondamentalmente due masse prova in volo libero che dovranno fungere da riferimento  per gli  spostamenti dovuti al passaggio di un onda gravitazionale), il sistema di misura interferometrica  laser  associato  e  l’elettronica.  I  due  bracci  del  carico  pagante  a  forma  di  V  del  satellite  ad  un  angolo  del  triangolo  insieme  con  il  corrispondente  singolo  braccio  degli  altri  due  satelliti  costituiscono  uno  dei  tre  intrferometri  di  tipo  Michelson.Questi  interferometri  sono  capaci  di  rilevare le onde gravitazionali attraverso la misura dei cambiamenti nella lunghezza del cammino  ottico  tra  le  due  masse  prova  riflettenti  di  un  braccio  dell’interferometro  relativamente  all’altro  braccio.  Allo  scopo  di  rilevare  l’estremamente  piccolo  spostamentocausato  dal  passaggio  di  un  onda gravitazionale le masse prova devono essere mantenute in un ambiente in caduta libera ben  schermate dagli altri effetti esterni di disturbo.   

Tuttavia,  a  causa  della  configurazione  geometrica  di  LISA,  una  strategia  di  pura  caduta  libera per entrambe le masse prova in ogni satellite non può essere realizzata. Questo implica un  sistema di cotrollo estremamente preciso capace di mantenere la posizione relativa delle masse  prova e il loro assetto rispetto al satelite, e capace di realizzare la caduta libera almeno lungo la  direzione  dei  bracci  dell’interferometro.  Per  questa  ragione  delle  forze  eletrostatiche  sono  applicate alle masse prova  per mezzo di voltaggi applicati agli elettrodi che le circondano.  

Questa  tesi,  partendo  dallo  stato  corrente  di  sviluppo  della  missione  LISA  Pathfinder,  propone per il Gravity Reference Sensor  una strategia di attuazione alternativa per la generazione  dei  voltaggi  sugli  elettrodi.  L’analisi  analitica  della  rigidezza  e  del  rumore  indotto  dalla  nuova  strategia  di  attuazione,  cosi  come  i  principali  problemi  connessi  con  l’elettronica  del  Gravity  Reference Sensor  sono presentati. Delle simulazioni dettagliate sono necessarie per garantire il  successo  della  missione,  per  questo  motivo  un  simulatore  End‐to‐End  è  sotto  sviluppo.  Questo  lavoro include l’implementazione del modello di Gravity Reference Sensor nel simulatore End‐to‐ End di LISA. Simulazioni sono fatte allo scopo di validare l’implementazione del modello di Gravity  Reference Sensor e la fattibilità della strategia di attuazione proposta.

 

 

(5)

iii 

The  present  thesis  has  been  carried  out  during  a  seven  month  stage  at  EADS  Astrium 

Gmbh, Future Missions and Instruments division, Fredrichshafen, Germany. 

I  am  extremely  grateful  to  my  professor  Giovanni  Mengali  and  to  Stefano  Lucarelli  that 

have paved the way for this extremely challenging and formative work experience.  

A special tanks to my advisor Francesca Cirillo, for her suggestions and her competence, 

but especially for her rare ability to be at the same time a job superior as well a friend. 

My sincere thanks to Dr. Peter Gath, for his care in my future, and for all the exciting and 

formative  experiences  that  he  offered  me  in  these  months.  My  warm  thanks  to  Nico 

Brandt and Oliver Scholts for their precious technical support during the developing of my 

thesis.   

 

   

(6)

iv 

La presente tesi è stata sviluppata durante uno stage di sette mesi presso EADS Astrium 

Gmbh, dipartimento Future Missions and Instruments, Friedrichshafen, Germania. 

Sono  estremamente  grato  verso  il  mio  professore  Giovanni  Mengali  e  verso  Stefano 

Lucarelli  per  avermi  aperto  la  strada  verso  questa  esperienza  di  lavoro  estremamente 

stimolante e formativa.   

Un ringraziamento speciale per la mia advisor Francesca Cirillo, per i suio suggerimenti e 

la sua competenza, ma specialmente per la sua rara capacità di essere allo stesso tempo 

un superiore di lavoro così come un’amica.  

Il mio ringraziamento sincero al Dr. Peter Gath, per il suo interessamento per il mio futuro 

e per tutte le stimolanti e formative esperienze che mi ha offerto in questi mesi. Un mio 

caldo ringraziamento a Nico Brandt e Oliver Scholts per il loro prezioso supporto tecnico 

durante lo sviluppo della mia tesi. 

(7)

Table of Contents 

 

  1  Introduction ... 2  1.1  Gravitational Waves ... 2  1.2  The Laser Interferometer Space Antenna ... 4  1.3  Science Requirements ... 7  1.3.1  Science Performances ... 9  1.3.2  The Acceleration Noise Requirement ... 9  1.3.3  The Optical Metrology System Requirement ... 10  1.3.4  Overall LISA Measurement Sensitivity ... 10  1.4  The Gravity Reference Sensor (GRS) ... 11  1.5  Contribution of This Work ... 13  1.6  Outline of the Thesis ... 13  2  Gravity Reference Sensor Model ... 15  2.1  GRS Actuation ... 15  2.1.1  Actuation Stiffness ... 17  2.1.2  Capacitance Model ... 17  2.2  GRS Sensing ... 18  3  Gravity Reference Sensor Control System ... 21  3.1  LISA Control Modes ... 21  3.1.1  Science Mode ... 23  3.1.2  Accelerometer Mode ... 24  3.2  GRS Actuation Algorithms Derivation ... 25  3.2.1  General Assumptions ... 25  3.2.2  System Simplifications ... 25  3.2.3  Test Mass Voltage ... 26  3.2.4  Requirement on the Actuation Stiffness ... 27  3.2.5  Constant Actuation Stiffness (LPF Science Mode) ... 28  3.2.6  Actuation Stiffness Minimization (LPF Accelerometer Mode) ... 29  3.2.7  Feedback of TM Position and Attitude ... 29  3.2.8  System Solution in the Constant Stiffness Approach for x Actuation ... 29  3.2.9  System Solution in the  Stiffness Minimization Approach for x Actuation ... 32 

(8)

vi  3.2.10  Summary of the Conversion Laws ... 33  4  Gravity Reference Sensor Front‐End‐Electronics ... 37  4.1  GRS FEE Architecture (LPF) ... 37  4.2  Principle of Operation of the FEE in Actuation ... 38  4.2.1  Actuation in Science Mode ... 39  4.2.2  Actuation in Accelerometer Mode ... 40  4.3  Hardware Limitations ... 42  5  Gravity Reference Sensor Model Description and Implementation ... 47  5.1  E2E Simulator Introduction ... 47  5.2  The GRS Simple Model ... 49  5.3  The GRS Model ... 51  5.3.1  The Actuation Algorithm ... 52  5.3.2  Sensing Algorithm ... 53  5.3.3  GRS Model Implementation Overview ... 54  5.3.4  GRS Analytical Model Description ... 55  5.4  Comparison Between Simple and Complete GRS Model ... 59  6  Gravity Reference Sensor Model Parameterization for LISA ... 61  6.1  Actuation Noise ... 61  6.1.1  Simulation and Validation ... 61  6.2  Actuation Bias... 62  6.2.1  Simulation and Validation ... 64  6.3  Sensing Noise ... 65  6.3.1  Filters Reshaping ... 67  6.3.2  Simulation and Validation ... 68  6.4  Sensing Bias ... 71  6.4.1  Simulation and Validation ... 72  6.5  Stiffness Due to Self Gravity and Others Effects ... 73  7  Actuation Stiffness Matrix ... 76  7.1  Stiffness Matrix Analytical Derivation ... 76  7.2  X‐Actuation ... 77  7.2.1  Test Mass Voltage ... 78  7.2.2  X‐Force ... 78  7.2.3  Y‐Force ... 79  7.2.4  Z‐Force ... 80  7.2.5  θ‐Torque ... 80 

(9)

vii  7.2.6  η‐Torque ... 80  7.2.7  φ‐ Torque ... 80  7.3  φ‐Actuation ... 81  7.4  Complete Actuation Stiffness Matrix in Stiffness Minimization ... 84  7.5  Complete Actuation Stiffness Matrix in Constant Stiffness ... 85  7.6  Comparison Between Different Control Approches ... 85  7.7  Simulator Validation ... 87  7.7.1  Test Setup ... 87  7.7.2  Results ... 88  7.7.3  Range of Validity of the Stiffness Matrix ... 89  8  Actuation noise ... 91  8.1  General Equations ... 91  8.2  Electrostatic Force Noise ... 93  8.2.1  Correlated Multiplicative Voltage Noise ... 94  8.2.2  Uncorrelated Multiplicative Voltage Noise ... 95  8.2.3  Additive Voltage Noise at the AC Actuation Waveforms Frequency ... 97  8.2.4  Additive Voltage Noise Coupling With the DC Voltage and the DC Charge ... 99  8.2.5  Additive Voltage Noise at the AC Injection Electrodes Waveforms frequency ... 100  8.3  Summary of the Conversion Laws ... 100  9  Impact on the Front‐End‐Electronics ... 103  9.1  New Approach for the Waveforms Generation ... 103  9.1.1  Decoupling by Means of Differences in Frequency ... 104  9.1.2  Decoupling by Means of Differences in Phase ... 105  9.2  Preliminary Conclusions ... 106  10  Performance Analysis ... 108  10.1  Simulation Setup ... 108  10.2  “Simple Model” Simulation ... 108  10.3  GRS Model Simulation in Stiffness Minimization Actuation Strategy ... 111  10.4  GRS Model Simulation in Constant Stiffness Actuation Strategy ... 114  10.5  Simulations Comparison ... 117  11  Summary of Results and Prospects for Future Work ... 118  11.1  Advantages of the Stiffness Minimization Actuation Approach ... 118  11.2  Test Mass Coordinates Feedback in the Actuation Algorithm ... 119  11.3  Prospect For Future Work in the LISA E2E Simulator ... 119  12  Appendix A ... 120 

(10)

viii  12.1  X‐Y Section Plane Capacitances ... 121  12.2  Y‐Z Section Plane Capacitances ... 122  12.3  X‐Z Section Plane Capacitances ... 123  13  Appendix B ... 124           

(11)

ix 

List of Figures 

 

Figure 1‐1: Comparison of frequency range of sources for ground‐based and space‐based  gravitational wave detectors, Ref[3] ... 3  Figure 1‐2: LISA artistic view, Ref.[2] ... 4  Figure 1‐3: Schematic diagram of the LISA orbital constellation geometry, Ref[1] ... 5  Figure 1‐4: Annual motion of the LISA triangular constellation, Ref[2] ... 5  Figure 1‐5: LISA launch stack under Atlas V short fairing on the B1198 launch adapter, Ref[1] ... 6  Figure 1‐6: Launch Composite Module (LCM) design, Ref[1] ... 6  Figure 1‐7: LISA V‐shaped payload (sunshield transparent to allow interior view), Ref[1] ... 6  Figure 1‐8: Gravitational waves sources detectable by LISA, Ref[3] ... 9  Figure 1‐9: LISA performances compared to science requirements, Ref[4] ... 11  Figure 1‐10: Test mass and electrode housing, Ref[1] ... 12  Figure 1‐11: GRS electrodes configuration, Ref[5] ... 12  Figure 1‐12: GRS electrodes numbering, Ref[5] ... 13  Figure 2‐1: Schematic view of TM and GRS electrodes, Ref[5] ... 15  Figure 2‐2: Schematic architecture of the capacitive measurement equipment, Ref[8] ... 19  Figure 3‐1: Conceptual scheme of the drag‐free control system. ... 22  Figure 3‐2: Conceptual scheme of the electrostatic suspension control system. ... 23  Figure 3‐3: Principle of the science operational mode in z direction. ... 24  Figure 3‐4 : Concept of the constant stiffness actuation strategy ... 31  Figure 3‐5: Concept of the stiffness minimization actuation strategy ... 33  Figure 4‐1: Functional view of the LPF Gravity Reference Sensor FEE, Ref[12] ... 37  Figure 4‐2: Actuation waveform calculation in science mode, Ref[12] ... 44  Figure 5‐1: LISA E2E Simulator top level structure, Ref[14] ... 48  Figure 5‐2: Single spacecraft simulation setup ... 48  Figure 5‐3  5.1‐3: LISA spacecraft closed loop dynamics. ... 49  Figure 5‐4:  Capacitive readout simple model. ... 50  Figure 5‐5: Capacitive actuation simple model. ... 51  Figure 5‐6: Schematic overview of the GRS implementation in the E2E Simulator ... 52  Figure 5‐7: Capacitive actuation algorithm block ... 53  Figure 5‐8: Measurement processing algorithm block ... 53  Figure 5‐9 : Actuators block ... 54  Figure 5‐10: GRS block interconnections ... 54  Figure 5‐11: GRS model ... 58  Figure 5‐12: RTS block ... 58  Figure 5‐13: SCOE FEE block. ... 59  Figure 6‐1: X‐force noise compared with the nominal x noise shape filter ... 62  Figure 6‐2: Geometrical relation in the x‐y plane between control accelerations and DC forces  accelerations ... 63  Figure 6‐3: Forces delivered from the GRS to the dynamics in a 10000 s simulation in science  mode. ... 65 

(12)

x  Figure 6‐4: Torques delivered from the GRS to the dynamics in a 10000 s simulation in science  mode. ... 65  Figure 6‐5: Comparison between the x measurement noise requirement and the simulation result.  ... 69  Figure 6‐6: Comparison between the θ measurement noise requirement and the simulation result.  ... 70  Figure 6‐7: Comparison between the η measurement noise requirement and the simulation result.  ... 70  Figure 6‐8: Comparison between the φ measurement noise requirement and the simulation  result. ... 71  Figure 6‐9: Test masses position in a 15000 s simulation with the readout bias activated ... 73  Figure 6‐10: Test masses attitude in a 15000 s simulation with the readout bias activated ... 73  Figure 7‐1: Test setup for the actuation stiffness derivation from the LISA E2E Simulator... 87  Figure 7‐2: Stiffness matrix range of validity validation ... 90  Figure 8‐1: Uncorrelated multiplicative noise effect on x force noise w.r.t. the actuation strategy  ... 96  Figure 8‐2: Additive voltage noise effect on x force noise w.r.t. the actuation strategy. ... 99  Figure 10‐1: TMs displacements in the “GRS simple model” simulation ... 109  Figure 10‐2: TMs displacements in the “GRS simple model” simulation (zoomed) ... 109  Figure 10‐3: TMs displacements in the “GRS simple model” simulation (zoomed on x) ... 109  Figure 10‐4: TMs rotations in the “GRS simple model” simulation ... 110  Figure 10‐5: TMs rotations in the “GRS simple model” simulation (zoomed) ... 110  Figure 10‐6: TMs rotations in the “GRS simple model” simulation (zoomed on θ) ... 111  Figure 10‐7: TMs displacements in the stiffness minimization simulation ... 111  Figure 10‐8: TMs displacements in the stiffness minimization simulation (zoomed) ... 112  Figure 10‐9: TMs displacements in the stiffness minimization simulation (zoomed on x) ... 112  Figure 10‐10: TMs rotations in the stiffness minimization simulation ... 113  Figure 10‐11: TMs rotations in the stiffness minimization simulation (zoomed) ... 113  Figure 10‐12: TMs rotations in the stiffness minimization simulation (zoomed on θ) ... 113  Figure 10‐13: Comparison between the actual and the commanded y‐force on the TM1 in a  simulation in constant stiffness ... 114  Figure 10‐14: TMs displacements in the constant stiffness simulation ... 115  Figure 10‐15: TMs displacements in the constant stiffness simulation (zoomed) ... 115  Figure 10‐16: TMs displacements in the constant stiffness simulation (zoomed on x) ... 115  Figure 10‐17: TMs rotations in the constant stiffness simulation ... 116  Figure 10‐18: TMs rotations in the constant stiffness simulation (zoomed) ... 116  Figure 10‐19: TMs rotations in the constant stiffness simulation (zoomed on θ) ... 117  Figure 12‐1: x‐y section plane electrodes relevant dimension, Ref[15] ... 120 

(13)

xi 

List of Tables 

 

Table 1‐1: Required LISA measurement sensitivity (values in brackets are the minimum science  requirements), Ref[1] ... 8  Table 2‐1: Electrode capacitances second order Taylor expansion. ... 18  Table 2‐2: Electrode pairs definition ... 20  Table 2‐3: Conversion laws delta displacement to TM position and attitude (note that the  denominator of each equation relatives at a rotational DOF is simply a geometrical factor) ... 20  Table 4‐1: FEE intermediate waveforms calculation for the science mode actuation, Ref[12] ... 39  Table 4‐2: FEE actual electrode voltages calculation in science mode, Ref[12] ... 40  Table 4‐3: FEE intermediate waveforms calculation for the accelerometer mode actuation, Ref[12]  ... 41  Table 4‐4: FEE actual electrode voltages calculation in accelerometer  mode, Ref[12] ... 42  Table 4‐5: AC parameters format in science mode, Ref[12]. ... 44  Table 6‐1: Force and torque noise shape filters, Ref[8] ... 61  Table 6‐2: Maximum DC forces and torques actuation demand, Ref[8] ... 62  Table 6‐3: Actuation bias implemented in the E2E Simulator, Ref[8] ... 64  Table 6‐4: Readout noise requirement,( it has been decided to set the noise level on the  translational DOFs at the minimum value reported in  Ref[8] TBV) ... 68  Table 6‐5: Resulting noise at delta capacitances level ... 68  Table 6‐6: Requirement measurement bias, Ref[8] ... 71  Table 6‐7: Bias at delta capacitances level used in the simulation. ... 72  Table 7‐1: Actuation algorithm conversion laws for x‐actuation in stiffness minimization ... 77  Table 7‐2: Actuation algorithm conversion laws for φ‐actuation in stiffness minimization ... 82  Table 7‐3: LISA actuation demand ... 86  Table 8‐1: Correlated multiplicative voltage noise effect on force and torque noise ... 101  Table 8‐2: Uncorrelated multiplicative voltage noise effect on force and torque noise ... 101  Table 8‐3: Additive voltage noise at the AC actuation frequency effect on force and torque noise  ... 102       

(14)

xii 

Acronyms 

  • AC: Alternate Current  • CCD: Acquisition Sensor  • DC: Direct Current  • DOF: Degree Of Freedom  • E2E: End‐to‐End  • FEE: Front End Electronics  • FEEP: Field Emission Electric Propulsion   • GRS: Gravity Reference Sensor  • HR: High Resolution  • IWS: Inertial Wavefront Sensing  • LISA: Laser Interferometer Space Antenna  • LPF: LISA PathFinder  • OATM: Optical Assembly Tracking Mechanism   • OBC: On‐Board Computer  • OMS: Optical Metrology System  • PCU: Power Conditioning Unit  • PSD: Power Spectral Density  • QPD: Quadrant Photodiode  • RTS: Real Time Simulation  • SAU: Sensing and Actuation Unit  • SCOE: Special Check‐Out Equipment  • SSU: SAU Switching Unit  • STR: Star Tracker  • TBV: To Be Verified  • WR: Wide Range  • WRT: With Respect To        

 

 

(15)

 

Part I 

 

(16)

2   

1 Introduction 

The intent of this chapter is to provide a brief introduction to the LISA project in order to depict the  scientific framework in which this thesis is included. 

1.1 Gravitational Waves 

The experimental verification of the gravitational waves is one of the most important tasks of the  modern physics. The Einstein’s theory of general relativity states that space and time are woven  together, forming a four‐dimensional fabric called space‐time. The presence of matter or energy  causes the space‐time curvature, the gravitational effects that we observe are simply the motion  of objects  along the curved lines of space‐time called geodesics. 

Gravitational  waves  are  fundamental  to  general  relativity  because  this  theory  asserts  that  any  physical  effect  cannot  travel  faster  than  light.  As  the  electromagnetic  radiation  represents  the  propagation in space of the electromagnetic field caused by charges in motion, the gravitational  waves  represent  the  propagation  in  space  of  the  variation  of  the  gravitational  field  caused  by  mass in motion. In other words a dynamic variation in the distribution of the mass in the space‐ time results in a dynamic oscillation in the curvature of space time. 

Gravitational  waves  stretch  and  compress  space  as  they  move  thought  it,  changing  the  relative  distance between bodies that are floating freely in space. One technique to detect gravitational  waves is to measure the variation in the distance between two bodies using laser interferometry.   Although  there  is  a  strong  evidence  for  the  existence  of  the  gravitational  waves,  the  extreme  stiffness of the space‐time has not yet allowed that they were directly detected. The amount of  the stretching of the space caused by a typical wave that will be detected by LISA corresponds to a  variation in the distance between two objects of only one part on 1021.   Despite the fact that the gravitational waves are hard to detect they have a big advantage: they  not scatter or get absorbed by the matter they could encounter in their way from the source to  us. It means that if we are able to observe gravitational waves, we are observing the behavior of  their sources with perfect clarity. 

Detection  of  gravitational  waves  requires  strain  sensitivity  in  the  range  10‐21  ‐  10‐23  over  time  scales  10‐3  –  104 s;  this  means  that  several  detectors  are  needed  to  cover  all  the  measurement  spectrum of possible sources (Figure 1‐1). On ground only the high‐frequency gravitational waves  can be detected, basically waves with oscillation periods shorter than 1 second. The events that  produce this kind of gravitational waves are extremely rare, they could be supernova explosions, 

(17)

collisions  between  neutron  stars  or  between  black  holes.  At  lower  frequency  (or  longer  period)  there  are  some  other  interesting  sources  of  gravitational  waves;  the  problem  is  that  the  Earth  environment  is  too  noisily  to  allow  the  detection  of  these  waves.  In  order  to  observe  low  frequency gravitational waves it is needed that the detector is placed in space sufficiently far from  the Earth gravitational field.   To investigate the low frequency gravitational waves caused for example by massive black holes  or galactic binaries is the purpose of the Laser Interferometer Space Antenna (LISA).    Figure 1‐1: Comparison of frequency range of sources for ground‐based and space‐based gravitational wave  detectors, Ref[3] 

The  measurement  bandwidth  over  which  LISA  operates  is  0.1  mHz  –  1  Hz,  this  is  directly  complementary  to  a  number  of  planned  ground  based  interferometer  that  will  observe  gravitational waves over the higher frequency regime of 10 – 1000 Hz (VIRGO, LIGO, TAMA 300  and GEO 600).   

(18)

1.2 The Laser Interferometer Space Antenna 

  Figure 1‐2: LISA artistic view, Ref.[2]  LISA consists of three identical spacecrafts flying in a quasi equilateral triangular formation with  an edge length of 5 million Km in an Earth‐trailing orbit at some 20 degrees behind (or in front) of  the Earth (Figure 1‐3). The orbit of the three spacecrafts have a relationship between inclination  and eccentricity that inclines the plane of the formation of 60° with respect to the ecliptic plane.  In order to create the triangle the nodal longitudes of the three orbits are shifted of 120° (Figure  1‐5).  The  orbit  are  chosen  in  order  to  minimize  changes  in  the  sides  of  the  triangle:  the  arm  lengths  are  expected  to  change  by  a  few  tenths  of  percent  over  the  extended  mission  lifetime  without station keeping maneuvers. For each spacecraft the sun appears to move about a cone  with a 30° half angle aligned with the spacecraft cylindrical axis, one time per year, giving thus a  constant  illumination.  The  triangle  appears  to  counter‐rotate  about  its  center,  this  annual  rotational motion enables LISA to provide angular information about gravitational wave sources.  Further details about the mission analysis description can be found in [1].   

(19)

5    Figure 1‐3: Schematic diagram of the LISA orbital constellation geometry, Ref[1]      Figure 1‐4: Annual motion of the LISA triangular constellation, Ref[2] 

The  current  baseline  is  to  launch  all  the  three  spacecrafts  at  once.  In  order  to  reach  the  final  operation  orbit,  each  spacecraft  is  equipped  with  an  additional  propulsion  module  which  is  separated when the target orbit is caught up after approximately 14 months (Figure 1‐5 and 1‐6).   

(20)

6    Figure 1‐5: LISA launch stack under Atlas V short fairing on the B1198 launch adapter, Ref[1]      Figure 1‐6: Launch Composite Module (LCM) design, Ref[1]  Each of the three spacecrafts carries a V‐shaped payload (Figure 1‐7) consisting of two free‐flying  test masses, a laser interferometer measurement system and  the relative electronic.    Figure 1‐7: LISA V‐shaped payload (sunshield transparent to allow interior view), Ref[1] 

(21)

The  two  arms  of  the  V‐shaped  payload  of  the  spacecraft  at  one  corner  of  the  triangle  together  with  the  corresponding  single  arms  of  the  other  two  spacecrafts  constitute  one  of  the  three  Michelson‐type  interferometers.  These  interferometers  will  detect  gravitational  waves  through  measurement of changes in the length of the optical path between the two reflective test masses  of one arm of the interferometer relatively to the other arm. 

In  implementation  terms,  LISA  is  not  a  perfect  interferometer  realizing  the  “round‐trip”  of  the  laser beam, the distances involved in this experiment with respect to the power of the laser are  too  large  to  allow  the  beam  reflection  and  the  return  to  the  original  source.  Therefore,  the  outgoing  laser  beam  is  not  the  incoming  beam  reflected,  but  it  is  generated  by  another  source  phase‐locked with the incoming beam. In this way it is possible to provide a return beam of full  intensity. After that the “reflected” beam is returned,  the spacecraft superposes it with the local  laser light (with the same known frequency) in a heterodyne detection scheme in order to give a  measurement of the distance between the two spacecrafts. This process is repeated for the other  arm, the difference between the two arm lengths represents the gravitational wave signal. 

In  order  to  ensure  the  success  of  this  experiment,  the  test  masses  have  to  be  maintained  in  a  drag‐free  environment  well  shielded  from  the  other  external  noise  effects.  It  results  in  a  extremely  fine  drag‐free  control  system  able  to  maintain  the  spacecraft  relative  position  and  orientation around the test masses and able to maintain the spacecraft attitude with respect to  the others  spacecrafts.   

The overall drag‐free system consists of: 

• The Gravity Reference Sensors (GRS, electrostatic suspension and capacitive sensing).  • The Optical Metrology System (OMS, laser interferometry). 

• The  Field  Emission  Electric  Propulsion  (FEEP,  system  of  electric  micro‐propulsion  thrusters). 

•  The Inertial Wavefront Sensing (IWS, science interferometer) 

• The Optical Assembly Tracking Mechanism (OATM, telescope tracking mechanism).  • The On‐Board‐Computer (OBC, control system software).  

LISA  works  in  several  operating  modes,  the  one  during  which  the  science  operations  are  performed is the so called “science mode”. 

1.3 Science Requirements  

The  top  level  science  requirement  for  LISA  is  given  in  terms  of  strain  sensitivity.  The  strain  sensitivity h is a measure of the gravitational wave amplitude and it is proportional to the arm‐ length change such that:  

(22)

where L is the arm‐length expressed in m and δL is the arm‐length variation expressed in m Hz‐1/2  due to the passage of a gravitational wave of ‘amplitude’ h. 

The useful measurement bandwidth ranges between 0.1 mHz and 1 Hz with a goal of extending  the  measurement  down  to  30  μHz.  The  LISA  measurements  strain  sensitivity  requirements  are  listed in Table 1‐1. 

Frequency (mHz)  Strain  sensitivity  with  35%   system margin (Hz‐1/2) 

Strain  sensitivity  excluding  system margin (Hz‐1/2)  0.03  2.6   10‐16 1.69  10‐16  0.1  3.9   10‐17 7.8   10‐17   2.54  10‐17  1  3.2   10‐19 7.9   10‐19   2.08  10‐19  5  1.1   10‐20 1.1   10‐19   7.15  10‐21  10  1.3   10‐20  8.45  10‐21  100  7.5   10‐20  4.87  10‐20  1000  7.5   10‐19  4.87  10‐19  Table 1‐1: Required LISA measurement sensitivity (values in brackets are the minimum science requirements), Ref[1] 

The  sources  of  gravitational  waves  than  can  be  detected  in  this  bandwidth  with  this  sensitivity  are:  • Galactic binary systems  • Extragalactic super massive black hole binaries   • Extragalactic super massive black hole formation  • Cosmic background gravitational waves  In Figure 1‐8 the gravitational waves sources detectable by LISA are shown. 

(23)

Figure 1‐8: Gravitational waves sources detectable by LISA, Ref[3] 

 

1.3.1 Science Performances 

The  sensitivity  that  can  be  achieved  by  LISA  depends  on  a  variety  of  noise  sources  and  on  the  mechanism used to maintain their effect as small as possible. The noise sources can be split into: 

• Disturbance acceleration noise  

• Optical Path‐Length measurement noise 

The  disturbance  acceleration  noise  is  due  to  forces  acting  on  the  test  mass  that  cause  displacements that vanish the detection of the extremely small displacements due to the passage  of  the  gravitational  waves.  The  optical  path  length  measurement  noise  fake  fluctuations  in  the  lengths  of  the  optical  paths.  An  additional  source  of  noise  arises  from  the  sensor  noise  feeding  into commands. 

Therefore, In order to achieve the LISA performances two key technologies are needed: 

• A  disturbance  reduction  mechanism  able  to  shield  the  test  mass  from  the  outside  environment as well as possible. 

• A high precision laser interferometer able to detect displacement of a few picometers  within  the measurement bandwidth. 

1.3.2 The Acceleration Noise Requirement 

It can be proved that the  science requirements are  achieved if the test mass acceleration noise  linear spectral density relative to a free falling frame is: 

(24)

10    / 3 · 10 1 √ 1 8  0.03      In the measurement bandwidth of:    0.1 1     30            This requirement holds only for the sensitive axis of each test mass in each spacecraft. 

1.3.3 The Optical Metrology System Requirement  

It can be shown that the interferometer sensing has to be able to monitor the test mass position  and attitude in the sensitive axis with a displacement noise level defined by:  / 12 √ 1 2.8    In the frequency range:  0.1 1     30        

1.3.4 Overall LISA Measurement Sensitivity 

In  Figure  1‐9  the  overall  LISA  measurement  sensitivity  is  shown.  It  illustrates  the  resulting  LISA  performance curve compared with the original science requirement data points of Table 1‐1. At  low frequencies the disturbance contribution comes mainly from the acceleration noise, at high  frequency  instead  it  comes  from  the  optical  metrology  noise.  At  very  low  frequency  the  major  disturbance  contribution  comes  from  fluctuating  charges  on  the  test  mass  which  has  to  be  controlled by means of the charge management system. 

The most critical points are the 5 mHz and the 30 µHz where the requirement is just met with 35%  of system margin. 

(25)

11 

Figure 1‐9: LISA performances compared to science requirements, Ref[4] 

 

1.4 The Gravity Reference Sensor (GRS) 

For  LISA  the  conceptual  idea  is  to  have  the  test  masses  floating  “freely”  inside  the  spacecraft,  while the spacecraft shields the test masses from non‐gravitational disturbances. 

The  test  mass  is  the  core  element  of  the  GRS,  it  is  simply  a  46  mm  cube  of  gold‐platinum  alloy  with  very  low  magnetic  susceptibility  (Figure  1‐10).  The  electrodes  that  surround  the  test  mass  are used for two purposes: 

• To  measure  capacitively  the  displacements  and  the  rotations  of  the  test  mass  with  respect to the spacecraft. 

• To be able to apply forces and torques on the test mass in each degree of freedom.  The  box  that  contains  the  test  mass  and  where  the  capacitor  plates  (electrodes)  are  placed  is  called test mass housing, its X axis is aligned with the telescope direction and its Z axis is normal to  the spacecraft solar array. 

(26)

12    Figure 1‐10: Test mass and electrode housing, Ref[1]  The GRS features a total of 18 electrodes, 12 are intended for actuation purpose (green), 6 are the  injection electrodes (red) used for sensing purpose. Note that in Figure 1‐12 the four electrodes  on the z faces are intended as two.     Figure 1‐11: GRS electrodes configuration, Ref[5] 

Hence,  18  capacitances  are  defined  between  the  TM  and  the  electrodes  and  an  additional  capacitance between the test mass and the housing is taken into account. 

Figure  1‐11  and  1‐12  show  the  electrode  numbering  and  the  relevant  coordinates  (note  that  in  Figure 1‐12 the electrode 15 represents the electrodes 15 and 16, and the electrode 16 represents  the electrodes 17 and 18).  

(27)

13  Figure 1‐12: GRS electrodes numbering, Ref[5]   

1.5 Contribution of This Work 

• Implementation of the model of the Gravity Reference Sensor and the related actuation  and sensing algorithms developed for LISA Pathfinder (LPF) in the LISA E2E Simulator.  • Re‐parameterization  according  with  the  LISA  GRS  specifications  of  the  GRS  model,  the 

actuation and the sensing algorithms. 

• Development  of  an  alternative  actuation  algorithm  in  science  mode  based  on  minimization of the actuation stiffness in order to reduce the parasitic effects involved in  the test mass electrostatic suspension control. Simulation and validation by means of the  LISA E2E Simulator. 

• Analytical  derivation  of  the  actuation  stiffness  matrix  in  minimization  of  actuation  stiffness  approach.  Analysis  and  validation  of  the  results  by  means  of  the  LISA  E2E  Simulator. Comparison with  the same analysis done for LISA Pathfinder where a constant  stiffness actuation approach is used.  

• Analysis  of  the  force  and  torque  noises  induced  by  the  Front  End  Electronics  (FEE)  in  minimization of actuation stiffness control approach. Comparison with the same analysis  done for LISA Pathfinder in constant stiffness.  • Analysis of some alternative Front End Electronics waveforms generation architectures in  minimization of actuation stiffness. 

1.6 Outline of the Thesis  

This report has been divided in three parts, the first part constitutes a system‐level introduction  to  the  following  parts.  In  chapter  2,  a  brief  description  of  the  GRS  functions  is  presented.  In 

(28)

14 

chapter 3, the main LISA operational modes are described and the GRS actuation strategies and  the following conversion laws derived for LPF are presented. In chapter 4, the FEE architectures  developed for LPF in two different operational modes are described. 

The second part is focused on the implementation of the model of GRS in the LISA E2E Simulator.  In chapter 5  the LISA E2E  Simulator is  briefly described and  the  mathematical model developed  for the implementation of the GRS actuation in the Matlab‐Simulink environment is presented .  Chapter  6  is  focused  on  the  problems  connected  with  the  parameterization  of  the  GRS  Model  according with the LISA GRS specifications.       

In the third part the effect of an alternative actuation strategy (stiffness minimization) in science  mode is presented. In particular, in chapter 7, the actuation stiffness matrix is analytically derived  and validated by means  of the E2E  Simulator and, in chapter 8, the noise induced by the FEE is  derived and compared with the noise calculated in constant stiffness. In chapter 9 some possible  alternative FEE architectures are illustrated. In chapter 10 the simulation results in minimization  of stiffness control approach are presented.   Finally, chapter 11 proposes a summary of the obtained results and suggests useful guidelines for  future improvements.       

Figura

Figure  1‐11  and  1‐12  show  the  electrode  numbering  and  the  relevant  coordinates  (note  that  in  Figure 1‐12 the electrode 15 represents the electrodes 15 and 16, and the electrode 16 represents  the electrodes 17 and 18).  

Riferimenti

Documenti correlati

In questo modo, la misura dello spostamento relativo tra le due masse di prova in caduta libera, ed in particolare della loro accelerazione relativa, misura le forze

Zecca, Blow-up analysis for some mean field equations in- volving probability measures from statistical hydrodynamics, Differential and Integral Equations 25 (2012) n. Zecca,

The technique consists in a model- based feature matching pose initialization process which employs single low- resolution images captured by a monocular vision system and

Most studies related to Mobile Learning in education, focus on development of Mobile Learning materials but little is known about the attitudes of teachers towards Mobile Learning

However, with the development of reproductive technologies allowing one to carry on the embryo’s growth outside the human body in an artificial uterus, will women still be able

concerne essenzialmente le imposte personali (imposta sul reddito, imposta sulle successioni) in ragione dell’equazione politica soggiacente. L’uguaglianza è un principio di

I pazienti sono stati selezionati in base alla presenza di una specifica diagnosi di dimissione codificata secondo il sistema ICD-10 (International Classification

The analysis also confirms the issues with the Lorenz vertical staggering on the large vertical wavenumber end of the spectrum, while the horizontally discontinuous,