天琴一號（全稱：“天琴一號”技術驗證試驗衛星）是中山大學羅俊團隊主導研制的衛星，是‘天琴計劃’的第一顆技術試驗衛星。
該衛星將對高精度空間慣性傳感器、無拖曳控制技術、微牛頓量級的推進技術、激光幹涉儀等核心技術開展在軌驗證。
2019年12月20日，在太原衛星發射中心搭乘長征四號乙運載火箭，成功發射升空。
2020年8月21日凌晨，國際學術期刊《經典和量子引力》（Classical Quantum Gravity）刊發“天琴一號”試驗衛星第一輪實驗結果，結果顯示“天琴一號”在軌驗證的所有技術指標不僅超過任務預期目標，也超過中國國內同類技術的最高水平，部分技術指標比國內現有指標提高兩個量級及以上。
圖1. 長征四號乙運載火箭
世界第二！我國首次完成微牛級推進技術驗證
媒體：科技日報 2020-01-03 08:16
劉旭輝 薛英民 科技日報記者 付毅飛
以微牛級變推力冷氣推進技術為依托，我國“天琴一號”衛星成功實現瞭“無拖曳控制”。
通俗來講，衛星的“無拖曳控制”，是指抵消除引力以外所有幹擾衛星的力。衛星在天上飛，其所受的幹擾力主要來自於大氣阻力、太陽光壓等，去掉這些幹擾力，衛星才能成為一個“超靜超穩”的平臺，才能使空間引力波探測成為可能。微牛級變推力技術是實施無拖曳控制的前提，也是空間推進技術發展的重要方向。 1日，科研人員再次對“天琴一號”衛星微牛級推進系統在軌數據進行瞭分析，結果表明主要技術參數達到瞭國際先進水平。這是我國首次完成微牛級變推力冷氣推進技術的在軌驗證，標志著我國成為瞭世界上第二個掌握該技術的國傢，也使空間引力波探測邁出瞭實質性、關鍵性的一步。
這項技術牛在哪？
近日發射的長征五號運載火箭，牛在力量大。而微牛級推進，牛在它的“微”，即使一個哈欠產生的推力都比它大許多倍。據專傢介紹，1微牛的力大約等於1厘米頭發絲的重量，而“天琴一號”微牛級推進系統分辨率精度為0.1微牛，也就是說能以相當於1毫米頭發的重量為單位，調整推力大小。
圖2. 微牛級連續變推力模塊產品
這樣微弱的推力，是為瞭持續抵消太陽光壓和大氣等對衛星的幹擾。由於這些幹擾力會隨著環境變化而產生極其微弱的變化，所以要求該套系統在提供極小、極精準推力的同時，能夠實現極精確的連續調節。據介紹，“天琴一號”微推進系統可以精確控制1小時勻速噴出僅1毫升的氣體，而控制流量的閥芯行程僅有幾十納米。
圖3. “天琴一號”技術試驗衛星研制現場
據瞭解，早在上世紀70年代我國便研制出第一代冷氣推進系統，並實現在軌應用。隨著多種類型空間推進系統的發展，冷氣推進系統一度淡出歷史舞臺。不過，由於其具備推力穩定、推力分辨率高、噪聲低、連續易調、變推力范圍大等優點，受到瞭新一代空間基礎物理科學探測任務、高精度重力場測量任務以及高精度對地觀測和衛星導航等空間任務的青睞。這些任務對衛星平臺的統一要求是“超靜低噪聲、超高精度、超高穩定度”，對此，冷氣推進系統是目前最優的選擇。
來源：科技日報
原標題：《世界第二！我國首次完成微牛級推進技術驗證》
天琴一號中的巔慧科技產品
巔慧科技與重慶大學聯合承接瞭微牛級連續變推力模塊中最核心的壓電閥體控制器的設計與生產，作為宇航級的壓電微納驅動控制模塊，產品經過原理樣機、鑒定機、正樣機三個階段的多輪論證、評審與改進；歷經上星產品的環境試驗、電磁兼容試驗、可靠性試驗；產品正樣於2019年5月正式交付，並超期完成瞭試驗任務。
圖4. 壓電陶瓷制動器伺服閉環系統
工作流程：上位機控制主令，通過FPGA控制模塊驅動壓電陶瓷制動器使其進行納米精度的位移運動，與壓電陶瓷安裝在一起的電容位移傳感器，將捕獲的實時位移數據回傳至FPGA控制模塊，並同控制主令進行差分運算，構成閉環伺服控制系統。
一、什麼是“壓電陶瓷致動器”
壓電陶瓷致動器是指將PZT壓電陶瓷疊堆集成於機械柔性鉸鏈，利用壓電陶瓷在電壓驅動下產生的伸縮運動，通過位移放大機構實現制動器輸出位移的放大，帶動工作負載產生的微米級的（μm，1μm=0.001mm）位移運動，分辨率和重復定位精度達到納米級（nm，1nm=0.001μm）。
通過閥門控制器的開閉程度來控制衛星姿態
壓電陶瓷致動器運用分類
根據壓電制動器實現的最終用途，一般分為兩類，即多維位移運動、多維角度運動兩大類。
1．壓電多維位移運動控制系統
（1）壓電微掃平臺
圖5. 壓電微掃平臺產品圖
微掃平臺（Fast scanning platform, FSP）指將壓電或音圈制動器集成柔性鉸鏈將外框架與運動支架連接，再將除運動支架外的其他整個結構封裝進機械外殼，從而能夠產生位移運動的運動平臺產品。它利用壓電或音圈制動器推動運動支架產生的微米級的（μm，1μm=0.001mm）位移運動，分辨率和重復定位精度達到納米級（nm，1nm=0.001μm）。透射鏡片安裝於運動支架上，運動支架的位移運動帶動透射鏡的位移運動。采用應變片傳感器，運動速度非常快，控制精度略低，適用於分辨率增強、像源補償等應用。
圖6. 壓電微掃平臺結構原理
（2）壓電位移平臺
圖7. 壓電納米位移臺及驅動控制器產品圖
納米定位平臺指將壓電或音圈制動器集成於機械柔性鉸鏈，再將除運動面外的其他整個結構封裝進機械外殼，從而能夠產生位移運動的運動平臺產品。它利用壓電或音圈制動器推動運動支架產生的微米級的（μm，1μm=0.001mm）位移運動，分辨率和重復定位精度達到納米級（nm，1nm=0.001μm）。運動平臺安裝於運動支架上，運動支架的位移運動帶動運動平臺的位移運動。采用電容位移傳感器，運動速度略慢，控制精度非常高，納米定位平臺根據需求，可以設計成一維、二維和三維，適用於超高精度、較高負載能力的位移運動場景。
圖8. 三維壓電納米定位平臺結構原理
（3）鎧裝執行器
圖9. 鎧裝執行器產品圖
鎧裝執行器是一款的獨立的運動驅動源，將多個壓電陶瓷疊堆串聯並封裝以實現較大的機械行程，同時保證很高的分辨率及響應速度，在此基礎上設計相應的位移放大機構、柔性鉸鏈，並集成位移傳感器，就可以實現多種形式的納米級精度的位移定位機構。
天琴一號中用於驗證微牛頓量級的推進技術的微牛級連續變推力模塊，就是一種定制設計的鎧裝執行器。
2．壓電多維角度運動控制系統
圖10. 壓電快反鏡及驅動控制器產品圖
壓電快反鏡（也稱壓電偏轉鏡）是指將PZT壓電陶瓷集成於機械柔性鉸鏈，再將除運動面外的其他整個結構封裝進機械外殼，從而能夠產生偏轉運動的運動平臺產品。它將PZT壓電陶瓷的直線微米級（μm，1μm=0.001mm）的運動，轉、換為機械部件的毫弧度級（mrad，17mrad≈1°）偏轉運動。反射鏡片安裝於壓電偏轉鏡的運動臺面上，壓電快反鏡運動臺面的偏轉帶動反射鏡的偏轉運動。
壓電快反鏡適用於較小運動行程（1.5mrad-8mrad），較高帶寬（500Hz-800Hz）的工作需求。
圖11. 壓電快反鏡結構及控制原理圖
二、什麼是“電容位移傳感器”
電容式微位移傳感器的測量原理是探頭作為電容的一個極板，被測物體作為另外一個極板。測量由於距離變化帶來的電容介電常數的變化，從而換算成位移量。由於其具有極高精度和穩定性，其可以被廣泛應用於需要極高精度的測量領域，例如測量半導體移動部件的位移量，測量精密部件的厚度和尺寸，航空航天中的位移檢測等等。其中，調制解調器獨特的電路和算法設計，使電容式微位移傳感器靈敏度高、分辨力強、能分辨微小的位移。還具備信噪比大、零漂小、頻響寬、非線性小、精度穩定性好、抗電磁幹擾能力強和使用操作方便等特點。
圖12. 電容位移傳感器結構原理
巔慧科技發明和開發的單極性電容式微位移傳感器由傳感器探頭和信號調理電路組成。
所述信號調理電路包括集成在調制電路板上的載波調制電路和集成在解調電路板上的解調電路，調制電路板安裝在探頭殼體內，載波調制電路通過同軸電纜與感應極板連接，解調電路板安裝在探頭殼體外，解調電路通過多芯電纜與載波調制電路連接。
巔慧科技根據自己發明開發的單極性電容式微位移傳感器有下述優點：
- 載波調制電路輸出的調制電壓與被測對象的微位移呈線性關系，實現高精度測量；
- 在實際使用中可以根據需要改變連接解調儀與傳感器探頭的多芯電纜的長度，增加瞭傳感器使用的靈活性、降低瞭成本
圖13. 電容位移傳感器產品圖
三、壓電微納定位產品的關鍵技術
1．壓電微納定位產品的機構設計及結構優化
壓電陶瓷（PZT）致動器利用逆壓電效應的原理，當可調節的電壓信號作用到壓電陶瓷上，可產生相應的微位移運動，具有高頻響、高精度、無磁場等優點。
通過機構並聯的結構方式，實現結構簡單、尺寸小巧、分辨率高、響應速度快、發熱少、易於控制、位移重復性好等特點。
由於空間技術中的微納定位裝置的體積和重量是必須嚴格控制的問題，因此，所有產品均采用位移放大機構實現執行器輸出位移的放大，位移放大機構采用精密線切割加工實現，所包含的柔性鉸鏈采用雙邊直圓柔性鉸鏈實現，具有結構簡單、轉動中心固定、徑向剛度高、運動中無摩擦、無空回等優點。
2．壓電微納定位產品的驅動控制技術
作為空間技術超精密定位的關鍵部件，對壓電微納定位產品可靠性與使用壽命提出相當高的要求。
巔慧科技通過對壓電微納定位產品多年的摸索，通過科研人員的技術創新，開創性地研制瞭多款適用於航天的、具有雙級控制的高可靠微納定位產品，兩級驅動可獨立控制，互不幹擾。
3．壓電微納定位產品的抗力學加固
航空、航天設備對產品抗沖擊、振動的能力要求較為嚴格，為降低由於苛刻的力學條件對制動器造成的損傷，巔慧科技的壓電微納定位產品均增加與優化瞭抗力學設計。
4．材料、制造工藝的摸索及產品國產化
微納定位產品的構件，對加工精度要求較高，加工工藝復雜、周期長。
為克服上述問題，巔慧科技建立瞭自己的“微精加工中心”，金屬零部件自行加工，同時摸索出瞭一套包括壓電及音圈制動器產品的國產化材料的選取、加工、修磨等工藝流程與實施方法，產品知識產權自有、打破同類產品的國外技術壟斷、提高納米運動測量與控制產品的國產化率。
四、結語
隨著空間光電技術與光學系統的發展，基於壓電陶瓷致動的微納定位產品，被越來越多地應用在星載光學成像系統、衛星激光通信中。
近幾年來，主打自有知識產權及國產化的巔慧科技微納定位系列產品，目前已在多顆衛星上得到應用，有搭載激光通信系統的低軌衛星、搭載激光通信系統的高軌衛星、搭載成像儀的低軌衛星、搭載磁象儀的低軌衛星、搭載導航系統的高軌衛星以及其他商業衛星等。巔慧科技已形成涵蓋工業級、軍品級、宇航級多個系列的高可靠性微納定位與驅動控制產品。