观测表明在正常星系和活动星系核中一般存在一个百万到数十亿太阳质量的超大质量黑洞和大量的恒星级质量黑洞。同时，中等质量黑洞存在的证据也初露端倪。在宇宙形成后的几亿年内，观测发现一些超大质量黑洞就达到了百亿个太阳质量，这些超大质量黑洞的形成和增长过程仍然是一个谜。在星系形成的等级结构模型中，小星系通过不断的并合形成越来越大的星系，其星系中心的黑洞也经历着并合和吸积过程，逐渐形成今天观测到的不同红移处的超大质量黑洞。本文主要对黑洞基本特征、当前主要观测结果、中等质量黑洞候选体、种子黑洞以及超大质量黑洞与星系关系等做一个简单的综述，并对天琴对宇宙中大质量双黑洞的探测能力进行评估。对于这些大质量双黑洞引力波的分析，将可以有效帮助我们认识宇宙中大质量黑洞的特性以及超大质量黑洞的形成和演化历史。

极端质量比旋近（EMRI）是指由恒星级质量天体与大质量黑洞组成的双星系统。它们在科学上具有着极高的价值，可以用来检验广义相对论以及探索黑洞的本质。本文描述EMRIs的形成图景、科学意义以及研究现状，通过计算天琴对EMRIs的探测视界距离、探测率和参数估计精度，获得了天琴对EMRIs的探测能力。我们发现：天琴可探测到红移z～\mathrm{2}处的EMRI引力波源，在乐观天文学模型下，天琴每年可探测到几十到上百个EMRIs事件，天琴对EMRI内禀参数估计精度可达到{\mathrm{10}}^{-\mathrm{6}}量级，对光度距离的估计精度可达约\mathrm{10}\mathrm{\%}，对空间方位的定位精度可达约\mathrm{10}\text{?}\mathrm{d}\mathrm{e}{\mathrm{g}}^{\mathrm{2}}\text{?}\mathrm{。}天琴对EMRI的观测还可以对黑洞四极矩进行限制，限制能力达到{\mathrm{10}}^{-\mathrm{4}}量级。

在毫赫兹频段附近存在着种类丰富的随机引力波源，主要来自原初宇宙和早期宇宙演化的过程， 以及晚期宇宙各种天体物理过程产生的引力波的非相干叠加。天琴等空间引力波探测器在毫赫兹频段具有最好的灵敏度，因此空间引力波探测将帮助我们深入探知宇宙起源及其演化的细节；也有望成为探查超标准模型新物理的独特而有效的途径。本文将介绍多种随机引力波背景的产生机理以及简单评估天琴对随机引力波背景的探测能力。

经过近几十年的发展，宇宙学的研究已经进入精确宇宙学时代。根据Planck测量结果和ΛCDM模型，只需要6个参数就可以在统计意义上重现出与观测数据基本符合的宇宙演化历史。但是实际上，当前宇宙学领域中还存在许多未解决的重要科学问题，而且不同的观测数据在基于基本ΛCDM模型进行宇宙学参数推断时会出现一些不一致性。这些问题的回答都需要对基本ΛCDM模型进行扩展，并对额外引入的参数进行精确的测量。目前主流的宇宙学探针主要是针对宇宙的膨胀历史和宇宙的结构增长进行观测的光学（以及近红外）项目，因此它们可能存在着相似的系统误差。发展全新的非光学观测手段的宇宙学探针对于宇宙学未来的研究至关重要。因为引力波振幅携带了绝对光度距离的信息，所以能够帮助建立真正的距离——红移关系，用以研究宇宙的膨胀历史。这种引力波观测被称为“标准汽笛”。宇宙学研究是天琴、LISA等空间引力波探测器的重要研究目标之一。这些探测器预计都可以在未来观测到大量的引力波事件，为宇宙学研究（特别是高红移宇宙）提供珍贵的观测数据。本文参考相关的文献，介绍了天琴标准汽笛数据限制宇宙学参数能力的情况。考虑了pop Ⅲ、Q3nod和Q3d三种大质量黑洞双星模型，结果表明，对于不同的大质量黑洞双星模型，天琴项目对宇宙学参数的限制能力各有不同，其中Q3nod 模型下的限制能力最强。天琴的标准汽笛探测有助于打破其他观测手段所导致的宇宙学参数简并，从而有效地提升宇宙学参数的测量精度。我们有理由相信，未来的引力波观测与光学和射电观测相结合将把宇宙膨胀历史的探索推进至一个全新的层面，为探测哈勃常数大小、揭示暗能量的本质属性提供帮助。

空间引力波探测器的一个重要研究目标，是利用引力波信号对物理学的基本理论进行研究。具体而言，主要是研究引力与黑洞的本质。前者主要是检验引力理论是否符合广义相对论，后者则是检验探测到的辐射引力波的致密天体是否为广义相对论中所预言的克尔黑洞。天琴作为一个空间引力波探测器，将能够探测到大量不同类型的引力波源所发出的信号。利用这些各不相同的信号，我们将有望从各个可能的方面对引力与黑洞的本质进行研究。在本文中，我们将对天琴所采用的研究引力与黑洞本质的方法进行介绍，并对预期中天琴所能达到的探测精度进行分析。

爱因斯坦广义相对论预言时空涟漪以引力波的形式向外传播，它的传播速度是光速，具有两个偏振态。超越爱因斯坦广义相对论的修改引力理论则预言引力波可能存在纵模及多至六个偏振模式，引力波的传播速度不是光速，引力子可能具有质量，且引力波也可能存在偶极辐射。本文介绍了引力波的性质，以及怎样通过引力波的探测来可能检验引力理论。

引力波的探测和参数估计依赖于匹配滤波技术。而匹配滤波需要大量理论计算的引力波波形，称为波形模板。空间引力波探测器主要探测低频引力波，这些信号的持续时间长，从几天到几年不等，对理论波形的精度要求高；同时一些低频波源的构型复杂，往往带有大偏心率和轨道进动，使得波形参数空间很大，需要的模板数量巨大。因此对于空间引力波探测，多数波形模板在计算精度和效率上的要求要比地面引力波探测更高。本文回顾了低频引力波的一些主要波源（超大质量双黑洞、极端质量比旋近、河内致密双星）的波形模板研究，总结了这些模板的特点，展望了低频引力波天文学研究的未来。

空间引力波探测是天文学、物理学未来数十年的发展重点和科研热点。而，空间引力波探测的科学目标，必须经由数据处理实现。因此，结合实际空间引力波探测器，开展数据处理研究，是兑现空间引力波探测科学价值的必要保证。本文针对空间引力波探测，结合天琴，介绍了引力波数据处理中的匹配滤波概念，并对引力波信号探测及参数估计进行了论述。

天琴计划预计将在地球10万km高度附近处的圆轨道上部署三颗无拖曳控制卫星，组成近似等边三角形星座，并利用高精度星间激光干涉链路来探测宇宙空间中mHz频段的低频引力波信号。采用地球高轨是天琴计划的显著特征，如何行之有效地设计和利用地球轨道是天琴方案面临的重要问题。本文将从星座构型稳定性优化、轨道面与轨道半径选取、地月系引力场干扰效应评估、阴影规避这四个方面介绍天琴轨道与星座设计的主要研究进展。

引力波探测是当代物理学最重要的前沿领域之一，与引力波的地面探测相比，引力波的空间探测能够探测更丰富的波源和更遥远的目标，具有重大的科学价值。空间引力波探测带来了空前的技术挑战，对航天器系统和平台提出了极高的技术指标要求，传统的卫星平台难以满足任务需求，必须设计开发新的平台，并突破诸多关键技术。本文对空间引力波探测航天器总体和平台设计面临的挑战、主要的设计约束条件进行了分析，提出了天琴引力波探测航天器的总体方案设想和初步的构型布局方案，对航天器平台所涉及的关键技术进行了梳理，并对后续解决途径提出了建议。

轨道外热流是影响空间引力波探测卫星的重要因素之一。总结了日心轨道引力波探测卫星和地心轨道引力波探测卫星的\mathrm{\beta }角和外热流变化，分析了外热流的变化特征。引力波卫星采用以被动热控为主，辅以主动热控的热设计原则，对整星和关键载荷（如空间望远镜）进行热设计，同时采取柔性支撑结构解决结构热变形问题，保证子结构尺寸的稳定性，最后介绍了空间引力波探测卫星热仿真分析。

空间引力波探测中，高精度温度传感、测量与控制作为探测卫星的关键技术之一，技术指标高，实现难度大。本文主要针对高精度温度传感、测量与控制，介绍了传统铂电阻和NTC热敏电阻温度传感特性、新型光纤温度传感关键技术以及基于PID的温度控制算法，对温度传感、测量以及控制算法特性进行了分析归纳。

针对空间引力波探测系统对超远距离编队动力学与控制技术提出的挑战，调研分析了空间引力波探测系统所涉及的动力学与控制技术国内外研究现状，包括：超远距离相对动力学、高稳定轨道设计、高精度构形初始化策略与控制、构形重构与维持以及多自由度协调控制等方面。在对相关领域国内外研究现状分析的基础上，提出了空间引力波探测系统在动力学与控制方面需重点解决的关键技术：超远距离编队构形发散机理建模与分析、高稳构形鲁棒优化设计理论与方法、有限机动能力约束下的高精度构形初始化和保持技术、非科学与故障模式下编队姿轨维持策略和多自由度协调控制等。

近年来迅速发展的空间引力波探测、卫星重力测量、深空探测等空间任务需求，对超远距离、超高精度星间激光干涉测量技术提出了极具挑战性的技术要求。在典型的空间引力波探测中，要求在百万千米（10⁹ m）距离上达到皮米（10^-12 m）量级的激光干涉测量精度。本文根据空间任务中对星间激光干涉测量的需求，介绍了星间激光干涉测量系统的总体构成，并讨论了测量系统中的各项关键技术：空间应用型激光器技术、超稳光学平台、稳频技术、精密相位测量与超低功率弱光锁相技术、星间激光快速捕获、跟踪与超精密光束指向测控技术等，以及目前的技术发展现状。星间激光干涉测量技术能力的提高，将能够满足更广泛的空间任务需求并大幅推进空间任务的进一步发展。

为探测到0.1 mHz~1 Hz频段的引力波，天琴、LISA、太极等空间引力波探测器编队（或星座）需在几十万到几百万公里量级的臂长上，实现pm级精度的测量。因此直接作为星间干涉测量光路一部分的望远镜面临巨大的技术挑战。空间引力波探测望远镜有超高精度和超高稳定性的特点。本文以LISA引力波探测器望远镜为研究对象，根据星间激光干涉测量核心指标10 pm/ Hz^1/2@0.1 mHz~1 Hz的要求和引力波探测的实际需求，分析了望远镜的光学设计方案。在设计基础上，就材料选择、光学加工、装调及杂散光抑制等方面进行了分析和探讨，为后续望远镜的研制提供了参考依据。

介绍了引力波探测任务中惯性传感器的需求、工作原理和发展，重点讨论了LISA Pathfinder卫星惯性传感器的研究进展。对比天琴计划需求分析，讨论了天琴惯性传感器的设计要点，在此基础上给出了天琴惯性传感器的初步设计和噪声分析。最后，介绍了天琴一号惯性传感器在轨测量结果和后续研究计划。

微推力器是实现空间引力波探测中无拖曳控制任务的关键。本文在分析空间引力波探测无拖曳控制系统对微推力器要求基础上，通过微推进技术原理开展分析，梳理出了满足要求的微推力器，包括冷气推力器、波电离离子推力器、会切磁场型霍尔推力器和场致发射推力器4种备选方案，并介绍了4种推力器以及基于推力器的无拖曳控制国内外相关研究现状。在此基础上，本文介绍了天琴计划开展以来针对这几种微推力器的研制进展，并对后续应用于引力波探测的微推进技术研究方向进行展望。

无拖曳控制技术利用微推进器产生的推力来补偿航天器受到的非保守力使其跟随检验质量运动，是获得超低微重力水平卫星平台的重要途径，是空间基础物理、微重力测量、地球科学和卫星导航等实验研究的关键技术之一。本文阐述了无拖曳控制的发展历程和基本工作原理，对无拖曳控制系统的组成和控制算法进行了讨论，最后简要介绍了天琴引力波探测任务卫星无拖曳控制系统的结构，并针对天琴无拖曳控制系统的研究提出了关键问题以及对未来研究方向的展望。

空间引力波探测在卫星发射入轨、科学实验运行等阶段都对卫星测定轨有较高的任务需求。天琴计划采用地球高轨道卫星，可利用的跟踪测量手段更加丰富，轨道跟踪测量和确定精度受到测控距离、测量系统误差、编队尺度、轨道控制以及测站跟踪几何等因素的影响。本文围绕天琴卫星测定轨技术，介绍了天琴卫星测定轨任务需求，分析了可用于天琴卫星轨道跟踪测量的多种手段的水平和技术特点，并对天琴卫星高精度轨道确定技术的发展趋势进行了展望。

空间引力波探测系统具有超高精度指标需求、子系统间强耦合等特点，造成传统的航天器数值和半物理仿真技术难以直接应用到空间引力波探测系统的数值和半物理仿真验证中。为促进适用于空间引力波探测系统的数值和半物理仿真技术的研究，本文首先调研了空间引力波探测系统所涉及的数值和半物理仿真技术国内外研究现状，包括：数值仿真系统、光/机/热/自引力多场耦合仿真技术、地面半物理仿真验证技术等。而后，总结提出空间引力波探测系统在数值和半物理仿真技术方面需重点解决的关键技术，包括：空间引力波探测系统数值仿真体系架构设计技术、全任务流程仿真技术、高速高精度的多场耦合仿真技术和高置信度的空间引力波探测系统地面半物理仿真技术。

月球激光测距在广义相对论的检验以及地月系统的理解上做出了巨大贡献。然而由于月球天平动效应的影响，约50年前安置在月球上的阵列式角反射器将单个回波光子对应的测距精度限制在了厘米级的水平。为了进一步提升测距精度，需要部署新一代单体大孔径的激光角反射器。本文主要介绍我们170 mm有效孔径的中空激光角反射器的研制进展。测试结果表明，我们实现了空心激光角反射器三个二面角的精度分别为0.10″，0.30″和0.24″。远场衍射图样模拟表明，该样机能够达到理想Apollo 11/14反射器阵列68.5％返回信号强度。我们期望这种空心激光角反射器可以应用于新一代的月球激光测距。

地月激光测距是“天琴计划”0123技术路线图中的第“0”步，为实现引力波探测卫星的高精度定轨及相关科学研究，本文开展了月球激光测距分析与实验研究，分析系统探测能力和测距精度。中山大学天琴计划激光测距台站（以下简称“天琴台站”）采用1.2 m口径激光测距望远镜，激光波长1 064 nm，激光能量320 mJ，激光重复频率100 Hz，激光脉宽80 ps，首次采用2×2多元阵列超导探测器进行月球激光测距。天琴台站于2019年6月8日（农历初六）晚首次获得来自Apollo 15角反射器阵列有效回波信号4组，随后于2019年11月7日（农历十一）晚成功接收到来自月面全部5个激光角反射器阵列的有效回波信号，测距精度达到cm量级，标致着天琴台站已经具备常规月球激光测距能力。