基于数据驱动的FAST主动反射面调节优化模型

针对500 m口径球面射电望远镜(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope,FAST)的主动反射面调节问题,利用旋转抛物面在三维空间中的定义建立了一个对任意天体角度均适用的工作抛物面方程,该方法不同于以往的坐标旋转的方法。利用反射面板重心点作为反射点,将反射接收比定义为能把光线反射到馈源舱被其接收的面板数量与300 m口径工作抛物面下总面板数量的比值。结合主索节点径向伸缩距离、边界平稳过度和邻接距离变化幅度三个约束条件,以接收比最大化作为目标函数,建立了一个工作抛物面优化模型,并利用节点数据和模拟退火算法对其进行求解,得到了工作理想抛物面。选用两组天体角度进行实例分析,结果显示调节后的接收比增大12.82%,并给出了工作主索节点的部分径向调节方案。本研究为FAST对于任意天体角度的变形提供了一种新的建模方法,也对馈源舱反射接收比提出了一种新的计算方式。

主动反射面面形实时计算与检测方法研究

主动反射面技术在射电望远镜发展中具有重要意义,为提高主动反射面技术中面形检测的实时性,减小环境因素造成的检测误差,建设了主动反射面面形监测研究平台,提出一种利用测距传感器的主动反射面面形计算与检测方法。首先确定主动反射面基准面,其次将面板运动看作旋转运动,利用罗德里格旋转公式得到面板的旋转矩阵,最后利用面板的旋转矩阵计算面板当前位姿。仿真结果显示,该方法具有可行性,计算1625个节点下的面板位姿耗费时长为5070 ms,能够提高面形检测的实时性,为提高主动反射面运行精度提供参考,使采用主动反射面技术的射电望远镜达到更好的性能指标。

球面射电望远镜主动反射面支撑机构运动学分析

针对主动反射面支撑机构的要求,提出一种能够实现一个方向移动和两个方向转动的空间3自由度并联机构。研究了机构的运动学建模方法,构造出运动学的逆解方程和速度传递方程,给出了运动学正解的数值求取方法。系统分析了机构三类奇异位形,以及机构的位置空间和姿态空间。分析结果表明该机构适用于射电望远镜主动反射面支撑机构。研究也为此类机构的尺度设计,路径规划和控制提供了理论依据。

射电望远镜主动反射面控制技术简析

文中简单分析了大型卡塞格伦射电望远镜主动反射面技术的调整系统的几个关键技术。首先介绍了天线表面误差与系统增益及分辨率的关系,以及经典的误差测量方法。然后着重分析微波全息测量法在主动反射面调整控制技术中的应用。最后简介了可基于全息测量和闭环控制的总线式控制系统,为闭环控制的设计奠定基础。

索网主动反射面初始平衡状态的确定

结合大射电望远镜中索网主动反射面实例给出了一种基于最小二乘优化模型求解索网结构初始平衡状态的方法.该模型以悬索长度和节点外力载荷为设计变量,在一定的约束条件下追求索网的平衡状态与指定的几何形状最为接近.根据悬索悬链线解析表达式推导出索端位置和索端拉力与悬索长度之间的关系,从而可以得到优化所需的敏度信息.数值算例中给出了分析的详细过程,验证了算法的有效性.

射电望远镜主动反射面系统的控制

针对新疆奇台110m射电望远镜主动反射面控制技术的要求,设计和研制了一种新型的位移促动器和位移控制系统,并采用双频激光干涉仪对多个位移促动器及其控制系统进行了全面检测。位移促动器采用了基于涡轮蜗杆加滚珠丝杆的高精度结构设计方案,控制器系统采用了ARM微处理器。最后选择S曲线加速控制方法,设计了主动反射面控制系统硬件平台和软件算法。基于双频激光干涉仪和光学隔振平台在恒温超洁净条件下进行了系列测试。结果表明:系统实现了行程范围为30mm,控制精度为5μm RMS的快速精密控制;在额定负载300kg,步长2mm,行程30mm范围内,实测结果平均值与理论值偏差为0.04%,标准偏差为3.67μm。最后,采用测量精度为0.25μm的激光传感器对4块四点支撑的四边形子面板进行了验证检测。结果显示:经多次迭代后主动反射面控制闭环系统的控制精度小于5μm RMS,远远优于3mm波段射电望远镜主动反射面控制的技术要求。

基于“FAST”主动反射面形状调节问题的研究

基于抛物面的旋转坐标变换,结合约束条件,利用粒子群优化算法,本文研究了观测天体位于不同方位角和仰角时,FAST主动反射面的天体形状调节问题.首先确定了被测天体S位于基准球面的正上方即α=0°,β=90°时,旋转抛物面和基准球面的曲面方程.进而利用促动器径向伸缩约束条件结合反射面板调节因素,对旋转抛物面进行修正,优化计算得到了旋转抛物面焦距的修正量d,以此确定待观测天体位于基准球面正上方时的理想抛物面.其次,当观测天体改变方向,位于任意方位角α,仰角β时,对观测天体S位于基准球面的正上方时所得到的理想抛物面作旋转变换,确定改变方向后的旋转理想抛物面,并取α=36.795°,β=78.169°进行计算,得到将反射面板调节为工作抛物面的调节参数,使得该工作抛物面贴近理想抛物面,让到达馈源舱的平行电磁波最强,以获得天体电磁波经反射面反射后的最佳接收效果.

大型射电望远镜主动反射面控制(英文)

针对13.7m毫米波望远镜的特点提出一种新型主动反射面的控制方法,消除重力、温度、湿度和风力等对主反射面的影响,从而提高大型射电望远镜的分辨率、灵敏度和观测效率,设计了一种CAN/ethernet协议转换器,实现CAN中大量位移促动器与其在工业以太网中的主机的通信,通过光电编码器的反馈闭环控制位移促动器的驱动电机,大大提高了反射面的控制精度.

基于以太网的FAST主动反射面控制系统的开发

针对FAST(Five-hundred-meterApretureSphericalTelescope,500米口径球面射电望远镜)主动反射面自身的特点,提出了主动反射面促动器运动控制的总体策略,设计了基于以太网和TCP(UDP)/IP协议的控制方案。Arm芯片作为控制器,嵌入实时的操作系统μcosII和TCP(UDP)/IP通讯协议栈,提供控制和通讯的平台。在VC++6.0环境下实现监控机的通讯程序和控制界面,并且完成了两个促动器控制系统的样机制造和试验。

FAST主动反射面健康监测系统设计与应用研究

对500 m口径球面射电望远镜主动反射面健康监测系统设计与应用进行了研究.确定了主要监测内容,设计了系统整体架构,并对硬件所涉及的传感器技术、电磁兼容进行了研究.基于美国NI公司labwindows/CVI平台开发了软件系统,选用MySQL数据库建立数据管理系统.研究了数据采集、数据处理及预警方法 .并成功在FAST工程施工期、服役期实际应用.

“FAST”主动反射面的调节

介绍2021年“高教社杯”全国大学生数学建模竞赛A题“‘FAST’主动反射面的形状调节”的建模思路,并简要评述参赛论文评阅的总体情况.

基于粒子群算法的“FAST”主动反射面调节方案研究

针对“FAST”主动反射面的调节问题展开一系列讨论,以求得使馈源舱接收比达到最高的调节方案。在相关数据的支撑下,首先运用粒子群算法求出调节前主动反射面的大致位置,即理想抛物面的方程表达式;然后运用蒙特卡洛模拟求出馈源舱接收比的方程表达式;其次建立主动反射面上各主索节点的调节量与该节点到抛物面轴线的距离的函数关系;最后再次运用粒子群算法求解。结果得到使馈源舱接收比达到最高的调节方案,此时馈源舱接收比最高为37.15%。

一定约束下主动反射面的形状调节

利用抛物面型射电望远镜观测天体时,往往需要调节主动反射面变为工作抛物面,并让该工作抛物面尽量贴近理想抛物面,以使馈源仓接收到天体反射电磁波的效果最佳。本文详细讨论了在一个特殊角度下,建立单目标最优化模型来确定理想抛物面,再通过空间坐标的旋转求出任意角度下的理想抛物面。分析了在一定约束下,通过调节促动器的伸缩量,使工作抛物面逼近理想抛物面。具体讲述了馈源仓接收反射信号的接收方式、反射信号及有效信号接收量的计算、定义了馈源仓的接收比的计算方法。

基于截痕法和遗传算法的FAST主动反射面形状调节模型研究

文章旨在建立FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)主动反射面调节模型,使得馈源舱能够最大概率地接收天体电磁波经反射面反射后的信号.根据主动反射面系统相关数据,首先建立假设目标天体在基准球面正上方的抛物线模型,利用遗传算法求解理想状态下的抛物面方程;然后通过空间旋转矩阵和截痕法,建立天体方位变换模型,求出天体不在基准球面正上方时的理想抛物面和反射面板的调节模型,进而得到调节后的馈源舱接收比和基准反射球面接收比.结果表明,该模型可使得馈源舱的接收比达到74.98%的水平,对实际的射电望远镜和主动反射面等相关内容有一定的借鉴意义.

FAST望远镜主动反射面的理想形状

为使得FAST望远镜在接收观测天体的电磁波时达到最佳效果,项目小组探讨了当观测天体方位角和仰角分别为0°和90°时FAST 望远镜的主动反射面的理想形状。通过剖解FAST的主动反射面,综合考虑天体方位和反射面板的各种调节因素,并建立数学模型以确定主动反射面的理想形状,最后给出了理想抛物面的方程。研究结果表明:本研究计算出的理想抛物面的三维立体图与FAST基准球面的拟合程度非常高,从而为FAST 望远镜观测其他方位的天体时主动反射面的形状调整提供参考依据。

一种主动反射面的变形策略研究

为了解决500 m口径球面射电望远镜(FAST)正常运行中的重要问题,本文合理地制定了主动反射面的变形策略,有效地提高了接收效率、降低了主索节点位移量,以此实现了调节过程的精确性和网架结构的稳定性。该研究针对观测天体处于基准球面正上方时的情况,将“主索节点总位移量最小”和“最佳接收比”作为优化目标,建立了主动反射面变形策略的双目标优化模型,采用遍历搜索算法求解得到了最优参数和理想抛物面方程;针对观测天体在运动过程中处于不同的方位时的情况,通过坐标系转换沿用了理想抛物面方程,使模型得以拓展。本文进一步指出该研究结果为FAST运行时的变形策略提供了理论支撑。

FAST主动反射面的形状调节研究

"FAST"可以根据待观测天体的位置进行反射面板的调整从而形成抛物面进行有效的信号收集。本文由方位角仰角确定被观察物体、原点、馈源舱所在曲面与基准球面之间的位置关系,根据反射面板调节幅度的限制,运用粒子群算法确定了抛物面的方程。最后根据空间解析几何的知识,求得以调整后抛物面为反射面的馈源舱的信号接收比为67.42%,以基准球面为反射面馈源舱接收比为5.26%。

球面射电望远镜主动反射面的形状调节算法

为获得天体电磁波经反射面反射后的最佳接收效果,中国科学院研制了500米口径球面射电望远镜。该望远镜在反射面板调节约束条件下,通过调节促动器的径向伸缩量,将反射面调节为工作抛物面,使得该工作抛物面尽量贴近理想抛物面。本文以基准球面的球心为原点建立空间直角坐标系,只对被观测天体位于Z轴上方(简称为情形1)和方位角为36.7953˚、仰角为78.169˚ (简称为情形2)进行建模与分析。对于情形1,该文设计了一种算法。该算法基于馈源舱到理想抛物面与基准球面交点的长度选取照明区域的主索节点。继之以非线性最小二乘法得到被选取的主索节点与理想抛物面方程的拟合,其拟合优度R2 = 0.9995,均方根误差RMSE = 0.2085,求得的拟合抛物面较为理想。对于情形2,因天体位置变化,得到的馈源舱到理想抛物面与基准球面交点的长度有误差,该文将选取照明区域的主索节点的判断条件,即馈源舱到基准球面的所有主索节点的距离是否小于等于PM (馈源舱到理想抛物面与基准球面交点的长度)进行放缩,得到与状况1相同个数的主索节点坐标。然后用非线性最小二乘法进行拟合,得到近似理想抛物面。其拟合优度R2 = 0.9983,均方根误差RMSE = 0.6965,拟合效果较好。

基于寻源与跟踪“FAST”主动反射面的形状调节

将反射面调节为工作抛物面是FAST主动反射面技术的关键,通过分析FAST主动反射面的工作特点,发现反射面变位成工作抛物面是通过促动器连接下拉索控制索节点实现的。在反射面板调节约束下,利用寻源与跟踪得到反射面实施调节到理想抛物面位置的数学刻画、建立模型,使得该工作抛物面尽量贴近理想抛物面,从而获得天体电磁波经反射面反射后的最佳接收效果。

基于主动智能反射面和人工噪声辅助的MISO无线安全传输

为实现无线通信系统的安全传输,面向多输入单输出(Multiple Input Single Output,MISO)系统,提出了基于主动智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)和人工噪声辅助的安全传输方案。其中,主动IRS被放置在基站和合法用户之间,用以增强基站到合法用户的机密信息传输,同时抑制窃听者接收到的信号强度。基站通过构建波束成形和人工噪声,进一步改善了系统的安全传输性能。为最大化系统的安全传输速率,设计了关于基站发射波束成形、人工噪声、主动IRS反射相位、主动IRS放大系数的联合优化问题。由于所提问题为非凸优化问题,设计了基于交替优化、连续凸逼近(Successive Convex Approximation,SCA)、半正定松弛(Semi⁃Definite Relaxation,SDR)的高效算法,并获得高精度的次优解。仿真结果表明,相较于被动IRS、无IRS和IRS随机相位方案,主动IRS方案有更高的系统安全传输速率;相较于无人工噪声方案,引入人工噪声可以进一步提升系统的安全传输速率。