500m口径射电望远镜(FAST)索网结构风致破坏概率评估

大跨空间索网结构风敏感性突出,极易遭受风荷载影响。针对目前缺乏此类结构抗风性能评估方法的问题,以大跨空间索网结构FAST为例,提出一种基于实测风场数据的风致破坏概率分析方法。采集1971年~2020年结构所处地区的大量实测风速数据,通过概率分布拟合建立场地的风灾危险性模型。建立FAST的精细化有限元分析模型并模拟风荷载时程输入,采用非线性动力时程分析对结构的风振反应进行计算,基于概率性需求模型绘制易损性曲线。最后,结合得出的风灾危险性和结构易损性,计算得出FAST结构在所处场地实际风灾环境中的破坏概率。研究表明:该地极限风速为17m/s,风速在0~10m/s的概率最大;在120°、210°和300°风向角下,下拉索均为易损构件,210°风向角上吸风对索网结构最不利;在最不利风向角下,结构达到轻微破坏、中等破坏和严重破坏的总破坏概率分别为1.8359×10^(-4)、1.1499×10^(-5)和1.3202×10^(-6)。

射电望远镜基于座架温度的热致指向误差建模

温度是影响高频大型射电望远镜性能的关键因素之一。以天马望远镜(TMRT)为例,研究了座架节点温度与天线指向之间的关系,提出了基于节点温度的指向误差修正模型构建方法。将指向误差视为座架节点温度的线性组合,以节点的温度灵敏度作为特征条件优化自变量的个数,将北极附近源2344+8226的指向测试结果作为样本集,与自变量简化前后的温度模型的效果进行对比。同时,这两种温度模型也进行了有限元分析验证,模型计算和有限元分析结果都与样本集相吻合。为了验证模型的通用性,对比分析了模型简化前后在4个季度的表现,结果表明简化后的温度模型预测效果更佳。建立的基于节点温度的指向误差修正模型的快速计算结果,也为座架热致指向误差实时修正提供数据支持。

面向大型射电望远镜工程的多场景屏蔽效能测量配置策略研究

大型射电望远镜具有极高的系统灵敏度,望远镜自身电子设备的电磁防护要求极高,以至最终的屏蔽效能测量与性能验证存在技术挑战,相关技术的研究可为望远镜电磁兼容工程实施提供技术支撑。为解决望远镜建设多场景屏蔽测量技术问题,本文分析了影响屏蔽效能测量的主要因素,依据GB/T 12190-2021《电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法》,在3 m法暗室内搭建了测量系统,围绕测量系统硬件链路及信号分析仪关键参数与屏蔽效能测量性能的响应关系开展了系统性测量;在此基础上,统计分析了其对屏蔽效能测量性能的影响,结合GJB 5792A-2021《军用涉密信息系统电磁屏蔽体等级划分和测量方法》中电磁屏蔽体等级划分方法,屏蔽效能测量规划为四种测量场景,进而给出相应屏蔽效能测量场景的硬件及测量参数配置策略。按照不同策略搭建相应屏蔽效能测量系统进行测试,进一步验证了在不同场景下屏蔽效能策略配置的可行性。

大口径阵列射电望远镜预选台址的电磁环境监测与分析

我国正在进行大口径单天线和阵列射电望远镜的建设和预研工作。为保障射电望远镜前期建设工作的开展,首先需要找到满足电磁环境要求的台址,本文使用搬移式电磁环境监测装备在广东省清远市阳山县杜步镇、水口镇等预选台址开展了电磁环境监测,并对广州市白云区帽峰山开展对比测试,采用一种干扰阈值判断方法对电磁环境监测数据进行了分析。分析结果显示,位于清远市阳山县杜步镇附近的洼地射频干扰(radio frequency interference,RFI)数量少且强度弱,该洼地远离城市中心,经济活动少,周围群山环抱,具有良好的电磁隔离性,适合大口径单天线和阵列射电望远镜的建设。本文的数据分析结果可为大口径射电望远镜的选址提供依据。

大型射电望远镜日照热误差及其补偿的仿真研究

射电望远镜广泛应用于射电天文、测控导航等领域,随着其工作频率的升高、口径的增大,日照引起的结构热变形对其性能的影响愈发严重;本文针对待建的新疆110 m口径射电望远镜,建立了其日照热力耦合模型,分析了天线在不同时刻、风速及姿态下的温度、变形情况,总结了结构日照温度场、变形场的时空分布特征,最后采用最佳吻合抛物面方法对反射面精度进行了评价,并通过副反射面位置补偿量的变化趋势揭示了天线热变形的共性规律及机理。结果表明:对于日照引起的天线热变形误差,风速越大,结构温度分布越均匀,其越接近等温膨胀变形,反射面形状精度越高;温差引起的结构不均匀变形是反射面精度下降的主要原因,温差越大结构的不均匀变形越大,反射面的形状精度越低;同一姿态不同风速下反射面热误差空间分布具有相似性,该分布与太阳直射点位置直接相关,且会跟随直射点位置发生变化,但由于日照强度、风速等因素的不同,其变形幅度不同。各种姿态下反射面精度变化规律相似,与风速的相关性均为反射面精度随风速上升而提高;采用副反射面位置补偿技术可明显缓解日照热误差影响。本文的分析方法与结论对大口径全可动射电望远镜的设计建造及其热误差控制具有一定参考价值。

大口径射电望远镜伺服时滞因素分析及其预测补偿控制

射电望远镜控制系统是一个多变量复杂系统,伺服系统中的摩擦、齿轮间隙等众多时滞因素严重影响着射电望远镜系统的精度和稳定性。文中针对大口径射电望远镜伺服控制系统中的时滞因素进行研究。以模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)为主控器,利用模糊比例-积分(Proportional-Integral,PI)控制结合Smith预估器解决时滞因素带来的影响,并利用所提出的控制方法对射电望远镜的位置控制系统进行时域分析。研究结果表明,在时滞因素影响下,大口径射电望远镜伺服控制系统依旧可以保持稳定,超调量为0.6%,稳态误差小于0.15%,满足大口径天线1.39%的指向精度要求。

数字孪生驱动的射电望远镜结构热变形补偿系统

为解决在日照热载荷作用下大型射电望远镜结构变形无法实测与动态补偿的问题,研究了一种数字孪生驱动的射电望远镜结构热变形补偿系统。提出了基于实测数据与仿真数据融合的射电望远镜热温度场构建方法,建立了射电望远镜结构热变形仿真预测机理模型、结构热变形动态补偿机理模型,开发了射电望远镜结构热变形动态补偿数字孪生系统,通过微型实体模型实验对所提出的技术与系统进行了有效性验证。结果表明:将数字孪生技术应用于射电望远镜等大型天文装备,实现了其结构热变形的近实时监测和动态补偿,且补偿方案具有良好的时效性,有助于提升射电望远镜运行性能。

贵州师范大学射电望远镜阵列RFI环境测量与分析

近年来,由于人类活动的不断增多,空间电磁环境变得越来越复杂,无线电干扰源激增,对射电天文观测影响日渐加剧。为获得贵州师范大学射电望远镜阵列可观测天区的射频干扰(radio frequency interference,RFI)空间分布及其物理来源,为阵列后续观测及科学数据处理提供RFI消除依据,本文利用射电望远镜阵列格点测量贵州师范大学花溪校区的RFI,有效分析周围的电磁环境信号。监测发现,频率1 150、1 176.45、1 202.025、1 207.14、1 227.6、1 250、1 268.52、1 469 MHz处的RFI在可观测天区分布均匀,另有多种RFI在望远镜俯仰指向偏低(≤30°)和偏高(≥70°)时显著。

射电望远镜跟踪系统的研究

大型射电望远镜在选址、安装和校正方面要求比较高,随着天文爱好者越来越多,市场上需求越来越多的是小型的家用射电望远镜。大部分射电望远镜跟踪装置采用伺服电机驱动,然而伺服电机价格昂贵,因此,在实验室射电频谱仪的基础上,为了降低成本,选用价格相对便宜的改进直流电机驱动射电望远镜进行方位和俯仰转动,选用设计简单、运行可靠的MSP430F169单片机实现对射电望远镜的转动控制和数据信息采集。经过实验室大量实验调试,该系统工作稳定,可以达到设计目标。

FAST:射电望远镜中的传奇

又到了周末读书时间,在爸爸的书房里,小天正抱着一本科学画册看得津津有味,这时候姐姐小菲走了进来,问道:“你看什么书呢?这么入迷。”小天兴奋地将画册摊在小菲面前,说道:“这是讲古代航海的一篇文章,里面介绍的古代航海导航技术,真的很有趣啊!”“古人航海用什么导航呢?”小菲又问道。“如果在内海航行就用灯塔导航,如果到了外海,大船航行就需要指南针的帮助了。”小天回答道。

天马13 m射电望远镜高精度指向模型的建立

天马13 m射电望远镜是专为空间大地测量的新一代甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)天线,即VGOS(VLBI Global Observing System)系统。VGOS观测将从调度、相关、观测策略到分析各方面改变甚长基线干涉测量。与传统测地观测相比,VGOS观测将数据精度提高1~2个数量级。天马13 m射电望远镜安装了3~15 GHz宽频制冷接收机,一般要求天线指向偏差小于最高频率波束宽度的1/10。为满足高精度指向要求,详细介绍了建立指向的方法和天线控制扫描策略,给出了系统误差修正模型的完全表达式,明确了指向修正模型中的参数意义。基于该天线指向扫描的实测数据,实测评估了望远镜的指向精度。采用最小二乘法对覆盖全天区的数据样本进行拟合,得到天马13 m射电望远镜指向模型,并加载到天线伺服控制系统进行验证,得到了优于10″的盲指误差。

巨型射电望远镜(FAST)反射面支承结构日照温度场效应分析

研究分析500m口径球冠状巨型射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope,简称FAST)反射面支承结构的日照温度场效应。借助ANSYS热分析模块,建立FAST反射面结构和实测周边地形的整体参数化有限元模型,计算最不利气候之一即夏季晴天无云天气各时刻的空气对流换热、太阳辐射、周围环境的长波辐射换热以及阴影遮挡等各种边界条件,在较为合理的结构初始温度场下,进行连续多天的时程分析,直至结构的任一点温度收敛于24h前的结果,并据此结果计算反射面结构温度变形和温度应力,给出日照下反射面形状拟合精度随时间的变化规律、结构应力的变化范围和分布规律。结果表明在日照下结构的温度场较不均匀,局部温差最高达到了11℃,较大地影响了反射面形状精度,为将来结构的设计、施工、监测以及控制提供了参考信息。

巨型射电望远镜(FAST)反射面支承结构参数敏感性分析

研究分析500m口径球冠状巨型射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,简称FAST)反射面支承结构参数敏感性问题。首先对目前所有敏感性分析方法进行综述,详细探讨基于回归和相关的参数全局敏感性分析方法,由于大规模结构输入参数(成千甚至上万)仍然是限制目前所有敏感性分析方法应用的瓶颈,提出具体预处理措施,在满足精度的基础上又使得计算变得可行。基于改进后的方法,科学合理地设定参数概率分布,系统地分析FAST反射面支承结构参数对其使用性能指标——反射面形状拟合精度RMS和安全性能指标——索网最大应力的敏感性问题,并统计分析、比较不同类型参数的总敏感性影响,结果指出,在所有结构参数中,索截面面积的不确定性对结构影响最大,其对RMS不确定性的相对贡献率占到了59%,为FAST反射面结构参数优化设计、施工质量的控制等提供有价值的信息,是指导FAST建造的参考依据。

巨型射电望远镜(FAST)主动反射面结构故障诊断

研究分析500m口径球冠状巨型射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,简称FAST)主动反射面结构故障诊断问题。深入分析结构特点,论证FAST索网结构是一个准静力结构以及结构故障的局域性,并结合FAST望远镜工作特点,确定结构故障的基本模式。提出基于索应力监测和变位节点坐标监测的故障诊断方法:监测结构"热点应力",针对基准态和工作态,设置不同判定准则,直接诊断结构关键部位;监测索网变位节点坐标,计算其与理论值的偏差序列,针对客观存在、无法消除的有限元理论模型误差和测量误差,提出采用Walsh非参数检验方法并结合节点不平衡力的快速计算,实时检验是否存在故障以及可能的故障点区域,实现望远镜工作的安全实时预警,提出采用模式搜索算法,以故障点区域单元为诊断对象,以实际监测和理论计算的结构响应趋于一致为目标,诊断结构故障的具体类型和程度。数值模拟计算结果表明上述结构故障诊断方法适用于FAST主动反射面结构,是有效且切实可行的方法。

国家天文台500m口径球面射电望远镜(FAST)钢结构工程施工技术

介绍了国家天文台500m口径球面射电望远镜(FAST)钢结构的结构特点、钢结构安装施工方案、施工的关键技术和设备,特别是对圈梁结构的安装技术作了详细阐述。其倒扣式曲线轨道滑移系统解决了高空无法满铺轨道的技术难题,多功能平板车的运用同时解决了高空运输、高空滑移和高空吊装的难题,获得了良好的经济效益。现场施工结果表明:钢结构的施工方案和各项技术是合理可行的。

大射电望远镜FAST整体变形索网反射面仿真研究

针对大射电望远镜FAST的整体变形索网反射面方案的可行性问题,研制开发了一套专门的有限元计算软件,并提出了一个索网反射面拟合旋转抛物面的反馈控制算法。利用有限元计算软件,在索网反射面力学模型上,对反馈控制算法进行仿真实验,以论证该方案的可行性。采用有限元方法对索网进行力学建模和计算,推导了一种适于大范围空间运动的四节点索单元,利用动力松弛法进行三维索结构找形计算。

大射电望远镜FAST馈源支撑两级调整机构联调机理分析

从运动学的角度分析了大射电望远镜 FAST馈源支撑系统两级调整机构的联调机理 ,并运用空间矢量工具推导了运动学控制的数学模型 .此外 ,还给出了精调控制方案、Stewart精调机构的控制策略、硬件结构和软件流程 ,并对总体控制系统做了说明 .联调机理分析对实现 FAST馈源支撑系统联调方面做了一次有益的探索 ,有助于FAST研究工作的进展 .

大型全可动射电望远镜雷电防护及其在线监测系统设计与实现

本文主要针对大型全可动射电望远镜天马射电望远镜所处的雷电环境特点,设计并建立了一套全面的针对该射电望远镜的雷电监测与防护的软硬件系统。该雷电监测系统可以实时、准确捕捉天马射电望远镜遭受的雷电波形、幅值、能量、发生时间等重要参数,同时依据天马射电望远镜不同部位的雷电特性参数,为该天线副反射面、主动面、馈源舱、压缩机房、伺服机房、远程机房、UPS机房、俯仰驱动、方位驱动等关键供电设备与电子信息设备设计雷电能量匹配的过压防护系统,对天马射电望远镜全天候运行具有重要意义。

大射电望远镜FAST馈源舱位姿控制

针对大射电望远镜(FAST)馈源舱位姿控制问题进行了研究.根据馈源舱、塔柱的固定顶点及与其相联的6根钢索组成的Stewart平台结构,提出利用自抗扰控制技术(ADRC)来调节6根钢索的长度,使馈源舱姿态跟踪给定理想轨迹.数字仿真表明了该方案的可行性.

FAST与近代大型射电望远镜介绍

主要介绍射电望远镜的起源 ,当代射电望远镜的理论及建造技术如主反射面和馈源支撑技术的发展 ,以及在不同领域的应用情况 。