基于空间位形的FAST索网有限元模型修正方法研究

500m口径射电望远镜FAST采用柔性索网作为主要支承结构,在使用过程中频繁张拉索网主索,不可避免的造成主索的预应力损失,使主索的实际受力状态与有限元模型中的计算索力出现偏差,从而影响主索疲劳寿命的评估结果。考虑索网结构的内力分布与空间位形相关,本文根据现场监测数据提出一种基于空间位形的索网结构有限元模型修正方法,首先获取索力数据和节点的坐标数据,然后根据节点的平衡方程和约束条件建立非线性规划数学模型,最后利用序列二次规划算法(SQP)求解实现结构有限元模型的修正。数值模拟结果显示,索力误差在10%范围内的索数目占比由修正前的56.8%提升到87.7%,修正后有限元模型与实际受力状况更为接近,验证了该方法的可行性。本文所提出的方法不仅可以用于修正FAST索网结构的有限元模型,同时也可为其他类似的大型索网结构模型修正提供参考。

从KARST到FAST——中国天眼的概念起源与决策过程

在大科学时代,大科学工程的建设日益复杂,设计者需综合考虑设备性能、技术储备、经费、风险、环境等因素才能进行合理决策.在国内外天文学发展的背景中,梳理了500 m口径球面射电望远镜(Five-hundredmeter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)概念形成的过程以及FAST团队在其中所做的决策,包括大望远镜中国方案的设想、先导单元的提出、主动反射面技术的采用等,并对决策过程进行了分析探讨. FAST诞生于我国与国际天文学发展的互动与融合进程,实现了从跟进到占据先机的转变,可为在相关基础薄弱的领域建设大科学工程提供参考.

FAST反射面面板单元初始间隙

500 m口径射电望远镜(Five-hundred-meter aperture spherical radio telescope,FAST)的反射面由4 450块面板单元组成,面板单元初始间隙的大小直接影响着望远镜的技术指标,初始间隙过大会降低FAST的有效接收面积,从而降低望远镜的灵敏度,初始间隙过小又可能会导致面板单元在某些观测工况下发生碰撞,因此合理确定反射面面板单元安装间缝隙对保证FAST的性能指标意义重大。采用矢量几何的方法给出了面板单元碰撞的判定准则,并根据反射面整体有限元模型的分析结果,结合判定准则,研究了FAST在工作工况下,以及在最不利的促动器故障情形下面板单元的碰撞干涉情况,还给出了面板初始间隙的合理数值,为下一步面板单元的设计提供参数。

灰色预测在FAST液压促动器中的应用

为了满足500,m口径球面射电望远镜(FAST)工程主动反射面索网节点位置和速度控制的要求,对FAST用液压促动器进行了研究,将灰色预测模型应用到传统PID控制中,提出一种新型的步长调整机制,在简化了以往调整机制复杂性、不确定性和耗时性的同时,很好地解决了传统PID控制策略下难以获得理想跟踪精度的问题.通过与传统PID控制策略进行仿真和实验对比,结果表明,变步长灰色预测PID控制策略提高了促动器的速度跟踪精度和位置跟踪精度,速度跟踪误差由0.100,mm/s减小到0.048,mm/s,位置跟踪误差由1.5,mm减小到0.2,mm,可满足FAST工程主动反射面索网节点位置控制精度和响应速度的要求.

FAST“太阳灶”问题及温度场研究

进行了太阳辐照500米口径球面射电望远镜（FAST）的“太阳灶”问题及温度场的研究。研究结果表明，FAST“太阳灶”问题不仅与反射面反射率、孔隙率、时间点有关，也与馈源舱体的反射率、材料、微波入口直径等因素有关；反射面反射率为0．2、孔隙率0．4时，馈源舱最高温度为47．56℃；反射面最高温度达到68．34℃，时间在14：00。也计算出了形成典型“太阳灶”的时间域，指出，望远镜指向与太阳照射方向之间的夹角大于3．1。时“太阳灶”问题不明显。该研究为FAST的设计和使用提供了弱化、规避、消除“太阳灶”影响的数据和依据。

FAST索网的索长高精度测控

500 m口径球面射电望远镜(Five hundred meters aperture spherical radio telescope,FAST)是我国建成的世界第一大单口经射电望远镜,其反射面索网长度控制精度要求极其严格,误差要求控制在±1 mm以内,索长的万分之一。提出恒温持荷调索测控方法,并就钢索调索结构设计、索长稳定化措施、测量调索系统和调索操作工艺流程进行详述;对各因素导致的测量误差进行了计算和修正;通过索长测控试验,对FAST项目所用到的16种规格共抽取48根钢索的设计长度、实测长度以及长度误差进行统计分析。结果表明:钢索的长度控制精度在±1 mm以内,误差符合正态分布,满足FAST索网验收标准。

应用ATA的对数周期馈源方案于FAST的可能性探讨

介绍应用于美国凤凰计划的Allen望远镜阵(ATA)的对数周期馈源(LPA)概况,初步给出此种馈源的基本参数及性能,仿真估算了其驻波比和方向图,并结合正在进行中的我国500m孔径球面射电望远镜(FAST)计划,探讨了应用这种宽带馈源的可能性及其限制。

姿态卡尔曼滤波对FAST馈源舱BDS/SINS组合导航位姿精度的提高

500 m球面射电望远镜(The Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)馈源舱位置和姿态测量精度直接影响望远镜接收机的对准精度.为了提高馈源舱位姿精度,提出姿态卡尔曼滤波算法,采用北斗导航系统的多天线技术解算馈源舱姿态,将它与捷联惯导解算的馈源舱姿态对比,两者的差值作为姿态卡尔曼滤波的量测量.为了降低北斗导航系统解算姿态的复杂度,采用了罗德里格矩阵解算方法.以望远镜跟踪观测模式时,北斗导航系统和捷联惯导解算的实际导航结果作为测试数据,测试结果表明采用姿态卡尔曼滤波的组合导航结果精度优于传统卡尔曼滤波的组合导航结果,尤其在航向角和yf轴的位置精度上.

中国天眼馈源舱接收比的优化控制

建立了中国天眼——500米口径球面射电望远镜(FAST)馈源舱接收比优化控制的数学模型,得到天眼系统反射面的理想抛物面方程,并基于遗传算法给出天眼系统主索节点的调节方案,为天眼系统工作抛物面的构建提供了一个重要参考。数值仿真表明,在被观测天体方位角为36.795°,仰角为78.169°时,馈源舱接收比为61.43%,高出基准球面的馈源舱接收比约55.97个百分点,优化效果明显。

FAST反射面单元在索网变位中的碰撞分析

500m口径球面射电望远镜采用柔性索网作为反射面支撑结构,反射面单元通过专用机构与索网连接,促动器连接下拉索控制索网,实现主动变位。在变位中,反射面单元要自适应于索网的各种变化,同时避免发生碰撞。为了给变位整体运行提供冗余保障,得出反射面单元碰撞分析基本机理及准则,基于索网与反射面单元的结构关系,将反射面单元的碰撞分析转化为对应主索单元的应力分析。通过设定条件下主索单元应力计算方法,对相关反射面单元碰撞问题进行分析。提出了正常变位情况下判别反射面单元碰撞的基本准则。通过计算变位后主索应力变化,提出分析判断正常变位反射面单元碰撞的方法,并提供了分析算例与结果。一定程度初步说明了正常变位条件下索网及反射面变位的合理性。

FAST反射面支承索网结构的初始状态求解

500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter aperture spherical telescope,FAST)是人类探索宇宙的重要工具,FAST反射面的支承索网结构是一种轻量便捷的新型驱动机构,但是柔索只能承受张力,且刚度很小,定位精度低,这使得动态特性建模和分析十分困难。利用变分原理建立FAST反射面的支承索网结构的数学模型,该模型引入了大量非线性方程组,针对求解该非线性方程组提出一种逐层替代法算法,采用该算法能够求解FAST数学模型,进而得到FAST反射面索网结构的初始状态及其索网中各个主索端点处的拉力和索网中各节点的位置。这种算法为FAST索网中各节点在拉索拉力作用下由初始状态调节到张紧状态给定了精确的参考位置;同时也为FAST索网由张紧状态到工作状态的数学模型的非线性方程组提供解的初值。为了验证该算法求解FAST的缩小模型,从计算结果来看采用该方法所求得解的精度远远高于设计要求。

FAST望远镜两轴转向机构结构方案优化

FAST馈源支撑系统承载和驱动馈源运动,进行对天体的高精度跟踪观测。在实时的定位调整中,两轴转向机构起着辅助调整接收机姿态角的作用。为满足FAST两轴转向机构的重量及刚度要求,选择了一种空间刚架式的结构构型。提出了反映结构柔顺度及重量约束的目标函数,以各类杆件的截面面积以及整个结构的高度、半径等几何参数作为优化变量,采用以无量纲的参数灵敏度为基础,通过一维搜索实现的最速下降法作为优化算法,对不同初始条件下的优化参数进行了优化设计。优化结果偏离度较小,可以认为在一定优化变量范围内达到了目标函数最优解。利用同样的方法,以各个高度控制点高度为优化参数,通过改变控制点高度沿圆环的高度分布得到一种变高度形式的结构方案,经验证变高度结构方案优于等高度结构方案。

FastSky:巡天数据的天图系统

随着我国天文科学领域的重大科学工程FAST(500米口径球面射电望远镜)的建成,亟需一套可用于进行可视化展现和数据处理的天图系统。研究并实现了一套致力于满足FAST巡天数据可视化展现和数据处理基本需求的天图系统Fast Sky。该系统基于Healpix球面分割技术实现对天区的分割和索引的构建,并基于Web浏览器实现各类预置和自定义的天图分析及巡天数据处理。Fast Sky目前已被FAST工程科学部列为巡天数据科学研究的支撑软件,在FAST巡天数据科学研究规划中应用。

FAST深空数据传输速率分析

500 m口径反射面射电望远镜(FAST)是目前世界口径最大、最灵敏的射电天文望远镜。为了分析FAST对深空探测任务的数据传输支持能力,利用数据传输链路预算分析方法,在规定特定工程余量的条件下,详细计算了FAST应用在内行星、外行星及柯伊伯带(Kuiper belt)天体探测任务中的数据传输速率。计算结果表明,FAST等效成口径300 m的地面接收天线,能使目前的深空通信数据下行传输速率提高70~400倍,未来其将会强有力地支持我国的火星、木星等深空探测任务。

面向FAST馈源仓定位的微波测距系统设计

500 m口径球面射电望远镜(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope, FAST)是近年建成的重大科学装置,其高效运行依赖于对馈源仓的高精度定位。当前基于全站仪测距的馈源仓定位系统在雨雾等恶劣天气中无法有效工作,降低了FAST工作时长。针对此问题,提出一种基于微波测距的新方案,有望在满足馈源仓定位精度的同时,显著改善FAST的运行效率,使之实现全天候全天时工作。深入研究了微波测距定位系统中亟待解决的若干关键科学问题,初步给出了系统方案与技术路线。根据理论分析,该微波测距系统的定位误差优于±5 mm,可达到设计要求。

FAST工程主动反射面健康监测系统温度信号多元回归估测

大型结构健康监测系统中,温度测点故障会带来安全隐患。基于500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)主动反射面健康监测系统,提取并分析了9个测点数据间的线性相关性,将候选变量分组并选择最优回归子集,建立多元线性回归模型,融合正常测点数据对故障测点进行估测。针对变量间多重共线性问题进一步应用岭回归法,选定岭参数为6。使用F检验与拟合度检验模型的显著性和有效性,使用不同时日数据验证模型的估测精度。结果证明,多元线性回归模型比单变量具有更高的拟合度和精度,均方根误差为0.475℃;岭回归法稳定性更高,均方根误差为0.435℃。

基于FAST馈源舱索系统结构频率的实时滤波方法

针对500 m口径球面射电望远镜(FAST)舱索系统具有柔性大、阻尼低及変结构的特点,提出了一种基于频率分析的实时低通数字滤波方法。首先,采用功率谱变换理论对测量数据进行分析在线获得舱索系统基频。其次根据在线获得的舱索系统基频设计了低通数字滤波器,对测量数据进行滤波处理。最后,通过在FAST 5 m模型实验,验证了结构基频计算的准确性和对测量数据滤波的有效性。

FAST台址岩溶洼地的排水对策

FAST射电望远镜(Five hundred meters Aperture Spherical Radio Telescope)是以贵州山区岩溶洼地作为台址的大型工程。该洼地在开挖施工后,在暴雨条件下采用原有的落水洞进行消水,将会产生4.3 m的积水深度,会对工程产生严重影响。通过计算设计建立起的边坡排水沟、消能池、排水隧道等综合排水系统,可以有效地解决洼地内涝问题。该方法能够为今后在岩溶洼地进行工程项目的排水处理提供相关的技术措施与经验。

FAST30m模型健康监测系统

为了有效地评定结构安全性和使用性,研究并设计了大射电望远镜FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)30 m缩尺模型结构健康监测系统.针对FAST30 m模型结构特性,确定健康监测系统的组成、功能和监测内容;依据适用条件、性价比等对传感器优化选型,计算结构"热点应力"位置并采用概率灵敏度分析方法计算应力变化对结构刚度影响最大位置,以此优化应力传感器测点位置,采用有效独立方法优化计算加速度传感器测点位置;提出了FAST30 m模型结构的安全评定及预警方法;综合运用Matlab、Ansys和Labview等软件设计了健康监测系统.FAST30 m模型健康监测系统能协调运行,并应用于FAST30 m模型索网结构张拉成形施工过程中,实现了预期设计功能.