大型射电望远镜天线主动面补偿研究进展

随着射电望远镜全可动天线的口径扩大与频段提升,天线在观测时的高电性能难以保障,必须采用机械补偿与电子补偿等手段.为确保天线的指向精度与作用距离,有必要对天线赋形反射面的空间位置与几何形状进行调整,即主动面调整,这是补偿天线电性能最有效的手段.为此,本文阐述了国内外有关主动面补偿的应用情况,总结了大型天线主动面补偿的基本原理及适用范围,详细分析了面形调整量计算、主面分块设计、促动器设计、主动面控制系统及面形检测五项关键技术,并对世界上已采用主动主反射面调整的四部大天线进行了对比讨论,最后给出了主动面补偿技术在未来大型射电望远镜天线上的研究方向.     

大口径天线非线性特性动态补偿方法研究

非线性特性广泛存在于伺服传动系统的各个环节,对高精度大口径射电望远镜指向与跟踪精度的影响不可忽略.本文针对天线常见的非线性特性展开讨论,分析此类特性对系统造成的负面影响,之后,讨论了常见的非线性补偿方法的优劣.新疆110 m口径全可动射电望远镜(QiTai Radio Telescope, QTT)天线,指向精度要求高,其对设备稳定性、可靠性有着极高要求.本文提出采用非线性动态补偿方法来抑制天线伺服传动系统中的非线性特性,从而降低或消除跟踪、指向动作时的滞后和误差,提高系统稳定性,优化大口径天线的运动性能.非线性动态补偿方法结构简单,鲁棒性强,具有较高的适用性.本文通过计算机仿真与半实物实验结合的方式,模拟大口径天线常见的饱和非线性工况,并以QTT天线作为被控对象验证了该方法的实际补偿效果.最后,讨论了非线性动态补偿法的进一步改进方向.     

基于等效风场试验的QTT台址风场分布调控技术方案初探

针对高频段大口径全向可动射电望远镜QTT对电性能的高要求,必须降低风扰动对天线的影响.本文分析了QTT台址地形地貌以及风场分布的特点,提出了一种主动降低天线所在区域风速的QTT台址风场分布调控技术方案,进一步搭建了用于QTT台址风场分布调控微缩模型的等效风场试验,通过试验数据分析,确定了QTT风场分布调控技术方案的可行性,并初步给出了经风场调控后,风速显著降低的区域范围以及风速降低的幅度,为QTT台址风场分布的调控提供了技术依据,从而可大大增加射电望远镜的有效观测时间.     

大口径射电望远镜台址电磁干扰预测方法

新疆奇台拟建的110 m全向可动射电望远镜(Qi Tai Radio Telescope, QTT)具有极高的信号捕捉能力,任何微弱的信号都会影响其高效运行,为了缓解QTT台址无线电宁静区的电磁干扰,本文提出了一种电磁干扰预测方法.首先,基于QTT台址无线电宁静区地形数据和地形特征,分析了现有电波传播模型的适用性,选取LongleyRice模型和Two-Ray模型作为QTT的电波传播模型算法,通过电波传播仿真分析,得到潜在干扰点到达射电望远镜馈源口面的路径损耗;其次,结合QTT馈源口面干扰电平阈值和天线旁瓣增益,计算得到潜在干扰点所在位置的干扰电平阈值;最后,运用该方法分析了QTT限制区内村庄典型电子设备和35 kV高压输电线路对QTT的影响.     

基于反射面板间角度反馈的主动面补偿技术研究

鉴于大型射电望远镜对主动面补偿技术的需求,本文提出了一种新的主动面补偿方法,该方法是建立在已完成面型标定的射电望远镜基础上.在此方法中,任意相邻的两块反射面板的背面都安装有一个角度传感器;当望远镜的反射面完成定标时,此时所有角度传感器被设置成零位;当望远镜正常运行时,角度传感器监测相邻面板间的角度变化量;促动器根据角度传感器的反馈信号完成面型的补偿.文中,首先介绍本文的补偿方法,然后根据此方法完成数学模型的建立,最后以新疆奇台110 m射电望远镜(QTT)为例说明本文方法所能达到的精度.本文方法的优势是补偿系统简单、响应速度快、可对任意时刻面型进行估计和补偿.     

新疆奇台110米射电望远镜

计划在新疆奇台建设的110米射电望远镜(简称QTT)将位居国际一流大科学装置之列,成为世界最大的全向可转动射电望远镜.QTT在引力波探测、黑洞发现、恒星形成、星系起源等基础科学研究领域将发挥重要作用,并可发展应用于深空探测,如探月工程和火星、金星探测.QTT设计方案考虑多种科学目标的需求,其关键技术包括:大口径天线结构设计技术、天线主动面技术、大惯量机架精密伺服控制技术、超宽带馈源技术、低噪声放大器技术、多波束接收技术等.QTT关键技术的突破与应用,将促进我国信息、精密机械加工和自动控制等工程技术领域的发展.QTT各系统建设将以自主创新为主,通过国际合作引进和采用相关尖端技术完成.     

QTT高精度位移促动器设计与测试

本文针对110 m口径全向可动射电望远镜的高精度位移促动器进行设计与测试研究.设计了采用步进电机、角度传感器、滚珠丝杠+蜗轮蜗杆的位移促动器方案.针对关键部件进行了详细设计和仿真分析,并对精度、电磁兼容性、环境适应性进行了专门设计.对促动器样机进行了精度测试,结果表明促动器定位精度小于15μm,满足设计精度要求.将促动器样机放置于新疆,进行了超过1年的实地环境适应性测试,在整个测试过程中,促动器样机运行可靠,未出现故障,满足环境适应性要求.     

基于改进遗传算法的射电望远镜主动面布线优化

为了提高射电望远镜主动面系统促动器的工作可靠性,进而提高主动面的实时调整性,利用改进的遗传算法对上海65 m射电望远镜的主动面布线问题进行优化。取主动面的1个15°分区为研究对象,以促动器可靠性、布线分组数和布线总长为目标,在传统遗传算法的基础上,引入分组优化的方法,并设计基于组内最优个体的多种新的变异方式。研究结果表明:该算法可用于射电望远镜主动面的布线优化,提高了促动器的可靠性,且算法收敛速度和稳定性均优于传统遗传算法。     

新疆110m射电望远镜(QTT)天线高精度面板结构研制挑战

研制满足单面板精度为0.07mm(RMS)的高精度面板,是制造高精度新疆110m射电望远镜(QiTai Radio Telescope,QTT)天线的关键技术之一.QTT基于主动保形技术,为满足天线结构与性能优化需求,在保证面板精度同时面板数量需要控制.天线面板越大面型精度提升越困难,制造高精度大面板将面临严峻挑战.基于蜂窝夹层结构、蒙皮筋条结构,采用改进负压成型工艺,进行了高精度面板成型试验研究,试验结果表明面积小于1.5 m~2面板精度能满足需求,就目前国内工艺水平来看已无法研制更大面积单面板(如5 m~2).为了满足QTT需求,对组合面板结构进行了初探.仿真了采用传统以及过渡子桁架,基于刚性和等柔性支撑两种方式以及采用传统拼接组合面板形式.结果表明采用过渡子桁架方式面板精度、数量能够满足需求,但复杂子桁架结构研制成本高,且造成组合面板重量增加,会导致天线结构设计复杂影响天线性能;传统拼接组合面板结构虽然满足精度需求但其面板数量没有控制在理想范围内.展望了未来提高面板精度需要进一步开展的工作.     

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.     

TM65m射电望远镜副面随动模型及性能评估

天马65 m射电望远镜副面系统的安装可以用来补偿副面支撑和主面的重力变形,在不同的俯仰角度上,副面位姿的调整可以提高天线的效率和指向性能,本文建立了副面位姿随俯仰角变化的模型,测试结果表明副面随动模型可以有效改善65 m望远镜在高低仰角上的效率,分别达到20%和15%,使得在整个俯仰角范围内,X波段的接收效率均到达60%以上;副面随动模型导致的指向偏差与grasp仿真结论符合良好.     

基于角度传感器的大口径射电望远镜面板实时位置计算方法

随着射电望远镜口径的扩大和工作频率的提升,望远镜结构更加复杂,望远镜效率与指向对结构变形也越来越敏感,采用传统的补偿方法已无法满足望远镜电性能的要求,因此有必要对望远镜主反射面进行主动调整来补偿电性能.但是现有的主动面调整技术并不能很好地满足实时性这一重要指标.为此,本文提出一种基于角度传感器的大口径射电望远镜面板面形实时计算方法,利用角度传感器的读数,快速实时地计算出面板的实际位置,为后续面板主动调整量的计算奠定基础,使电性能达到最优.     

110m大射电望远镜的两自由度复合控制器设计

针对110m大射电望远镜结构柔性大、固有频率低的特点,本文在传统伺服控制的基础上进一步考虑副反射面支撑结构对指向精度的影响,提出了一种两自由度复合控制器.该控制器由内外两环构成,外环是基于广义比例积分(Generalized Proportional Integral,GPI)的鲁棒控制器,其以副反射面支撑结构的振动量为输入,确定伺服的参考指令;内环利用线性二次型高斯(Linear Quadratic Gaussian,LQG)控制器以外环输出为参考,对天线伺服驱动部分进行控制.与目前已有的大口径天线控制方法相比,该控制器既可以有效抑制驱动部分的柔性振动,又能抑制副反射面的振动,进而提高大口径天线的指向精度.本文以等效天线模型为控制对象.通过数值仿真验证了该方法的可行性.     

大型射电望远镜高精度指向偏差检测方法

本文首先论述了影响大型射电望远镜高精度指向偏差的主要因素,然后以天马65?m射电望远镜(TM65?m)为实测对象,介绍了从天线副面开始到轨道之间,分离检测各项指向偏差的方法,包括:评估整体天线指向偏差的半功率点检测法;检测副面支撑位置变化导致指向偏差的方法;检测天线座架因温度变化导致指向偏差的方法;检测机械轴和码盘轴之间不同步导致指向偏差的方法;基于轨道不平度数据进行高精度指向建模的方法.文中给出了几种方法实测过程和结果,并对结果进行了分析和讨论.     

全可动射电天文望远镜的电磁干扰特征研究

全可动射电望远镜是一个包含主动面促动器机构、天线高功率驱动分系统、高灵敏接收终端、数据传输及控制分系统在内的复杂系统.系统内强弱电分系统的工作电平差异悬殊,内部不但存在相互的电磁干扰,同时系统工作时所产生的电磁发射信号及场站环境的各类电磁信号,都会对需要接收的微弱射电信号产生干扰,致使射电望远镜的电磁兼容性已成为研制及使用的关键技术.本文综述了国内外射电天文望远镜电磁兼容技术的研究进展,并从系统工程角度,对射电望远镜系统的电磁干扰特征进行了研究,确定了关键的控制要素,建立了干扰耦合矩阵,提出了基于电磁拓扑理论的射电望远镜系统电磁兼容的建模方法,为研究射电天文望远镜的电磁兼容技术奠定了基础.     

基于能量流动分析的电磁式馈能型主动悬架控制

针对已开发的电磁式悬架作动器样机进行数学建模,并采用主环/内环分层式结构对其进行主动控制.通过对内环系统的简化分析得到控制电流可实现范围以及不同条件下作动器能量流动状态,并采用模型预测控制方法设计了全主动和半主动2种模式的主环控制器,分别侧重于车辆悬架系统振动抑制和不平路面振动能量回收.在不同路面输入条件下进行仿真对比分析,结果表明,相对于传统被动悬架,电磁式悬架作动器在全主动模式下消耗蓄电池能量,但可以将车辆乘适性提高30%,而在半主动模式下可以回收路面振动能量并将车辆乘适性提高10%.     

大口径射电望远镜超宽带接收机技术发展

新疆奇台拟建的110m全可动射电望远镜(QiTai Radio Telescope,QTT),在引力波探测、黑洞发现、恒星形成、星系起源等基础科学研究领域将发挥重要作用,并可发展应用于深空探测,如探月工程与火星和金星探测.满足众多科学需求需装备超宽带、多波束、高灵敏度接收机系统,而大口径射电望远镜接收机技术面临众多挑战.本文论述了国内外射电天文领域大口径射电望远镜接收机技术发展,包含超宽带馈源/极化器、超宽带低噪声放大器、多波束接收机技术的发展与现状,分析了接收机研制过程中的难点与挑战.基于QTT科学目标和技术进展,给出了初期的接收机系统配置方案,分析了接收机的馈电形式、关键器件研制与选型、关键问题与难点.     

嫦娥四号中继星4.2 m天线在轨指向标定

本文主要论述了采用天马65 m射电望远镜对嫦娥四号中继星4.2 m天线进行在轨指向标定.先介绍了标定空间天线指向的方案,接着论证了方法的可行性,主要描述了天马射电望远镜天线的性能优势、天线扫描方法和注意点等方面,并采用射电源和卫星验证了接收系统的稳定性,然后对测量过程中采用的解算方法进行了详细的描述,最后给出了多次实测的结果.结果表明,采用天马射电望远镜可以有效标定空间天线的指向,标定误差好于0.05°.该方法的成功实践为今后空间天线的在轨指向标定提供了经验借鉴.     

大型天线主反射面位姿调整机构设计

本文提出一种大型天线主反射面的位姿调整机构,它将天线主反射面作为位姿调整机构的负载,按照一种特定的安装方式实现主天线面的固定支撑并通过伸缩运动实现单自由度平动的主动调整机构,主要包括滚珠丝杠、箱体组合、套筒组合、滑块组合和涡轮蜗杆等部分.其优点是结构刚度大、承载能力强、响应速度快、具有很高的传动精度和可靠性,通过借助蜗轮蜗杆的自锁特性来避免滚珠丝杠副的逆转,用以保证主反射面调整工作的稳定,能够实现天线主反射面的位姿调整和精度控制,补偿因重力变形和安装误差等因素导致的天线性能和指向的变化.     

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.