大射电望远镜FAST的控制与GPS动态检测

　　1　引　言

　　FAST(Five-hundred Meter Aperture SphericalRadio Telescope)500m口径球面射电望远镜是国际大射电望远镜计划在中国的一项先导工程。计划在贵州省某喀斯特地貌地区建造口径D=500m(曲率半径R=300m)的射电望远镜,频率覆盖米波-分米波-厘米波波段(0.3～8.8GHz)。FAST的建造将使我国跻身世界射电天文强国之列,为我国深空探测计划提供强大地面支撑。同时FAST作为国际大射电望远镜计划的先导单元,可提高我国竞争力度。作为中国科学院知识创新工程15项重大项目之一的“大射电望远镜FAST预研究”已经启动,目标为完成建造FAST的若干关键技术预研究,确定总体方案并完成初步设计[1～2]。

　　球面射电望远镜的成功实例是美国的Areci-bo305m口径天线。为解决Arecibo型球面射电望远镜应用于建造天线阵时的不足,文献[3]提出了新的设计方案(图1)。简单来说,就是将原Arecibo型馈源部分除线馈源与几根钢悬索外的全部结构全部省去,而代之以新兴动态检测技术、现代数值控制技术。可使原馈源系统的重量由1000吨降为20吨。由于伺服驱动采用数值主动控制,不但使造价大为降低,而且使控制精度显著提高。

　　在FAST机电一体化设计中对馈源的跟踪控制是通过两级调节实现的,一级调节通过不断地调整各悬索的长度实现馈源舱的空间扫描运动,并拉到预定控制精度50cm;由于馈源的空间位置精度最终要求为4mm,二级调节采用大负荷Stewart平台完成馈源的精调。当跟踪星体确定后,馈源在整个跟踪过程的运动曲线就可以确定,由馈源舱在各跟踪点的位置和姿态就可根据悬链线方程精确计算出悬索长度的变化[3]。控制系统只要能够精确控制悬索长度的变化就可完成对馈源舱位置和姿态的动态调整。

　　2　馈源扫描轨迹的确定

　　我国具有世界上独一无二的KARST地貌优势,非常适合建造新一代大型球面射电望远镜阵。该阵将由三十几面口径为300～500m的球反射面天线组成,使总接收面积达一平方公里。我国在1995年10月举办了第三届国际LT(Large Telescope)工作组会暨大型球面射电望远镜学术会议,并实地考察了普定、平塘的KARST地形,引起了国际同行专家的浓厚兴趣。

　　由我国贵州KARST地貌的地理位置(北纬25度、东经115度),馈源的运动轨迹可在图2所示的坐标系中确定。坐标系原点选取为球反射面的顶点,X轴指向南方,Y轴指向东方,Z轴指向天顶。如图2所示则可推导出馈源点在坐标系下的轨迹方程:[4～5]

　　H——时角

　　由于球面望远镜观测范围的限制,H和δ在如下范围取值:

　　因此,当所观测的星体的赤纬已定时,时角H的范围也可以确定。根据它们就可以求出馈源在跟踪过程中各点的坐标值。