大型射電望遠(yuǎn)鏡是深空探測器導(dǎo)航、天體物理、天體測量等領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。脈沖星、宇宙微波背景輻射等獲得諾貝爾獎(jiǎng)的重大天文發(fā)現(xiàn)均來源于射電望遠(yuǎn)鏡的觀測。在全方位可動(dòng)型望遠(yuǎn)鏡中，國際上先后建設(shè)了澳大利亞Parkes 64米、德國Effelsberg 100米、美國GBT 110米和意大利SRT 64米等大型射電望遠(yuǎn)鏡。我國當(dāng)時(shí)先后建成上海25米、新疆25米、北京50米和昆明40米射電望遠(yuǎn)鏡。這四臺(tái)望遠(yuǎn)鏡和上海數(shù)據(jù)處理中心組成甚長基線干涉測量網(wǎng)（VLBI），作為探月工程VLBI測軌分系統(tǒng)，為探月工程國家重大專項(xiàng)的精密測定軌任務(wù)做出了重大貢獻(xiàn)。但我國當(dāng)時(shí)的射電望遠(yuǎn)鏡與國際先進(jìn)水平相比，天線口徑小、觀測頻率低，制約著執(zhí)行國家探月和深空探測重大任務(wù)和開展原創(chuàng)性射電天文觀測研究的能力。

由此，中國科學(xué)院、上海市和探月工程聯(lián)合出資，研制了我國第一臺(tái)大型射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)即上海65米射電望遠(yuǎn)鏡（天馬望遠(yuǎn)鏡）。建設(shè)大型射電望遠(yuǎn)鏡，需要攻克高精度指向、高接收效率、低溫寬頻帶接收、復(fù)雜靈活控制、綜合性能測試、重力變形改正等一系列技術(shù)難題。上海天文臺(tái)聯(lián)合中國電科54所、上海交通大學(xué)、中國電科16所等單位，攻克多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，于2017年建成了性能先進(jìn)、功能齊全的全可動(dòng)大型射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。天馬望遠(yuǎn)鏡整體性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，極大地提升了我國探月衛(wèi)星和深空探測器VLBI測定軌能力、國際VLBI觀測和射電天文觀測研究能力。該望遠(yuǎn)鏡獲得2018年度上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。

2024年9月，英文學(xué)術(shù)期刊《Astronomical Techniques and Instruments》（《天文技術(shù)與儀器》）出版了天馬望遠(yuǎn)鏡研發(fā)技術(shù)有關(guān)的?？撐?，從多個(gè)方面介紹了天馬望遠(yuǎn)鏡的研發(fā)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，對后續(xù)射電望遠(yuǎn)鏡的研發(fā)和應(yīng)用具有參考價(jià)值。這六篇論文的簡介如下。

劉慶會(huì)、沈志強(qiáng)、洪曉瑜等的論文《上海65米射電望遠(yuǎn)鏡》從總體上介紹了天馬望遠(yuǎn)鏡的研發(fā)和應(yīng)用情況，論文摘要為：天馬望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)具有多種科學(xué)用途的全方位可轉(zhuǎn)動(dòng)大型射電望遠(yuǎn)鏡，2008年至2012年完成望遠(yuǎn)鏡主體和L、C、S/X等4個(gè)低頻段接收系統(tǒng)建設(shè)，2013年至2017年完成Ku、K、Ka和Q等4個(gè)高頻段接收系統(tǒng)建設(shè)和綜合性能調(diào)試。主要?jiǎng)?chuàng)新有三點(diǎn)：1．建成了性能先進(jìn)、功能齊全的全可動(dòng)大型射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。2．完成了先進(jìn)的高可靠性主反射面調(diào)整系統(tǒng)，克服重力變形 ，實(shí)現(xiàn)了任意仰角面型精度0.28mm的大型天線。3．綜合發(fā)展5項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)實(shí)現(xiàn)了任意方向3角秒高精度指向。天馬望遠(yuǎn)鏡為我國月球和深空探測器測軌定位做出了關(guān)鍵貢獻(xiàn)。大幅提升了我國參加國際VLBI觀測和射電天文觀測能力，在VLBI、譜線和脈沖星等射電天文觀測研究中取得一系列成果。

圖1，天馬望遠(yuǎn)鏡

杜彪、鄭元鵬、劉國璽等的論文介紹了天馬望遠(yuǎn)鏡天線系統(tǒng)的研發(fā)和制造技術(shù)。論文摘要為：天馬望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)全可動(dòng)單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，工作波長從厘米波到毫米波（對應(yīng)工作頻率從1.25GHz到50GHz）。本文詳細(xì)介紹了該望遠(yuǎn)鏡天線的主要指標(biāo)要求、設(shè)計(jì)方案、性能分析、測試驗(yàn)證和建設(shè)過程。天線測試的總效率在整個(gè)俯仰角內(nèi)優(yōu)于50％，第一旁瓣小于-20dB，天線系統(tǒng)噪聲溫度在30°仰角低于70K，指向精度優(yōu)于3″。測試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)與分析的正確性。

圖2 三個(gè)俯仰角下的重力變形。俯仰角為（A）5°、（B）50°、（C）90°。

王玲玲、劉慶會(huì)、蔡勇的論文介紹了天馬望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間和頻率系統(tǒng)。主要內(nèi)容為：時(shí)間和頻率是射電天文觀測的重要保障。文章從系統(tǒng)層面介紹了時(shí)頻系統(tǒng)的各個(gè)方面，可以為其他測站時(shí)頻系統(tǒng)的建設(shè)提供一定的參考。天馬望遠(yuǎn)鏡除了進(jìn)行常規(guī)的天文觀測之外，還承擔(dān)了探月探火等國家重大任務(wù)，其時(shí)間和頻率系統(tǒng)設(shè)計(jì)的宗旨是穩(wěn)定可靠及高性能。為了滿足這些要求，重點(diǎn)關(guān)注了幾個(gè)關(guān)鍵方面：1）雙備份高性能原子頻率標(biāo)準(zhǔn)：采用高性能氫原子鐘作為頻率標(biāo)準(zhǔn)，并且采取雙機(jī)熱備份。2）高標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境：運(yùn)行環(huán)境旨在確保穩(wěn)定性和可靠性。包括溫度控制、振動(dòng)隔離和電磁屏蔽，以最大限度地減少可能影響頻率標(biāo)準(zhǔn)性能的外部因素。3）信號輸出自動(dòng)切換：多路信號自動(dòng)切換，只需一個(gè)按鈕即可快速切換，降低了誤操作的概率，大幅提高了系統(tǒng)可靠性。4）模塊化高可靠性系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：系統(tǒng)的軟件架構(gòu)采取模塊化可靠設(shè)計(jì)，有助于輕松維護(hù)、升級和故障排除。天馬望遠(yuǎn)鏡時(shí)間頻率系統(tǒng)建成至今，常年7×24小時(shí)不間斷運(yùn)行，為整個(gè)臺(tái)站提供了高性能、高可靠性的頻率和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 天馬望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間頻率系統(tǒng)的基本框圖

張子含、葉騫、付麗等的論文介紹了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的具有主動(dòng)面系統(tǒng)的大型天線面型形變的實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)。本論文提出了一種創(chuàng)新的基于替代模型的建模方法，該方法利用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）來補(bǔ)償大型射電望遠(yuǎn)鏡中的重力和熱變形。傳統(tǒng)上，快速補(bǔ)償重力變形是可行的，但對溫度引起的變形則不然。這種方法的引入便于實(shí)時(shí)計(jì)算由重力和溫度引起的變形。構(gòu)建替代模型涉及兩個(gè)關(guān)鍵步驟。首先，對重力和熱載荷進(jìn)行編碼，這有助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更高效地學(xué)習(xí)。其次是使用GNN作為端到端模型。該模型有效地將外部載荷映射到變形上，同時(shí)保持節(jié)點(diǎn)之間的空間相關(guān)性。仿真結(jié)果證實(shí)，所提出的方法能夠成功地實(shí)時(shí)估計(jì)主反射面變形，提供的結(jié)果與通過有限元分析得到的結(jié)果在實(shí)際中幾乎無法區(qū)分。我們還將所提出的方法與焦點(diǎn)外（OOF）全息測量進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，替代模型的計(jì)算結(jié)果與OOF方法相似。

圖4 生成數(shù)據(jù)集的過程，包括兩個(gè)輸入特征(姿態(tài)和溫度)和一個(gè)輸出特征(促動(dòng)器調(diào)整)

孫正雄、王錦清、虞林峰等的論文介紹了基于無線電方法的大型射電望遠(yuǎn)鏡面型檢測技術(shù)。主要內(nèi)容為：面形精度與天線的工作頻率直接相關(guān)，面形精度越高，工作頻率可越高，一般要求面形誤差小于工作波長的二十分之一。為了維持射電望遠(yuǎn)鏡的高效工作，需要周期性地對天線主反射面的面形進(jìn)行檢測，并依據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。結(jié)合主動(dòng)面調(diào)整技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對面形誤差的準(zhǔn)確評估與修正，保證了射電望遠(yuǎn)鏡的電性能。

通過反復(fù)測量和調(diào)整的迭代方法，使面形逐漸逼近理想狀態(tài)。面形的改善過程見下圖，圖中扣除了副面和撐腿的遮擋部分。由于天氣和風(fēng)等環(huán)境因素對測量的影響，每次調(diào)整主面后，需要進(jìn)行驗(yàn)證測量。通過對天馬望遠(yuǎn)鏡的面形測量分析，進(jìn)行了多輪測量與調(diào)整，該望遠(yuǎn)鏡在53度俯仰角實(shí)現(xiàn)了0.28 mm RMS的面形誤差，且在Ka頻段的天線效率由37%提升至56%。此外，還在其他俯仰角度上應(yīng)用了離焦全息法和波前擾動(dòng)法，證實(shí)了這些模型在更廣俯仰范圍內(nèi)的效率改善能力，尤其是在低俯仰角和高俯仰角上分別提升了約1.3倍和1.6倍的效率。

圖5 連續(xù)調(diào)整主動(dòng)面后的面形誤差，顏色條的單位為毫米。

付麗、李旺、王玲玲等的論文介紹了風(fēng)載荷對天線指向精度影響的實(shí)驗(yàn)研究。主要內(nèi)容為：風(fēng)載荷具有瞬時(shí)性和紊亂性的特點(diǎn)，其作用在天線結(jié)構(gòu)上會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)誤差，對于高頻觀測，此項(xiàng)影響不可忽略。以天馬望遠(yuǎn)鏡為研究對象，基于搭建的結(jié)構(gòu)振動(dòng)測量系統(tǒng)，對風(fēng)載荷引起的天線指向誤差展開實(shí)驗(yàn)研究。首先以天線結(jié)構(gòu)自振頻率范圍為參考，通過帶通濾波法獲得有用信號；再基于快速離散傅里葉變換方法過濾直流分量，最小二乘法擬合加速度進(jìn)行基線矯正；最后通過離散累加梯形面積方法近似求解加速度積分，經(jīng)過二次積分得到天線的結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移，副面的位移減去饋源的位移得天線在光軸方向的位移，從而可以計(jì)算出天線的俯仰與方位指向誤差。在風(fēng)速為3.2m/s，天線俯仰角為61.7°，風(fēng)向角為80°時(shí)，產(chǎn)生的俯仰指向誤差為3.05角秒，方位指向誤差為1.14角秒，與有限元分析和傾斜儀測量結(jié)果吻合，證明提出的信號處理方法和指向誤差計(jì)算方法的正確性。研究方法及數(shù)據(jù)分析結(jié)果為進(jìn)一步風(fēng)致指向誤差修正提供依據(jù)。

圖6，指向誤差與時(shí)間曲線

六篇論文的鏈接如下：

1. .聯(lián)系人：劉慶會(huì) liuqh@shao.ac.cn

文字連接：https://doi.org/10.61977/ati2024031

2. 聯(lián)系人：杜彪 biaodu@163.com，

文字連接：http://ati.ac.cn/en/article/doi/10.61977/ati2024038

3.聯(lián)系人：王玲玲 llwang@shao.ac.cn

文字連接：http://ati.ac.cn/en/article/doi/10.61977/ati2024039

4. 聯(lián)系人：葉騫 yeqian@shao.ac.cn

文字連接：http://ati.ac.cn/en/article/doi/10.61977/ati2024036

5. 聯(lián)系人：王錦清 jqwang@shao.ac.cn

文字連接：http://ati.ac.cn/en/article/doi/10.61977/ati2024035

6. 聯(lián)系人：付麗 fuli@shao.ac.cn

文字連接：https://doi.org/10.61977/ati2024033