大型射电望远镜天线指向误差修正的关键技术研究

Based on the platform of Shanghai Tianma 65m radio telescope, this project built the measurement system of sub-reflector (SR) position offset.This system can quickly snap shaking images and get the laser spot's two-dimensional position data. From the data, SR position offset due to temperature,wind load and the gravity deformation can be obtained.The system can capture the instantaneous pointing error, which can realize real-time solution to the instantaneous pointing error cannot be considered in the pointing model,caused by the antenna inertia for the source exchange. According to a large number of measured data, the matrix function relation between the laser spot's two-dimensional position and the position variation of SR's actual three-dimensional can be found, with the existing SR model, pointing model, and azimuth-elevation information during antenna’s rotation. The software system, which can detect real-time pointing error and correct pointing error currently,will be established and merged into 65m radio telescope control system. Thus it can improve the pointing accuracy and the antenna efficiency.This is very important to the large radio telescope in high frequency observation and deep space exploration.

本项目以上海天马65米射电望远镜为平台，构建副面位置偏移量测定系统，快速抓拍副面打到馈源仓顶处的光斑抖动影像并获取光斑的二维位置数据，根据光斑位置可以实时获取由温度、重力和风载等引起的副面位置偏移量。该系统还能实时捕获瞬时指向误差对副面赋形的影响，解决静态指向模型中无法考虑到的天线换源时惯性过冲和回摆导致的瞬时指向误差。根据大量实测数据，并与现有的天马65米副面模型和指向模型，以及天线转动过程中的方位俯仰信息相结合，找到该系统测得的光斑位置偏移量与副面实际三维位置变化量的矩阵函数关系，建立实时检测指向误差实时修正的软件系统，并将该软件系统整合到65米射电望远镜控制系统中，提高指向精度和天线效率，这对大型射电望远镜高频段的观测和深空探测有着重要的意义。

指向精度是大型射电望远镜天线具有挑战性的关键技术指标。在望远镜运行中，方位俯仰角的变化、重力以及日照等对副面撑杆的综合影响会引起望远镜的副面位姿改变从而引起指向误差的增加和天线效率的降低。 本项目以上海天马65米射电望远镜为平台，使用位置传感器（PSD）法构建副面位置偏移量测定系统，快速抓拍副面打到馈源仓顶处的光斑抖动影像并获取光斑的二维位置数据，同时，使用激光测距设备测量副面到馈源舱顶端的Z向位移变化，可以实时采集副面的三维位移数据，构建重力模型，将结果与射电法构建的现有副面模型进行对比，有较好的一致性。此外，该系统可以分析日照（引起撑腿局部温度效应）引起的副面位移情况，也可以监视风载和瞬时启停对副面位姿的影响。该系统有以下优势与科学应用的意义：PSD法可以在观测过程中实时监测副面位姿变化情况，不需要停止观测挑选合适的射电源来进行扫描检测，也不受射电源的可视时间和可视俯仰范围限制；在望远镜建设初期，整个信号传输链路没有搭建好的情况下，可以使用PSD法快速构建副面受重力影响的全俯仰三维模型；引起指向偏差的因素众多，包含主反射面、副反射面和望远镜座架等多个因素，PSD法单独分析副面位姿变化，可以分离出副面支撑因素导致的指向偏差。