FAST主动反射面变位测量研究

Deform-changing-operation control of FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope) active reflector requires non-contact kinematic measurements with 2mm radial precision in the range of 500m for over 2300 control nodes, which places extreme demands on the measurement and is still the first time in the international. It is not yet implemented in engineering. This project is proposed to achieve real-time kinematic measurement of the FAST active reflector control nodes based on the current state-of-the-art the iGPS three-dimensional coordinate metrology. The research will be carried on the model algorithms, design optimizition and data processing methods of the iGPS measurement techniques combined with FAST active reflector deform-changing process characteristics. This project relies on FAST 50-meter scaled (Miyun)model to perform the research of test validation and demonstration program, providing an effective solution for FAST prototype dynamic measurements of the active reflector control nodes finally. The research results achieved in this project directly serve FAST key scientific engineering. Moreover, it has an important significance for the research field of large-scale, multi-objective, non-contact real-time kinematic measurement.

FAST(500m球面射电望远镜)主动反射面变位测量需要在500米范围实现对近2300个控制节点2mm径向精度的实时定位测量。目前国内外解决多达几千点的长距离实时高精度定位测量问题一直难以有效突破，在国际上还没有工程实现的先例。在前期全自动全站仪测量技术和照相测量技术研究的基础上，本项目率先提出基于当前国际上最先进的iGPS三维坐标工业测量技术来构建FAST主动反射面变位测量系统；将该测量技术结合主动反射面变位特性展开模型算法、优化设计和数据处理方法的研究；并依托FAST密云模型展开相关的实验验证和方案对比论证，最终为FAST主动反射面变位测量提供有效的解决方法。项目取得的研究成果直接服务于我国FAST大学科工程，同时对大尺度、多目标、高效率、高精度的无接触动态检测这一热点及难点研究领域有着重要的研究意义。

FAST主动反射面变位测量要求在500米尺度野外环境下实现近2300个控制2mm径向精度的实时定位测量。目前国内外解决多达几千点的长距离实时高精度定位测量问题一直难以有效突破，这已经成为制约FAST望远镜观测性能提高的主要瓶颈。针对这一问题，项目主要从测量技术、变位模型、方案优化和实验验证等四个方面展开研究。主要研究成果包括：.1）提出推导了基于光束法平差的iGPS组网观测模型及解算方法，将iGPS工业测量技术拓展应用到类似FAST野外大尺度多目标的动态测量领域；通过指标性能测试实验和方案仿真分析，指出该系统构建FAST主动反射面变位测量可以获得优于2mm的定位精度。.2）推导给出了主动反射面节点规划运动的解析表达式，对变位的运动状态进行了有限元仿真分析，为反射面变位测量与控制提供了变位模型。在此基础上，提出了一体化天文轨迹规划，利用反射面变位规划补偿馈源运动的偏差，补偿量为馈源偏差的二阶小量。.3）基于高精度智能全站仪技术，完成了FAST主动反射面变位测量方案的设计，该方案在FAST工程采用。针对该方案展开了关键技术研究，对现场的显著大气折光进行了大量的实验及统计分析，给出了现场大气折光的统计分布图；在此基础上，提出了基于基线组网观测的数据处理方法，最大限度消除大气折射影响；同时对智能全站仪的性能进行测试分析和统计建模，率先发现了不同测距模式下的存在0.1-1.0mm的准系统误差，动态测量存在90-100ms的观测延迟，通过合理的方案设计及模型改正，可进一步提升系统的观测精度。.4）完成了FAST基准网的优化设计和自动观测，实现了FAST高精度坐标基准，控制点坐标精度优于0.5mm，为FAST主动反射面变位测量提供了高精度的差分参考网。推导给出了棱镜偏转造成的照准系统偏差改正模型，实验表明，在30°偏转范围内，模型改正精度优于0.1mm。