主反射面变形引起的天线指向误差修正方法

射电天线指向精度通常要求小于主波束宽度的1/10, 对于短厘米波段或毫米波段的大口径反射面天线, 指向精度要求高达几个角秒, 对于天线性能目标的实现是个巨大的挑战, 因此对于大口径高频段的反射面天线来说指向问题成为天线性能实现的重要关注焦点. 在众多影响天线指向精度的结构子系统因素中, 对主反射面变形因素的研究很少. 文章结合天线的结构特点建立了反射面空间坐标系统, 并基于变形后主面点的空间坐标值, 提出了3自由度下的非线性最小二乘吻合的方法去精准预测天线指向. 最后利用空间几何关系严格推导出了服务于天线指向误差修正的俯仰和方位的精确调整量, 从而构建了主面变形同指向误差之间的间接关系, 这对大型射电天线指向精度的提升具有一定的指导意义.     

大型双反射面天线指向误差评估算法

针对天线变形耦合影响指向误差评估精度的问题,提出基于几何光学的大型双反射面天线指向误差评估算法。通过建立变形反射面天线的最佳吻合抛物面、偏移副反射面以及馈源在基坐标下的数学模型,计算反射面辐射区间并确定指向误差权重因子,最终建立天线的指向误差评估模型。为验证算法的正确性,应用该模型对一座在建70 m天线的多组虚拟变形工况进行指向误差评估,其结果与现有波束偏移因子算法以及电磁仿真算法的评估结果进行对比,结果表明,该模型评估的指向误差结果与电磁仿真算法以及波束偏移因子算法的评估结果吻合,所提算法正确。该算法为分析天线变形耦合对指向误差评估精度的影响提供了理论依据,在一定程度上提高了天线的指向误差评估精度。     

考虑轨道不平度的射电望远镜指向修正方法

目前国内外射电望远镜指向修正大多采用线性修正模型,这种方法未考虑非线性偏差对指向的影响,其修正精度有一定局限,为此提出一种用于大型轮轨式射电望远镜考虑方位轴非线性倾斜偏差的指向修正方法。针对国家天文台密云50 m射电望远镜,对其进行全轨水平度测量,通过有限元建模并仿真计算天线方位轴的非线性倾斜偏差,同时通过实验测量了由于轨道不平度引起的俯仰轴角测量误差并进行了有限元仿真验证。应用天线指向试验数据进行考虑方位轴非线性倾斜偏差指向误差修正,得到新的指向辨识参数及指向残差分布。该修正方法与线性修正模型相比,总的指向精度提高了约0.578 3″。     

射电天线指向改正模型中轴系误差的完全表达式

为了提高射电天线的目标跟踪精度,采用直接法推导了射电天线轴系误差对指向的影响,并给出轴系误差指向改正模型的完全表达式,明确了指向改正模型中各轴系参数的定义,传统分项以及球谐函数所推导的轴系误差项为该模型的简化形式.基于此,评估得出基本参数改正模型中,因忽略轴系误差高次谐项而引起的指向精度损失可能达到1′′量级,具体需结合轴系误差大小而定;同时明确了基本参数改正模型(如22项指向模型)中与轴系误差有关的部分高次谐项系数的物理意义.为高精度轴系误差指向改正模型的建立提供了理论依据.     

南山26米射电望远镜轨道高差测量及其对指向精度的影响

轮轨式天线的轨道作为承载整个天线重量的基础,其精度直接影响天线在方位方向运转的平稳性,引起天线轴系偏差从而影响天线的指向精度。介绍改造后的乌鲁木齐南山26 m射电望远镜(Nanshan Radio Telescope, NSRT)轨道结构以及轨道高差测量,并建立天线在不同方位、俯仰角下轨道高差引起天线指向偏差的数学模型。利用"十字扫描"法实测多颗标准源在相应位置的指向数据,并通过高斯拟合得到指向偏差。通过分析可知,轨道高差引起的指向偏差经过修正可以提高天线的指向精度。     

基于光学辅助指向测量的太赫兹望远镜指向误差模型研究

针对太赫兹波段天文点源目标较少, 指向测量相对困难的特点, 研究了利用与太赫兹天线共轴的小型光学望远镜来辅助太赫兹望远镜指向测量以及建立指向误差修正模型的方法. 依托紫金山天文台1.2 m斜轴式太赫兹天线开展了光学辅助指向测量的实验研究, 利用一台安装在天线背架上的100mm口径折射式光学望远镜获得了优于2$''$的指向测量精度. 此外, 通过对斜轴天线的结构分析以及大气折射和本地恒星时(Local Sidereal Time, LST)偏差等误差来源的分析, 建立了包含23个误差项的斜轴式光学指向修正模型, 实现了约3$''$的拟合精度. 最后, 借助高精度数字摄影测量对光电轴一致性进行了标定, 并针对其对指向模型精度的影响进行了讨论. 研究成果将为南极5 m太赫兹望远镜(The 5m Dome A Terahertz Explorer, DATE5)及其他太赫兹望远镜提供指向测量和指向修正模型方面的技术参考.     

采用光学指向系统建立天马13m望远镜指向模型

描述了采用光学望远镜辅助天马13m射电望远镜进行指向测量以及建立指向误差修正模型的方法. 对于小口径望远镜, 指向校准目标源比较少, 用射电法建立指向模型难以覆盖全天区. 利用上海天文台天马13m射 电望远镜进行光学望远镜辅助射电望远镜指向测量研究, 在13m天线背架上安装一套光学指向系统, 获得了优 于3''的重复测量误差. 此外, 通过对影响天线指向因素的分析, 建立了包含8个误差项的指向误差修正模型以及 光轴和电轴偏差模型. 将指向模型代入天线伺服控制系统, 对校准目标射电源进行十字扫描, 得到指向样本残差约 为5''. 该研究可以为实现高精度指向建模提供一种参考方法.     

基于FS系统对乌鲁木齐VLBI射电望远镜进行天线测量

在天文观测中射电望远镜性能参数的好坏直接影响到观测数据质量,为了保证观测质量,提高观测效率,需要对天线性能进行测量.当前进行天线测量的方法有场地测量法和射电天文法,不同的方法应用范围和效果不同.对于大型天线而言采用射电天文法进行天线测量高效快捷.针对VLBI射电望远镜,介绍了使用终端FS系统对天线参数进行测量（基于射电天文法）的方法和过程,以乌鲁木齐南山25 m天线增益和指向精度测量作为范例,重点叙述了测量的方法和步骤,并对该方法进行了讨论.     

PSD法测量大型射电望远镜副面位姿

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.基于天马65 m射电望远镜,使用位置传感器装置(PSD)法构建了副面位置偏移量测定系统,可以实时采集副面的3维位移数据,构建重力模型,将测试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.     

两类大型射电望远镜热分析研究进展

射电望远镜的精度问题一直是国际天文界关注的热点。对于毫米波射电望远镜,温度变化引起的天线结构变形不容忽视,但是由于温度载荷的瞬时性和不确定性,很难对热变形进行准确分析和有效控制,因此,开展射电望远镜的热分析研究对提高望远镜的面形精度和指向精度具有重要意义。主要以代表性的全方位可动正馈和偏馈两类大型射电望远镜为研究对象,从理论、实验和模拟三个方面综述了射电望远镜热分析研究的现状,重点介绍了热分析的理论研究概况,并讨论了其中存在的问题,根据热分析研究的最新进展对其未来的发展趋势进行了展望。     

高精度天线指向控制算法的研究

随着射电天文的发展,大口径天线的角分辨率越来越高,对天线指向精度的要求高达1″量级。由于天线伺服驱动力矩的脉动造成低频谐振,传统PI(D)调节器难以满足更高指向跟踪的需求。结合射电望远镜的工况、伺服控制目的及控制器设计原则,采用一种基于线性自抗扰控制算法,并应用于某天线位置环仿真。分析结果表明,该算法不仅有良好的动态性能和控制精度,而且有较强的鲁棒性。     

斜轴式太赫兹天线的卡焦近场全息测量研究

天线反射面的面形精度直接影响天线效率, 是望远镜的关键指标之一. 近场射电全息具有测量精度高, 便捷高效的优点, 是毫米波和亚毫米波射电望远镜面形检测最为常用的方法之一, 卡焦近场全息可以完整测量望远镜光路中整体的面形误差. 斜轴式机架结构能够更好地适应太赫兹望远镜在极端台址环境下的整体保温和热控需求, 但斜轴天线特殊的转动特性会在近场全息测量过程中引入额外的系统误差. 针对斜轴式天线的卡焦近场全息测量, 分析了数据处理中需要额外考虑的参考路接收机位置和副面衍射的影响, 并在1.2m口径斜轴式太赫兹天线上开展了测量实验. 实验结果表明, 卡焦近场全息测量的重复测量精度优于2.0μm RMS (Root Mean Square), 面形误差分布与摄影测量所得结果一致, 验证了误差分析与修正的正确性.     

平均风作用对天马望远镜面形精度和指指向精度的影响

天马望远镜的最高工作频段为43 GHz。为保证高质量的观测结果,需要研究风载荷对天线精度的影响。首先对观测站实测的风速风向数据做了统计分析,结果显示:10 m高度处10min时距平均风速小于4 m·s~(-1)的占比超过80%,主导风向为北-西北方向。然后,通过将倾斜仪实测结果与有限元模拟结果进行对比,验证了模拟的有效性,并进一步分析了在不同迎风姿态、不同风速下天线结构的平均风荷载响应,以及天线面形精度和指向精度的变化。结果表明,平均风荷载对天线指向精度,尤其是俯仰角指向精度的影响较大,对面形精度的影响较小;在弹性范围内,天线面形精度和指向精度与风速间均为二次关系。研究结果可为天线面形精度和指向精度的评估提供参考。     

平均风作用对天马望远镜面形精度和指向精度的影响

天马望远镜的最高工作频段为43 GHz。为保证高质量的观测结果,需要研究风载荷对天线精度的影响。首先对观测站实测的风速风向数据做了统计分析,结果显示:10 m高度处10min时距平均风速小于4 m·s~(-1)的占比超过80%,主导风向为北-西北方向。然后,通过将倾斜仪实测结果与有限元模拟结果进行对比,验证了模拟的有效性,并进一步分析了在不同迎风姿态、不同风速下天线结构的平均风荷载响应,以及天线面形精度和指向精度的变化。结果表明,平均风荷载对天线指向精度,尤其是俯仰角指向精度的影响较大,对面形精度的影响较小;在弹性范围内,天线面形精度和指向精度与风速间均为二次关系。研究结果可为天线面形精度和指向精度的评估提供参考。     

地平式望远镜轴系误差对指向精度和跟踪精度的影响

采用球面几何的方法推导轴系位置误差对地平式望远镜指向、跟踪精度影响的计算模型.介绍2米级地平式望远镜轴系误差检测及数据处理方法.通过对目标星体指向、跟踪仿真,得到轴系位置误差对指向、跟踪精度影响规律,为轴系精度及轴系位置要求提供理论依据,并为后续控制修正提供参考模型.     

佳木斯66m射电望远镜指向精度测量及改进

指向误差是射电望远镜运行的重要性能指标之一。为保证射电流量的测量精度,一般要求射电望远镜的指向误差小于十分之一波束宽度。对佳木斯66 m射电望远镜的指向进行了大量的测量,详细分析了指向误差的分布。利用新的基本参数模型进行误差修正后,佳木斯66 m射电望远镜的指向误差仍然随方位和俯仰有较明显的变化。分析认为,这种变化趋势是方位轴与俯仰轴夹角和重力变形两个参量对方位俯仰变化的高阶项引起的。通过引入两个误差源的一阶展开项对基本参数模型进行改进,使佳木斯66 m射电望远镜的指向精度有了明显的提升,从45″改进到20″以内。     

太阳和月球射电辐射对40m天线数据接收影响分析

利用标准射电源和标准噪声源,对宁静太阳和月球射电辐射的噪声温度进行了测量,估计它们对40m天线接收绕月卫星信号的影响,结论是:(1)40m天线指向偏离太阳超过2°时,能够满足正常数据接收要求;(2)40m天线指向月球时,系统接收的噪声温度增加值为87.1K, 此时系统的总噪声温度能够满足正常数据接收要求.     

十米天线极轴指向的调整

十米天线为赤道式,极轴的指向直接影响指向跟踪精度,因此需要仔细地进行检测和反复地调整。本文总结了十米天线极轴的检测及调整情况。     

天马13m射电望远镜高精度指向模型的建立

天马13 m射电望远镜是专为空间大地测量的新一代甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)天线,即VGOS(VLBI Global Observing System)系统。VGOS观测将从调度、相关、观测策略到分析各方面改变甚长基线干涉测量。与传统测地观测相比,VGOS观测将数据精度提高1～2个数量级。天马13 m射电望远镜安装了3～15 GHz宽频制冷接收机,一般要求天线指向偏差小于最高频率波束宽度的1/10。为满足高精度指向要求,详细介绍了建立指向的方法和天线控制扫描策略,给出了系统误差修正模型的完全表达式,明确了指向修正模型中的参数意义。基于该天线指向扫描的实测数据,实测评估了望远镜的指向精度。采用最小二乘法对覆盖全天区的数据样本进行拟合,得到天马13 m射电望远镜指向模型,并加载到天线伺服控制系统进行验证,得到了优于10″的盲指误差。     

德令哈13.7m望远镜热变形研究

热变形是影响大型毫米波天线性能的关键因素之一.这种变形会改变天线反射面的轴线和焦距、恶化反射面面形,导致天线效率和指向精度恶化,同时也使天线效率和指向的长时间稳定性降低.由于太阳的周日运动,造成望远镜4个主支撑腿(简称支腿)之间存在温差,且该温差是变化的,从而引起方位轴的倾斜周期性变化.采用数字摄影测量、倾斜仪测量及天文实测等多种仪器和方法,研究了德令哈13.7m望远镜天线的热变形规律,并根据实时测量的主面温度分布,实现了副面自适应调焦补偿,使得天线效率提高近1倍.测量发现常规指向模型修正后的残差与天线主反射面(包括反射面板和背架,简称主面)直径方向温差存在线性相关性,故在指向解析模型中加入了温差修正项,并通过采用隔热材料包裹支腿的办法显著减小了支腿之间的温差,从而改善了望远镜的指向精度.