轨道不平度对天线指向的影响分析与修正

基于天线轨道不平度对望远镜指向的影响机理,测量并分析采用整体焊接轨道技术后的乌鲁木齐南山26 m射电望远镜(NanShan Radio Telescope,NSRT)天线轨道误差的分布情况及对指向的影响,从而对指向模型进行修正.采用移动最小二乘法(Moving Least-Squares,MLS)将测得的天线轨道高度差拟合成一个闭合的轨道高度分布曲线,确定因轨道不平度影响的天线方位轴偏差,对比实测天线座架变形的方位轴偏差,发现二者具有较强的相关性.考虑到天线座架重力变形的偏差包含南北向和东西向偏差,建立新的指向偏差模型进行校正.最后通过对已知校准射电源进行扫描测量,将指向偏差数据进行拟合.结果表明:新建的指向修正模型能够抑制已知指向模型偏差中的正弦分量,从而说明所建模型很好地反映了天线的指向偏差并对偏差具有一定修正作用.     

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CCD提高射电望远镜极轴校准精度及修正

射电望远镜极轴的安装定位是否准确直接影响其指向精度和成像质量,通过运用光学CCD原理精确测量射电望远镜极轴偏差角度,用以安装校准极轴,达到提高射电望远镜指向精度和成像质量的效果,并且结合计算机可实现多极轴同时校准,提高工作效率。同时,基于CCD技术可以及时发现天线极轴出现的偏差并进行修正,提高了数据的质量。     

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。     

利用GNSS测量射电望远镜参考点的仿真分析

高精度测量射电望远镜参考点和轴线偏差等参数,对建立天线指向模型和本地连接参数、提高测站坐标精度等具有重要意义。为完成新建射电望远镜参考点初始参考值的快速测定,根据望远镜的旋转模型,结合常规静态归心测量方法和随机动态测量方法,提出了一种利用GNSS天线代替测量靶标实现望远镜参考点测量的方法。通过仿真分析验证了该方法的合理性和有效性,并分析了数据点个数和数据点测量精度对天线参考点和轴线偏差解算精度的影响。     

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.     

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.     

TM65 m射电望远镜指向模型的建立

介绍了建立上海天文台天马65 m射电望远镜(简称TM65 m)指向模型的过程.采用"十字扫描"的方法对单点数据进行采集,采用带有高斯项和非线性项的曲线模型进行偏差拟合,并对单点扫描过程中源角径导致的波束展宽量进行了仿真分析,通过使用射电源预报来提高建立模型的效率.用最小二乘法对全天区数据进行拟合,得出了8个天线参数的指向模型,并在实际中验证,最后建立了TM65 m望远镜X波段指向模型.盲指误差达到12.36角秒,满足了X波段及以下波段的指向要求.     

大口径射电望远镜主面误差分析与修正

建立了40 m口径射电望远镜天线结构有限元模型,依据模型分析结果,对40 m口径射电望远镜天线主面误差进行了分析和数值计算;从误差修正的角度,分别对主面误差的最佳拟合修正、安装角预调的工作仰角综合修正进行了分析与数值计算．误差修正后的计算结果表明,主面精度得到了大幅度的提高．分析结果为该望远镜天线的实际建造提供了参考．     

佘山25米天线导轨问题对指向误差影响的研究

本根据25米射电望远镜方位导轨水平度的检测数据，分析了天线在不同位置时指向误差的情况及其原因，为进一步提高天线指向精度提供了理论依据和实测数据。     

新疆天文台25m南山射电望远镜日照温度场研究

中国科学院新疆天文台25 m南山射电望远镜(25 m NSRT)受日照导致天线结构温度不均匀,其指向精度和效率均有一定程度的损失.为研究25 m NSRT日照下的热力学特性,构建了晴空下射电望远镜热环境参数和热力学有限元模型,考虑了射电望远镜背架、面板等结构件对光线的反射和遮挡作用,通过比较25 m NSRT典型观测工况下各构件的平均温度、均方根温差、单位温差特征距离等特性参数,发现各部件热容量的差异是天线部件间存在大尺度温差现象的主要原因;分析了各类俯仰角和太阳照射角下天线背架结构的温度分布特征,表明日照区域的背架结构温度呈近似线性分布,平均梯度可达0.25℃·m^-1.     

大气折射对射电望远镜高精度指向的影响

针对中性大气的物理属性以及大气折射对射电望远镜指向的影响进行了模型分析和计算,以改进型的"三段式"标准指向改正模型为基础,着重研究了由大气折射造成高阶指向误差的改正方案,目的是不断提高射电望远镜的指向精度,尤其针对大口径、高分辨率的射电望远镜。在此模型的基础上,模拟南山观测基地的气候特征,给出合理的计算结果。通过分析和评估这些结果与射电望远镜指向精度的要求,为将来大口径射电望远镜的指向修正提供参考。     

南极5 m太赫兹望远镜指向与调焦校准精度分析

指向校准与副面调焦是天线测量的重要组成部分,对射电望远镜实际的观测性能有重要影响.根据南极5 m太赫兹望远镜(DATE5)指向精度和离焦增益损失的指标要求,计算得到了指向校准与副面调焦观测过程中对信噪比的要求,并以此为依据选取了若干可行的候选校准源,包括太阳系行星和超致密电离氢区.分析了大气吸收和校准源角直径对测量精度的影响.仿真分析结果表明:望远镜在南极工作时,这些校准源在一定的高度角范围内可以提供足够强的流量密度,用来验证预先建立的太赫兹和光学望远镜两光轴指向偏差模型以及副面调焦模型.     

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.     

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.     

机架模型下指向误差数据的筛选与分析

对地平式望远镜机架模型拟合的指向误差数据进行分析,介绍了指向误差数据的获取方法。采用最小二乘法求解修正系数,结合方位轴和高度轴的位置拟合指向修正量。在显著性水平α=0.05下进行残差分析,剔除偏离过大的点以提高拟合精度。通过计算均方根误差、相关系数、F检验的P值验证了机架模型的有效性。结果说明增加测试数据后,未经残差检验不一定能提高拟合精度,以及分次获取的误差数据可合并处理。将求解的系数写入配置文件,在指向与跟踪过程中根据光栅编码器的反馈值实时修正。     

基于数值模拟的大口径高精度射电望远镜台址风障优化设计研究

随着射电望远镜口径增大、观测频率提高, 对其指向精度的要求也越来越高. 然而, 望远镜服役于野外台站, 台址风扰对天线指向精度的影响在高频段观测时已不能忽略. 由于风扰的时变性, 现有的抗风方法无法保障大口径高指向精度望远镜在高频段的有效观测时长. 因此, 提出了一种基于风障精确布置改善台址风环境的方法. 通过数值模拟构建了风障仿真模型, 并将仿真结果与风洞实测数据比较, 两种孔隙率风障的平均误差分别为3.7%和6.1%, 保证了风障模型的可靠性. 以新疆奇台射电望远镜(QiTai radio Telescope, QTT)台址为例, 基于QTT台址斜坡地形构建了计算域模型, 开展单风障不同高度、不同孔隙率的系列风场仿真试验, 得到了风障参量与下游挡风效果的关系. 基于单风障合理高度和最优孔隙率设置南北风障, 仿真结果表明在确定高度下最优孔隙率可以组合, 孔隙率0.1-0.1组合的风障挡风效果最优, 南方向来风在天线区域可以有效降低75%以上的风速.     

基于虚拟相机的天线俯仰轴形变快速高精度测量方法研究

长期的磨损和扭转会使天线俯仰轴结构发生小尺度形变.实现这一形变的快速高精度测量,对于大口径全可动天线指向精度修正和俯仰轴健康监测具有非常重要的价值.搭建了单相机测量系统,建立了一种虚拟相机数学模型,将结构变形转为空间变换进行求解,从而提出了一种俯仰轴形变快速测量方法.实验结果表明,该方法的平移分量综合精度可达0.282...