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为“天眼”测量
编稿时间: 2009年02月25日 来源: 湖南省国土资源信息网 作者: 鞠金春 字体: 大 中 小

 FAST测量与控制系统总工程师、解放军信息工程大学测绘学院郑勇教授如此描述了不久的将来500米口径球面射电望远镜(Five hundred meters Aperture Spherical Telescope,简称FAST)建成后的情景:“在贵州平塘县,神奇的喀斯特地貌,峰丛洼地造就了一幅美丽的南国风情。青山绿树环抱中,一个有30个足球场大的铝合金凹面闪耀着银光,犹如巨大的“天眼”张开,目光直投向遥远广袤的天外,这个“天眼”就是世界最大的球面射电望远镜。FAST 与号称“地面上最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比,灵敏度提高约10倍;与被评为人类20世纪十大工程之首的美国ARECIBO 300米望远镜相比,综合性能提高约10倍……”

 

 郑教授介绍说,经过14年的前期研究,FAST2007年被正式立项为国家的重大科学工程,总投资6.67亿元,建设周期为5.5年。FAST利用贵州喀斯特地貌中一个直径大于500米的天然洼坑(如上图)作为望远镜台址,建造一台口径为500米的、由约4600个球面单元组成的球冠状主动反射面望远镜。FAST建成后,将在未来20年至30年保持世界领先地位,将会在宇宙起源与演化、暗物质分布与结构、星系与银河系演化、寻找地外文明、深空探测等众多领域取得前所未有的成果。同时,FAST工程将集成大量高新技术研究成果,实现多学科交叉融合,开创建造巨型射电望远镜的新模式,极大地推动我国在天线制造、高精度测量与定位等相关学科领域理论和技术的发展。

 

 FAST的球状反射面将遥远天体所发射的、极其微弱的无线电信号反射汇聚到焦点上,然后由位于焦点的馈源系统传送给接收机系统。由于被观测的天体在天空中是不断运动的,这就要求对反射面的形状和馈源的位置进行不间断的精密动态测量和调整。由此可见,主反射面、索结构馈源支撑、测量与控制技术是FAST工程需解决的三项关键技术。

 

FAST的创新设想具有极为丰富的科学想象力,同时也有极大的技术风险性。然而追求创新、挑战极限、解决前人没有解决的难题正是科学精神的体现,所以FAST的设想一提出来就引起了国内外相关领域科学家的强烈兴趣。仅国内就有清华、北大、北航等20余所最具实力的大专院校和科研院所参与到了FAST的研究中,FAST总体组还与包括剑桥大学在内的5个国家的8所大学及研究所签订了国际合作备忘录。解放军信息工程大学测绘学院以其在空间测量与定位技术方面深厚的科研、学术和人才优势,成为FAST最早、最主要的合作研究单位之一,也是惟一进入FAST团队的军队院校。

 

 由于分别在空间测量和射电天文两个专业方向上受过大学、研究生教育,并进行过博士后研究,使得郑勇教授对FAST的科学意义和工程背景有更深刻的理解,特别是对需解决的测量问题有更全面的认识。所以,FAST的设想一提出来,他就以极大的热情投入到了项目的研究中。他与骆亚波、夏治国、张超、马高峰、王若璞、王占统等同志组成的FAST课题组,从1997年开始至今,一直负责FAST测量技术的前期预先研究和关键技术攻关,先后参加了中科院和科技部的创新工程重大项目、 中科院的重要方向性项目、国家自然科学基金委的跨学部重点项目和天文联合基金项目等重要课题,取得了多项创新性的理论和技术研究成果,为FAST的立项发挥了重要作用。

 

 500米口径的望远镜在观测时,它的主动反射面要实时地从球面变成一个抛物面,在这个变化的过程中,必须通过测量系统对它实时进行监测,反射面与理想抛物面的误差不能太大,大于1毫米至2毫米就要由控制系统进行调整,使它与理想的抛物面保持所需的精度。这里,主动反射面的测量与控制是工程技术的关键所在,也是个全新的课题,国际上没有现成技术可以利用。郑勇教授和课题组以极大的毅力进行了攻关,经过十多年的研究,终于解决了这个难题。

 

测量与控制技术还需要解决另一难题是馈源的精密动态测量。馈源是用来接收天空中不同方向信号的,但是天空中的天体总在不断地运动当中,所以馈源必须与天体同步运动才能连续不断地接收到天体传来的信号,这样对馈源运动就需要进行实时测量与控制才能达到理想的效果。这个难题也被课题组成功解决,他们利用高精度的测量机器人等最先进的测量技术实时对馈源的运动进行跟踪测量,并进行微调,使得误差控制在了2毫米之内,达到了工程的需要。

 

 另外,FAST项目里面还有很多测量方面的技术无经验可循,很多都需要知识创新。例如,精密控制测量、坐标基准建立,施工放样和安装测量的理论及技术等,在这些方面课题组也进行了创新性的研究,为保证工程进度和节约成本发挥了重要作用。

 

“测绘学院FAST课题组将继续积极参与FAST工程的建设和应用研究,以此来促进我院在空间精密动态测量、天文导航定位领域的科研工作和学科发展,并在该领域培养一支高水平的人才队伍。”郑勇教授简单介绍了自己及课题组参与FAST工程研究的经过,能够直接与国内外最优秀的科学家和研究团组在同一个平台上交流、合作,对我们课题组的同志来说真是莫大的荣幸。与我们从中所学到和感悟到的东西相比,我们所做出的成绩真是微不足道的。”他一直如是说。