天马望远镜

射电天文望远镜系统

天马望远镜（上海65米射电望远镜）为中国科学院和上海市的重大合作项目，坐落于上海松江佘山，是一个国内领先、亚洲最大、国际先进、总体性能在国际上名列前4名的65米口径全方位可动的大型射电天文望远镜系统。

研发历程

天马望远镜从2008年立项，到2012年落成，历时4年，按计划圆满地完成了项目任务各个阶段所涉及的天线系统、接收机系统、主动面系统、终端系统、台站控制、时频系统、测站建设以及天文试观测等任务。对所有技术指标进行的测试结果表明，天马望远镜所有技术指标均满足或优于任务书中技术指标的要求，实现了我们建设世界级大型射电望远镜的目标。

天马望远镜以亚洲第一射电望远镜建成入选了中国科学院院士和中国工程院院士评选的2012年中国十大科技进展新闻、国家国防科工局组织评选的2012年度国防科技工业十大新闻、2012年上海十大科技进展第一名、2012年度十大天文科技进展、荣获2018年度上海市科学技术奖特等奖。

天马望远镜先后参加并成功完成了2012年的嫦娥二号奔小行星探测、2013年的嫦娥三号月球软着陆、2014年的嫦娥五号飞行试验器的VLBI测定轨任务，使中国VLBI观测网的灵敏度提高至1.7倍，大幅提高了VLBI系统的测量能力，为探月卫星的测定轨做出了贡献。

天马望远镜成功开展了谱线、脉冲星和VLBI的射电天文观测。探测到了包括长碳链分子HC7N在内的许多重要分子的发射和一些新的羟基脉泽源，探测到包括北天周期最短毫秒脉冲星在内的一批脉冲星，实现了对外开放。

2019年，天马望远镜捕捉黑洞立奇功。

主要参数

世界上第一台综合孔径望远镜于1962年建造完成，大大提高了观测分辨率。为了更大幅度提高观测分辨率，20世纪60年代末科学家们发展了甚长基线干涉测量方法（VLBI，Very Long Baseline Interferometry），采用独立本振技术，使得各个观测单元之间相互连接，口径等同于观测单元之间的距离（基线），望远镜间的基线长度原则上不受限制，地面VLBI可长达几千上万公里，空间VLBI可达几万公里，因此该技术是现代天文学中角分辨率最高的一种观测手段。

射电望远镜和接收机技术的每一次长足的进步都会毫无例外地为射电天文学的发展树立新的里程碑。中国科学院上海天文台对于天马望远镜系统的研制也正是这种发展趋势在中国射电天文学发展中的表现。

天马望远镜整个天线结构重约2640吨，主反射面直径为65米。主要由天线基础、轨道、方位轮轨、座架、主反射面及调整系统、副反射面及调整系统、馈源及换馈系统、致冷接收机系统、VLBI观测终端及射电天文观测终端、时间频率基准系统及配套系统等组成。

关键技术

天马望远镜在各系统研发等多方面均有创新。下面按照望远镜各个组成部分逐一介绍各系统的关键技术及特点。

（一）天线系统

在天线系统研制过程中突破了许多关键技术，譬如：

（1）天线结构保形设计技术：天线铝材面板和钢材背架之间的协调热变形、天线背架的选型及截面优化、天线背架与俯仰机构的连接方式、最佳吻合反射面算法等天线结构保型设计技术，克服大型抛物面天线随仰角改变、温度变化和风力影响及主面结构、副反射面支撑及天线座架引起大的形变。

（2）主反射面精度保证：上海65米天线面板设计分为14圈，共1008块面板。面板面积平均3.3平方米，最大面积达到了5平方米。单块面板要实现0.1毫米的面型精度，除了克服风力、重力和温度形变外，主动面调整4支点安装，承受促动器千万次的反复运动。

（3）无缝焊接轨道：天线轨道直径42米，共分30段焊接而成。焊接经第三方探伤检测把关，焊缝不平度、表面硬度、剩余应力检验均符合技术要求。

（4）五自由度副反射面随动技术：六连杆技术实现了副反射面五自由度（X、Y、Z、θX、θY）可调，实现了天线在不同仰角姿态的随动跟踪控制。在不同仰角条件下获得微波光学的理想姿态，可得到全频段平坦的增益曲线。

（二）主动面系统

该系统是中国自主研发的第一个大型天线主动面系统，实现了零的突破。研制过程中解决的主要关键技术有：

（1）高精度、高可靠性、长寿命促动器研制：在高精度触点开关、主动面系统专用电缆以及促动器结构设计上进行了多项创新设计，申请了多项国家专利。

（2）高可靠性监视及其协同控制：合理的串并行组合总线设计和实时分布式协同监控，实现了1104台促动器控制响应时间不超过1秒。通过控制总线热备份设计，提高了监控的可靠性。

（3）2016年，上海天文台利用离焦全息测量和相位相干全息测量等手段，建立了高精度的重力变形改正模型，实现了白天主反射面的热变形测量，把最高观测频率43GHz的接收效率在15-80度的任意仰角提高到了52%，为国际先进水平。

（三）接收机系统

天马望远镜系统设计配套L、C、S/X、Ku、X/Ka、K及Q等8个波段的低温接收机，7套馈源组合。截至2015年6月，已完成5套馈源6个波段低温接收机系统（L、C、S/X、Ku、X/Ka）的安装和调试。双波束K波段和双波束Q波段低温接收机也于2016年初完成安装与调试。

（四）终端设备

天马望远镜配备了VLBI数据采集终端CDAS以及单天线脉冲星和谱线观测的数字终端系统DIBAS（ Digital BAckend System）。

上海天文台自主研制成功VLBI数字记录终端（CDAS），满足了VLBI国际联测的要求,实现了与国际VLBI终端设备的兼容，发展了千兆赫兹实时宽带数字下变频处理技术，具有1024 兆位/秒全带宽实时、高频率分辨率(1赫兹)数字信号处理能力。CDAS数字记录终端

谱线和脉冲星天文观测终端DIBAS采用和美国国立射电天文台（NRAO）的合作方式，引进先进的终端研发技术，使上海65米射电望远镜能尽快做出好的科研成果，在提高射电天文科学研究方面起到重要的作用。3组双偏振中频输入。谱线观测带宽3.75 千兆赫兹。脉冲星非相干模式观测最大带宽为6千兆赫兹，相干观测模式带宽为2千兆赫兹。该设备2013年10月完成安装调试，满足各种天文观测功能要求。

（五）控制系统

控制系统包括天线系统（天线驱动、自动换馈、副面姿态和主动面控制）远程、记录设备、接收机以及外围设备（如时频、气象、压缩机、UPS、空调等）的控制，以网络技术为载体，构成台站控制网络。2012年10月完成天线控制上位机软件及中国VLBI网联测控制软件。天线运行满足了高指向精度、运动平稳、任务波段切换快捷、高可靠性、高安全性等要求。研发过程中涉及的关键技术包括多电机电消隙驱动、伺服复合控制和高精度指向技术等。

（六）时频系统

时频系统的创新点在于通过对氢原子钟物理及电子学部分的多项改进，提高了其性能指标。

（七）测站建设

测站建设包括天线基础、观测楼、测站配套等项工作。由于天线设计的自重和高精度指向保证，对天线基础稳定性提出了很高的要求。天马望远镜基础负荷达到整个基础静压力30000千牛顿，中心塔基处设备自重500千牛顿。天线滚轮为六组12滚轮，单点静压力为2500千牛顿。基础承受最大水平力2700千牛顿，并主要由中心塔基承受。基础应能承受最大倾覆力矩94220千牛米，最大扭转力矩20000千牛米。地基1年内不均匀沉降小于0.5毫米，并保持稳定。

研究应用

天马望远镜在天文研究中的应用包括：

谱线观测是研究星际物质分布﹑星系结构以及恒星的形成和演化过程的重要手段。2012年10月26日，天马望远镜在18厘米波段开展了首次试观测，成功地捕获到天鹅座A、仙后座A的连续信号，以及来自W3(OH)、W51M、W75N、W49N的羟基谱线。首次观测成功标志着望远镜的机电系统能够正常运转，为开展天文实验和科研基础工作打下了良好的基础。

2014年6月，初步完成了天马望远镜多功能数字终端DIBAS的29种谱线观测模式的测试，基本实现了谱线观测自动化，完成了谱线终端的频率校准工作和数据格式转换工作，使得用户能够用谱线处理方面通用的Gildas软件包进行数谱线数据处理。2014年年底，实现了对国内科研人员观测申请（观测波段为L，S/X和C）的开放。

在L、C、X 波段探测到了包括长碳链分子HC7N在内的许多重要分子的发射，并且在L波段探测到了一些新的羟基脉泽源。在成功安装测试Ku波段接收机之后，2014年9月24日，天马望远镜的DIBAS终端在Ku波段成功进行了谱线试观测，探测到了大质量恒星形成区的12千兆赫兹甲醇脉泽、射电复合线的发射，以及大质量恒星形成区的星际有机分子氰基乙炔HC3N以及亚丙二烯基C3H2的发射，谱线轮廓、峰值速度均与以往望远镜的观测结果一致。

（二）脉冲星观测

2013年1月21日，天马望远镜成功地在S（2.3千兆赫兹）和X（8.4千兆赫兹）波段对四颗已知流量密度不到10毫央斯基的脉冲星进行了试观测，2月5日又成功获得了一颗毫秒脉冲星的信号。2014年6月，测试了多功能数字终端DIBAS的脉冲星观测模式，包括：相干消色散搜寻、非相干消色散搜寻、相干消色散在线叠加和非相干消色散在线叠加。为保证脉冲星观测标准化和流程化，设计了一套观测纲要标准化模板，完成了数字化终端和望远镜控制单元的通信，基本实现了观测自动化。利用该系统，已经在L、S、C、X波段成功探测到包括北天周期最短毫秒脉冲星在内的一批脉冲星，发现了研究热点——“银心磁星”很可能具有周期跃变现象。

（三）VLBI观测研究

天马望远镜的综合性能位于世界前列，加上地理位置优越，位于几个主要VLBI网的交汇处，天马望远镜将大幅度提高国际VLBI网的探测灵敏度，成为中国VLBI网乃至东亚VLBI网的核心，显著提高我国在天体物理前沿课题中的国际地位。天马望远镜已经参加了与美国GBT和欧洲VLBI网（EVN）等的VLBI试观测，初步体现了其高灵敏度的优势，并于2015年正式加入欧洲VLBI网成为国际VLBI网的重要成员。

2014年6月12日，天马望远镜参加了IVS(国际大地测量与天体测量VLBI服务组织)编号为RD1404的空间测地联合观测。天马望远镜以其超高系统灵敏度，展示了提高微弱射电源观测数量和信噪比的巨大优势。通过此类空间测地观测，还可以获得天马望远镜在国际地球参考框架中的精确台站坐标，满足天马望远镜开展深空导航和相对天体测量等差分VLBI观测需要。

据上海天文台VLBI国际联测联系人夏博工程师介绍，天马建成后，就成为欧洲VLBI网正式成员，参加每年三次、每次一个月的常规观测。2016年2月18日，欧洲VLBI网联测中，原本被选为参考天线的国外射电望远镜临时出了故障，天马望远镜“临危受命”首次被选为数据相关处理的参考天线，对参与观测的14个台站的数据进行检测，分别得到了各条基线的条纹，标志着天马望远镜的综合性能已得到国际认可，并发挥主力作用。

（四）在探月工程及深空探测中的应用

2004年1月，中国正式启动探月工程。VLBI测轨分系统是中国首次月球探测工程测控系统的重要组成部分，它由上海VLBI数据处理与调度中心和上海佘山、北京密云、云南昆明、乌鲁木齐南山等4个观测站联网构成，参与完成“嫦娥一号”除发射段外各个轨道段的测轨任务。2007年10月24日18时05分，中国首颗探月卫星“嫦娥一号”发射升空。中国科学院的VLBI测轨分系统为测控系统准实时提供高精度的时延、时延率和测角等VLBI测轨数据，并参与完成各轨道段的准实时轨道确定与预报，为确保“嫦娥一号”卫星准确送入预定环月轨道做出了重要贡献。上海天文台是VLBI测轨分系统的总体单位，负责和实施VLBI测轨和定位工作。

天马望远镜于2013年12月全程参加了嫦娥三号着陆器和月球车X频段的VLBI测定轨和测定位任务。天马望远镜和北京50米、昆明40米、乌鲁木齐25米和上海VLBI中心一起，把嫦娥三号奔月时的测定轨精度提高至100米量级，把着陆器的定位精度提高至优于100米，利用同波束VLBI技术把巡视器的月面相对位置测量精度提高至米级。天马望远镜已成为我国VLBI网的主力测站，由于它的加入，大大提高了我国VLBI网的高标校精度，为嫦娥三号在奔月、绕月、落月探测时的着陆器精密测定轨和月面探测时的月球车相对测定位做出了贡献。

2014年11月1日6点42分，嫦娥五号飞行试验器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆，标志着我国探月工程三期再入返回飞行试验圆满成功，为后续嫦娥五号任务的顺利实施打下了坚实基础。天马望远镜和上海VLBI中心、密云站、昆明站、乌鲁木齐南山站一起组成VLBI观测网,从10月24日开始,全程参加了地月转移两次中途修正、月球近旁转向、月地转移中途修正、服务舱着陆器分离等测控段的测定轨任务,并以其高灵敏度为VLBI测定轨精度的提高做出了贡献。

天马望远镜今后将继续参加嫦娥五号采样返回、嫦娥四号月球背面着陆探测、中国首次火星探测等国家重大任务，为探测器保驾护航。

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