FAST饋源柔索支撐與高精度動(dòng)態(tài) 定位技術(shù)及應(yīng)用

李曼　仇原鷹

2021年4月1日，被譽(yù)為“中國(guó)天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）將正式對(duì)全球科學(xué)界開(kāi)放。在2020年12月初，美國(guó)阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡坍塌后，位于中國(guó)貴州省平塘縣的FAST成為了全球唯一的“大眼睛”。截至目前，F(xiàn)AST已經(jīng)累計(jì)發(fā)現(xiàn)了240余顆脈沖星，不斷為人類(lèi)探索外太空提供線索。

將位于西安電子科技大學(xué)圖書(shū)館前的50米射電望遠(yuǎn)鏡“饋源支撐與指向跟蹤系統(tǒng)模型”等比例放大10倍，就與FAST所應(yīng)用的饋源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本一致。FAST是由6座塔、6根索驅(qū)動(dòng)的饋源運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，匯聚著中國(guó)天文學(xué)家探索宇宙的勇氣，集聚著中國(guó)工程師挑戰(zhàn)極限的信念，更凝聚著中國(guó)眾多領(lǐng)域科學(xué)家的聰明才智。在這其中就包括中國(guó)工程院院士、機(jī)電工程學(xué)院教授段寶巖帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)出的“西電智慧”。

一、FAST三大自主創(chuàng)新之一，

將饋源系統(tǒng)由萬(wàn)噸級(jí)降至30噸

1993年，第23屆國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟大會(huì)在日本京都召開(kāi)，包括中國(guó)在內(nèi)的10國(guó)天文學(xué)家聯(lián)合發(fā)起了建造接收面積達(dá)一平方公里的“新一代大射電望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃”倡議。

建造單口徑射電望遠(yuǎn)鏡有兩種方案：一種是全可動(dòng)的拋物面天線，比如美國(guó)的綠岸射電望遠(yuǎn)鏡，口徑為100×110米，重達(dá)7700噸，幾乎接近工程的極限;另一種是主反射面不動(dòng)而饋源動(dòng)的球反射面射電望遠(yuǎn)鏡，比如美國(guó)利用喀斯特地形建造的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡，口徑305米，支撐饋源的懸空背架重達(dá)1000噸，也幾乎是此類(lèi)射電望遠(yuǎn)鏡的最大規(guī)格。相比之下，后者更為可行，但若要繼續(xù)增大口徑，不僅已有的施工手段不可行，工程的造價(jià)成本更是可望而不及。

孜孜以求，鍥而不舍。為了達(dá)到一平方公里的指標(biāo)，科學(xué)家們一直在探尋可能方案。終于，在1995年，中國(guó)天文學(xué)家在大窩凼找到了最佳地點(diǎn)，這里不但有世界上最佳的喀斯特地貌，天然形成的超大型碗狀500米口徑天坑，還擁有著天文觀測(cè)所需較為潔凈的電磁環(huán)境。因此，在中國(guó)建造新一代射電望遠(yuǎn)鏡成為可能的首選方案。

同年，第三屆國(guó)際大射電望遠(yuǎn)鏡工作組會(huì)議在貴州召開(kāi)，此次會(huì)議就大射電望遠(yuǎn)鏡建造的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案展開(kāi)討論，段寶巖在會(huì)上所作的關(guān)于大射電望遠(yuǎn)鏡饋源支撐的光機(jī)電一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)的報(bào)告，受到了國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家的高度關(guān)注，這也是西安電子科技大學(xué)與FAST結(jié)緣的開(kāi)始。

如果新一代大射電望遠(yuǎn)鏡陣照搬阿雷西博的設(shè)計(jì)方案，將會(huì)出現(xiàn)三個(gè)難題：一是工程造價(jià)太高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國(guó)家社會(huì)對(duì)新一代大射電望遠(yuǎn)鏡的接受程度;二是純機(jī)械跟蹤控制系統(tǒng)的精度低;三是工程難度大，當(dāng)口徑達(dá)到500米時(shí)，懸空背架的重量理論上將近萬(wàn)噸，工程實(shí)施難度極大。段寶巖團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的新方案舍棄了懸空背架，不僅可將饋源支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的自重降至約30噸，工程實(shí)施和造價(jià)變得可行，還克服了阿雷西博方案中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的不足。

這一方案的核心就是將原阿雷西博方案中，用于支撐線饋源重達(dá)1000噸的鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛糜?jì)算機(jī)伺服系統(tǒng)控制的從6個(gè)塔頂伸出的6根大跨度的柔索。同時(shí)，布置3臺(tái)激光測(cè)距儀實(shí)時(shí)獲取饋源的實(shí)際位姿，通過(guò)6索長(zhǎng)度的自動(dòng)調(diào)整，將饋源調(diào)回到電性能所允許的誤差范圍之內(nèi)。創(chuàng)新方案中以光機(jī)電一體化技術(shù)代替了傳統(tǒng)的純機(jī)械技術(shù)，以軟件代替硬件，結(jié)構(gòu)形式大大簡(jiǎn)化，極大程度地降低了工程造價(jià)，使大射電望遠(yuǎn)鏡工程的實(shí)現(xiàn)成為可能。

會(huì)后，段寶巖擔(dān)任了中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡推進(jìn)委員會(huì)工程預(yù)研究組組長(zhǎng)，帶領(lǐng)西電團(tuán)隊(duì)致力于關(guān)鍵技術(shù)的突破，饋源支撐與指向跟蹤系統(tǒng)就采用了六索驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案。這一光機(jī)電一體化饋源索支撐方案，與利用貴州喀斯特地形建造射電望遠(yuǎn)鏡、創(chuàng)新性的主動(dòng)球反射面一同被譽(yù)為FAST工程的三大創(chuàng)新。

二、粗精兩級(jí)調(diào)整控制，

確保饋源定位精度達(dá)到4毫米

FAST選擇在貴州一處500米級(jí)的球形洼地中建造，洼地內(nèi)鋪設(shè)主動(dòng)反射面。被饋源照明部分的球形反射面，可實(shí)時(shí)地調(diào)整為一個(gè)拋物面，從而可用傳統(tǒng)的拋物面望遠(yuǎn)鏡的饋源照明技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶觀測(cè)。如果說(shuō)球形洼地是這只“觀天巨眼”的“眼窩”，那么由懸索支撐的饋源艙與饋源就是“觀天巨眼”的“眼珠”。

FAST實(shí)際使用的饋源艙裝置與西電的50米模型略有不同，增加了A、B軸進(jìn)行調(diào)控，利用柔索與Stewart平臺(tái)對(duì)饋源進(jìn)行粗精兩次調(diào)節(jié)。創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案中，將動(dòng)態(tài)懸索應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡饋源的結(jié)構(gòu)支撐，解決的主要是工程實(shí)施和造價(jià)問(wèn)題，但如何突破關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)這個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡要求的總體性能，就成為了一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。FAST反射面曲率半徑300米，開(kāi)口角120度，口徑520米，天空覆蓋最大觀測(cè)天頂角60度，饋源工作時(shí)理論速度為每秒1厘米，工作頻率最高為8.8G赫茲。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是要確保6根懸索控制的饋源艙中的饋源，實(shí)現(xiàn)不超過(guò)4毫米的動(dòng)態(tài)定位精度。

在新方案中，就克服了阿雷西博方案的弱點(diǎn)，但對(duì)工程控制卻提出了更高的要求。由懸索和饋源艙組成的艙索結(jié)構(gòu)，具有非線性、大滯后、大慣性和弱剛度等特性，并且在工作中難免受到風(fēng)荷等外界干擾，僅靠懸索的控制很難使饋源艙達(dá)到指標(biāo)要求的毫米級(jí)動(dòng)態(tài)定位精度。

鑒于此，段寶巖團(tuán)隊(duì)提出了粗、精兩級(jí)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)饋源高精度動(dòng)態(tài)定位定姿的方案。首先通過(guò)6根懸索對(duì)饋源艙實(shí)現(xiàn)粗調(diào)節(jié)，再通過(guò)安裝在饋源艙內(nèi)的Stewart平臺(tái)實(shí)現(xiàn)精調(diào)節(jié)。Stewart平臺(tái)上又分布了多個(gè)饋源，所以在提高定位精度的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)多波段觀測(cè)。

基本原理很簡(jiǎn)單，但如何突破這一技術(shù)難題卻沒(méi)有現(xiàn)成的辦法。這類(lèi)射電望遠(yuǎn)鏡懸索式饋源艙支撐系統(tǒng)，理論上屬于并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)范疇，當(dāng)時(shí)國(guó)際上關(guān)于這一領(lǐng)域的研究處于探索階段，尚未形成系統(tǒng)的理論與方法。團(tuán)隊(duì)在研究中首次提出了并聯(lián)宏——微機(jī)器人概念，從理論上建立了逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)方案及策略進(jìn)行了初步驗(yàn)證。6根懸索驅(qū)動(dòng)的饋源艙實(shí)際上是一柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)，而精調(diào)Stewart平臺(tái)是一剛性并聯(lián)機(jī)構(gòu)。這一大一小、一柔一剛兩個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)，構(gòu)成了一個(gè)并聯(lián)宏——微機(jī)器人系統(tǒng)，共同完成對(duì)饋源定位的任務(wù)。宏機(jī)器人系統(tǒng)為6根懸索驅(qū)動(dòng)的饋源艙，完成饋源的大范圍跟蹤，保證饋源艙的誤差在50厘米內(nèi);微機(jī)器人為6自由度Stewart平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)饋源的精確定位，也就是4毫米。

對(duì)FAST饋源艙的粗、精兩級(jí)調(diào)節(jié)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，研究中需要解決粗精兩級(jí)調(diào)整的動(dòng)力學(xué)耦合與復(fù)合控制，高精度動(dòng)態(tài)激光檢測(cè)，大跨度、柔性、延遲索系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的建模與求解，風(fēng)致顫振、齒隙、摩擦等非線性因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響，艙索結(jié)構(gòu)對(duì)增益、副瓣電平等電性能的影響等一系列問(wèn)題，最終段寶巖團(tuán)隊(duì)還是成功完成了設(shè)計(jì)。

三、5米及50米縮尺模型研究，

驗(yàn)證了500米創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案的可行性

FAST是國(guó)家科教領(lǐng)導(dǎo)小組審議批準(zhǔn)的國(guó)家九大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一，從面積上看這是一個(gè)約30個(gè)足球場(chǎng)大的高靈敏度的巨型射電望遠(yuǎn)鏡。然而，建造這樣一個(gè)大科學(xué)裝備，僅僅進(jìn)行計(jì)算仿真是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所有理論、方法都需要通過(guò)模型進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)實(shí)際裝置性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，徹底搞清關(guān)鍵問(wèn)題，從而為工程建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

FAST的設(shè)計(jì)是一個(gè)多學(xué)科交叉項(xiàng)目，涉及到機(jī)械、電子、力學(xué)、控制及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。為了在進(jìn)行500米實(shí)際工程之前，對(duì)工程實(shí)施中將用到的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，段寶巖教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)先后于2000年、2002年和2008年，搭建出一個(gè)5米和兩個(gè)50米的縮尺驗(yàn)證模型。

第一個(gè)模型是在國(guó)家自然科學(xué)基金支持下進(jìn)行的，團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室搭建了一個(gè)1：100比例的5米室內(nèi)模型，其目的主要是驗(yàn)證基本理論和控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)。這一模型的6根懸索立柱均勻分布在直徑5米的圓上。此外，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，用了一個(gè)直徑40厘米重6千克的球冠模擬饋源艙。結(jié)果顯示，6根并聯(lián)懸索進(jìn)行物體的空間動(dòng)態(tài)定位這一設(shè)計(jì)思路是可行的，懸索可以協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)控制方案合理，饋源艙動(dòng)態(tài)跟蹤誤差在1厘米量左右。

第二個(gè)模型在中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目支持下進(jìn)行，位于西安市南郊的沙井村，是一個(gè)1：10比例的50米室外模型。在這一模型中，6個(gè)支撐塔的高度為15米，均勻分布在直徑50米的圓上，饋源艙為直徑2.5米的半球。一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)能較好地跟蹤所期望的理論軌跡，饋源艙中心的跟蹤誤差在40毫米以?xún)?nèi)，動(dòng)平臺(tái)中心位置的跟蹤誤差始終在10毫米以?xún)?nèi)，精調(diào)Stewart平臺(tái)的誤差縮小功能明顯。然而，這距離饋源指向跟蹤系統(tǒng)4毫米的跟蹤精度要求仍有一段不小距離。

在第二個(gè)模型中，使用的Stewart平臺(tái)是北京理工大學(xué)已有的成品，平臺(tái)底座尺度比理論值大，客觀原因?qū)е履Ｐ臀茨芡耆凑?：10縮比尺寸建造。為此，團(tuán)隊(duì)又按照1：10的比例，在西安電子科技大學(xué)南校區(qū)建造了第三個(gè)50米的等比實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ诘谌齻€(gè)模型中，塔、索、饋源艙、精調(diào)Stewart平臺(tái)全部自主設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)饋源支撐系統(tǒng)的粗、精二級(jí)調(diào)整，精調(diào)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)3毫米的定位精度和0.06角度的指向精度。

四、FAST是一個(gè)中國(guó)天文學(xué)家、

科學(xué)家以及工程承建單位集體智慧的產(chǎn)物。

西安電子科技大學(xué)這些不同比例的模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了饋源艙懸索控制策略、饋源運(yùn)動(dòng)粗精控制算法、軌跡規(guī)劃策略和軌跡跟蹤控制等，說(shuō)明創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案在工程上是有效可行的，為FAST工程建設(shè)掃除了關(guān)鍵技術(shù)障礙，共同為500米口徑大射電望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際建造積累了有益的工程經(jīng)驗(yàn)。

2001年，國(guó)家天文臺(tái)在中科院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目“大射電望遠(yuǎn)鏡FAST預(yù)研究”總結(jié)報(bào)告中指出：西電多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的光機(jī)電一體化饋源支撐方案為解決大型球反射面望遠(yuǎn)鏡的指向跟蹤問(wèn)題提供了可行思路;2006年國(guó)家天文臺(tái)FAST項(xiàng)目國(guó)際評(píng)審咨詢(xún)會(huì)議報(bào)告介紹了西電提出的用6座索塔和6根柔索控制饋源粗調(diào)位置及姿態(tài)的設(shè)計(jì)方案，為國(guó)際評(píng)審提供了有力的技術(shù)支撐;2017年，西安電子科技大學(xué)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)獲得《500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡柔性并聯(lián)索驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)及裝備》中國(guó)好設(shè)計(jì)金獎(jiǎng)，實(shí)至名歸。