基于層次分析法的巨型射電望遠(yuǎn)鏡選址策略研究

陳 琨，徐權(quán)杰，楊靜靜，夏貴江，于 瑋

（南通大學(xué) a. 張謇學(xué)院； b. 工程訓(xùn)練中心， 江蘇 南通 226000）

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)宇宙探索需求的不斷增加，巨型射電望遠(yuǎn)鏡的選址成為射電天文學(xué)領(lǐng)域的重要課題。其中，500 m 口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡稱FAST）作為全球最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡[1]，其選址過程更為復(fù)雜也尤為重要。巨型射電望遠(yuǎn)鏡選址旨在為天文觀測提供卓越的環(huán)境條件，最大限度地減少干擾和噪聲，以獲得精確、清晰的射電信號(hào)。選址過程需要綜合考慮地理?xiàng)l件、地表地貌、大氣環(huán)境及人類活動(dòng)等多種因素。本文以FAST 為例，綜合分析地理環(huán)境、天文觀測需求及人類活動(dòng)等因素的影響，以最大限度地提高巨型射電望遠(yuǎn)鏡的性能和觀測成效，為巨型射電望遠(yuǎn)鏡的備用選址提供可行性建議。

1 FAST 選址的影響因素分析

宇宙中各種電磁波射向地球時(shí)，會(huì)受到大氣不同成分的阻擋。為獲取這些隱藏宇宙信息的電磁波，科學(xué)家發(fā)明了射電望遠(yuǎn)鏡，用于在部分微波和無線電波段（稱射電波段）觀測宇宙，將天體發(fā)出的無線電波反射匯聚，再經(jīng)放大后轉(zhuǎn)變成可記錄信號(hào)。因此，射電望遠(yuǎn)鏡被稱為人類探索宇宙的“天眼”。2016 年，中國建成的500 m 口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），擁有4 450 塊反射面板，接收面積達(dá)25 萬m2，堪比30 個(gè)足球場。假設(shè)在這個(gè)“大鍋”內(nèi)裝滿水，全世界每人可分4 瓶礦泉水。這是目前世界最大口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，被稱為“中國天眼”[2]。

“中國天眼”選址在貴州平塘縣，綜合分析其選址影響因素，主要包括地理環(huán)境、人文因素和基礎(chǔ)設(shè)施等方面。

1.1 地理環(huán)境

（1）地貌要求

射電望遠(yuǎn)鏡需要建造一個(gè)類似于鍋形的反射面，并利用反射面將諸多信號(hào)匯聚于焦點(diǎn)。此外，該反射面的口徑越大，則信號(hào)接收能力越強(qiáng)。基于這一基本原理，F(xiàn)AST 的選址應(yīng)利用位于凹形口徑較大的洼地。

（2）海拔要求

高海拔地區(qū)便于充分利用低溫低濕的自然條件優(yōu)勢，降低后續(xù)工程難度。同時(shí)，高海拔地區(qū)有更廣闊的視野，更有利于對(duì)外界進(jìn)行觀測。

1.2 人文因素

（1）人類活動(dòng)

貴州平塘縣地處偏遠(yuǎn)，人口密度小，旅游業(yè)發(fā)展程度低，電波干擾較少。同時(shí)，貴州政府在2013年出臺(tái)政策支持“天眼”項(xiàng)目，建立了無線電靜默區(qū)并將附近居民搬遷安置，以保障“天眼”的順利建成和運(yùn)行[3]。

1.3 基礎(chǔ)設(shè)施因素

（1）排水要求

貴州平塘縣位于云貴高原東南坡向廣西丘陵的過渡地帶，喀斯特地貌廣布，地下溶洞眾多，有利于雨水的滲透和流動(dòng)，可避免因水體堆積而腐蝕望遠(yuǎn)鏡天線的主體結(jié)構(gòu)。

（2）供電要求

貴州能源供給充足穩(wěn)定，能源結(jié)構(gòu)多樣化。截至2020 年底，貴州省電力裝機(jī)達(dá)7 478 萬kW、居全國第14 位，其中非化石能源裝機(jī)占比52.9 %，非水可再生能源裝機(jī)占比22.4 %[4]。電力產(chǎn)業(yè)雄厚，可以保障天眼的電力供應(yīng)。

2 巨型射電望遠(yuǎn)鏡選址原則

（1）可靠性原則

為確保望遠(yuǎn)鏡可靠運(yùn)行，應(yīng)選擇地理環(huán)境較穩(wěn)定的地區(qū)，遠(yuǎn)離地質(zhì)災(zāi)害地帶和地震帶等潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。同時(shí)，要確保供電和通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，以支持望遠(yuǎn)鏡的正常運(yùn)行和數(shù)據(jù)傳輸。

（2）觀測條件原則

選址應(yīng)優(yōu)先考慮觀測條件，包括干擾源的遠(yuǎn)離程度、大氣穩(wěn)定度和透明度等因素。應(yīng)選擇遠(yuǎn)離人造無線電干擾源，如城市、工廠和電信設(shè)施等，以減少其對(duì)觀測信號(hào)的不利影響。較高的海拔能改善大氣湍流情況，提供更好的觀測條件。

（3）研究目標(biāo)原則

選址需考慮項(xiàng)目的研究需求和目標(biāo)。根據(jù)不同的科學(xué)目標(biāo)，可以選擇不同的地理環(huán)境和觀測條件，以最大限度地支持特定研究領(lǐng)域的需求。

3 建立巨型射電望遠(yuǎn)鏡選址評(píng)價(jià)體系

3.1 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

本文采用層次分析法對(duì)巨型射電望遠(yuǎn)鏡選址進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)巨型射電望遠(yuǎn)鏡選址的影響因素分析，將巨型射電望遠(yuǎn)鏡選址綜合評(píng)價(jià)體系作為目標(biāo)層，地理環(huán)境、人文因素、基礎(chǔ)設(shè)施作為準(zhǔn)則層，再將進(jìn)一步細(xì)化得到的5 項(xiàng)基本指標(biāo)作為方案層，建立層次分析法目標(biāo)層次的結(jié)構(gòu)模型[5]，如圖1 所示。

圖1 巨型射電望遠(yuǎn)鏡選址綜合評(píng)價(jià)體系目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)模型

3.2 計(jì)算模型中各指標(biāo)權(quán)重

3.2.1 準(zhǔn)則層C 對(duì)目標(biāo)層M 的重要性分析

兩兩比較準(zhǔn)則層C 中的C1，C2，C3的相對(duì)重要性[6]，構(gòu)造判斷矩陣M-C，如表1 所示。

表1 M-C 判斷矩陣

其中，矩陣中任一元素都滿足

采用三分制標(biāo)度法判斷矩陣中的aij，標(biāo)度定義詳見表2。其數(shù)值根據(jù)貴州省人民政府[3]、貴州省能源局[4]、新疆奇臺(tái)射電110 m 口徑望遠(yuǎn)鏡的選址地點(diǎn)[7]等給出的經(jīng)驗(yàn)和策略綜合權(quán)衡確定。

表2 三分制標(biāo)度及其定義

求解M-C 判斷矩陣的特征值，得最大特征值λmax=3.009 2。由公式（1）計(jì)算一致性比例CR，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

表3 n 與Ri 關(guān)系

計(jì)算可得Ci=0.004 6，n=3，則Ri=0.58。由式（1）可得CR=0.007 93 ＜0.1，一致性檢驗(yàn)通過。

通過上述步驟，得出C1，C2，C3在判斷矩陣M-C 下的權(quán)重系數(shù)：算術(shù)平均法求權(quán)重，結(jié)果為=（0.539 0，0.163 8，0.297 3）T；幾何平均法求權(quán)重，結(jié)果為=（0.539 6，0.163 4，0.297 0）T；特征值法求權(quán)重，結(jié)果為=（0.539 6，0.163 4，0.297 0）T。鑒于軟件的計(jì)算精度，可能產(chǎn)生少量偏差，對(duì)三種方法的結(jié)果求算術(shù)平均值，以保證運(yùn)算結(jié)果的穩(wěn)定性，得到地理環(huán)境、人文因素、基礎(chǔ)設(shè)施各指標(biāo)權(quán)重結(jié)果為=（0.539 4，0.163 5，0.297 1）T。

3.2.2 方案層P 對(duì)準(zhǔn)則層C 的重要性分析

構(gòu)造判斷矩陣C1-P，C2-P，C3-P，經(jīng)MATLAB判斷一致性，再求得權(quán)重，結(jié)果如表4-6 所示。

表4 C1-P 判斷矩陣

表5 C2-P 判斷矩陣

表6 C3-P 判斷矩陣

3.2.3 方案層P 對(duì)目標(biāo)層M 的組合權(quán)重和結(jié)果分析

對(duì)巨型射電望遠(yuǎn)鏡選址指標(biāo)體系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。選取上一級(jí)指標(biāo)與下一級(jí)指標(biāo)權(quán)重的乘積進(jìn)行得分排序，結(jié)果如表7 所示。

表7 組合權(quán)重得分

由表7 的各層次因素權(quán)重及排序結(jié)果可知，在巨型射電望遠(yuǎn)鏡選址影響因素的準(zhǔn)則層中，地理環(huán)境因素權(quán)重最高，為0.539 4，表明該因素與巨型射電望遠(yuǎn)鏡選址密切相關(guān)。人文因素對(duì)巨型射電望遠(yuǎn)鏡選址的影響權(quán)重為0.163 5，在3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層指標(biāo)中排在末位，說明與其他兩個(gè)因素相比，人文因素對(duì)巨型射電望遠(yuǎn)鏡選址的影響最小。

從方案層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重看，海拔要求的權(quán)重最大，因?yàn)楹０蔚母叨戎苯佑绊懹^測環(huán)境中的大氣厚度、氣候條件、大氣湍流等因素，進(jìn)而影響望遠(yuǎn)鏡的靈敏度、角分辨率和觀測效果。這與方案層的權(quán)重排序完全相符。排水要求權(quán)重最小，說明其對(duì)于巨型射電望遠(yuǎn)鏡選址重要性相對(duì)較小。

3.3 各影響要素賦值和匯總

對(duì)各影響因素建立評(píng)估賦值原則如表8。由表8 對(duì)各影響因素賦分后加權(quán)匯總，得到一個(gè)量化風(fēng)險(xiǎn)值，可用于反映巨型射電望遠(yuǎn)鏡選址的適合程度。

表8 各影響因素評(píng)估賦值原則

4 備用選址結(jié)果

通過3.2.3 中影響因素綜合分析，可得到初步選址評(píng)價(jià)圖層。其影響因素分為5 種，總得分越高，說明該地區(qū)現(xiàn)有地理環(huán)境、人文因素、基礎(chǔ)設(shè)施條件等越符合巨型射電望遠(yuǎn)鏡備選址地點(diǎn)要求。

4.1 選址范圍確定

首先，結(jié)合遠(yuǎn)離射頻干涉、環(huán)境等選址要求，在全國范圍內(nèi)尋找合適的省份。考慮要求人口密度、旅游業(yè)發(fā)展程度不能過高，排除了黑河—騰沖線以東尤其是東部沿海省區(qū)，重點(diǎn)關(guān)注西北半壁這一范圍。

青藏高原雖然具有海拔優(yōu)勢，但山川延綿且有大量永凍土分布，施工難度極高，不利于望遠(yuǎn)鏡主體建造，被排除在待選地址外[7]。

面積較大的內(nèi)蒙古自治區(qū)雖是我國國家數(shù)據(jù)中心北方基地所在，但該地區(qū)基本屬于高原地貌，頂部平坦開闊，四周較陡，較難找到合適的凹形大口徑洼地，且草原地區(qū)排水問題和牛羊等牲畜影響較大。因此，項(xiàng)目選址也排除了內(nèi)蒙古自治區(qū)。

最終，將選址范圍聚焦為新疆維吾爾自治區(qū)。值得一提的是，新疆昌吉州奇臺(tái)縣110 m 口徑全可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目于2022 年開工[8]，說明該省份對(duì)于建設(shè)射電望遠(yuǎn)鏡有其獨(dú)特的地理區(qū)位優(yōu)勢。選址避開旅游業(yè)比較發(fā)達(dá)的伊犁，在新疆北部的阿勒泰地區(qū)尋找一個(gè)合適的凹形大口徑洼地。

4.2 具體選址評(píng)價(jià)分析

通過研究和分析，在新疆維吾爾自治區(qū)阿勒泰地區(qū)的富蘊(yùn)縣境內(nèi)，富蘊(yùn)站西南方位某處，找到一塊天然巨型洼地，其大小剛好適合建造巨型天文射電望遠(yuǎn)鏡。如圖2 衛(wèi)星地圖所示，所選備用地址位于線框內(nèi)，精確位置為北緯46.912 043°，東經(jīng)89.464 685°，高度900～1 000 m。

圖2 所選地址的衛(wèi)星地圖

以此巨型洼地為目標(biāo)選址，應(yīng)用本文所述方法對(duì)其進(jìn)行建庫選址綜合評(píng)價(jià)。

巨型洼地海拔高度為900～1 000 m，符合800～2 000 m 的高海拔要求；人口密度約為3人/km2[9]，人口較為稀少，大大降低了人類活動(dòng)對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡觀測的影響；富蘊(yùn)縣及其周邊地區(qū)屬大陸性寒溫帶干旱氣候，日照豐富，年日照2 869.8 h，氣候干燥，年降水量189.6 mm，蒸發(fā)量極大（年蒸發(fā)量1 970 mm），故洼地含積水情況極少，同時(shí)強(qiáng)大的蒸發(fā)能力能快速解決排水問題。

阿勒泰地區(qū)具有豐富的風(fēng)能和太陽能資源，風(fēng)能儲(chǔ)量、太陽能年輻射總量均居全國前列。2022年6 月，阿勒泰地區(qū)25 萬kW 保障性并網(wǎng)風(fēng)電建設(shè)項(xiàng)目開工建設(shè)，現(xiàn)已初具規(guī)模，投入使用后年均發(fā)電量預(yù)計(jì)達(dá)7.84 億kW·h[10]，且隨建設(shè)的不斷完善，供電將更為穩(wěn)定。參照表8，得到富蘊(yùn)縣內(nèi)巨型洼地各指標(biāo)的適宜度分級(jí)，將各指標(biāo)得分7、9、9、8、8 與表7 中對(duì)應(yīng)的權(quán)重相乘后再相加，計(jì)算綜合建設(shè)適合度為7×0.202 275+9×0.337 125+9×0.163 50+8 ×0.074 275+8 ×0.222 825=8.298，表明該巨型洼地區(qū)域具備建設(shè)巨型射電望遠(yuǎn)鏡的適合條件，可以作為備用選址地點(diǎn)。

5 結(jié) 語

利用層次分析法對(duì)巨型射電望遠(yuǎn)鏡選址的各項(xiàng)因素進(jìn)行分析和比較，得出選擇地址時(shí)考慮的關(guān)鍵因素。備用選址評(píng)價(jià)分析結(jié)果表明，綜合考慮各因素的影響程度和權(quán)重，可更好地確定選址策略，確保巨型射電望遠(yuǎn)鏡在合適環(huán)境中建設(shè)和運(yùn)行，獲得更有價(jià)值的觀測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)研究目標(biāo)。