“观天巨眼”中的西电智慧
——段宝岩院士团队致力500米口径球面射电望远镜项目20年研究纪略
把位于伟德体育南校区图书馆前的50米射电望远镜模型等比例放大10倍，这个由6座塔6根索驱动的馈源舱装置，就与贵州省平塘县的500米口径球面射电望远镜（FAST）基本一致。而后者，正是在建的被称为“观天巨眼”的世界最大单口径射电望远镜。这一项目预计将于2016年9月完工。
2015年11月21日，FAST馈源支撑系统首次升舱，这只“观天巨眼”终于“睁开了眼”。这背后，凝聚着中国天文学家探索宇宙的勇气和中国工程师们挑战极限的努力，更凝聚着中国不同学科科学家的聪明才智。这其中就包括中国工程院院士、机电工程学院段宝岩教授带领的团队贡献的西电智慧。
【智慧一：创新设计方案西电首提】
将馈源系统由万吨级降至30吨，系FAST三大创新之一
事情最早得从1993年说起。这一年，在日本京都召开了第23届国际无线电科联大会，包括中国在内的10国天文学家联合发起了建造接收面积达一平方公里的“新一代大射电望远镜计划”倡议。这一倡议旨在建造新一代大射电望远镜，以便全面深入地了解宇宙，迎接天体物理在新世纪的挑战。
这之后，中国、加拿大、荷兰、美国、印度等国积极展开了第一代射电望远镜的争建工作，主流技术方案包括三种，即相位阵、小天线致密阵和单口径。当时，考虑到计算机后期对数据的处理能力，中国和加拿大的科学家偏向于建造单口径的大型射电望远镜。
建造单口径射电望远镜，方案有两种：一种是全可动的抛物面天线，比如美国的绿岸射电望远镜（Green Bank Telescope），口径100×110米，重达7700吨，口径再大就会因为重力因素，超过工程极限；另一种是主反射面不动而馈源动的球反射面射电望远镜，比如美国利用喀斯特地形建造的阿雷西博射电望远镜（Arecibo Radio Telescope），口径305米，支撑馈源的悬空背架重达1000吨，口径再大就只能创新方案，否则造价将难以接受。
为了达到接收面积一平方公里这个硬指标，又要工程上可实施、造价上可接受，像阿雷西博射电望远镜那样，利用喀斯特地貌建造单口径射电望远镜则成为必由之路。因此，建造新一代望远镜的第一步，便是在喀斯特地形上寻找一个口径为500米的自然天坑。
1995年，中国天文学家终于在贵州南部找到了两个这样的位置，其中之一就是现在FAST项目所在地，贵州省黔南州平塘县克度镇金科村的大窝凼。这里不但有世界上最佳的喀斯特地貌，像超大型的碗一样的500米口径天坑；更因为经济发展相对落后，这里还拥有天文观测必需的较为洁净的电磁环境。
就这样，在中国建造新一代射电望远镜成为可能的首选方案。这一年，第三届国际大射电望远镜工作组会议也因此选在贵州召开，这个会议的目的就是希望找到一种创新的设计方案，推动望远镜建造。伟德体育与新一代大射电望远镜的接触就是从这开始的。
在这次会议上，伟德体育茅於宽教授关于圆柱表面相位阵、王家礼教授关于低造价反射面的报告，尤其是段宝岩教授所作的关于大射电望远镜馈源支撑的光机电一体化创新设计的报告，受到了与会国内外专家的高度关注。
段宝岩提出的创新设计方案（1995年）
这一方案的核心就是将原阿雷西博方案中，用于支撑线馈源的重达1000吨的钢结构，用计算机伺服系统控制的从6个塔顶伸出的6根大跨度的柔索来取代。同时，布置3台激光测距仪实时获取馈源的实际位姿，通过6索长度的自动调整，将馈源调回到电性能所允许的误差范围之内。
段宝岩解释说，如果新一代大射电望远镜阵照搬阿雷西博的设计方案，将会出现三个难题：一是工程造价太高，远远超过国家社会对新一代大射电望远镜的接受程度；二是纯机械跟踪控制系统的精度低；三是工程难度大，500米口径时悬空背架的重量理论上将近万吨，工程实施难度极大。“新方案不仅可将馈源支撑结构系统的自重降至约30吨，工程实施和造价变得可行，还克服了阿雷西博方案中结构稳定性方面的不足。”
这一新方案以光机电一体化技术代替了传统的纯机械技术，以软件代替了硬件，结构形式大大简化，降低了工程造价，使大射电望远镜阵工程的实现成为可能，当即引起了国内外同行专家的广泛关注与浓厚兴趣，被同行称为“变革式的创新设计”。
随后，段宝岩担任了由国家天文台南仁东研究员为主任的中国大射电望远镜推进委员会工程预研究组组长，带领西电团队致力于关键技术的突破。如今，正在建造中的FAST工程，馈源部分就直接采用了段宝岩提出的六索驱动的设计方案。这一光机电一体化馈源索支撑方案，与利用贵州喀斯特地形建造射电望远镜、创新性的主动球反射面一起，被誉为FAST工程的三大创新。
【智慧二：“眼珠”定位技术源自西电】
粗精两级调整平台，确保馈源定位精度达到4毫米
根据资料显示，FAST选择在贵州南部喀斯特地形中一个500米级的球形洼地中建造，洼地内铺设主动反射面。建成后的工作原理是，被馈源照明部分的球形反射面，可实时地调整为一个抛物面，从而可用传统的抛物面望远镜的馈源照明技术来实现宽带观测。
如果说球形洼地是这只“观天巨眼”的“眼窝”，那么由悬索支撑的馈源舱与馈源就是“观天巨眼”的“眼珠”。FAST实际使用的馈源舱装置虽然与西电50米模型略有不同，增加了A、B轴进行调控，但核心原理却是一致的，那就是利用Stewart平台对馈源进行粗精两次调节。可以说，FAST的“眼珠”定位技术正是源自西电。
“创新设计方案中，我们首次将动态悬索应用于望远镜馈源的结构支撑，解决的主要是工程实施和造价问题，但如何突破关键技术，进而实现这个射电望远镜要求的总体性能，就成为了一个很大的挑战。”段宝岩介绍说。
FAST反射面曲率半径300米，开口角120度，口径520米，天空覆盖最大观测天顶角60度，工作时理论转速为每秒1厘米，工作频率最高为8.8G赫兹。“把这一大段技术指标，简化为一个听得懂的数字，那就是要确保6根悬索控制的馈源舱中的馈源，实现不超过4毫米的动态定位精度。”
“新方案克服了阿雷西博方案的弱点，但对工程控制却提出了更高的要求。”由于由悬索和馈源舱组成的舱索结构，具有非线性、大滞后、大惯性和弱刚度等特性，且在工作中难免受到风荷等外界干扰，仅靠悬索的控制很难使馈源舱达到指标要求的毫米级动态定位精度。
段宝岩团队在西安市南郊的沙井村搭建的50米模型（2002年）
段宝岩正在5米模型进行振动试验（2006年）
段宝岩团队在西电南校区搭建的50米模型（2008年）
鉴于此，段宝岩团队又提出了粗、精两级调节来实现馈源高精度动态定位定姿的方案。首先通过6根悬索对馈源舱实现粗调节，再通过安装在馈源舱内的Stewart平台实现精调节。Stewart平台上又分布了多个馈源，所以在提高定位精度的同时，还可实现多波段观测。
基本原理很简单，但如何突破这一技术难题却没有现成的办法。“这类射电望远镜悬索式馈源舱支撑系统，理论上属于并联机构学范畴，当时国际上关于这一领域的研究尚处于探索阶段，没有形成系统的理论与方法。”段宝岩介绍说，他们在研究中首次提出了并联宏-微机器人概念，从理论上建立了逆运动学模型，并通过实验对方案及策略进行了初步验证。
“6根悬索驱动的馈源舱实际上是一柔性并联机构，而精调Stewart平台是一刚性并联结构。这一大一小，一柔一刚两个并联系统，构成了一个并联宏-微机器人系统，共同完成对馈源定位的任务。”段宝岩说，宏机器人系统为6根悬索驱动的馈源舱，完成馈源的大范围跟踪，保证馈源舱的误差在50厘米内；微机器人为6自由度Stewart平台，实现馈源的精确定位，也就是4毫米。
据介绍，对FAST馈源舱的粗精两级调节是项目的关键技术之一，研究中碰到的难题一个接着一个。比如，粗精两级调整的动力学耦合与复合控制，高精度动态激光检测，大跨度、柔性、延迟索系结构系统的建模与求解、风致颤振，齿隙、摩擦等非线性因素对系统性能的影响，舱索结构对增益、副瓣电平等电性能的影响等等。
再比如，根据历史数据推算，FAST所在地有记录的最大风速为每秒17米，为了确保馈源舱在这样的风速下仍然安全工作，就必须进行风速模拟计算，从而预测实际中风荷干扰下悬索对馈源舱的可控精度，为控制系统的精度分配提供依据。与此同时，为了解决馈源舱在风荷下的稳定性，他们还在悬索上设计了阻尼装置，能起到耗散能量，降低悬索振动幅度的作用。
【智慧三：西电等比模型助力工程】
5米及50米验证模型相似性研究，对实际装置性能进行了预测
FAST是国家科教领导小组审议批准的国家九大科技基础设施之一，从面积上看这是一个约30个足球场大的高灵敏度的巨型射电望远镜。建造这样一个大科学装备，仅仅进行计算仿真是远远不够的，所有模型、理论、方法都需要通过模型进行验证，并对实际装置性能进行预测，彻底搞清关键问题，从而为工程建设奠定基础。
FAST的设计是一个多学科交叉项目，涉及到机械、电子、力学、控制及动态监测等多个领域，最终目的是建造实际的射电望远镜。为了在进行500米实际工程之前，对工程实施中将用到的相关技术进行验证，段宝岩带领的团队，先后于2000年、2002年和2008年，搭建了一个5米和两个50米等三个缩比验证模型。
第一个模型是在国家自然科学基金支持下进行的，团队在实验室搭建了一个1:100比例的5米室内模型，其目的主要是验证基本理论和控制系统相关技术。这一模型的6个支撑杆，均匀分布在直径5米的圆上。此外，为简单起见，用了一个直径40厘米重6千克的球冠模拟馈源舱。
结果显示，6根并联悬索进行物体的空间动态定位这一设计思路是可行的，悬索可以协调工作，系统控制方案合理，馈源舱中心实际位置与理论位置的误差在1厘米左右，动态跟踪式馈源舱的误差也在厘米量级上。
第二个模型是在中国科学院知识创新工程重大项目支持下进行的，位于西安市南郊的沙井村，是一个1:10比例的50米室外模型。在这一模型中，6个支撑塔的高度为15米，均匀分布在直径50米的圆上，馈源舱为直径2.5米的半球。实验中为了抑制振动，这一模型对6悬索并联系统方案还做了微调，增加了2根向下拉的悬索。
一系列实验的结果显示，无论在哪一种假设的运动情况下，系统均能较好地跟踪所期望的理论轨迹，馈源舱中心的跟踪误差在40毫米以内，动平台中心位置的跟踪误差始终在10毫米以内，精调Stewart平台的误差缩小功能明显。然而，这距离馈源指向跟踪系统4毫米的跟踪精度要求仍有一段不小距离。
在第二个模型中，使用的Stewart平台是北京理工大学已有的成品，平台底座尺度比理论值大，客观原因导致模型未能完全按照1:10缩比尺寸建造。为此，后来他们又按照1:10的比例，在伟德体育南校区建造了第三个50米的等比实验模型。
在第三个模型中，塔、索、馈源舱、精调Stewart平台全部自主设计，实验结果表明，通过馈源支撑系统的粗、精二级调整，精调平台能够实现3毫米的定位精度和0.06角度的指向精度。
正在贵州平塘建设中的FAST实物（2015年2月）
FAST空中俯瞰图（2015年11月）
据介绍，在FAST馈源支撑系统的研究中，主要是西电和清华两个团组在做。“我们建造的缩比模型，验证了独立控制策略，粗精调控制算法，轨迹规划策略和轨迹跟踪控制等，说明在工程上是有效可行的；以及后来清华的4塔方案20、50米模型、6塔方案40米模型，都对工程建设有一定的指导意义。”段宝岩说，“FAST是一个中国天文学家、科学家，以及工程承建单位集体智慧的产物。这些不同比例的模型，为FAST建设扫清了技术障碍，共同为500米口径大射电望远镜的实际建造积累了有益的工程经验。”
