上海65米射电望远镜

2008年6月2日 ，中科院基础局和国家天文台在上海组织了天文专家评审，得到了专家一致的支持，认为:"拟建的上海65米射电望远镜是一台亚洲最大、国际先进的射电望远镜，将成为国际VLBI网的主干设备，大大提高中国VLBI网的测量能力。

该望远镜是执行探月工程二期VLBI测轨和定位不可或缺的关键设备，还可以承担我国将来的各项深空探测任务。不仅如此，它可以在1.8GHz以上频带上成为国际上天体物理研究名列前茅的射电望远镜，与国家大科学工程FAST的观测波段互相补充，符合中国射电天文发展的整体布局。

该项目立项依据充分，科学目标和应用目标明确，建设方案和计划合理可行，建议有关部门尽快立项"。 (FAST--拟建的500米口径的固定式射电望远镜，坐落在贵阳附近。)

2008年11月，该项目 得到了上海市科委的科研计划项目经费支持，上海天文台按上海市相关规定组织人员，完成了任务书和预算书编制。2008年11月20日，上海天文台与上海市科委签订了上海65米射电望远镜系统研制合同(课题编号08DZ1160100)，课题总经费为9400万元，2008年首期拨付4900万元。

2012年10月26日下午 ，上海65米射电望远镜成功在18厘米波段开展了首次试观测。
项目组在中电集团54所同事的积极配合下，成功开展了对恒星羟基脉泽的试观测。在观测过程中，工程师们耐心细致地作准备工作，和科研人员一道研究方案，讨论技术难题，尝试各种思路，一直工作到晚上8点多，最终成功捕获到Cyg A的信号，随即探测到来自W3(OH)的羟基谱线，极大地鼓舞了所有在场的参试人员，激动之情溢于言表。其它三个源(W51M、W75N和W49N)的羟基谱线以及连续谱源Cas A也相继被观测到。
望远镜的调试过程是紧张曲折的，而实验结果是振奋人心的。此次首个试观测的成功标志着望远镜的机电系统能够正常运转，为下一步开展天文实验和科研工作打下了良好的基础。

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。

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，对面板的可靠性提出了更高的要求。高精度、高强度、高可靠度、30年使用寿命的面板研制为关键技术之一。

(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。2011年1月28日完成全轨装调，并通过测试验收。经实测，半径20999.25毫米，同轴度偏差(rms):X方向 2.106毫米，Y方向 2.948毫米。焊接表面硬度(HRC)有效控制在47至48.6之间，全轨不平度不大于0.45毫米。

(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。

(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波段低温接收机将于2016年初完成安装与调试。上海天文台在自主研制的同时，开展国内外技术合作，引进新技术，在多波束、宽频带、低温制冷技术以及大口径微波窗口研制等各项技术指标不断提高。

(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。

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。为了保持高的指向精度，地基1年内不均匀沉降小于0.5毫米，3年内小于1毫米，五年内均匀沉降小于2毫米，并保持稳定。

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，发现了目前研究热点--"银心磁星"很可能具有周期跃变现象。目前国际上只有美国绿岸射电望远镜(Green Bank Telescope, GBT)和上海天马望远镜在单脉冲水平上对其爆发的观测结果作了报道。

(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。本次观测共有7个全球分布的台站参加，采用S/X双频段同时接收信号和16通道记录模式，主要目标是精确测量24颗具有光学对应体的微弱射电源的位置，为实现基于GAIA空间天体测量计划的光学天球参考架和基于VLBI技术的射电天球参考架的连接做出贡献。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。

(四)在探月工程及深空探测中的应用

中国是世界上将VLBI技术用于航天工程实时测轨的少数国家之一。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卓越贡献。

2014年11月1日6点42分，嫦娥五号飞行试验器在内蒙古四王子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。天马望远镜将可以更好地执行嫦娥五号的VLBI测定轨和定位，以及在今后中国各项深空探测任务中发挥很重要的作用。

天马望远镜正开展望远镜系统性能的综合测试标定，逐步完成常规观测所需的望远镜各项性能指标参数的测量。在此基础上，已于2014年9月开始向国内天文学家逐步开放天马望远镜单天线科学观测的时间，并积极参加国际VLBI观测合作，同时积极参与完成国家及中科院下达的各项观测任务。

新建具有主动面调整系统、8个波段的双极化接收机(L、S、C、X、Ku、K、Ka 和 Q波段)、VLBI数据采集终端、氢原子钟和时频比对设备等。

2012年3月，65米口径可转动射电天文望远镜工程在上海佘山脚下紧张施工，这将是亚洲最大的该类型射电望远镜，总体性能在国际上处于第四位。据介绍，这台望远镜属于中国科学院和上海市政府重大合作项目，已于2012年10月28日在沪启动。

性能参数

据了解，这台65米的射电望远镜是中国科学院和上海市人民政府于2008年10月底联合立项的重大合作项目。其接收范围覆盖8个波段，总体性能列全球第四。

这台65米的射电天文望远镜如同一只灵敏的耳朵，能仔细辨别来自宇宙的射电信号。它覆盖了从最长21厘米到最短7毫米的8个接收波段，涵盖了开展射电天文观测的厘米波波段和长毫米波波段，是中国目前口径最大、波段最全的一台全方位可动的高性能的射电望远镜，总体性能仅次于美国的110米射电望远镜、德国的100米射电望远镜和意大利的64米射电望远镜。

望远镜采用的修正型卡塞格伦天线能在方位和俯仰两个方向转动，下方轨道上有6组共12个轮子驱动天线的方位转动，上方的俯仰大齿轮控制天线的俯仰运动，这使得望远镜可以以高精度指向需要观测的天体和航天器，其最高指向精度优于3角秒。

望远镜的主反射面面积为3780平方米(相当于9个标准篮球场)，由14圈共1008块高精度实面板拼装成，每块面板单元精度达到0.1毫米，代表了国内大尺度高精度面板设计与制造技术的最高水平。

主反射面的安装则采用了国内首创的主动面技术，在面板与天线背架结构的连接处安装有1104台高精度促动器，用以补偿跟踪观测时重力引起的反射面变形，提高高频观测的天线接收效率。促动器的单位精度可达15微米，即一根头发丝直径的一半左右。

望远镜坐落的轨道由无缝焊接技术全焊接而成。这是国内首次采用全轨道焊接技术，解决了轨道焊接变形等多项技术难题。

首个信号-距地球3.7万光年

养在佘山"深闺"数年的一位探索宇宙奥秘的世界级"高手"，昨天正式"出山"。不必受限于天气的好坏，凭借它多个波段的"耳朵"，这座亚洲最大、总体性能世界第四的大型射电望远镜，可以灵敏地"倾听"来自宇宙深处各类天体发出的射电信号，进而展开测量和研究。

昨天下午，该望远镜接收到了首个信号，它来自距离地球3万7千光年的区域。

为了争取国际最大规模的射电望远镜合作计划来华，中国正在贵 州省"筑巢引凤"，建设全球最大的射电望远镜。这是中国2007年批准立项的500米口径球面射电望远镜(FAST)项目，日前已经在贵州省开始基建，项目总投资6.27亿元，建设期5年半，已于2011年3月正式开工建设，预计于2016年9月建成。建成之后不仅将成为世界第一大单口径天文望远镜，并将在未来20年至30年内保持世界领先地位。

中科院院士、原国际天文学联合会副主席叶叔华表示，FAST最大的技术成就是解决了球面镜随时变抛面镜这一难点，中国是世界上首个掌握该技术的国家。选择贵州省，是因为要做一平方公里大口径的射电望远镜，估计要有30个望远镜拼在一起。中国贵州有很多巨大的山谷，足可以放这样一个望远镜。

科学家们自1994年提出项目建设规划后，就苦苦搜寻、反复论证近10年，才确认大射电望远镜FAST探测基地落户在贵州省平塘县一片名为大窝凼的喀斯特洼地。"大窝凼不仅具有一个天然的洼地可以架设望远镜，而且喀斯特地质条件可以保 障雨水向地下渗透，而不在表面淤积，腐蚀和损坏望远镜"，FAST工程办公室副主任张海燕说。 这里是喀斯特地貌所特有的一大片漏斗天坑群--它就像一个天然的"巨碗"，刚好盛起望远镜如30个足球场面积大的巨型反射面，望远镜建成后，将会填满这个山谷。

由于望远镜坐落于"大窝凼"凹坑内，所以非常适合观测。另外，大射电望远镜的观测虽然不受天气阴晴影响，但在选址中对无线电环境要求很高。调频电台、电视、手机以及其他无线电数据的传输都会对射电望远镜的观测造成干扰，就好像在交头接耳的会议上无法听清发言者讲话一样。大射电望远镜项目要求，台址半径5公里之内必须保持宁静，电磁环境不受干扰。

张海燕说，大窝凼附近没有集镇和工厂，在5公里半径之内没有一个乡镇，25公里半径之内只有一个县城，是最为理想的选址。有了FAST，边远闭塞的喀斯特山区将变成世人瞩目的国际天文学术中心，成为把贵州展现给世界的新窗口。

中国为建超级天文望远镜，将搬迁近万名当地居民。中国官方报道说，当地政府已经着手搬迁事宜，提出对搬迁居民经济补偿和住房帮助。报道透露，贵州省水库和生态移民局按照每人1.2万元标准进行补助;贵州省民宗委按照每户1万元标准对少数民族住房困难户进行补助。

7月3日，位于中国贵州省内的500米口径球面射电望远镜(FAST)，顺利安装最后一块反射面单元，标志着FAST主体工程完工，进入测试调试阶段。FAST主动反射面由4450块反射面板单元组成，面积约25万平米，近30个标准足球场大小，用于反射无线电波。据介绍，FAST旨在实现大天区面积、高精度的天文观测，其科学目标包括巡视宇宙中的中性氢、观测脉冲星、探测星际分子、搜索可能的星际通讯信号等，其应用目标是在日地环境研究、搜寻地外文明、国防建设和国家安全等国家重大需求方面发挥作用。

当代先进射电望远镜有:以德意志联邦共和国100米望远镜为代表的大﹑中型厘米波可跟踪抛物面射电望远镜;以美国国立射电天文台﹑瑞典翁萨拉天文台和日本东京天文台的设备为代表的毫米波射电望远镜;以即将完成的美国甚大天线阵。