射电望远镜馈源舱数字化模型的创建

赵正旭，刘曼云，宋立强，温晋杰，赵卫华，彭育贵

（1.青岛理工大学机械与汽车工程学院，青岛266520；2.石家庄铁道大学复杂网络与可视化研究所，石家庄050043；3.中国科学院国家天文台，北京100012；4.石家庄铁道大学信息科学与技术学院，石家庄050043）

0 引言

500 米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope），简称FAST，目前是世界上口径最大的射电望远镜，其灵敏度、观测范围等都远远高于美国的Arecibo 300 米望远镜，FAST 将在未来二三十年内保持世界顶尖设计水平[1]。FAST 的实施将对天文学科的发展提供众多的信息资源，FAST 的观测范围将扩展到宇宙边缘，对暗物质、暗能量进行发现与观测；与其他望远镜相比，在同样的时间内，发现更多的脉冲星以及脉冲星的位置信息，便能对宇宙中各个星球的位置关系进行进一步掌握与探测，对深空探测具有更高的价值；还有望于检测到星际通讯信号，对发现地外文明的发现提供可能性。对FAST 结构的分析以及数字化模型的创建，将对FAST 这一项重大工程进行国内外的科普，有助于大众对FAST 结构以及结构功能的深入了解，同时也方便管理者对FAST 实施更进一步的维护与管理。

1 FAST简介

1.1 FAST背景

FAST 被誉为“中国天眼”，由天文学家南仁东于1994 年构想而成，经历了22 个春秋才建造完成，最终在2016 年9 月25 日正式启用。FAST 具有我国自主知识产权，是世界上单口径最大、灵敏性最高的射电望远镜，其综合的性能是享誉世界的射电望远镜阿雷西博的十倍，在未来的星空有非常大的优势，在未知星体的发现中也会占有绝对的主导地位。FAST 位于贵州省平塘县的一处喀斯特洼坑地势中，选取这样的地势也是具有科学依据的，此卡斯特洼坑的地势最接近FAST 望远镜的造型，从而可大大降低工程挖掘的工作量；而且下雨天，喀斯特的地质可保障雨水渗入地下，而不会长期聚积在望远镜上，对望远镜造成腐蚀损坏；贵州山崖嵩立，FAST 望远镜寻址之处乡镇稀疏，观测时无其他障碍的影响，为FAST 提供了得天独厚的地势条件。

1.2 FAST结构简介

FAST 望远镜由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端及观测基地等几大部分构成[2]。下面介绍一下FAST 主体结构，FAST 口径为500 米，索网结构由近万根钢索组成，索网结构对FAST 的主动反射面具有支撑作用，是反射面进行变位过程中的关键点。整个索网包括6670 根主索、2225 个主索节点[3]；反射面索网安装在环形的圈梁上，圈梁由50 根格构柱支撑着；索网上安装着4450 个反射面单元，2225 个节点，节点下方处有下拉索，下拉索连接着促动器装置，促动器又与地锚相连接，通过对下拉索的控制，可改变索网的形状，进而控制反射面的形状，形成球面、抛面不同的形状来满足对不同天文信号观测和收集的需要。馈源舱约重30 吨，它由6 根钢索牵制着，6 根钢索分别连接在洼坑周围的6 座支撑塔上。钢索通过塔上滑轮等装置对馈源舱实施控制，可使馈源舱在一定范围内运动，这是对馈源舱的一级控制；二级控制来自于馈源舱底部的AB 轴，可控制馈源舱更加精准的位置；三级控制时通过Stewart 平台，避免风力的干扰并实现精准定位[4]。馈源舱具有聚焦的作用，可把反射面反射到的外太空中的电信号聚焦到馈源舱内部，从而方便研究者的观察与研究。

1.3 FAST原理介绍

FAST 可以接收到来自137 亿光年以外的电磁信号，范围甚至可以达到宇宙的边缘；FAST“眼球”的直径为500 米，接收光线的“眼珠”直径可达300 米，对电磁波的感应以及深空的探测非常灵活；FAST 望远镜不仅限于银河系的范围，可发现银河系以外的新星，甚至是旋转速度特别快的脉冲星也能被FAST 捕捉。FAST的贡献不仅仅是对天文学，对人类与自然中的科学发现也有重大帮助[3]。FAST 首先会在观测频率大约为280MHz～1620MHz 的低频下对脉冲星进行搜索[5]，脉冲星的发现与研究对深空探测、深空自主导航等方面的应用具有重要的引导作用[6]。FAST 望远镜将推动我国的天文观测水平进军为国际先进水平，为我国的天文科学家提供了研究平台与研究信息，通过对FAST 望远镜所获得的宇宙中的信息进行研究，可进一步探索宇宙的起源与演化、星体的成分与类别、宇宙中可能存在的星际通讯信号等，将不断对宇宙中的未知进行解密。

2 国产化建模环境

提到建模，自然而然会想到3D Studio Max 这一款建模软件，3D Max 可用于三维建模，对模型进行色彩、纹理、质感等设定，还可通过控制光的强度、颜色、反射方式来模拟真实光影效果[7]，其功能齐全，适用范围非常广泛。文中关于FAST 模型的可视化研究与实现是基于Linux 系统，所以适用于Windows 操作系统的3D Max 便不再适用于Linux 系统。以开源的Linux 系统为基础，国内已经有中科红旗、中标麒麟和深度操作等系统版本[8]。之所以选择中Linux 系统，是因为国产操作系统拥有着强化后的Linux 内核，根据不同客户的需要可有桌面版、通用版、高级版、安全版等；中标麒麟从管理员分权、细粒度的自主访问控制等多个方面为系统的安全提供保障，所以相对于Windows 操作系统而言，中标麒麟操作系统具有更高的安全机制。如在Windows 系统上可以运行的病毒程序并不适用于中标麒麟操作系统；中标麒麟操作系统的开源性会自主修复系统漏洞，随着国家对信息安全的重视程度越来越高，中标麒麟操作系统在不断地发展，其系统在不断地完善[9]，现已广泛应用于金融、交通、政府等领域。

本文中，基于中标麒麟操作系统，采用的建模软件为Blender。Blender 是一款支持跨平台的三维动画制作软件，可在Windows、Linux、OSX 等操作系统上应用，拥有建模、动画制作、材质处理、渲染等一系列功能，有BGE（Blender Game Engine）模块[10]。其开源免费、体积小的优点受到广泛的应用与支持。此外，Blender 与Unity 具有很好的交互，大部分的建模软件所建造出来的模型，如果要应用到Unity 中，首先需要将模型导出为FBX 的格式，而使用Blender 建模软件，则不需要将模型导出，直接把工程导入到Unity 中便可。

3 馈源舱结构及模型创建

3.1 馈源舱工作原理

馈源舱是FAST 望远镜的核心部位，其重量之大要求用独特的柔索来对其进行拖动、牵制，柔索可控制馈源舱在反射面上方特定的范围内进行缓慢的移动，从而可实时跟踪反射面焦点的变化，收集反射面焦点所接收到的天体信号，此接收方式相对灵活，不再受以往馈源接收机与反射面位置相对不变的限制[11]。馈源舱精确位置的确定需要6 个索驱动装置和馈源舱内部的部件来控制，索驱动装置和馈源舱内部AB 轴机构可对馈源舱的位置进行粗略的确定，索驱动装置为6 座支撑塔顶端与底端的滑轮装置和6 根钢索，由于钢索会受到风的干扰，所以对馈源舱位置进行控制时会产生一定的误差，所以就需要其他系统部件来对馈源舱实施精准的控制。馈源舱内部的Stewart 平台可避免风力的干扰，从而可实现对馈源舱精确位置的控制，Stewart 平台是一种并联机构，并联机构具有钢度高、精度高的优点[12]。馈源舱在整个焦面上运动有一定的倾覆角，但不会对馈源舱工作的正常性与安全性造成影响[13]。

3.2 馈源舱结构

馈源舱由多个结构组成，包括星形框架、Stewart 平台（Stewart 平台中包括上平台、下平台、分支杆等）、AB轴机构、多波束接收装置等。星形框架在馈源舱的最外侧，包裹着馈源舱的内部结构，星形框架上有连接索驱动的3 组舱索锚固头支座，可由索驱动装置进行控制[14]；馈源舱内部的结构，分别为上平台、AB 轴、下平台、分支杆以及多波束接收装置。AB 轴机构中可绕A、B 两轴旋转，通过对AB 轴机构的控制，可避免索牵引带来的指向不准确的问题[15]，实现对馈源接收机的控制。Stewart 平台同样可对馈源接收机进行调整，避免风力对馈源舱位置的影响，可对馈源接收机位置进行精确控制。分支杆用来连接上平台和下平台，具体安装位置由上平台分支杆的安装位置点和下平台分支杆的安装位置点来确定。

3.3 馈源舱模型的创建

（1）馈源舱内部结构的建模

在Blender 中建模，如馈源舱内部部分结构的创建，其模型如图1 所示，其中包括四个立方体，首先可创建一个立方体，然后在右侧的任务栏中找到尺寸设置，通过修改x、y、z 值的大小来确定立方体的长、宽、高，如设置立方体的规格尺寸为（1，1，1）（单位为m）；然后找到位置设置，通过修改x、y、z 的值来改变立方体在x 轴、y 轴、z 轴的相对位置，如确定立方体在x、y、z轴上的位移分别为（0，3.26，0）（单位为m），就确定了立方体的位置，接下来需要创建剩余的三个立方体，这四个立方体是完全一样的，每两个立方体分别关于x 轴、y 轴对称，我们可以对所创建的立方体绕轴z=0 旋转。首先将立方体的原点设置为3D 游标，3D 游标坐标为（0，0，0），然后对立方体进行复制，在右侧任务栏中的旋转任务栏中，将z 的角度增加90 度，然后按回车键就做好了第二个立方体，第三个、第四个立方体以此类推。如果要复制的物体非常多，一一复制旋转会造成工作量巨大，所以可以用阵列来实现。首先创建立方体1，确定好大小、位置后，将立方体1 的原点设置为3D游标，3D 游标坐标为（0，0，0），这样可以保证在对立方体1 进行旋转时是绕z=0 轴进行旋转的，然后对立方体1 进行复制，接着点击工具-＞旋转-＞约束轴：Z 轴-＞角度：60 度，这样就可看到立方体2，是在立方体1 的位置绕轴z=0 旋转60 度得到的；然后选中立方体1，从右侧任务栏中找到修改器，依次点击添加修改器-＞阵列-＞数量：6-＞取消其他偏移类型的勾选，勾选物体偏移并选择立方体2，就得到了6 个均匀分布的立方体。

对馈源舱内部如图1 所示模型的结构进行分析，主要部分有4 个箱体，4 个箱体根据图纸尺寸以及上述方法进行出创建，还有四个相同的桁架，桁架看起来很复杂，其实不然，对于桁架的创建，根据其中一个桁架中钢管的尺寸、倾斜角度、连接点等信息的控制来进行创建，并确定好坐标位置，其余三个只需对已创建出的桁架进行复制并进行旋转即可。从而得到的模型如图1 所示。

图1 馈源舱内部部分结构模型

上平台、下平台中都有一些类似的结构，根据上平台、下平台的图纸，对上平台、下平台主体模型进行创建。AB 轴、上平台、下平台构成馈源舱的内部结构，其模型如图2 内部所示。

（2）星形框架的建模

星形框架看起来很复杂，但仔细分析图纸会发现其中的结构是有一定的规律的，其中有很多相同的结构，例如先调整一根钢管的大小，然后根据其位置确定其坐标，再将具有相同结构的钢管通过已创建钢管绕原点进行旋转得到。钢管与钢管连接处就需要根据其坐标位置、倾斜角度来确定。星形框架为馈源舱外部结构，可对馈源舱内部的结构起到一定的保护作用，使其内部结构在工作时不会受到外界干扰，在雨天还能避免雨水的渗漏对馈源舱内部观测仪器造成侵蚀。根据图纸的规格尺寸，对星形框架进行建模，其主体模型如图2 中的外部框架所示。

图2 馈源舱框架模型

馈源舱整体模型如图3 所示。

图3 馈源舱模型

4 停靠平台的结构及模型创建

4.1 停靠平台介绍

舱停靠平台建在FAST 底部的开挖中心处，海拔高度为834 米。停靠平台是为馈源舱而建造，它是在馈源舱初始装配与调试、驱动索和缆线入舱的安装更换、馈源舱的临时停靠以及对馈源舱进行日常的维护与检测而建造，当馈源舱需要停靠时，柔索装置以及馈源舱内部的定位装置就可使馈源舱精确地停靠在停靠平台之上，工作人员可以很方便地对其进行舱停靠平台结构非常复杂，体积大，对建造的精度要求较高，工作量大，任务繁重，经历了大量人员的努力于工作时间才得以建成。

4.2 停靠平台结构介绍

概括来说，舱停靠平台包括舱支撑装置、滑轮支撑装置、控制柜、配电柜、防雷柜等。舱支撑装置中包含着环梁平台、爬梯平台、护栏以及对环梁平台起到支撑的立柱；滑轮支撑装置中包含着滑轮升降装置、滑轮装置、平台、梯子平台、围框以及对围框、滑轮起到支撑作用的支撑装置，其中又包括固定支撑装置、活动支撑装置和侧支撑装置。其中每部分装置又由更加具体的、基础的大量物体模型构成。

4.3 停靠平台模型的创建

舱支撑装置，需确定所创建各个物体的尺寸大小、坐标位置、相距距离，物体倾斜角度等即可。对舱支撑装置模型的创建用到陈列这一工具，会提高建模的效率。根据舱支撑装置图纸中的相关物体尺寸与关系，所建模型主体如图4 所示。

图4 舱支撑装置模型

滑轮支撑装置比较复杂，其中包含着诸多部件，对滑轮支撑装置模型的创建需要花费较多的时间。停靠平台中包含三组相同的滑轮支撑装置，所以只需创建一个，另外两个可根据已创建模型的复制、旋转来得到。对滑轮支撑装置诸多构成部件的创建，同样用到布尔这一工具，其中不规则形状物体的创建就要借助用布尔工具来创建，例如其中的筋板、平台、滑轮装置等。根据滑轮支撑装置的图纸，其模型主体如图5 所示。

图5 滑轮支撑装置模型

三组相同的滑轮支撑装置是围绕在舱支撑装置周围的，每组都可以通过其他组绕中心点旋转120 度或-120 度来得到。把舱支撑装置与三组滑轮支撑装置组合起来，就成为完整的停靠平台，其主体模型如图6所示。

图6 停靠平台模型

5 结语

Blender 是一款适用于中标麒麟操作系统且简单易学、功能强大的建模软件，在全球对操作系统安全性的呼吁声越来越大的过程中，中标麒麟操作系统对于安全性的保障会使其逐渐成为一种趋势，而Blender 这一款建模软件的应用也会越来越广泛。

FAST 是一项浩大的工程，其对天文学的研究将提供大量的天体信息资源，助力于天文学的发展与应用，其对天文学的资源贡献将是不可估量的。此文对FAST 中的馈源舱、停靠平台的工作原理与结构进行描述，并分别进行相应模型的创建与组合，科普FAST 中馈源舱、停靠平台的具体结构，方便大家对其中的结构有更加直观、更加清晰的认识与了解。