基于层次分析法的巨型射电望远镜选址策略研究

2023-02-02徐权杰杨静静夏贵江

南通职业大学学报 2023年4期

陈琨，徐权杰，杨静静，夏贵江，于玮

（南通大学 a. 张謇学院； b. 工程训练中心，江苏南通 226000）

随着科学技术的进步和对宇宙探索需求的不断增加，巨型射电望远镜的选址成为射电天文学领域的重要课题。其中，500 m 口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，简称FAST）作为全球最大单口径射电望远镜[1]，其选址过程更为复杂也尤为重要。巨型射电望远镜选址旨在为天文观测提供卓越的环境条件，最大限度地减少干扰和噪声，以获得精确、清晰的射电信号。选址过程需要综合考虑地理条件、地表地貌、大气环境及人类活动等多种因素。本文以FAST 为例，综合分析地理环境、天文观测需求及人类活动等因素的影响，以最大限度地提高巨型射电望远镜的性能和观测成效，为巨型射电望远镜的备用选址提供可行性建议。

1 FAST 选址的影响因素分析

宇宙中各种电磁波射向地球时，会受到大气不同成分的阻挡。为获取这些隐藏宇宙信息的电磁波，科学家发明了射电望远镜，用于在部分微波和无线电波段（称射电波段）观测宇宙，将天体发出的无线电波反射汇聚，再经放大后转变成可记录信号。因此，射电望远镜被称为人类探索宇宙的“天眼”。2016 年，中国建成的500 m 口径球面射电望远镜（FAST），拥有4 450 块反射面板，接收面积达25 万m2，堪比30 个足球场。假设在这个“大锅”内装满水，全世界每人可分4 瓶矿泉水。这是目前世界最大口径、最灵敏的射电望远镜，被称为“中国天眼”[2]。

“中国天眼”选址在贵州平塘县，综合分析其选址影响因素，主要包括地理环境、人文因素和基础设施等方面。

1.1 地理环境

（1）地貌要求

射电望远镜需要建造一个类似于锅形的反射面，并利用反射面将诸多信号汇聚于焦点。此外，该反射面的口径越大，则信号接收能力越强。基于这一基本原理，FAST 的选址应利用位于凹形口径较大的洼地。

（2）海拔要求

高海拔地区便于充分利用低温低湿的自然条件优势，降低后续工程难度。同时，高海拔地区有更广阔的视野，更有利于对外界进行观测。

1.2 人文因素

（1）人类活动

贵州平塘县地处偏远，人口密度小，旅游业发展程度低，电波干扰较少。同时，贵州政府在2013年出台政策支持“天眼”项目，建立了无线电静默区并将附近居民搬迁安置，以保障“天眼”的顺利建成和运行[3]。

1.3 基础设施因素

（1）排水要求

贵州平塘县位于云贵高原东南坡向广西丘陵的过渡地带，喀斯特地貌广布，地下溶洞众多，有利于雨水的渗透和流动，可避免因水体堆积而腐蚀望远镜天线的主体结构。

（2）供电要求

贵州能源供给充足稳定，能源结构多样化。截至2020 年底，贵州省电力装机达7 478 万kW、居全国第14 位，其中非化石能源装机占比52.9 %，非水可再生能源装机占比22.4 %[4]。电力产业雄厚，可以保障天眼的电力供应。

2 巨型射电望远镜选址原则

（1）可靠性原则

为确保望远镜可靠运行，应选择地理环境较稳定的地区，远离地质灾害地带和地震带等潜在风险区域。同时，要确保供电和通信网络的可靠性，以支持望远镜的正常运行和数据传输。

（2）观测条件原则

选址应优先考虑观测条件，包括干扰源的远离程度、大气稳定度和透明度等因素。应选择远离人造无线电干扰源，如城市、工厂和电信设施等，以减少其对观测信号的不利影响。较高的海拔能改善大气湍流情况，提供更好的观测条件。

（3）研究目标原则

选址需考虑项目的研究需求和目标。根据不同的科学目标，可以选择不同的地理环境和观测条件，以最大限度地支持特定研究领域的需求。

3 建立巨型射电望远镜选址评价体系

3.1 构建层次结构模型

本文采用层次分析法对巨型射电望远镜选址进行评价。根据巨型射电望远镜选址的影响因素分析，将巨型射电望远镜选址综合评价体系作为目标层，地理环境、人文因素、基础设施作为准则层，再将进一步细化得到的5 项基本指标作为方案层，建立层次分析法目标层次的结构模型[5]，如图1 所示。

图1 巨型射电望远镜选址综合评价体系目标层次结构模型

3.2 计算模型中各指标权重

3.2.1 准则层C 对目标层M 的重要性分析

两两比较准则层C 中的C1，C2，C3的相对重要性[6]，构造判断矩阵M-C，如表1 所示。

表1 M-C 判断矩阵

其中，矩阵中任一元素都满足

采用三分制标度法判断矩阵中的aij，标度定义详见表2。其数值根据贵州省人民政府[3]、贵州省能源局[4]、新疆奇台射电110 m 口径望远镜的选址地点[7]等给出的经验和策略综合权衡确定。

表2 三分制标度及其定义

求解M-C 判断矩阵的特征值，得最大特征值λmax=3.009 2。由公式（1）计算一致性比例CR，进行一致性检验。

表3 n 与Ri 关系

计算可得Ci=0.004 6，n=3，则Ri=0.58。由式（1）可得CR=0.007 93 ＜0.1，一致性检验通过。

通过上述步骤，得出C1，C2，C3在判断矩阵M-C 下的权重系数：算术平均法求权重，结果为=（0.539 0，0.163 8，0.297 3）T；几何平均法求权重，结果为=（0.539 6，0.163 4，0.297 0）T；特征值法求权重，结果为=（0.539 6，0.163 4，0.297 0）T。鉴于软件的计算精度，可能产生少量偏差，对三种方法的结果求算术平均值，以保证运算结果的稳定性，得到地理环境、人文因素、基础设施各指标权重结果为=（0.539 4，0.163 5，0.297 1）T。

3.2.2 方案层P 对准则层C 的重要性分析

构造判断矩阵C1-P，C2-P，C3-P，经MATLAB判断一致性，再求得权重，结果如表4-6 所示。

表4 C1-P 判断矩阵

表5 C2-P 判断矩阵

表6 C3-P 判断矩阵

3.2.3 方案层P 对目标层M 的组合权重和结果分析

对巨型射电望远镜选址指标体系进行综合评价。选取上一级指标与下一级指标权重的乘积进行得分排序，结果如表7 所示。

表7 组合权重得分

由表7 的各层次因素权重及排序结果可知，在巨型射电望远镜选址影响因素的准则层中，地理环境因素权重最高，为0.539 4，表明该因素与巨型射电望远镜选址密切相关。人文因素对巨型射电望远镜选址的影响权重为0.163 5，在3 个标准层指标中排在末位，说明与其他两个因素相比，人文因素对巨型射电望远镜选址的影响最小。

从方案层对目标层的权重看，海拔要求的权重最大，因为海拔的高度直接影响观测环境中的大气厚度、气候条件、大气湍流等因素，进而影响望远镜的灵敏度、角分辨率和观测效果。这与方案层的权重排序完全相符。排水要求权重最小，说明其对于巨型射电望远镜选址重要性相对较小。

3.3 各影响要素赋值和汇总

对各影响因素建立评估赋值原则如表8。由表8 对各影响因素赋分后加权汇总，得到一个量化风险值，可用于反映巨型射电望远镜选址的适合程度。

表8 各影响因素评估赋值原则

4 备用选址结果

通过3.2.3 中影响因素综合分析，可得到初步选址评价图层。其影响因素分为5 种，总得分越高，说明该地区现有地理环境、人文因素、基础设施条件等越符合巨型射电望远镜备选址地点要求。

4.1 选址范围确定

首先，结合远离射频干涉、环境等选址要求，在全国范围内寻找合适的省份。考虑要求人口密度、旅游业发展程度不能过高，排除了黑河—腾冲线以东尤其是东部沿海省区，重点关注西北半壁这一范围。

青藏高原虽然具有海拔优势，但山川延绵且有大量永冻土分布，施工难度极高，不利于望远镜主体建造，被排除在待选地址外[7]。

面积较大的内蒙古自治区虽是我国国家数据中心北方基地所在，但该地区基本属于高原地貌，顶部平坦开阔，四周较陡，较难找到合适的凹形大口径洼地，且草原地区排水问题和牛羊等牲畜影响较大。因此，项目选址也排除了内蒙古自治区。

最终，将选址范围聚焦为新疆维吾尔自治区。值得一提的是，新疆昌吉州奇台县110 m 口径全可动射电望远镜项目于2022 年开工[8]，说明该省份对于建设射电望远镜有其独特的地理区位优势。选址避开旅游业比较发达的伊犁，在新疆北部的阿勒泰地区寻找一个合适的凹形大口径洼地。

4.2 具体选址评价分析

通过研究和分析，在新疆维吾尔自治区阿勒泰地区的富蕴县境内，富蕴站西南方位某处，找到一块天然巨型洼地，其大小刚好适合建造巨型天文射电望远镜。如图2 卫星地图所示，所选备用地址位于线框内，精确位置为北纬46.912 043°，东经89.464 685°，高度900～1 000 m。

图2 所选地址的卫星地图

以此巨型洼地为目标选址，应用本文所述方法对其进行建库选址综合评价。

巨型洼地海拔高度为900～1 000 m，符合800～2 000 m 的高海拔要求；人口密度约为3人/km2[9]，人口较为稀少，大大降低了人类活动对射电望远镜观测的影响；富蕴县及其周边地区属大陆性寒温带干旱气候，日照丰富，年日照2 869.8 h，气候干燥，年降水量189.6 mm，蒸发量极大（年蒸发量1 970 mm），故洼地含积水情况极少，同时强大的蒸发能力能快速解决排水问题。

阿勒泰地区具有丰富的风能和太阳能资源，风能储量、太阳能年辐射总量均居全国前列。2022年6 月，阿勒泰地区25 万kW 保障性并网风电建设项目开工建设，现已初具规模，投入使用后年均发电量预计达7.84 亿kW·h[10]，且随建设的不断完善，供电将更为稳定。参照表8，得到富蕴县内巨型洼地各指标的适宜度分级，将各指标得分7、9、9、8、8 与表7 中对应的权重相乘后再相加，计算综合建设适合度为7×0.202 275+9×0.337 125+9×0.163 50+8 ×0.074 275+8 ×0.222 825=8.298，表明该巨型洼地区域具备建设巨型射电望远镜的适合条件，可以作为备用选址地点。