大型射电望远镜是深空探测器导航、天体物理、天体测量等领域的关键基础设施。脉冲星、宇宙微波背景辐射等获得诺贝尔奖的重大天文发现均来源于射电望远镜的观测。在全方位可动型望远镜中，国际上先后建设了澳大利亚Parkes 64米、德国Effelsberg 100米、美国GBT 110米和意大利SRT 64米等大型射电望远镜。我国当时先后建成上海25米、新疆25米、北京50米和昆明40米射电望远镜。这四台望远镜和上海数据处理中心组成甚长基线干涉测量网（VLBI），作为探月工程VLBI测轨分系统，为探月工程国家重大专项的精密测定轨任务做出了重大贡献。但我国当时的射电望远镜与国际先进水平相比，天线口径小、观测频率低，制约着执行国家探月和深空探测重大任务和开展原创性射电天文观测研究的能力。

由此，中国科学院、上海市和探月工程联合出资，研制了我国第一台大型射电望远镜系统即上海65米射电望远镜（天马望远镜）。建设大型射电望远镜，需要攻克高精度指向、高接收效率、低温宽频带接收、复杂灵活控制、综合性能测试、重力变形改正等一系列技术难题。上海天文台联合中国电科54所、上海交通大学、中国电科16所等单位，攻克多项关键技术，于2017年建成了性能先进、功能齐全的全可动大型射电望远镜系统。天马望远镜整体性能达到国际先进水平，极大地提升了我国探月卫星和深空探测器VLBI测定轨能力、国际VLBI观测和射电天文观测研究能力。该望远镜获得2018年度上海市科技进步奖特等奖。

2024年9月，英文学术期刊《Astronomical Techniques and Instruments》（《天文技术与仪器》）出版了天马望远镜研发技术有关的专刊论文，从多个方面介绍了天马望远镜的研发技术和经验，对后续射电望远镜的研发和应用具有参考价值。这六篇论文的简介如下。

刘庆会、沈志强、洪晓瑜等的论文《上海65米射电望远镜》从总体上介绍了天马望远镜的研发和应用情况，论文摘要为：天马望远镜是一台具有多种科学用途的全方位可转动大型射电望远镜，2008年至2012年完成望远镜主体和L、C、S/X等4个低频段接收系统建设，2013年至2017年完成Ku、K、Ka和Q等4个高频段接收系统建设和综合性能调试。主要创新有三点：1．建成了性能先进、功能齐全的全可动大型射电望远镜系统。2．完成了先进的高可靠性主反射面调整系统，克服重力变形 ，实现了任意仰角面型精度0.28mm的大型天线。3．综合发展5项创新性技术实现了任意方向3角秒高精度指向。天马望远镜为我国月球和深空探测器测轨定位做出了关键贡献。大幅提升了我国参加国际VLBI观测和射电天文观测能力，在VLBI、谱线和脉冲星等射电天文观测研究中取得一系列成果。

图1，天马望远镜

杜彪、郑元鹏、刘国玺等的论文介绍了天马望远镜天线系统的研发和制造技术。论文摘要为：天马望远镜是一台全可动单口径射电望远镜，工作波长从厘米波到毫米波（对应工作频率从1.25GHz到50GHz）。本文详细介绍了该望远镜天线的主要指标要求、设计方案、性能分析、测试验证和建设过程。天线测试的总效率在整个俯仰角内优于50％，第一旁瓣小于-20dB，天线系统噪声温度在30°仰角低于70K，指向精度优于3″。测试结果与计算结果吻合良好，验证了设计与分析的正确性。

图2 三个俯仰角下的重力变形。俯仰角为（A）5°、（B）50°、（C）90°。

王玲玲、刘庆会、蔡勇的论文介绍了天马望远镜的时间和频率系统。主要内容为：时间和频率是射电天文观测的重要保障。文章从系统层面介绍了时频系统的各个方面，可以为其他测站时频系统的建设提供一定的参考。天马望远镜除了进行常规的天文观测之外，还承担了探月探火等国家重大任务，其时间和频率系统设计的宗旨是稳定可靠及高性能。为了满足这些要求，重点关注了几个关键方面：1）双备份高性能原子频率标准：采用高性能氢原子钟作为频率标准，并且采取双机热备份。2）高标准的系统运行环境：运行环境旨在确保稳定性和可靠性。包括温度控制、振动隔离和电磁屏蔽，以最大限度地减少可能影响频率标准性能的外部因素。3）信号输出自动切换：多路信号自动切换，只需一个按钮即可快速切换，降低了误操作的概率，大幅提高了系统可靠性。4）模块化高可靠性系统软件设计：系统的软件架构采取模块化可靠设计，有助于轻松维护、升级和故障排除。天马望远镜时间频率系统建成至今，常年7×24小时不间断运行，为整个台站提供了高性能、高可靠性的频率和时间标准。

图3 天马望远镜的时间频率系统的基本框图

张子含、叶骞、付丽等的论文介绍了基于神经网络的具有主动面系统的大型天线面型形变的实时计算技术。本论文提出了一种创新的基于替代模型的建模方法，该方法利用图神经网络（GNN）来补偿大型射电望远镜中的重力和热变形。传统上，快速补偿重力变形是可行的，但对温度引起的变形则不然。这种方法的引入便于实时计算由重力和温度引起的变形。构建替代模型涉及两个关键步骤。首先，对重力和热载荷进行编码，这有助于神经网络更高效地学习。其次是使用GNN作为端到端模型。该模型有效地将外部载荷映射到变形上，同时保持节点之间的空间相关性。仿真结果证实，所提出的方法能够成功地实时估计主反射面变形，提供的结果与通过有限元分析得到的结果在实际中几乎无法区分。我们还将所提出的方法与焦点外（OOF）全息测量进行了比较实验。结果表明，替代模型的计算结果与OOF方法相似。

图4 生成数据集的过程，包括两个输入特征(姿态和温度)和一个输出特征(促动器调整)

孙正雄、王锦清、虞林峰等的论文介绍了基于无线电方法的大型射电望远镜面型检测技术。主要内容为：面形精度与天线的工作频率直接相关，面形精度越高，工作频率可越高，一般要求面形误差小于工作波长的二十分之一。为了维持射电望远镜的高效工作，需要周期性地对天线主反射面的面形进行检测，并依据检测结果进行调整。结合主动面调整技术，以实现对面形误差的准确评估与修正，保证了射电望远镜的电性能。

通过反复测量和调整的迭代方法，使面形逐渐逼近理想状态。面形的改善过程见下图，图中扣除了副面和撑腿的遮挡部分。由于天气和风等环境因素对测量的影响，每次调整主面后，需要进行验证测量。通过对天马望远镜的面形测量分析，进行了多轮测量与调整，该望远镜在53度俯仰角实现了0.28 mm RMS的面形误差，且在Ka频段的天线效率由37%提升至56%。此外，还在其他俯仰角度上应用了离焦全息法和波前扰动法，证实了这些模型在更广俯仰范围内的效率改善能力，尤其是在低俯仰角和高俯仰角上分别提升了约1.3倍和1.6倍的效率。

图5 连续调整主动面后的面形误差，颜色条的单位为毫米。

付丽、李旺、王玲玲等的论文介绍了风载荷对天线指向精度影响的实验研究。主要内容为：风载荷具有瞬时性和紊乱性的特点，其作用在天线结构上会产生随机误差，对于高频观测，此项影响不可忽略。以天马望远镜为研究对象，基于搭建的结构振动测量系统，对风载荷引起的天线指向误差展开实验研究。首先以天线结构自振频率范围为参考，通过带通滤波法获得有用信号；再基于快速离散傅里叶变换方法过滤直流分量，最小二乘法拟合加速度进行基线矫正；最后通过离散累加梯形面积方法近似求解加速度积分，经过二次积分得到天线的结构振动位移，副面的位移减去馈源的位移得天线在光轴方向的位移，从而可以计算出天线的俯仰与方位指向误差。在风速为3.2m/s，天线俯仰角为61.7°，风向角为80°时，产生的俯仰指向误差为3.05角秒，方位指向误差为1.14角秒，与有限元分析和倾斜仪测量结果吻合，证明提出的信号处理方法和指向误差计算方法的正确性。研究方法及数据分析结果为进一步风致指向误差修正提供依据。

图6，指向误差与时间曲线

六篇论文的链接如下：

1. .联系人：刘庆会 liuqh@shao.ac.cn

文字连接：https://doi.org/10.61977/ati2024031

2. 联系人：杜彪 biaodu@163.com，

文字连接：http://ati.ac.cn/en/article/doi/10.61977/ati2024038

3.联系人：王玲玲 llwang@shao.ac.cn

文字连接：http://ati.ac.cn/en/article/doi/10.61977/ati2024039

4. 联系人：叶骞 yeqian@shao.ac.cn

文字连接：http://ati.ac.cn/en/article/doi/10.61977/ati2024036

5. 联系人：王锦清 jqwang@shao.ac.cn

文字连接：http://ati.ac.cn/en/article/doi/10.61977/ati2024035

6. 联系人：付丽 fuli@shao.ac.cn

文字连接：https://doi.org/10.61977/ati2024033