射電望遠鏡饋源艙數字化模型的創建

趙正旭，劉曼云，宋立強，溫晉杰，趙衛華，彭育貴

（1.青島理工大學機械與汽車工程學院，青島266520；2.石家莊鐵道大學復雜網絡與可視化研究所，石家莊050043；3.中國科學院國家天文臺，北京100012；4.石家莊鐵道大學信息科學與技術學院，石家莊050043）

0 引言

500 米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope），簡稱FAST，目前是世界上口徑最大的射電望遠鏡，其靈敏度、觀測范圍等都遠遠高于美國的Arecibo 300 米望遠鏡，FAST 將在未來二三十年內保持世界頂尖設計水平[1]。FAST 的實施將對天文學科的發展提供眾多的信息資源，FAST 的觀測范圍將擴展到宇宙邊緣，對暗物質、暗能量進行發現與觀測；與其他望遠鏡相比，在同樣的時間內，發現更多的脈沖星以及脈沖星的位置信息，便能對宇宙中各個星球的位置關系進行進一步掌握與探測，對深空探測具有更高的價值；還有望于檢測到星際通訊信號，對發現地外文明的發現提供可能性。對FAST 結構的分析以及數字化模型的創建，將對FAST 這一項重大工程進行國內外的科普，有助于大眾對FAST 結構以及結構功能的深入了解，同時也方便管理者對FAST 實施更進一步的維護與管理。

1 FAST簡介

1.1 FAST背景

FAST 被譽為“中國天眼”，由天文學家南仁東于1994 年構想而成，經歷了22 個春秋才建造完成，最終在2016 年9 月25 日正式啟用。FAST 具有我國自主知識產權，是世界上單口徑最大、靈敏性最高的射電望遠鏡，其綜合的性能是享譽世界的射電望遠鏡阿雷西博的十倍，在未來的星空有非常大的優勢，在未知星體的發現中也會占有絕對的主導地位。FAST 位于貴州省平塘縣的一處喀斯特洼坑地勢中，選取這樣的地勢也是具有科學依據的，此卡斯特洼坑的地勢最接近FAST 望遠鏡的造型，從而可大大降低工程挖掘的工作量；而且下雨天，喀斯特的地質可保障雨水滲入地下，而不會長期聚積在望遠鏡上，對望遠鏡造成腐蝕損壞；貴州山崖嵩立，FAST 望遠鏡尋址之處鄉鎮稀疏，觀測時無其他障礙的影響，為FAST 提供了得天獨厚的地勢條件。

1.2 FAST結構簡介

FAST 望遠鏡由主動反射面系統、饋源支撐系統、測量與控制系統、接收機與終端及觀測基地等幾大部分構成[2]。下面介紹一下FAST 主體結構，FAST 口徑為500 米，索網結構由近萬根鋼索組成，索網結構對FAST 的主動反射面具有支撐作用，是反射面進行變位過程中的關鍵點。整個索網包括6670 根主索、2225 個主索節點[3]；反射面索網安裝在環形的圈梁上，圈梁由50 根格構柱支撐著；索網上安裝著4450 個反射面單元，2225 個節點，節點下方處有下拉索，下拉索連接著促動器裝置，促動器又與地錨相連接，通過對下拉索的控制，可改變索網的形狀，進而控制反射面的形狀，形成球面、拋面不同的形狀來滿足對不同天文信號觀測和收集的需要。饋源艙約重30 噸，它由6 根鋼索牽制著，6 根鋼索分別連接在洼坑周圍的6 座支撐塔上。鋼索通過塔上滑輪等裝置對饋源艙實施控制，可使饋源艙在一定范圍內運動，這是對饋源艙的一級控制；二級控制來自于饋源艙底部的AB 軸，可控制饋源艙更加精準的位置；三級控制時通過Stewart 平臺，避免風力的干擾并實現精準定位[4]。饋源艙具有聚焦的作用，可把反射面反射到的外太空中的電信號聚焦到饋源艙內部，從而方便研究者的觀察與研究。

1.3 FAST原理介紹

FAST 可以接收到來自137 億光年以外的電磁信號，范圍甚至可以達到宇宙的邊緣；FAST“眼球”的直徑為500 米，接收光線的“眼珠”直徑可達300 米，對電磁波的感應以及深空的探測非常靈活；FAST 望遠鏡不僅限于銀河系的范圍，可發現銀河系以外的新星，甚至是旋轉速度特別快的脈沖星也能被FAST 捕捉。FAST的貢獻不僅僅是對天文學，對人類與自然中的科學發現也有重大幫助[3]。FAST 首先會在觀測頻率大約為280MHz～1620MHz 的低頻下對脈沖星進行搜索[5]，脈沖星的發現與研究對深空探測、深空自主導航等方面的應用具有重要的引導作用[6]。FAST 望遠鏡將推動我國的天文觀測水平進軍為國際先進水平，為我國的天文科學家提供了研究平臺與研究信息，通過對FAST 望遠鏡所獲得的宇宙中的信息進行研究，可進一步探索宇宙的起源與演化、星體的成分與類別、宇宙中可能存在的星際通訊信號等，將不斷對宇宙中的未知進行解密。

2 國產化建模環境

提到建模，自然而然會想到3D Studio Max 這一款建模軟件，3D Max 可用于三維建模，對模型進行色彩、紋理、質感等設定，還可通過控制光的強度、顏色、反射方式來模擬真實光影效果[7]，其功能齊全，適用范圍非常廣泛。文中關于FAST 模型的可視化研究與實現是基于Linux 系統，所以適用于Windows 操作系統的3D Max 便不再適用于Linux 系統。以開源的Linux 系統為基礎，國內已經有中科紅旗、中標麒麟和深度操作等系統版本[8]。之所以選擇中Linux 系統，是因為國產操作系統擁有著強化后的Linux 內核，根據不同客戶的需要可有桌面版、通用版、高級版、安全版等；中標麒麟從管理員分權、細粒度的自主訪問控制等多個方面為系統的安全提供保障，所以相對于Windows 操作系統而言，中標麒麟操作系統具有更高的安全機制。如在Windows 系統上可以運行的病毒程序并不適用于中標麒麟操作系統；中標麒麟操作系統的開源性會自主修復系統漏洞，隨著國家對信息安全的重視程度越來越高，中標麒麟操作系統在不斷地發展，其系統在不斷地完善[9]，現已廣泛應用于金融、交通、政府等領域。

本文中，基于中標麒麟操作系統，采用的建模軟件為Blender。Blender 是一款支持跨平臺的三維動畫制作軟件，可在Windows、Linux、OSX 等操作系統上應用，擁有建模、動畫制作、材質處理、渲染等一系列功能，有BGE（Blender Game Engine）模塊[10]。其開源免費、體積小的優點受到廣泛的應用與支持。此外，Blender 與Unity 具有很好的交互，大部分的建模軟件所建造出來的模型，如果要應用到Unity 中，首先需要將模型導出為FBX 的格式，而使用Blender 建模軟件，則不需要將模型導出，直接把工程導入到Unity 中便可。

3 饋源艙結構及模型創建

3.1 饋源艙工作原理

饋源艙是FAST 望遠鏡的核心部位，其重量之大要求用獨特的柔索來對其進行拖動、牽制，柔索可控制饋源艙在反射面上方特定的范圍內進行緩慢的移動，從而可實時跟蹤反射面焦點的變化，收集反射面焦點所接收到的天體信號，此接收方式相對靈活，不再受以往饋源接收機與反射面位置相對不變的限制[11]。饋源艙精確位置的確定需要6 個索驅動裝置和饋源艙內部的部件來控制，索驅動裝置和饋源艙內部AB 軸機構可對饋源艙的位置進行粗略的確定，索驅動裝置為6 座支撐塔頂端與底端的滑輪裝置和6 根鋼索，由于鋼索會受到風的干擾，所以對饋源艙位置進行控制時會產生一定的誤差，所以就需要其他系統部件來對饋源艙實施精準的控制。饋源艙內部的Stewart 平臺可避免風力的干擾，從而可實現對饋源艙精確位置的控制，Stewart 平臺是一種并聯機構，并聯機構具有鋼度高、精度高的優點[12]。饋源艙在整個焦面上運動有一定的傾覆角，但不會對饋源艙工作的正常性與安全性造成影響[13]。

3.2 饋源艙結構

饋源艙由多個結構組成，包括星形框架、Stewart 平臺（Stewart 平臺中包括上平臺、下平臺、分支桿等）、AB軸機構、多波束接收裝置等。星形框架在饋源艙的最外側，包裹著饋源艙的內部結構，星形框架上有連接索驅動的3 組艙索錨固頭支座，可由索驅動裝置進行控制[14]；饋源艙內部的結構，分別為上平臺、AB 軸、下平臺、分支桿以及多波束接收裝置。AB 軸機構中可繞A、B 兩軸旋轉，通過對AB 軸機構的控制，可避免索牽引帶來的指向不準確的問題[15]，實現對饋源接收機的控制。Stewart 平臺同樣可對饋源接收機進行調整，避免風力對饋源艙位置的影響，可對饋源接收機位置進行精確控制。分支桿用來連接上平臺和下平臺，具體安裝位置由上平臺分支桿的安裝位置點和下平臺分支桿的安裝位置點來確定。

3.3 饋源艙模型的創建

（1）饋源艙內部結構的建模

在Blender 中建模，如饋源艙內部部分結構的創建，其模型如圖1 所示，其中包括四個立方體，首先可創建一個立方體，然后在右側的任務欄中找到尺寸設置，通過修改x、y、z 值的大小來確定立方體的長、寬、高，如設置立方體的規格尺寸為（1，1，1）（單位為m）；然后找到位置設置，通過修改x、y、z 的值來改變立方體在x 軸、y 軸、z 軸的相對位置，如確定立方體在x、y、z軸上的位移分別為（0，3.26，0）（單位為m），就確定了立方體的位置，接下來需要創建剩余的三個立方體，這四個立方體是完全一樣的，每兩個立方體分別關于x 軸、y 軸對稱，我們可以對所創建的立方體繞軸z=0 旋轉。首先將立方體的原點設置為3D 游標，3D 游標坐標為（0，0，0），然后對立方體進行復制，在右側任務欄中的旋轉任務欄中，將z 的角度增加90 度，然后按回車鍵就做好了第二個立方體，第三個、第四個立方體以此類推。如果要復制的物體非常多，一一復制旋轉會造成工作量巨大，所以可以用陣列來實現。首先創建立方體1，確定好大小、位置后，將立方體1 的原點設置為3D游標，3D 游標坐標為（0，0，0），這樣可以保證在對立方體1 進行旋轉時是繞z=0 軸進行旋轉的，然后對立方體1 進行復制，接著點擊工具-＞旋轉-＞約束軸：Z 軸-＞角度：60 度，這樣就可看到立方體2，是在立方體1 的位置繞軸z=0 旋轉60 度得到的；然后選中立方體1，從右側任務欄中找到修改器，依次點擊添加修改器-＞陣列-＞數量：6-＞取消其他偏移類型的勾選，勾選物體偏移并選擇立方體2，就得到了6 個均勻分布的立方體。

對饋源艙內部如圖1 所示模型的結構進行分析，主要部分有4 個箱體，4 個箱體根據圖紙尺寸以及上述方法進行出創建，還有四個相同的桁架，桁架看起來很復雜，其實不然，對于桁架的創建，根據其中一個桁架中鋼管的尺寸、傾斜角度、連接點等信息的控制來進行創建，并確定好坐標位置，其余三個只需對已創建出的桁架進行復制并進行旋轉即可。從而得到的模型如圖1 所示。

圖1 饋源艙內部部分結構模型

上平臺、下平臺中都有一些類似的結構，根據上平臺、下平臺的圖紙，對上平臺、下平臺主體模型進行創建。AB 軸、上平臺、下平臺構成饋源艙的內部結構，其模型如圖2 內部所示。

（2）星形框架的建模

星形框架看起來很復雜，但仔細分析圖紙會發現其中的結構是有一定的規律的，其中有很多相同的結構，例如先調整一根鋼管的大小，然后根據其位置確定其坐標，再將具有相同結構的鋼管通過已創建鋼管繞原點進行旋轉得到。鋼管與鋼管連接處就需要根據其坐標位置、傾斜角度來確定。星形框架為饋源艙外部結構，可對饋源艙內部的結構起到一定的保護作用，使其內部結構在工作時不會受到外界干擾，在雨天還能避免雨水的滲漏對饋源艙內部觀測儀器造成侵蝕。根據圖紙的規格尺寸，對星形框架進行建模，其主體模型如圖2 中的外部框架所示。

圖2 饋源艙框架模型

饋源艙整體模型如圖3 所示。

圖3 饋源艙模型

4 ?？科脚_的結構及模型創建

4.1 ?？科脚_介紹

艙停靠平臺建在FAST 底部的開挖中心處，海拔高度為834 米。停靠平臺是為饋源艙而建造，它是在饋源艙初始裝配與調試、驅動索和纜線入艙的安裝更換、饋源艙的臨時?？恳约皩︷佋磁撨M行日常的維護與檢測而建造，當饋源艙需要停靠時，柔索裝置以及饋源艙內部的定位裝置就可使饋源艙精確地?？吭谕？科脚_之上，工作人員可以很方便地對其進行艙?？科脚_結構非常復雜，體積大，對建造的精度要求較高，工作量大，任務繁重，經歷了大量人員的努力于工作時間才得以建成。

4.2 ?？科脚_結構介紹

概括來說，艙停靠平臺包括艙支撐裝置、滑輪支撐裝置、控制柜、配電柜、防雷柜等。艙支撐裝置中包含著環梁平臺、爬梯平臺、護欄以及對環梁平臺起到支撐的立柱；滑輪支撐裝置中包含著滑輪升降裝置、滑輪裝置、平臺、梯子平臺、圍框以及對圍框、滑輪起到支撐作用的支撐裝置，其中又包括固定支撐裝置、活動支撐裝置和側支撐裝置。其中每部分裝置又由更加具體的、基礎的大量物體模型構成。

4.3 ?？科脚_模型的創建

艙支撐裝置，需確定所創建各個物體的尺寸大小、坐標位置、相距距離，物體傾斜角度等即可。對艙支撐裝置模型的創建用到陳列這一工具，會提高建模的效率。根據艙支撐裝置圖紙中的相關物體尺寸與關系，所建模型主體如圖4 所示。

圖4 艙支撐裝置模型

滑輪支撐裝置比較復雜，其中包含著諸多部件，對滑輪支撐裝置模型的創建需要花費較多的時間。停靠平臺中包含三組相同的滑輪支撐裝置，所以只需創建一個，另外兩個可根據已創建模型的復制、旋轉來得到。對滑輪支撐裝置諸多構成部件的創建，同樣用到布爾這一工具，其中不規則形狀物體的創建就要借助用布爾工具來創建，例如其中的筋板、平臺、滑輪裝置等。根據滑輪支撐裝置的圖紙，其模型主體如圖5 所示。

圖5 滑輪支撐裝置模型

三組相同的滑輪支撐裝置是圍繞在艙支撐裝置周圍的，每組都可以通過其他組繞中心點旋轉120 度或-120 度來得到。把艙支撐裝置與三組滑輪支撐裝置組合起來，就成為完整的停靠平臺，其主體模型如圖6所示。

圖6 ?？科脚_模型

5 結語

Blender 是一款適用于中標麒麟操作系統且簡單易學、功能強大的建模軟件，在全球對操作系統安全性的呼吁聲越來越大的過程中，中標麒麟操作系統對于安全性的保障會使其逐漸成為一種趨勢，而Blender 這一款建模軟件的應用也會越來越廣泛。

FAST 是一項浩大的工程，其對天文學的研究將提供大量的天體信息資源，助力于天文學的發展與應用，其對天文學的資源貢獻將是不可估量的。此文對FAST 中的饋源艙、?？科脚_的工作原理與結構進行描述，并分別進行相應模型的創建與組合，科普FAST 中饋源艙、?？科脚_的具體結構，方便大家對其中的結構有更加直觀、更加清晰的認識與了解。