CN111256664A - 一种球面射电望远镜反射面测量系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种球面射电望远镜反射面测量系统和方法，该系统包括：通讯模块，用于接收测量信息，所述测量信息包括观测指令和天文信息；解析模块，用于根据所述观测指令对所述天文信息进行解析，得到所述反射面上对应抛物面的顶点位置和所述抛物面的轴的指向；处理模块，用于根据所述抛物面的顶点位置和所述轴的指向确定索网区域，该索网区域为支撑所述抛物面的部分反射面；以及测量模块，用于对所述索网区域的索网节点进行位置测量，得到节点精确位置。本发明通过对天文信息进行解析得到相应索网节点的节点初始位置，根据节点初始位置查找匹配的全站仪来对相应索网节点进行精确测量，测量方案稳定有效，大大节约了测量时间。
Description
技术领域
本发明涉及球面射电望远镜反射面测量技术，特别地，涉及一种球面射电望远镜反射面测量系统和方法。
背景技术
FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，500米口径球面射电望远镜)主动反射面的索网结构巨大，受力情况复杂，在驱动电机拉动索网节点时其不严格沿径向运动，会有切向横移，这使得仅通过驱动电机调整量判断节点位置并不准确，而且承受巨大拉力的下拉索的弹性变形也难以准确估计。
FAST望远镜主体由四大工艺系统构成，分别是主动反射面系统、馈源支撑系统、接收机与终端系统、测量与控制系统。主动反射面如同一口直径500米的大锅，可以汇聚天体辐射的电波信号，由接收机设备接收并记录信号。图1是本发明现有技术提供的FAST主动反射面索网结构示意图，如图1所示，主动反射面系统由四周支撑的圈梁101、主体结构的主索102、连接地面调节面型的下拉索103以及索网上铺设的面板(图1中未示出)构成。交叉连接的钢索段形成整体索网，索网网格为尺度11米的三角形，2225个交叉连接处为索网节点，每个节点连接6根索网主索，节点下端安装下拉索和驱动机构，驱动机构由驱动电机和可伸缩的促动器组成。在驱动机构的拉动下，下拉索使整体索网在预应力作用下形成初始球面；观测时，控制下拉索的长度和张力，使反射面在有效照明口径内形成瞬时抛物面，通过结构设计来保证整体张拉和观测过程中柔索不松不断。
FAST反射面由数千块单元面板组成，以钢索网为支撑，通过控制钢索网节点实现索网变形。望远镜观测时，根据天文规划与节点测量反馈信息等来计算节点调整量并下发给促动器进行本地控制，通过促动器调整节点位置，以实现反射面的主动变形，形成口径约300米的瞬时抛物面。由于索网结构巨大，索网节点众多，因而需要一套系统的测量方法来快速实时地对索网节点进行测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种球面射电望远镜反射面测量系统和方法，用以解决对反射面索网节点进行实时快速测量的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种球面射电望远镜反射面测量系统，该系统包括：通讯模块，用于接收测量信息，所述测量信息包括观测指令和天文信息；解析模块，用于根据所述观测指令对所述天文信息进行解析，得到所述反射面上对应抛物面的顶点位置和所述抛物面的轴的指向；处理模块，用于根据所述抛物面的顶点位置和所述轴的指向确定索网区域，该索网区域为支撑所述抛物面的部分反射面；以及测量模块，用于对所述索网区域的索网节点进行位置测量，得到节点精确位置。
优选地，所述测量模块包括：多个全站仪，安装在测量基墩上；所述测量模块通过所述多个全站仪中的至少一个全站仪对所述索网区域的索网节点进行位置测量。
优选地，该系统还包括：数据库访问模块，根据所述抛物面的顶点位置和所述轴的指向通过访问数据库得到所述索网区域的索网节点的节点初始位置，所述数据库存储了所述抛物面的顶点位置和轴的指向、所述节点初始位置以及所述抛物面的顶点位置和轴的指向与节点初始位置对应关系；其中，所述处理模块根据所述节点初始位置分配全站仪，通过所分配的全站仪测量得到所述索网区域的索网节点的节点精确位置。
优选地，所述通讯模块接收的所述测量信息还包括标定指令；以及所述处理模块还用于根据所述标定指令确定所述索网区域，该索网区域为整个反射面或部分反射面。
优选地，该系统还包括：多个靶标，与所述索网节点一一对应安装；所述全站仪通过测量所述靶标的位置来确定所述索网节点的节点精确位置。
优选地，该系统还包括：监控模块，用于对所述测量模块进行位置测量的实施方案进行规划和监控；以及以下一者或多者：初始化模块，用于对所述反射面测量系统中的各个模块进行初始化；图形显示模块：用于显示所述测量模块的测量状况。
相应地，本发明还提供了一种球面射电望远镜反射面测量方法，该方法包括：接收测量信息，所述测量信息包括观测指令和天文信息；根据所述观测指令对所述天文信息进行解析，得到所述反射面上对应抛物面的顶点位置和所述抛物面的轴的指向；根据所述抛物面的顶点位置和所述轴的指向确定索网区域，该索网区域为支撑所述抛物面的部分反射面；以及对所述索网区域的索网节点进行位置测量，得到节点精确位置。
优选地，对所述索网区域的索网节点进行位置测量包括：通过多个全站仪中的至少一个全站仪对所述索网区域的索网节点进行位置测量。
优选地，该方法还包括：根据所述抛物面的顶点位置和所述轴的指向通过访问数据库得到所述索网区域的索网节点的节点初始位置，所述数据库存储了所述抛物面的顶点位置和轴的指向、所述节点初始位置以及所述抛物面的顶点位置和轴的指向与节点初始位置对应关系；以及根据所述节点初始位置分配全站仪，通过所分配的全站仪测量得到所述索网区域的索网节点的节点精确位置。
优选地，所述测量信息还包括标定指令，该方法还包括：根据所述标定指令确定所述索网区域，该索网区域为整个反射面或部分反射面。
本发明通过对天文信息进行解析得到相应索网节点的节点初始位置，根据节点初始位置查找匹配的全站仪来对相应索网节点进行精确测量，测量方案稳定有效，大大节约了测量时间。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是本发明现有技术提供的FAST索网结构示意图。
图2是本发明提供的球面射电望远镜反射面测量系统的框图。
图3是本发明提供的球面射电望远镜反射面的测量系统的总体流程图。
图4是本发明提供的反射面测量流程图。
图5是本发明提供的球面射电望远镜反射面测量方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
图2是本发明提供的球面射电望远镜反射面测量系统的框图，如图2所示，球面射电望远镜反射面测量系统包括通讯模块201、解析模块202、处理模块203、测量模块204。
通讯模块201用于接收测量信息，该测量信息包括观测指令和天文信息。通讯模块201主要实现反射面测量系统与相关设备、系统的信息交互，通讯接口一般可以是OPC、Socket和串口三种类型。
解析模块202用于根据观测指令对天文信息进行解析，得到反射面上对应抛物面的顶点位置和所述抛物面的轴的指向。在通讯模块201接收到观测指令的情况下，解析模块202开始对天文信息进行解析，天文信息中一般使用的是天文方位角，即赤经和赤纬，解析模块202结合天文方位角以及FAST所处位置、北京时间进行解算，得到对一个抛物面的顶点位置，抛物面的顶点和球心的连线即为抛物面的轴线，从而得到抛物面的轴的指向。本领域技术人员应当理解，这里的抛物面为反射面的一部分，口径例如为300米。其中，结合天文方位角以及FAST所处位置、北京时间进行解算得到抛物面的顶点位置为本领域的公知技术，于此不予赘述。
处理模块203用于根据抛物面的顶点位置和轴的指向确定索网区域，该索网区域为支撑抛物面的部分反射面，应当理解，反射面是由索网支撑，抛物面是反射面的一部分，所以在解析模块202得到对应抛物面的情况下，可以确定支撑该抛物面的索网区域，具体操作过程中，可以查找距离该抛物面的轴线一定距离(例如，50米)内的索网节点对应的靶标，靶标安装在索网节点处，与全站仪配合使用，本发明是通过对靶标的测量来反应索网节点的位置。
测量模块204用于对索网区域的索网节点进行位置测量，得到节点精确位置。测量模块204可以包括多个全站仪，全站仪均安装在测量基墩上，测量模块204通过多个全站仪中的至少一个全站仪对索网区域的索网节点进行位置测量。全站仪是固定安装在测量基墩上的，相对于反射面来说是静态的，全站仪通过测量靶标的位置来确定索网节点的位置，一般来说，一个全站仪对应多个靶标，即通过一个全站仪测量多个靶标的位置。
全站仪例如可以采用TS30全站仪，在精密测量模式下，观测一个节点(测量时间(7s)+驱动时间(0.5s)+仪器稳定时间(1s)+目标自动识别时间(3s))大概需要11.5s，1台全站仪在1分钟的时间内能够观测大约5个索网节点，10台全站仪在1分钟的时间内大约能够观测50多个节点；在标准测量模式下，观测一个节点(测量时间(2.5s)+驱动时间(0.5s)+仪器稳定时间(1s)+目标自动识别时间(3s))大概需要7s。1台全站仪在1分钟的时间内能够观测大约8个索网节点，10台全站在仪10分钟的时间内大约能够观测800个索网节点。
如图2所示，本发明提供的射电望远镜反射面的测量系统还包括数据访问模块205，该访问模块205根据抛物面的顶点位置和轴的指向通过访问数据库得到索网区域的索网节点的节点初始位置；其中，处理模块203根据节点初始位置分配全站仪，通过所分配的全站仪测量得到所述索网区域的索网节点的节点精确位置。数据库中预先存储了抛物面的顶点位置和轴的指向与节点初始位置及对应关系，即存储了抛物面的顶点位置和轴的指向、节点初始位置以及顶点位置和轴的指向与节点初始位置对应关系，从而数据库访问模块205可以通过访问数据库根据抛物面的顶点位置和轴的指向得到对应的索网节点的节点初始位置。处理模块203可以根据索网节点初始位置来分配相匹配的全站仪，本领域技术人员应当理解，一台全站仪一般对应多个靶标，一个靶标都应一个索网节点，根据索网节点初始位置可以确定相适应的全站仪，这里例如也可以通过访问数据库的方式来实现，应当理解，可以在数据库中预先保存索网节点的位置与全站仪的对应关系。
此外，通讯模块201接收的测量信息还包括标定指令，处理模块203还用于根据标定指令确定索网区域，该索网区域为整个反射面或部分反射面。同样，测量模块204对根据标定指令确定的索网区域的索网节点进行位置测量，得到节点精确位置。
通讯模块201接收到标定指令一般是在没有观测任务的情况下，是为了更加准确地了解各个索网节点的位置，以提高以后进行观测的准确度。标定指令例如可以直接是关于索网区域的信息，如整个反射面，也可以是与观测指令类似的天文信息，以有意识地对部分反射面进行对应的索网节点进行标定。
本发明提供的球面射电望远镜反射面测量系统还包括多个靶标，与所述索网节点一一对应安装，如上文所描述的，全站仪通过测量靶标的位置来确定索网节点的节点精确位置。
本发明提供的球面射电望远镜反射面测量系统还包括监控模块(图1中未示出)，用于对测量模块204进行位置测量的实施方案进行规划和监控。规划例如可以是对全站仪的测量序列进行规划等，监控例如可以是实现测量实施方案的监控，例如通过轮询的方式来确定是否结束测量。
本发明提供的球面射电望远镜反射面测量系统还可以包括初始化模块和/或图形显示模块，初始化模块用于对反射面测量系统中的各个模块进行初始化；图形显示模块用于显示测量模块的测量状况。
初始化模块例如可以实现全站仪的自动开机、联机状态检查、通信接口检查、参数配置和自检校等功能。图形显示模块例如可以实现测量状态的实时显示，使用图形化界面显示所有待测的索网节点、已测量过的索网节点(包括测量成功的索网节点与测量失败的索网节点)、以及正在测量的索网节点。
图3是本发明提供的射电望远镜反射面的测量系统的总体流程图，如图3所示，反射面测量流程如下：
步骤301，系统启动。
步骤302，系统进行初始化，例如全站仪开机、联机状态检查、通信接口检查等本领域技术人员熟知的初始化程序。
步骤303，判断初始化是否成功，若判断结果为是，则进入步骤304，若判断结果为否，则进入步骤310。一般情况下，若出现全站仪联机失败或通信接口检查失败等情况则初始化不成功。
步骤304，进入等待状态。
步骤305，接收到观测指令。
步骤306，进行观测测量，通过同时接收到的天文方位角确定反射面上对应的抛物面的顶点位置和抛物面的轴的指向，并据此确定相应的索网区域，通过测量模块对该索网区域的索网节点进行位置测量以得到节点精确位置，整个观测测量过程在上文中已经详细介绍，于此不予赘述。
步骤307，接收到标定指令。
步骤308，进行标定测量，标定测量与观测测量的区别主要在于：标定测量是对反射面上所有索网节点或部分索网节点进行位置测量，称之为整网标定或部分标定；观测测量只是针对部分反射面，是对反射面上发生变形的抛物面区域(即部分反射面)所对应的索网节点进行位置测量。标定测量与观测测量的具体测量过程和方式是类似的。
步骤309，判断是否测量成功，若判断结果为是，则进入步骤304，若判断结果为否，则进入步骤310。
步骤310，进入故障状态，在故障状态下，可以进行人工调试，查找和排除故障。
步骤311，判断是否调试完成，若调试完成，则进入步骤304，否则，一直等待。
图4是本发明提供的反射面测量过程流程图，如图4所示，该过程包括：
步骤401，接收天文信息，该天文信息即为天文方位角。
步骤402，理论位置结算，即解析模块根据天文方位角并结合FAST所处位置、北京时间解析得到对应抛物面的顶点位置和抛物面的轴的指向，通过上文中所描述的过程确定与该抛物面相应的索网区域的索网节点的节点初始位置。
步骤403，进行测量规划，根据节点初始位置通过查询数据库分配对应的全站仪进行测量。
步骤404，下发测量指令至全站仪，开始精确测量。
步骤405，全站仪实施测量，得到与抛物面相应的索网区域的索网节点的节点精确位置。
步骤406，数据上传，将所测量的节点精确位置上传，例如上传至反射面控制系统。
此外，本发明还可以采用双机热备模块，即采用两台服务器的主备工作模式，当主服务器发生故障不能正常处理业务时，由备用服务器接替主服务器的所有业务，从而可以实现业务的无间断运行和高可靠性。双机热备模块可以采用现有的商用软件RoseHA，RoseHA容错功能实现的关键是在系统发生错误进行切换时，对客户端来说主机是透明的，即主机的切换在工作端看来没有变化，所有基于主机的应用都正常。RoseHA采用了虚拟IP地址映射技术来实现此功能。客户端通过虚拟地址和工作主机通讯，无论系统是否发生切换虚拟地址始终指向工作主机，在客户端看来主机是透明的。在进行网络服务时，在双机系统后台RoseHA提供一个逻辑的虚拟地址，任何一个客户端需要访问系统时只需要使用这个虚拟地址。当双机系统中的一台服务器出现故障时，RoseHA会将另外一台服务器网卡的IP地址更换为这个虚拟地址，继续提供网络服务。切换完成后，在客户端看来系统并没有出现故障，网络服务也没有间断。除IP地址外，HA还可以提供虚拟的计算机别名供客户端访问。对于数据库服务，当有一台服务器出现故障时，另外一台服务器就会自动接管数据库引擎，同时启动数据库和应用程序，使用户数据库可以正常操作。当Active主机发生故障时，RoseHA将自动将服务迅速的切换到备机。并在共享存储备的基础上，继续为客户端提供业务服务。
图5是本发明提供的球面射电望远镜反射面测量方法的流程图，如图5所示，该方法包括：
步骤501，接收测量信息，该测量信息包括观测指令和天文信息；
步骤502，根据观测指令对天文信息进行解析，得到反射面上对应抛物面的顶点位置和抛物面的轴的指向；
步骤503，根据抛物面的顶点位置和轴的指向确定索网区域，该索网区域为支撑抛物面的部分反射面；
步骤504，对索网区域的索网节点进行位置测量，得到节点精确位置。
其中，对索网区域的索网节点进行位置测量包括：通过多个全站仪中的至少一个全站仪对所述索网区域的索网节点进行位置测量。
其中，本发明提供的球面射电望远镜反射面测量方法还包括：根据抛物面的顶点位置和轴的指向通过访问数据库得到索网区域的索网节点的节点初始位置，数据库存储了抛物面的顶点位置和轴的指向、节点初始位置以及抛物面的顶点位置和轴的指向与节点初始位置对应关系；根据节点初始位置分配全站仪，通过所分配的全站仪测量得到索网区域的索网节点的节点精确位置。
其中，测量信息还包括标定指令，本发明提供的球面射电望远镜反射面测量方法还包括：根据标定指令确定索网区域，该索网区域为整个反射面或部分反射面。
需要说明的是，本发明提供的球面射电望远镜反射面测量方法的具体细节及益处与本发明提供的球面射电望远镜反射面测量系统类似，于此不予赘述。
本发明提供的反射面测量系统的架构可以分解为三个部分，分别为总体控制层、物理连接层和施测层。各层的具体功能如下：
总体控制层：位于FAST望远镜中央控制室内，由测量系统服务器和相应的测量及控制软件组成，负责与总控系统和反射面控制系统的通讯、时间基准的统一、观测计划的解析、总体数据的解算、测量任务的分配、测量仪器远程控制、系统故障诊断与处理、数据处理与上传等工作。
物理连接层：由以太网交换机、中继室内的光电转换器、基墩屏蔽箱内的稳压电源、全站仪屏蔽体内的光纤串口服务器以及相应电缆、光缆组成，负责总体控制层与施测层的通讯连接、电路控制等工作。
施测层：由10台高精度全站仪组成，分别安装在反射面中心区域的5个测量基墩上，通过物理连接层与总体控制层相连，负责对反射面2225个节点上的棱镜靶标实施测量并上传数据。
反射面测量系统的软件框架根据架构层编写对应的软件。反射面节点测量系统软件采用C/S(客户端+服务器)架构，主要由测量系统主程序、OPC服务端和后台数据库组成。其中，主程序负责实现测量相关的天文指令解析、全站仪测量、数据计算和校验等核心业务；OPC服务端用于实现主程序和反射面控制系统间的数据交换；后台数据库采用SQLServer实现数据查询和存取。
本发明提供的反射面测量系统主要联网硬件为全站仪、全站仪屏蔽箱和测量系统服务器。其中，全站仪数量为10台，综合布线预留72台全站仪接入节点，需要IP地址72个；全站仪屏蔽箱10台，综合布线预留72台屏蔽箱接入节点，需要IP地址72个；测量服务器2台，部署双机热备共需IP地址3个；以上设备共需IP地址147个，如全站仪和屏蔽箱共用1台串口协议转换器，则共需IP地址75个。根据上述要求，在同一网段设置对应的IP，以实现所有测量设备的实时通讯。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
通过本发明提供的技术方案，可以提供高灵敏度的测量数据，测量方案稳定有效，在实际测量中，选取反射面具有代表性的不同区域进行标定测量，能得到较好的结果。
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。
Claims (10)
1.一种球面射电望远镜反射面测量系统，其特征在于，该系统包括：
通讯模块，用于接收测量信息，所述测量信息包括观测指令和天文信息；
解析模块，用于根据所述观测指令对所述天文信息进行解析，得到所述反射面上对应抛物面的顶点位置和所述抛物面的轴的指向；
处理模块，用于根据所述抛物面的顶点位置和所述轴的指向确定索网区域，该索网区域为支撑所述抛物面的部分反射面；以及
测量模块，用于对所述索网区域的索网节点进行位置测量，得到节点精确位置。
2.根据权利要求1所述的射电望远镜反射面的测量系统，其特征在于，所述测量模块包括：
多个全站仪，安装在测量基墩上；
所述测量模块通过所述多个全站仪中的至少一个全站仪对所述索网区域的索网节点进行位置测量。
3.根据权利要求2所述的射电望远镜反射面的测量系统，其特征在于，该系统还包括：
数据库访问模块，根据所述抛物面的顶点位置和所述轴的指向通过访问数据库得到所述索网区域的索网节点的节点初始位置，所述数据库存储了所述抛物面的顶点位置和轴的指向、所述节点初始位置以及所述抛物面的顶点位置和轴的指向与节点初始位置对应关系；
其中，所述处理模块根据所述节点初始位置分配全站仪，通过所分配的全站仪测量得到所述索网区域的索网节点的节点精确位置。
4.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的系统，其特征在于，
所述通讯模块接收的所述测量信息还包括标定指令；以及
所述处理模块还用于根据所述标定指令确定所述索网区域，该索网区域为整个反射面或部分反射面。
5.根据权利要求4所述的射电望远镜反射面的测量系统，其特征在于，该系统还包括：
多个靶标，与所述索网节点一一对应安装；
所述全站仪通过测量所述靶标的位置来确定所述索网节点的节点精确位置。
6.根据权利要求3所述的球面射电望远镜反射面测量系统，其特征在于，该系统还包括：
监控模块，用于对所述测量模块进行位置测量的实施方案进行规划和监控；以及
以下一者或多者：
初始化模块，用于对所述反射面测量系统中的各个模块进行初始化；
图形显示模块：用于显示所述测量模块的测量状况。
7.一种球面射电望远镜反射面测量方法，其特征在于，该方法包括：
接收测量信息，所述测量信息包括观测指令和天文信息；
根据所述观测指令对所述天文信息进行解析，得到所述反射面上对应抛物面的顶点位置和所述抛物面的轴的指向；
根据所述抛物面的顶点位置和所述轴的指向确定索网区域，该索网区域为支撑所述抛物面的部分反射面；以及
对所述索网区域的索网节点进行位置测量，得到节点精确位置。
8.根据权利要求7所述的射电望远镜反射面的测量方法，其特征在于，对所述索网区域的索网节点进行位置测量包括：
通过多个全站仪中的至少一个全站仪对所述索网区域的索网节点进行位置测量。
9.根据权利要求8所述的射电望远镜反射面的测量方法，其特征在于，该方法还包括：
根据所述抛物面的顶点位置和所述轴的指向通过访问数据库得到所述索网区域的索网节点的节点初始位置，所述数据库存储了所述抛物面的顶点位置和轴的指向、所述节点初始位置以及所述抛物面的顶点位置和轴的指向与节点初始位置对应关系；以及
根据所述节点初始位置分配全站仪，通过所分配的全站仪测量得到所述索网区域的索网节点的节点精确位置。
10.根据权利要求7至9中任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述测量信息还包括标定指令，该方法还包括：
根据所述标定指令确定所述索网区域，该索网区域为整个反射面或部分反射面。
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