天馬望遠鏡（上海65米射電望遠鏡）為中國科學院和上海市的重大合作項目，坐落於上海松江佘山，是一個國內領先、亞洲最大、國際先進、總體性能在國際上名列前4名的65米口徑全方位可動的大型射電天文望遠鏡系統。
2017年10月27日，天馬望遠鏡接受了一次特殊“體檢”——項目總體驗收。專家組認為天馬望遠鏡高質量地完成了各項研製任務，達到立項目標，通過總體驗收。
基本介紹
- 中文名：天馬望遠鏡
- 外文名：Tian Ma telescope
- 建成時間：2012年10月
- 功能：可以觀測到百億光年外的天體
- 綜合排名：亞太第一、世界第四
研發歷程,主要參數,關鍵技術,
研發歷程
天馬望遠鏡從2008年立項，到2012年落成，歷時4年，按計畫圓滿地完成了項目任務各個階段所涉及的天線系統、接收機系統、主動面系統、終端系統、台站控制、時頻系統、測站建設以及天文試觀測等任務。對所有技術指標進行的測試結果表明，天馬望遠鏡所有技術指標均滿足或優於任務書中技術指標的要求，實現了我們建設世界級大型射電望遠鏡的目標。
天馬望遠鏡以亞洲第一射電望遠鏡建成入選了中國科學院院士和中國工程院院士評選的2012年中國十大科技進展新聞、國家國防科工局組織評選的2012年度國防科技工業十大新聞、2012年上海十大科技進展第一名、2012年度十大天文科技進展。
天馬望遠鏡先後參加並成功完成了2012年的嫦娥二號奔小行星探測、2013年的嫦娥三號月球軟著陸、2014年的嫦娥五號飛行試驗器的VLBI測定軌任務，使中國VLBI觀測網的靈敏度提高至1.7倍，大幅提高了VLBI系統的測量能力，為探月衛星的測定軌做出了卓越貢獻。
天馬望遠鏡成功開展了譜線、脈衝星和VLBI的射電天文觀測。探測到了包括長碳鏈分子HC7N在內的許多重要分子的發射和一些新的羥基脈澤源，探測到包括北天周期最短毫秒脈衝星在內的一批脈衝星，實現了對外開放。
主要參數
世界上第一台綜合孔徑望遠鏡於1962年建造完成，大大提高了觀測解析度。為了更大幅度提高觀測解析度，20世紀60年代末科學家們發展了甚長基線干涉測量方法（VLBI，Very Long Baseline Interferometry），採用獨立本振技術，使得各個觀測單元之間相互連線，口徑等同於觀測單元之間的距離（基線），望遠鏡間的基線長度原則上不受限制，地面VLBI可長達幾千上萬公里，空間VLBI可達幾萬公里，因此該技術是現代天文學中角解析度最高的一種觀測手段。
射電望遠鏡和接收機技術的每一次長足的進步都會毫無例外地為射電天文學的發展樹立新的里程碑。中國科學院上海天文台對於天馬望遠鏡系統的研製也正是這種發展趨勢在中國射電天文學發展中的表現。
天馬望遠鏡整個天線結構重約2640噸，主反射面直徑為65米。主要由天線基礎、軌道、方位輪軌、座架、主反射面及調整系統、副反射面及調整系統、饋源及換饋系統、致冷接收機系統、VLBI觀測終端及射電天文觀測終端、時間頻率基準系統及配套系統等組成。
關鍵技術
天馬望遠鏡在各系統研發等多方面均有創新。下面按照望遠鏡各個組成部分逐一介紹各系統的關鍵技術及特點。
（一）天線系統
在天線系統研製過程中突破了許多關鍵技術，譬如：
（1）天線結構保形設計技術：天線鋁材面板和鋼材背架之間的協調熱變形、天線背架的選型及截面最佳化、天線背架與俯仰機構的連線方式、最佳吻合反射面算法等天線結構保型設計技術，克服大型拋物面天線隨仰角改變、溫度變化和風力影響及主面結構、副反射面支撐及天線座架引起大的形變。
（2）主反射面精度保證：上海65米天線面板設計分為14圈，共1008塊面板。面板面積平均3.3平方米，最大面積達到了5平方米。單塊面板要實現0.1毫米的面型精度，除了克服風力、重力和溫度形變外，主動面調整4支點安裝，承受促動器千萬次的反覆運動。
（3）無縫焊接軌道：天線軌道直徑42米，共分30段焊接而成。焊接經第三方探傷檢測把關，焊縫不平度、表面硬度、剩餘應力檢驗均符合技術要求。
（4）五自由度副反射面隨動技術：六連桿技術實現了副反射面五自由度（X、Y、Z、θX、θY）可調，實現了天線在不同仰角姿態的隨動跟蹤控制。在不同仰角條件下獲得微波光學的理想姿態，可得到全頻段平坦的增益曲線。
（二）主動面系統
該系統是中國自主研發的第一個大型天線主動面系統，實現了零的突破。研製過程中解決的主要關鍵技術有：
（1）高精度、高可靠性、長壽命促動器研製：在高精度觸點開關、主動面系統專用電纜以及促動器結構設計上進行了多項創新設計，申請了多項國家專利。
（2）高可靠性監視及其協同控制：合理的串並行組合匯流排設計和實時分散式協同監控，實現了1104台促動器控制回響時間不超過1秒。通過控制匯流排熱備份設計，提高了監控的可靠性。
（3）2016年，上海天文台利用離焦全息測量和相位相干全息測量等手段，建立了高精度的重力變形改正模型，實現了白天主反射面的熱變形測量，把最高觀測頻率43GHz的接收效率在15-80度的任意仰角提高到了52%，為國際先進水平。
（三）接收機系統
天馬望遠鏡系統設計配套L、C、S/X、Ku、X/Ka、K及Q等8個波段的低溫接收機，7套饋源組合。截至2015年6月，已完成5套饋源6個波段低溫接收機系統（L、C、S/X、Ku、X/Ka）的安裝和調試。雙波束K波段和雙波束Q波段低溫接收機也於2016年初完成安裝與調試。
（四）終端設備
天馬望遠鏡配備了VLBI數據採集終端CDAS以及單天線脈衝星和譜線觀測的數字終端系統DIBAS（ Digital BAckend System）。
上海天文台自主研製成功VLBI數字記錄終端（CDAS），滿足了VLBI國際聯測的要求,實現了與國際VLBI終端設備的兼容，發展了千兆赫茲實時寬頻數字下變頻處理技術，具有1024 兆位/秒全頻寬實時、高頻率解析度(1赫茲)數位訊號處理能力。CDAS數字記錄終端
譜線和脈衝星天文觀測終端DIBAS採用和美國國立射電天文台（NRAO）的合作方式，引進先進的終端研發技術，使上海65米射電望遠鏡能儘快做出好的科研成果，在提高射電天文科學研究方面起到重要的作用。3組雙偏振中頻輸入。譜線觀測頻寬3.75 千兆赫茲。脈衝星非相干模式觀測最大頻寬為6千兆赫茲，相干觀測模式頻寬為2千兆赫茲。該設備2013年10月完成安裝調試，滿足各種天文觀測功能要求。
（五）控制系統
控制系統包括天線系統（天線驅動、自動換饋、副面姿態和主動面控制）遠程、記錄設備、接收機以及外圍設備（如時頻、氣象、壓縮機、UPS、空調等）的控制，以網路技術為載體，構成台站控制網路。2012年10月完成天線控制上位機軟體及中國VLBI網聯測控制軟體。天線運行滿足了高指向精度、運動平穩、任務波段切換快捷、高可靠性、高安全性等要求。研發過程中涉及的關鍵技術包括多電機電消隙驅動、伺服複合控制和高精度指向技術等。
（六）時頻系統
時頻系統的創新點在於通過對氫原子鐘物理及電子學部分的多項改進，提高了其性能指標。
（七）測站建設
測站建設包括天線基礎、觀測樓、測站配套等項工作。由於天線設計的自重和高精度指向保證，對天線基礎穩定性提出了很高的要求。天馬望遠鏡基礎負荷達到整個基礎靜壓力30000千牛頓，中心塔基處設備自重500千牛頓。天線滾輪為六組12滾輪，單點靜壓力為2500千牛頓。基礎承受最大水平力2700千牛頓，並主要由中心塔基承受。基礎應能承受最大傾覆力矩94220千牛米，最大扭轉力矩20000千牛米。地基1年內不均勻沉降小於0.5毫米，並保持穩定。
天馬望遠鏡在天文研究中的套用包括：
- 譜線觀測研究
譜線觀測是研究星際物質分布﹑星繫結構以及恆星的形成和演化過程的重要手段。2012年10月26日，天馬望遠鏡在18厘米波段開展了首次試觀測，成功地捕獲到天鵝座A、仙后座A的連續信號，以及來自W3(OH)、W51M、W75N、W49N的羥基譜線。首次觀測成功標誌著望遠鏡的機電系統能夠正常運轉，為開展天文實驗和科研基礎工作打下了良好的基礎。
2014年6月，初步完成了天馬望遠鏡多功能數字終端DIBAS的29種譜線觀測模式的測試，基本實現了譜線觀測自動化，完成了譜線終端的頻率校準工作和數據格式轉換工作，使得用戶能夠用譜線處理方面通用的Gildas軟體包進行數譜線數據處理。2014年年底，實現了對國內科研人員觀測申請（觀測波段為L，S/X和C）的開放。
在L、C、X 波段探測到了包括長碳鏈分子HC7N在內的許多重要分子的發射，並且在L波段探測到了一些新的羥基脈澤源。在成功安裝測試Ku波段接收機之後，2014年9月24日，天馬望遠鏡的DIBAS終端在Ku波段成功進行了譜線試觀測，探測到了大質量恆星形成區的12千兆赫茲甲醇脈澤、射電複合線的發射，以及大質量恆星形成區的星際有機分子氰基乙炔HC3N以及亞丙二烯基C3H2的發射，譜線輪廓、峰值速度均與以往望遠鏡的觀測結果一致。
（二）脈衝星觀測
2013年1月21日，天馬望遠鏡成功地在S（2.3千兆赫茲）和X（8.4千兆赫茲）波段對四顆已知流量密度不到10毫央斯基的脈衝星進行了試觀測，2月5日又成功獲得了一顆毫秒脈衝星的信號。2014年6月，測試了多功能數字終端DIBAS的脈衝星觀測模式，包括：相干消色散搜尋、非相干消色散搜尋、相干消色散線上疊加和非相干消色散線上疊加。為保證脈衝星觀測標準化和流程化，設計了一套觀測綱要標準化模板，完成了數位化終端和望遠鏡控制單元的通信，基本實現了觀測自動化。利用該系統，已經在L、S、C、X波段成功探測到包括北天周期最短毫秒脈衝星在內的一批脈衝星，發現了目前研究熱點——“銀心磁星”很可能具有周期躍變現象。
（三）VLBI觀測研究
天馬望遠鏡的綜合性能位於世界前列，加上地理位置優越，位於幾個主要VLBI網的交匯處，天馬望遠鏡將大幅度提高國際VLBI網的探測靈敏度，成為中國VLBI網乃至東亞VLBI網的核心，顯著提高我國在天體物理前沿課題中的國際地位。天馬望遠鏡已經參加了與美國GBT和歐洲VLBI網（EVN）等的VLBI試觀測，初步體現了其高靈敏度的優勢，並於2015年正式加入歐洲VLBI網成為國際VLBI網的重要成員。
2014年6月12日，天馬望遠鏡參加了IVS(國際大地測量與天體測量VLBI服務組織)編號為RD1404的空間測地聯合觀測。天馬望遠鏡以其超高系統靈敏度，展示了提高微弱射電源觀測數量和信噪比的巨大優勢。通過此類空間測地觀測，還可以獲得天馬望遠鏡在國際地球參考框架中的精確台站坐標，滿足天馬望遠鏡開展深空導航和相對天體測量等差分VLBI觀測需要。
（四）在探月工程及深空探測中的套用
2004年1月，中國正式啟動探月工程。VLBI測軌分系統是中國首次月球探測工程測控系統的重要組成部分，它由上海VLBI數據處理與調度中心和上海佘山、北京密雲、雲南昆明、烏魯木齊南山等4個觀測站聯網構成，參與完成“嫦娥一號”除發射段外各個軌道段的測軌任務。2007年10月24日18時05分，中國首顆探月衛星“嫦娥一號”發射升空。中國科學院的VLBI測軌分系統為測控系統準實時提供高精度的時延、時延率和測角等VLBI測軌數據，並參與完成各軌道段的準實時軌道確定與預報，為確保“嫦娥一號”衛星準確送入預定環月軌道做出了重要貢獻。上海天文台是VLBI測軌分系統的總體單位，負責和實施VLBI測軌和定位工作。
天馬望遠鏡於2013年12月全程參加了嫦娥三號著陸器和月球車X頻段的VLBI測定軌和測定位任務。天馬望遠鏡和北京50米、昆明40米、烏魯木齊25米和上海VLBI中心一起，把嫦娥三號奔月時的測定軌精度提高至100米量級，把著陸器的定位精度提高至優於100米，利用同波束VLBI技術把巡視器的月面相對位置測量精度提高至米級。天馬望遠鏡已成為我國VLBI網的主力測站，由於它的加入，大大提高了我國VLBI網的高標校精度，為嫦娥三號在奔月、繞月、落月探測時的著陸器精密測定軌和月面探測時的月球車相對測定位做出了卓越貢獻。
2014年11月1日6點42分，嫦娥五號飛行試驗器在內蒙古四王子旗預定區域順利著陸，標誌著我國探月工程三期再入返回飛行試驗圓滿成功，為後續嫦娥五號任務的順利實施打下了堅實基礎。天馬望遠鏡和上海VLBI中心、密雲站、昆明站、烏魯木齊南山站一起組成VLBI觀測網,從10月24日開始,全程參加了地月轉移兩次中途修正、月球近旁轉向、月地轉移中途修正、服務艙著陸器分離等測控段的測定軌任務,並以其高靈敏度為VLBI測定軌精度的提高做出了貢獻。
天馬望遠鏡今後將繼續參加嫦娥五號採樣返回、嫦娥四號月球背面著陸探測、中國首次火星探測等國家重大任務，為探測器保駕護航。
