2021数学建模国赛A题

2021数学建模国赛A题

2021 年高教社杯全国大学生数学建模竞赛题目
（请先阅读“全国大学生数学建模竞赛论文格式规范”）

A 题 “FAST”主动反射面的形状调节
中国天眼——500 米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope， 简称 FAST），是我国具有自主知识产权的目前世界上单口径最大、灵敏度最高的 射电望远镜。它的落成启用， 对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重 要意义。
FAST 由主动反射面、信号接收系统（馈源舱） 以及相关的控制、测量和支承系统组成（如 图 1 所示） ，其中主动反射面系统是由主索网、反射面板、下拉索、促动器及支承结构等主要 部件构成的一个可调节球面。主索网由柔性主索按照短程线三角网格方式构成，用于支承反射 面板（含背架结构） ，每个三角网格上安装一块反射面板，整个索网固定在周边支承结构上。 每个主索节点连接一根下拉索，下拉索下端与固定在地表的促动器连接， 实现对主索网的形态 控制。反射面板间有一定缝隙，能够确保反射面板在变位时不会被挤压、拉扯而变形。索网整 体结构、反射面板及其连接示意图见图2 和图 3 。

图 1 FAST 三维示意图

(a) (b)
图 3 反射面板、主索网结构及其连接示意图
主动反射面可分为两个状态： 基准态和工作态。基准态时反射面为半径约 300 米、口径为 500 米的球面（基准球面）； 工作态时反射面的形状被调节为一个 300 米口径的近似旋转抛物 面（工作抛物面） 。图4 是 FAST 在观测时的剖面示意图 ，C 点是基准球面的球心，馈源舱接收 平面的中心只能在与基准球面同心的一个球面（焦面）上移动，两同心球面的半径差为 F=0.466R （其中R 为基准球面半径，称 F/R 为焦径比）。馈源舱接收信号的有效区域为直径 1 米的中心 圆盘。当FAST 观测某个方向的天体目标 S 时， 馈源舱接收平面的中心被移动到直线SC 与焦面 的交点P 处，调节基准球面上的部分反射面板形成以直线SC 为对称轴、以P 为焦点的近似旋转 抛物面，从而将来自目标天体的平行电磁波反射汇聚到馈源舱的有效区域。

图 4 FAST 剖面示意图
将反射面调节为工作抛物面是主动反射面技术的关键，该过程通过下拉索与促动器配合来 完成。下拉索长度固定。促动器沿基准球面径向安装，其底端固定在地面，顶端可沿基准球面 径向伸缩来完成下拉索的调节，从而调节反射面板的位置，最终形成工作抛物面。
本赛题要解决的问题是：在反射面板调节约束下，确定一个理想抛物面， 然后通过调节促 动器的径向伸缩量， 将反射面调节为工作抛物面，使得该工作抛物面尽量贴近理想抛物面， 以

获得天体电磁波经反射面反射后的最佳接收效果。
请你们团队根据附录中的要求及相关参数建立模型解决以下问题：
1、当待观测天体位于基准球面正上方， 即 = 0°, = 90°时，结合考虑反射面板调节因 素，确定理想抛物面。
2、当待观测天体位于 = 36 . 795°, = 78 . 169°时，确定理想抛物面。建立反射面板调节 模型，调节相关促动器的伸缩量 ，使反射面尽量贴近该理想抛物面。将理想抛物面的顶点坐标， 以及调节后反射面 300 米口径内的主索节点编号、位置坐标 、各促动器的伸缩量等结果按照规 定的格式（见附件4）保存在“result .xlsx”文件中。
3、基于第 2 问的反射面调节方案，计算调节后馈源舱的接收比，即馈源舱有效区域接收到 的反射信号与 300 米口径内反射面的反射信号之比， 并与基准反射球面的接收比作比较。

附录：要求及相关参数
1 、主动反射面共有主索节点 2226 个，节点间连接主索6525 根，不考虑周边支承结构连接 的部分反射面板，共有反射面板 4300 块。基准球面的球心在坐标原点，附件 1 给出了所有主索 节点的坐标和编号， 附件 2 给出了促动器下端点（地锚点）坐标、基准态时上端点（顶端） 的 坐标，以及促动器对应的主索节点编号，附件 3 给出了4300 块反射面板对应的主索节点编号。
2 、基准态下， 所有主索节点均位于基准球面上。
3 、每一块反射面板均为基准球面的一部分。反射面板上开有许多直径小于 5 毫米的小圆孔， 用于透漏雨水。由于小孔的直径小于所观察的天体电磁波的波长，不影响对天体电磁波的反射， 所以可以认为面板是无孔的。
4 、 电磁波信号及反射信号均视为直线传播 。
5 、主索节点调节后，相邻节点之间的距离可能会发生微小变化，变化幅度不超过 0.07% 。
6 、将主索节点坐标作为对应的反射面板顶点坐标 。
7 、通过促动器顶端的伸缩，可控制主索节点的移动变位 ，但连接主索节点与促动器顶端
的下拉索的长度保持不变。促动器伸缩沿基准球面径向趋向球心方向为正向。假设基准状态下， 促动器顶端径向伸缩量为 0， 其径向伸缩范围为-0.6～+0.6 米 。
8 、天体 S 的方位可用方位角和仰角来表示（见图 5）。

图 5 天体 S 方位角与仰角示意图
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