基于層次分析法的巨型射電望遠鏡選址策略研究

陳 琨，徐權杰，楊靜靜，夏貴江，于 瑋

（南通大學 a. 張謇學院； b. 工程訓練中心， 江蘇 南通 226000）

隨著科學技術的進步和對宇宙探索需求的不斷增加，巨型射電望遠鏡的選址成為射電天文學領域的重要課題。其中，500 m 口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡稱FAST）作為全球最大單口徑射電望遠鏡[1]，其選址過程更為復雜也尤為重要。巨型射電望遠鏡選址旨在為天文觀測提供卓越的環境條件，最大限度地減少干擾和噪聲，以獲得精確、清晰的射電信號。選址過程需要綜合考慮地理條件、地表地貌、大氣環境及人類活動等多種因素。本文以FAST 為例，綜合分析地理環境、天文觀測需求及人類活動等因素的影響，以最大限度地提高巨型射電望遠鏡的性能和觀測成效，為巨型射電望遠鏡的備用選址提供可行性建議。

1 FAST 選址的影響因素分析

宇宙中各種電磁波射向地球時，會受到大氣不同成分的阻擋。為獲取這些隱藏宇宙信息的電磁波，科學家發明了射電望遠鏡，用于在部分微波和無線電波段（稱射電波段）觀測宇宙，將天體發出的無線電波反射匯聚，再經放大后轉變成可記錄信號。因此，射電望遠鏡被稱為人類探索宇宙的“天眼”。2016 年，中國建成的500 m 口徑球面射電望遠鏡（FAST），擁有4 450 塊反射面板，接收面積達25 萬m2，堪比30 個足球場。假設在這個“大鍋”內裝滿水，全世界每人可分4 瓶礦泉水。這是目前世界最大口徑、最靈敏的射電望遠鏡，被稱為“中國天眼”[2]。

“中國天眼”選址在貴州平塘縣，綜合分析其選址影響因素，主要包括地理環境、人文因素和基礎設施等方面。

1.1 地理環境

（1）地貌要求

射電望遠鏡需要建造一個類似于鍋形的反射面，并利用反射面將諸多信號匯聚于焦點。此外，該反射面的口徑越大，則信號接收能力越強?；谶@一基本原理，FAST 的選址應利用位于凹形口徑較大的洼地。

（2）海拔要求

高海拔地區便于充分利用低溫低濕的自然條件優勢，降低后續工程難度。同時，高海拔地區有更廣闊的視野，更有利于對外界進行觀測。

1.2 人文因素

（1）人類活動

貴州平塘縣地處偏遠，人口密度小，旅游業發展程度低，電波干擾較少。同時，貴州政府在2013年出臺政策支持“天眼”項目，建立了無線電靜默區并將附近居民搬遷安置，以保障“天眼”的順利建成和運行[3]。

1.3 基礎設施因素

（1）排水要求

貴州平塘縣位于云貴高原東南坡向廣西丘陵的過渡地帶，喀斯特地貌廣布，地下溶洞眾多，有利于雨水的滲透和流動，可避免因水體堆積而腐蝕望遠鏡天線的主體結構。

（2）供電要求

貴州能源供給充足穩定，能源結構多樣化。截至2020 年底，貴州省電力裝機達7 478 萬kW、居全國第14 位，其中非化石能源裝機占比52.9 %，非水可再生能源裝機占比22.4 %[4]。電力產業雄厚，可以保障天眼的電力供應。

2 巨型射電望遠鏡選址原則

（1）可靠性原則

為確保望遠鏡可靠運行，應選擇地理環境較穩定的地區，遠離地質災害地帶和地震帶等潛在風險區域。同時，要確保供電和通信網絡的可靠性，以支持望遠鏡的正常運行和數據傳輸。

（2）觀測條件原則

選址應優先考慮觀測條件，包括干擾源的遠離程度、大氣穩定度和透明度等因素。應選擇遠離人造無線電干擾源，如城市、工廠和電信設施等，以減少其對觀測信號的不利影響。較高的海拔能改善大氣湍流情況，提供更好的觀測條件。

（3）研究目標原則

選址需考慮項目的研究需求和目標。根據不同的科學目標，可以選擇不同的地理環境和觀測條件，以最大限度地支持特定研究領域的需求。

3 建立巨型射電望遠鏡選址評價體系

3.1 構建層次結構模型

本文采用層次分析法對巨型射電望遠鏡選址進行評價。根據巨型射電望遠鏡選址的影響因素分析，將巨型射電望遠鏡選址綜合評價體系作為目標層，地理環境、人文因素、基礎設施作為準則層，再將進一步細化得到的5 項基本指標作為方案層，建立層次分析法目標層次的結構模型[5]，如圖1 所示。

圖1 巨型射電望遠鏡選址綜合評價體系目標層次結構模型

3.2 計算模型中各指標權重

3.2.1 準則層C 對目標層M 的重要性分析

兩兩比較準則層C 中的C1，C2，C3的相對重要性[6]，構造判斷矩陣M-C，如表1 所示。

表1 M-C 判斷矩陣

其中，矩陣中任一元素都滿足

采用三分制標度法判斷矩陣中的aij，標度定義詳見表2。其數值根據貴州省人民政府[3]、貴州省能源局[4]、新疆奇臺射電110 m 口徑望遠鏡的選址地點[7]等給出的經驗和策略綜合權衡確定。

表2 三分制標度及其定義

求解M-C 判斷矩陣的特征值，得最大特征值λmax=3.009 2。由公式（1）計算一致性比例CR，進行一致性檢驗。

表3 n 與Ri 關系

計算可得Ci=0.004 6，n=3，則Ri=0.58。由式（1）可得CR=0.007 93 ＜0.1，一致性檢驗通過。

通過上述步驟，得出C1，C2，C3在判斷矩陣M-C 下的權重系數：算術平均法求權重，結果為=（0.539 0，0.163 8，0.297 3）T；幾何平均法求權重，結果為=（0.539 6，0.163 4，0.297 0）T；特征值法求權重，結果為=（0.539 6，0.163 4，0.297 0）T。鑒于軟件的計算精度，可能產生少量偏差，對三種方法的結果求算術平均值，以保證運算結果的穩定性，得到地理環境、人文因素、基礎設施各指標權重結果為=（0.539 4，0.163 5，0.297 1）T。

3.2.2 方案層P 對準則層C 的重要性分析

構造判斷矩陣C1-P，C2-P，C3-P，經MATLAB判斷一致性，再求得權重，結果如表4-6 所示。

表4 C1-P 判斷矩陣

表5 C2-P 判斷矩陣

表6 C3-P 判斷矩陣

3.2.3 方案層P 對目標層M 的組合權重和結果分析

對巨型射電望遠鏡選址指標體系進行綜合評價。選取上一級指標與下一級指標權重的乘積進行得分排序，結果如表7 所示。

表7 組合權重得分

由表7 的各層次因素權重及排序結果可知，在巨型射電望遠鏡選址影響因素的準則層中，地理環境因素權重最高，為0.539 4，表明該因素與巨型射電望遠鏡選址密切相關。人文因素對巨型射電望遠鏡選址的影響權重為0.163 5，在3 個標準層指標中排在末位，說明與其他兩個因素相比，人文因素對巨型射電望遠鏡選址的影響最小。

從方案層對目標層的權重看，海拔要求的權重最大，因為海拔的高度直接影響觀測環境中的大氣厚度、氣候條件、大氣湍流等因素，進而影響望遠鏡的靈敏度、角分辨率和觀測效果。這與方案層的權重排序完全相符。排水要求權重最小，說明其對于巨型射電望遠鏡選址重要性相對較小。

3.3 各影響要素賦值和匯總

對各影響因素建立評估賦值原則如表8。由表8 對各影響因素賦分后加權匯總，得到一個量化風險值，可用于反映巨型射電望遠鏡選址的適合程度。

表8 各影響因素評估賦值原則

4 備用選址結果

通過3.2.3 中影響因素綜合分析，可得到初步選址評價圖層。其影響因素分為5 種，總得分越高，說明該地區現有地理環境、人文因素、基礎設施條件等越符合巨型射電望遠鏡備選址地點要求。

4.1 選址范圍確定

首先，結合遠離射頻干涉、環境等選址要求，在全國范圍內尋找合適的省份?？紤]要求人口密度、旅游業發展程度不能過高，排除了黑河—騰沖線以東尤其是東部沿海省區，重點關注西北半壁這一范圍。

青藏高原雖然具有海拔優勢，但山川延綿且有大量永凍土分布，施工難度極高，不利于望遠鏡主體建造，被排除在待選地址外[7]。

面積較大的內蒙古自治區雖是我國國家數據中心北方基地所在，但該地區基本屬于高原地貌，頂部平坦開闊，四周較陡，較難找到合適的凹形大口徑洼地，且草原地區排水問題和牛羊等牲畜影響較大。因此，項目選址也排除了內蒙古自治區。

最終，將選址范圍聚焦為新疆維吾爾自治區。值得一提的是，新疆昌吉州奇臺縣110 m 口徑全可動射電望遠鏡項目于2022 年開工[8]，說明該省份對于建設射電望遠鏡有其獨特的地理區位優勢。選址避開旅游業比較發達的伊犁，在新疆北部的阿勒泰地區尋找一個合適的凹形大口徑洼地。

4.2 具體選址評價分析

通過研究和分析，在新疆維吾爾自治區阿勒泰地區的富蘊縣境內，富蘊站西南方位某處，找到一塊天然巨型洼地，其大小剛好適合建造巨型天文射電望遠鏡。如圖2 衛星地圖所示，所選備用地址位于線框內，精確位置為北緯46.912 043°，東經89.464 685°，高度900～1 000 m。

圖2 所選地址的衛星地圖

以此巨型洼地為目標選址，應用本文所述方法對其進行建庫選址綜合評價。

巨型洼地海拔高度為900～1 000 m，符合800～2 000 m 的高海拔要求；人口密度約為3人/km2[9]，人口較為稀少，大大降低了人類活動對射電望遠鏡觀測的影響；富蘊縣及其周邊地區屬大陸性寒溫帶干旱氣候，日照豐富，年日照2 869.8 h，氣候干燥，年降水量189.6 mm，蒸發量極大（年蒸發量1 970 mm），故洼地含積水情況極少，同時強大的蒸發能力能快速解決排水問題。

阿勒泰地區具有豐富的風能和太陽能資源，風能儲量、太陽能年輻射總量均居全國前列。2022年6 月，阿勒泰地區25 萬kW 保障性并網風電建設項目開工建設，現已初具規模，投入使用后年均發電量預計達7.84 億kW·h[10]，且隨建設的不斷完善，供電將更為穩定。參照表8，得到富蘊縣內巨型洼地各指標的適宜度分級，將各指標得分7、9、9、8、8 與表7 中對應的權重相乘后再相加，計算綜合建設適合度為7×0.202 275+9×0.337 125+9×0.163 50+8 ×0.074 275+8 ×0.222 825=8.298，表明該巨型洼地區域具備建設巨型射電望遠鏡的適合條件，可以作為備用選址地點。

5 結 語

利用層次分析法對巨型射電望遠鏡選址的各項因素進行分析和比較，得出選擇地址時考慮的關鍵因素。備用選址評價分析結果表明，綜合考慮各因素的影響程度和權重，可更好地確定選址策略，確保巨型射電望遠鏡在合適環境中建設和運行，獲得更有價值的觀測數據，實現科學研究目標。