基于ZeroMQ的新一代望远镜自动控制系统的通信框架设计

随着天文技术的进步,天文望远镜系统组件日趋复杂化,望远镜自动控制系统已成为望远镜进行常规观测的核心组成部分。通常执行一个完整的观测计划需要不同设备之间相互配合,协同工作,因此,具有一个高效的底层通信框架是望远镜自动控制系统成功的关键。ZeroMQ是一个高性能的网络通信程序库,提供了多种基础的通信模型,可用于构建复杂的分布式程序,非常适合天文望远镜观测控制这样的分布式、多种通信模式并存和低延迟要求的场合。回顾了在望远镜控制系统中广泛使用的CORBA,DCOM,原生Socket等网络技术,给出了基于ZeroMQ的新一代望远镜自动控制系统通信框架的总体设计,讨论了套接字设计、消息模型设计、序列化等关键技术的解决方案。     

一种基于微信小程序在RTS2的控制框架扩展

望远镜自主控制是现代天文观测技术的重要组成部分,在当前主流的自主控制系统中,开源的远程望远镜控制系统第2版具备模块化和即插即用的设计理念,且具有快速响应能力和稳定工作的特点,被广泛应用于天文望远镜自主控制系统。由于远程望远镜控制系统第2版基于Linux平台,主要基于命令行界面(Command-Line Interface,CLI)进行远程访问控制,所以对观测人员的要求比较高。深入分析远程望远镜控制系统第2版,对JS对象标记应用程序编程接口(Java Script Object Notation Application Programming Interface,JSONAPI)进行适度改造,以JS对象标记(Java Script Object Notation,JSON)为数据传输格式,以移动终端的微信应用作为载体,跨越不同平台对天文望远镜控制系统进行数据访问和功能调用。利用微信小程序,将控制系统移植到微信小程序中,使天文技术研究人员能够方便快捷地利用移动终端在微信平台上远程控制天文望远镜和实时监控天文望远镜自主控制系统的状态。采用该模式,可扩展到天文公共对象模型(Astronomy Common Object Model,ASCOM)等其他自主控制架构,从而实现一个通用的基于微信小程序的移动终端远程控制系统。     

10m口径射电望远镜天线计算机远程控制系统

本文从当前天文观测所受自然环境的影响入手,提出远程控制观测是解决目前观测所遇到的困扰的好方法,并介绍了中科院云南天文台太阳射电组原１０m口径持面天线的计算机远程 控制系统。本文着重讨论了远程控制的实施方案,包括天线当前的性能测试、如何安全地做到远程通信、前端控制（即现场控制）等问题,把ＴＣＰ／ＩＰ协议族原理和Ｃｌｉｅｎｔ／Ｓｅｒｖ     

NVST狭缝扫描及定标单元的电动控制实现

利用1 m红外太阳望远镜(New Vacuum Solar Telescope,NVST)对太阳进行观测和研究,需要控制狭缝扫描系统和磁分析系统中各设备的运动以配合观测系统采集数据。针对实际观测中对设备运动控制的需求,并利用控制器对相应设备的直接控制,提出基于TCP协议及UDP协议的Win Sock网络编程以及串口通信编程的设计方案,设计了一套基于Client/Server架构的控制系统软件,实现各仪器在局域网范围内的远程控制。通过对设备的运动控制测试,客户端发送控制命令给服务器端,服务器计算机解析命令并通过串口控制各仪器运行,同时采集设备的状态信息反馈给客户端,测试结果表明此系统能良好地控制各设备运行,结合网络通信及串口通信的设计为后续的观测系统功能升级打下了基础。     

丽江2.4米望远镜双视场终端的控制与图像采集

为充分利用丽江2.4 m望远镜有限的卡焦接口,提高观测效率,研制了一个双视场天文观测终端,在2.4 m望远镜上实现不同视场和图像比例尺等参数进行快速测光和高分辨成像等天文观测,以满足不同的观测需求。针对该终端对滤光片轮精度和大视场光路与小视场光路切换的精度要求,以及对电子倍增电荷耦合器件(Electron-Multiplying Charge-Coupled Device, EMCCD)相机图像采集的速度要求,采用三层电机闭环控制以及多线程并发执行等技术,实现了该终端中滤光片轮、大视场光路与小视场光路切换的精确控制,以及EMCCD相机图像的快速采集与存储。最后在实验室进行了详细测试,结果表明,所设计的控制与图像采集系统能满足各项性能指标的要求。     

瞬变源快速自动响应观测系统的研究与实现

天文瞬变源后随观测对于瞬变源证认具有重要的意义。瞬变源发生的偶然性和光变的快速性要求后随观测系统具有快速自动响应的能力。介绍了基于Python开发的天文瞬变源快速自动响应观测系统的研究和实现,核心是基于Django架构实现数据库交互与模块调度功能。系统有基于VOEvent的警报消息传递、网络端状态监控与交互平台、数据自动处理和结果自动反馈以及望远镜控制接口等主要功能。通过在北京的中法天文卫星科学中心和兴隆观测基地之间的消息数据传递和实际触发观测测试表明,系统能满足中法天文卫星项目地基观测系统瞬变源后随自动响应观测的基本要求,同时系统还具有良好的可移植性,适用于其他类似的自动响应观测系统。     

基于Camera Link总线的CCD高速图像采集技术

现代天文学研究越来越依赖于高质量的天文观测结果。针对天文实测的需要,对基于Camera Link总线的CCD高速图像采集技术进行了系统调研,分析对比了Camera Link总线技术及其优缺点,对基于Camera link接口的高速CCD采集技术进行了深入的研究,着重讨论了单缓存与双缓存高速采集技术和实现机制。经实际测试,所实现的技术稳定、可靠,CPU负载低,采集速度达到了厂家给出的CCD相机的最高采集速度,可以满足天文大数据量采集与准实时观测的需要。     

一种基于异构操作系统的RTS2CCD相机扩展方法

RTS2作为远程望远镜控制的开源框架,在天文自主观测领域得到了广泛的应用,在观测仪器中,CCD是天文望远镜系统中一个必不可少的组成部分。在实际工作环境中,部分CCD在Linux操作系统下缺乏支持,致使该设备无法在RTS2框架中协同工作,在无替代CCD的情况下导致整个望远镜系统无法正常使用。借助Windows下的Direct Show技术对视频设备的支持,在Linux与Windows异构操作系统间利用Socket通信技术建立访问控制桥梁,从而扩展出一种新的CCD类型。通过测试,RTS2能借助该设备控制Windows下的CCD,并实时获取图像,研究取得了一定的成果:(1)使用Direct Show技术控制和访问Windows驱动模型(Windows Driver Model,WDM)的所有CCD获得一种通用的CCD访问方式;(2)借助Socket通信进行延伸对RTS2框架下的其他类型设备在异构操作系统下扩展具有参考意义。     

基于Docker的射电干涉阵软件系统敏捷封装与部署

随着天文技术的发展,天文数据处理软件的需求也不断更迭变化,导致软件运行环境渐趋复杂。对于开发者和使用者,急需提出一种对复杂天文数据处理软件敏捷化封装和部署的方法。我国明安图射电频谱日像仪已进入常规观测,与之配套的数据处理软件也已完成开发并投入使用。由于该软件的部署涉及操作系统环境、图形处理器运行环境及底层依赖软件等配置问题,导致安装过程既繁琐又容易出错。结合容器技术的特点,提出了一种基于Docker容器对日像仪软件系统进行敏捷封装与部署的方法,并对该方法的设计进行介绍,通过实验验证了其可用性,以及相比于传统虚拟机可获得较优异的性能表现。该方法可为未来天文数据处理软件的封装部署提供参考。可以预见,未来容器技术将成为天文海量数据处理的基础支撑技术。     

基于OpenStack的天文台站计算节点自动管理研究

天文数据处理是天文研究的一个重要环节。随着新一代望远镜功能与观测能力的快速发展,在观测地点构建高性能实时计算平台,快速完成数据的分析与处理是一种趋势。针对明安图射电频谱日像仪和明安图观测站实时数据处理系统的建设要求,系统研究了基于OpenStack的本地云实现方法与系统自动管理模式,提出了动态进行计算节点启停的方法,并进行了实际测试。实验表明,该模式完全可以满足天文数据处理的需求,并且比传统的静态分配计算资源的数据处理方法更高效,可以有效地节省能源开销,降低观测成本,对未来天文台站高性能计算平台的建设有一定的参考价值。     

基于NGAS的多点观测数据存储与同步方法

平方千米阵列(Square Kilometre Array, SKA)望远镜建成后将具有超高的灵敏度、超快的巡天速度以及宽视场,进而产生超海量的观测数据。SKA天文台与各国区域数据中心间的海量数据同步传输是当前SKA建设中的一个难点。SKA先导项目使用的下一代归档存储系统(Next Generation Archive System, NGAS)在应用测试中存在效率低下,性能不足等问题。提出了一种基于ZeroMQ的数据存储与同步方法,通过采用更加高效的异步消息机制实现同步传输数据,回避了NGAS原有的采用HTTP协议的局限。实验结果表明,新方法在平均数据归档存储效率方面比原有方法快了近40倍,能够基本满足10 GB带宽的全速传输需要,取得了较好的使用效果。     

基于OpenCL的射电干涉阵成像网格化算法实现

天文软件开发与应用中迫切需要在单机环境下进行高性能的科学数据处理,由于机器配置不同,采用传统的CUDA+GPU技术存在明显的局限,不利于天文软件的快速移植和无缝运行。针对明安图射电频谱日像仪数据处理中的网格化(Gridding)算法,采用并行计算OpenCL技术进行多线程编程实现。实验结果表明,基于OpenCL实现的网格化算法不仅能够在图形处理器上运行,而且能够在纯中央处理器上运行。当选择在图形处理器上执行时,算法的执行效率与基于CUDA实现的网格化算法执行效率大致相当,但算法不局限于NVIDIA GPU,解决了算法对CUDA+GPU的依赖;同时算法也能在纯中央处理器上较快速地执行,适用于单机模式下进行天文软件的开发和测试,也便于天文软件的应用与推广。     

基于容器技术的天文应用软件自动部署方法

平方千米阵列即将开始建设,各子工作包也进入关键设计评估阶段。基于云与容器技术是平方千米阵列科学数据处理器未来可能采用的平台技术。针对超大规模海量数据处理面临的天文应用软件快速部署、运行与实测要求,充分考虑天文应用软件运行环境复杂、云计算环境下超大规模计算集群部署困难等问题,系统研究并给出了一种使用容器技术的天文应用软件通用自动部署方法。以目前较为常用的可见度函数校准软件SAGECaL为例,首先分析了SAGECaL的相关特性和分布式部署方面存在的困难,进而给出了基于容器技术的SAGECaL分布式集群的自动部署方法。实验结果表明,自动部署方法极大地提高了SAGECaL分布式集群的部署效率,满足项目组承担平方千米阵列科学数据处理器相关测试工作所需要的基础平台部署与切换等需求,同时也为其它天文软件在云端的快速部署与执行提供了有益的思路。     

宽视场成像网格化算法中w-plane最优经验值研究

射电干涉阵列宽视场成像网格化处理过程中必须考虑w项的影响。w-projection和w-stacking是两种重要的宽视场成像网格化处理算法,w-plane参数是算法中影响计算速度和成图质量的一个重要因素。研究了w-projection和w-stacking两种网格化算法,利用SKA-1低频阵台站数据和ASKAP软件包进行模拟观测,对两种算法在不同w-plane参数取值情况下的成图速度和成图质量进行了定量分析对比。结果进一步表明,w-plane是性能改善的重要参数。针对w-projection算法,w-plane取值应比一般给定的经验值大才能得到较好的成像效果。w-stacking算法虽然有很大的速度优势,但算法实现中w-plane的影响更为显著,给出了推荐的w-plane取值。本文的工作是大视场成像算法的基础性研究工作,对未来平方千米阵列科学数据处理中的管线设计有较好的参考价值。     

基于独立成分分析的射频干扰信号消除方法

射电天文已成为人类研究宇宙的重要途径。但随着人类生产、生活的发展,射频干扰信号对射电天文观测的影响越来越严重,观测数据的好坏关系到科学成果的质量甚至结论的真伪。目前广泛采用基于阈值判断射频干扰,对干扰信号直接舍弃部分观测数据的方法。此类方法存在阈值确定困难、观测带宽和时间被缩减等问题。针对脉冲星观测射电信号中,各干扰信号及射电信号统计独立以及呈现出的非高斯性,利用独立成分分析对混合信号进行分解,并根据观测信号中脉冲星信号和干扰信号的分布特点识别脉冲星信号,实现干扰信号消除。使用该方法对云南天文台40 m射电望远镜接收到的脉冲星观测信号进行独立成分分析,分解出独立的射频干扰信号和脉冲星信号,消除射频干扰信号。独立成分分析法在干扰信号消除、射电信号保留及信噪比方面均取得良好效果。     

基于Paxos的强一致性复制在天文数据存储中的应用研究

随着新一代天文观测技术的快速发展,观测设备所获得的科学数据迅猛增长,传统的外挂式存储设备已经难以满足海量观测数据的近实时存储和同步数据处理的需求。基于廉价硬件的分布式存储系统是解决当前天文观测数据存储的有效手段。由于廉价硬件节点发生故障的概率相对较高,为了确保科学观测和数据的可靠存储,提出了一种基于Paxos的改进的分布式软件多副本复制算法。实验表明,在针对大于1 MB的天文FITS图像文件存储过程中,算法虽然增加少量的存储延迟,但能够容忍多种软硬件异常下多个副本的强一致性,较好地解决当前海量天文数据存储中的多副本数据存储的一致性问题。     

地网对VHF天线性能影响的分析研究

基于VHF频段射电天文干涉阵列的天线,研究地网以及不同环境对天线辐射特性包括增益、方向图、谐振点等参数的影响。结果表明,无地网条件下,天线在干燥土壤和沙地的增益分别是3.06 dB和1.44 dB,且存在明显的旁瓣和后瓣;天线在潮湿土壤和沙地的增益分别是4.33 dB和4.25 dB。增加地网后,天线在干燥土壤和沙地的增益分别是4.87 dB和4.97 dB,潮湿土壤和沙地分别是4.39 dB和4.40 dB,方向图不存在明显的后瓣和旁瓣,谐振点稳定在27.0 MHz和69.5 MHz处,且在此之间的频段上,驻波比均满足银河噪声限制条件。由此可以得出结论:在干燥土壤和沙地上铺设地网时,VHF天线性能最好,噪声最低,这对大规模的VHF天线阵列的基础构建环境选择至关重要。     

基于经验模式分解的太阳南北半球黑子面积的Rieger-type周期相位分析

采用经验模式分解技术研究了从第12到第24太阳活动周黑子面积数据中的Rieger-type周期,以及它们在南北半球上的相位关系。研究发现:(1)Rieger-type周期尺度以及时间尺度在两个半球上是不一样的,从而导致了半球分布的不对称性;(2)平均Rieger-type周期在北半球上的周期长度略大于南半球上的;(3)占主导地位半球的Rieger-type周期的相位不一定是超前的,半球Rieger-type周期尺度相近的也并不一定是相关性强的。     

行星大样本演化的研究进展

随着系外行星观测样本的大量积累,大样本演化方法作为天体物理的重要方法,继在恒星物理中广泛应用后,在行星统计特征的研究中开始变得更加重要。行星大样本演化方法就是通过简化的行星形成演化模型,对大量初始条件(原行星盘参数)和边界条件(星周环境)同时进行模拟,给出行星的各种统计性质,并直接与观测上的行星样本统计特征做比较。该方法对于限制行星形成和演化的理论模型具有重要意义。对行星大样本演化模型进行概述,简要介绍了行星大样本演化的主要统计结果和最新进展,并对其未来发展作出了展望。