儀器設計論文：中學生遠程天文儀器系統設計范文

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作者：杜競杉劉衍志傅慎明林嵐單位：浙江省杭州高級中學浙江大學竺可楨學院浙江工業大學信息工程學院中國科學技術大學物理學院

附屬光路的光學系統是口徑6cm、焦距27cm的修正復消色差折射系統；相機為QHYCCDQHY8Pro，探測器為3k*2k彩色CCD，像元大小7.8*7.8um，成像視場5°19’21”*3°44’31”．對焦結構為齒條齒輪式(R&P)．該光路固定使用濾光片BaaderUHC-S．該光路以極短焦距的折射鏡配上大面積的彩色CCD相機，主要可以進行較大視場的天文攝影．主光路遮光筒前端安裝了遮罩，由減速電機驅動，輕觸開關限位，可以延緩灰塵積累影響通光．附屬光路前段的遮罩由舵機控制，在拍攝暗流場時充當機械快門．遮罩內側貼有黑色消光絨，也盡量使關閉時的漏光量降到最低.機架子系統選擇了ParamountME德式赤道儀，固定在豎直鋼管上．

控制和數據服務子系統采用二級控制設計．由于微型計算機的操作系統一般禁止直接I/O訪問，故采用主控計算機(一級控制器)發出指令，各個二級控制器具體執行操作，之間通過USB或RS232交互指令的方式．用二級控制設計以“遠程模式”工作的系統也是可靠成熟的．商業化儀器的二級控制器為內置的控制系統，而對于其他儀器和附屬結構，二級控制器集中于單片機（SCM，SingleChipMicrocomputer）中．單片機采用了ArduinoUNO(中央芯片ATmega328)，分為兩片：固定于主控計算機旁的負責圓頂、照明、電源、環境制冷控制和溫濕度查詢等功能；隨望遠鏡一同轉動的負責望遠鏡遮罩的控制．附屬服務和保障子系統包含了遠程天文臺其余的提供其他數據和保障的儀器和結構．

圓頂外安裝了一個氣象監測器，可以得到實時的溫濕度、天空背景溫度(用以判斷云覆蓋率)、風速等．圓頂內通過連接在單片機上的傳感器測量溫濕度．圓頂內使用紅外遙控的移動空調機制冷，防止溫度過高損壞儀器，用連接在單片機上的紅外發射管模擬遙控器的調制波實現控制．由于觀測站地處新疆地區，一旦控制系統發生故障，維修的成本很大，故在控制和數據服務子系統中增加了電話控制模塊，目前實現兩個功能：主控計算機重啟、圓頂及電源的關閉．在主控計算機死機、網絡連接中斷之時，可以通過該電話控制模塊進行應急操作．

觀測站使用一個2m直徑的4片式全開圓頂，省去了圓頂指向和隨動功能的設計，可以提高穩定性．單片機控制帶有偏心輪的舵機實現了對圓頂控制按鈕的按壓．這種結構不改變圓頂控制箱內部的接線，并且易于在故障時人工緊急操作．主臺站和調試臺站分別采用了這種結構和傳統的繼電器結構，便于在將來使用中進行比較．

程序設計

由于中學生掌握的天文觀測知識和計算機知識有所限制，設計程序時必須充分考慮到學生使用的實際情況．首先，該系統主要用于中學教育，所以在設計時，我們在盡量簡化用戶操作的同時最大程度地保留各項參數配置的可見性和可調整性，而且能讓用戶實時操作并得到反饋，有利于用戶學習和理解觀測中涉及到的各類原理、知識和技能．其次，該系統也能夠按要求執行自動觀測，以節約學生的時間．如圖2，從所處位置上分，本系統的程序可分為主控計算機程序、單片機程序和本地服務器程序等．

1主控計算機

主控計算機上有三類程序：一是用于和儀器通訊的程序集，二是控制系統，三是數據壓縮系統．用于和儀器通訊的程序集中，和天文儀器通訊的采用了第三方的軟件包如TheSky等.

另外我們也編寫了和單片機通訊的程序．控制系統由用戶界面和內核組成．內核通過解析文本指令進行操控．我們將該文本指令稱為TABLET(TerminalAutomationBatchLanguageEnvironmentforTelescopes，望遠鏡終端自動化批處理語言環境)．這樣便完全分離了用戶界面和控制內核，可以為不同需求的用戶設計不同的用戶界面．同時，用戶可以用TABLET編寫自動化觀測腳本，實現無人值守觀測．TABLET語句由命令和參數組成，且通常采用簡單的英文單詞和縮寫，語法簡單．例如，gotomoon表示指向月球，mexp100|20表示主光路相機露光100s，重復20次．另外TABLET還支持循環結構，在多波段的時序測光中也可以發揮很好的作用．作為批處理語言，后期可以為例如Gamma暴的地面觀測提供快速反應的支持．

系統的主觀測站位于新疆，按照目前的網絡連接，連接位于杭州的服務器的平均速度約數十KB/s．如果實時控制，觀測圖像、監控圖像等數據量很大，像這樣的網絡連接速度很難做到實時回傳．對于觀測圖像，系統于每日清晨掃描數據存儲目錄，并壓縮新的或被修改過的子目錄．系統也會在計算機存儲一張FITS格式圖像的同時存儲一份低像素的JPEG圖像作為預覽圖．對于監控圖像，系統每隔一段時間抓取一張存儲為JPEG圖像．用戶可以在控制平臺上看到觀測圖像的預覽圖和監控抓圖．

2單片機

位于單片機內的程序用于直接實施I/O操作，以控制提供附屬服務的儀器．單片機內的程序循環讀取串口字符，按協議執行相應的程序段并向主控計算機發送反饋．其中，為了保證圓頂和內部器材的安全，圓頂開合兩個功能是多線程執行的，可以在需要的時候立即中斷.

3本地服務器

本地服務器程序主要部署在本地機房的服務器中，一部分用于用戶管理、認證，一部分用于觀測數據的回傳、整理等．按照目前的設計，用戶數據庫位于該服務器中，存儲注冊用戶的信息和觀測時間分配．管理員通過上傳觀測時間分配表來限制用戶何時能夠登錄到系統中．控制系統通過和這部分程序交互來驗證觀測者的身份．觀測數據的回傳采用了類似網站備份的方法．遠程觀測站的計算機作為FTP服務器，本地服務器每日定時掃描此FTP目錄，發現新的或被更新過的數據壓縮包即將其下載至本地目錄上．原則上，觀測者需等待此過程完成后從本地服務器上下載觀測數據，防止直接下載觀測數據帶來的網絡堵塞．

4觀測流程

在正式開放階段，系統將按照圖3的方式處理觀測流程．在實時操作中的流程為：

1)觀測申請：用戶根據自己的需要通過Email等方式提交觀測申請，由管理人員進行評估和審批，決定觀測時間．

2)觀測時間分配：通過審批的申請被編入觀測時間分配表，上傳至用戶管理數據庫．

3)登錄觀測系統：用戶登錄觀測系統時驗證權限，通過后系統進行初始化操作，用戶可以選擇進行實時操作或批量操作．兩種模式可以互相切換．

4)觀測操作：用戶使用觀測系統進行觀測操作．

5)歸位：系統進行復位關機操作，返回觀測回執，并進行數據壓縮．

6)數據下載：數據回傳至杭州服務器后，用戶按照回執提供的地址從杭州服務器下載觀測數據，并按需下載儲存于數據庫中的bias、flat、dark等數據．在自動觀測中，用戶在登錄后提交TABLET代碼，程序按代碼完成所有操作．

觀測條件與實踐

1背景天光

2011年7月28日，我們利用安裝調試的間隙評估了阿克蘇三中臺站的觀測條件．觀測時間約為北京時間5時．中心坐標=22h41m38s，=1°16’20”．以（GuideStarCatalog編號）GSC568:1416，GSC568:1464，GSC568:1298，GSC568:1069*這3顆SDSS系統測光標準星測量了白光、g、r、i四個通道的背景天光，結果如表1，

2自動觀測實例

2012年3月9-10日，我們在外場調試臺站（天荒坪站）進行了第一次自動觀測測試．本次觀測過程采用TABLET代碼自動執行，拍攝過程中無人值守．觀測使用的控制代碼如圖4所示．觀測時間大約在9日22時30分至10日4時區間內．觀測目標為SXPHE型變星AEUMa．相機溫度約-20℃，共循環40次，每循環使用clear，g，r，i，z5個通道，單幅圖像露光90s．觀測結束時拍攝了10幅暗電流場和10幅偏置場．測光比較星為GSC2998:1166，校驗星（CheckStar，Chk.）為GSC2998:846．圖5-圖10給出了五個通道的時序較差測光結果．由于觀測時間云量較多，測光誤差較大．Fukugita給出的Sloanz濾光片的截入波長（cut-onwavelength）是841nm，本系統采用的濾光片略有不同，為820nm，仍屬于近紅外波段，受云量和水汽影響很大．觀測中氣象監測儀器記錄下的相對濕度保持在80%左右．

3天文攝影樣張

圖11和圖12分別是利用阿克蘇系統主光路拍攝的球狀星團M13和行星狀星云M27的圖像，經過彩色合成．圖像拍攝于2011年7月26日．4結論經過設計、安裝和調試，目前該遠程望遠鏡系統已經進入了試觀測階段，可以進行觀測運作了．杭州高級中學的部分學生已初步學習使用該系統并進行了一些觀測活動．我們仍在不斷進行軟、硬件的開發和優化工作，使該系統能最終穩定地進入正式開放階段，為有觀測需要的師生提供服務．