仪器设计论文：中学生远程天文仪器系统设计范文

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作者：杜竞杉刘衍志傅慎明林岚单位：浙江省杭州高级中学浙江大学竺可桢学院浙江工业大学信息工程学院中国科学技术大学物理学院

附属光路的光学系统是口径6cm、焦距27cm的修正复消色差折射系统；相机为QHYCCDQHY8Pro，探测器为3k*2k彩色CCD，像元大小7.8*7.8um，成像视场5°19’21”*3°44’31”．对焦结构为齿条齿轮式(R&P)．该光路固定使用滤光片BaaderUHC-S．该光路以极短焦距的折射镜配上大面积的彩色CCD相机，主要可以进行较大视场的天文摄影．主光路遮光筒前端安装了遮罩，由减速电机驱动，轻触开关限位，可以延缓灰尘积累影响通光．附属光路前段的遮罩由舵机控制，在拍摄暗流场时充当机械快门．遮罩内侧贴有黑色消光绒，也尽量使关闭时的漏光量降到最低.机架子系统选择了ParamountME德式赤道仪，固定在竖直钢管上．

控制和数据服务子系统采用二级控制设计．由于微型计算机的操作系统一般禁止直接I/O访问，故采用主控计算机(一级控制器)发出指令，各个二级控制器具体执行操作，之间通过USB或RS232交互指令的方式．用二级控制设计以“远程模式”工作的系统也是可靠成熟的．商业化仪器的二级控制器为内置的控制系统，而对于其他仪器和附属结构，二级控制器集中于单片机（SCM，SingleChipMicrocomputer）中．单片机采用了ArduinoUNO(中央芯片ATmega328)，分为两片：固定于主控计算机旁的负责圆顶、照明、电源、环境制冷控制和温湿度查询等功能；随望远镜一同转动的负责望远镜遮罩的控制．附属服务和保障子系统包含了远程天文台其余的提供其他数据和保障的仪器和结构．

圆顶外安装了一个气象监测器，可以得到实时的温湿度、天空背景温度(用以判断云覆盖率)、风速等．圆顶内通过连接在单片机上的传感器测量温湿度．圆顶内使用红外遥控的移动空调机制冷，防止温度过高损坏仪器，用连接在单片机上的红外发射管模拟遥控器的调制波实现控制．由于观测站地处新疆地区，一旦控制系统发生故障，维修的成本很大，故在控制和数据服务子系统中增加了电话控制模块，目前实现两个功能：主控计算机重启、圆顶及电源的关闭．在主控计算机死机、网络连接中断之时，可以通过该电话控制模块进行应急操作．

观测站使用一个2m直径的4片式全开圆顶，省去了圆顶指向和随动功能的设计，可以提高稳定性．单片机控制带有偏心轮的舵机实现了对圆顶控制按钮的按压．这种结构不改变圆顶控制箱内部的接线，并且易于在故障时人工紧急操作．主台站和调试台站分别采用了这种结构和传统的继电器结构，便于在将来使用中进行比较．

程序设计

由于中学生掌握的天文观测知识和计算机知识有所限制，设计程序时必须充分考虑到学生使用的实际情况．首先，该系统主要用于中学教育，所以在设计时，我们在尽量简化用户操作的同时最大程度地保留各项参数配置的可见性和可调整性，而且能让用户实时操作并得到反馈，有利于用户学习和理解观测中涉及到的各类原理、知识和技能．其次，该系统也能够按要求执行自动观测，以节约学生的时间．如图2，从所处位置上分，本系统的程序可分为主控计算机程序、单片机程序和本地服务器程序等．

1主控计算机

主控计算机上有三类程序：一是用于和仪器通讯的程序集，二是控制系统，三是数据压缩系统．用于和仪器通讯的程序集中，和天文仪器通讯的采用了第三方的软件包如TheSky等.

另外我们也编写了和单片机通讯的程序．控制系统由用户界面和内核组成．内核通过解析文本指令进行操控．我们将该文本指令称为TABLET(TerminalAutomationBatchLanguageEnvironmentforTelescopes，望远镜终端自动化批处理语言环境)．这样便完全分离了用户界面和控制内核，可以为不同需求的用户设计不同的用户界面．同时，用户可以用TABLET编写自动化观测脚本，实现无人值守观测．TABLET语句由命令和参数组成，且通常采用简单的英文单词和缩写，语法简单．例如，gotomoon表示指向月球，mexp100|20表示主光路相机露光100s，重复20次．另外TABLET还支持循环结构，在多波段的时序测光中也可以发挥很好的作用．作为批处理语言，后期可以为例如Gamma暴的地面观测提供快速反应的支持．

系统的主观测站位于新疆，按照目前的网络连接，连接位于杭州的服务器的平均速度约数十KB/s．如果实时控制，观测图像、监控图像等数据量很大，像这样的网络连接速度很难做到实时回传．对于观测图像，系统于每日清晨扫描数据存储目录，并压缩新的或被修改过的子目录．系统也会在计算机存储一张FITS格式图像的同时存储一份低像素的JPEG图像作为预览图．对于监控图像，系统每隔一段时间抓取一张存储为JPEG图像．用户可以在控制平台上看到观测图像的预览图和监控抓图．

2单片机

位于单片机内的程序用于直接实施I/O操作，以控制提供附属服务的仪器．单片机内的程序循环读取串口字符，按协议执行相应的程序段并向主控计算机发送反馈．其中，为了保证圆顶和内部器材的安全，圆顶开合两个功能是多线程执行的，可以在需要的时候立即中断.

3本地服务器

本地服务器程序主要部署在本地机房的服务器中，一部分用于用户管理、认证，一部分用于观测数据的回传、整理等．按照目前的设计，用户数据库位于该服务器中，存储注册用户的信息和观测时间分配．管理员通过上传观测时间分配表来限制用户何时能够登录到系统中．控制系统通过和这部分程序交互来验证观测者的身份．观测数据的回传采用了类似网站备份的方法．远程观测站的计算机作为FTP服务器，本地服务器每日定时扫描此FTP目录，发现新的或被更新过的数据压缩包即将其下载至本地目录上．原则上，观测者需等待此过程完成后从本地服务器上下载观测数据，防止直接下载观测数据带来的网络堵塞．

4观测流程

在正式开放阶段，系统将按照图3的方式处理观测流程．在实时操作中的流程为：

1)观测申请：用户根据自己的需要通过Email等方式提交观测申请，由管理人员进行评估和审批，决定观测时间．

2)观测时间分配：通过审批的申请被编入观测时间分配表，上传至用户管理数据库．

3)登录观测系统：用户登录观测系统时验证权限，通过后系统进行初始化操作，用户可以选择进行实时操作或批量操作．两种模式可以互相切换．

4)观测操作：用户使用观测系统进行观测操作．

5)归位：系统进行复位关机操作，返回观测回执，并进行数据压缩．

6)数据下载：数据回传至杭州服务器后，用户按照回执提供的地址从杭州服务器下载观测数据，并按需下载储存于数据库中的bias、flat、dark等数据．在自动观测中，用户在登录后提交TABLET代码，程序按代码完成所有操作．

观测条件与实践

1背景天光

2011年7月28日，我们利用安装调试的间隙评估了阿克苏三中台站的观测条件．观测时间约为北京时间5时．中心坐标=22h41m38s，=1°16’20”．以（GuideStarCatalog编号）GSC568:1416，GSC568:1464，GSC568:1298，GSC568:1069*这3颗SDSS系统测光标准星测量了白光、g、r、i四个通道的背景天光，结果如表1，

2自动观测实例

2012年3月9-10日，我们在外场调试台站（天荒坪站）进行了第一次自动观测测试．本次观测过程采用TABLET代码自动执行，拍摄过程中无人值守．观测使用的控制代码如图4所示．观测时间大约在9日22时30分至10日4时区间内．观测目标为SXPHE型变星AEUMa．相机温度约-20℃，共循环40次，每循环使用clear，g，r，i，z5个通道，单幅图像露光90s．观测结束时拍摄了10幅暗电流场和10幅偏置场．测光比较星为GSC2998:1166，校验星（CheckStar，Chk.）为GSC2998:846．图5-图10给出了五个通道的时序较差测光结果．由于观测时间云量较多，测光误差较大．Fukugita给出的Sloanz滤光片的截入波长（cut-onwavelength）是841nm，本系统采用的滤光片略有不同，为820nm，仍属于近红外波段，受云量和水汽影响很大．观测中气象监测仪器记录下的相对湿度保持在80%左右．

3天文摄影样张

图11和图12分别是利用阿克苏系统主光路拍摄的球状星团M13和行星状星云M27的图像，经过彩色合成．图像拍摄于2011年7月26日．4结论经过设计、安装和调试，目前该远程望远镜系统已经进入了试观测阶段，可以进行观测运作了．杭州高级中学的部分学生已初步学习使用该系统并进行了一些观测活动．我们仍在不断进行软、硬件的开发和优化工作，使该系统能最终稳定地进入正式开放阶段，为有观测需要的师生提供服务．