摘 要：隨著時域天文觀測對超長時序、多站點多設備協(xié)調(diào)觀測需求的增長, 全自動、無人值守聯(lián)合觀測成為光學天文觀測發(fā)展的趨勢之一.觀測系統(tǒng)調(diào)度管理作為其中的重要組成, 在提高觀測效率, 協(xié)同多臺站多設備觀測方面發(fā)揮至關(guān)重要作用.本文簡述望遠鏡網(wǎng)絡調(diào)度管理的發(fā)展歷程, 總結(jié)已實現(xiàn)的項目基本思路和邏輯, 介紹中國SONG項目中調(diào)度管理系統(tǒng)的需求、設計和實現(xiàn).

　　關(guān)鍵詞：天文望遠鏡; 觀測網(wǎng)絡; 調(diào)度管理系統(tǒng);

　　《天文愛好者》(月刊)創(chuàng)刊于1958年，由中國天文學會;北京天文館主辦。旨在宣傳辯證唯物主義世界觀，介紹天文學基礎(chǔ)知識和人類認識宇宙取得的新成果，培養(yǎng)青少年天文愛好者的觀測實踐能力，為教學服務。刊登的內(nèi)容涉及天文學史、天文學家、人造衛(wèi)星和空間探測等。

　　引言地基光學天文觀測對環(huán)境有嚴格的要求.伴隨經(jīng)濟發(fā)展, 人類活動造成的光污染、大氣環(huán)境污染等因素逼迫在用和新研天文設備向偏遠地區(qū)遷移.這造成觀測資源的持續(xù)分散.天文學研究尤其是時域天文學的發(fā)展對觀測資源統(tǒng)一使用的需求極大提高, 而當前條件下觀測資源進一步的分布散列, 這形成了尖銳矛盾.基于飛速發(fā)展的信息技術(shù)和愈加低廉的網(wǎng)絡資源, 程控自主天文臺 (Robotic Autonomous Observatory, 簡稱RAO) 是解決這一矛盾的技術(shù)途徑.同時, 無人值守、遠程觀測的程控自主天文臺, 在提高觀測效率和降低運行維護成本方面有著無與倫比的優(yōu)勢.根據(jù)相同或相似的科學目標, 通過高速網(wǎng)絡連接多個獨立運行的程控自主天文臺并協(xié)同運行觀測, 就形成了程控自主天文臺網(wǎng)絡 (Robotic Autonomous Observatory Network, 簡稱RAON) [1,2].

　　RAO是一個數(shù)據(jù)驅(qū)動的系統(tǒng).RAO系統(tǒng)包括設備控制、數(shù)據(jù)管理、觀測輔助、網(wǎng)絡通信和調(diào)度管理等5個子系統(tǒng)[2].這5部分中設備控制和數(shù)據(jù)管理是系統(tǒng)的工作基礎(chǔ), 觀測輔助是系統(tǒng)的安全保障, 網(wǎng)絡通信是系統(tǒng)的連接紐帶.調(diào)度管理作為系統(tǒng)的“大腦”, 在觀測中重點關(guān)注對于符合條件的不同目標的遴選, 多設備的調(diào)度, 變化環(huán)境條件下的及時響應等至關(guān)重要的工作[3,4,5].調(diào)度管理系統(tǒng)是RAO系統(tǒng)核心利益的保障, 其工作效率高度依賴于調(diào)度算法.調(diào)度管理系統(tǒng)的設計和運行, 需要對臺站環(huán)境等離線數(shù)據(jù)做長時間記錄和深入分析, 并結(jié)合在線數(shù)據(jù)的及時反饋, 從而制定合理的調(diào)度策略[3].多個RAO組成的觀測網(wǎng)絡 (RAON) 通過調(diào)度決策系統(tǒng) (dispatcher) 協(xié)調(diào)控制每個RAO的調(diào)度管理系統(tǒng) (scheduler) .調(diào)度決策系統(tǒng)處于核心地位, 完成任務和資源分配等工作.本地調(diào)度管理系統(tǒng)處于從屬地位, 在保障望遠鏡及相關(guān)設備物理安全的同時完成本地設備調(diào)度工作[6].在任何情況下都要確保系統(tǒng)安全、自洽.

　　2 歷史與現(xiàn)狀2.1 國外RAON及其調(diào)度管理系統(tǒng)國外對于RAON的研究始于20世紀末, 主要分為兩個研究方向:一是基于已有天文望遠鏡, 通過軟件改造升級, 構(gòu)建觀測網(wǎng)絡實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)觀測.在具體實施時又分為兩類技術(shù)發(fā)展方向:

　　(1) 對望遠鏡等設備控制軟件定制開發(fā), 使其具備聯(lián)網(wǎng)觀測能力.

　　(2) 基于AS-COM、RTS2、INDI等中間層改造控制軟件, 借助中間層實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)觀測.此研究的目的是在節(jié)約改造成本和建設周期的同時, 通過實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)觀測挖掘已有觀測設備的潛力.但由于歷史原因, 大部分已有設備缺少必要的、可數(shù)字化監(jiān)測的安全保護措施, 僅通過軟件升級難以保證無人值守的可靠性.Robo Net-II[7], HTN[8], NORT[9]等是此方向的代表性項目.二是新建RAON, 各節(jié)點使用相同或者高度一致的硬件, 通過網(wǎng)絡通信和軟件來調(diào)度管理整個系統(tǒng), 這是目前發(fā)展的主要方向.新建RAON在設計階段就充分考慮時序觀測和無人值守需求:硬件上選擇技術(shù)成熟、可靠、具有狀態(tài)反饋的產(chǎn)品, 并做模塊化設計;控制邏輯簡單可行, 具有健壯性, 構(gòu)建從觀測輸入到數(shù)據(jù)輸出的閉環(huán)過程;軟件上利用ASCOM、RTS2、INDI等中間層的支持, 減少開發(fā)工作量;采用硬件、軟件雙重保護, 確保系統(tǒng)安全.RAON是近十多年形成的時域天文學研究的低成本技術(shù)方案, 已在運行的ROTSE, Pi of the Sky, HATSouth, BOOTES, LCOGT和Saloris等項目, 以及在研的KMTNet都是其典型代表.

　　2.1.1 HATNet和HATSouth匈牙利自動望遠鏡 (HAT) 由匈牙利的一個研究小組開發(fā)完成, 其設計目標是完成北天亮變星的全自動巡天計劃.隨著工作的進展, HAT逐漸由1臺設備擴展到6臺, 并組成觀測網(wǎng)絡, 即HATNet.在HATNet成功的基礎(chǔ)上, 美國普林斯頓大學、澳大利亞國立大學、德國馬普天文研究所又共同建設HATSouth系統(tǒng), 目的是用巡天方式尋找系外行星候選體.HATSouth建成于2010年, 由分布在南半球3個天文臺站的6套完全相同的望遠鏡設備構(gòu)成觀測網(wǎng)絡.HATSouth是世界上第一個全年7×24小時對整個南半天球進行監(jiān)測的自動望遠鏡網(wǎng)絡, 獲得了大量的科學數(shù)據(jù).HATSouth在每個臺站部署2套觀測系統(tǒng), 由本地調(diào)度管理系統(tǒng)控制完成巡天觀測.位于普利斯頓大學的數(shù)據(jù)中心協(xié)調(diào)三個臺站的工作狀態(tài), 并完成觀測數(shù)據(jù)自動處理.

　　2.1.2 BOOTESBOOTES:全球γ暴與瞬變源觀測系統(tǒng), 由西班牙安德魯西亞天體物理研究所發(fā)起, 包括中國科學院云南天文臺在內(nèi)的多家科研院所參與了該項目的研發(fā)和運行.BOOTES項目計劃在全球安放6臺能力相同或相似的光學全自動望遠鏡, 并形成全球觀測網(wǎng), 使得任何時刻至少有一臺望遠鏡可以觀測.BOOTES網(wǎng)絡于2015年完成, 包括5臺60cm光學望遠鏡和1臺60cm光學/紅外望遠鏡.其中BOOTES-4位于云南天文臺高美古觀測站, 2012年3月開始工作.BOOTES的運行控制軟件系統(tǒng)稱為RTS2 (Remote Telescope System 2nd Version, RTS2) , 是基于Linux的開源程序.RTS2覆蓋程控自主天文臺的完整流程, 包括:調(diào)度管理, 天文觀測, 數(shù)據(jù)存儲, 自動數(shù)據(jù)處理等.與虛擬天文臺 (VO) 結(jié)合, BOOTES還提供VO數(shù)據(jù)訪問方式.在未來的工作計劃中, RTS2將加入對整個RAON進行調(diào)度管理的功能.

　　2.1.3 LCOGTLCOGT (Las Cumbres Observatory Global Telescope) 是由私人基金資助的RAON項目, 目標是建立一個可同時開展科學研究和教育的全球性程控望遠鏡網(wǎng)絡, 為時域天文學提供更多的觀測能力.整個網(wǎng)絡包括南半球3個臺站和北半球5個臺站, 多臺口徑2m、1m和0.4m的程控望遠鏡以及多個類型的終端儀器.網(wǎng)絡中各望遠鏡采用相同的終端設備, 既可以提供測光觀測, 還提供中分辨率階梯光柵光譜和低分辨率光譜觀測.望遠鏡、圓頂、氣象站等均使用完全相同的硬件, 一周內(nèi)即可完成現(xiàn)場安裝調(diào)試.“即插即用”的易損件在站備份, 若運行過程中出現(xiàn)故障, 非專業(yè)人員也可完成更換.

　　2.1.4 SolarisSolaris主要科學目標是利用掩食探測環(huán)繞雙星的行星, 是一個位于南半球的無人值守天文觀測網(wǎng)絡.Solaris包含4臺0.5m的望遠鏡:2臺位于南非 (Solaris-1和Solaris-2) , 1臺位于澳大利亞賽丁泉天文臺 (Solaris-3) , 1臺位于阿根廷 (Solaris-4) .每個臺站均有一臺望遠鏡配備Johnson濾光片系統(tǒng)做多色測光, 位于南非的兩臺望遠鏡中, 有一臺做高分辨率光譜觀測.Solaris使用相同的赤道儀、濾光片轉(zhuǎn)輪和CCD, 唯一的不同是Solaris-3使用不同的光學系統(tǒng).Solaris于2013年10月落成并投入使用.在過去3年中, 共對290個目標進行觀測, 獲得超過169萬幀F(xiàn)ITS圖像, 總數(shù)據(jù)量超過15T, 并有著大量的科學產(chǎn)出.

　　Solaris是第一個全自動無人值守的光學觀測網(wǎng)絡, 在設計上采用的容錯機制可保證觀測系統(tǒng)在非關(guān)鍵錯誤下持續(xù)工作, 非常有借鑒意義.以上各個系統(tǒng)中, HATNet工作模式是巡天觀測, 對調(diào)度管理系統(tǒng)要求不高, 其高度自治節(jié)點實現(xiàn)了長時間的正常工作;BOOTES項目開發(fā)的RTS2具備本地的調(diào)度管理功能, 支持項目獲得了可觀的科學產(chǎn)出, 針對RAON的網(wǎng)絡調(diào)度管理系統(tǒng)尚在開發(fā);LCOGT的調(diào)度管理系統(tǒng)前期版本已經(jīng)運行了近2年, 實現(xiàn)了迄今為止最復雜的天文望遠鏡網(wǎng)絡調(diào)度管理, 快速響應的伺服觀測模式是其特色;Solaris的調(diào)度管理系統(tǒng)已開發(fā)完成并投入運行, 對調(diào)度管理系統(tǒng)的可靠性研究及容錯機制對類似項目有著借鑒意義.

　　2.2 國內(nèi)RAON及其調(diào)度管理系統(tǒng)國內(nèi)天文界密切關(guān)注RAON的發(fā)展, 但對其嘗試和實施較少, 相對國外而言起步較晚.天文界積極參與各種可能的國際合作并努力尋找自主發(fā)揮的方向, 多為合作者身份參與國際合作項目, 具有代表性的是BOOTES-4和中國SONG項目.

　　2.2.1 BOOTES-42012年3月, 全球γ暴與瞬變源觀測系統(tǒng)第四號觀測站 (BOOTES-4) 在中國科學院云南天文臺麗江高美古觀測站投入使用.BOOTES-4采用了自主開發(fā)的RTS2軟件系統(tǒng), 可為國內(nèi)RAO技術(shù)的研究提供良好的學習參考.國內(nèi)天文設備研制單位正在基于RTS2進行二次開發(fā):LAMOST借助RTS2來改進觀測控制系統(tǒng);云南天文臺、天文光學技術(shù)研究所基于RTS2開展大氣視寧度監(jiān)測儀 (DIMM) 的自動化研究.由于RTS2開發(fā)人員變動, 基于網(wǎng)絡的調(diào)度管理系統(tǒng)研發(fā)進展落后于預期.

　　2.2.2 中國SONG項目國際SONG (Stellar Observation Network Group) 項目的科學目標是星震學時序觀測, 由丹麥奧胡斯大學發(fā)起.其設計目標是在南北半球各建立四臺配備相同終端設備的全自動高性能1米望遠鏡系統(tǒng), 組成長時序視向速度聯(lián)合觀測網(wǎng), 由多臺望遠鏡連續(xù)觀測以獲得不間斷的觀測數(shù)據(jù).以中國科學院國家天文臺為首的合作單位于2009年正式加入SONG項目, 并于紫金山天文臺青海觀測站部署一個標準節(jié)點.2015年該設備完成驗收, 進入試觀測階段.在SONG項目基礎(chǔ)上, 中國天文學家提出了50厘米雙筒望遠鏡網(wǎng)絡 (50cm Binocular Network, 50Bi N) .50Bi N在SONG項目選址的優(yōu)良臺址上, 安裝50cm雙筒望遠鏡, 開展大視場多色測光觀測, 其科學目標為:

　　(1) 疏散星團整體一致的多色測光巡天.

　　(2) 選源星團天區(qū)內(nèi)所有時變源的長時間基線同時多色測光觀測.50Bi N原型機在紫金山天文臺青海觀測站完成安裝, 已進入科學運行階段.經(jīng)過近2年的運行, 整個觀測系統(tǒng)的硬件、穩(wěn)定性得到檢驗, 目前正在進行無人值守觀測系統(tǒng)開發(fā)與測試工作.在國內(nèi)為數(shù)不多的望遠鏡觀測網(wǎng)絡中, BOOTES使用RTS2成熟本地調(diào)度管理系統(tǒng), 其網(wǎng)絡調(diào)度管理系統(tǒng)正在開發(fā)中;SONG項目中, 原型機完成了軟件體系結(jié)構(gòu)邏輯設計, 通信協(xié)議定義等工作, 需要進行下一步的設計和開發(fā)工作.3 SONG項目望遠鏡調(diào)度管理國際SONG項目主要的科學工作是開展星震學研究, 對于觀測目標連續(xù)觀測獲得不間斷的數(shù)據(jù), 獲得被測目標的視向速度變化, 反演其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與演化過程.其出發(fā)點是以較小的投入, 建設全球布站的地基無人值守望遠鏡觀測網(wǎng)絡, 獲得高于已有空間觀測設備分辨率的觀測能力.從功能上, 國際SONG項目的觀測網(wǎng)絡要實現(xiàn)以下目標: (1) 對選定恒星進行24小時連續(xù)不斷的高分辨、高精度光譜觀測. (2) 整個觀測網(wǎng)絡從外部看起來是一致的觀測系統(tǒng), 其對用戶透明, 觀測者僅通過Web頁面提交觀測計劃和訪問數(shù)據(jù).

　　(3) 由位于丹麥的調(diào)度管理系統(tǒng)對整個網(wǎng)絡的觀測任務進行調(diào)度管理, 各節(jié)點具有自治觀測能力.中國SONG項目作為標準節(jié)點, 其功能需求為: (1) 接收來自中心控制節(jié)點的調(diào)度結(jié)果 (觀測任務) 進行觀測. (2) 向中心控制節(jié)點反饋觀測結(jié)果, 實時信息 (氣象、設備狀態(tài)等) , 同步觀測數(shù)據(jù).

　　(3) 可作為獨立的臺站, 在滿足條件的情況進行無人值守觀測.研究恒星表面震動需要對觀測目標進行長時序的光譜觀測, 通常對感興趣的目標做以月為單位的持續(xù)觀測, 且整晚只對1-2個源進行觀測, 需要考慮的問題主要是限制條件 (高度角、大氣消光、月相等) 和環(huán)境因素 (降水、云量、風速、沙塵等) , 不同觀測源的切換判定等, 相對于LCOGT這類的網(wǎng)絡, SONG項目對調(diào)度管理系統(tǒng)要求的重點不同.SONG項目的系統(tǒng)工作模型采用了中心控制型的拓撲結(jié)構(gòu), 設計上采用分層結(jié)構(gòu).如圖1所示, 中心控制服務器作為整個系統(tǒng)的核心節(jié)點, 負責整個觀測網(wǎng)絡的調(diào)度管理, 資源分配.其他各節(jié)點包括可配置交換機、控制服務器和數(shù)據(jù)處理服務器.節(jié)點內(nèi)的設備配置為內(nèi)部和外部兩層虛擬局域網(wǎng), 整個節(jié)點作為整體接受中心控制服務器控制.軟件從邏輯上可分為四層, 如圖2所示, 自底向上分別為:Level 4, 硬件驅(qū)動層;Level 3, 組合硬件驅(qū)動, 實現(xiàn)觀測設備邏輯功能的驅(qū)動;Level 2, 中間層腳本, 可根據(jù)觀測者需求編制不同策略腳本;Level 1, 處理觀測請求、系統(tǒng)任務、響應系統(tǒng)狀態(tài)變化的守護程序.

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