面向中學生的遠程望遠鏡系統(tǒng)設(shè)計*

杜競杉，劉衍志，傅慎明，林 嵐

(1. 浙江省杭州高級中學，浙江 杭州 310003；2. 浙江大學竺可楨學院，浙江 杭州 310058；3. 浙江工業(yè)大學信息工程學院，浙江 杭州 310014；4. 中國科學技術(shù)大學物理學院，安徽 合肥 230026)

目前，國內(nèi)的中學天文臺基本都建造在本校內(nèi)，而擁有天文臺的中學大多建造在大城市中，受到城市燈光和塵埃等的強烈影響[1]。我國西部地區(qū)的觀測條件，如晴天數(shù)、大氣質(zhì)量等一般比沿海地區(qū)城市要好。新疆阿克蘇市是浙江省杭州市的對口援建城市，年日照時數(shù)達到2 800～3 000 h，降雨量僅75 mm左右。新疆阿克蘇市第三中學和浙江省杭州高級中學已經(jīng)結(jié)為友好互助學校，對口援建一個校園遠程天文臺既能很好地推動當?shù)靥煳慕逃陌l(fā)展，也能讓更多的老師學生使用更好的觀測資源。

鑒于此設(shè)計并在新疆阿克蘇市第三中學校園內(nèi)安置了一套遠程觀測系統(tǒng)，在浙江安吉天荒坪安置了一套組成相同的外場調(diào)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可供有一定天文觀測基礎(chǔ)的中學師生使用，用于學科教學和學生科研訓練；可以進行準專業(yè)測光觀測；也可以進行業(yè)余天文攝影。另外，由于兩地存在超過兩個小時的時差，如果兩個臺站聯(lián)合觀測同一變源也可以延長單次觀測的時間。這兩套系統(tǒng)目前均已進入了試觀測階段。

1 硬件組成

該系統(tǒng)可以粗略地分為以下幾個子系統(tǒng)：光學和成像子系統(tǒng)、機架子系統(tǒng)、控制和數(shù)據(jù)服務(wù)子系統(tǒng)、附屬服務(wù)和保障子系統(tǒng)。圖1表示該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并描述了設(shè)備間的相互連接與控制關(guān)系。

光學和成像子系統(tǒng)分為主光路和附屬光路兩個部分。主光路的光學系統(tǒng)是修正施密特-卡塞格林系統(tǒng)，口徑28 cm、主焦距56 cm、卡焦焦距280 cm；相機為SBIG STL-4020M，安裝在卡焦焦點。其中探測器為2 k×2 k CCD，像元大小7.4 μm×7.4 μm；導星芯片為657×495 CCD，像元大小7.4 μm×7.4 μm。該光路成像視場18′40″×18′40″，導星視場6′1″×4′33″，兩個視場中心距14′32″。調(diào)焦工作由分別安裝在主鏡調(diào)焦螺桿和卡焦焦點前的兩臺電動調(diào)焦器完成。在進行了粗調(diào)焦后，主鏡位置即固定，由卡焦焦點前的調(diào)焦器完成細調(diào)焦工作。相機前有Sloan g、r、i、z四片濾光片，通過轉(zhuǎn)輪提供包括白光5個通道。為了減小散射光的影響，在鏡筒最前端增加了貼有消光絨的遮光延長筒。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系

Fig.1 Hardware architecture

附屬光路的光學系統(tǒng)是口徑6 cm、焦距27 cm的修正復消色差折射系統(tǒng)*“修正”指增加了平場修正透鏡組。；相機為QHYCCD QHY8Pro，探測器為3 k×2 k彩色CCD，像元大小7.8 μm×7.8 μm，成像視場5°19′21″×3°44′31″。對焦結(jié)構(gòu)為齒條齒輪式(R&P)。光路固定使用濾光片Baader UHC-S，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(qū)動，輕觸開關(guān)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(nèi)側(cè)貼有黑色消光絨，也盡量使關(guān)閉時的漏光量降到最低。

機架子系統(tǒng)選擇了Paramount ME德式赤道儀，固定在豎直鋼管上。

控制和數(shù)據(jù)服務(wù)子系統(tǒng)采用二級控制設(shè)計。由于微型計算機的操作系統(tǒng)一般禁止直接I/O訪問，故采用主控計算機(一級控制器)發(fā)出指令，各個二級控制器具體執(zhí)行操作，之間通過USB或RS232交互指令的方式。用二級控制設(shè)計以“遠程模式”工作的系統(tǒng)也是可靠成熟的[2]。商業(yè)化儀器的二級控制器為內(nèi)置的控制系統(tǒng)，而對于其他儀器和附屬結(jié)構(gòu)，二級控制器集中于單片機(Single Chip Microcomputer, SCM)中。單片機采用了Arduino UNO(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(huán)境制冷控制和溫濕度查詢等功能；隨望遠鏡一同轉(zhuǎn)動的負責望遠鏡遮罩的控制。

附屬服務(wù)和保障子系統(tǒng)包含了遠程天文臺其余的提供其他數(shù)據(jù)和保障的儀器和結(jié)構(gòu)。圓頂外安裝了一個氣象監(jiān)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(nèi)通過連接在單片機上的傳感器測量溫濕度。圓頂內(nèi)使用紅外遙控的移動空調(diào)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(fā)射管模擬遙控器的調(diào)制波實現(xiàn)控制。

由于觀測站地處新疆地區(qū)，一旦控制系統(tǒng)發(fā)生故障，維修的成本很大，故在控制和數(shù)據(jù)服務(wù)子系統(tǒng)中增加了電話控制模塊，目前實現(xiàn)兩個功能：主控計算機重啟、圓頂及電源的關(guān)閉。在主控計算機死機、網(wǎng)絡(luò)連接中斷時，可以通過該電話控制模塊進行應急操作。

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

2 程序設(shè)計

由于中學生掌握的天文觀測知識和計算機知識有限，設(shè)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(tǒng)主要用于中學教育，所以在設(shè)計時盡量簡化用戶操作，最大程度地保留各項參數(shù)配置的可見性和可調(diào)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的各類原理、知識和技能。其次，該系統(tǒng)也能夠按要求執(zhí)行自動觀測，節(jié)約學生的時間。從所處位置上分，本系統(tǒng)的程序可分為主控計算機程序、單片機程序和本地服務(wù)器程序等(圖2)。

圖2 軟件架構(gòu). 圓角矩形表示第三方軟件包

Fig.2 Software architecture. The rectangles with round corners represent third-party software packages

2.1 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(tǒng)；三是數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)。

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。另外編寫了和單片機通訊的程序。

控制系統(tǒng)由用戶界面和內(nèi)核組成。內(nèi)核通過解析文本指令進行操控，將該文本指令稱為望遠鏡終端自動化批處理語言環(huán)境(Terminal Automation Batch Language Environment for Telescopes, TABLET*可以訪問http://hgob.org/tablet了解詳細信息。服務(wù)器端主要組件及客戶端SDK按GPLv2許可開放源代碼，可以訪問http://tablet.codeplex.com獲取源代碼。)。這樣便完全分離了用戶界面和控制內(nèi)核，可以為不同需求的用戶設(shè)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(xiàn)無人值守觀測。TABLET語句由命令和參數(shù)組成，且通常采用簡單的英文單詞和縮寫，語法簡單。例如，goto moon表示指向月球，mexp 100|20表示主光路相機露光100 s，重復20次。另外TABLET還支持循環(huán)結(jié)構(gòu)，在多波段的時序測光中也可以發(fā)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(tǒng)的主觀測站位于新疆，按照目前的網(wǎng)絡(luò)連接，連接位于杭州的服務(wù)器的平均速度約數(shù)十kb/s。如果實時控制，觀測圖像、監(jiān)控圖像等數(shù)據(jù)量很大，像這樣的網(wǎng)絡(luò)連接速度很難做到實時回傳。對于觀測圖像，系統(tǒng)于每日清晨掃描數(shù)據(jù)存儲目錄，并壓縮新的或被修改過的子目錄，系統(tǒng)也會在計算機上存儲一張FITS格式的圖像，同時存儲一份低像素的JPEG圖像作為預覽圖。對于監(jiān)控圖像，系統(tǒng)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(jiān)控抓圖。

2.2 單片機

位于單片機內(nèi)的程序用于直接實施I/O操作，以控制提供附屬服務(wù)的儀器。

單片機內(nèi)的程序循環(huán)讀取串口字符，按協(xié)議執(zhí)行相應的程序段并向主控計算機發(fā)送反饋。其中，為了保證圓頂和內(nèi)部器材的安全，圓頂開合兩個功能是多線程執(zhí)行的，可以在需要的時候立即中斷。

2.3 本地服務(wù)器

本地服務(wù)器程序主要部署在本地機房的服務(wù)器中，一部分用于用戶管理、認證；一部分用于觀測數(shù)據(jù)的回傳、整理等。按照目前的設(shè)計，用戶數(shù)據(jù)庫位于該服務(wù)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限制用戶何時能夠登錄到系統(tǒng)中。控制系統(tǒng)通過和這部分程序交互來驗證觀測者的身份。

觀測數(shù)據(jù)的回傳采用了類似網(wǎng)站備份的方法。遠程觀測站的計算機作為FTP服務(wù)器，本地服務(wù)器每日定時掃描此FTP目錄，發(fā)現(xiàn)新的或被更新過的數(shù)據(jù)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(wù)器上下載觀測數(shù)據(jù)，防止直接下載觀測數(shù)據(jù)帶來的網(wǎng)絡(luò)堵塞。

2.4 觀測流程

在正式開放階段，系統(tǒng)按照圖3的方式處理觀測流程。

圖3 觀測流程

Fig.3 Observing workflow

實時操作的流程為：

(1)觀測申請：用戶根據(jù)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(shù)據(jù)庫。

(3)登錄觀測系統(tǒng)：用戶登錄觀測系統(tǒng)時驗證權(quán)限，通過后系統(tǒng)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(tǒng)進行觀測操作。

(5)歸位：系統(tǒng)進行復位關(guān)機操作，返回觀測回執(zhí)，并進行數(shù)據(jù)壓縮。

(6)數(shù)據(jù)下載：數(shù)據(jù)回傳至杭州服務(wù)器后，用戶按照回執(zhí)提供的地址從杭州服務(wù)器下載觀測數(shù)據(jù)，并按需下載儲存于數(shù)據(jù)庫中的bias、flat、dark等數(shù)據(jù)。

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。

3 觀測條件與實踐

3.1 背景天光

2011年7月28日，利用安裝調(diào)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α=22h41m38s，δ=1°16′20″。以(Guide Star Catalog編號)GSC 568∶1416、GSC 568∶1464、GSC 568∶1298*此處及下文中所用到的坐標和白光星等均取自GSC1.2[3]。這3顆SDSS系統(tǒng)測光標準星[4]測量了白光、g、r、i共4個通道的背景天光，結(jié)果如表1。

3.2 自動觀測實例

2012年3月9～10日，在外場調(diào)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(zhí)行，拍攝過程中無人值守。觀測使用的控制代碼如圖4。

表1 各濾光片及白光下背景天光亮度

圖4 自動觀測實例的控制代碼

Fig.4 An example TABLET script for observation

觀測時間大約在9日22時30分至10日4時。觀測目標為SXPHE型變星AE UMa。相機溫度約-20 ℃，共循環(huán)40次，每循環(huán)使用clear、g、r、i、z共5個通道，單幅圖像露光90 s。觀測結(jié)束時拍攝了10幅暗電流場和10幅偏置場。測光比較星為GSC 2998∶1166，校驗星(Check Star, Chk.)為GSC 2998∶846。圖5給出了5個通道的時序較差測光結(jié)果。

由于觀測時間云量較多，測光誤差較大。Fukugita給出的Sloan z濾光片的截入波長(cut-on wavelength)是841 nm[5]，本系統(tǒng)采用的濾光片略有不同，為820 nm[6]，仍屬于近紅外波段，受云量和水汽影響很大。觀測中氣象監(jiān)測儀器記錄下的相對濕度保持在80%左右。

圖5 變星AE UMa在clear、g、r、i、z通道下的較差測光結(jié)果

Fig.5 Results of differential photometry of the variable star AE UMa in the clear，g′，r′，I′， and z′ channels

3.3 天文攝影樣張

圖6和圖7(封一)分別是利用阿克蘇系統(tǒng)主光路拍攝的球狀星團M13和行星狀星云M27的圖像，經(jīng)過彩色合成。圖像拍攝于2011年7月26日。

4 結(jié) 論

經(jīng)過設(shè)計、安裝和調(diào)試，目前該遠程望遠鏡系統(tǒng)已經(jīng)進入了試觀測階段，可以進行觀測運作。杭州高級中學的部分學生已初步學習使用該系統(tǒng)并進行了一些觀測活動?，F(xiàn)在仍需不斷進行軟、硬件的開發(fā)和優(yōu)化工作，使該系統(tǒng)能最終穩(wěn)定地進入正式開放階段，為有觀測需要的師生提供服務(wù)。

圖6 球狀星團M13攝影樣張

Fig.6 An example of astrophotography of M13

致謝：本項目得到了杭州市教育局、阿克蘇市教育局、浙江省杭州高級中學以及阿克蘇市第三中學等單位的領(lǐng)導、老師和同學的支持與幫助。浙江省杭州高級中學的儲王偉、丁凡、丁哲航、馮一笑、唐佳慧、王路亞、王志強、朱逢源以及阿克蘇市第三中學天文社的石鈺智、牟偉偉等參與了系統(tǒng)的設(shè)計安裝工作。在此向以上單位和個人表示衷心的感謝！

[1]來晨瑩, 陳少聞, 胡韻希. 浙江省校園天文臺現(xiàn)狀調(diào)查與使用效率提高探索[J]. 科學24小時, 2009, 增刊2: 41.

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[6]Astrodon Photometrics-Sloan Filters[EB/OL]. [2011-09-18]. http://www.astrodon.com/products/

filters/astrodon_photometrics_-_sloan/.