基于多臺站數(shù)字天頂筒的UT1測量系統(tǒng)

李琳，高玉平，蔡宏兵,2，王平利,2， 李變,2，劉娜,2，朱鴻旭

基于多臺站數(shù)字天頂筒的UT1測量系統(tǒng)

李琳1,2,3，高玉平1,2,3，蔡宏兵1,2，王平利1,2， 李變1,2，劉娜1,2，朱鴻旭1,2,3

（1. 中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院 時間頻率基準(zhǔn)重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

針對現(xiàn)階段世界時實時性要求越來越高的問題，結(jié)合天頂筒的觀測特點，初步設(shè)計并建立了以麗江、德令哈、洛南為3個觀測站點，和以臨潼為數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)字天頂筒遠程觀測系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的光學(xué)UT1測量系統(tǒng)相比，該觀測系統(tǒng)具有無人值守、遠程控制、自動觀測、在線處理和數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)奶攸c，能夠滿足我國世界時的測量需求。

世界時；天頂筒；觀測系統(tǒng)

0 引言

世界時（UT1）是以地球自轉(zhuǎn)運動為參考的時間計量系統(tǒng)，對于一切需要在國際地球參考系和國際天球參考系之間建立關(guān)系的問題[1]，以及協(xié)調(diào)世界時（UTC）產(chǎn)生，是不可缺少的。目前我國在UT1測量方面過度依賴于國際地球自轉(zhuǎn)與參考系服務(wù)（IERS），沒有自主的UT1測量與服務(wù)系統(tǒng)[2]。但隨著我國現(xiàn)代空間導(dǎo)航和深空探測領(lǐng)域的快速發(fā)展，對UT1的實時監(jiān)測提出了越來越高的要求，很多情況下甚至需要實時或準(zhǔn)實時的UT1，這是國際服務(wù)不能完全保障的。為滿足我國UT1自主測量的需求，有必要建設(shè)我國自主的UT1測量與服務(wù)系統(tǒng)。

2017年中國科學(xué)院國家授時中心利用數(shù)字天頂筒初步建立了UT1自主觀測系統(tǒng)。鑒于光學(xué)望遠鏡對觀測環(huán)境要求較高，觀測地應(yīng)盡量遠離光污染嚴(yán)重的市區(qū)，派專人值守成本較高，特此設(shè)計了具有無人值守、遠程控制、自動觀測、在線處理和數(shù)據(jù)實時傳輸功能的遠程觀測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了現(xiàn)代通訊和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，與傳統(tǒng)光學(xué)天文觀測相比，避免了人為誤差，提高了觀測效率。

1 天頂筒測量UT1原理

天頂筒作為一種光學(xué)望遠鏡，有其獨特的工作模式。要利用天頂筒進行世界時測量，需要了解它的觀測原理。在綜合考慮天頂筒觀測特點、世界時觀測需求的基礎(chǔ)上，為保證觀測的穩(wěn)定高效，提出搭建多臺站控制網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)。

1.1 UT1測量原理

世界時，又叫格林尼治平太陽時[3]。它作為全球通用民用時系統(tǒng)的基礎(chǔ)，以地球自轉(zhuǎn)為參考。但由于地球自轉(zhuǎn)速率受到潮汐、洋流、大氣等的影響[4]，使其變化速率不均勻，無法通過模型進行長期高精度的預(yù)報，只能由觀測獲得的恒星時解算而來[5-6]。如下式（1）為世界時與恒星時的關(guān)系：

1.2 天頂筒測量原理和特點

數(shù)字天頂筒是在經(jīng)典天頂筒基礎(chǔ)上改進而來的，主要由鏡筒、水平儀、CCD相機組成。相比于經(jīng)典天頂筒望遠鏡，它將原本的水銀盤面改進為平面反射鏡，減小了定期清洗更換水銀的環(huán)境污染和對人體的損傷。將原本的底片式相機改進為CCD相機，消除了人差的影響，且CCD成像不同于傳統(tǒng)的目視測量，它利用圖像識別技術(shù)，同時可觀測到多顆星，極大提高了觀測效率與觀測質(zhì)量[9-10]。

數(shù)字天頂筒只觀測天頂位置附近天區(qū)，大氣折射的影響可以忽略，并采用以0°和180°交替轉(zhuǎn)身曝光的觀測模式，消除了準(zhǔn)直差的影響。它作為一種光學(xué)望遠鏡，也遵循一般光學(xué)設(shè)備的觀測流程。這類設(shè)備對天氣、周圍背景環(huán)境等要求較高，且對世界時的需求，必須以長期的日常科學(xué)觀測為基礎(chǔ)。人工觀測就會帶來很多局限性，比如觀測成本高、對外站的后勤保障有一定要求等。因此，考慮以遠程控制的方式達到該觀測目的。

然而，現(xiàn)今的光學(xué)望遠鏡遠程觀測主要以單臺站居多，這些觀測系統(tǒng)一般都是半自動化的，需要人工值守、手動設(shè)備加電等，且觀測的數(shù)據(jù)圖像通常會下載到觀測者本地再進行處理。此外，光學(xué)望遠鏡設(shè)備進行觀測時，都需要提前散熱、天氣監(jiān)測等操作，這對現(xiàn)今大多數(shù)的單臺站光學(xué)望遠鏡難度不大，但對組網(wǎng)的天頂筒觀測系統(tǒng)就變得十分困難。觀測任務(wù)會隨著觀測臺站的增多急劇增長，觀測圖像本地回傳的網(wǎng)絡(luò)壓力也使其變得無法實現(xiàn)。且對于天頂筒觀測系統(tǒng)，后期會有擴展站點的需求。因此，設(shè)計并建立一套可供擴展、自動化程度高的觀測系統(tǒng)，就顯得十分必要。

2 天頂筒測量系統(tǒng)

為了使觀測站點選取盡量避免時間和空間的束縛，需將整個觀測系統(tǒng)設(shè)計為計算機網(wǎng)絡(luò)實時連接的遠程控制方式。考慮到光學(xué)望遠鏡的觀測特點，以及天頂筒觀測站點的特殊性，整個系統(tǒng)主要可分為三大部分：觀測子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)及傳輸與處理子系統(tǒng)[11]。各部分關(guān)系如圖1所示?？刂谱酉到y(tǒng)通過計算機網(wǎng)絡(luò)對觀測過程和觀測結(jié)果進行實時監(jiān)測；觀測子系統(tǒng)進行天頂筒的拍照觀測；傳輸與處理子系統(tǒng)則利用控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)進行傳輸匯集，以便于數(shù)據(jù)的解算與分析。

圖1 觀測系統(tǒng)組成框圖

2.1 觀測子系統(tǒng)

觀測子系統(tǒng)主要由天頂筒望遠鏡、觀測圓頂及工控機組成，如圖2所示。其中，天頂筒望遠鏡對天體進行拍照觀測，并將觀測結(jié)果實時輸出到工控機端；工控機起到暫時存儲觀測圖像數(shù)據(jù)的作用；觀測圓頂則起到保護望遠鏡及工控機等圓頂內(nèi)的控制設(shè)備不受外部環(huán)境條件影響的作用。

圖2 觀測子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制子系統(tǒng)

控制子系統(tǒng)主要包括遠程控制服務(wù)器、交換機、工控機、智能控制單元（PDU）、數(shù)字式攝像機及望遠鏡控制箱等部分，其連接關(guān)系如圖3所示。

圖3 控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，遠程控制服務(wù)器起到連接整體網(wǎng)絡(luò)、方便遠程控制的作用。它通過交換機分別連接到工控機、PDU和數(shù)字式攝像機3個設(shè)備。其中，PDU通過其對望遠鏡及控制箱等設(shè)備進行電源控制，以防止觀測及控制設(shè)備由于長期處于待機狀態(tài)而產(chǎn)生元器件老化等不必要的損耗；數(shù)字式攝像機可對觀測圓頂?shù)沫h(huán)境情況及望遠鏡運轉(zhuǎn)情況進行實時監(jiān)測，作為觀測運行過程的參考，實現(xiàn)整個觀測過程的閉環(huán)可控；工控機則又分別連接至望遠鏡控制箱和觀測圓頂，一方面通過對望遠鏡控制箱的控制，得到望遠鏡的實時運行情況，并可基于此對天頂筒望遠鏡的觀測過程進行實時監(jiān)控，另一方面通過串口連接至觀測圓頂，以進行圓頂?shù)拈_關(guān)控制。

2.3 傳輸與處理子系統(tǒng)

傳輸與處理子系統(tǒng)的構(gòu)成如圖4所示，主要包括工控機、遠程控制服務(wù)器、磁盤陣列和臨潼數(shù)據(jù)處理中心的服務(wù)器。天頂筒觀測得到的圖像文件會首先呈現(xiàn)在工控機端。由于觀測數(shù)據(jù)量巨大，工控機的硬件條件有限，需將圖像文件通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h程控制服務(wù)器端進行存儲和數(shù)據(jù)處理。

遠程控制服務(wù)器分別連接到互聯(lián)網(wǎng)、磁盤陣列和工控機。它通過計算機網(wǎng)絡(luò)，將觀測數(shù)據(jù)從工控機端取出，并存儲于磁盤陣列上。在此基礎(chǔ)上，可用相應(yīng)數(shù)據(jù)處理軟件處理得到UT0的中間結(jié)果，并傳回臨潼數(shù)據(jù)處理中心服務(wù)器端，再進行統(tǒng)一分析處理得到最終的UT1。這樣做可減少大量觀測數(shù)據(jù)傳輸回數(shù)據(jù)處理中心服務(wù)器的時間，并保存了觀測數(shù)據(jù)，以利于歷史數(shù)據(jù)的分析與核查。

圖4 傳輸與處理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 實際搭建運行

按照前述的設(shè)備連接，國家授時中心于2017年初步建成天頂筒UT1遠程控制觀測系統(tǒng)。現(xiàn)今已成功搭建臨潼數(shù)據(jù)處理中心，及麗江、德令哈、洛南3個外站觀測站點。在此基礎(chǔ)上，進行了調(diào)試運行，以下是詳細的運行測試情況。

3.1 測量系統(tǒng)運行情況

整個系統(tǒng)中的控制過程，主要是以Windows自帶的遠程桌面軟件和Teamviewer軟件，以及各設(shè)備自帶的上位機軟件配合完成。數(shù)據(jù)傳輸過程則使用FTP文件傳輸協(xié)議得以實現(xiàn)。加入編寫的控制軟件程序后，整個觀測過程實現(xiàn)了完全的遠程控制，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

觀測時，通過網(wǎng)絡(luò)遠程登陸到遠程控制服務(wù)器，打開觀測系統(tǒng)控制程序。程序會通過對站點外置的實時相機進行圖像識別，自動判斷并反饋觀測指示，同時記錄于遠程控制服務(wù)器端，以作為觀測日志的記錄。在該服務(wù)器端用PDU對相應(yīng)設(shè)備進行上電操作，再通過網(wǎng)絡(luò)登陸到工控機，在工控機端利用相應(yīng)軟件打開圓頂及天頂筒觀測控制軟件，設(shè)定望遠鏡定時啟動觀測，以便于設(shè)備觀測時刻前的散熱。定時時刻到后，設(shè)備會自動進行觀測，觀測數(shù)據(jù)將存儲在工控機端。圖6所示為網(wǎng)絡(luò)控制圓頂天窗打開狀態(tài)圖。通過這種設(shè)計模式，單臺站的觀測任務(wù)，人工控制時間不超過5 min，單人多臺站的觀測得以實現(xiàn)。

圖6 圓頂開啟狀態(tài)實物圖

數(shù)據(jù)傳輸時，需將觀測數(shù)據(jù)通過內(nèi)網(wǎng)，從工控機端傳送至遠程控制服務(wù)器端的磁盤陣列中進行存儲，并在該服務(wù)器端利用處理軟件進行處理。隨后將各個站點的文件集中下載傳輸回至臨潼數(shù)據(jù)處理中心服務(wù)器，進行整合。經(jīng)實際試驗，每晚單臺站的觀測數(shù)據(jù)大約為12 GB，通過這種處理方法，可將單臺站傳回數(shù)據(jù)量縮減至1 MB以內(nèi)，傳輸時間由單站4 h縮短為不到1 min，可極大縮減分析解算世界時的時間，滿足了世界時實時性的需求。

3.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全

觀測系統(tǒng)建立初期，德令哈站點曾受到勒索病毒的攻擊，導(dǎo)致了系統(tǒng)癱瘓、數(shù)據(jù)丟失等一系列問題。因此，網(wǎng)絡(luò)安全問題便成為整個控制系統(tǒng)中不可忽視的一部分[12]?？紤]到外網(wǎng)直接連接在遠程控制服務(wù)器端，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)并不易被攻擊者分析透徹，為了降低風(fēng)險，做出如下防護措施：

① 對遠程登錄的端口號進行更改。系統(tǒng)默認用于遠程控制的8080端口存在安全隱患，較容易受到攻擊。對端口號進行修改，可使遠程控制端口不易被發(fā)現(xiàn)；

② 對登錄用戶信息進行更改。黑客登錄都會首先嘗試常用用戶名和密碼，針對此問題，另行設(shè)立兩個最高權(quán)限的登錄賬號，再將默認用戶Administrator權(quán)限降到最低，這樣即使攻擊者花較長時間攻擊，卻沒有權(quán)限進行大規(guī)模破壞。設(shè)立兩個最高權(quán)限的用戶，可以互為備份，降低遠程登錄連接錯誤和賬戶未響應(yīng)等風(fēng)險；

③ 對上述②創(chuàng)建的登錄賬號設(shè)置復(fù)雜密碼。將密碼設(shè)置的盡量復(fù)雜，包含大小寫、數(shù)字、特殊字符等內(nèi)容，可以極大加大破解難度，提高破解時間；

④ 在遠程控制服務(wù)器端安裝“安全狗”防護軟件?！鞍踩贰弊鳛橐豢蠲赓M的云安全服務(wù)軟件，能夠從軟件端進行實時監(jiān)管和防護，極大降低了被重復(fù)攻擊嘗試的風(fēng)險。

對每個站點進行上述安全防護設(shè)置后，天頂筒UT1測量系統(tǒng)自2017年11月到2018年6月已成功運行8個月，期間各觀測站點正常運行。

4 結(jié)語

本文在綜合考慮天頂筒觀測條件及特點、世界時觀測需求等的基礎(chǔ)上，設(shè)計了可擴展的數(shù)字式天頂筒多臺站組網(wǎng)觀測系統(tǒng)，從控制、觀測、傳輸與處理子系統(tǒng)3個方面，進行了詳細的介紹。在UT1測量系統(tǒng)實際搭建完成的基礎(chǔ)上，對網(wǎng)絡(luò)安全措施進行了簡要說明。

無人值守的實現(xiàn)，使每個晴夜的平均觀測時長可達10 h，獲得約600~1 000幅觀測圖像，與人工觀測相比，積累了更長時段的觀測數(shù)據(jù)，便于進行數(shù)據(jù)篩選與時段分析。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高可擴展性，為后期擴充站點提供了大量便利。遠程控制觀測系統(tǒng)的完成，實現(xiàn)了單人在室內(nèi)多站點的觀測可能，極大降低了人員的疲勞損耗。后期會加入實時的圖像檢測及控制程序，以實現(xiàn)天氣不穩(wěn)定自動關(guān)閉圓頂?shù)墓δ埽岣哂^測系統(tǒng)的自動化水平。

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UT1 measurement system based on multi-station digitalzenith tube

LI Lin1,2,3, GAO Yu-ping1,2,3, CAI Hong-bing1,2, WANG Ping-li1,2, LI Bian1,2, LIU Na1,2, ZHU Hong-xu1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In order to satisfy the increasing needs of the Universal Time of self-measurement, a digital zenith telescope Universal Time observation system, with Lijiang, Delingha and Luonan stations and Lintong data processing center, was designed and established. Compared with the traditional optical UT1 measurement system, the digital system has the characteristics of unattended, remote control, automatic observation, online processing and real-time data transmission, which can meet China’s measurement requirements of the Universal Time.

Universal Time; zenith tube; observation system

10.13875/j.issn.1674-0637.2019-03-0233-07

2019-01-22；

2019-03-23

國家自然科學(xué)基金“精密測量物理”重大研究計劃資助項目（91736207）

李琳，男，碩士，主要從事世界時測量方法研究。