Автоматизация спектральных радиоастрономических исследований на радиотелескопе РТ-22 на основе распределенных структур управления тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ



^ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

' ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. П.Н. ЛЕБЕДЕВА Астрокосмический Центр

На правах рукописи УДК 523.72; 524.7

Логвиненко Сергей Валентинович

АВТОМАТИЗАЦИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА РАДИОТЕЛЕСКОПЕ РТ-22 НА ОСНОВЕ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СТРУКТУР УПРАВЛЕНИЯ.

(01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1997

Работа выполнена в Астрокосмическом Центре Физического института им.П.Н.Лебедева Российской Академии Наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Сороченко Р.Л.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Лехт Е.Е. (ГАИШ) кандидат технических наук Куценко A.B. (ФИАН)

Ведущая организация: Институт Прикладной астрономии РАН

Защита состоится «3 »HQJH'bfä -)997 года вfy^час на заседании Диссертационного совета ~4 üOc. OL в Физическом институте им. П.Н.Лебедева Российской Академии наук по адресу: 117924, Москва, Ленинский проспект 53, ФИАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН Автореферат разослан » eenTJo/j1997Г. Ученый секретарь

Диссертационного совета

Ю.А.Ковалев

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Введенный в строй в 1959г. радиотелескоп РТ-22 ФИАН до настоящего времени продолжает оставаться вполне современным инструментом, одним из немногих телескопов мира, способных работать в миллиметровом диапазоне волн. Такое «долголетие» РТ-22 обусловлено двумя причинами. Первая из них заключается в прогрессивности конструкции телескопа, разработанной ее создателями А.Е.Саломоновичем и П.Д.Калачевым. В ней впервые в мире был применен принцип сочетания жесткого, но грубого каркаса и крепящихся к нему с помощью регулируемых шпилек очень точных панелей отражающей поверхности. Впоследствии такая конструкция крупных радиотелескопов стала общепринятой.

Вторая причина, благодаря которой поддерживался уровень РТ-22 ФИАН, заключалась в непрерывном развитии его аппаратурного комплекса, неотъемлемой частью которого является система автоматизации научных исследований. В современных условиях, когда средства вычислительной техники стремительно развиваются, уровень автоматизации научных исследований имеет немаловажную роль в конкурентоспособности научных результатов, получаемых на радиотелескопе. Благодаря применению в системах автоматизации научных исследований современных технологий повышается их надежность и производительность, качественно улучшается сервис обслуживания наблюдательного процесса и его наглядность, и , благодаря этому, возрастает возможность получения новых научных результатов.

Целью работы и основными задачами исследования являются исследования применения на полноповоротных радиотелескопах со-

временных методов и средств построения систем автоматизации научных исследований и создание комфортной среды для проведения радиоастрономических наблюдений, обработки результатов наблюдений, обслуживания постоянного функционирования инструмента на современном уровне. Это достигается путем правильного применения современных идеологий построения систем автоматизации, разработкой новых технических и программных средств, развитием и адаптацией существующих. Кроме того постоянное изучение инструмента, особенностей реального функционирования всех составных частей, обслуживающих инструмент, позволяют выявить и использовать скрытые его возможности.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1.В системе автоматизации спектральных радиоастрономических исследований на базе ЭВМ СМ-2М и двух микро-ЭВМ СМ1634 впервые в СССР была реализована структура распределенной системы управления для целей автоматизации радиоастрономических исследований на полноповоротном радиотелескопе. В системе были применены:

•Оригинальная организация ведения времени с точностью до 10 мсек, существенно повысившая надежность системы в целом.

•Тестовая подсистема, дополняющая отсутствующие в стандартных распределенных ОС аналогичные средства контроля и позволяющая простыми средствами оперативно проверять готовность оборудования сети ЭВМ.

2. Система автоматизации, заменившая в 1996г. систему на базе ЭВМ СМ-2М, обеспечила дальнейшее развитие радиоастрономических наблюдений на современном уровне, возросла надежность и эффективность работы. При разработке системы были:

•Разработан и успешно применен уникальный комплект многофункциональных модулей связи с объектом, обеспечивающих проведение радиоастрономических спектральных наблюдений на полноповоротном телескопе. Эти модули нашли применении в других действующих радиоастрономических установках.

•Впервые в России в системах автоматизации радиоастрономических наблюдений на ЭВМ типа IBM PC разработан аппаратно-программный комплекс для построения систем управления с распределением в режиме реального времени ресурсов ЭВМ между прикладными процессами.

•Создана система управления от ЭВМ перемещением гиперболы, которая позволила впервые в России при проведении радиоастрономических исследований в штатном режиме использовать методику смещения гиперболы на +/- Я/8. Этот режим при исследованиях слабоконтрастных спектральных линий радиоисточников позволил компенсировать искажение нулевой линии спектрограммы.

•Определен оптимальный период управления радиотелескопом, что позволило уменьшить среднеквадратичную инструментальную ошибку сопровождения с 6-7 до 2.5-3.5 угловых секунд. З.С использованием разработанных систем автоматизации с участием автора были проведены научные исследования, в результате которых:

• Обнаружена линия метанола СН3ОН в источниках ОМС-1, W51, DR21(OH), W3(OH), SGR В2, ТМС-1.

Практической ценностью работы является то, что предложенные методы построения систем автоматизации, конкретные технические решения позволяют создавать дешевые и , в тоже время, эффективные системы управления, применение которых может дать значи-

тельный эффект не только в области научных исследований, но и в практически любой сфере деятельности. В современных условиях, когда ожидается рост и оживление в сфере производства, предложение готовых решений по созданию систем управления становится особенно актуальным.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на XXV и XXVI Радиоастрономических конференциях (Пущино, 1993; Санкт-Петербург, 1995), XXVII и XXI Всесоюзных конференциях по радиоастрономической аппаратуре (Ереван, 1985 и 1989), на конкурсах-конференциях, семинарах и научных сессиях ФИАН, РАС ФИАН, АКЦ ФИАН. Основное содержание работы опубликовано в 18 печатных работах. Результаты внедрены:

• на радиотелескопе РТ-22 Пущинской радиоастрономической обсерватории АКЦ ФИАН и обеспечивают наблюдениях с 1987г.;

• в отделении оптики ФИАН при измерениях спектров радиоизлучения атмосферного озона с 1995г.

Работа по автоматизации РТ-22 была удостоена первой премии на конкурсе Физического института по использованию современных средств вычислительной техники и автоматизации в 1988г.; она заняла также первое место среди технических работ, представленных на Научной сессии АКЦ ФИАН 1997г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 106 страниц, включая список литературы из 85 библиографических ссылок, 9 таблиц и 30 рисунков.

На защиту выносятся следующие результаты:

•создание системы автоматизации радиоастрономических спектральных исследований на базе ЭВМ СМ-2М и двух микро-ЭВМ СМ1634. В этой системе впервые в Советском Союзе для систем автоматизации радиоастрономических исследований на полноповоротных радиотелескопах применена и реализована структура распределенной системы управления. Эта система обеспечила проведение радиоастрономических исследований на радиотелескопе РТ-22 в период с 1987 по 1996гг. и с помощью которой получен ряд значительных научных результатов, •создание системы автоматизации на базе ЭВМ типа IBM PC, использующей структуру РСУ и позволившую проводить радиоастрономические исследования на радиотелескопе РТ-22 на современном уровне, •разработку комплекта аппаратных средств для построения систем управления полноповоротными радиотелескопами и систем сбора данных для радиоастрономических спектральных исследований, •разработку аппаратно-программного комплекса для построения систем управления на базе IBM PC с распределением в режиме реального времени ресурсов ЭВМ между прикладными процессами, •программное обеспечение поддержки проведения радиоастрономических исследований.

•аппаратно-программные средства управления от ЭВМ перемещением гиперболы.

•результаты исследований по оценке качества сопровождения системы управления телескопа.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Диссертация состоит из четырех глав, в которых приводятся

обоснование и конкретная реализация всех аспектов построения систем автоматизации, заключения и приложения.

В главе 1 приводится критический анализ существующих систем автоматизации на радиотелескопах мира, описывается специфика спектральных наблюдений и методика их проведения. Раздел 1.3 посвящен проблеме выбора существующих аппаратных и программных средств, соответствующих поставленной задаче.

Глава 2 посвящена описанию системы автоматизации на базе ЭВМ СМ-2М и двух микро-ЭВМ СМ1634. В разделе 2.2.1 описывается оригинальный метод организации ведения системного времени в операционных системах, применяемых для автоматизации процессов реального времени. Этот метод позволил увеличить надежность таких систем за счет дублирования систем ведения времени в ОС, повысил общую производительность ЭВМ, что является особенно важным при нехватке вычислительных ресурсов применяемых ЭВМ. Система автоматизации радиоастрономических исследований представляет собой сложную структуру, пытающуюся решить большинство проблем, возникающих при получении научных результатов в конечном виде. Немаловажное значение для повышения эффективности работы инструмента и в конечном итоге и научного выхода имеет подсистема контроля технических средств системы автоматизации. В разделе 2.2.2 рассмотрены принципы построения службы контроля функционирования систем с распределенной структурой. Наличие такой службы позволило значительно уменьшить время поиска неисправностей в системах указанного типа, увеличило эффективность их работы.

Система автоматизации радиоастрономических исследований на базе 1ВМ-совместимых компьютеров описана в главе 3. В разделе 3.2.1 приводятся функциональные возможности и технические данные аппаратуры сопряжения ЭВМ с радиотелескопом и приемной аппаратурой. Все указанные модули были самостоятельно разработаны и изготовлены автором специально для системы автоматизации радиотелескопа РТ-22. В то же время в их структуру заложены возможности более широкого использования разработанных модулей, что позволило применить их и в других системах автоматизации.

Применение универсальных ЭВМ массового производства позволяет сравнительно простыми средствами реализовывать структуры достаточно сложных систем управления, но при этом происходит некоторое несоответствие их первоначального массового назначения и сложности реализации поставленных задач управления. Это особенно сказывается при попытках применить стандартные технические и программные средства для систем, работающих в режиме разделения ресурсов ЭВМ между параллельно протекающими процессами реального времени. В разделе 3.2.2 предложен оригинальный и достаточно простой способ разрешения этой проблемы.

Правильно выбранные структура системы автоматизации, набор технических средств, системное программное обеспечение только создают предпосылки для реализации поставленной задачи, оживляет систему, делает ее понятной и доступной для наблюдателя прикладное программное обеспечение. Раздел 3.2.3 посвящен описанию структуры построения наблюдательной задачи, позволяющей выполнять параллельно протекающие процессы в режиме реального времени. Все описанные блоки прикладного ПО разработаны автором самостоятельно.

Новые, более производительные ЭВМ, примененные в системе автоматизации, позволили провести исследования зависимости качества сопровождения телескопа от различных параметров, участвующих в процессе сопровождения. В результате этих исследований удалось уменьшить разности между расчетными координатами и показаниями датчиков телескопа при сопровождении источника до 2,5 - 3,5 угл. сек. Этим исследованиям посвящен раздел 4.1.

Реализованная на радиотелескопе РТ-22 ПРАО система автоматизации приобрела новые возможности и режимы работы. В систему автоматизации включена возможность управления перемещением гиперболы телескопа с точностью до 0,1 мм. Это позволило применить методику смещения гиперболы на +/- а/8 , которая дает возможность уменьшить влияние интерференции между гиперболой и поверхностью основного зеркала. Как известно, это явление искажает нулевую линию при спектральных исследованиях, затрудняет выделение слабых сиг- — налов. В разделе 4.2 описан метод определения положения гиперболы с указанной точностью и конкретная его аппаратная и программная реализация. В разделе 4.3 дан обзор некоторых научных результатов, полученных на радиотелескопе РТ-22 с помощью описанных систем автоматизации.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Основное содержание работ опубликовано в 18 печатных работах (список работ приведен ниже). В совместных работах участие автора следующее:

•В работе 2 написан драйвер видеотерминала \/Т-340;

•В работах 3, 5, 8: выбор технических средств и программного обеспечения, идеология построения, модернизация системного программного обеспечения, выбор конфигурации и реализация сети ЭВМ, техническая реализация и поддержка функционирования;

•В работе 7: программное обеспечение связи ЭВМ с приводом телескопа и приемной аппаратурой;

•В работе 12: разработка и реализация многоканальных коммутаторов и аппаратное управление процессом оцифровки входных сигналов;

•В работах 4, 11: подготовка и проведение наблюдений, ведение базы данных, предварительная обработка;

•В работе 15 : разработка модулей сопряжения телескопа с

ЭВМ;

•В работе 16: сопряжение с анализаторами спектра, управление приемной аппаратурой, программы наблюдений и обработки; •В работе 18: реализация сети ЭВМ РТ-22; •Работы 1, 6, 9, 10, 13, 14 , 17 выполнены автором самостоятельно.

Список работ:

1. С.В.Логвиненко. Включение радиочасов «Автохрон» в системы автоматизации радиотелескопов на РАС ФИАН. XVII всесоюзная конференция, Ереван, 1985г., стр.37.

2. А.П.Цивилев, С.В.Логвиненко. Модернизация программного обеспечения системы автоматизации радиотелескопа РТ-22. Автоматизация наблюдений на радиоинтерферометре со сверхдлинной базой. XVII всесоюзная конференция, Ереван, 1985г., стр.41.

-123. С.В.Логвиненко, А.П.Цивилев. Проект комплексной автоматизации наблюдений на РТ-22 ФИАН на базе УВК СМ-2М. XVII всесоюзная конференция, Ереван, 1985г., стр.47

4. И.И.Берулис, С.В.Логвиненко, Н.И.Пономаренко, В.И.Васильков, С.В.Каленский. Наблюдение радиолинии метанола на частоте 36.169ГГц (и=4.1 - 30Е) в молекулярных облаках. Астрономический циркуляр №1532, 1988г.

5. С.В.Логвиненко, А.П.Цивилев, Р.Л.Сороченко. Двухуровневая система автоматизации радиоастрономических наблюдений на радиотелескопе РТ-22 ФИАН. XXI всесоюзная конференция, Ереван, 1989г., стр.292.

6. С.В.Логвиненко. Программные средства поддержки эксперимента в системе автоматизации РТ-22 ФИАН. XXI всесоюзная конференция, Ереван, 1989г., стр.293.

7. С.В.Логвиненко, А.П.Цивилев. Программное обеспечение эксперимента системы автоматизации РТ-22 ФИАН. XXI всесоюзная конференция, Ереван, 1989г., стр.294-295.

8. С.В.Логвиненко, Р.Л.Сороченко, А.П.Цивилев. Двухуровневая система автоматизации радиоастрономических исследований на радиотелескопе РТ-22 ФИАН на базе сети ЭВМ. Препринт 69, Москва, 1989г.

9. С.В.Логвиненко. Подсистема тестирования работоспособности оборудования для проведения радиоастрономических исследований на радиотелескопе РТ-22 ФИАН. Препринт 203, Москва, ФИАН, 1989г.

10. С.В.Логвиненко. База данных спектральных исследований. Препринт 70, Москва, 1990г.

11. И.И.Берулис, С.В.Каленский, С.В.Логвиненко. Наблюдения метанола на частоте 36.169ГГц (и=4.г30Е) в молекулярных облаках ОМС-1 и ОЯ-21(ОН). Письма в АЖ, т. 16, № 5, 1990г. , стр.421-427.

-1312. В.М.Карпов, К.А.Лапаев, Г.А.Латышев, С.В.Логвиненко. Система автоматического поворота антенны ДКР-1000. XXV радиоастрономическая конференция, Пущино, 1993г., стр.194.

13. С.В.Логвиненко. Удаленный контроллер КАМАК последовательного типа. XXV радиоастрономическая конференция, Пущино, 1993г., стр.231.

14. С.В.Логвиненко. Включение в сеть ЭВМ РТ-22 ФИАН ЭВМ 1ВМ РС. XXV радиоастрономическая конференция, Пущино, 1993г., стр.232.

15. И.И.Берулис, В.В.Аннеков, А.А.Аниченков, Р.Д.Дагкесаманский, С.В.Логвиненко, В.А.Лосев, А.А.Николенко, Ю.М.Попов. Полигон для наземных испытаний космического радиотелескопа КРТ-10. XXVI радиоастрономическая конференция, Санкт-Петербург, 1995г., стр.399.

16. С.В.Логвиненко, С.В.Соломонов, С.Б.Розанов, Е.П.Кропоткина, А.Н.Лукин. Автоматизированные наземные измерения спектров радиоизлучения атмосферного озона на частотах вращательного перехода 10 40.10 0 - 10 41,9 0 0 40 0=142,175 ГГц), Краткие сообщения по физике, 1997, №5.

17. С.В.Логвиненко. Распределенный комплекс для спектральных исследований на РТ-22 ПРАО АКЦ ФИАН. Препринт 23, Москва, 1997.

18. В.В.Китаев, Е.А.Исаев, С.В.Логвиненко, К.А.Лапаев, В.Д.Пугачев. Вычислительная сеть для фундаментальных исследований космоса. Приборы и системы управления, 1997, №8.