Автоматизированные методы проведения и обработки радиометрических наблюдений на радиотелескопах РСДБ-комплекса "Квазар-КВО" тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ АСТРОНОМИИ

На правах рукописи

ХАРИНОВ Михаил Александрович

Автоматизированные методы проведения и обработки радиометрических наблюдений на радиотелескопах РСДБ-комплекса «Квазар-КВО»

Специальность 01.03.02 Астрофизика, радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2007

",1003 1Б Г709

Работа выполнена в Институте прикладной астрономии РАН

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор А В Ипатов

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук доктор физико-математических наук

А. В. Степанов А. Н. Коржавин

Ведущая организация-

Государственный астрономический институт им. П К Штернберга Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова

Защита состоится 12 ноября 2007 г. в час. на заседании диссертагЕионно-го совета Д 002 067 01 при Институте прикладной астрономии РАН по адресу. 191187, Санкт-Петербург, наб. Кутузова, д 10

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной астрономии РАН

Автореферат разослан « <* » октября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат наук У^сАЛ^ Ю. Д Медведев

пк

Общая характеристика работы

Совместными усилиями радиоастрономов к семидесятым годам XX века сформировалось представление о радиотелескопе как о системе, состоящей из антенны, радиометра и аппаратуры регистрации Наибольшую информативность радиотелескопы дают при высокой чувствительности и высокой степени автоматизации, те при максимально возможной точности полученных данных и длительности наблюдений Для получения наиболее точной информации в современном радиотелескопе сосредотачивается са мое совершенное, что может дать радиотехника сегодняшнего дня

Наиболее точным, с точки зрения определения координат, в радиоастрономии является метод радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) Для решения астрометрических задач на наиболее высоком уровне точности Институт прикладной астрономии РАН создал РСДБ комплекс «Квазар-КВО». Этот комплекс обеспечил независимость России от других стран при решении важных народно-хозяйственных задач, и одновременно дал возможность эффективного включения радиотелескопов комплекса в международную РСДБ сеть в рамках крупных международных астрометрических, геодинамических и астрофизических программ

К настоящему времени создана система из трех обсерваторий и центра корреляционной обработки

• «Светлое» — в поселке Светлое Приозерского района Ленинградской области, введенная в штатную эксплуатацию в 1999 году,

• «Зеленчукская» — вблизи станицы Зеленчукская Карачаево-Черкесской Республики, введенная в штатную эксплуатацию в 2002 году,

• «Бадары» — в урочище Бадары Республики Бурятия, принятая в штатную эксплуатацию в 2006 году,

• центр корреляционной обработки на базе коррелятора «Микро Парсек», введён в эксплуатацию в 2007 году.

Обсерватории оснащены полноповоротными радиотелескопами РТ-32 с прецизионными зеркалами диаметром 32 метра Использование в конструкции телескопов азимутально-угломестной монтировки делает возможным проведение наблюдений по всей полусфере При такой монтировке радиотелескопа применим широкий ряд методов проведения наблюдения связанных с качанием диаграммы направленности антенны, что позволяет расширить список источников доступных для наблюдений, и подробно исследовать состояние самого инструмента. Кроме того, применение современной электро-

ники и программного обеспечения открывает большие возможности дня повышения качества обслуживания радиотелескопа. На телескопах РТ-32 реализована цифровая система наведения и сопровождения антенной, которая позволяет наблюдать радиоисточники с точностью не хуже 5" при скорости ветра до 20 м/с

Комплекс радиометров снабжен системой дистанционного управления для удаленного включения/выключения приемников, установки режимов модуляции, подачи калибровочного сигнала, контроля температур микрокриогенных систем Управление и контроль практически всеми системами радиотелескопа сосредоточено в центральном управляющем компьютере радиотелескопа. Его главное программное обеспечение - Mark IV Field System (FS), принятое в качестве международного стандарта в РСДБ, доработано в ИПА РАН для адаптации FS к системам радиотелескопа РТ-32 Текущая версия FS обеспечивает на радиотелескопах сети «Квазар-КВО» автом атизацию как радиоинтерферометрических, так и радиометрических наблюдений.

Актуальность темы диссертации

Программное обеспечение FS устанавливается на радиотелескопах, которые имеют различные системы управления, и оснащаются различным оборудованием В РСДБ работа с системами регистрации обеспечивается посредством готовых к использованию программных средств, заложенных в FS Изначально полностью готовой системы управления и контроля для какой-либо конкретной антенны в программном обеспечении FS нет Поэтому для подготовки расписания сеанса наблюдения и формирования управляющего файла на конкретном телескопе требуется разработка дополнительного программного обеспечения При автоматическом проведении РСДБ-наблюдений в центральный компьютер радиотелескопа загружается управляющий файл, созданный специальными программами FS Подобные программы и являются недостающим элементом FS для радиометрии

Необходимость разработки программных пакетов обработки наблюдательных данных также является следствием уникальности и разнообразия систем и элементов существующих радиотелескопов.

В настоящее время в обсерваториях ИПА РАН проводится значительный объем радиометрических наблюдений — от 10 до 20 суточных сессий ежемесячно Своевременная качественная подготовка и обработка большого количества наблюдений труднодостижима без использования специализированной службы радиометрии, которая включала бы в себя пакеты программ

подготовки, проведения, обработки, хранения и анализа результатов наблюдений, и организационных мероприятий

Настоящая работа посвящена решению задач разработки методов и программного обеспечения для подготовки, проведения и обработки радиометрических наблюдений на радиотелескопах РСДБ комплекса «Квазар-КВО» и реализации их при астрофизических исследованиях в рамках российских научных программ

Цели работы

Основными целями настоящей работы являются

1 Разработка методик автоматизированных радиометрических наблюдений и их использование в астрофизических исследованиях

2 Разработка программного обеспечения для автоматического планирования радиометрических наблюдений на радиотелескопах РСДБ-комплекса «Квазар-КВО», обработки получаемых записей, архивации результатов и их анализа

3 Проведение астрофизических наблюдений, демонстрирующих эффективность разработанных методов и программных средств

Научная новизна работы

1 Разработана структура автоматизированной системы проведения радиометрических наблюдений

2 Разработаны методики автоматической подготовки, проведения и обработки радиометрических наблюдений радиоисточников используя плавное и растровое сканирование. Методики протестированы и широко используются в различных наблюдательных программах на радиотелескопах ИПА РАН комплекса «Квазар-КВО».

3 С 2002 по 2006 гг. проведен радиометрический мониторинг тесных двойных систем, в результате которого выявлена вспышечная активность исследуемых источников в указанном периоде наблюдений

Научная и практическая значимость работы

1 Реализован многоцелевой программный пакет планирования (Sched Maker) и обработки радиометрических наблюдений (Class Visual) для радиотелескопов комплекса «Квазар-КВО»

2. Достигнута высокая скорость обработки радиометрических наблюдений, в связи с чем, программный пакет позволяет наблюдать новый класс объектов - радиовспышки, достаточно быстро реагировать на вспышки переменных источников и регистрировать начало активности этих источников

3. С помощью разработанного специализированного пакета осуществлена подготовка и обработка наблюдений по следующим отечественным программам исследования (в скобках отмечено сотрудничество по соответствующим программам)

• Многочастотный мониторинг тесных двойных систем (ГАО РАН)

• Исследование релятивистских объектов в радиодиапазоне (ГАО РАН)

• Исследование внутрисуточных вариаций плотности потока внегалактических источников радиоизлучения (ГАИЩ)

• Исследование внутреннего строения Солнца, характеристик его внешних слоев и их долгопериодических изменений (ГАО Р/Л)

• Исследование микроквазаров и переменных внегалактических источников - квазаров и активных ядер галактик (CAO РАН)

К настоящему времени разработанное автором программное обеспечение служит для подготовки и обработки радиометрических наблюдений на всех радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО»

Результаты выносимые на защиту:

1 Методика автоматизированного проведения радиометрических наблюдений

2 Программное обеспечение Sched Maker и Class Visual, позволяющее проводить подготовку и обработку регулярных радиометрических наблюдений, в короткие сроки получать результаты и решать широкий круг астрофизических задач

3 Долгопериодические ряды наблюдений радиоисточников, доказавшие высокую эффективность радиотелескопов комплекса «Квазар-КВО» в проведении автоматических радиометрических наблюдений различных радиоисточников

Апробация работы

По результатам, полученным в диссертации, были сделаны доклады на семинарах ИПА РАН, коллоквиуме аспирантов-астрономов Санкт-Петербурга (С -Петербург, 2 декабря 2002 г ), Международной конференции «КО-РОНАС-Ф три года наблюдений активности Солнца, 2001-2004 гг » (Троицк, 31 января - 05 февраля 2005 г), XXII конференции «Актуальные проблемы внегалактической астрономии» (Пущино, 16-18 июля 2005 г ), XXXV международной конференции молодых европейских радиоастрономов (Италия, Кальяри, 11-17 октября 2005 г), совместном заседании секций «Астрометрия, небесная механика, прикладная астрономия» и «Радиотелескопы и методы» Научного Совета по астрономии РАН (Обсерватория «Светлое», 26-28 июня 2007 г).

Публикации и вклад автора

Основные результаты диссертации изложены в 13 работах (7 статьях, 4 тезисах и 2 технических отчетах), 10 работ написано в соавторстве.

В работах, посвященных разработке программного обеспечения для наблюдений в режиме одиночного радиотелескопа [1-3, 13], автору принадлежит разработка алгоритма и реализация программы подготовки к наблюдениям Sched Maker, участие в разработке методов наблюдений, сопровождение наблюдений, реализация программного пакета обработки Class Visual, и непосредственно обработка наблюдений.

В работах по наблюдательным астрофизическим программам [4-12], автору принадлежит участие в планировании и выборе методов наблюдений, подготовка программ наблюдения, а в работах [4-8, 10, 12] — также обработка результатов наблюдений

Объём и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений Объем диссертации 155 страниц, из них 128 страницы текста, 17 рисунков, 6 таблиц и 4 страницы приложений. Список литературы содержит 61 наименование

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы, указаны научная новизна, практическая значимость результатов работы, перечислены результаты, выносимые на защиту, приведены структура и содержание диссертации, указаны печатные работы, в которых отражены основные результаты и определена доля участия автора в совместных публикациях.

В первой главе проводится обзор методов наблюдения, используемых на радиотелескопах РТ-32 комплекса «Квазар-КВО»: попеременное сопровождение источника и точки небесной сферы, отстоящей от источника на заданном угле дуги (Отводы), или точки небесной сферы, где находился источник заданное время назад (Рэтрак), плавное сканирование, растровое сканирование Приводятся аналоги этих методов, применяемые на 45-метровом радиотелескопе обсерватории Нобеяма (Япония), 100-метровом радиотелескопе Института радиоастрономии Макса-Планка (Германия) и 14-метровом радиотелескопе обсерватории Метцахови (Финляндия)

В ходе тестовых наблюдений определены параметры отмеченных методов наблюдения, приемлемые для радиотелескопов РТ-32, во всех их рабочих диапазонах длин волн (табл. 1) Отдельно определены параметры растрового сканирования непосредственно для наблюдения радиоизлучения Солнца на длине волны 1 35 см (табл 2).

Таблица 1 Параметры методов наблюдений Отводы, Рэтрак и Плавные скан ы, используемые на радиотелескопах РТ-32 комплекса «Квазар-КВО»

X, (см ) 1 35 35 62 13 18

01/2, С) 16 4 6 13 21

Отводы

амплитуда, (') 5 10 15 30 35

длительность, (с ) 20

Рэтрак

сопровождение источника/опорной точки, (с) 20

«переброс», (с) 20 | 20 | 30 | 85 | 150

Плавное сканирование

амплитуда, (') 5 10 15 30 40

скорость, ("/с ) 15 28 30 35 40

Таблица 2 Параметры метода Растрового сканирования для наблюдения радиоизлучения Солнца на длине волны 1 35 см, используемые на радиотелескопах РТ-32 комплекса «Квазар-КВО»

амплитуда сканирования по азимуту, (') 45

скорость сканирования, ("/сек ) 45

шаг по углу места, (") 20

амплитуда отвода по углу места, (') 45

Выделяется стабильность результатов наблюдения опорных радиоисточников методом плавного сканирования, который обладает большей степенью независимости от точности наведения антенны радиотелескопа по сравнению с наблюдениями методами класса Оп-(Ж (Отводы или Рэтрак). Это делает плавное сканирование приоритетным при прецизионных наблюдениях.

Проведена классификация видов наблюдательных программ по взаиморасположению исследуемых и опорных источников. Отмечается важность нахождения вблизи каждого исследуемого радиоисточника опорного для точного определения потока первых, во время прецизионных наблюдений. Данная классификация положена в основу алгоритмов разработанного автором программного обеспечения автоматизации подготовки радиометрических наблюдений, что показано во второй главе диссертации

Во второй главе рассматриваются программные системы, дополняющие аппаратуру радиотелескопов РТ-22 ФИАН, РАТАН-600, 100-метровых радиотелескопов Эффельсберга и Грин-Бэнк и служащие для подготовки, проведения и обработки радиометрических наблюдений. Программное обеспечение для радиометрических наблюдений разрабатывалось главным образом индивидуально для каждого конкретного радиотелескопа и для решения конкретной задачи В отдельных случаях использовались сторонние пакеты обработки, например АГРв-н-, но и они требовали доработки и адоптации под заданный инструмент По затраченному времени такая работа часто была почти равносильна разработке собственных программ.

Учитывая совокупный опыт рассмотренных обсерваторий по реализации структуры организации автоматических радиометрических наблюдений,

Class Visus.l I

список источников

__tr*

[ Sched Maker f

i I.

SNAP программа

1

Входящие

* ..'"'¿г- ...'.•••.'V-f^J?"-

центральный компьютер радиотелескопа

. .... >».

stl -файг ■

log -фай] J

резюме -

Рис.1. Структурная схема организации радиометрических наблюдений на комплексе «Квазар-КВО».

для комплекса «Квазар-КВО» была сформирована собственная целостная цепочка программного обеспечения для подготовки (Sched Maker), проведения (FS), обработки (Class Visual), хранения и анализа радиометрических наблюдений — база данных радиометрических наблюдений (рис. 1).

В третьей главе рассматривается программа Sched Maker для подготовки автоматических радиометрических наблюдений на радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО». Автоматизация проведения радиометрического наблюдения с помощью FS требует наличия специального управляющего файла, состоящего из команд на языке SNAP (Standard Notation for Astronomy Procedures). Программы интерферометрических сеансов на языке SNAP формируются с помощью стандартизованных пакетов планирования: NASA SKED (планирование геодезических экспериментов) и NRAO SCHED (планирование астрофизических экспериментов). Подобных пакетов, специали-

8

зированных под FS, для подготовки радиометрических наблюдений нет

Эта проблема на радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО» была решена автором реализацией программы Sched Maker В программе объединены все необходимые функции, которые прежде были рассредоточены в различных программах, несвязанных логически друг с другом, и не специализирующихся непосредственно на радиометрии К основным необходимым функциям относятся расчет таблицы видимости по списку источников, составление расписания суточного наблюдения, автоматическое формирование управляющего файла, позволяющего проводить наблюдения в автоматическом режиме; перекодировка управляющего файла в формат UNIX-текст, совместимого с FS

В главе рассматривается новый алгоритм сортировки источников: Приоритет - Тип - Количество сетов (ПТК), разработанный автором для автоматизации составления суточного расписания наблюдения. (В этой работе автор определяет термин сет как отдельное, непрерывное (длительностью 10-60 минут) наблюдение одного источника, содержащее записи данных некоторого количества наведений на источник и схода с него.) Алгоритм ПТК учитывает приоритетность одних источников над другими Это ведёт к наблюдению первых в наиболее оптимальное для них время и именно столько раз в сутки, сколько задается Разбиение источников на типы («исследуемый» — «опорный» и «простой») помогает программе в процессе формирования расписания располагать «исследуемый» источник рядом по времени с «опорным» Алгоритм ПТК является особенно важным дополнением к программе в связи с постоянным проведением наблюдений, содержащих в суточном сеансе от 20-ти до 70-ти сетов, что делает ручное составление расписания недопустимым

Программа Sched Maker значительно ускоряет процесс составления управляющего файла радиометрических наблюдений, сводя к минимуму возможность допущения ошибки Разработанные и реализованные в Sched Maker специализированные алгоритмы успешно обеспечивают решение задач подготовки наблюдения и используются в отечественных радиоастрономических исследовательских программах

Программа Sched Maker обеспечила автоматизацию подготовки радиометрических наблюдений по уровню, сравнимому с существующим в РСДБ-наблюдениях

В четвёртой главе диссертации описывается разработанный автором пакет программ Class Visual, предназначенный для обработки всех радиометрических наблюдений, получаемых на радиотелескопах РТ-32 комплекса «Квазар-КВО» В главе подробно рассматриваются блоки этого пакета, ответственные за методы обработки различных типов наблюдений: Oil-Off, плавного и растрового сканирования.

Приводятся алгоритмы и процедуры для исключения различных помех и шумовых трендов из записи принимаемого радиосигнала Для обработки наблюдений On-Off (Отводы и Рэтрак) разработан метод «Анализатор», реализующий эффект накопления сигнала источника Согласно данному методу сначала на каждом цикле On-Off вычисляется разность участка записи на источнике (On) и вне источника (Off), представляющего собой один цикл наблюдения В результате получаем так называемые разностные записи сигналов на каждом цикле Их накопление по каждому отсчету и последующее вычисление среднего дает окончательный результат первичной обработки методом «Анализатор»

В разделе обработки наблюдений плавным сканированием детально рассматривается алгоритм программного обнаружения отдельных сканов внутри файла наблюдения Исходный текст реализации этого алгоритма на языке пакета IDL Research Systems представлен в Приложении 2 диссертации. Также описываются алгоритмы вычета тренда сигнала атмосферы, накопления сканов, методика аппроксимации «среднего» скана функцией Гаусса

Задача построения двух- и трехмерных карт радиояркости источников по результатам наблюдений растровым сканированием решается с помощью оригинального алгоритма обработки, реализованного в пакете Class Visual. По файлу наблюдения строится трехмерная матрица с равномерной координатной сеткой, которая затем преобразуется в двухмерную картину изофот или трехмерный график распределения радиояркости в области сканирования В диссертации приводятся примеры обработки результатов растрового сканирования Венеры, Юпитера, Солнца (рис.2 ).

Совмещение алгоритмов обработки различных радиометрических наблюдений в едином программном пакете Class Visual стандартизует представление получаемых результатов, позволяет решать комплексные задачи обработки, и упрощает улучшение программных алгоритмов и создание, подключение новых методов обработки

Рис. 2. Результат обработки программным пакетом Class Visual данных растрового сканирования Солнца на длине волны 1.35см в обсерватории «Зеленчукская».

В пятой главе представлены результаты радиометрического мониторинга тесных двойных систем с 2002 по 2006 год на радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО», полученные с использованием программного обеспечения, разработанного автором. Данное программное обеспечение позволяет сформировать службу радиометрии ИПА РАН: вести регулярные наблюдения, своевременно представлять результаты, вести архивы и проводить анализ по всему ряду имеющихся наблюдений радиоисточников на радиотелескопах ИПА РАН в обсерваториях «Светлое», «Зеленчукская» и «Бадары».

Благодаря длинным рядам данных по программе мониторинга тесных двойных систем (порядка 30-ти источников) была многократно зафиксирована вспышечная активность источников Algol и AD Leo. В работе представлены кривые блеска этих источников. В рамках программы мониторинга также наблюдался радиоисточник HR1099 — самый близкий (29 пс) и яркий из двойных систем класса RS CVn. Автором обнаружены многочисленные вспышки радиоизлучения HR1099, по потоку в 5-10 раз превышающие уровень спокойного состояния, и проведены подробные наблюдения их спада (рис. 3).

Программа Sched Maker значительно ускоряет процесс составления управляющего файла радиометрических наблюдений, сводя к минимуму возможность допущения ошибки. Разработанные и реализованные в Sched Maker специализированные алгоритмы успешно обеспечивают решение за-

Дата наблюдения, (день месяц год)

Рис.3. Вспышки радиоизлучения тесной двойной системы НЯ 1099 по наблюдениям в обсерватории «Зеленчукская»: № 1 — 18 марта 2003 г.; № 2 — 10-14 мая 2003 г.; № 5 (правый график) — 22 сентября 2004 г.

дач подготовки наблюдения и используются в отечественных радиоастрономических исследовательских программах.

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

В конце диссертации приведён список использованной Литературы.

Приложение 1 содержит исходный текст процедуры автоматического составления расписания радиометрического наблюдения (программная реализация метода ПТК), с кратким пояснением отдельных команд.

В Приложении 2 представлен исходный текст процедуры обнаружения отдельных плавных сканов внутри сета наблюдения.

Основные результаты диссертации опубликованы в статьях:

1. Иванов Д.В , Ипатов AB, Ипатова И А, Мардышкин В В., Михайлов А Г, Харинов М А Программный пакет подготовки, проведения и обработки радиометрических наблюдений на радиотелескопах сети КВАЗАР Труды ИПА РАН, вып. 12, Техника радиоинтерферометрии, 2005, с 93-112

2 Ипатов А В , Мардышкин В.В , Михайлов А.Г, Харинов М А Программное обеспечение для подготовки радиометрических наблюдений -Sched Maker vi Сообщения ИПА РАН, № 172,2005, 20 с.

3. Харинов М А Программа для подготовки радиометрических наблюдений Sched Maker v2 06. Труды ИПА РАН, вып 15 2006, с 15-37

4 Финкельштейн А М , Ипатов А В , Гнедин Ю.Н, Иванов Д.В , Рахимов И А, Харинов М А. Наблюдения радио излучения космической гамма-вспышки GRB030329. Письма в Астрономический журнал, т 30, 2004, с 414-422

5 Финкельштейн А М., Ипатов А В , Гнедин Ю Н, Харинов М А, Архаров А А, Ларионов В М, Циопа О.А Сверхновые и микроквазары радио и инфракрасные наблюдения на телескопах ИПА РАН и ГАО РАН Труды ИПА РАН, вып. 12, 2005, с 36-53

6 Ипатова И А, Иванов Д В , Мардышкин В.В , Михайлов А.Г, Харинов М А Радиометр на волну 7 мм для наблюдений Солнца на радиотелескопах сети КВАЗАР Труды ИПА РАН, вып 12,2005, с 152-159

7. Ипатова И.А., Мардышкин В.В., Михайлов А.Г., Харинов М.А Картографирование Солнца на радиотелескопах РТФ-32. Астрономический Вестник, том 40, № 2 2006, с. 1-6

Результаты работы отражены также в следующих тезисах конференций:

8 Харинов М.А Наблюдения радиоизлучения космических гамма - всплесков на радиотелескопах сети КВАЗАР Аннотации работ Десятой Санкт - Петербургской ассамблеи молодых ученых и специалистов. СПб, 2005, с 18

9. Тезисы докладов, XXII Конференции «Актуальные проблемы внегалактической астрономии» Пущино, 2005, http //www prao psn ru/ conf/22 conf/rus/thesis html

10 Ипатова И.А, Мардышкин В В., Михайлов А Г., Харинов М А Наблюдения Солнца на радиотелескопах РТФ-32 Тезисы докладов Международной конференции «КОРОНАС-Ф три года наблюдений активности Солнца, 2001-2004гг.» Троицк, 2005, с 32

11.Trushkin S.A, Pooley G, Harrnov M.A., Mikhailov A.G A fast-rise radio flare in Cyg X-3 The Astronomer's telegrams, 2006, httpV/www astronomerstelegram.org/9read=828.

Ряд результатов представлен также в отчётах по НИР:

12. Харинов М А. Многочастотный мониторинг тесных двойных систем радиотелескопами РСДБ сети Квазар-КВО Отчет о НИР, ИЛА РАН, 2007,

13 Иванов Д В., Михайлов А Г, Харинов М А Программный пакет подготовки, проведения и обработки радиометрических наблюдений на радиотелескопах сети КВАЗАР. Отчет о НИР, ИПА РАН, 2004, 19 с

31с

Издание осуществлено с оригинал-макета,

подготовленного к печати в Институте прикладной астрономии РАН

Подписано к печати 1 09 2007 Формат 60x84 1/16 Печать офсетная Уел печ. л 16 8 Тип. зак № 345 Тираж 110.

ЗАО «Полиграфическое предприятие» № 3 191104, Санкт-Петербург, Литейный пр, д 55

ИПА РАН, 191187 С -Петербург, наб Кутузова, д 10

Введение

Глава 1. Проведение радиометрических наблюдений на радиотелескопах радиоинтерферометрического комплекса

Квазар-КВО»

1.1. Методы радиометрических наблюдений.

1.1.1. Метод Оп-О^.

1.1.2. Плавное сканирование.

1.1.3. Растровое сканирование.

1.2. Виды наблюдательных программ.

1.3. Выводы.

Глава 2. Программные средства подготовки и обработки радиометрических наблюдений

2.1. Программные системы РТ-22 ФИАН.

2.2. Программные системы РАТАН-600.

2.3. Программные системы 100-метрового радиотелескопа в Эффельсберге.

2.4. Программные системы радиотелескопа Грин-Бэнк.

2.5. Структура программного обеспечения для службы радиометрии ИПА РАН.

2.6. Выводы.

Глава 3. Программное обеспечение подготовки радиометрических наблюдений Sched Maker "

3.1. Структура программы Sched Maker.

3.2. Таблица видимости.

3.2.1. Формат Расписания - SM-OS-05.

3.2.2. Расчёт таблицы видимости.

3.3. Расписание наблюдений.

3.3.1. Методика автоматической сортировки источников для формирования расписания радиометрических наблюдений.

3.4. Создание SNAP-файла.

3.5. Встроенная справка для пользователя.

3.6. Выводы.

Глава 4. Программный пакет обработки данных радиометрических наблюдений Class Visual

4.1. Подготовка к обработке.

4.2. Структура и основные функции пакета Class Visual.

4.3. Обработка опорного сигнала радиометра.

4.4. Обработка наблюдений метода On-Off.

4.4.1. Средства исследования переменности радиоизлучения внутри сета.

4.4.2. Обработка методом «Анализатор».

4.5. Обработка наблюдений плавного сканирования.ЮЗ

4.6. Обработка наблюдений растрового сканирования.

4.7. Выводы.

Глава 5. Радиометрический мониторинг тесных двойных систем на радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО» И

5.1. Астрофизические цели и наблюдательные задачи.

5.2. Наблюдения по программе мониторинга.

5.3. Обработка наблюдений.

5.4. Результаты мониторинга.

5.4.1. Активность источника AD Leo.

5.4.2. Активность источника Algol.

5.4.3. Активность источника UX Ari.

5.4.4. Активность источника HR 1099.

5.5. Выводы.

Совместными усилиями радиоастрономов к семидесятым годам XX века сформировалось представление о радиотелескопе как о системе, состоящей из антенны, радиометра и аппаратуры регистрации. Структурная схема радиотелескопа представлена на рис. 1 [1]. Наибольшую информативность результаты радиоастрономических наблюдений дают при высокой чувствительности, т.е. при максимально возможной точности полученных данных. Для получения наиболее точной информации в современном радиотелескопе сосредотачивается самое совершенное, что может дать радиотехника сегодняшнего дня.

Наиболее точным, с точки зрения определения координат, в радиоастрономии является метод радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ). Для решения астрометрических задач на наиболее высоком уровне точности Институт прикладной астрономии ИПА РАН создал РСДБ ком

Диаграмма направленности1 облучателя

Опора системы облучения

Система вертикально' -горизонтального перемещения \

Диаграмма направленности антенны

Высокочастотная часть приёмника

Облучатель антенны

Антенна

Рефлектор Опора

Низкочастотная часть приёмника

Аналоговый самописец

Предварительное вычислительное устройство

Высокоскоростная ЭВМ

Координатный самописец

Помещение для приёмника

Помещение для ЭВМ

Рис. 1. Представление систем радиотелескопа. плекс «Квазар-КВО» [2]. «Квазар-КВО» обеспечил независимость России от других стран при решении важных народно-хозяйственных задач, и одновременно дал возможность эффективного включения радиотелескопов комплекса в международную РСДБ сеть в рамках крупных международных аст-рометрических, геодинамических и астрофизических программ.

К настоящему времени создана система из трёх обсерваторий и центра корреляционной обработки:

• «Светлое» - в посёлке Светлое Приозёрского района Ленинградской области, введённая в штатную эксплуатацию в 1999 году;

• «Зеленчукская» - вблизи станицы Зеленчукская Карачаево-Черкесской Республики, введённая в штатную эксплуатацию в 2002 году;

• «Бадары» - в урочище Бадары Республики Бурятия, принятая в штатную эксплуатацию в 2006 году;

• центр корреляционной обработки на базе коррелятора «Микро Пак-рсек», введён в эксплуатацию в 2007 году.

Обсерватории оснащены полноповоротными радиотелескопами РТ-32 с прецизионными зеркалами диаметром 32 метра. Использование в конструкции телескопов азимутально-угломестной монтировки делает возможным проведение наблюдений по всей полусфере (доступный диапазон перемещения антенны: ± 270° от юга по азимуту, и -5° н- 90° по углу места). При такой монтировке радиотелескопа применим широкий ряд методов проведения наблюдения связанных с качанием диаграммы направленности антенны, что позволяет расширить список источников доступных для наблюдений, и подробно исследовать состояние самого инструмента. Кроме того, применение современной электроники и программного обеспечения открывает большие возможности для повышения качества обслуживания радиотелескопа. На телескопах РТ-32 реализована цифровая система наведения и сопровождения антенной, которая позволяет наблюдать радиоисточники с 6 точностью не хуже 5" при скорости ветра до 20 м/с. Основные технические характеристики антенн приведены в таблице 1 [3].

Таблица 1. Основные технические характеристики антенн радиотелескопов

РТ-32 комплекса «Квазар-КВО». диаметр зеркала 32 м диаметр контррефлектора 4м фокусное расстояние 11.4 м количество облучателей 5 монтировка азимутально-угломестная схема облучения Кассегрен с асимметричным контррефлектором форма основного зеркала квазипараболоид форма контррефлектора квазигиперболоид диапазон перемещения: по азимуту ± 270° (от юга) по углу места -5°-90° среднеквадратическая ± 0.5 мм ошибка поверхности скорость слежения: по азимуту 2' 307с по углу места 40"/с скорость переброса: по азимуту 1.57с по углу места 0.87с точность сопровождения не хуже 5"

Радиотелескопы комплекса «Квазар-КВО» имеют в своём составе высокочувствительные криоэлектронные радиометры, обеспечивающие приём 7 сигнала в двух круговых поляризациях в диапазонах длин волн 1.35 см, 3.5см, 6.2см, 13см и 18-21см, которые позволяют принимать излучение от естественных космических объектов и космических аппаратов [4]. Радиометрический модуль даёт возможность проводить регистрацию выходного сигнала радиотелескопа одновременно по четырём каналам [5].

Комплекс радиометров снабжен системой дистанционного управления для удалённого включения \ выключения приёмников, установки режимов модуляции, подачи калибровочного сигнала, контроля температур микрокриогенных систем [6]. Управление и контроль практически всеми системами радиотелескопа сведены в центральный управляющий компьютер радиотелескопа [7]. Главное программное обеспечение центрального управляющего компьютера радиотелескопа - Mark IV Field System (FS), принятое в качестве международного стандарта в РСДБ, доработано в ИПА РАН для адаптации FS к системам радиотелескопа РТ-32. Текущая версия FS обеспечивает на радиотелескопах сети «Квазар-КВО» автоматизацию как радиоин-терферометрических, так и радиометрических наблюдений.

Актуальность

Программное обеспечение FS устанавливается на радиотелескопах, которые имеют различные системы управления, и оснащаются различным оборудованием. В РСДБ работа с системами регистрации обеспечивается посредством готовых к использованию программных средств, заложенных в FS. Изначально полностью готовой системы управления и контроля для какой-либо конкретной антенны в программном обеспечении FS нет. Поэтому для подготовки расписания сеанса радиометрического наблюдения и формирования управляющего файла на конкретном телескопе требуется разработка дополнительного программного обеспечения. При автоматическом проведении РСДБ-наблюдений в центральный компьютер радиотелескопа загружается управляющий файл, созданный специальными программами

РБ. Подобные программы и являются недостающим элементом Р8 для радиометрии.

Необходимость разработки программных пакетов обработки наблюдательных данных также является следствием уникальности и разнообразия систем и элементов существующих радиотелескопов [8, 9,10].

В настоящее время в обсерваториях ИПА РАН проводится значительный объём радиометрических наблюдений - от 10 до 20 суточных сессий ежемесячно. Своевременная качественная подготовка и обработка большого количества наблюдений труднодостижима без использования специализированной службы радиометрии, которая включает в себя пакеты программ подготовки, проведения, обработки, хранения и анализа результатов наблюдений, и организационных мероприятий.

Настоящая работа посвящена решению задач разработки методов и программного обеспечения для подготовки, проведения и обработки радиометрических наблюдений на радиотелескопах РСДБ комплекса «Квазар-КВО» и реализации их при астрофизических исследованиях в рамках российских и международных научных программ.

Вопросы, решаемые в диссертационной работе

Целями настоящей диссертационной работы являются:

1. Разработка методик автоматизированных радиометрических наблюдений и их использование в астрофизических исследованиях.

2. Разработка программного обеспечения для автоматического планирования радиометрических наблюдений на радиотелескопах РСДБ-комплекса «Квазар-КВО», обработки получаемых записей, архивации результатов и их анализа.

3. Проведение астрофизических наблюдений, демонстрирующих эффективность разработанных методов и программных средств.

Реализация этих целей автором проводилась последовательно по следующим этапам:

• Исследование существующих методов наблюдения в режиме одиночного телескопа на предмет их использования на радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО».

• Разработка программы подготовки наблюдений, как набора взаимосвязанных алгоритмов расчёта таблицы «видимости» источников, составления точного расписания наблюдений, формирования управляющего файла для центрального компьютера радиотелескопа.

• Проведение тестовых радиометрических наблюдений, поиск оптимальных параметров, оценка эффективности методов наблюдения (Ж-ОБ, плавное сканирование, растровое сканирование.

• Разработка пакета программ первичной обработки данных радиометрических наблюдений.

• Внедрение на наблюдательных пунктах ИПА РАН разработанного программного обеспечения, проверка корректности работы, поиск и исправление ошибок.

• Использование программ подготовки и обработки радиометрических наблюдений для решения астрофизических задач.

Научная новизна

1. Разработана структура автоматизированной системы проведения радиометрических наблюдений.

2. Разработаны методики автоматической подготовки, проведения и обработки радиометрических наблюдений радиоисточников используя плавное и растровое сканирование. Методики протестированы и широко используются в различных наблюдательных программах на радиотелескопах ИПА РАН комплекса «Квазар-КВО».

3. С 2002 по 2006 гг. проведён радиометрический мониторинг тесных двойных систем, в результате которого выявлена вспышечная активность исследуемых источников в указанном периоде наблюдений.

Научная и практическая значимость

1. Реализован многоцелевой программный пакет планирования (Sched Maker [И, 12]) и обработки радиометрических наблюдений (Class Visual [9, 10]) для радиотелескопов комплекса «Квазар-КВО».

2. Достигнута высокая скорость обработки радиометрических наблюдений, в связи с чем, программный пакет позволяет наблюдать новый класс объектов - радиовспышки, достаточно быстро реагировать на вспышки переменных источников и регистрировать начало активности этих источников.

3. С помощью разработанного специализированного пакета осуществлена подготовка и обработка наблюдений по следующим отечественным программам исследования (в скобках отмечено сотрудничество по соответствующим программам):

• Многочастотный мониторинг тесных двойных систем (ГАО РАН)

13].

• Исследование релятивистских объектов в радиодиапазоне (ГАО РАН) [14- 16].

• Исследование внутрисуточных вариаций плотности потока внегалактических источников радиоизлучения (ГАИШ) [17].

• Исследование внутреннего строения Солнца, характеристик его внешних слоев и их долгопериодических изменений (ГАО РАН) [18 -20].

• Исследование микроквазаров и переменных внегалактических источников - квазаров и активных ядер галактик (CAO РАН) [21,22].

К настоящему времени разработанное автором программное обеспечение служит для подготовки и обработки радиометрических наблюдений на всех радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО».

Апробация работы

По результатам, полученным в диссертации, были сделаны доклады на семинарах ИПА РАН, коллоквиуме аспирантов-астрономов Санкт-Петербурга (С.-Петербург, 2 декабря 2002 г.), Международной конференции «КОРОНАС-Ф: три года наблюдений активности Солнца, 2001-2004 гг.» (Троицк, 31 января - 05 февраля 2005 г.), XXII конференции «Актуальные проблемы внегалактической астрономии» (Пущино, 16-18 июля 2005 г.), XXXV международной конференции молодых европейских радиоастрономов (Италия, Кальяри, 11-17 октября 2005 г.), совместном заседании секций «Астрометрия, небесная механика, прикладная астрономия» и «Радиотелескопы и методы» Научного Совета по астрономии РАН (Обсерватория "Светлое", 26 - 28 июня 2007 г.).

Публикации и вклад автора

Основные результаты диссертации изложены в 13 работах, опубликованных в отечественных и зарубежных изданиях [10-12, 14, 15, 18, 20], и двух отчетах о НИР [9,13], и в тезисах [16,17, 19, 21,22].

В работах, посвящённых разработке программного обеспечения для наблюдений в режиме одиночного радиотелескопа [9-12], автору принадлежит разработка алгоритма и реализация программы подготовки к наблюдениям Sched Maker, участие в разработке методов наблюдений, сопровождение наблюдений, реализация программного пакета обработки Class Visual, и непосредственно обработка наблюдений.

В работах по наблюдательным астрофизическим программам [17, 21, 22] автору принадлежит участие в планировании и выборе методов наблюдений, подготовки программ наблюдения, а в работах [13-16, 18-20] - дополнительно и обработка результатов наблюдений.

На защиту выносятся

1. Методика автоматизированного проведения радиометрических наблюдений.

2. Программное обеспечение Sched Maker и Class Visual, позволяющее проводить подготовку и обработку регулярных радиометрических наблюдений, в короткие сроки получать результаты и решать широкий круг астрофизических задач.

3. Долгопериодические ряды наблюдений радиоисточников, доказавшие высокую эффективность радиотелескопов комплекса «Квазар-КВО» в проведении автоматических радиометрических наблюдений различных радиоисточников.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Объём диссертации 155 страниц, из них 128 страницы текста, 17 рисунков, 6 таблиц и 4 страницы приложений. Список литературы содержит 61 наименование.

1.3. Выводы

Радиотелескопы комплекса «Квазар-КВО» позволяют проводить радиометрические наблюдения по практически всем существующим методам, из которых в качестве основных выделяются: On-Off (Отводы и Рэтрак), плавное сканирование, растровое сканирование. В ходе тестовых наблюдений определены параметры отмеченных методов наблюдения приемлемые для радиотелескопов РТ-32, во всех их рабочих диапазонах длин волн.

Выделяется стабильность результатов наблюдения опорных радиоисточников методом плавного сканирования, который обладает большей степенью независимости от точности наведения антенны радиотелескопа по сравнению с наблюдениями методом Оп-(Ж. Это делает плавное сканирование приоритетным при прецизионных наблюдениях.

Проведена классификация видов наблюдательных программ по взаиморасположению исследуемых и опорных источников. Отмечается важность нахождения вблизи каждого исследуемого радиоисточника опорного для точного определения потока первых, во время прецизионных наблюдений. Данная классификация является основой для разработки программного обеспечения автоматизации подготовки радиометрических наблюдений, как будет показано ниже (см. главу 3).

Глава 2. Программные средства подготовки и обработки радиометрических наблюдений

Уровень автоматизации проведения радиоастрономических наблюдений и высокотехнологичное оснащение современных радиотелескопов являются причиной возникновения специализированных программных языков управления системами радиотелескопов (например, SNAP). Составление программ на таких языках позволяют проводить радиоастрономические наблюдения практически без участия наблюдателя. Рутинную работу по составлению программ на языках управления радиотелескопом и его приёмно-регистрирующей аппаратурой значительно упрощают отдельные программы, в функциях которых могут быть алгоритмы расчёта видимости источников над горизонтом, составления расписания наблюдения и т.д.

Полученные в результате проведения наблюдений данные, записанные в файлы с выходов регистрирующей аппаратуры, обычно архивируются и кодируются для увеличения плотности записи и предстают перед наблюдателем в неудобном для анализа виде, и при этом требуют своевременной обработки. К важным моментам анализа радиоастрономических данных относится алгоритмическое обеспечение, включающее методику получения оценок наблюдаемых величин и измеряемых параметров, визуальный анализ данных для эмпирической или интуитивной проверки получаемых результатов, и, вообще, наличие программного обеспечения, позволяющего достаточно быстро, надёжно и объективно получить искомый результат. Как правило, развитие этих направлений связывается с постановкой конкретной задачи для получения

38 конечного результата. Так как каждый инструмент, и каждая астрофизическая задача, решаемая на нём, имеют свою особенность, то требуется привлечение и реализация дополнительных программно-алгоритмических ресурсов, а именно, новых идей и разработок.

Приведём в данной главе обзор программных систем по ряду известных обсерваторий России и зарубежья.

2.1. Программные системы радиотелескопа РТ-22 ФИАН

На радиотелескопе РТ-22 ФИАН (рис. 2.1.) впервые в 1978 г. была осуществлена комплексная автоматизация радиоастрономических исследований на базе персонального компьютера. Это была первая подобная система в СССР, которая увеличила эффективность использования этого уникального инструмента до 10 раз.

Быстрое развитие электронно-вычислительной техники потребовало систематического обновления системы автоматизации РТ-22, что последовательно осуществлялось по инициативе лауреата Государственной премии СССР, д.ф.-м.н., А.Е. Саломоновича, и под непосредственным руководством заведующего лабораторией автоматизации научных исследований C.B. Логвиненко.

В результате последней модернизации, проведенной в 2002 г., комплекс автоматизации стал работать на основе сетевой операционной системы Linux - RedHat 7.2. Это позволило интегрировать систему автоматизации РТ-22 в локальную сеть обсерватории и в глобальную сеть Интернет. Стал возможным удаленный режим наблюдений, при котором наблюдателю нет необходимости быть на телескопе. Он может осуществлять процесс

Рис. 2.1. Радиотелескоп РТ-22, ФИАН.

Регистрирующая аппаратура

Узел сети «СБОР». Наблюдательная программа, (рабочее место наблюдателя)

Локальная сеть

Управление ВЧ аппаратурой (верхняя кабина радиотелескопа)

Сервер управления радиотелескопом (рабочее место оператора)

Рис. 2.2. Структурная схема системы проведения эксперимента на радиотелескопе РТ-22, ФИАН. наблюдений через оператора наблюдательного пункта, находясь на своем рабочем месте, оборудованном узлом выхода в Интернет. В настоящее время система автоматизации РТ-22 выполнена на базе распределенной сети, состоящей из трёх персональных компьютеров (рис. 2.2). Каждый узел сети выполняет определенные функции по проведению эксперимента. Это управление телескопом (наведение, слежение, сканирование), сбор данных и управление приемной аппаратурой, расположенной в верхней кабине телескопа.

Всё программное обеспечение было разработано для Linux с использованием некоммерческой версии среды разработки Kylix - Open Edition от Borland. Кроме среды создания приложений на языках Delphi и С++, с помощью Kylix возможно непосредственно обращаться к ресурсам операционной системы.

2.2. Программные системы радиотелескопа РАТАН-600

На радиотелескопе РАТАН-600 (рис. 2.3) имеются несколько облучателей, предназначенных для решения определённых задач. Остановимся в этом разделе на первом облучателе, который предназначен для проведения радиометрических наблюдений в широкой полосе частот. Структурная схема проведения наблюдений представлена на рисунке 2.4. На первом шаге подготовки к наблюдениям на радиотелескопе РАТАН-600 предлагаются программы расчета эфемерид источников:

• efrat для ОС MS DOS, разработанной в ИТА РАН.

• epoch для ОС Linux (Red Hat 5.1).

Рис. 2.3. Радиотелескоп РАТАН-600, вид сверху, (фото Д.В.Королькова)

Подготовка efrat, epoch 1 jdate, stime, stm, ltime

Локальная сеть I

Проведение

Continuous, регистрация и управление радиометрами. xvisn, визуализации хода наблюдения

Обработка

FADPS

Пакет ГАИШ МГУ

Пакет АКЦФИАН

Рис. 2.4. Структурная схема системы проведения наблюдения на радиотелескопе РАТАН-600, CAO РАН.

Для последующих этапов подготовки имеются отдельные программы, решающие каждая свою задачу, основные из которых:

• jdate - преобразование текущего дня в Юлианский и обратно;

• stime и stm - расчёт среднего местного звёздного времени по московскому поясному времени на любую дату, с учётом перехода на летнее/зимнее время;

• ltime - программа обратной функции программ stime и stm.

Новая система регистрации «Continuous» производит управление радиометрами непрерывного спектра и сбор с них данных. В ходе наблюдения каретка облучателя устанавливается автоматически при запуске файла наблюдения, составленного наблюдателем. Дополнительно работает удалённая компенсация радиометров.

Программа xvisn служит для визуализации хода наблюдений.

Программы обработки данных на радиотелескопе РАТАН-600, Специальной астрофизической обсерватории РАН, используют специфику решаемых задач и систем регистрации данного радиотелескопа. Первая система обработки PRF, созданная Витковским Вл.В., Шергиным B.C. и Моносовым M.JI. для данных радиометров сплошного спектра в операционных системах семейства RT-11 действовала до 1993 г.

Программа prad, созданная Соколовой Т.Н., была развита в последствии Трушкиным С.А. в программу pradT для использования в операционной системе DOS.

Имеется система обработки данных наблюдений переменности квазаров созданная АКЦ ФИАН. Разработаны методы и программы обработки данных, получаемых с первого облучателя ГАИШ МГУ. Кроме того, для обработки результатов спектральных наблюдений на втором облучателе и данных солнечных наблюдений на третьем облучателе РАТАН-600 имеются свои пакеты обработки данных.

В качестве основной системы обработки наблюдений полученных на РАТАН-600 в настоящее время применяется FADPS (flexible astronomical data processing). Данная система использует модульный подход, который предполагает создание конструктора подсистем обработки из малых модулей, ориентирующихся на решение отдельной, конкретной задачи: алгоритмизация; чтения/записи данных; реализация численных методов; визуализация данных. Модули пакета FADPS объединены единой системой описания астрономических данных (FITS - подобный формат) и стандартной системой ввода/вывода [35].

В настоящее время FADPS служит для обработки одномерных векторов данных наблюдений, содержащих равноотстоящие отсчёты измерений, а также для анализа континуальных спектров радиоисточников. К 2005г. штатная система FADPS содержала около 100 процедур, 7 из которых разработаны Верходановым О.В. в соавторстве (Шергиным B.C., Моносовым M.JL, Ерухимовым Б.Л., Черненковым В.Н. (САО) и Дорошкевичем А.Г. (АКЦ ФИАН)), остальные являются авторскими.

Все программное обеспечение является открытым с момента создания. Пакет анализа излучений на полной сфере GLESP, требует дополнительной регистрации.

Среди базовых утилит FADPS можно отметить процедуры гармонического анализа, нелинейного сглаживания, непараметрического осреднения, одновременного анализа радиоспектров источников и их координат в задачах распутывания блиндирующих компонент и ряд других.

Внутри FADPS можно создавать свои системы и пакеты обработки. Для этой цели используется командный язык ОС Unix и конвейерный подход обработки информации в многопроцессовой среде ОС Unix.

Система обработки FADPS постоянно развивается: модифицируются старые и появляются новые процедуры.

2.3. Программные системы радиотелескопа РТ-100 в Эффельсберге

На 100-метровом радиотелескопе в Эффельсберге (рис. 2.5), Института радиоастрономии им. Макса Планка, программное обеспечение радиометрических наблюдений разделено на три категории по использованию перед наблюдением, во время сеанса, и после того как наблюдение проведено (рис. 2.6).

Для планирования наблюдений используются программы ASTRO (А Software То pRepare Observations) [37] и COCO (Coordinate Converter) [38]. Программа ASTRO разработана совместно IRAM (Института радиоастрономии миллиметрового диапазона) и Обсерваторией Гренобля в помощь астрономам для подготовки их наблюдений на полноповоротных радиотелескопах. В ASTRO присутствуют команды как специфичные непосредственно для инструментов IRAM, так и возможные к использованию на любом другом радиотелескопе. С помощью программы COCO, реализованной он-лайн на сайте HEAS ARC (High Energy Astrophysics Science Archive Research Center), производится поиск координат искомого источника по его названию, используя каталоги источников NED и Simbad [38].

Во время проведения наблюдений используются программные пакеты OBSe и OBSjnp [39, 40], первично разработанные IRAM для 30-метрового радиотелескопа миллиметрового диапазона MRT, на пике Велета в Испании, и адаптированные позднее для 100-метрового радиотелескопа Эффельсберга. Данные программы позволяют оператору производить стандартные рутинные установки аппаратуры, включение калибровки в процессе наблюдения, определение метода наблюдения и его параметров, слежение за ходом наблюдения. Проведение наблюдений происходит посредством ввода необходимых команд в специальной строке пакета OBS.

Рис. 2.5. Радиотелескоп в Эффельсберге, 100 м.

Подготовка

СОСО^ ASTRO

1 1 i \

Интернетт i L Г

N£0, ^тЬаа

Проведение ОВ8е, ОВБ шр

Локальная сеть

Обработка CLASS

Рис. 2.6. Структурная схема системы проведения наблюдения на 100 м. радиотелескопе в Эффельсберге.

Обработка радиометрических наблюдений в континууме и спектральных линий на 100-метровом радиотелескопе производится с помощью разработанного совместно IRAM и Обсерваторией Гренобля пакета CLASS (Continuum and Line Analysis Single-dish Software) [41]. Программный пакет CLASS, ориентированный главным образом на спектроскопические наблюдения, позволяет обрабатывать наблюдения сплошного спектра только на прохождения, или сканирования. Для обработки остальных видов наблюдений в континууме разрабатываются отдельные программы.

2.4. Программные системы радиотелескопа Грин-Бэнк.

Подготовка к проведению радиометрических наблюдений на радиотелескопе Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO) в Грин-Бэнке (рис. 2.7) совершается с помощью целого ряда программных средств, разработанных специально для данного радиотелескопа и предназначенных для построения «блоков расписания», управляющих системами радиотелескопа во время проведения наблюдений [42] (рис. 2.8):

• Astrid (Astronomer's Integrated Desktop) - среда из которой происходит запуск большинства необходимых для подготовки приложений;

• Scheduling Block Builder (GBT Observation Preparation System) -программное приложение для автоматического построения блоков управляющего файла наблюдения (в настоящее время находится в стадии прототипа);

Рис. 2.7. Радиотелескоп Грин Бэнк, 100 м.

Подготовка

Astrid

- Scheduling Block Builder

- Observation Management System

Локальная сеть Интернет

Управляющий компьютер радиотелескопа

Обработка GBTIDL, DISH (на базе AIPS++), OBIT

Рис. 2.8. Структурная схема системы проведения наблюдения на радиотелескопе Грин Бэнк.

• Observation Management System («Turtle») - программа позволяющая загружать, редактировать и проверять (тестировать) «блоки расписания», пересылать их на радиотелескоп для немедленного выполнения или постановки в очередь. В «блоках расписания» имеются абзацы команд, программно устанавливающие требуемую конфигурацию радиометров, после идут команды производящие непосредственно управление антенной радиотелескопа, наведение на источник, сопровождение, сканирование. Отличительной особенностью данного программного обеспечения является полная автоматизация процесса наблюдения. На рисунке 2.9 приведён пример управляющего «блока расписания» для проведения радиометрического наблюдения источника 3C123, где символами «#» выделяются комментария.

Программная система, касающаяся обработки радионаблюдений проводящихся на радиотелескопе Грин-Бэнк, Национальной Радио Астрономической Обсерватории (NRAO) основывается на пакетах GBTIDL, DISH и OBIT, разработанных собственными кадрами.

Пакет GBTIDL используется в качестве первичного инструмента для обработки и анализа данных наблюдений спектральных линий. В нём используется алгоритм аналогичный как в программе CLASS. Кроме GBTIDL, спектральные наблюдения могут обрабатываться в распространённом пакете AIPS++, в оболочке которого была разработана программа DISH.

Для обработки наблюдений сплошного спектра в настоящее время в NRAO разрабатывается программный пакет OBIT. this is the set-up for MYPROJECTID first, set Locations of some flux calibrators Catalog(fluxcal) myCalibrator = "3C123" calOffset = Offset("J2000", -0.58, 0.0, cosv = True) galOffset = Offset("J2000", -1.45, 0.0, cosv = True) set things up for a peak for a sanity check Comment("Configuring for peaking up with L-band") Configure(""" receiver = 'Rcvrl2' obstype = 'Continuum' backend = 'DCR' nwin = 1 restfreq = 1400.0 deltafreq = 0 bandwidth =200 swmode = 'tp' swtype = 1 none' swper = 0.2 swfreq = 0.0, 0.0 tint =0.2 vlow = 0 vhigh = 0 vframe = 'topo1 vdef = 'Optical' noisecal = 'lo' pol = 'Linear' notchfilter = 'Out'

H ti H j

Slew(myCalibrator) Balance() run a peak,with length=120',rate=260'/min #firing the cals at 0.2s phases hoff = Offset("Encoder", "02:00:00", 0.0) voff = Offset("Encoder", 0.0, "02:00:00")

Peak(myCalibrator, hoff, voff, 30)

Рис. 2.9. Пример управляющего «блока расписания» для автоматического проведения радиометрического наблюдения на радиотелескопе Грин-Бэнк.

2.5. Структура программного обеспечения для радиометрии ИПА РАН

Как уже отмечалось, радиотелескопы сети «Квазар-КВО» созданы главным образом для решения астрометрических задач и проведения радио интерферометрических наблюдений. Для решения наблюдательных радиометрических задач необходимо программное обеспечение совместимое с аппаратурой и программными средствами радиоинтерферометрии. Свои программные пакеты для поддержки радиометрии имеются на всех рассмотренных выше радиотелескопах. Подготовка, проведение и обработка наблюдений у передовых институтов достигает уровня полной автоматизации.

Ежемесячно в обсерваториях ИПА РАН проводится до 20 суточных радиометрических наблюдений. В зависимости от исследовательской программы, за одни сутки записывается от 24 до 72 файлов сетов, каждый продолжительностью до одного часа. При слабом уровне автоматизации процессов подготовки и обработки наблюдений остаётся слишком мало времени для своевременного реагирования на получаемые результаты. Значительно повысить уровень автоматизации и в несколько раз ускорить процесс подготовки и обработки радиометрических наблюдений позволили разработанные автором программы - Sched Maker, Class Visual и База данных радиометрических наблюдений ИПА РАН.

Технологическая цепочка, образованная этими программами вместе с MarklV Field System, формирует логически целостную структуру программного обеспечения радиометрии ИПА РАН. Представим эту структуру в виде блок-схемы организации проведения радиометрических наблюдений на радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО», как показано на рисунке 2.10. Данная блок-схема графически описывает взаимодействие программного обеспечения друг с другом.

Подготовка расписания радиометрических наблюдений источников и формирование SNAP-программы (Standard Notation for Astronomy Procedures язык программирования для управления радиотелескопом, использующийся в Mark IV Field System) для центрального управляющего компьютера радиотелескопа производится посредством программы Sched Maker. По SNAP-программе центральный компьютер проводит наблюдения практически в автоматическом режиме, управляя всеми необходимыми системами радиотелескопа.

Данные наблюдений о выходных сигналах радиометров, координатах антенны записываются в специальный stl-файл. Отчёт о выполнении каждой

1. Программа подготовки радиометрических наблюдений Sched Maker и программный пакет обработки Class Visual подробно рассматриваются автором в следующих главах работы.26. Выводы

2. Глава 3. Программное обеспечение подготовки радиометрических наблюдений1. Sched Maker

3. Автором же разработана и создана программа Sched Maker для подготовки радиометрических наблюдений. Возможности этой программы позволяют выполнить все необходимые этапы подготовки.

4. Структура программы Sched Maker

5. В соответствии с представленным алгоритмом создания управляющегосписок источниковкоординаты станциизвездное времярасписание наблюдения