Комплекс вычислительных, телекоммуникационных, информационных и программных средств проведения радиоастрономических исследований в ПРАО АКЦ ФИАН тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

и

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. П.Н. ЛЕБЕДЕВА Астрокосмический Центр

На правах рукописи УДК 523.164:52.08

Китаев Вячеслав Валентинович

Комплекс вычислительных, телекоммуникационных, информационных и программных средств проведения радиоастрономических исследований в ПРАО АКЦ ФИАН.

(01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

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

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук

Р.Д.Дагкесаманский

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук А.Д. Кузьмин (ПРАО АКЦ ФИАН) кандидат физико-математических наук В.В. Корнилов (Президиум ПНЦ РАН)

Ведущая организация: Институт астрономии РАН

Защита состоится « 2 » £ео& 1998 года в /Г. <5>& на заседании

Диссертационного совета Д.002.39.01 Физического института им. П.Н. Лебедева Российской Академии наук по адресу: 117924, Москва, Ленинский проспект 53, ФИАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН Автореферат разослан сж&уггя* 1998г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д.002.39.01

Ю.А. Ковалев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы.

Путинская радиоастрономическая обсерватория

Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ПРАО АКЦ ФИАН) является одним из крупнейших астрономических учреждений России. Более чем за 40 лет своего существования обсерватория стала одним из лидеров в технике проведения радиоастрономического эксперимента и астрофизических исследований в России и мире. В ПРАО АКЦ ФИАН созданы и успешно работают четыре радиотелескопа (РТ-22, ДКР-1000, БСА, РВК-151), служба времени, ряд наблюдательных установок, ведутся исследования газовых туманностей, пульсаров, межзвездной и межпланетной плазмы, внегалактических радиоисточников.

Более 20 лет в обсерватории развиваются системы автоматизации радиоастрономических исследований, без которых невозможно проведение современных научных исследований. Эти системы включают в себя аппаратные комплексы управления радиотелескопами, приемной и анализирующей аппаратурой, системы сбора, передачи и обработки данных. Все эти средства, как правило, территориально и функционально разделены, и поэтому весьма актуальной является задача организации их взаимодействия друг с другом и пользователем.

Постоянно растущие объемы данных, связанные с появлением новых возможностей проведения наблюдений, требуют наличия новых возможностей по их быстрой и надежной передаче к станциям обработки наблюдений, в том числе и через международную сеть Internet, и затем их последующей обработки. Создание надежной и совместимой с международными стандартами телекоммуникационной среды передачи данных интегрированной в международные компьютерные сети является

важнейшей задачей развития автоматизации научных исследований в ГТРАО АКЦ ФИАН.

Немаловажным аспектом создания современной среды проведения научных исследований является создание развитой информационной инфраструктуры. Такая инфраструктура призвана сокращать время, которое исследователь тратит на поиск необходимой оперативной информации, например о технических характеристиках радиотелескопов и приемных систем ПРАО АКЦ ФИАН, должна обеспечивать оперативный доступ к радиоастрономическим каталогам, проведение стандартных и рутинных расчетов по переходу из одних систем координат и времени в другие и пр., в целом давать возможность исследователю сосредоточиться на объекте исследований и подготовке к наблюдениям, а не на процессе поиска информации.

Создание современного программного обеспечения проведения наблюдений и обработки данных является важным элементом автоматизации всех этапов проведения радиоастрономических наблюдений. От эффективности и развитости такого программного обеспечения зависят возможности постановки наблюдений и проведения исследований радиоисточников. Разработка специального программного обеспечения, учитывающего особенности наблюдений на инструментах ПРАО АКЦ ФИАН и учитывающего специфику методик проводимых наблюдений, является весьма актуальной.

В целом, созданный в работе комплекс вычислительных, телекоммуникационных, информационных и программных средств призван обеспечивать современную базу для проведения научных исследований и является важным шагом в развитии автоматизации радиоастрономических исследований в ПРАО АКЦ ФИАН.

Цель работы.

Основной целью работы является создание в ПРАО АКЦ ФИАН современной базы для развития распределенных систем автоматизации радиоастрономических исследований на основе комплекса вычислительных, телекоммуникационных, информационных и программных средств проведения радиоастрономических исследований в ПРАО АКЦ ФИАН.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1. Для обеспечения автоматизации радиоастрономических исследований создана и внедрена вычислительная сеть для сбора и обработки радиоастрономических данных (ВССОРД) ПРАО АКЦ ФИАН, удовлетворяющая всем современным требованиям проведения радиоастрономических исследований, международным стандартам системной интеграции, и обеспечивающая дальнейшее развитие радиоастрономических наблюдений в ПРАО АКЦ ФИАН на современном уровне. В ходе создания вычислительной сети были решены следующие задачи:

• Проведен анализ требований и перспектив автоматизации радиоастрономических исследований в ПРАО АКЦ ФИАН, и на его основе с использованием международных стандартов и требований открытых систем определены структура и элементы архитектуры ВССОРД ПРАО АКЦ ФИАН.

• Разработана и создана базовая локальная вычислительная сеть ПРАО АКЦ ФИАН в стандарте 1ЕЕЕ802.3, включающая в себя кабельную систему со смешанной топологией разветвленной шины и звезды.

• Разработана и создана внутренняя инфраструктура локальной вычислительной сети ПРАО АКЦ ФИАН на основе организации ряда сетевых сервисов и служб общего пользования с помощью

выделенных и невыделенных серверов и сетевых операционных систем Windows NT Server 4.0 и Linux.

• На основе предварительного анализа условий ПРАО АКЦ ФИАН и требований к ВССОРД осуществлена интеграция базовой вычислительной сети ПРАО АКЦ ФИАН в глобальную компьютерную сеть Internet с помощью созданных радиорелейного телекоммуникационного канала связи и провайдерского узла серверов.

2. В целях развития информационного обеспечения наблюдений в ПРАО АКЦ ФИАН на основе интероперабельных технологий Internet разработана, создана и внедрена радиоастрономическая информационная система RAIS (Radio Astronomy Information System). В ходе создания системы были решены следующие задачи:

• Разработана информационная подсистема RAIS, включающая оперативный доступ к радиоастрономическим каталогам, базам данных, астрономическим таблицам и технической информации о радиотелескопах ПРАО АКЦ ФИАН.

• Разработана программная подсистема RAIS, включающая ряд астрономических расчетных утилит преобразования систем координат и времени, расчет установок задержек радиотелескопов и др.

3. Разработан и внедрен программный комплекс спектральных исследований на радиотелескопе ДКР-1000 ФИАН. С его помощью получены спектры рекомбинационных радиолиний углерода по данным проведенных на ДКР-1000 ФИАН наблюдений в направлении радиоисточников Cas А, где впервые на низкой частоте получены две спектральные компоненты, и Sgr А, где радиолинии углерода впервые наблюдались на частоте 42 МГц. В ходе создания комплекса, исходя

из определенных требований и методики проведения спектральных наблюдений на радиотелескопе ДКР-1000 и их последующей обработки, были решены следующие задачи:

• Разработано программное обеспечение проведения спектральных наблюдений на радиотелескопе ДКР-1000 ФИАН, включающее комплексный контроль состояния антенны Север-Юг и аппаратурного комплекса, систему подготовки файлов-заданий и консольного управления автоматизированным комплексом, проведение наблюдений в автоматическом режиме.

• Разработано программное обеспечение обработки спектральных данных с учетом особенностей наблюдений в метровом диапазоне.

Практическая ценность работы заключается в расширении возможностей развития автоматизации научных исследований, проводимых в ПРАО АКЦ ФИАН за счет использования возможностей вычислительной сети. Разработанная идеология построения сети для сбора и обработки данных может быть использована при построении аналогичных систем в других радиоастрономических обсерваториях. Информационная система RAIS является высоко эффективным современным сервисом при подготовке и проведении наблюдений в ПРАО АКЦ ФИАН. Система доступна для использования во всем мире и имеет широкие возможности для ее развития и расширения. Программный комплекс спектральных исследований позволяет эффективно проводить спектральные наблюдения в метровом диапазоне длин волн и их обработку. Идеология построения комплекса такова, что программное обеспечение обработки спектральных наблюдений легко адаптируется при использовании на других радиотелескопах, а программное обеспечение спектральных наблюдений к изменениям в аппаратурном комплексе спектральных наблюдений.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

• XXIII Радиоастрономической конференции (Ашхабад, 1991);

• XXIV Европейской конференции молодых радиоастрономов , (Гетеборг, 1991);

• XXV Радиоастрономической конференции (Пущино, 1993);

• Конференции "Space EuroAsia" (Стамбул, 1994);

.,• XXVIII Европейской конференции молодых радиоастрономов (Гронинген, 1995);

• XXVII Радиоастрономической конференции (Санкт-Петербург, 1997); а также на семинарах и научных сессиях ПРАО АКЦ ФИАН и АКЦ ФИАН. Основное содержание работы опубликовано в 19 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Объем диссертации составляет 126 страниц, включая список литературы из 82 библиографических ссылок, 5 таблиц и 25 рисунков.

На защиту выносятся следующие результаты:

• Разработка и создание базовой вычислительной сети ПРАО АКЦ ФИАН;

• Разработка и создание внутренней инфраструктуры вычислительной сети ПРАО АКЦ ФИАН;

• Разработка и создание системы интеграции базовой локальной вычислительной сети ПРАО АКЦ ФИАН в глобальную компьютерную сеть Internet и региональную сеть Научного центра;

• Разработка и создание информационной системы RAIS обеспечения радиоастрономических наблюдений в ПРАО АКЦ ФИАН;

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Содержание диссертации изложено во ведении, трех главах, заключении и трех приложениях.

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы задачи диссертационной работы и приведено краткое её содержание.

В первой главе приводится обзор и критический анализ возможных вариантов и принципов построения вычислительной сети для сбора и обработки радиоастрономических данных в ПРАО АКЦ ФИАН. Рассмотрены и определены принципы и архитектура построения такой сети для крупной радиоастрономической обсерватории, какой является ПРАО АКЦ ФИАН. Основным требованием определено соответствие всех элементов системы международным стандартам на всех ее уровнях. На основе проведенного анализа был сделан выбор смешанной топологии разветвленной общей шины и звезды, а так же стандарта IEEE802.3 построения базовой локальной вычислительной сети, которые наилучшим образом позволяют развернуть сеть в корпусах обсерватории и объединить удаленные корпуса радиотелескопов с лабораторным корпусом. Определена задача построения сети смешанного типа с присутствием как выделенных серверов, так и однорангового сервиса, и определен набор сетевых операционных систем, удовлетворяющих потребностям проведения астрофизических исследований в обсерватории. Описана созданная базовая вычислительная сеть,

структура и этапы ее построения. Проанализированны особенности реализованой инфраструктуры вычислительной сети для сбора и обработки радиоастрономических данных в ПРАО АКЦ ФИАН, выбраных базовых протоколов и операционных систем, конфигураций и функционального разделения серверов сети. Рассмотрена осуществленная интеграция базовой сети ПРАО АКЦ ФИАН в региональную сеть Пущинского научного центра РАН и глобальную вычислительную сеть Internet, а также некоторые аспекты создания провайдерского узла. Основное содержание главы опубликовано в работах [12-16].

Во второй главе рассмотрена радиоастрономическая информационная система RAIS (Radio Astronomy Information System) обеспечения наблюдений. Система создана с целью сокращения времени, которое исследователь тратит на поиск необходимой информации, проведение стандартных и рутинных расчетов. Основная задача данной радиоастрономической информационной системы заключается в предоставлении наблюдателю оперативной информации о технических характеристиках радиотелескопов и приемных систем ПРАО АКЦ ФИАН, оперативного доступа к наиболее удобным и полезным радиоастрономическим каталогам, обеспечении возможности проведения оперативных расчетов звездного времени, необходимых задержек антенн метрового диапазона для конкретного источника, пересчета координат и других полезных и необходимых расчетов. Развитие современных сетевых и программных технологий, создание развитой локальной вычислительной сети ПРАО АКЦ ФИАН, интегрированной в глобальную сеть Internet, и развитой инфраструктуры сети позволили с наивысшей эффективностью решить эту задачу с использованием различных технологий Internet. В основу системы положены технологии World Wide Web и разработаны такие принципы, которые позволили достигнуть

максимальной эффективности и масштабируемости системы. В главе рассмотрены и определены основные требования к системе. Осуществлен выбор основных технических средств создания системы, которыми стали язык описания гипертекстов HTML, язык описания сценариев JavaScript и язык запросов к базам данных SQL. Описана общая структура системы RAIS, которая состоит из двух основных подсистем - информационной и программной. Первая - включает в себя набор радиоастрономических каталогов и баз данных, техническую информацию о радиотелескопах ПРАО АКЦ ФИ АН. Вторая - состоит из набора программных утилит перехода из одной системы координат и времени в другую, расчета лучевых скоростей, учета прецессии и юстировочных поправок радиотелескопов ПРАО АКЦ ФИАН и др. Система RAIS является важным шагом на пути к созданию развитой современной информационной среды проведения научных исследований. Основное содержание главы опубликовано в работах [19].

В третьей главе описан разработанный программный комплекс спектральных исследований на радиотелескопе ДКР-1000. Этот комплекс включает в себя два основных элемента. Первый - программное обеспечение низкочастотных спектральных наблюдений на ДКР-1000. Второй - программное обеспечение обработки спектральных радиоастрономических наблюдений, разработанное на основе методики обработки получаемых на цифровом автокоррелометре спектральных данных с учетом особенностей наблюдений в метровом диапазоне и позволяющий с большой гибкостью и эффективностью проводить обработку больших массивов данных. В главе определены требования к программному комплексу спектральных радиоастрономических исследований. Описана методика проведения низкочастотных спектральных наблюдений, комплексного оперативного контроля

аппаратуры, автоматизированный комплекс спектральных наблюдений. Рассмотренны особенности программного обеспечения проведения спектральных наблюдений на ДКР-1000 ФИАН, методика обработки спектральных данных, особенности обработки наблюдений на низкой частоте и разработанное и созданное с учетом этих особенностей программное обеспечение обработки спектральных данных. Приведены примеры полученных с помощью этого комплекса спектров источников. Основное содержание главы опубликовано в работах [1-11, 17, 18, 20].

В заключении дано изложение основных результатов проведенной работы и выводов, которые базируются на полученных результатах.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Основное содержание диссертации опубликовано в 19 печатных работах и Техническом описании программного комплекса спектральных исследований:

1. Смирнов Г.Т., Сороченко Р.Л., Китаев В.В., Лехт Е.Е, Прецизионные измерения рекомбинационных радиолиний в направлении Cas А на частоте 42 МГц. 1991, Тезисы докладов XXIII радиоастрономической конференции, Ашхабад-Ылым, ИЗ

2. Смирнов Г.Т., Сороченко Р.Л., Китаев В.В., Поиск рекомбинационных радиолиний на частоте 42 МГц в направлении молекулярных облаках. 1991, Тезисы докладов XXIII радиоастрономической конференции, 124

3. Kitaev V.V., Lekht E.E., Smirnov G.T. and Sorochenko R.L., Observation of radio recombination lines in metere-range. 1991 XXIVth Young European Radio Astronomers Conference, Goteborg, Sweden, 15

4. Смирнов Г.Т., Сороченко Р.Л. и Китаев В.В., Поиск рекомбинационных радиолиний в направлении S140 на частоте 42 МГц. 1992, Письма в АЖ, 18, №6, 483

5. Смирнов Г.Т., Сороченко Р.Л., Лехт Е.Е., Китаев В.В., Алексеев Ю.И., Алексеев И.А., Комплекс для исследований спектральных линий в метровом диапазоне волн. 1993, Тезисы докладов XXV радиоастрономической конференции, Пущино, 177

6. Азаренков Ю.И., Карпов В.М., Китаев В.В., Костромин В.И., Система автоматического измерения амплитудно-фазового распределения в системе межсекционного сканирования полотна Север-Юг радиотелескопа ДКР-1000 ФИ АН. 1993, Тезисы докладов XXV радиоастрономической конференции, Пущино, 189

7. Kitaev V.V., Smirnov G.T., Sorochenko R.L., Lekht E.E., Low-frequency radio recombination lines. Methods and results. 1994, Tr.J.of Physics, 18, No. 9, 908

8. Китаев В.В., Программное обеспечение для обработки спектральных наблюдений. Тезисы докладов XXV радиоастрономической конференции 20-24 сентября 1993. 1993, Тезисы докладов XXV радиоастрономической конференции, Пущино 1993,229

9. Китаев В.В., Программное обеспечение для спектральных наблюдений на ДКР-1000 ФИАН. 1993, Тезисы докладов XXV радиоастрономической конференции, Пущино, 230

10. Kitaev V.V., Smirnov G.T., Sorochenko R.L., Schegolev A.F., Low frequency radio recombination lines towards the Galactic Center. 1995, XXVIIIth Young European Radio Astronomers Conference, Kapteyn Institute, Groningen, 34

11. Смирнов Г.Т., Китаев В.В., Сороченко Р.Л., Щеголев А.Ф., Обнаружение рекомбинационных радиолиний на частоте 42 МГц в направлении на центр Галактики. 1996, Сборник. Доклады, представленные на годичную сессию Ученого Совета Астрокосмического Центра Физического института имени П.Н.Лебедева РАН (г. Пущино, февраль 1995 года), Москва, 3

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

13. Китаев В.В., Распределенная система сбора и обработки данных ПРАО АКЦ ФИАН. 1997, Проблемы современной радиоастрономии. XXVII радиоастрономическая конференция, Санкт-Петербург,_3, 148

14. Китаев В.В., Исаев Е.А., Логвиненко C.B., Натапов П.Г., Галат Е.В., Учватов A.B., Развитие локальной вычислительной сети Пущинской радиоастрономической обсерватории АКЦ ФИАН и организация доступа в Интернет. 1997, Проблемы современной радиоастрономии. XXVII радиоастрономическая конференция, Санкт-Петербург,.3, 150

15. Китаев В.В., Распределенная система сбора и обработки данных ПРАО АКЦ ФИАН. I. Архитектура и принципы построения. 1997, Препринт ФИАН №51

16. Китаев В.В., Распределенная система сбора и обработки данных ПРАО АКЦ ФИАН. И. Базовая локальная вычислительная сеть. 1997, Препринт ФИАН №52

17. Китаев В.В., Программный комплекс спектральных исследований на ДКР-1000 ФИАН. I. Программное обеспечение спектральных наблюдений. 1998, Препринт ФИАН №18

18. Китаез В.В., Программный комплекс спектральных исследований на ДКР-1000 ФИАН. II. Программное обеспечение обработки спектральных данных. 1998, Препринт ФИАН № 19 ■ '

19. Китаев В.В., Китаева М.А., Радиоастрономическая информационная система обеспечения наблюдений RAIS. 1998, Препринт ФИАН, №29

20. Китаев В.В., Программный комплекс спектральных исследований на ДКР-1000. 1996, Техническое описание.

Личный вклад автора.

• В работах 1, 2, 3, 4, 7 автор принимал участие в наблюдениях, разработал программное обеспечение обработки наблюдений и провел их обработку.

• В работе 5 автор разработал программное обеспечение наблюдательного комплекса.

• В работе 6 автор разработал программное обеспечение системы автоматического измерения амплитудно-фазового распределения антенны Север-Юг.

• В работах 10,11 автор провел наблюдения, разработал программное обеспечение обработки наблюдений и провел обработку этих наблюдений.

• В работе 12, 14 автор разработал общую концепцию и структуру вычислительной сети ПРАО АКЦ ФИАН и ее интеграции в Internet и принимал участие в их создании и развитии.

• В работе 19 автор разработал общую концепцию системы RAIS, создал информационную подсистему и принимал участие в создании программной подсистемы.

• Работы 8,9,13,15,16, 17, 18 выполнены автором самостоятельно.

• Работа изложенная в третьей главе выполнена автором под руководством к.ф.-м.н. Г.Т.Смирнова и д.ф.-м.н. Р.Л.Сороченко.

Научное издание Автореферат Китаева В.В.

Налоговая льгота - общероссийский классификатор продукции ОК-005-93, том 2; 953000 - книги и брошюры.

30.07.98 г. 3. 8090Р. Т. 100 экз. Усл.печ.л. 1,0.

Отпечатано с оригинала-макета в Отделе научно-технической информации Пущинского научного центра РАН. 142292 г. Пущино Московской обл., проспект Науки, 3. ОНТИ ПНЦ РАН.