林 親，盧曉猛，黎華麗，米琳瑩，3，高東洋

(1.中國科學(xué)院國家天文臺(tái)，北京 100012;2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049;3.中國科學(xué)院光學(xué)天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國家天文臺(tái))，北京 100012)

科學(xué)技術(shù)普及就是把人類研究開發(fā)的科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法，以及融化于其中的科學(xué)思想和科學(xué)精神，通過多種方法、多種途徑傳播到社會(huì)上，使之為公眾所理解的過程。它是提高國民素質(zhì)的關(guān)鍵措施，也是社會(huì)主義物質(zhì)文明和精神文明建設(shè)的重要內(nèi)容。在互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的今天，網(wǎng)絡(luò)成為人們快速獲取、發(fā)布和傳遞信息的重要渠道。因此，在普及科學(xué)知識(shí)時(shí)，科普工作者應(yīng)充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)這一新型大眾傳媒在信息傳播領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)科普資源的網(wǎng)絡(luò)共享，以便更好地促進(jìn)科學(xué)知識(shí)的廣泛傳播。

在中國科學(xué)院“十一五”信息化建設(shè)專項(xiàng)支持下建立了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的天文觀測科學(xué)實(shí)踐中心。該中心將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、天文觀測技術(shù)有效地融合在一起，一方面它把專業(yè)天文資源和知識(shí)以豐富的多媒體形式呈現(xiàn)并傳遞給公眾，另一方面普通大眾可通過該實(shí)踐中心自行或在專家的指導(dǎo)下對(duì)天文觀測設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程觀測。與傳統(tǒng)的天文科普網(wǎng)站相比，此天文觀測實(shí)踐中心不僅可以傳播天文科普知識(shí)，還可以讓公眾親身實(shí)踐天文觀測，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)和用戶的良好互動(dòng)?？傊煳挠^測實(shí)踐中心的建立，滿足了公眾對(duì)宇宙進(jìn)行深度探索的需求，對(duì)于提高用戶對(duì)天文探索的興趣，拓展全民天文認(rèn)識(shí)，最終提高全民科學(xué)文化素質(zhì)都將起到一定的推動(dòng)作用。

1 總體設(shè)計(jì)

在天文觀測科學(xué)實(shí)踐中心的建設(shè)中，圍繞天文觀測這一科學(xué)活動(dòng)，按照天文知識(shí)傳播和天文觀測體驗(yàn)兩條主線(圖1)，構(gòu)建了一系列內(nèi)容豐富、形式多樣的相關(guān)欄目。網(wǎng)站地址為:http://www.kepu.net.cn/gb/practicecenter/201001_03_tw/index.html，首頁界面如圖2。網(wǎng)站的內(nèi)容分為6個(gè)欄目，分別為:“中心視野”、“望遠(yuǎn)鏡博覽”、“天象月歷”、“天象演播”、“動(dòng)手看天象”和“我來說兩句”。其中特色欄目“動(dòng)手看天象”為用戶提供了一個(gè)進(jìn)行天文觀測的實(shí)踐平臺(tái)，因此用戶在授權(quán)的情況下通過任意一臺(tái)連網(wǎng)的計(jì)算機(jī)即可參與到天文觀測的活動(dòng)中，并可通過其它5個(gè)欄目了解相關(guān)的天文基礎(chǔ)知識(shí)，分享觀測結(jié)果以及發(fā)表評(píng)論等。

圖1 網(wǎng)站與用戶之間的信息交流形式Fig.1 Information communication between the website and users

圖2 “天文觀測科學(xué)實(shí)踐中心”首頁Fig.2 Home page of the website—The Scientific Practice Center for Astronomical Observation

1.1 天文基礎(chǔ)知識(shí)

天文基礎(chǔ)知識(shí)主要通過欄目“中心視野”、“望遠(yuǎn)鏡博覽”、“天象月歷”、“天象演播”和“我來說兩句”傳播給用戶，這5個(gè)欄目的內(nèi)容都是圍繞特色欄目“動(dòng)手看天象”展開，各欄目簡介如下。

“中心視野”對(duì)觀測的對(duì)象、儀器和方法進(jìn)行介紹和說明。

“望遠(yuǎn)鏡博覽”以圖文并茂的方式對(duì)各類科普望遠(yuǎn)鏡以及國際上著名的科研專用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了介紹，并分享了一些專家的望遠(yuǎn)鏡維護(hù)和使用心得等。

“天象月歷”以月歷的形式對(duì)重要的天象進(jìn)行預(yù)報(bào)。

“天象演播”對(duì)重大天象等公眾比較關(guān)心的天文觀測進(jìn)行直播和點(diǎn)播。

“我來說兩句”以論壇的形式為用戶提供交流平臺(tái)。用戶在平臺(tái)上可以發(fā)表評(píng)論，展示成果，以及與其它網(wǎng)友討論問題等。

1.2 天文觀測體驗(yàn)

天文觀測體驗(yàn)重點(diǎn)體現(xiàn)在“動(dòng)手看天象”欄目。此欄目為用戶提供了一個(gè)遠(yuǎn)程控制望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行天文觀測的網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐平臺(tái)。為了構(gòu)建良好的平臺(tái)管理模式，該平臺(tái)的運(yùn)行策略主要包含以下4點(diǎn):(1)開放申請(qǐng);(2)擇優(yōu)分配觀測時(shí)間;(3)觀測者獨(dú)享望遠(yuǎn)鏡控制權(quán);(4)觀測數(shù)據(jù)公眾分享。因此用戶在獲得授權(quán)的情況下可通過遠(yuǎn)程控制界面控制位于優(yōu)異觀測臺(tái)址的望遠(yuǎn)鏡，并可查看實(shí)時(shí)觀測視頻。望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的整體示意圖如圖3。

由圖3可知，望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在硬件上需具備多臺(tái)計(jì)算機(jī)、赤道儀、望遠(yuǎn)鏡、攝像頭以及信號(hào)傳輸線等，除此之外，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，還應(yīng)保證網(wǎng)絡(luò)暢通。

圖3 望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)整體示意圖Fig.3 The framework of the remote control system of a telescope

在望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的終端，興隆觀測基地［1］提供的相應(yīng)硬件設(shè)備見表1。

2 具體實(shí)現(xiàn)

2.1 網(wǎng)頁設(shè)計(jì)

網(wǎng)站頁面設(shè)計(jì)的內(nèi)容編排遵循形式統(tǒng)一、色彩和諧、重點(diǎn)突出的原則。網(wǎng)站在實(shí)現(xiàn)上采用文本和多媒體資源結(jié)合的方式，并使用鏈接建立各頁面之間的引導(dǎo)關(guān)系，使用戶可以方便地訪問網(wǎng)站所有的相關(guān)信息。

網(wǎng)站頁面設(shè)計(jì)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)集合了HTML、CSS和JavaScript等3種技術(shù)，其中HTML負(fù)責(zé)頁面結(jié)構(gòu);CSS負(fù)責(zé)樣式表現(xiàn)，使網(wǎng)站布局合理、風(fēng)格統(tǒng)一、美觀大方且便于維護(hù);JavaScript負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)行為，增加了網(wǎng)頁的互動(dòng)性和友好性，并使網(wǎng)頁能夠及時(shí)響應(yīng)用戶操作。

表1 興隆觀測基地天文科普主要儀器設(shè)備統(tǒng)計(jì)表Table 1 Instruments of the Xinglong Observation Base for popular astronomy

2.2 望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)向用戶提供一個(gè)遠(yuǎn)程控制界面，用戶通過這個(gè)界面可與位于興隆觀測基地的現(xiàn)場軟件建立通信。整個(gè)系統(tǒng)在用戶和硬件之間包含了多層軟件，每一層在系統(tǒng)中承擔(dān)特定的功能。圖4為模塊間邏輯關(guān)系圖。

圖4 望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的主要軟硬件模塊Fig.4 Modules of the remote control system of a telescope

望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)分為兩大部分:(1)遠(yuǎn)程控制望遠(yuǎn)鏡;(2)觀測視頻實(shí)時(shí)傳輸。由圖4可知，兩部分信號(hào)的傳輸相互獨(dú)立，互不干擾，僅在用戶端將兩部分的控制操作整合到同一界面上，這種方式能使用戶通過視頻方便及時(shí)地了解觀測現(xiàn)狀，而不受控制模塊的影響。

2.2.1 遠(yuǎn)程控制望遠(yuǎn)鏡

該部分在設(shè)計(jì)體系架構(gòu)時(shí)考慮到系統(tǒng)應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)化、兼容性、擴(kuò)展性和安全性，因此將系統(tǒng)分為3個(gè)層次，如圖4，分別為望遠(yuǎn)鏡前沿控制機(jī)(TFC)、局域網(wǎng)控制中心(LC)和遠(yuǎn)程用戶。在實(shí)際改造和研發(fā)過程中，嚴(yán)格按照底層硬件控制標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)軟件，注重硬件兼容、平臺(tái)兼容和通信接口兼容，因此系統(tǒng)具有高兼容性。另一方面，用戶若想遠(yuǎn)程控制更多的硬件，只需改進(jìn)前沿控制軟件，并運(yùn)行在相應(yīng)的計(jì)算機(jī)上，以及在Java Applet和Dispatcher服務(wù)器端程序中添加少量的代碼即可，無需做結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)移Dispatcher服務(wù)器端程序，使整套系統(tǒng)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和安全性。接下來分別介紹各層次的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

(1)望遠(yuǎn)鏡前沿控制機(jī)

計(jì)算機(jī)位于望遠(yuǎn)鏡圓頂內(nèi)，平臺(tái)為Windows操作系統(tǒng)，系統(tǒng)上裝有兩個(gè)軟件，分別為TheSky5天文軟件和前沿控制軟件，其中前沿控制軟件用VB語言開發(fā)。近期將把軟件TheSky5升級(jí)到最新版本TheSkyX Professional。

TheSky5軟件通過RS232串口通信直接控制赤道儀，前沿控制軟件則通過調(diào)用美國Software Bisque公司(www.bisque.com)提供的RASCOM腳本與TheSky5軟件建立連接間接控制赤道儀，另外，前沿控制軟件與局域網(wǎng)控制中心建立基于TCP/IP和Socket的網(wǎng)絡(luò)通信，采用默認(rèn)的同步通信模式接收局域網(wǎng)控制中心信息，并將即時(shí)信息反饋到局域網(wǎng)控制中心。

(2)局域網(wǎng)控制中心

服務(wù)器位于興隆觀測基地的中心控制室，平臺(tái)為Linux操作系統(tǒng)，運(yùn)行在上面的Dispatcher服務(wù)器端程序使用C++語言開發(fā)。

Dispatcher服務(wù)器端程序與遠(yuǎn)程用戶和前沿控制軟件之間都采用基于TCP/IP和Socket的網(wǎng)絡(luò)通信，它為第1層和第3層的信息中轉(zhuǎn)站。該程序?yàn)镈aemon程序，可實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)訪問，滿足了一人控制觀測，多人同時(shí)在線觀看的要求。為了能更好地應(yīng)對(duì)突發(fā)性且數(shù)量巨大的瞬時(shí)客戶端訪問，還采用了線程池和選擇異步通信技術(shù)，其中線程池技術(shù)為線程創(chuàng)建、銷毀的開銷和系統(tǒng)資源不足等問題提供了很好的解決方案，有效地提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度和整體性能;采用選擇異步通信技術(shù)，在沒有網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，程序?qū)⑻幱谧枞麪顟B(tài)，從而降低了CPU的占用率［2－4］。

(3)遠(yuǎn)程用戶

遠(yuǎn)程用戶為最終用戶，他們可在任何一臺(tái)連入互聯(lián)網(wǎng)并裝有JRE的計(jì)算機(jī)上，通過IE瀏覽器下載遠(yuǎn)程控制界面。該遠(yuǎn)程控制界面采用Java Applet技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)以上3個(gè)層次不同的工作任務(wù)和安全需求，在第1層和第2層之間，采用了C/S結(jié)構(gòu);在第2層和第3層之間，采用了B/S結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)程用戶可通過IE或者Netscape等網(wǎng)絡(luò)瀏覽器執(zhí)行觀測任務(wù)。圖5為獲得控制權(quán)限的用戶通過遠(yuǎn)程控制界面執(zhí)行望遠(yuǎn)鏡指向操作的主要流程，其中點(diǎn)劃線走向?yàn)橥h(yuǎn)鏡指向命令傳輸流程，虛線走向?yàn)橥h(yuǎn)鏡狀態(tài)信息傳遞流程。

圖5 遠(yuǎn)程控制望遠(yuǎn)鏡指向的主要流程Fig.5 The block diagram for the remote control of telescope pointing

由圖5可知，用戶在客戶端輸入觀測目標(biāo)信息后，該信息將以字符串的形式被傳送到局域網(wǎng)控制中心，再從控制中心被分送到相應(yīng)的望遠(yuǎn)鏡前沿控制機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的遠(yuǎn)程控制，當(dāng)前沿控制機(jī)獲得反饋的望遠(yuǎn)鏡狀態(tài)信息后，也以字符串的形式把此信息發(fā)送到局域網(wǎng)控制中心，再由該中心把信息發(fā)送給用戶。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)由于受到外界環(huán)境的影響變得不穩(wěn)定或發(fā)生短暫阻塞時(shí)，如果軟件不能及時(shí)做出相應(yīng)的處理，會(huì)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳送失敗，甚至使系統(tǒng)癱瘓。為了解決這個(gè)問題，軟件在實(shí)現(xiàn)時(shí)采取了基于緩沖隊(duì)列的網(wǎng)絡(luò)通信模式［5］。在軟件的初始化階段，每一層軟件都在各自的內(nèi)存中申請(qǐng)一個(gè)較大的緩存緩沖器，把接收的數(shù)據(jù)首先存在緩沖器中，再將緩沖器中的內(nèi)容壓入緩沖隊(duì)列，執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)時(shí)則從緩沖隊(duì)列中讀取內(nèi)容，并自動(dòng)將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送到另一層。在這里緩存隊(duì)列起到了緩沖數(shù)據(jù)的作用，使系統(tǒng)在一定程度上能夠應(yīng)付由于網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)帶來的傳送數(shù)據(jù)丟失等問題。

2.2.2 觀測視頻實(shí)時(shí)傳輸

該部分的實(shí)現(xiàn)采用了商業(yè)解決方法，通過利用在技術(shù)性能、易用性、效率和交互性等方面具有突出優(yōu)勢(shì)的Windows Media技術(shù)傳送實(shí)時(shí)觀測視頻。

Windows Media Encoder運(yùn)行在前沿控制機(jī)上，把采集的視頻流通過HTTP協(xié)議以推傳遞的方式［6］推送給運(yùn)行在本地服務(wù)器上的Windows Media Server［7］，并在本地服務(wù)器上建立一個(gè)廣播發(fā)布點(diǎn)。然后，Windows Media Server再以實(shí)時(shí)流協(xié)議(RTSP)［6］將視頻流信息以廣播的方式［7］傳送給客戶端。這時(shí)遠(yuǎn)程用戶通過遠(yuǎn)程控制界面調(diào)出Windows Media Player播放器即可查看實(shí)時(shí)觀測視頻。

2010年12月7日到2010年12月10日對(duì)望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行了測試，使用IE瀏覽器、Netscape或者Firefox均能打開遠(yuǎn)程控制界面，在測試期間未出現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡指向命令和狀態(tài)信息丟失的情況，不過數(shù)據(jù)信息傳送存在數(shù)秒的延遲，視頻信息在傳輸過程中也存在著一段時(shí)間的延遲，由于望遠(yuǎn)鏡控制軟件設(shè)置了軟保護(hù)，因此命令信息和視頻傳送的延遲不會(huì)對(duì)望遠(yuǎn)鏡的安全造成影響。

3 總結(jié)和展望

“天文觀測科學(xué)實(shí)踐中心”網(wǎng)站于2010年1月開通，并于2011年4月26日順利通過項(xiàng)目驗(yàn)收，在此期間網(wǎng)站的平均日頁面瀏覽數(shù)為305頁，總頁面瀏覽數(shù)超過14萬頁，其中最高峰的一天達(dá)1 515頁。網(wǎng)站的特色欄目“動(dòng)手看天象”也從2010年12月開始每月為用戶提供4天左右的觀測開放日，該計(jì)劃的實(shí)施在一定程度上增大了天文科普的宣傳面，使那些對(duì)天文觀測感興趣但未能提交合格觀測申請(qǐng)的用戶也可以體驗(yàn)到親自控制望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行天文觀測的過程。

在以后的工作中，為了更好地向公眾宣傳天文觀測知識(shí)，將在望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中增加CCD相機(jī)控制、圖像實(shí)時(shí)傳輸和圖像處理等功能，以及增加濾光片控制系統(tǒng)，使用戶可對(duì)自己拍的圖像進(jìn)行分析和處理，并可獲得彩色圖像，從而做到更好地培養(yǎng)用戶對(duì)天文觀測的興趣，以及進(jìn)一步擴(kuò)大宣傳范圍。

致謝:感謝中國科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)中心黎文和國家天文臺(tái)姜曉軍，國家天文臺(tái)興隆觀測基地陳穎為、李紅斌和肖峰，以及其他老師和同學(xué)的支持和幫助。

［1］盧曉猛，肖峰，米琳瑩，等.興隆觀測基地網(wǎng)站 ［OL］.北京:國家天文臺(tái)興隆觀測基地，2005.http://www.xinglong-naoc.org/.Lu Xiaomeng，Xiao feng，Mi Linying，et al.Website of Xinglong Observation Base ［OL］.Beijing:Xinglong Observation Base-National Astronomical Observatory of China，2005.http://www.xinglong-naoc.org/.

［2］許駿，金振宇.Windows Sockets實(shí)現(xiàn)天文終端的遠(yuǎn)程控制 ［J］.云南天文臺(tái)臺(tái)刊，2001(1):40－46.Xu Jun，Jin Zhenyu.Remote Control of Astronomical Terminals Based on WinSockets ［J］.Publications of Yunnan Observatory，2001(1):40－46.

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