王　維，毛銀盾，陳國平，張永帥，于　涌，羅　浩

(中國科學(xué)院上海天文臺，上海　200030)

在望遠(yuǎn)鏡控制軟件系統(tǒng)中，天文公共對象模型(Astronomy Common Object Model, ASCOM)平臺和遠(yuǎn)程望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)第2版(Remote Telescope System 2nd Version, RTS2)平臺具有很強(qiáng)的通用性與可擴(kuò)展性，它們?yōu)樘煳挠^測設(shè)備提供了接口標(biāo)準(zhǔn)，其中前者基于Windows操作系統(tǒng)，后者基于Linux操作系統(tǒng)，目前兩者在通用望遠(yuǎn)鏡控制上的應(yīng)用比較廣泛。

天文公共對象模型是一個免費(fèi)開源的天文接口標(biāo)準(zhǔn)，它在天文觀測設(shè)備與應(yīng)用軟件之間引入驅(qū)動層，為應(yīng)用軟件與天文觀測設(shè)備之間提供了一個免費(fèi)互通的中間橋梁，設(shè)備廠商只需要提供符合ASCOM標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動程序，應(yīng)用軟件也只需要針對ASCOM進(jìn)行操作，無需考慮不同廠商、不同設(shè)備類型的特殊性。由于ASCOM采用了組件對象模型(Component Object Model, COM)，極大提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和兼容性，便于望遠(yuǎn)鏡的遠(yuǎn)程操作和實(shí)時(shí)控制[1-2]。遠(yuǎn)程望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)第2版是一套開源的天文觀測管理系統(tǒng)，基于Linux平臺，采用C/C++語言開發(fā)，由于模塊化的組件開發(fā)技術(shù)，使它具有可移植性，圍繞即插即用的設(shè)計(jì)思想，要求每個模塊和組件可以隨時(shí)進(jìn)入工作或退出，同時(shí)不影響系統(tǒng)的整體性能，特別是在有部分代碼出錯，任務(wù)無法繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，不會造成系統(tǒng)崩潰[3-4]。

FocusGEO是新一代地球同步軌道(Geosynchronous Orbit, GEO)動態(tài)監(jiān)視光學(xué)系統(tǒng)的簡稱，由中國科學(xué)院上海天文臺研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)兩年自行研制完成。望遠(yuǎn)鏡采用單機(jī)架三鏡筒赤道式結(jié)構(gòu)(見圖1)，在軟件系統(tǒng)的支持下對臺站上空地球同步軌道帶反復(fù)掃描觀測，實(shí)現(xiàn)對地球同步軌道空間目標(biāo)編目管理和空間事件監(jiān)測。由于FocusGEO有許多特殊的硬件設(shè)備，這些設(shè)備缺乏標(biāo)準(zhǔn)的硬件底層驅(qū)動，同時(shí)運(yùn)行環(huán)境決定了驅(qū)動層和應(yīng)用層需要分別放置在不同的電腦上，因此無法像常規(guī)天文望遠(yuǎn)鏡一樣，設(shè)計(jì)開發(fā)基于RTS2或ASCOM的全自動軟件系統(tǒng)。需要從最底層開始設(shè)計(jì)，采用合適的網(wǎng)絡(luò)通信，自行設(shè)計(jì)開發(fā)一套基于Windows環(huán)境的軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡自動觀測、資料實(shí)時(shí)處理、數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)管理等過程。

FocusGEO軟件系統(tǒng)包括望遠(yuǎn)鏡控制軟件、CCD相機(jī)控制軟件、主控軟件、預(yù)處理軟件、地球同步軌道衛(wèi)星量度坐標(biāo)預(yù)報(bào)軟件和圖像壓縮及傳輸軟件共6部分。主控軟件與各設(shè)備驅(qū)動軟件采用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(User Datagram Protocol, UDP)進(jìn)行通信，同時(shí)獲取IP監(jiān)控?cái)z像頭的視頻流數(shù)據(jù)，監(jiān)控望遠(yuǎn)鏡運(yùn)動情況。圖像壓縮及傳輸軟件實(shí)時(shí)進(jìn)行圖像壓縮及格式轉(zhuǎn)換，利用文件傳輸協(xié)議(File Transfer Protocol, FTP)將圖像和預(yù)處理結(jié)果主動推送至遠(yuǎn)端服務(wù)器，并即時(shí)統(tǒng)一錄入到甲骨文(Oracle)數(shù)據(jù)庫[4](圖2)。相較通常的望遠(yuǎn)鏡控制軟件僅服務(wù)于觀測的功能，我們的軟件系統(tǒng)集成了多核并行預(yù)處理、圖像實(shí)時(shí)壓縮及傳輸、資料入庫等功能，功能更加完備，自動化程度更高。

圖1FocusGEO望遠(yuǎn)鏡
Fig.1FocusGEO Telescope

圖2FocusGEO軟件系統(tǒng)框架圖
Fig.2The block diagram of FocusGEO software

望遠(yuǎn)鏡控制軟件和CCD相機(jī)控制軟件的功能相對單一，本文不再贅述其詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程。本文將對其余4部分軟件展開詳細(xì)描述，尤其是與觀測人員直接進(jìn)行人機(jī)交互的主控軟件。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1　需求分析

系統(tǒng)軟件是實(shí)現(xiàn)FocusGEO高效準(zhǔn)確運(yùn)行的關(guān)鍵因素，需要滿足下面幾方面的重要要求：

(1)自動化程度要求高。

要實(shí)現(xiàn)FocusGEO對臺站上空地球同步軌道帶反復(fù)掃描觀測、數(shù)據(jù)預(yù)處理、圖像壓縮與數(shù)據(jù)傳輸?shù)热^程操作，高度自動化是對系統(tǒng)軟件的必然要求，以盡可能減少人工干預(yù)的頻次[5]。

(2)時(shí)序要求嚴(yán)。

采用圖像采集與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理并行工作的方法，確保所有進(jìn)程在時(shí)間上不發(fā)生沖突，除了嚴(yán)格計(jì)算每一個天區(qū)的觀測耗時(shí)、望遠(yuǎn)鏡每一次擺位耗時(shí)和每一次數(shù)據(jù)處理耗時(shí)等，還要設(shè)計(jì)嚴(yán)格的數(shù)據(jù)流向和時(shí)序關(guān)系。同時(shí)為了有效減少數(shù)據(jù)預(yù)處理耗時(shí)，采用多核并行處理的方式。

(3)魯棒性要求強(qiáng)。

多個端口同時(shí)監(jiān)聽用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議消息，避免端口收發(fā)指令時(shí)發(fā)生沖突，并且本軟件的UDP通信與FTP傳輸通信同時(shí)工作，做到各個通信線程互不干擾。對用戶的每一步操作都要進(jìn)行校驗(yàn)，避免用戶操作不當(dāng)導(dǎo)致的系統(tǒng)異?；虮罎?。主控軟件需要與望遠(yuǎn)鏡軟件、CCD相機(jī)軟件和預(yù)處理軟件同時(shí)通信，端口號一一對應(yīng)，不能錯發(fā)指令，指令的格式需要提前確認(rèn)，并對接收到的指令進(jìn)行格式校驗(yàn)，排除錯誤的消息。

(4)人機(jī)交互友好。

交互界面要做到簡潔直觀，軟件的交互需要提供最明確的需求，可以使用戶快速操作，即使不熟悉系統(tǒng)，也能快速操作[5-6]。

1.2　系統(tǒng)功能

根據(jù)上述需求，除了望遠(yuǎn)鏡控制和CCD相機(jī)控制軟件以外，軟件系統(tǒng)還包括任務(wù)解析控制、工況信息處理、圖像壓縮與傳輸、數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)入庫共5個模塊或軟件，功能如下：

(1)任務(wù)解析控制

解析任務(wù)計(jì)劃的點(diǎn)位信息，發(fā)送時(shí)角、赤緯等位置參數(shù)給望遠(yuǎn)鏡軟件，控制望遠(yuǎn)鏡擺位、相機(jī)曝光，執(zhí)行觀測任務(wù)。

(2)工況信息處理

即時(shí)處理前端觀測設(shè)備的工況信息，處理過程包括工況信息獲取、顯示與傳輸?shù)龋约案鶕?jù)即時(shí)工況信息提供設(shè)備故障報(bào)警功能。

(3)圖像壓縮與傳輸

監(jiān)控CCD相機(jī)拍攝的FITS(Flexible Image Transport System)圖像，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為JPG格式，同時(shí)主動將壓縮圖像推送到服務(wù)器。

(4)數(shù)據(jù)預(yù)處理

接收主控軟件發(fā)送的啟動預(yù)處理的命令，在望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行下一個天區(qū)觀測的同時(shí)進(jìn)行圖像處理，在下一個天區(qū)拍攝完成之前數(shù)據(jù)處理結(jié)束。

(5)數(shù)據(jù)入庫

該模塊在遠(yuǎn)程服務(wù)器終端運(yùn)行，其作用是建立Oracle數(shù)據(jù)庫，接收FTP傳輸?shù)奶幚頂?shù)據(jù)文件，做到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)入庫。

1.3　系統(tǒng)流程

FocusGEO正式運(yùn)行前，需先把主控軟件、望遠(yuǎn)鏡控制軟件和CCD相機(jī)控制軟件的IP地址以及端口號按照既定規(guī)則正確配置，保證UDP消息收發(fā)正常，并在服務(wù)器終端開啟FTP服務(wù)器，確保觀測圖像和數(shù)據(jù)處理結(jié)果的流程正常運(yùn)行。

正常工作時(shí)，主控軟件根據(jù)任務(wù)計(jì)劃發(fā)送UDP消息給望遠(yuǎn)鏡控制軟件，望遠(yuǎn)鏡擺位到第1個天區(qū)，確認(rèn)望遠(yuǎn)鏡到位后，CCD相機(jī)按預(yù)先設(shè)置的模式(包括曝光時(shí)間和拍攝幀數(shù))采集圖像，采集過程中，圖像轉(zhuǎn)換與FTP傳輸模塊監(jiān)控新生成的FITS圖像并轉(zhuǎn)換成JPG格式，通過FTP傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器端。圖像采集結(jié)束后，CCD相機(jī)軟件發(fā)送拍攝結(jié)束的消息指令給主控軟件，系統(tǒng)開始下一個天區(qū)的觀測，與此同時(shí)，調(diào)用數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊開始執(zhí)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并行的工作方式大大縮減了工作時(shí)間，預(yù)處理結(jié)束后主動通過FTP將處理結(jié)果傳輸遠(yuǎn)程服務(wù)器端并立即入庫管理。整體執(zhí)行流程如圖3。

圖3FocusGEO軟件系統(tǒng)整體流程
Fig.3The flowchart of FocusGEO software

2　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)采用C#語言作為編程語言，開發(fā)平臺為Visual Studio 2012，開發(fā)環(huán)境為.NET Framework 4.5框架。

主控軟件包含兩部分：(1)圖形用戶界面，實(shí)現(xiàn)與用戶的人機(jī)交互；(2)UDP控制端口，通過UDP集成控制望遠(yuǎn)鏡、CCD相機(jī)和圓頂?shù)仍O(shè)備。圖4為主控軟件工作狀態(tài)圖，點(diǎn)開始觀測按鈕后，自動執(zhí)行任務(wù)計(jì)劃，給望遠(yuǎn)鏡和CCD相機(jī)發(fā)送設(shè)備觀測參數(shù)指令，并判斷接收的望遠(yuǎn)鏡和相機(jī)反饋狀態(tài)消息進(jìn)行下一步操作，實(shí)現(xiàn)自動化觀測。由于設(shè)備故障是望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)運(yùn)行不可避免的問題，為了增加系統(tǒng)的可靠性，圖形用戶界面提供了工況信息模塊，實(shí)時(shí)顯示望遠(yuǎn)鏡、CCD相機(jī)和時(shí)間終端時(shí)統(tǒng)的狀態(tài)信息，工況信息的狀態(tài)欄中都有設(shè)備故障報(bào)警功能[7]。

在局域網(wǎng)內(nèi)，針對本項(xiàng)目發(fā)送頻率低、報(bào)文很小的情況，同時(shí)又需要與6個網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行通信的特點(diǎn)，經(jīng)過認(rèn)真分析和比較UDP和TCP通信的優(yōu)劣，最終選擇UDP協(xié)議通訊，因?yàn)閁DP消耗資源少，響應(yīng)迅速，靈活性強(qiáng)且無需像TCP那樣建立連接消耗很長的時(shí)間。當(dāng)然UDP協(xié)議通訊存在一個固有的問題：當(dāng)發(fā)送頻率過高、報(bào)文過大時(shí)容易丟包。為此通過設(shè)置丟包重發(fā)機(jī)制和超時(shí)機(jī)制避免了上述問題，事實(shí)證明非常有效。為了避免主控軟件多個端口同時(shí)接收消息時(shí)發(fā)生沖突，同時(shí)監(jiān)聽多個網(wǎng)絡(luò)端口，采用委托的方式處理接收的UDP消息，當(dāng)某個端口接收消息后會觸發(fā)與該端口對應(yīng)的事件，并使用Dispatcher.BeginInvoke函數(shù)異步執(zhí)行觸發(fā)的事件，確保程序的主線程正常工作不受干擾。實(shí)現(xiàn)流程見圖5[8]。

圖4主控軟件工作狀態(tài)界面
Fig.4The screenshot of working status of the master software

圖5　UDP監(jiān)聽模塊流程圖Fig.5　The flowchart of UDP listening

CCD相機(jī)采集數(shù)據(jù)過程中，圖像壓縮與傳輸軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控FITS文件的創(chuàng)建并進(jìn)行壓縮轉(zhuǎn)換，軟件采用FileSystemWatcher類監(jiān)測D:DATA文件夾內(nèi).fit后綴文件的創(chuàng)建，當(dāng)有圖像創(chuàng)建后觸發(fā)FileSystemEventHandler事件，事件中執(zhí)行圖像壓縮及轉(zhuǎn)換圖像格式的委托函數(shù),委托函數(shù)需新建一個EncoderParameter類的實(shí)例對象配置圖像質(zhì)量比。在確保大屏幕(分辨率1 920 × 1 080)能清晰顯示的前提下，同時(shí)滿足FTP快速傳輸?shù)囊螅?jīng)反復(fù)測試選擇85%的圖像質(zhì)量比最為合適 ，該參數(shù)下一幅5 M的FITS圖像壓縮成JPG格式后大小為400 K左右，壓縮比約為10∶1。壓縮后的JPG圖像通過FTP推送到遠(yuǎn)程服務(wù)器端，并將12個天區(qū)的圖像顯示到大屏幕上，同時(shí)數(shù)據(jù)立即錄入Oracle數(shù)據(jù)庫。觀測圖像監(jiān)測、壓縮和傳輸流程見圖6。

圖6圖像監(jiān)測、壓縮與傳輸流程圖
Fig.6The flowchart of images monitoring, compression and transmission

Oracle在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，是目前世界上流行的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，系統(tǒng)可移植性好、使用方便、功能強(qiáng)，適用于各類微機(jī)環(huán)境。使用C#語言開發(fā)的應(yīng)用程序可以很方便地應(yīng)用Oracle數(shù)據(jù)庫，C#語言與Oracle數(shù)據(jù)庫之間的接口是指對Oracle數(shù)據(jù)表的調(diào)用與數(shù)據(jù)更改等操作[9-10]。

.NET Framework框架包括4個數(shù)據(jù)提供者，分別用于不同的數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)，本軟件針對Oracle數(shù)據(jù)庫使用Oracle.NET數(shù)據(jù)提供者，包括了如下 5個數(shù)據(jù)庫對象：(1)數(shù)據(jù)庫連接對象OracleConnecion，是一個與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接的對象，包含與數(shù)據(jù)源創(chuàng)建連接的信息。(2)數(shù)據(jù)庫命令對象OracleCommand，用于對數(shù)據(jù)源發(fā)出命令。(3)命令構(gòu)造對象OracleCommandbuilder，用于構(gòu)建SQL命令。 (4)數(shù)據(jù)讀取對象OracleDatareader，專門用于讀取數(shù)據(jù)。(5)數(shù)據(jù)適配器對象OracleDataAdpter，取得數(shù)據(jù)并且在數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)集之間建立一座橋梁。

在程序中使用數(shù)據(jù)庫連接對象建立與數(shù)據(jù)庫的連接，實(shí)例化一個數(shù)據(jù)庫連接對象的實(shí)例對象con，連接字符串的參數(shù)在客戶端程序的名稱解析一致，使用con.Open()打開數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用數(shù)據(jù)庫命令對象發(fā)送命令，對于從數(shù)據(jù)庫中檢索數(shù)據(jù)的語句可以使用OracleDataReader指令進(jìn)行操作，更多的使用Insert操作向數(shù)據(jù)表中寫入數(shù)據(jù)。操作完成后使用con.Close()關(guān)閉數(shù)據(jù)庫[10]。

3　結(jié)束語

本文介紹了FocusGEO系統(tǒng)軟件的總體框架，采取主控軟件集成控制望遠(yuǎn)鏡和CCD相機(jī)的基本思路，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動化運(yùn)行，減輕了觀測人員的工作強(qiáng)度。截止目前，F(xiàn)ocusGEO已經(jīng)在上海天文臺佘山科技園區(qū)開始正常觀測，系統(tǒng)軟件運(yùn)行狀況良好，在系統(tǒng)軟件的支持下，F(xiàn)ocusGEO實(shí)現(xiàn)了對臺站上空地球同步軌道帶的反復(fù)掃描觀測和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，有效提高了系統(tǒng)可靠性和觀測效率。系統(tǒng)軟件全部為FocusGEO團(tuán)隊(duì)自行研發(fā)，通過該工程的實(shí)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)掌握遠(yuǎn)程控制、觀測與數(shù)據(jù)處理、圖像壓縮、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)管理等方面的關(guān)鍵技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)非通用系統(tǒng)的自動化控制提供了技術(shù)支撐。

考慮到上海的天氣不利于光學(xué)觀測，計(jì)劃近期將FocusGEO搬遷至云南天文臺麗江觀測站，利用該觀測站良好的夜天光和旱季連續(xù)觀測的條件，開展常規(guī)觀測，獲取穩(wěn)定持續(xù)的觀測數(shù)據(jù)。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)在上海通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，軟件系統(tǒng)的通信協(xié)議將升級為HTTP協(xié)議，為后續(xù)的國際觀測網(wǎng)做技術(shù)準(zhǔn)備。

致謝：感謝上海天文臺光學(xué)天文技術(shù)室參與本項(xiàng)目的部分觀測助手，他們在FocusGEO軟件系統(tǒng)的集成調(diào)試和試驗(yàn)觀測階段發(fā)現(xiàn)了不少問題，對軟件的持續(xù)改進(jìn)提供了大量有益的意見和建議。

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