李琳，高玉平，蔡宏兵,2，王平利,2， 李變,2，劉娜,2，朱鴻旭

基于多臺(tái)站數(shù)字天頂筒的UT1測(cè)量系統(tǒng)

李琳1,2,3，高玉平1,2,3，蔡宏兵1,2，王平利1,2， 李變1,2，劉娜1,2，朱鴻旭1,2,3

（1. 中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

針對(duì)現(xiàn)階段世界時(shí)實(shí)時(shí)性要求越來越高的問題，結(jié)合天頂筒的觀測(cè)特點(diǎn)，初步設(shè)計(jì)并建立了以麗江、德令哈、洛南為3個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)，和以臨潼為數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)字天頂筒遠(yuǎn)程觀測(cè)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的光學(xué)UT1測(cè)量系統(tǒng)相比，該觀測(cè)系統(tǒng)具有無人值守、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)觀測(cè)、在線處理和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，能夠滿足我國世界時(shí)的測(cè)量需求。

世界時(shí)；天頂筒；觀測(cè)系統(tǒng)

0 引言

世界時(shí)（UT1）是以地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為參考的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)，對(duì)于一切需要在國際地球參考系和國際天球參考系之間建立關(guān)系的問題[1]，以及協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）產(chǎn)生，是不可缺少的。目前我國在UT1測(cè)量方面過度依賴于國際地球自轉(zhuǎn)與參考系服務(wù)（IERS），沒有自主的UT1測(cè)量與服務(wù)系統(tǒng)[2]。但隨著我國現(xiàn)代空間導(dǎo)航和深空探測(cè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)UT1的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提出了越來越高的要求，很多情況下甚至需要實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的UT1，這是國際服務(wù)不能完全保障的。為滿足我國UT1自主測(cè)量的需求，有必要建設(shè)我國自主的UT1測(cè)量與服務(wù)系統(tǒng)。

2017年中國科學(xué)院國家授時(shí)中心利用數(shù)字天頂筒初步建立了UT1自主觀測(cè)系統(tǒng)。鑒于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)觀測(cè)環(huán)境要求較高，觀測(cè)地應(yīng)盡量遠(yuǎn)離光污染嚴(yán)重的市區(qū)，派專人值守成本較高，特此設(shè)計(jì)了具有無人值守、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)觀測(cè)、在線處理和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸功能的遠(yuǎn)程觀測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了現(xiàn)代通訊和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，與傳統(tǒng)光學(xué)天文觀測(cè)相比，避免了人為誤差，提高了觀測(cè)效率。

1 天頂筒測(cè)量UT1原理

天頂筒作為一種光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，有其獨(dú)特的工作模式。要利用天頂筒進(jìn)行世界時(shí)測(cè)量，需要了解它的觀測(cè)原理。在綜合考慮天頂筒觀測(cè)特點(diǎn)、世界時(shí)觀測(cè)需求的基礎(chǔ)上，為保證觀測(cè)的穩(wěn)定高效，提出搭建多臺(tái)站控制網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)。

1.1 UT1測(cè)量原理

世界時(shí)，又叫格林尼治平太陽時(shí)[3]。它作為全球通用民用時(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，以地球自轉(zhuǎn)為參考。但由于地球自轉(zhuǎn)速率受到潮汐、洋流、大氣等的影響[4]，使其變化速率不均勻，無法通過模型進(jìn)行長(zhǎng)期高精度的預(yù)報(bào)，只能由觀測(cè)獲得的恒星時(shí)解算而來[5-6]。如下式（1）為世界時(shí)與恒星時(shí)的關(guān)系：

1.2 天頂筒測(cè)量原理和特點(diǎn)

數(shù)字天頂筒是在經(jīng)典天頂筒基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的，主要由鏡筒、水平儀、CCD相機(jī)組成。相比于經(jīng)典天頂筒望遠(yuǎn)鏡，它將原本的水銀盤面改進(jìn)為平面反射鏡，減小了定期清洗更換水銀的環(huán)境污染和對(duì)人體的損傷。將原本的底片式相機(jī)改進(jìn)為CCD相機(jī)，消除了人差的影響，且CCD成像不同于傳統(tǒng)的目視測(cè)量，它利用圖像識(shí)別技術(shù)，同時(shí)可觀測(cè)到多顆星，極大提高了觀測(cè)效率與觀測(cè)質(zhì)量[9-10]。

數(shù)字天頂筒只觀測(cè)天頂位置附近天區(qū)，大氣折射的影響可以忽略，并采用以0°和180°交替轉(zhuǎn)身曝光的觀測(cè)模式，消除了準(zhǔn)直差的影響。它作為一種光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，也遵循一般光學(xué)設(shè)備的觀測(cè)流程。這類設(shè)備對(duì)天氣、周圍背景環(huán)境等要求較高，且對(duì)世界時(shí)的需求，必須以長(zhǎng)期的日?？茖W(xué)觀測(cè)為基礎(chǔ)。人工觀測(cè)就會(huì)帶來很多局限性，比如觀測(cè)成本高、對(duì)外站的后勤保障有一定要求等。因此，考慮以遠(yuǎn)程控制的方式達(dá)到該觀測(cè)目的。

然而，現(xiàn)今的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)程觀測(cè)主要以單臺(tái)站居多，這些觀測(cè)系統(tǒng)一般都是半自動(dòng)化的，需要人工值守、手動(dòng)設(shè)備加電等，且觀測(cè)的數(shù)據(jù)圖像通常會(huì)下載到觀測(cè)者本地再進(jìn)行處理。此外，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，都需要提前散熱、天氣監(jiān)測(cè)等操作，這對(duì)現(xiàn)今大多數(shù)的單臺(tái)站光學(xué)望遠(yuǎn)鏡難度不大，但對(duì)組網(wǎng)的天頂筒觀測(cè)系統(tǒng)就變得十分困難。觀測(cè)任務(wù)會(huì)隨著觀測(cè)臺(tái)站的增多急劇增長(zhǎng)，觀測(cè)圖像本地回傳的網(wǎng)絡(luò)壓力也使其變得無法實(shí)現(xiàn)。且對(duì)于天頂筒觀測(cè)系統(tǒng)，后期會(huì)有擴(kuò)展站點(diǎn)的需求。因此，設(shè)計(jì)并建立一套可供擴(kuò)展、自動(dòng)化程度高的觀測(cè)系統(tǒng)，就顯得十分必要。

2 天頂筒測(cè)量系統(tǒng)

為了使觀測(cè)站點(diǎn)選取盡量避免時(shí)間和空間的束縛，需將整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)連接的遠(yuǎn)程控制方式?？紤]到光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)特點(diǎn)，以及天頂筒觀測(cè)站點(diǎn)的特殊性，整個(gè)系統(tǒng)主要可分為三大部分：觀測(cè)子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)及傳輸與處理子系統(tǒng)[11]。各部分關(guān)系如圖1所示。控制子系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)觀測(cè)過程和觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；觀測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)行天頂筒的拍照觀測(cè)；傳輸與處理子系統(tǒng)則利用控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸匯集，以便于數(shù)據(jù)的解算與分析。

圖1 觀測(cè)系統(tǒng)組成框圖

2.1 觀測(cè)子系統(tǒng)

觀測(cè)子系統(tǒng)主要由天頂筒望遠(yuǎn)鏡、觀測(cè)圓頂及工控機(jī)組成，如圖2所示。其中，天頂筒望遠(yuǎn)鏡對(duì)天體進(jìn)行拍照觀測(cè)，并將觀測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)輸出到工控機(jī)端；工控機(jī)起到暫時(shí)存儲(chǔ)觀測(cè)圖像數(shù)據(jù)的作用；觀測(cè)圓頂則起到保護(hù)望遠(yuǎn)鏡及工控機(jī)等圓頂內(nèi)的控制設(shè)備不受外部環(huán)境條件影響的作用。

圖2 觀測(cè)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制子系統(tǒng)

控制子系統(tǒng)主要包括遠(yuǎn)程控制服務(wù)器、交換機(jī)、工控機(jī)、智能控制單元（PDU）、數(shù)字式攝像機(jī)及望遠(yuǎn)鏡控制箱等部分，其連接關(guān)系如圖3所示。

圖3 控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，遠(yuǎn)程控制服務(wù)器起到連接整體網(wǎng)絡(luò)、方便遠(yuǎn)程控制的作用。它通過交換機(jī)分別連接到工控機(jī)、PDU和數(shù)字式攝像機(jī)3個(gè)設(shè)備。其中，PDU通過其對(duì)望遠(yuǎn)鏡及控制箱等設(shè)備進(jìn)行電源控制，以防止觀測(cè)及控制設(shè)備由于長(zhǎng)期處于待機(jī)狀態(tài)而產(chǎn)生元器件老化等不必要的損耗；數(shù)字式攝像機(jī)可對(duì)觀測(cè)圓頂?shù)沫h(huán)境情況及望遠(yuǎn)鏡運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，作為觀測(cè)運(yùn)行過程的參考，實(shí)現(xiàn)整個(gè)觀測(cè)過程的閉環(huán)可控；工控機(jī)則又分別連接至望遠(yuǎn)鏡控制箱和觀測(cè)圓頂，一方面通過對(duì)望遠(yuǎn)鏡控制箱的控制，得到望遠(yuǎn)鏡的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，并可基于此對(duì)天頂筒望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，另一方面通過串口連接至觀測(cè)圓頂，以進(jìn)行圓頂?shù)拈_關(guān)控制。

2.3 傳輸與處理子系統(tǒng)

傳輸與處理子系統(tǒng)的構(gòu)成如圖4所示，主要包括工控機(jī)、遠(yuǎn)程控制服務(wù)器、磁盤陣列和臨潼數(shù)據(jù)處理中心的服務(wù)器。天頂筒觀測(cè)得到的圖像文件會(huì)首先呈現(xiàn)在工控機(jī)端。由于觀測(cè)數(shù)據(jù)量巨大，工控機(jī)的硬件條件有限，需將圖像文件通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制服務(wù)器端進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理。

遠(yuǎn)程控制服務(wù)器分別連接到互聯(lián)網(wǎng)、磁盤陣列和工控機(jī)。它通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，將觀測(cè)數(shù)據(jù)從工控機(jī)端取出，并存儲(chǔ)于磁盤陣列上。在此基礎(chǔ)上，可用相應(yīng)數(shù)據(jù)處理軟件處理得到UT0的中間結(jié)果，并傳回臨潼數(shù)據(jù)處理中心服務(wù)器端，再進(jìn)行統(tǒng)一分析處理得到最終的UT1。這樣做可減少大量觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸回?cái)?shù)據(jù)處理中心服務(wù)器的時(shí)間，并保存了觀測(cè)數(shù)據(jù)，以利于歷史數(shù)據(jù)的分析與核查。

圖4 傳輸與處理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)際搭建運(yùn)行

按照前述的設(shè)備連接，國家授時(shí)中心于2017年初步建成天頂筒UT1遠(yuǎn)程控制觀測(cè)系統(tǒng)?，F(xiàn)今已成功搭建臨潼數(shù)據(jù)處理中心，及麗江、德令哈、洛南3個(gè)外站觀測(cè)站點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了調(diào)試運(yùn)行，以下是詳細(xì)的運(yùn)行測(cè)試情況。

3.1 測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行情況

整個(gè)系統(tǒng)中的控制過程，主要是以Windows自帶的遠(yuǎn)程桌面軟件和Teamviewer軟件，以及各設(shè)備自帶的上位機(jī)軟件配合完成。數(shù)據(jù)傳輸過程則使用FTP文件傳輸協(xié)議得以實(shí)現(xiàn)。加入編寫的控制軟件程序后，整個(gè)觀測(cè)過程實(shí)現(xiàn)了完全的遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

觀測(cè)時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程登陸到遠(yuǎn)程控制服務(wù)器，打開觀測(cè)系統(tǒng)控制程序。程序會(huì)通過對(duì)站點(diǎn)外置的實(shí)時(shí)相機(jī)進(jìn)行圖像識(shí)別，自動(dòng)判斷并反饋觀測(cè)指示，同時(shí)記錄于遠(yuǎn)程控制服務(wù)器端，以作為觀測(cè)日志的記錄。在該服務(wù)器端用PDU對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行上電操作，再通過網(wǎng)絡(luò)登陸到工控機(jī)，在工控機(jī)端利用相應(yīng)軟件打開圓頂及天頂筒觀測(cè)控制軟件，設(shè)定望遠(yuǎn)鏡定時(shí)啟動(dòng)觀測(cè)，以便于設(shè)備觀測(cè)時(shí)刻前的散熱。定時(shí)時(shí)刻到后，設(shè)備會(huì)自動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在工控機(jī)端。圖6所示為網(wǎng)絡(luò)控制圓頂天窗打開狀態(tài)圖。通過這種設(shè)計(jì)模式，單臺(tái)站的觀測(cè)任務(wù)，人工控制時(shí)間不超過5 min，單人多臺(tái)站的觀測(cè)得以實(shí)現(xiàn)。

圖6 圓頂開啟狀態(tài)實(shí)物圖

數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需將觀測(cè)數(shù)據(jù)通過內(nèi)網(wǎng)，從工控機(jī)端傳送至遠(yuǎn)程控制服務(wù)器端的磁盤陣列中進(jìn)行存儲(chǔ)，并在該服務(wù)器端利用處理軟件進(jìn)行處理。隨后將各個(gè)站點(diǎn)的文件集中下載傳輸回至臨潼數(shù)據(jù)處理中心服務(wù)器，進(jìn)行整合。經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)，每晚單臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)大約為12 GB，通過這種處理方法，可將單臺(tái)站傳回?cái)?shù)據(jù)量縮減至1 MB以內(nèi)，傳輸時(shí)間由單站4 h縮短為不到1 min，可極大縮減分析解算世界時(shí)的時(shí)間，滿足了世界時(shí)實(shí)時(shí)性的需求。

3.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全

觀測(cè)系統(tǒng)建立初期，德令哈站點(diǎn)曾受到勒索病毒的攻擊，導(dǎo)致了系統(tǒng)癱瘓、數(shù)據(jù)丟失等一系列問題。因此，網(wǎng)絡(luò)安全問題便成為整個(gè)控制系統(tǒng)中不可忽視的一部分[12]。考慮到外網(wǎng)直接連接在遠(yuǎn)程控制服務(wù)器端，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)并不易被攻擊者分析透徹，為了降低風(fēng)險(xiǎn)，做出如下防護(hù)措施：

① 對(duì)遠(yuǎn)程登錄的端口號(hào)進(jìn)行更改。系統(tǒng)默認(rèn)用于遠(yuǎn)程控制的8080端口存在安全隱患，較容易受到攻擊。對(duì)端口號(hào)進(jìn)行修改，可使遠(yuǎn)程控制端口不易被發(fā)現(xiàn)；

② 對(duì)登錄用戶信息進(jìn)行更改。黑客登錄都會(huì)首先嘗試常用用戶名和密碼，針對(duì)此問題，另行設(shè)立兩個(gè)最高權(quán)限的登錄賬號(hào)，再將默認(rèn)用戶Administrator權(quán)限降到最低，這樣即使攻擊者花較長(zhǎng)時(shí)間攻擊，卻沒有權(quán)限進(jìn)行大規(guī)模破壞。設(shè)立兩個(gè)最高權(quán)限的用戶，可以互為備份，降低遠(yuǎn)程登錄連接錯(cuò)誤和賬戶未響應(yīng)等風(fēng)險(xiǎn)；

③ 對(duì)上述②創(chuàng)建的登錄賬號(hào)設(shè)置復(fù)雜密碼。將密碼設(shè)置的盡量復(fù)雜，包含大小寫、數(shù)字、特殊字符等內(nèi)容，可以極大加大破解難度，提高破解時(shí)間；

④ 在遠(yuǎn)程控制服務(wù)器端安裝“安全狗”防護(hù)軟件?！鞍踩贰弊鳛橐豢蠲赓M(fèi)的云安全服務(wù)軟件，能夠從軟件端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管和防護(hù)，極大降低了被重復(fù)攻擊嘗試的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)每個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行上述安全防護(hù)設(shè)置后，天頂筒UT1測(cè)量系統(tǒng)自2017年11月到2018年6月已成功運(yùn)行8個(gè)月，期間各觀測(cè)站點(diǎn)正常運(yùn)行。

4 結(jié)語

本文在綜合考慮天頂筒觀測(cè)條件及特點(diǎn)、世界時(shí)觀測(cè)需求等的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了可擴(kuò)展的數(shù)字式天頂筒多臺(tái)站組網(wǎng)觀測(cè)系統(tǒng)，從控制、觀測(cè)、傳輸與處理子系統(tǒng)3個(gè)方面，進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。在UT1測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際搭建完成的基礎(chǔ)上，對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全措施進(jìn)行了簡(jiǎn)要說明。

無人值守的實(shí)現(xiàn)，使每個(gè)晴夜的平均觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)可達(dá)10 h，獲得約600~1 000幅觀測(cè)圖像，與人工觀測(cè)相比，積累了更長(zhǎng)時(shí)段的觀測(cè)數(shù)據(jù)，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選與時(shí)段分析。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高可擴(kuò)展性，為后期擴(kuò)充站點(diǎn)提供了大量便利。遠(yuǎn)程控制觀測(cè)系統(tǒng)的完成，實(shí)現(xiàn)了單人在室內(nèi)多站點(diǎn)的觀測(cè)可能，極大降低了人員的疲勞損耗。后期會(huì)加入實(shí)時(shí)的圖像檢測(cè)及控制程序，以實(shí)現(xiàn)天氣不穩(wěn)定自動(dòng)關(guān)閉圓頂?shù)墓δ?，提高觀測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

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UT1 measurement system based on multi-station digitalzenith tube

LI Lin1,2,3, GAO Yu-ping1,2,3, CAI Hong-bing1,2, WANG Ping-li1,2, LI Bian1,2, LIU Na1,2, ZHU Hong-xu1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In order to satisfy the increasing needs of the Universal Time of self-measurement, a digital zenith telescope Universal Time observation system, with Lijiang, Delingha and Luonan stations and Lintong data processing center, was designed and established. Compared with the traditional optical UT1 measurement system, the digital system has the characteristics of unattended, remote control, automatic observation, online processing and real-time data transmission, which can meet China’s measurement requirements of the Universal Time.

Universal Time; zenith tube; observation system

10.13875/j.issn.1674-0637.2019-03-0233-07

2019-01-22；

2019-03-23

國家自然科學(xué)基金“精密測(cè)量物理”重大研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（91736207）

李琳，男，碩士，主要從事世界時(shí)測(cè)量方法研究。