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《中国科学技术大学》 2007年
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SSS选星算法研究及小系统软件设计与实现

任间  
【摘要】: 大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)是中国天文学家根据20世纪末天文学发展的趋向,并且在工程技术上不断创新性的指导思想下,提出的一个大视场多目标光纤光谱巡天的计划。1996年国家科技领导小组在全国启动了重大科学工程计划,LAMOST在1997年由国家计划批准立项,项目于2001年8月正式开工,并预计于2008年完工。从2007年开始,在望远镜本体的机械结构完成以后,望远镜24块MA子镜和37块MB子镜分批装配,逐步调试,在逐步安装子镜的过程中,当LAMOST有效口径达到2米左右时,在焦面架上安装了一个配备了250根光纤定位系统的小焦面板,此时形成LAMOST的雏形,我们称之为“小系统”或“小LAMOST”。根据兴隆2.16m望远镜的使用经验,小系统应该能在1.5小时观测时间内记录下18~19星等天体的光谱,此时就可以开展有价值的科学观测了。 LAMOST是一种新的天文望远镜结构,称为“子午装置的卧式反射施密特望远镜系统”,它突破了长期以来天文望远镜设备的缺陷,是一台兼备大视场和大口径的光学望远镜。它选择最佳的观测时机(天体过中天时),可以同时对4000个目标进行光谱观测、有效口径达4米,视场达到20平方度。实践证明LAMOST至今仍然是当前国际上大视场多目标光纤光谱观测的最重要的一个项目。 LAMOST要求在1.5小时的积分时间内探测极限星等为20.5等。一个晚上其观测数目可能高达15,000颗,但是由于其光纤的运动范围很有限,很难保证在任何情况下,都能有很高的整体观测效率。如何在保证完成光谱巡天的有关科学目标的前提下,提高望远镜的观测效率是有待解决的难题。为了提高观测效率,必须对观测计划进行优化,LAMOST的巡天战略系统(SSS)就是为了达到此目标而设计的一个子系统。 LAMOST的巡天战略系统的目标是安排观测计划,以最优化的方式在尽可能短的时间内获得科学目标所需质量要求的观测资料,它将负责制定观测计划,决定观测时间和安排观测流程等。LAMOST一夜的观测光谱数量在1万个以上,在LAMOST建成之后数年内,将对北天区的2万平方度的10~7个目标进行巡天观测。面对如此之巨的待测天体目标,如何在尽可能短的时间内,有计划有目的的,分期分批无遗漏的对其进行观测,是摆在我们面前的极富挑战性的课题。充分利用LAMOST的观测能力有效的组织巡天观测,提高观测效率,缩短观测周期,生成科学的观测计划是SSS系统的基本设计原则。从SSS本身效率的角度,从获得可观测天区到做出当天的观测计划,其间只有短短的三十分钟,同时,在实际观测中,还存在各种意外情况的出现,例如天气的意外变化,望远镜的紧急故障,都可能使原本安排的观测计划变得不再适用,所以巡天战略系统必须具有快速应变的特性。 为了建立满足上述要求的系统,本文首先介绍了整个控制系统模型,说明了巡天战略系统的地位,然后对巡天战略系统进行了详细的需求分析,提出了巡天战略系统的设计目标,并就此提出了相应的解决方案。基于这个解决方案,确定了巡天战略系统的选星算法模型和软件功能结构定义。 巡天战略制定的前提是对望远镜在执行观测时会受到的多种约束条件进行系统分析,本文将与望远镜观测相关的各种约束条件进行了系统地分类,并为每个约束条件建立起准确有效的算法模型,同时针对每个约束条件在选星过程的影响程度进行测试,确定了约束条件的在观测计划制定流程中的可执行度。 巡天战略最关键的问题是选星算法的研究,通过对观测策略比较分析,在原有基于优先策略的“最大密度,平均分布”动态算法的基础上提出了均值漂移选星算法,并对此算法作了模拟计算,结果表明该算法可以提高望远镜的光纤利用率7%-15%,同时大大缩短了观测计划制定时间,节省了观测准备时间。 在以上理论分析及算法研究的基础上,我们运用软件工程思想进行了SSS软件的设计与实现,并针对LAMOST小系统的特点设计了一套软件供2007年下半年小系统预观测期间使用。本文介绍了SSS软件框架的设计与SSS数据库的设计,着重介绍了SSS小系统软件的设计与实现。 此外,为了尽早发现并修正软件中存在的错误和缺陷,我们对SSS软件进行了系统的测试,从而确保SSS系统在能够安全、可靠和高性能地运行。 最后,本论文还就SSS的下一步的发展方向进行了讨论。 本论文的主要创新在于: 1、首次对LAMOST望远镜观测时可能遇到的约束条件进行系统地分类,并使用天体测量理论为每种约束条件建立算法模型并进行可执行度分析。 2、首次将广泛应用于计算机图形学的均值漂移算法引入巡天战略的制定,对算法进行模拟的结果表明在原有最大密度选星算法的基础上运用均值漂移算法可以使LAMOST动态选星观测效率获得较大提高,同时计算速度也得到大幅提升。另外,该算法也对同种类型的其他多目标望远镜选星策略的制定起到一定的指导意义。 3、将软件工程思想运用到SSS软件设计与实现过程中,确保了SSS系统的可靠性及稳定性。 本论文工作于2004、2005和2006年分别通过了SSS1.10、2.00和2.10系统验收,并针对LAMOST小系统设计实现了SSS2.20级软件系统,可供2007年下半年小系统预观测期间使用,获得了中科院专家们的一致好评。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TH751;TP311.52

【引证文献】
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