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LAMOST观测控制与数据获取系统的研究

黄鲲  
【摘要】: 大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)是国际领先的光谱巡天望远镜。它的大口径和大视场使其具有很强的光谱巡天观测能力。LAMOST是一个由多个子系统组成的高度复杂的系统,它的观测行为的复杂性要求它使用观测控制系统(OCS)进行自动观测控制。OCS是LAMOST的上层控制系统软件。OCS的主要目的是管理、协调和控制各子系统行为,使整个望远镜系统有条不紊地、按计划、有步骤地进行天文观测。它将是一个通过子系统之间、运行模块之间的软硬件接口构成的多层次的、集中与分散相结合的观测控制系统。作为世界上领先的大型望远镜的控制软件,OCS自身也是一个复杂系统,且没有多少先例可循。对LAMOST观测控制的研究牵涉到软件开发、观测流程物理内容的探讨、与子系统交互、系统测试等诸方面的问题。这些问题的分析与解决不仅有助于推动LAMOST的项目工程进展,也将为LAMOST的后续工作开展留下重要的经验和资料。 LAMOST的观测控制是对各个子系统控制的集合。OCS的工作模式基于对子系统的命令控制,从中抽象出命令驱动模型,即OCS对子系统的控制是一种命令-状态反馈-命令的翻滚式过程。在这种命令驱动模型的基础上,OCS与子系统间制订了命令的接收/拒绝协议和命令的执行反馈协议。前者用于和子系统的控制对话,后者用于对子系统的执行状态做出有效的处理。 基于软件复用和框架设计的思想,OCS采用了基于组件和模块的分布式系统设计。这使得OCS在开发和使用过程中能够具有良好的可维护性和扩展性。由于观测控制是围绕观测流程的进行和完成展开的,本文在观测流程实现的基础上,详细分析了OCS的各核心模块。 随着LAMOST工程进展,LAMOST小系统走上项目日程。本文针对小系统的特点,对OCS在小系统的应用进行了研究和分析,设计和开发了用户界面。根据OCS即将投入实际联调和软件开发本身的需要,对OCS-2.30版进行了系统和全面的测试工作。同时对OCS参与小系统的实际联调测试作出计划和展望。 OCS对各个子系统统一管理和驱动调度,使所有子系统能够协调合作,按部就班地完成观测流程。OCS控制的子系统包括观测战略系统(SSS)、望远镜控制系统(TCS)、焦面仪器控制系统(ICS)、数据获取与在线处理系统(DHS)、气象信息系统(WIS)等。其中,DHS作为一个对观测结果在线处理和评估的数据系统,承担着对CCD数据的获取、存储和管理分析等重要任务。它从OCS接受命令,控制着各个CCD的工作行为。本文搭建了DHS的数据获取和存储模型,同时定义了其中的接口方法以及DHS的基本命令与参数,为将来DHS的完成做出了重要预研。 论文的最后在现有OCS的基础上,从分布式模型的角度和数据模式的角度分别对OCS的设计框架提出了进一步优化和改进的思路,并详细分析了其优点所在和可行性,为OCS日后的继续发展和完善打下了良好的基础。 本论文全文共七章。第一章介绍了LAMOST的项目背景和科学目标,阐述了其同时具备大口径和大视场的科学原理,提出使用观测控制系统是LAMOST进行观测的必然选择。 第二章介绍了观测控制系统OCS的系统模型和设计框架。OCS进行观测控制的主旨是控制各个子系统完成观测流程,从这一根本目的出发,抽象出OCS的命令驱动模型和分布式系统框架。最后简单介绍了OCS体系结构所采用的CORBA规范和OCS的开发环境,以及OCS与子系统之间的接口协议。 第三章主要讲述OCS各核心模块,包括命令执行器、消息总线和各子系统代理等组件。围绕它们在观测流程中的作用,详细地分析了这些组件的设计原理和实现方法。 第四章以OCS-2.30版本为基础,围绕OCS在小系统上的应用介绍了所展开的一系列工作。包括观测流程控制台的设计与实现,OCS-2.30的测试以及OCS在小系统上的测试计划分析等内容。 第五章设计了DHS与CCD整个数据系统的框架模型,提出双分布式存储结构,并设计了相应的接口,定义了DHS的基本命令和参数。 第六章在现有OCS模型框架的基础上,提出了新的系统分布方案和数据模式,并对其优点和可行性作了详细分析和深入研究。 第七章总结了本论文的工作,并对LAMOST观测控制和数据获取的后续工作进行了展望,提出了一些建议。 附录收录了OCS研究和开发实现过程中的一些技术资料,主要是作者在日常工作中的翻译、整理或归纳所得。 论文最后是参考文献,在校期间发表的文章列表以及致谢部分。 本论文的创新之处主要有以下几点: 1)在前期OCS的研究和设计基础上,对OCS二级系统进行具体实现,达到了工程要求,通过了工程指挥部的测试和验收。 2)基于所实现的OCS-2.30版,对OCS在小系统的应用进行分析和探讨。首次将物理实验方法与软件工程测试相结合对OCS关键核心模块进行了多方面的测试。测试结果证明OCS不但在软件层面上能够运行LAMOST的观测流程,同时在物理性质上也满足LAMOST及其小系统的观测控制需要,确保了系统的可靠性及稳定性。 3)预研了LAMOST数据获取系统,为DHS建立了系统框架,首次在LAMOST中提出双分布数据存储模型,解决了观测流程中大批量CCD数据的并行读取、存储与发布的技术难题。


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