摘 要：隨著時域天文觀測對超長時序、多站點多設備協調觀測需求的增長, 全自動、無人值守聯合觀測成為光學天文觀測發展的趨勢之一.觀測系統調度管理作為其中的重要組成, 在提高觀測效率, 協同多臺站多設備觀測方面發揮至關重要作用.本文簡述望遠鏡網絡調度管理的發展歷程, 總結已實現的項目基本思路和邏輯, 介紹中國SONG項目中調度管理系統的需求、設計和實現.

　　關鍵詞：天文望遠鏡; 觀測網絡; 調度管理系統;

　　《天文愛好者》(月刊)創刊于1958年，由中國天文學會;北京天文館主辦。旨在宣傳辯證唯物主義世界觀，介紹天文學基礎知識和人類認識宇宙取得的新成果，培養青少年天文愛好者的觀測實踐能力，為教學服務。刊登的內容涉及天文學史、天文學家、人造衛星和空間探測等。

　　引言地基光學天文觀測對環境有嚴格的要求.伴隨經濟發展, 人類活動造成的光污染、大氣環境污染等因素逼迫在用和新研天文設備向偏遠地區遷移.這造成觀測資源的持續分散.天文學研究尤其是時域天文學的發展對觀測資源統一使用的需求極大提高, 而當前條件下觀測資源進一步的分布散列, 這形成了尖銳矛盾.基于飛速發展的信息技術和愈加低廉的網絡資源, 程控自主天文臺 (Robotic Autonomous Observatory, 簡稱RAO) 是解決這一矛盾的技術途徑.同時, 無人值守、遠程觀測的程控自主天文臺, 在提高觀測效率和降低運行維護成本方面有著無與倫比的優勢.根據相同或相似的科學目標, 通過高速網絡連接多個獨立運行的程控自主天文臺并協同運行觀測, 就形成了程控自主天文臺網絡 (Robotic Autonomous Observatory Network, 簡稱RAON) [1,2].

　　RAO是一個數據驅動的系統.RAO系統包括設備控制、數據管理、觀測輔助、網絡通信和調度管理等5個子系統[2].這5部分中設備控制和數據管理是系統的工作基礎, 觀測輔助是系統的安全保障, 網絡通信是系統的連接紐帶.調度管理作為系統的“大腦”, 在觀測中重點關注對于符合條件的不同目標的遴選, 多設備的調度, 變化環境條件下的及時響應等至關重要的工作[3,4,5].調度管理系統是RAO系統核心利益的保障, 其工作效率高度依賴于調度算法.調度管理系統的設計和運行, 需要對臺站環境等離線數據做長時間記錄和深入分析, 并結合在線數據的及時反饋, 從而制定合理的調度策略[3].多個RAO組成的觀測網絡 (RAON) 通過調度決策系統 (dispatcher) 協調控制每個RAO的調度管理系統 (scheduler) .調度決策系統處于核心地位, 完成任務和資源分配等工作.本地調度管理系統處于從屬地位, 在保障望遠鏡及相關設備物理安全的同時完成本地設備調度工作[6].在任何情況下都要確保系統安全、自洽.

　　2 歷史與現狀2.1 國外RAON及其調度管理系統國外對于RAON的研究始于20世紀末, 主要分為兩個研究方向:一是基于已有天文望遠鏡, 通過軟件改造升級, 構建觀測網絡實現聯網觀測.在具體實施時又分為兩類技術發展方向:

　　(1) 對望遠鏡等設備控制軟件定制開發, 使其具備聯網觀測能力.

　　(2) 基于AS-COM、RTS2、INDI等中間層改造控制軟件, 借助中間層實現聯網觀測.此研究的目的是在節約改造成本和建設周期的同時, 通過實現聯網觀測挖掘已有觀測設備的潛力.但由于歷史原因, 大部分已有設備缺少必要的、可數字化監測的安全保護措施, 僅通過軟件升級難以保證無人值守的可靠性.Robo Net-II[7], HTN[8], NORT[9]等是此方向的代表性項目.二是新建RAON, 各節點使用相同或者高度一致的硬件, 通過網絡通信和軟件來調度管理整個系統, 這是目前發展的主要方向.新建RAON在設計階段就充分考慮時序觀測和無人值守需求:硬件上選擇技術成熟、可靠、具有狀態反饋的產品, 并做模塊化設計;控制邏輯簡單可行, 具有健壯性, 構建從觀測輸入到數據輸出的閉環過程;軟件上利用ASCOM、RTS2、INDI等中間層的支持, 減少開發工作量;采用硬件、軟件雙重保護, 確保系統安全.RAON是近十多年形成的時域天文學研究的低成本技術方案, 已在運行的ROTSE, Pi of the Sky, HATSouth, BOOTES, LCOGT和Saloris等項目, 以及在研的KMTNet都是其典型代表.

　　2.1.1 HATNet和HATSouth匈牙利自動望遠鏡 (HAT) 由匈牙利的一個研究小組開發完成, 其設計目標是完成北天亮變星的全自動巡天計劃.隨著工作的進展, HAT逐漸由1臺設備擴展到6臺, 并組成觀測網絡, 即HATNet.在HATNet成功的基礎上, 美國普林斯頓大學、澳大利亞國立大學、德國馬普天文研究所又共同建設HATSouth系統, 目的是用巡天方式尋找系外行星候選體.HATSouth建成于2010年, 由分布在南半球3個天文臺站的6套完全相同的望遠鏡設備構成觀測網絡.HATSouth是世界上第一個全年7×24小時對整個南半天球進行監測的自動望遠鏡網絡, 獲得了大量的科學數據.HATSouth在每個臺站部署2套觀測系統, 由本地調度管理系統控制完成巡天觀測.位于普利斯頓大學的數據中心協調三個臺站的工作狀態, 并完成觀測數據自動處理.

　　2.1.2 BOOTESBOOTES:全球γ暴與瞬變源觀測系統, 由西班牙安德魯西亞天體物理研究所發起, 包括中國科學院云南天文臺在內的多家科研院所參與了該項目的研發和運行.BOOTES項目計劃在全球安放6臺能力相同或相似的光學全自動望遠鏡, 并形成全球觀測網, 使得任何時刻至少有一臺望遠鏡可以觀測.BOOTES網絡于2015年完成, 包括5臺60cm光學望遠鏡和1臺60cm光學/紅外望遠鏡.其中BOOTES-4位于云南天文臺高美古觀測站, 2012年3月開始工作.BOOTES的運行控制軟件系統稱為RTS2 (Remote Telescope System 2nd Version, RTS2) , 是基于Linux的開源程序.RTS2覆蓋程控自主天文臺的完整流程, 包括:調度管理, 天文觀測, 數據存儲, 自動數據處理等.與虛擬天文臺 (VO) 結合, BOOTES還提供VO數據訪問方式.在未來的工作計劃中, RTS2將加入對整個RAON進行調度管理的功能.

　　2.1.3 LCOGTLCOGT (Las Cumbres Observatory Global Telescope) 是由私人基金資助的RAON項目, 目標是建立一個可同時開展科學研究和教育的全球性程控望遠鏡網絡, 為時域天文學提供更多的觀測能力.整個網絡包括南半球3個臺站和北半球5個臺站, 多臺口徑2m、1m和0.4m的程控望遠鏡以及多個類型的終端儀器.網絡中各望遠鏡采用相同的終端設備, 既可以提供測光觀測, 還提供中分辨率階梯光柵光譜和低分辨率光譜觀測.望遠鏡、圓頂、氣象站等均使用完全相同的硬件, 一周內即可完成現場安裝調試.“即插即用”的易損件在站備份, 若運行過程中出現故障, 非專業人員也可完成更換.

　　2.1.4 SolarisSolaris主要科學目標是利用掩食探測環繞雙星的行星, 是一個位于南半球的無人值守天文觀測網絡.Solaris包含4臺0.5m的望遠鏡:2臺位于南非 (Solaris-1和Solaris-2) , 1臺位于澳大利亞賽丁泉天文臺 (Solaris-3) , 1臺位于阿根廷 (Solaris-4) .每個臺站均有一臺望遠鏡配備Johnson濾光片系統做多色測光, 位于南非的兩臺望遠鏡中, 有一臺做高分辨率光譜觀測.Solaris使用相同的赤道儀、濾光片轉輪和CCD, 唯一的不同是Solaris-3使用不同的光學系統.Solaris于2013年10月落成并投入使用.在過去3年中, 共對290個目標進行觀測, 獲得超過169萬幀FITS圖像, 總數據量超過15T, 并有著大量的科學產出.

　　Solaris是第一個全自動無人值守的光學觀測網絡, 在設計上采用的容錯機制可保證觀測系統在非關鍵錯誤下持續工作, 非常有借鑒意義.以上各個系統中, HATNet工作模式是巡天觀測, 對調度管理系統要求不高, 其高度自治節點實現了長時間的正常工作;BOOTES項目開發的RTS2具備本地的調度管理功能, 支持項目獲得了可觀的科學產出, 針對RAON的網絡調度管理系統尚在開發;LCOGT的調度管理系統前期版本已經運行了近2年, 實現了迄今為止最復雜的天文望遠鏡網絡調度管理, 快速響應的伺服觀測模式是其特色;Solaris的調度管理系統已開發完成并投入運行, 對調度管理系統的可靠性研究及容錯機制對類似項目有著借鑒意義.

　　2.2 國內RAON及其調度管理系統國內天文界密切關注RAON的發展, 但對其嘗試和實施較少, 相對國外而言起步較晚.天文界積極參與各種可能的國際合作并努力尋找自主發揮的方向, 多為合作者身份參與國際合作項目, 具有代表性的是BOOTES-4和中國SONG項目.

　　2.2.1 BOOTES-42012年3月, 全球γ暴與瞬變源觀測系統第四號觀測站 (BOOTES-4) 在中國科學院云南天文臺麗江高美古觀測站投入使用.BOOTES-4采用了自主開發的RTS2軟件系統, 可為國內RAO技術的研究提供良好的學習參考.國內天文設備研制單位正在基于RTS2進行二次開發:LAMOST借助RTS2來改進觀測控制系統;云南天文臺、天文光學技術研究所基于RTS2開展大氣視寧度監測儀 (DIMM) 的自動化研究.由于RTS2開發人員變動, 基于網絡的調度管理系統研發進展落后于預期.

　　2.2.2 中國SONG項目國際SONG (Stellar Observation Network Group) 項目的科學目標是星震學時序觀測, 由丹麥奧胡斯大學發起.其設計目標是在南北半球各建立四臺配備相同終端設備的全自動高性能1米望遠鏡系統, 組成長時序視向速度聯合觀測網, 由多臺望遠鏡連續觀測以獲得不間斷的觀測數據.以中國科學院國家天文臺為首的合作單位于2009年正式加入SONG項目, 并于紫金山天文臺青海觀測站部署一個標準節點.2015年該設備完成驗收, 進入試觀測階段.在SONG項目基礎上, 中國天文學家提出了50厘米雙筒望遠鏡網絡 (50cm Binocular Network, 50Bi N) .50Bi N在SONG項目選址的優良臺址上, 安裝50cm雙筒望遠鏡, 開展大視場多色測光觀測, 其科學目標為:

　　(1) 疏散星團整體一致的多色測光巡天.

　　(2) 選源星團天區內所有時變源的長時間基線同時多色測光觀測.50Bi N原型機在紫金山天文臺青海觀測站完成安裝, 已進入科學運行階段.經過近2年的運行, 整個觀測系統的硬件、穩定性得到檢驗, 目前正在進行無人值守觀測系統開發與測試工作.在國內為數不多的望遠鏡觀測網絡中, BOOTES使用RTS2成熟本地調度管理系統, 其網絡調度管理系統正在開發中;SONG項目中, 原型機完成了軟件體系結構邏輯設計, 通信協議定義等工作, 需要進行下一步的設計和開發工作.3 SONG項目望遠鏡調度管理國際SONG項目主要的科學工作是開展星震學研究, 對于觀測目標連續觀測獲得不間斷的數據, 獲得被測目標的視向速度變化, 反演其內部的結構與演化過程.其出發點是以較小的投入, 建設全球布站的地基無人值守望遠鏡觀測網絡, 獲得高于已有空間觀測設備分辨率的觀測能力.從功能上, 國際SONG項目的觀測網絡要實現以下目標: (1) 對選定恒星進行24小時連續不斷的高分辨、高精度光譜觀測. (2) 整個觀測網絡從外部看起來是一致的觀測系統, 其對用戶透明, 觀測者僅通過Web頁面提交觀測計劃和訪問數據.

　　(3) 由位于丹麥的調度管理系統對整個網絡的觀測任務進行調度管理, 各節點具有自治觀測能力.中國SONG項目作為標準節點, 其功能需求為: (1) 接收來自中心控制節點的調度結果 (觀測任務) 進行觀測. (2) 向中心控制節點反饋觀測結果, 實時信息 (氣象、設備狀態等) , 同步觀測數據.

　　(3) 可作為獨立的臺站, 在滿足條件的情況進行無人值守觀測.研究恒星表面震動需要對觀測目標進行長時序的光譜觀測, 通常對感興趣的目標做以月為單位的持續觀測, 且整晚只對1-2個源進行觀測, 需要考慮的問題主要是限制條件 (高度角、大氣消光、月相等) 和環境因素 (降水、云量、風速、沙塵等) , 不同觀測源的切換判定等, 相對于LCOGT這類的網絡, SONG項目對調度管理系統要求的重點不同.SONG項目的系統工作模型采用了中心控制型的拓撲結構, 設計上采用分層結構.如圖1所示, 中心控制服務器作為整個系統的核心節點, 負責整個觀測網絡的調度管理, 資源分配.其他各節點包括可配置交換機、控制服務器和數據處理服務器.節點內的設備配置為內部和外部兩層虛擬局域網, 整個節點作為整體接受中心控制服務器控制.軟件從邏輯上可分為四層, 如圖2所示, 自底向上分別為:Level 4, 硬件驅動層;Level 3, 組合硬件驅動, 實現觀測設備邏輯功能的驅動;Level 2, 中間層腳本, 可根據觀測者需求編制不同策略腳本;Level 1, 處理觀測請求、系統任務、響應系統狀態變化的守護程序.

　　參考文獻[1]Genet, R.M.History of Robotic and Remotely Operated Telescopes.in Telescopes from Afar.2011.[2]崔辰州, et al..程控自主天文臺網絡的發展[J].天文學進展, 2013, 31 (2) :141-159.[3]Fraser, S.N., Adaptive optimal telescope scheduling.2012, Liverpool John Moores University.[4]Fraser, S.and I.A.Steele, Robotic telescope scheduling:the Liverpool Telescope experience.2004.5493:p.331.[5]Saunders, E.S.and S.Lampoudi.Multi-Telescope Observing:the LCOGT Network Scheduler.in Hot-Wiring Transient Universe Workshop.2013.[6]Grundahl, F., et al.Stellar Oscillations Network Group–SONG.in Journal of Physics:Conference Series.2008.IOP Publishing.[7]Tsapras, Y., et al., Robo Net-II:Follow-up observations of microlensing events with a robotic network of telescopes.Astrono