面向中学生的远程望远镜系统设计*

杜竞杉，刘衍志，傅慎明，林 岚

(1. 浙江省杭州高级中学，浙江 杭州 310003；2. 浙江大学竺可桢学院，浙江 杭州 310058；3. 浙江工业大学信息工程学院，浙江 杭州 310014；4. 中国科学技术大学物理学院，安徽 合肥 230026)

目前，国内的中学天文台基本都建造在本校内，而拥有天文台的中学大多建造在大城市中，受到城市灯光和尘埃等的强烈影响[1]。我国西部地区的观测条件，如晴天数、大气质量等一般比沿海地区城市要好。新疆阿克苏市是浙江省杭州市的对口援建城市，年日照时数达到2 800～3 000 h，降雨量仅75 mm左右。新疆阿克苏市第三中学和浙江省杭州高级中学已经结为友好互助学校，对口援建一个校园远程天文台既能很好地推动当地天文教育的发展，也能让更多的老师学生使用更好的观测资源。

鉴于此设计并在新疆阿克苏市第三中学校园内安置了一套远程观测系统，在浙江安吉天荒坪安置了一套组成相同的外场调试系统。该系统可供有一定天文观测基础的中学师生使用，用于学科教学和学生科研训练；可以进行准专业测光观测；也可以进行业余天文摄影。另外，由于两地存在超过两个小时的时差，如果两个台站联合观测同一变源也可以延长单次观测的时间。这两套系统目前均已进入了试观测阶段。

1 硬件组成

该系统可以粗略地分为以下几个子系统：光学和成像子系统、机架子系统、控制和数据服务子系统、附属服务和保障子系统。图1表示该系统的硬件结构，并描述了设备间的相互连接与控制关系。

光学和成像子系统分为主光路和附属光路两个部分。主光路的光学系统是修正施密特-卡塞格林系统，口径28 cm、主焦距56 cm、卡焦焦距280 cm；相机为SBIG STL-4020M，安装在卡焦焦点。其中探测器为2 k×2 k CCD，像元大小7.4 μm×7.4 μm；导星芯片为657×495 CCD，像元大小7.4 μm×7.4 μm。该光路成像视场18′40″×18′40″，导星视场6′1″×4′33″，两个视场中心距14′32″。调焦工作由分别安装在主镜调焦螺杆和卡焦焦点前的两台电动调焦器完成。在进行了粗调焦后，主镜位置即固定，由卡焦焦点前的调焦器完成细调焦工作。相机前有Sloan g、r、i、z四片滤光片，通过转轮提供包括白光5个通道。为了减小散射光的影响，在镜筒最前端增加了贴有消光绒的遮光延长筒。

图1 系统硬件结构和相互关系

Fig.1 Hardware architecture

附属光路的光学系统是口径6 cm、焦距27 cm的修正复消色差折射系统*“修正”指增加了平场修正透镜组。；相机为QHYCCD QHY8Pro，探测器为3 k×2 k彩色CCD，像元大小7.8 μm×7.8 μm，成像视场5°19′21″×3°44′31″。对焦结构为齿条齿轮式(R&P)。光路固定使用滤光片Baader UHC-S，光路以极短焦距的折射镜配上大面积的彩色CCD相机，主要可以进行较大视场的天文摄影。

主光路遮光筒前端安装了遮罩，由减速电机驱动，轻触开关限位，可以延缓灰尘积累影响通光。附属光路前段的遮罩由舵机控制，在拍摄暗流场时充当机械快门。遮罩内侧贴有黑色消光绒，也尽量使关闭时的漏光量降到最低。

机架子系统选择了Paramount ME德式赤道仪，固定在竖直钢管上。

控制和数据服务子系统采用二级控制设计。由于微型计算机的操作系统一般禁止直接I/O访问，故采用主控计算机(一级控制器)发出指令，各个二级控制器具体执行操作，之间通过USB或RS232交互指令的方式。用二级控制设计以“远程模式”工作的系统也是可靠成熟的[2]。商业化仪器的二级控制器为内置的控制系统，而对于其他仪器和附属结构，二级控制器集中于单片机(Single Chip Microcomputer, SCM)中。单片机采用了Arduino UNO(中央芯片ATmega328)，分为两片：固定于主控计算机旁的负责圆顶、照明、电源、环境制冷控制和温湿度查询等功能；随望远镜一同转动的负责望远镜遮罩的控制。

附属服务和保障子系统包含了远程天文台其余的提供其他数据和保障的仪器和结构。圆顶外安装了一个气象监测器，可以得到实时的温湿度、天空背景温度(用以判断云覆盖率)、风速等。圆顶内通过连接在单片机上的传感器测量温湿度。圆顶内使用红外遥控的移动空调机制冷，防止温度过高损坏仪器，用连接在单片机上的红外发射管模拟遥控器的调制波实现控制。

由于观测站地处新疆地区，一旦控制系统发生故障，维修的成本很大，故在控制和数据服务子系统中增加了电话控制模块，目前实现两个功能：主控计算机重启、圆顶及电源的关闭。在主控计算机死机、网络连接中断时，可以通过该电话控制模块进行应急操作。

观测站使用一个2 m直径的4片式全开圆顶，省去了圆顶指向和随动功能的设计，可以提高稳定性。单片机控制带有偏心轮的舵机实现了对圆顶控制按钮的按压。这种结构不改变圆顶控制箱内部的接线，并且易于在故障时人工紧急操作。主台站和调试台站分别采用了这种结构和传统的继电器结构，便于在将来使用中进行比较。

2 程序设计

由于中学生掌握的天文观测知识和计算机知识有限，设计程序时必须充分考虑到学生使用的实际情况。首先，该系统主要用于中学教育，所以在设计时尽量简化用户操作，最大程度地保留各项参数配置的可见性和可调整性，而且能让用户实时操作并得到反馈，有利于用户学习和理解观测中涉及的各类原理、知识和技能。其次，该系统也能够按要求执行自动观测，节约学生的时间。从所处位置上分，本系统的程序可分为主控计算机程序、单片机程序和本地服务器程序等(图2)。

图2 软件架构. 圆角矩形表示第三方软件包

Fig.2 Software architecture. The rectangles with round corners represent third-party software packages

2.1 主控计算机

主控计算机上有三类程序：一是用于和仪器通讯的程序集；二是控制系统；三是数据压缩系统。

用于和仪器通讯的程序集中，和天文仪器通讯的采用了第三方的软件包如TheSky等。另外编写了和单片机通讯的程序。

控制系统由用户界面和内核组成。内核通过解析文本指令进行操控，将该文本指令称为望远镜终端自动化批处理语言环境(Terminal Automation Batch Language Environment for Telescopes, TABLET*可以访问http://hgob.org/tablet了解详细信息。服务器端主要组件及客户端SDK按GPLv2许可开放源代码，可以访问http://tablet.codeplex.com获取源代码。)。这样便完全分离了用户界面和控制内核，可以为不同需求的用户设计不同的用户界面。同时，用户可以用TABLET编写自动化观测脚本，实现无人值守观测。TABLET语句由命令和参数组成，且通常采用简单的英文单词和缩写，语法简单。例如，goto moon表示指向月球，mexp 100|20表示主光路相机露光100 s，重复20次。另外TABLET还支持循环结构，在多波段的时序测光中也可以发挥很好的作用。作为批处理语言，后期可以为例如Gamma暴的地面观测提供快速反应的支持。

系统的主观测站位于新疆，按照目前的网络连接，连接位于杭州的服务器的平均速度约数十kb/s。如果实时控制，观测图像、监控图像等数据量很大，像这样的网络连接速度很难做到实时回传。对于观测图像，系统于每日清晨扫描数据存储目录，并压缩新的或被修改过的子目录，系统也会在计算机上存储一张FITS格式的图像，同时存储一份低像素的JPEG图像作为预览图。对于监控图像，系统每隔一段时间抓取一张存储为JPEG图像。用户可以在控制平台上看到观测图像的预览图和监控抓图。

2.2 单片机

位于单片机内的程序用于直接实施I/O操作，以控制提供附属服务的仪器。

单片机内的程序循环读取串口字符，按协议执行相应的程序段并向主控计算机发送反馈。其中，为了保证圆顶和内部器材的安全，圆顶开合两个功能是多线程执行的，可以在需要的时候立即中断。

2.3 本地服务器

本地服务器程序主要部署在本地机房的服务器中，一部分用于用户管理、认证；一部分用于观测数据的回传、整理等。按照目前的设计，用户数据库位于该服务器中，存储注册用户的信息和观测时间分配。管理员通过上传观测时间分配表限制用户何时能够登录到系统中。控制系统通过和这部分程序交互来验证观测者的身份。

观测数据的回传采用了类似网站备份的方法。远程观测站的计算机作为FTP服务器，本地服务器每日定时扫描此FTP目录，发现新的或被更新过的数据压缩包即将其下载至本地目录上。原则上，观测者需等待此过程完成后从本地服务器上下载观测数据，防止直接下载观测数据带来的网络堵塞。

2.4 观测流程

在正式开放阶段，系统按照图3的方式处理观测流程。

图3 观测流程

Fig.3 Observing workflow

实时操作的流程为：

(1)观测申请：用户根据自己的需要通过Email等方式提交观测申请，由管理人员进行评估和审批，决定观测时间。

(2)观测时间分配：通过审批的申请被编入观测时间分配表，上传至用户管理数据库。

(3)登录观测系统：用户登录观测系统时验证权限，通过后系统进行初始化操作，用户可以选择进行实时操作或批量操作。两种模式可以互相切换。

(4)观测操作：用户使用观测系统进行观测操作。

(5)归位：系统进行复位关机操作，返回观测回执，并进行数据压缩。

(6)数据下载：数据回传至杭州服务器后，用户按照回执提供的地址从杭州服务器下载观测数据，并按需下载储存于数据库中的bias、flat、dark等数据。

在自动观测中，用户在登录后提交TABLET代码，程序按代码完成所有操作。

3 观测条件与实践

3.1 背景天光

2011年7月28日，利用安装调试的间隙评估了阿克苏三中台站的观测条件。观测时间约为北京时间5时。中心坐标α=22h41m38s，δ=1°16′20″。以(Guide Star Catalog编号)GSC 568∶1416、GSC 568∶1464、GSC 568∶1298*此处及下文中所用到的坐标和白光星等均取自GSC1.2[3]。这3颗SDSS系统测光标准星[4]测量了白光、g、r、i共4个通道的背景天光，结果如表1。

3.2 自动观测实例

2012年3月9～10日，在外场调试台站(天荒坪站)进行了第一次自动观测测试。本次观测过程采用TABLET代码自动执行，拍摄过程中无人值守。观测使用的控制代码如图4。

表1 各滤光片及白光下背景天光亮度

图4 自动观测实例的控制代码

Fig.4 An example TABLET script for observation

观测时间大约在9日22时30分至10日4时。观测目标为SXPHE型变星AE UMa。相机温度约-20 ℃，共循环40次，每循环使用clear、g、r、i、z共5个通道，单幅图像露光90 s。观测结束时拍摄了10幅暗电流场和10幅偏置场。测光比较星为GSC 2998∶1166，校验星(Check Star, Chk.)为GSC 2998∶846。图5给出了5个通道的时序较差测光结果。

由于观测时间云量较多，测光误差较大。Fukugita给出的Sloan z滤光片的截入波长(cut-on wavelength)是841 nm[5]，本系统采用的滤光片略有不同，为820 nm[6]，仍属于近红外波段，受云量和水汽影响很大。观测中气象监测仪器记录下的相对湿度保持在80%左右。

图5 变星AE UMa在clear、g、r、i、z通道下的较差测光结果

Fig.5 Results of differential photometry of the variable star AE UMa in the clear，g′，r′，I′， and z′ channels

3.3 天文摄影样张

图6和图7(封一)分别是利用阿克苏系统主光路拍摄的球状星团M13和行星状星云M27的图像，经过彩色合成。图像拍摄于2011年7月26日。

4 结 论

经过设计、安装和调试，目前该远程望远镜系统已经进入了试观测阶段，可以进行观测运作。杭州高级中学的部分学生已初步学习使用该系统并进行了一些观测活动。现在仍需不断进行软、硬件的开发和优化工作，使该系统能最终稳定地进入正式开放阶段，为有观测需要的师生提供服务。

图6 球状星团M13摄影样张

Fig.6 An example of astrophotography of M13

致谢：本项目得到了杭州市教育局、阿克苏市教育局、浙江省杭州高级中学以及阿克苏市第三中学等单位的领导、老师和同学的支持与帮助。浙江省杭州高级中学的储王伟、丁凡、丁哲航、冯一笑、唐佳慧、王路亚、王志强、朱逢源以及阿克苏市第三中学天文社的石钰智、牟伟伟等参与了系统的设计安装工作。在此向以上单位和个人表示衷心的感谢！

[1]来晨莹, 陈少闻, 胡韵希. 浙江省校园天文台现状调查与使用效率提高探索[J]. 科学24小时, 2009, 增刊2: 41.

[2]陈东, 韦卡宁, 谌俊毅, 等. 望远镜远程观测系统的初步系统设计[J]. 天文研究与技术——国家天文台台刊, 2006, 3(4): 394-400.

Chen Dong, Wei Kaning, Chen Junyi, et al. Preliminary system design of the remote observing system for 2.4m telescope[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2006, 3(4): 394-400.

[3]Morrison J E. The guide star catalog[DB/OL]. [2011-09-18]. http://cdsarc.u-strasbg.fr/ftp/cats/bincats/GSC_1.2/.

[4]Smith J A, Tucker D L, Kent S, et al. The u′g′r′i′z′ standard-star system[J]. The Astronomical Journal, 2002, 123(4): 2121-2144.

[5]Fukugita M, Ichikawa T, Gunn J E, et al. The sloan digital sky survey photometric system[J]. The Astronomical Journal, 1996, 111(4): 1748-1757.

[6]Astrodon Photometrics-Sloan Filters[EB/OL]. [2011-09-18]. http://www.astrodon.com/products/

filters/astrodon_photometrics_-_sloan/.