FocusGEO软件系统的设计与实现*

王　维，毛银盾，陈国平，张永帅，于　涌，罗　浩

(中国科学院上海天文台，上海　200030)

在望远镜控制软件系统中，天文公共对象模型(Astronomy Common Object Model, ASCOM)平台和远程望远镜系统第2版(Remote Telescope System 2nd Version, RTS2)平台具有很强的通用性与可扩展性，它们为天文观测设备提供了接口标准，其中前者基于Windows操作系统，后者基于Linux操作系统，目前两者在通用望远镜控制上的应用比较广泛。

天文公共对象模型是一个免费开源的天文接口标准，它在天文观测设备与应用软件之间引入驱动层，为应用软件与天文观测设备之间提供了一个免费互通的中间桥梁，设备厂商只需要提供符合ASCOM标准的驱动程序，应用软件也只需要针对ASCOM进行操作，无需考虑不同厂商、不同设备类型的特殊性。由于ASCOM采用了组件对象模型(Component Object Model, COM)，极大提高了系统的可扩展性和兼容性，便于望远镜的远程操作和实时控制[1-2]。远程望远镜系统第2版是一套开源的天文观测管理系统，基于Linux平台，采用C/C++语言开发，由于模块化的组件开发技术，使它具有可移植性，围绕即插即用的设计思想，要求每个模块和组件可以随时进入工作或退出，同时不影响系统的整体性能，特别是在有部分代码出错，任务无法继续进行时，不会造成系统崩溃[3-4]。

FocusGEO是新一代地球同步轨道(Geosynchronous Orbit, GEO)动态监视光学系统的简称，由中国科学院上海天文台研究团队历时两年自行研制完成。望远镜采用单机架三镜筒赤道式结构(见图1)，在软件系统的支持下对台站上空地球同步轨道带反复扫描观测，实现对地球同步轨道空间目标编目管理和空间事件监测。由于FocusGEO有许多特殊的硬件设备，这些设备缺乏标准的硬件底层驱动，同时运行环境决定了驱动层和应用层需要分别放置在不同的电脑上，因此无法像常规天文望远镜一样，设计开发基于RTS2或ASCOM的全自动软件系统。需要从最底层开始设计，采用合适的网络通信，自行设计开发一套基于Windows环境的软件系统，实现望远镜自动观测、资料实时处理、数据传输与数据管理等过程。

FocusGEO软件系统包括望远镜控制软件、CCD相机控制软件、主控软件、预处理软件、地球同步轨道卫星量度坐标预报软件和图像压缩及传输软件共6部分。主控软件与各设备驱动软件采用用户数据报协议(User Datagram Protocol, UDP)进行通信，同时获取IP监控摄像头的视频流数据，监控望远镜运动情况。图像压缩及传输软件实时进行图像压缩及格式转换，利用文件传输协议(File Transfer Protocol, FTP)将图像和预处理结果主动推送至远端服务器，并即时统一录入到甲骨文(Oracle)数据库[4](图2)。相较通常的望远镜控制软件仅服务于观测的功能，我们的软件系统集成了多核并行预处理、图像实时压缩及传输、资料入库等功能，功能更加完备，自动化程度更高。

图1FocusGEO望远镜
Fig.1FocusGEO Telescope

图2FocusGEO软件系统框架图
Fig.2The block diagram of FocusGEO software

望远镜控制软件和CCD相机控制软件的功能相对单一，本文不再赘述其详细设计和实现过程。本文将对其余4部分软件展开详细描述，尤其是与观测人员直接进行人机交互的主控软件。

1　系统设计

1.1　需求分析

系统软件是实现FocusGEO高效准确运行的关键因素，需要满足下面几方面的重要要求：

(1)自动化程度要求高。

要实现FocusGEO对台站上空地球同步轨道带反复扫描观测、数据预处理、图像压缩与数据传输等全过程操作，高度自动化是对系统软件的必然要求，以尽可能减少人工干预的频次[5]。

(2)时序要求严。

采用图像采集与数据实时处理并行工作的方法，确保所有进程在时间上不发生冲突，除了严格计算每一个天区的观测耗时、望远镜每一次摆位耗时和每一次数据处理耗时等，还要设计严格的数据流向和时序关系。同时为了有效减少数据预处理耗时，采用多核并行处理的方式。

(3)鲁棒性要求强。

多个端口同时监听用户数据报协议消息，避免端口收发指令时发生冲突，并且本软件的UDP通信与FTP传输通信同时工作，做到各个通信线程互不干扰。对用户的每一步操作都要进行校验，避免用户操作不当导致的系统异常或崩溃。主控软件需要与望远镜软件、CCD相机软件和预处理软件同时通信，端口号一一对应，不能错发指令，指令的格式需要提前确认，并对接收到的指令进行格式校验，排除错误的消息。

(4)人机交互友好。

交互界面要做到简洁直观，软件的交互需要提供最明确的需求，可以使用户快速操作，即使不熟悉系统，也能快速操作[5-6]。

1.2　系统功能

根据上述需求，除了望远镜控制和CCD相机控制软件以外，软件系统还包括任务解析控制、工况信息处理、图像压缩与传输、数据预处理和数据入库共5个模块或软件，功能如下：

(1)任务解析控制

解析任务计划的点位信息，发送时角、赤纬等位置参数给望远镜软件，控制望远镜摆位、相机曝光，执行观测任务。

(2)工况信息处理

即时处理前端观测设备的工况信息，处理过程包括工况信息获取、显示与传输等，以及根据即时工况信息提供设备故障报警功能。

(3)图像压缩与传输

监控CCD相机拍摄的FITS(Flexible Image Transport System)图像，实时转换为JPG格式，同时主动将压缩图像推送到服务器。

(4)数据预处理

接收主控软件发送的启动预处理的命令，在望远镜进行下一个天区观测的同时进行图像处理，在下一个天区拍摄完成之前数据处理结束。

(5)数据入库

该模块在远程服务器终端运行，其作用是建立Oracle数据库，接收FTP传输的处理数据文件，做到数据的实时入库。

1.3　系统流程

FocusGEO正式运行前，需先把主控软件、望远镜控制软件和CCD相机控制软件的IP地址以及端口号按照既定规则正确配置，保证UDP消息收发正常，并在服务器终端开启FTP服务器，确保观测图像和数据处理结果的流程正常运行。

正常工作时，主控软件根据任务计划发送UDP消息给望远镜控制软件，望远镜摆位到第1个天区，确认望远镜到位后，CCD相机按预先设置的模式(包括曝光时间和拍摄帧数)采集图像，采集过程中，图像转换与FTP传输模块监控新生成的FITS图像并转换成JPG格式，通过FTP传输到远程服务器端。图像采集结束后，CCD相机软件发送拍摄结束的消息指令给主控软件，系统开始下一个天区的观测，与此同时，调用数据预处理模块开始执行数据预处理，并行的工作方式大大缩减了工作时间，预处理结束后主动通过FTP将处理结果传输远程服务器端并立即入库管理。整体执行流程如图3。

图3FocusGEO软件系统整体流程
Fig.3The flowchart of FocusGEO software

2　系统实现

软件系统采用C#语言作为编程语言，开发平台为Visual Studio 2012，开发环境为.NET Framework 4.5框架。

主控软件包含两部分：(1)图形用户界面，实现与用户的人机交互；(2)UDP控制端口，通过UDP集成控制望远镜、CCD相机和圆顶等设备。图4为主控软件工作状态图，点开始观测按钮后，自动执行任务计划，给望远镜和CCD相机发送设备观测参数指令，并判断接收的望远镜和相机反馈状态消息进行下一步操作，实现自动化观测。由于设备故障是望远镜系统运行不可避免的问题，为了增加系统的可靠性，图形用户界面提供了工况信息模块，实时显示望远镜、CCD相机和时间终端时统的状态信息，工况信息的状态栏中都有设备故障报警功能[7]。

在局域网内，针对本项目发送频率低、报文很小的情况，同时又需要与6个网络端口进行通信的特点，经过认真分析和比较UDP和TCP通信的优劣，最终选择UDP协议通讯，因为UDP消耗资源少，响应迅速，灵活性强且无需像TCP那样建立连接消耗很长的时间。当然UDP协议通讯存在一个固有的问题：当发送频率过高、报文过大时容易丢包。为此通过设置丢包重发机制和超时机制避免了上述问题，事实证明非常有效。为了避免主控软件多个端口同时接收消息时发生冲突，同时监听多个网络端口，采用委托的方式处理接收的UDP消息，当某个端口接收消息后会触发与该端口对应的事件，并使用Dispatcher.BeginInvoke函数异步执行触发的事件，确保程序的主线程正常工作不受干扰。实现流程见图5[8]。

图4主控软件工作状态界面
Fig.4The screenshot of working status of the master software

图5　UDP监听模块流程图Fig.5　The flowchart of UDP listening

CCD相机采集数据过程中，图像压缩与传输软件实时监控FITS文件的创建并进行压缩转换，软件采用FileSystemWatcher类监测D:DATA文件夹内.fit后缀文件的创建，当有图像创建后触发FileSystemEventHandler事件，事件中执行图像压缩及转换图像格式的委托函数,委托函数需新建一个EncoderParameter类的实例对象配置图像质量比。在确保大屏幕(分辨率1 920 × 1 080)能清晰显示的前提下，同时满足FTP快速传输的要求，经反复测试选择85%的图像质量比最为合适 ，该参数下一幅5 M的FITS图像压缩成JPG格式后大小为400 K左右，压缩比约为10∶1。压缩后的JPG图像通过FTP推送到远程服务器端，并将12个天区的图像显示到大屏幕上，同时数据立即录入Oracle数据库。观测图像监测、压缩和传输流程见图6。

图6图像监测、压缩与传输流程图
Fig.6The flowchart of images monitoring, compression and transmission

Oracle在数据库领域一直处于领先地位，是目前世界上流行的关系数据库管理系统，系统可移植性好、使用方便、功能强，适用于各类微机环境。使用C#语言开发的应用程序可以很方便地应用Oracle数据库，C#语言与Oracle数据库之间的接口是指对Oracle数据表的调用与数据更改等操作[9-10]。

.NET Framework框架包括4个数据提供者，分别用于不同的数据库标准，本软件针对Oracle数据库使用Oracle.NET数据提供者，包括了如下 5个数据库对象：(1)数据库连接对象OracleConnecion，是一个与数据库进行连接的对象，包含与数据源创建连接的信息。(2)数据库命令对象OracleCommand，用于对数据源发出命令。(3)命令构造对象OracleCommandbuilder，用于构建SQL命令。 (4)数据读取对象OracleDatareader，专门用于读取数据。(5)数据适配器对象OracleDataAdpter，取得数据并且在数据与数据集之间建立一座桥梁。

在程序中使用数据库连接对象建立与数据库的连接，实例化一个数据库连接对象的实例对象con，连接字符串的参数在客户端程序的名称解析一致，使用con.Open()打开数据库。应用数据库命令对象发送命令，对于从数据库中检索数据的语句可以使用OracleDataReader指令进行操作，更多的使用Insert操作向数据表中写入数据。操作完成后使用con.Close()关闭数据库[10]。

3　结束语

本文介绍了FocusGEO系统软件的总体框架，采取主控软件集成控制望远镜和CCD相机的基本思路，实现系统自动化运行，减轻了观测人员的工作强度。截止目前，FocusGEO已经在上海天文台佘山科技园区开始正常观测，系统软件运行状况良好，在系统软件的支持下，FocusGEO实现了对台站上空地球同步轨道带的反复扫描观测和数据实时处理，有效提高了系统可靠性和观测效率。系统软件全部为FocusGEO团队自行研发，通过该工程的实现，研究团队掌握远程控制、观测与数据处理、图像压缩、数据库设计与数据管理等方面的关键技术，为实现非通用系统的自动化控制提供了技术支撑。

考虑到上海的天气不利于光学观测，计划近期将FocusGEO搬迁至云南天文台丽江观测站，利用该观测站良好的夜天光和旱季连续观测的条件，开展常规观测，获取稳定持续的观测数据。同时为了实现在上海通过互联网进行远程控制，软件系统的通信协议将升级为HTTP协议，为后续的国际观测网做技术准备。

致谢：感谢上海天文台光学天文技术室参与本项目的部分观测助手，他们在FocusGEO软件系统的集成调试和试验观测阶段发现了不少问题，对软件的持续改进提供了大量有益的意见和建议。

参考文献：

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