Модернизация телескопа
Модернизация системы управления / наведения оптического телескопа
(точность наведения телескопа после модернизации - 1 (одна) угловая секунда!) Об обсерватории Кавказская горная обсерватория (КГО) Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова (ГАИШ МГУ) расположена в Малокарачаевском районе Карачаево-Черкесской Республики. Её создание – один из важных этапов реализации Программы развития Московского университета до 2020 года в части «Исследование структуры материи и космоса». Строительство комплекса обсерватории осуществлялось, включая подготовительный период, с 2010 по 2013 годы. Обсерватория занимает земельный участок площадью 8.32га, расположенный в центральном секторе Большого Кавказа в интервале высотных отметок 2060–2116м в урочище «Шатджзатмаз» приблизительно в 27км от Кисловодска. Зонирование территории организовано по четко выраженному функциональному принципу. В верхней зоне размещены объекты научного назначения: башня телескопа (2,5м) с помещениями для наблюдателей, четыре астрономических павильона и гравиметрическая лаборатория. В нижней – административно-хозяйственный комплекс, состоящий из административного и лабораторного корпусов, гостиницы, гаража и коттеджа для проживания наблюдателей.
Обсерватория создана для проведения учебного процесса и научно-исследовательских работ специалистами МГУ и других профильных организаций, а также для обучения молодых специалистов по астрономии и смежным специальностям. Основной научный вклад дают регулярные спектральные, фотометрические, поляриметрические и другие исследования в области астрофизики и исследования космического пространства, проводимые в режимах мониторинга, алертных наблюдений транзиентных объектов по сообщениям других обсерваторий (главным образом космического базирования); тщательное изучение ключевых объектов невыясненной природы для раскрытия физических основ наблюдаемых феноменов. В эти исследования активно вовлекаются студенты и аспиранты астрономического отделения физического факультета МГУ и других вузов страны. Ключевым принципом эффективности такого обучения является оперативная доступность инструментов КГО для молодых исследователей, быстрая проверка новых идей.
Главный инструмент горной обсерватории - оптический телескоп с диаметром главного зеркала 2,5м Главный инструмент Кавказской горной обсерватории ГАИШ МГУ – телескоп с диаметром главного зеркала 2.5м. Он предназначен для астрофизических исследований звёзд и галактик в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра. Телескоп спроектирован как универсальный инструмент с альт-азимутальной монтировкой, рассчитанный на одновременную установку в трёх фокальных станциях с деротаторами (деротатор - механическое устройство вращения приёмной аппаратуры в фокусе телескопа вокруг оптической оси для компенсации эффекта вращения поля зрения во время наблюдений) нескольких приборов, свет между которыми перебрасывается при помощи плоского зеркала (зеркала Нэсмита) в зависимости от текущих потребностей наблюдений. Основные параметры телескопа: • Главное зеркало (M1) D1=2500 мм (свет) / 2550 мм (мех); фокусное расстояние F1=5500 мм • Вторичное зеркало (M2) D2=850 мм (свет) / 875 мм (мех) • Эквивалентное фокусное расстояние Fэкв=20000 мм • Оптическая схема - система Ричи-Кретьена с фокусом Кассегрена (“C1”) и четырьмя фокусами Нэсмита (“N1, N2, N3, N4”), свет в которые попадает с помощью вводимого и поворотного плоского зеркала (M3) • Оптическое качество изображения: концентрация 80% энергии в кружке диаметром 0,3'' • Монтировка телескопа - альт-азимутальная (общий вес - 42 тонны), фокусы С1, N1 и N2 оснащены деротаторами. В 2014 году состоялось открытие КГО ГАИШ МГУ, а с 2014 по 2018 годы проводилась тестовая эксплуатация телескопа, за время которой: • Налажены оптическая и ИК-фотометрия, спекл-поляриметрия, ИК-спектроскопия. • Опубликованы десятки работ, включая совместные с САО, УрГУ и другими организациями. • Проведено 4 студенческих практики. • Многочисленные экскурсии для школьников и любителей астрономии.
Выявленные проблемы, постановка задач В ноябре 2015 года проводились приёмо-сдаточные испытания телескопа (SAT), которые закончились неудачей из-за ряда ошибок в проектировании и изготовлении Системы Управления Главными Осями телескопа (СУГО) и её программного обеспечения: 1. Телескоп медлителен, ненадёжен и негибок в управлении. 2. Несоответствия характеристик работы телескопа большинству пунктов спецификации. 3. Программное обеспечение (ПО) не поддерживается разработчиком и содержит многочисленные ошибки. По итогам проведенных приёмочных испытаний оказалось, что основными источниками проблем являются: 1. Ошибки в конструкции системы управления (СУ), несоответствие требованиям ПУЭ. 2. Непригодный для ремонта и обслуживания монтаж компонентов. 3. Неверный выбор кабелей для силовых и сигнальных линий. 4. Ошибки в ПО управления телескопом (TCS) и контроллера управления движением (UMAC), в том числе и концептуальные на этапе проектирования.
Реализация проекта и решение поставленных задач
Для устранения недостатков, выявленных в результате приемочных испытаний, принято решение о разработке полностью новой СУГО - Системы Управления Главными Осями телескопа. В реализации этого решения, компанией «Сервотехника» были выполнены следующие работы: 1. Проектирование и изготовление нового шкафа управления (ШУ) главными осями телескопа. 2. Замена всех силовых и сигнальных кабелей СУГО - Системы Управления Главными Осями телескопа. 3. Разработка нового программного обеспечения (ПО) контроллера управления движением UMAC и ПО управления телескопом (TCS). Состав СУГО (Системы Управления Главными Осями телескопа): 1. Шкаф управления. 2. Кабельное хозяйство. 3. ПО контроллера управления движением UMAC. 4. ПО управления телескопом (TCS), работающее на персональном компьютере (ПК) под управлением операционной системы (ОС) Linux. Функции СУГО (Системы Управления Главными Осями телескопа): • Диагностика и отработка последовательностей включения или отключения систем телескопа, ответственных за работу главных осей. • Обеспечение вспомогательных режимов работы телескопа (ручной режим работы, работа от пульта дистанционного управления (ПДУ), переход систем в «спящий» режим и выход из него). • Автоматическая блокировка движения осей при аварийных и нештатных ситуациях. • Наведение (движение по выбранным осям в заданную позицию). • Слежение (движение по заданной траектории). • Коррекция (смена) траектории слежения. • Останов движения. Функции наведения и слежения могут одновременно запускаться с одной или несколькими осями. Это оси AZ, ALT и одна из осей деротаторов C1, N1 или N2, выбираемая ПО верхнего уровня для работы с объектом наблюдения. Во время работы других осей может быть запущено наведение неактивного деротатора.
Особенности новой системы наведения Управление осями телескопа. Управление всеми осями осуществляется в режиме замкнутой обратной связи. В качестве обратной связи используются показания ленточных энкодеров, установленных на главных осях телескопа и показания энкодеров моторов деротаторов. Всего для управления телескопом задействовано 29 каналов управления движением (к примеру, для управления фрезерным станком с числовым программным управлением, используют всего 3 или 4 канала). Вспомогательный режим ограниченной функциональности. Предусмотрен режим ограниченной функциональности, в котором возможно отключение неисправных двигателей деротаторов, либо отключение одного или сразу нескольких деротаторов целиком, в случае обнаружения неисправностей, либо по другим причинам. Функционал наведения телескопа. Функция “наведение” наводит телескоп по заданной оси в заданную позицию в координатах оси с заданной максимальной скоростью, достигая нулевой скорости или скорости слежения в точке назначения. Наведение выполняется по всем осям, выбранными для текущего сеанса наблюдения одновременно. Наведение производится на максимальной скорости и ускорении. Эти параметры не превышают абсолютные максимальные величины: для осей AZ/ALT - 3°/с и 1°/с2, для осей C1/N1/N2 - 15°/с и 10°/с2.
Особенности и функционал наведения телескопа Наведение телескопа осуществляется за минимально возможное суммарное время при заданных ограничениях на скорость, ускорение и производную ускорения движения по оси (jerk). Накладные расходы, связанные с подготовкой и завершением функции, не превышают в сумме 5с. PID параметры обратной связи главных осей AZ и ALT и фильтры в цепи обратной связи обеспечивают отсутствие осцилляций с амплитудой не более 0,15'' по окончании движения. Точность наведения в заданную позицию (показание энкодеров относительно рассчитанной позиции) не хуже 1'' (угловой секунды) RMS (среднеквадратичное отклонение) по осям AZ, ALT и не хуже 20'' RMS для осей C1/N1/N2 во всём рабочем диапазоне условий и ориентаций монтировки. ПО верхнего уровня включает алгоритм точного расчёта времени наведения по оси с уровнем точности лучше 0.1с. Особенности функционала "слежение" у телескопа Функция “слежение” используется для отслеживания телескопом расчётного положения объекта наблюдения на небесной сфере. В качестве входной информации для функции слежения, программное обеспечение (ПО) верхнего уровня, формирует динамически пополняемую таблицу координат по заданной оси на определённой сетке времени. Новое программное обеспечение UMAC обеспечивает механизм бесперебойной непрерывной передачи содержимого этой таблицы в интерполятор UMAC. Минимальный квант времени сэмплинга таблицы равен - 10 мс; имеется возможность изменять квант времени на программном уровне. Типичная траектория слежения по осям характеризуется скоростями от нуля до нескольких десятков угловых секунд в секунду времени, хотя для положений по оси ALT у края слепой зенитной зоны радиусом в 1° скорости по AZ и активному деротатору могут достигать 0,2°/с. Траектория слежения является гладкой, имея абсолютные ускорения осей до 0,01°/с2. Реализована возможность предварительного выполнения функции наведения на начальное положение траектории или автоматическая отработка системой необходимого наведения оси для сближения с траекторией с выполнением всех требований по параметрам движения и времени выполнения, налагаемых на функцию наведения.
Абсолютные ограничения на траекторию слежения устанавливаются как максимальная скорость 0,4°/с и максимальное ускорение 0,2°/c2 по осям AZ, ALT и активного деротатора. Загрузка в UMAC траекторий с ускорениями и скоростями, превышающими указанные пределы (например, по ошибке ПО верхнего уровня), приводит к диагностическому сообщению “плохая траектория”, поступающему в ПО верхнего уровня и останову слежения.
Позиционная точность телескопа Позиционная точность в режиме слежения (показания энкодеров относительно рассчитанной позиции) - не хуже 0,1'' RMS по осям AZ, ALT и не хуже 5'' RMS по оси рабочего деротатора. Эта точность сохраняется в течение неограниченного времени (за исключением периодов коррекции траектории движения для гладких траекторий во всём рабочем диапазоне условий окружающей среды и при любых допустимых рабочих ориентациях монтировки. Для оперативного контроля качества движения в процессе слежения осей контроллер движения вычисляет средний модуль и квадрат невязки в предустановленном временном окне. Эта величина доступна для ПО верхнего уровня в составе диагностики.
Траектория слежения телескопа Система предоставляет возможность быстрой подстройки слежения по оси путем добавления загружаемого из ПО верхнего уровня сдвига к текущей позиции траектории движения. Время реакции на отработку системой подстройки и возникающий при этом переходной процесс продолжаются не более 1с, после чего требования по позиционной точности слежения снова начинают выполняться. Допустимое смещение по оси за одну подстройку (изменение величины сдвига) не превышает 10'' по абсолютной величине. При останове слежения величина сдвига обнулится. Смена траектории слежения может выполняться одновременно по всем осям, или по одной оси, не останавливая слежение по другим осям (что обычно применяется по отношению к оси активного деротатора).
Связанное со сменой траектории движение по оси выполняется с максимальными скоростью и ускорением - не менее 0,4°/с и 0,2°/c2 при jerk > 1°/c3 по осям AZ и ALT. Если реализация позволяет, могут быть взяты максимальные параметры для наведения. Параметры движения для оси деротатора соответствуют максимальным параметрам для наведения. Движение устойчиво и контролируемо, т.е. на него накладываются такие же требования, как при наведении. Инициализация UMAC выполняется автоматически при включении питания контроллера управления движением UMAC. Установка значений параметров движения выполняется из EEPROM UMAC. После проверки сигналов аварийного останова, UMAC автоматически производит начальную инициализацию шим-усилителей и преобразователей частоты (ПЧ) моторов осей и ожидает поступление сигнала от кнопки «Подать силовое питание». Дальнейшие операции по каждой из осей выполняются по команде «Вкл. Телескоп» со стороны ПО верхнего уровня по соображениям безопасности, так как могут вызывать механические движения: 1. Поиск фазы моторов осей AZ и ALT. 2. Включение шим-усилителей (для осей AZ и ALT) и ПЧ (для N1, N2 и С1). 3. Определение разрешённых к включению деротаторов (или отдельных моторов-деротаторов). 4. Включение разрешённых осей деротаторов в слежение.
Возможности новой системы управления телескопом Новая система управления телескопом имеет высокую степень автоматизации, высокую точность наведения телескопа, что позволяет качественно выполнять научные программы и гибко планировать наблюдения, проводить исследования в удалённом режиме.
Сравнительная таблица, полученных в результате модернизации улучшений
| Наименование параметра | Оригинальная (изначальная) СУГО | Новая (модернизированная) СУГО |
| (Не)точность наведения | >10-20'' | <5'' |
| Накладные расходы наведения | 40c | <5c |
| Non-sidereal tracking | нет | любая траектория (коррекции, dithering,тела солнечной системы, спутники) |
| Монтаж | неудобный | ремонтопригодность, наличие документации |
| Поддержка ПО | нет | постоянная |
| Запасные шим-усилители для главных осей | нет | есть |
Принятые сокращения: СУГО - Система Управления Главными Осями телескопа ОС – Операционная Система ПК – персональный Компьютер ПО – Программное Обеспечение ПУЭ – Правила Устройства Электроустановок СУ – Система Управления ШУ – Шкаф Управления AZ – Азимут (узел, ось телескопа) ALT – Высота (узел, ось телескопа) C1/N1/N2 – Фокальные станции телескопа и их деротаторы (механические узлы, оси монтировки). PMAC – Programmable Multi-Axis Controller - программируемый многоосевой контроллер управления движением. UMAC – Universal Motion и Automation Controller - модульное системное решение на базе контроллеров Turbo PMAC2, реализованное в формате 3U-Eurocard. SAT – Приёмочные испытания на месте установки (Site Acceptance Tests). TCS – Система управления телескопа (Telescope Control System).
О компании Сервотехника Компания “Сервотехника” была образована в Москве в 1998 году и за годы своего существования из небольшой фирмы с несколькими сотрудниками превратилось в одного из ведущих системных интеграторов в России. Компанией успешно реализовано большое количество проектов разной степени сложности – в интересах практически всех отраслей российской промышленности. В числе наших клиентов – крупные предприятия оборонно-промышленного комплекса, научно-исследовательские институты, научно-технические центры и образовательные учреждения разного уровня.
Более подробно - модернизация радиотелескопа РАТАН >>
Больше полезной информации и новостей:
Сайт компании Сервотехника
Яндекс Дзен Сервотехники - новости и полезная информация
Твиттер Сервотехники - короткие сообщения от компании
Youtube - видеоматериалы компании Сервотехника
В Контакте - информация о новинках и продукции
Фейсбук Сервотехники - новости и полезная информация
