Введение

РАТАН-600 может поставлять огромное количество научной информации, при этом его информационный потенциал на 1 - 2 порядка выше, чем у обычных параболоидов (Корольков, Фридман 1970). Эффективность использования наблюдательного потенциала этого радиотелескопа являлась предметом исследования целого ряда работ (Ерухимов 1988; Соболева и др. 1986), и не теряет актуальности по настоящие время (Парийский 1995). Обеспечение новых, постоянно разрабатываемых режимов работы РАТАН-600 требует как можно более полной автоматизации и наблюдательного процесса и инструментальных исследований. Это в свою очередь приводит к резкому расширению парка вычислительных средств и необходимости их комплексирования. Многомашинная территориально-распределенная архитектура вычислительного комплекса РАТАН-600 (Ерухимов, Черненков 1987а,б; Витковский и др. 1988) хорошо соответствует его геометрии и конструкции, где пункты сбора радиоастрономических данных распределены по нескольким подвижным облучателям, находящимся внутри антенного кольца, а основная часть вычислительных средств в виде персональных рабочих станций размещена на некотором удалении в помещениях лабораторий. Рабочие станции расположены как в основном корпусе РАТАН-600 (расстояние - 1,5 км), так и в научном поселке САО Нижний Архыз (расстояние - 25 км), при этом желательно обеспечение доступа как к средствам контроля за аппаратурой, так и к получаемым данным независимо от удаления. Существует срочная потребность в оперативном получениии астрофизических данных РАТАН-600 и для других обсерваторий.

Вместе с тем, радиотелескоп РАТАН-600 как правило используется в режиме ``прохождения" неба через набор антенных диаграмм несколько различных по частотному диапазону и пространственной ориентации. Это приводит к возникновению больших потоков информации и требуется оптимальное распределение вычислительных средств между этапами обработки данных в реальном масштабе времени, в ``квази-реальном" (например, в суточном цикле наблюдений) и этапами глубокого астрофизического исследования накопленного материала после завершения программы наблюдений. Одним из примеров ``крупно-поточных" программ является программа исследования анизоторопии 3К-фона (Парийский и др. 1991 ), требующая проведения многомесячных сверхглубоких обзорных наблюдений одновременно в нескольких радиодиапазонах. Характерной задачей, возникающей при организационном обеспечении таких программ, является поиск минимально затратных технологий и средств автоматизации научного эксперимента.

Важным аспектом, проведенных автором исследований, является изыскание возможностей увеличения продолжительности наблюдательных программ проводимых на РАТАН-600, что в первую очередь необходимо для записи сверхглубоких радиообзоров типа "Холод" (Берлин и др. 1984). Длительность непрерывных наблюдений раньше была ограничена, как надежностными показателями аппаратуры сбора и передачи данных, так и алгоритмами программ и структурами данных (Витковский 1990), "привязанными" к возможностям той аппаратуры. Современный научный инструмент должен обеспечивать и комфортные условия работы наблюдателей, иначе из-за "психологического фактора" обеспечение продолжительных наблюдательных программ всегда будет под вопросом. Поэтому в работе отдельное внимание уделено разработке как программ, обеспечивающих соответствующий сервис по вводу заданий на наблюдения, в том числе со своего персонального компьютера, так и проработки основных этапов по автоматическому сопровождению этих заданий для аппаратного комплекса РАТАН-600.

Другой, быстро нарастающей проблемой, является вопрос помехозащиты радиотелескопа от фактора человеческой деятельности, и в последние годы от помех, связанных с широким распространением средств радиотелекоммуникаций - ``COMSPHERE". Чтобы эффективно избавляться от помех, необходима запись наблюдательного материала с избыточностью, позволяющей произвести статистический анализ мешающих воздействий. При этом продолжительные наблюдения требуют огромных объемов архивных носителей для сохранения первичной информации. Однако поток данных можно существенно сократить, частично обрабатывая его в реальном времени алгоритмами, устойчивыми (робастными) к изменяющейся помеховой обстановке. В связи с этим одним из разделов работы представлен новый метод помехоустойчивого цифрового интегрирования сигналов.

Очевидно, что критерием правильности выбранных направлений модернизации инструмента является качество наблюдательного материала, поэтому в работу вошли наблюдательные данные по уточнению координатной точности РАТАН-600, в том числе с использованием разработанных средств автоматизации.

Разработки по автоматизации сбора и обработки данных на РАТАН-600 для организации многочасовых наблюдательных программ при активном участии автора начались с 1985 г. Они привели к созданию многоуровневого иерархического комплекса на базе отечественных микро-ЭВМ и специализированных средств связи между ними (Ерухимов, Черненков 1987а,б; Ерухимов 1988). Радиальная архитектура этого комплекса предполагает территориальное разнесение элементов систем автоматизации и сбора данных на довольно обширной площади (около 1000 кв.). К сожалению, качественная поддержка работоспособности специализированных средств телекоммуникации, успешно эксплуатировавшихся до недавнего времени, стала весьма обременительной с изчезновением возможности для ремонта и развития этих средств. Предпосылкой данной работы явилась также реконструкция периферийного оборудования системы управления антенной (Голубчин и др. 1995) и практически полная замена кабельной сети, в том числе и для систем передачи данных между центральным зданием и электронным оборудованием, размещенным на подвижных облучателях.

Существенным прогрессом в сторону повышения надежности и архитектурной гибкости стала конвертация аппаратной реализации элементов системы в программную. При этом многоуровневая структура сетевых средств автоматизации сбора данных преобразуется в различные уровни иерархии, состоящей из программных модулей и соответствующих протоколов взаимодействия. Последние обязательно разрабатываются на основе общепринятых международных стандартов.

В то же время развитие новых технологий для средств передачи данных позволяет перевести сервис наблюдательного процесса и обслуживания радио-телескопа на качественно новый уровень. Так технология оборудования универсальных локальных сетей (LAN) на базе Ethernet и ArcNet, а также объединение их в глобальные сети (WAN) с помощью оборудования и программных средств, разработанных для Internet, позволяет обеспечить доступ к инструменту с любого компьютера в этой международной сети. Поскольку в настоящее время большинство национальных обсерваторий развитых стран предоставляют различного рода доступ к своим центральным компьютерам, то очевидна актуальность такой работы и для САО.

Настоящая работа связана с попыткой найти некоторые наиболее экономичные и в то же время достаточно эффективные решения в области перечисленных проблем.

Целью данной работы является развитие и внедрение комплекса средств автоматизации наблюдательного процесса и инструментальных исследований на этапах подготовки, сбора, обработки и передачи данных, а также разработка рекомендаций по стандартизации этих средств. Практическая значимость работы определяется тем, что поэтапное внедрение ее результатов является одним из элементов, поддерживающим инструмент в состоянии, вполне конкурентноспособным среди радиообсерваторий мира, несмотря на более чем двадцатилетний стаж его эксплуатации.

В работе освещены следующие направления развития существующего комплекса средств сбора и обработки данных РАТАН-600:

• Изменения в архитектуре комплекса сбора данных, связанные с переводом основной массы вычислительной техники на базу персональных компьютеров и универсальные средства коммуникации между ними. Она стала более надежной и открытой для дальнейшего развития.
• Замена элементной базы открыла возможность переноса математического обеспечения комплекса в среду универсальных и мобильных операционных систем, в первую очередь UNIX. Поэтому в среде UNIX была разработана новая версия многопользовательской системы поддержки наблюдательного процесса, позволившая автоматизировать процесс планирования разделения ресурсов и диспетчеризации наблюдательных программ. Одной из функций этой системы теперь является возможность автоматической обработки запросов от удаленных пользователей РАТАН-600 через систему электронной почты ``E-mail".
• Первые два направления оказались тесно связаны с развитием средств автоматизации наблюдательного эксперимента. Базовым направлением развития этих средств является обеспечение ``прозрачности" средств технической поддержки наблюдений (автоматической установки первичных рупоров в электрическую ось телескопа, управление радиометрами и т.п.), то есть такого способа взаимодействия элементов системы управления научным экспериментом, при котором для наблюдателя не видны промежуточные звенья и их конкретная проблематика при условии неизменности суммарной передаточной функции. Это направление является предпосылкой для осуществления удаленного автоматизированного и, в дальнейшем, полностью автоматического наблюдения.
• Современные аппаратно-программные средства могут дать качественный эффект, если не обойти вниманием развитие методов обработки данных наблюдательного эксперимента. Особую роль здесь играют методы обработки сигналов в реальном времени, предназначенные для борьбы с помехами, что в некоторой степени позволяет идти немного впереди резкого ухудшения помеховой обстановки, неизбежного из-за техногенного развития региона.

Таким образом актуальность работы определяется следующим:

1.

Существенно повышена надежность сбора наблюдательных данных за счет использования универсальных, легко доступных вычислительных средств, стандартных средств коммуникации и сокращения необходимого числа кабельных линий. При этом так же повышена надежность архивирования данных, из-за устранения фиксированной безадресной привязки потока наблюдательных данных к конкретному хост-компьютеру, появлением возможности программного переключения а также параллельной записи на несколько компьютеров одновременно.

2.

Благодаря использованию современной технологии и элементной базы в среднем на порядок возросла производительность системы сбора и передачи данных и, следовательно, потенциальная возможность увеличения в той же пропорции информационного потока радиотелескопа, возможности которого далеко не исчерпаны (Парийский 1995).

3.

Качественно улучшен сервис обслуживания наблюдательного процесса благодаря возможности удаленного доступа к компьютерам системы сбора данных с любого рабочего места компьютерной сети САО и Internet.

4.

Разработка нового метода обработки данных в реальном времени позволила в более полной мере реализовать потенциальную чуствительность радиометров радиотелескопа в условиях ухудшающейся помеховой обстановки.

Диссертация состоит из шести глав, описывающих соответствующие направления в модернизаци средств поддержки наблюдательного процесса на РАТАН-600 и оценки их эффективности, заключения и приложений. В главе 1 описаны базовые средства и обоснование выбора аппаратуры и программного обеспечения для построения систем автоматизации сбора данных в научных исследованиях с привлечением методов сетевой технологии Internet. В качестве примера описана архитектура сетевой системы сбора РАТАН-600. Показана целесообразность комбинирования аппаратных средств ARCnet и Ethernet в общей среде TCP/IP протоколов для сбора, архивизации и обработки наблюдательных данных. В приложении, вынесенном в конец диссертации, приведено описание библиотеки, упрощающей разработку пользовательских сетевых приложений по работе с файлами. В разделе 1.4 предложен оригинальный способ передачи графической информации на основе протокола передачи пользовательских дейтаграмм (UDP), предназначенный для управления системами сбора данных по сетям Internet. Сущность проблемы состоит в сложности передачи графических данных реального времени по существующим сравнительно медленным, с возможными временными задержками, каналам передачи данных. Оригинальность заключается в том, что для обмена данными на примере взаимодействия сокетов (sockets) клиента и сервера, разработан алгоритм, при котором сервер открывает всего один сокет для передачи пользовательских дейтаграмм, но использует не один адрес, а массив адресов клиентов. Это позволяет минимизировать требования к ресурсам вычислительных средств и пропускной способности сетей для обеспечения удаленного визуального контроля за сбором наблюдательных данных в реальном времени с нескольких пунктов одновременно. Способ дает возможность использовать как графические средства X11, так и обходиться без них при сохранении базовой идеологии разделения ресурсов типа ``клиент - сервер". Описаны алгоритмы работы графических программ сервера и клиента, позволяющие работать в режиме мультидоступа. Представлена реализация указанного способа на РАТАН-600. В главе 2 описана методика работы комплекса программно-аппаратных средств, позволяющая подготавливать и проводить наблюдения на РАТАН-600 с удаленных пунктов, в том числе персональных компьютеров, имеющих доступ к Internet как минимум в режиме ``E-mail". Поскольку большинство российских радиоастрономов, к сожалению, не имеет постоянной возможности для работы в Internet в ``on-line" режиме, такой вариант организации удаленных наблюдений весьма полезен, хотя он требует большей ``интеллектуальной" нагрузки на программное обеспечение комплекса, чем обычный вариант доступа через удаленный терминал (telnet). Возможность последнего также предоставлена. Работа комплекса основана на автоматической обработке запросов, посылаемых программой удаленного наблюдателя. Результаты наблюдения доступны пользователю Internet по FTP (протокол передачи файлов) и могут быть автоматически присланы в запакованном виде по ``E-mail". Алгоритмы работы комплекса расчитаны на множественность конфликтующих запросов, разрешаемых в порядке приоритетности наблюдательных программ с отправкой комплексного расписания заявителю. Комплект программ разработан для управления сетевой системой сбора и обработки наблюдательных данных, описанной в следующем разделе и главе . Разделом 2.3 представлена последняя версия многопользовательской системы подготовки, сбора и первичной обработки данных, поступающих от радиометров непрерывного спектра. Она перенесена на платформу ОС UNIX и расширена до уровня автоматической диспетчеризации наблюдательных ресурсов облучателей РАТАН-600, что позволило реализовать выше описанную методику для систем сбора данных радиометров непрерывного спектра. Система базируется на распределенном сетевом комплексе автоматизации сбора данных РАТАН-600 ``Continuous", что позволяет одновременно готовить и проводить независимые наблюдения на разных облучателях, в том числе и в удаленном режиме. Система представляет собой комплект программ для работы наблюдателя на рабочей станции и программное обеспечение диспетчера наблюдательных программ для сервера РАТАН-600. Наблюдатель в режиме диалога заполняет экранные формы, основные поля которых представляют каталожные данные радиоисточников. Подключение технических и координатных расчетов, а также взаимодействие с диспетчером осуществляется автоматически по существующим каналам связи, чем обеспечивается ``прозрачность" взаимодействия наблюдателя и систем сбора данных. Описана работа с системой. В главе описана структура, аппаратура и программное обеспечение системы управления кареткой облучателя 1 РАТАН-600, позволившие реализовать ``прозрачный" режим наблюдений источников в режиме ``скольжения" (Мингалиев и др. 1985). Система входила в состав многоуровневого аппаратного комплекса сбора данных, состоящего из двух одноплатных микро-ЭВМ отечественного производства. Описаны алгоритмы работы системы, заложенные также и в современный вариант комплекса сбора и управления. Особенностью системы является отслеживание не только скоростного, как на облучателях 2 и 3, но и координатного рассогласования. Это дает возможность проводить точные измерения координат радиоисточников и производить антенное сканирование участков неба. Приведены графические материалы, иллюстрирующие экспериментальную проверку качества работы системы. Получена точность сопровождения источников не хуже 0.1 мм и время разгона менее 5 с. В главе описан модернизированный вариант комплекса систем регистрации наблюдательных данных и управления радиометрами облучателя 1 - ``Continuous", основой которого является персональный компьютер с архитектурой процессора не хуже i386. Взаимодействие с радиометрами осуществляется через крейт-КАМАК под управлением свободно распространяемой версии ОС UNIX - Linux. Разработанный драйвер для крейт-контроллера КАМАК и сетевая поддержка ARCnet составили весьма надежные средства для распределенного получения и хранения наблюдательных данных. С помощью ``Continuous" можно проводить как короткие наблюдения, так и непрерывные круглосуточные обзоры с возможностью загрузки, управления и контроля с любого компьютера в локальной сети САО. Комплекс включает программы графического отображения наблюдательных данных в реальном времени. Он расчитан на совместную работу с ранее описанной многопользовательской системой поддержки наблюдательного процесса MCOSS-U, и позволяет, при необходимости, организовать удаленный режим сбора наблюдательных данных. Приводятся результаты экспериментальных наблюдений, подтверждающие точностные и надежностные параметры комплекса. В главе описан метод цифрового интегрирования с адаптивным выбором оптимального алгоритма работы в условиях помех, опирающийся только на наиболее общие свойства радиометрических сигналов. Метод предназначен для обработки сигналов в реальном времени и основан на альтернативном выборе из нескольких оценок наименее смещенной, по непараметрическому правилу ``ближайшего соседа". Предполагается, что плотность распределения шумового сигнала имеет одномодовый характер, а помехи, нарушая симметрию этого распределения, приводят к разной степени смещения линейной и ранговой оценок среднего на интервале интегрирования. Интервал интегрирования берется существенно меньше периода, определяемого двойной шириной спектра аппаратной функции антенной системы, так чтобы вклад ``сигнальной" составляющей в смещение оценки оставался незначительным. Для приведенных априорных предположений о характере сигнала и помех он работает быстрее и по эффективности лучше известных ранговых оценок.

Оценка робастна, поскольку правило не включает зависимостей ни от параметров распределения сигнала, ни от уровня помех. Поскольку для вычисления оценки не требуется увеличивать размерность выборки, то обработка происходит довольно быстро. Так при осреднении записи с окном в 50 отсчетов, алгоритм работает примерно в 200 раз быстрее аналогичного сжатия по методу Ходжеса-Лемана.

Путем численного моделирования получено, что дополнительная корреляция соседних отсчетов в выходном процессе при использовании метода не превышает 16%.

Приведены результаты обработки реальных наблюдений с использованием метода, подтверждающие целесообразность его использования на РАТАН-600. Обработка наблюдательного материала, полученного до и после внедрения метода на облучателе 1 показала улучшение показателей чуствительности на 20 - 25% в реальной помеховой обстановке. В главе приводится наблюдательный материал, полученный с помощью новой аппаратуры и программных средств для решения задачи определения координатной точности радиотелескопа РАТАН-600. Проводится анализ основных причин, ограничивающих координатную точность при наблюдениях. Показано, что основной вклад в ошибку определения прямого восхождения дает ошибка, обусловленная точностью установки первичных рупоров в электрическую ось системы ``главное зеркало + вторичное зеркало". При этом точность единичного измерения получается около 4''. Применение дополнительных методов контроля ориентации электрической оси и первичных рупоров позволяет существенно повысить точность. При этом точность одного определения прямого восхождения получается в пределах 0''.3 - 0''.5. Оценен и экспериментально проверен также вклад атмосферы в координатную точность при наблюдениях на РАТАН-600. Наблюдения проводились в режиме сопровождения источников с использованием системы автоматического управления кареткой, описанной в главе .

В заключении приведены основные итоги диссертационной работы и некоторые астрофизические результаты, полученные благодаря внедрению описанных средств.

Автор выносит на защиту:

• Комплекс аппаратно-программных средств, образующих территориально- распределенную систему сбора и обработки данных РАТАН-600, основанную на локальной сети с протоколами интернет.
• Автоматизированный комплекс сбора и управления радиометрами непрерывного спектра на РАТАН-600 - ``Continuous"
• Аппаратура и программно-алгоритмическое обеспечение системы управления кареткой облучателя 1 РАТАН-600.
• Методика и программное обеспечение для удаленной подготовки и организации наблюдений на РАТАН-600.
• Метод и алгоритмы оперативной визуализации данных распределенных систем сбора для удаленных рабочих станций на базе пользовательского дейтаграммного протокола интернет (UDP).
• Метод помехоустойчивого цифрового интегрирования сигналов радиометров, основанный на адаптивном выборе оптимального алгоритма оценки среднего по правилу ``ближайшего соседа".
• Результаты оценки точности координатных измерений на РАТАН-600.

Основное содержание работы опубликовано в 27 печатных работах и отчетах САО, выделенных подчеркиванием в списке литературы.

Результаты работы докладывались на XXV и XXVI Радиоастрономических конференциях (Пущино, 1993; С.Петербург, 1995), XVII Всесоюзной конференции по радиоастрономической аппаратуре (Ереван, 1985), IX Научно-технической конференции посвященной Дню Радио (Москва, 1983), Всесоюзном совещании по диалоговым информационно-вычислительным системам (Иркутск, 1986), выездной сессии Научного Совета РАН по проблеме ``Радиоастрономия" (Н.Архыз, 1994), на конкурсах-конференциях научно-технических работ и семинарах Специальной астрофизической обсерватории (САО).