專利名稱：應用于南極天文望遠鏡的軟件控制方法
技術領域：
本發明涉及一種天文望遠鏡的軟件控制方法，具體涉及一種應用在南極天文望遠鏡的軟件控制方法，該方法可以在有衛星通信和局域網的前提下，實現南極天文望遠鏡的非現場調試、控制參數修改、維護、操作和運行。
背景技術：
天文望遠鏡的控制軟件，其核心功能是實現對天文目標的位置指向和跟蹤。指向和跟蹤的具體實現算法根據硬件配置和軟件結構的不同有所區別。傳統望遠鏡通常通過控制軟件進行現場調試和觀測。操作時通常通過人機交互界面，直觀地了解望遠鏡各項狀態 指標，通過鼠標和鍵盤對望遠鏡發送“指令”，對望遠鏡的運動進行操作和控制，實現調試和運行。這種人機交互的操作方式，可以滿足望遠鏡的現場調試和有人值守的天文觀測。近年來的，理論研究和實際觀測發現，南極大陸有優越的天文觀測條件。南極大陸的天文觀測環境已經成為國際上天文觀測研究的熱點。中國在2007 2008年第24次南極科考期間，在南極大陸至高點一DOME A成功安裝運行了自動天文觀測站(PLATO)和小型光學天文觀測望遠鏡陣(CSTAR)，201廣2012年第28次南極科考期間，安裝第一臺全自動的南極巡天望遠鏡(AST3-1)。十二 ·五期間還將陸續進行第二、第三臺南極巡天望遠鏡(AST3-2，AST3-3)的研制和安裝、2. 5米大視場光學/紅外望遠鏡KDUST等的研制。目前，DOME A尚未建立越冬站，每年I月份有科考隊員抵達DOME A，駐留時間通常在20-25天左右。在這種情況下，安裝在南極的天文望遠鏡對控制軟件設計來說，面臨著特殊的挑戰，主要歸納為1)安裝周期短，人力少；2)現場調試的時間短，間隔時間長(接近I年);3)系統達到最優控制的調試要通過軟件遠程完成；4)天文觀測時望遠鏡現場處于無人值守狀態。同時，南極天文望遠鏡運行于低溫、低壓的極地環境下，其結構與軟件控制系統都需要滿足極端環境的運行要求；用于南極地區天文望遠鏡的電源供電主要是由燃油發電機發電供電(太陽能、電池組做備用供電)，其受燃油、氣壓、燃油發電機運行情況等因素影響較大，不能保證有較高的電源供電質量。

發明內容
為了滿足南極天文望遠鏡在南極低溫、低壓極端環境下的系統調試與觀測運行中的特殊要求，本發明提供一種應用于南極天文望遠鏡的軟件控制方法，該方法能夠在現場無人值守狀態下，通過遠程控制，在天文望遠鏡的調試階段，使系統達到最優控制；在正常觀測狀態下，采用精簡的控制結構通過軟件遠程完成對望遠鏡的控制、操作，以減少故障點，提高系統的可靠性。完成上述發明任務的技術方案是一種應用于南極天文望遠鏡的軟件控制方法，其特征在于，步驟如下
(1). “指令”形式采用有規定格式的字符串，“指令”從南極地區以外的控制臺計算機發出，通過衛星通信，將“指令”傳送給設置在南極現場的衛星信號接收設備OpenPort，OpenPort與望遠鏡控制計算機以及其他計算機和儀器組成局域網，OpenPort通過該局域網再將指令傳送給望遠鏡控制計算機的控制軟件。(2).南極天文望遠鏡中望遠鏡控制計算機的控制軟件接收到“指令”后進行指令的校驗(要判斷指令的格式、參數名、參數數值是否正確)和解析；
(3).由控制計算機和驅動控制器完成控制系統的位置閉環；
具體方法是控制軟件計算望遠鏡兩軸此刻的理論軸角位置，讀取望遠鏡兩軸此刻的實際軸角位置，二者之差為兩軸此刻的位置誤差。由PID控制理論，采用離散的PID控制算法，計算望遠鏡兩軸此刻的理論運行速度，將其轉化為相應指令，輸出給驅動控制器。(4).由驅動控制器完成控制系統的電流閉環和速度閉環；
具體方法是電流閉環中，霍爾電流傳感器采集實際輸出電流，硬件電路比較實際值與 理論值的差別，實現閉環；速度閉環中，伺服電動機的旋轉變壓器做速度反饋，硬件電路比較速度實際值與理論值的差別，做出補償，實現閉環。(5).計算機控制軟件完成外環的位置控制算法，以及望遠鏡運動的加速和減速控制算法；控制望遠鏡進行相應的動作，完成望遠鏡的控制操作；
(6).望遠鏡控制軟件鏡面加熱控制方法采集鏡面三個傳感器溫度值，取平均值作為鏡面溫度；采集環境溫度傳感器溫度值，與鏡面溫度進行比較，根據二者的溫度差，輸出不同的加熱功率，到鏡面導電膜的電流控制機構。其中步驟(6)為日常觀測中隨時使用的步驟。使用該步驟時，與其他步驟沒有時間先后的限制。本發明基于中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所研制的第一臺南極巡天望遠鏡(AST3-1)的硬件控制系統。其特點是
I.傳統有人值守的望遠鏡，通過控制軟件的交互界面，直觀地了解望遠鏡各項狀態指標，通過鼠標和鍵盤對望遠鏡發送“指令”，對望遠鏡的運動進行控制，實現調試和運行。南極天文望遠鏡控制軟件，其特征在于，“指令”形式為有規定格式的字符串，“指令”從另一臺計算機發出，通過衛星通信或者局域網，將“指令”傳送給控制軟件，控制軟件接收到“指令”后進行指令解析，控制望遠鏡進行相應的動作，完成望遠鏡的控制操作。在此過程中，沒有在現場對控制軟件的直接操作。2.對于傳統中緯度臺址的望遠鏡控制系統，沒有極端環境運行要求，通常由控制計算機內置的位置控制卡和驅動控制器完成控制系統的位置閉環。南極天文望遠鏡運行于低溫、低壓的極地環境下，為減少故障點，提高系統的可靠性，盡可能采用精簡的控制結構，沒有采用單獨的位置控制卡。而是由驅動控制器完成控制系統的電流閉環和速度閉環，計算機控制軟件完成外環的位置控制算法。南極望遠鏡控制軟件特征在于，由計算機控制軟件完成外環的位置控制算法，以及望遠鏡運動的加速和減速控制算法。3.傳統中緯度臺址的光學望遠鏡，通常都有保護鏡蓋，鏡蓋通過人工或者電動打開/關閉。由于Dome A有三、四個月的極夜可以連續觀測，另外為了減少故障點，增加控制系統的可靠性，南極望遠鏡沒有設計鏡蓋。入瞳鏡面直接暴露于外部環境中，為了鏡面的除冰去雪，鏡面加鍍導電膜。南極望遠鏡控制軟件的特征在于控制軟件有鏡面加熱控制，即鏡面導電膜的通斷電控制由望遠鏡控制軟件完成，保證鏡面溫度略高于環境溫度，防止鏡面結霜。4.由于天文望遠鏡兩驅動軸運動速度范圍較大，通常最高速與最低速的比率達到3600:1以上，南極天文望遠鏡的運行速度還和望遠鏡的軸角安裝精度有關，為了保證望遠鏡赤經、赤緯軸的極軸微量修正，因此需要保證驅動器有較一般望遠鏡更大的調速范圍。因此，控制回路中必須采用高精度數模轉換器來完成，它必須有高精度、低紋波系數的電源來支撐，用于南極地區天文望遠鏡的電源供電主要是由燃油發電機發電供電，其受燃油、氣壓、燃油發電機運行情況等因素影響較大，不能保證有較高的電源供電質量。傳統望遠鏡控制系統的解決方案有1)增加控制卡，分別負責望遠鏡高速和低速運行的控制；2)將望遠鏡運行速度限為高速、中速、低速三檔，分別用不同的控制電路或算法保證精度。這二種方案都難在南極天文望遠鏡中使用，南極望遠鏡控制系統為了增加系統的可靠性，方案采用低精度的12位D/A轉換器自動衰減16倍和不衰減二種控制模式進行控制，可以獲得近似16位D/A數模轉換器的使用效果，運行速度不需要設檔，即可完成寬范圍的無級變速。具體方案如圖I所示。為了保證望遠鏡較寬范圍的平穩速度控制，需要采取 二檔調速，并實現二種速度的平穩對接，二檔調速算法由控制軟件完成。南極望遠鏡控制軟件的特征在于，望遠鏡加速和減速算法采用二檔調速算法。本發明的應用于南極天文望遠鏡的軟件控制方法，能夠滿足南極天文望遠鏡在南極低溫、低壓極端環境下的系統調試與觀測運行中的特殊要求，該方法能夠在無人值守狀態下，通過遠程控制，在天文望遠鏡的調試階段，使系統達到最優控制的調試狀態；在正常觀測狀態下，采用精簡的控制結構通過軟件遠程完成對望遠鏡的控制、操作，以減少故障點，提高系統的可靠性。


圖I為速度控制方案流程 圖2為加速/減速控制算法流程 圖3為位置閉環控制算法流程 圖4為鏡面溫度控制算法流程流程 圖5為二檔速度控制算法流程圖。
具體實施例方式實施例1，中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所研制的第一臺南極巡天望遠鏡(AST3-1)的硬件控制系統。I.對于“特征1”，南極望遠鏡可解析的“指令”字符串格式為 <ID=NXpara=value> [<para=value>];
其中N為正整數，代表每條指令的唯一的識別號；para為字符串，代表參數名稱；value可為數值型或字符串型,代表參數的值。<para=value>項可以是一項，也可以是數項。例如指令“<ID=2>; ”指令含義為返回望遠鏡狀態信息。指令“<ID=6XRA=12. 34><DEC=56. 789〉； ”指令含義為望遠鏡指向并跟蹤赤道坐標系坐標為(12. 34° ,56.789° )的天體目標。
2.對于“特征I ”，“指令”的傳輸有兩種方式
I)文件式指令的發送是通過衛星通信，登陸望遠鏡控制計算機，將指令文件傳送至指定的“接收目錄”下。望遠鏡控制軟件定時掃描指定“接收目錄”，發現目錄中有文件存在時，讀取文件中的指令，判斷指令格式是否正確，如果正確則解析指令，完成指令規定的動作。執行過程中，控制軟件將反饋信息寫入新的文件，保存在指定“發送目錄”下。取回反饋信息的方法是通過衛星通信，登陸望遠鏡控制計算機，將指定“發送目錄”下的文件傳回。2) SOCKET方式望遠鏡控制軟件建立基于TCP/IP協議的SOCKET服務器端，偵聽客戶端連接請求。另一臺計算機要想控 制望遠鏡的運行，可以與望遠鏡控制計算機組建局域網，向望遠鏡控制軟件端口發送連接請求。建立連接后，客戶端將“指令”信息流發送給控制軟件服務器端，控制軟件對指令進行判斷和解析，完成指令規定的動作。執行過程中，控制軟件將反饋信息發送給客戶端。3.對于“特征2”，望遠鏡運動的加速和減速控制由望遠鏡控制軟件完成。具體算法流程如圖2所示。Vtar為目標速度值，Vcur為當前速度值，Vstep為加速度值。4.對于“特征2”，望遠鏡運動的外環位置控制的算法有望遠鏡控制軟件完成，具體算法流程如圖3所示。SI，S2, S3為指定的減速位置差閾值；V1，V2, V3為指定限定速度。5.對于“特征3”，望遠鏡控制軟件鏡面加熱控制方法采集鏡面三個傳感器溫度值，取平均值作為鏡面溫度。采集環境溫度傳感器溫度值，與鏡面溫度進行比較，根據二者的溫度差，輸出不同的加熱功率。控制算法流程圖如圖4所示。6.對于“特征4”，二檔調速的軟件控制方法為計算機通過D/A轉換卡將12位數字量轉化為模擬量，作為速度給定送入驅動器。在D/A轉換過程中，設置兩檔最高速度模式I)高速模式。12位數字量(Γ4095輸出(TlOV電壓；2)低速模式中，12位數字量(Γ4095輸出(TO. 625V電壓。輸出電壓越高，望遠鏡運動速度越快。軟件速度控制算法為設定一個速度閾值Vs，如果目標輸出速度V>Vs，采用高速模式輸出；如果V <Vs，則采用低速模式輸出。具體算法流程如圖5所示。
權利要求
1.一種應用于南極天文望遠鏡的軟件控制方法，其特征在于，步驟如下 (1).“指令”形式采用有規定格式的字符串， “指令”從南極地區以外的控制臺計算機發出，通過衛星通信，將“指令”傳送給設置在南極現場的衛星信號接收設備OpenPort, OpenPort與望遠鏡控制計算機以及其他計算機和儀器組成局域網，OpenPort通過該局域網再將指令傳送給望遠鏡控制計算機的控制軟件； (2).南極天文望遠鏡中望遠鏡控制計算機的控制軟件接收到“指令”后進行指令的校驗和解析； ⑶.由控制計算機和驅動控制器完成控制系統的位置閉環； ⑷.由驅動控制器完成控制系統的電流閉環和速度閉環； (5).計算機控制軟件完成外環的位置控制算法，以及望遠鏡運動的加速和減速控制算法；控制望遠鏡進行相應的動作，完成望遠鏡的控制操作； (6).望遠鏡控制軟件鏡面加熱控制方法采集鏡面三個傳感器溫度值，取平均值作為鏡面溫度；采集環境溫度傳感器溫度值，與鏡面溫度進行比較，根據二者的溫度差，輸出不同的加熱功率，到鏡面導電膜的電流控制機構。
2.根據權利要求I所述的應用于南極天文望遠鏡的軟件控制方法，其特征在于，步驟⑴所述的“指令”字符串格式為<ID=NXpara=value> [<para=value>]； 其中N為正整數，代表每條指令的唯一的識別號；para為字符串，代表參數名稱；value可為數值型或字符串型,代表參數的值；其中，<para=value>項可以是一項,也可以是數項。
3.根據權利要求I所述的應用于南極天文望遠鏡的軟件控制方法，其特征在于，步驟(I)、⑵所述的具體操作是指令的發送是通過衛星通信，登陸望遠鏡控制計算機，將指令文件傳送至指定的“接收目錄”下；望遠鏡控制軟件定時掃描指定“接收目錄”，發現目錄中有文件存在時，讀取文件中的指令，判斷指令格式是否正確，如果正確則解析指令，完成指令規定的動作；執行過程中，控制軟件將反饋信息寫入新的文件，保存在指定“發送目錄”下；取回反饋信息的方法是通過衛星通信，登陸望遠鏡控制計算機，將指定“發送目錄”下的文件傳回。
4.根據權利要求I所述的應用于南極天文望遠鏡的軟件控制方法，其特征在于，步驟⑶的具體操作方法是控制軟件計算望遠鏡兩軸此刻的理論軸角位置，讀取望遠鏡兩軸此刻的實際軸角位置，二者之差為兩軸此刻的位置誤差；由PID控制理論，采用離散的PID控制算法，計算望遠鏡兩軸此刻的理論運行速度，將其轉化為相應指令，輸出給驅動控制器。
5.根據權利要求I所述的應用于南極天文望遠鏡的軟件控制方法，其特征在于，步驟⑷的具體操作方法是電流閉環中，霍爾電流傳感器采集實際輸出電流，硬件電路比較實際值與理論值的差別，實現閉環；速度閉環中，伺服電動機的旋轉變壓器做速度反饋，硬件電路比較速度實際值與理論值的差別，做出補償，實現閉環。
6.根據權利要求1-5之一所述的應用于南極天文望遠鏡的軟件控制方法，其特征在于，步驟(5)所述的控制望遠鏡進行相應的動作，是采用二檔速度控制算法，該二級調速的軟件控制方法為計算機通過D/A轉換卡將12位數字量轉化為模擬量，作為速度給定送入驅動器；在D /A轉換過程中，設置兩檔最高速度模式I)高速模式；12位數字量(Γ4095輸出(TlOV電壓；2)低速模式中，12位數字量(Γ4095輸出(TO. 625V電壓；輸出電壓越高，望遠鏡運動速度越快。
全文摘要
應用于南極天文望遠鏡的軟件控制方法⑴“指令”形式采用有規定格式的字符串，“指令”從另一臺計算機發出，通過衛星通信或者局域網，將“指令”傳送給控制軟件；⑵南極天文望遠鏡中的控制軟件接收到“指令”后進行指令解析；⑶由控制計算機內置的位置控制卡和驅動控制器完成控制系統的位置閉環；⑷由驅動控制器完成控制系統的電流閉環和速度閉環；⑸計算機控制軟件完成外環的位置控制算法，以及望遠鏡運動的加速和減速控制算法；控制望遠鏡進行相應的動作，完成望遠鏡的控制操作；⑹望遠鏡控制軟件鏡面加熱控制方法。本發明能夠滿足南極天文望遠鏡在南極低溫、低壓極端環境下的系統調試與觀測運行中的特殊要求。
文檔編號G05D23/19GK102880131SQ20121034289
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月14日 優先權日2012年9月14日
發明者李曉燕, 汪達興 申請人:中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所