SSS選星算法研究及小系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)是中國天文學(xué)家根據(jù)20世紀(jì)末天文學(xué)發(fā)展的趨向，并且在工程技術(shù)上不斷創(chuàng)新性的指導(dǎo)思想下，提出的一個(gè)大視場多目標(biāo)光纖光譜巡天的計(jì)劃。1996年國家科技領(lǐng)導(dǎo)小組在全國啟動(dòng)了重大科學(xué)工程計(jì)劃，LAMOST在1997年由國家計(jì)劃批準(zhǔn)立項(xiàng)，項(xiàng)目于2001年8月正式開工，并預(yù)計(jì)于2008年完工。從2007年開始，在望遠(yuǎn)鏡本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)完成以后，望遠(yuǎn)鏡24塊MA子鏡和37塊MB子鏡分批裝配，逐步調(diào)試，在

2、逐步安裝子鏡的過程中，當(dāng)LAMOST有效口徑達(dá)到2米左右時(shí)，在焦面架上安裝了一個(gè)配備了250根光纖定位系統(tǒng)的小焦面板，此時(shí)形成LAMOST的雛形，我們稱之為“小系統(tǒng)”或“小LAMOST”。根據(jù)興隆2.16m望遠(yuǎn)鏡的使用經(jīng)驗(yàn)，小系統(tǒng)應(yīng)該能在1.5小時(shí)觀測時(shí)間內(nèi)記錄下18～19星等天體的光譜，此時(shí)就可以開展有價(jià)值的科學(xué)觀測了。 LAMOST是一種新的天文望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，稱為“子午裝置的臥式反射施密特望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)”，它突破了長期以來天文望遠(yuǎn)

3、鏡設(shè)備的缺陷，是一臺(tái)兼?zhèn)浯笠晥龊痛罂趶降墓鈱W(xué)望遠(yuǎn)鏡。它選擇最佳的觀測時(shí)機(jī)(天體過中天時(shí))，可以同時(shí)對4000個(gè)目標(biāo)進(jìn)行光譜觀測、有效口徑達(dá)4米，視場達(dá)到20平方度。實(shí)踐證明LAMOST至今仍然是當(dāng)前國際上大視場多目標(biāo)光纖光譜觀測的最重要的一個(gè)項(xiàng)目。 LAMOST要求在1.5小時(shí)的積分時(shí)間內(nèi)探測極限星等為20.5等。一個(gè)晚上其觀測數(shù)目可能高達(dá)15，000顆，但是由于其光纖的運(yùn)動(dòng)范圍很有限，很難保證在任何情況下，都能有很高的整體觀測

4、效率。如何在保證完成光譜巡天的有關(guān)科學(xué)目標(biāo)的前提下，提高望遠(yuǎn)鏡的觀測效率是有待解決的難題。為了提高觀測效率，必須對觀測計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，LAMOST的巡天戰(zhàn)略系統(tǒng)(SSS)就是為了達(dá)到此目標(biāo)而設(shè)計(jì)的一個(gè)子系統(tǒng)。 LAMOST的巡天戰(zhàn)略系統(tǒng)的目標(biāo)是安排觀測計(jì)劃，以最優(yōu)化的方式在盡可能短的時(shí)間內(nèi)獲得科學(xué)目標(biāo)所需質(zhì)量要求的觀測資料，它將負(fù)責(zé)制定觀測計(jì)劃，決定觀測時(shí)間和安排觀測流程等。LAMOST一夜的觀測光譜數(shù)量在1萬個(gè)以上，在LAMOS

5、T建成之后數(shù)年內(nèi)，將對北天區(qū)的2萬平方度的10<'7>個(gè)目標(biāo)進(jìn)行巡天觀測。面對如此之巨的待測天體目標(biāo)，如何在盡可能短的時(shí)間內(nèi)，有計(jì)劃有目的的，分期分批無遺漏的對其進(jìn)行觀測，是擺在我們面前的極富挑戰(zhàn)性的課題。充分利用LAMOST的觀測能力有效的組織巡天觀測，提高觀測效率，縮短觀測周期，生成科學(xué)的觀測計(jì)劃是SSS系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)原則。從SSS本身效率的角度，從獲得可觀測天區(qū)到做出當(dāng)天的觀測計(jì)劃，其間只有短短的三十分鐘，同時(shí)，在實(shí)際觀測中，還存

6、在各種意外情況的出現(xiàn)，例如天氣的意外變化，望遠(yuǎn)鏡的緊急故障，都可能使原本安排的觀測計(jì)劃變得不再適用，所以巡天戰(zhàn)略系統(tǒng)必須具有快速應(yīng)變的特性。為了建立滿足上述要求的系統(tǒng)，本文首先介紹了整個(gè)控制系統(tǒng)模型，說明了巡天戰(zhàn)略系統(tǒng)的地位，然后對巡天戰(zhàn)略系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的需求分析，提出了巡天戰(zhàn)略系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并就此提出了相應(yīng)的解決方案?；谶@個(gè)解決方案，確定了巡天戰(zhàn)略系統(tǒng)的選星算法模型和軟件功能結(jié)構(gòu)定義。 巡天戰(zhàn)略制定的前提是對望遠(yuǎn)鏡在執(zhí)行觀

7、測時(shí)會(huì)受到的多種約束條件進(jìn)行系統(tǒng)分析，本文將與望遠(yuǎn)鏡觀測相關(guān)的各種約束條件進(jìn)行了系統(tǒng)地分類，并為每個(gè)約束條件建立起準(zhǔn)確有效的算法模型，同時(shí)針對每個(gè)約束條件在選星過程的影響程度進(jìn)行測試，確定了約束條件的在觀測計(jì)劃制定流程中的可執(zhí)行度。 巡天戰(zhàn)略最關(guān)鍵的問題是選星算法的研究，通過對觀測策略比較分析，在原有基于優(yōu)先策略的“最大密度，平均分布”動(dòng)態(tài)算法的基礎(chǔ)上提出了均值漂移選星算法，并對此算法作了模擬計(jì)算，結(jié)果表明該算法可以提高望遠(yuǎn)鏡的

8、光纖利用率7％-15％，同時(shí)大大縮短了觀測計(jì)劃制定時(shí)間，節(jié)省了觀測準(zhǔn)備時(shí)間。 在以上理論分析及算法研究的基礎(chǔ)上，我們運(yùn)用軟件工程思想進(jìn)行了SSS軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并針對LAMOST小系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一套軟件供2007年下半年小系統(tǒng)預(yù)觀測期間使用。本文介紹了SSS軟件框架的設(shè)計(jì)與SSS數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，著重介紹了SSS小系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 此外，為了盡早發(fā)現(xiàn)并修正軟件中存在的錯(cuò)誤和缺陷，我們對SSS軟件進(jìn)行了系統(tǒng)的測試，從

9、而確保SSS系統(tǒng)在能夠安全、可靠和高性能地運(yùn)行。 最后，本論文還就SSS的下一步的發(fā)展方向進(jìn)行了討論。 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新在于： 1、首次對LAMOST望遠(yuǎn)鏡觀測時(shí)可能遇到的約束條件進(jìn)行系統(tǒng)地分類，并使用天體測量理論為每種約束條件建立算法模型并進(jìn)行可執(zhí)行度分析。 2、首次將廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的均值漂移算法引入巡天戰(zhàn)略的制定，對算法進(jìn)行模擬的結(jié)果表明在原有最大密度選星算法的基礎(chǔ)上運(yùn)用均值漂移算法可以使LA