Сетевой проект МАСТЕР на Дальнем Востоке Вестник ДВО РАН. 2013. № 5

Вестник ДВО РАН. 2013. № 5
УДК 520(571.67)
В.В. ЮРКОВ, В.М. ЛИПУНОВ
Сетевой проект МАСТЕР
на Дальнем Востоке
Описаны основные принципы и особенности реализации роботизированной сети оптических телескопов
МАСТЕР, предназначенной для исследования собственного (синхронного с гамма-излучением) оптического излучения гамма-всплесков и проведения обзора неба с целью обнаружения некаталогизированных объектов. В настоящее время протяженность сети по долготе превосходит 6 ч. Планируется дальнейшее ее расширение.
Ключевые слова: телескоп-робот, роботизированная сеть МАСТЕР.
Network project MASTER in the Far East. V.V. YURKOV (Ussurijsk Astrophysical Observatory, FEB RAS,
Ussurijsk), V.M. LIPUNOV (Sternberg Astronomical Institute, Moscow State University).
This paper describes the basic principles and features of the implementation of a robotic network of optical
telescopes MASTER, designed to study the own (simultaneous with gamma radiation) optical emission of gamma-ray
bursts and to perform the sky survey to detect non-catalogued objects. The network spreading over the longitude is
greater than 6 hours. A further improvement of the network is planned.
Key words: telescope-robots, MASTER Robotic Net.
В начале XXI в. стало очевидным, что применение роботизированных телескопов позволяет совершить прорыв в исследовании нестационарных и кратковременных
(транзиентных) явлений во Вселенной. Благодаря таким инструментам удалось открыть
собственное оптическое излучение самых мощных взрывов во Вселенной – гамма-всплесков. Открытие сотен сверхновых звезд позволило предположить существование так
называемой темной энергии. С помощью телескопов-роботов открывают тысячи новых
астероидов и комет, десятки планет вне Солнечной системы (экзопланет). Для решения
многих подобных задач достаточно телескопа с небольшой апертурой, здесь более важным является величина поля зрения. Непредсказуемость многих транзиентных явлений
и их практически изотропное распределение на небесной сфере приводит к тому, что
вероятность их обнаружения и исследования возрастает пропорционально увеличению
времени наблюдений. Относительная доступность малых телескопов дает возможность
повышать эффективность исследований, увеличивая их число и размещая в разных точках
земного шара. Россия с ее огромной долготной протяженностью является уникальным
местом для подобного рода исследований.
Первый отечественный робот-телескоп МАСТЕР создан в 2002–2006 гг. в МГУ
им. М.В. Ломоносова и установлен под Москвой [1]. С его помощью удалось не только
получить значительный научный эффект, но и исследовать многие методические и технические особенности применения малых роботизированных телескопов, разработать комплекс уникального программного обеспечения, позволяющего автоматически проводить
содержательные астрономические наблюдения [1, 2]. Дальнейшее развитие сеть МАСТЕР
получила в 2008–2010 гг., когда были введены в строй четыре телескопа-робота МАСТЕР
II [4]. Сейчас сеть таких телескопов протянулась по России от Благовещенска до Кавказа.
*ЮРКОВ Владимир Владимирович – кандидат физико-математических наук, научный сотрудник (Уссурийская
астрофизическая обсерватория ДВО РАН, Благовещенск), ЛИПУНОВ Владимир Михайлович – доктор физико-математических наук, профессор (Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга Московского государственного университета им М.В. Ломоносова). *E-mail: [email protected]
154
В Благовещенске регулярные наблюдения на комплексе МАСТЕР II успешно проводятся с января 2011 г. до настоящего времени.
Таким образом, российская составляющая глобальной роботизированной сети оптических телескопов-роботов МАСТЕР полностью завершена и успешно функционирует, а по
своим параметрам она вышла вровень с такими известными американскими проектами,
как CATALINA, PTF, ROTSE III и др.
Оптико-механическое оснащение и структура комплекса МАСТЕР II
Обсерватории сети МАСТЕР оснащены однотипным оборудованием для получения однородных данных наблюдений и минимизации затрат на программно-аппаратную
поддержку. Основным элементом комплекса МАСТЕР II является двойной катадиоптрический светосильный телескоп, установленный на быстрой экваториальной монтировке
с обеих ее сторон (рис. 1). Оптическая система каждой трубы телескопа одинакова и представляет собой достаточно широко известную систему Гамильтона; основные оптические
характеристики телескопа: диаметр входного зрачка D – 400 мм, относительное фокусное расстояние F/D – 2,5, масштаб изображения r – 206′′/мм, максимальное поле зрения
2w – 4°, центральное экранирование ПЗС-камерой (по площади) – 25%, чистая площадь
входного зрачка S – 940 см2 [4].
Рабочее поле трубы телескопа, определяемое линейным размером приемника излучения, составляет 2,1 × 2,1°. В качестве приемника используется ПЗС-камера Alta U16M
(Apogee, США) форматом 4000 × 4000 пикселей, обеспечивающая значительный запас
поля зрения оптической системы и качественное изображение в любой точке получаемых
снимков. Трубы телескопа (для удобства они обозначаются как западная и восточная по их
расположению в исходном состоянии) закреплены на экваториальной монтировке таким
образом, чтобы обеспечить два режима коллимации телескопа: первый – трубы коллинеарные (оптические оси лежат в плоскости симметрии и совпадают с вектором наведения)
и второй – трубы разведены (оптические оси составляют с вектором наведения угол ±1°).
Первый режим используется при одновременных наблюдениях транзиентных явлений
в разных фотометрических полосах, второй – при наблюдениях обзорного типа.
Рис. 1. Телескоп-робот МАСТЕР II. Благовещенск, 2013 г. Фото В.В. Юркова
155
В телескопе МАСТЕР II используется монтировка немецкого типа NTM-500
(Аstelco, Германия) на моментных двигателях. Отсутствие механических передач значительно повышает скорость
наведения телескопа на объект (до 30°/c)
и надежность работы, в том числе в экстремальных условиях. После юстировки
консоли по азимуту и высоте и выполнения калибровочных наведений монтировка обеспечивает точность позиционирования порядка 10′′.
Специально разработанный фотометрический блок обеспечивает установку в
световой пучок одного из четырех светофильтров и поляроидов. Их набор на западном и на восточном фотометрах зависит от
того, какая задача наблюдений наиболее
Рис. 2. Павильон телескопа-робота МАСТЕР II. Благоактуальна в долговременном плане.
вещенск, 2013 г. Фото В.В. Юркова
Для защиты телескопа от непогоды
в суровых условиях Дальнего Востока используется металлический павильон собственной разработки (рис. 2). Такой вариант укрытия обеспечивает доступность для наблюдения всего неба за исключением пятиградусной зоны возле горизонта, где происходит
частичное экранирование входных зрачков телескопа.
Важным компонентом автоматизированной системы является метеорологический датчик. Кроме информации о состоянии неба, определяемого по его яркостной температуре,
это устройство обеспечивает дополнительную необходимую информацию – о температуре окружающего воздуха, наличии осадков и грубой оценке скорости ветра. Анализ текущих метеоусловий важен не только для обеспечения безопасности работы телескопов, но
и для планирования программ фоновых наблюдений.
Проведение синхронных наблюдений гамма-всплесков в каждом комплексе МАСТЕР II
обеспечивают две камеры сверхширокого поля AVT GE4000 форматом 4008 × 2672 пикселя с физическим размером детектора 24 × 36 мм, которые имеют умеренный шум считывания (порядка 30 e). Они оснащены объективами Zeiss 85/1,4 ZF с диаметром 70 мм и фокусным расстоянием 85 мм. Поле зрение камер с этими объективами составляет 24 × 16°
при масштабе 21′′/пиксель, что обеспечивает вклад фона неба в общую яркость изображения на уровне около 14 m/пиксель в ясную безлунную ночь.
Камеры установлены на основные трубы телескопа и направлены в ту же сторону так,
чтобы обеспечить мониторинг максимальной области неба с некоторым небольшим перекрытием вблизи линии визирования телескопов.
Визуальный контроль всей установки, павильона и телескопа при необходимости осуществляется при помощи двух простых WEB-камер – наружной и внутренней (подкупольной).
Структура комплекса МАСТЕР II призвана обеспечить эффективное его функционирование на физическом и логическом уровнях, передачу данных и команд для управления
оборудованием роботизированного телескопа, сохранение астрономической и вспомогательной регистрируемой информации (рис. 3) [4].
Комплекс организован в виде рассредоточенной управляющей и вычислительной
компьютерной системы, объединенной в одно целое сегментом локальной сети Ethernet.
Основным элементом информационной структуры служит сервер на двухпроцессорной
восьмиядерной платформе Intel Xeon 54xx.
156
Рис. 3. Общая структура комплекса МАСТЕР I
Разнообразие используемых физических интерфейсов инкапсулируется на системном
уровне (драйверы устройств), а логические особенности нивелируются на уровне управляющих программ.
Управление узлами телескопа и куполом-укрытием, т.е. взаимодействие с разработанными специальными контроллерами, осуществляется последовательно по линии на основе физического интерфейса RS485. Такой способ передачи команд и данных достаточно помехоустойчив и гальванически развязан с управляющим компьютером, к которому
линия подсоединяется через специальный конвертер интерфейсов RS232/RS485. Метод,
содержащий простой логический протокол, более 10 лет применяется в различных аппаратурных разработках.
На всех машинах комплекса используется операционная система GNU/Linux, позволяющая оптимальным образом обеспечить локальную, рассредоточенную и удаленную
работу. Естественно, аппаратурная рассредоточенность комплекса подразумевает информационно-программную. Программное обеспечение состоит из нескольких отдельных
программ, которые запускаются и работают независимо друг от друга, а при необходимости взаимодействуют между собой. Такое разделение на отдельные компоненты позволило
повысить гибкость ПО, переложив часть функций на операционную систему, упростить
процесс разработки и отладки ПО, обеспечить устойчивость всей системы в целом, упростить логику работы отдельной программы и легко обеспечить параллельное выполнение
различных функций процесса наблюдений и обработки данных. Каждый программный
компонент обеспечивает выполнение одной логической задачи или функции. Это подразумевает разделение всего процесса наблюдений на отдельные достаточно изолированные
и самодостаточные части. При этом приоритет отдается не обслуживанию того или иного
устройства, а именно задаче, зачастую связанной с этим устройством. В штатном режиме
157
большинство программ работают в фоновом режиме. Основной способ взаимодействия
разных программ – сетевые TCP/IP соединения, где одни программы выполняют роль серверов, а другие – клиентов.
Перспективы развития
Сетевой проект МАСТЕР в г. Благовещенск стартовал в октябре 2009 г. и в течение года отработал в режиме тестирования [3]. За этот период откорректированы все
его системы, открыто большое количество новых астрофизических объектов. В настоящее
время Благовещенская база данных, полученная на телескопе-роботе МАСТЕР II, является самой большой в сети. Общее количество электронных телеграмм, отправленных в
Astrophysics Data System (NASA) только за первую половину 2013 г., составило более 60,
что говорит о высокой эффективности сети в целом и Благовещенского пункта наблюдения в частности.
Дальнейшее развитие проекта МАСТЕР – это не только построение глобальной роботизированной сети, которая должна охватить и Южное полушарие с целью наблюдения
объектов неба, недоступных для наших широт, но и создание еще одной подсистемы более мощных телескопов-роботов – МАСТЕР III. Такой роботизированный комплекс на
основе светосильного телескопа с апертурой 1 м и относительным фокусным расстоянием
2,5 будет оснащен монолитной 112 мегапиксельной ПЗС-камерой, обеспечивающей поле
зрения 2 × 2° и проницание до 23m в безлунную ночь. Эти телескопы-роботы будут использоваться как для фотометрических, так и для спектрометрических наблюдений различных транзиентных объектов. Планируется разместить их в обсерваториях, участвующих
в сетевом проекте МАСТЕР. В частности, в России телескоп-робот МАСТЕР III должен
появиться вблизи Кисловодска, где сейчас строится Кавказская горная обсерватория МГУ
им. М.В. Ломоносова, еще один – на Дальнем Востоке вблизи г. Благовещенск. Создание
относительно крупных роботизированных телескопов даст возможность не только получать быстрые фотометрические обзоры с большим проницанием, но и проводить массовые спектральные наблюдения.
Таким образом, с вводом в строй подсистемы МАСТЕР III будет завершено формирование глобальной роботизированной сети МАСТЕР, которая к 2015 г. по своей эффективности должна превзойти существующие мировые аналоги.
ЛИТЕРАТУРА
1. Липунов В.М., Корнилов В.Г., Крылов А.В. и др. Оптические наблюдения гамма-всплесков, открытие
сверхновых 2005bv, 2005ее, 2006ak и поиск транзиентов на телескопе-роботе «МАСТЕР» // Астроном. журн.
2007. Т. 84, вып. 12. С. 1110–1134.
2. Липунов В.М., Корнилов В.Г., Горбовской Е.С. и др. Открытие оптической вспышки гамма-всплеска
GRB 060926 телескопом-роботом МАСТЕР: Возможное образование предельно-вращающейся черной дыры
// Письма в астроном. журн. 2008. Т. 34, вып. 3. С. 167.
3. Юрков В.В. Астрономические исследования в Благовещенске. Современное состояние и перспективы
// Вестн. ДВО РАН. 2010. № 6. С. 113–117.
4. Kornilov V., Lipunov V., Gorbovskoy E. et al. Robotic optical telescopes global network MASTER II. Equipment,
structure, algorithms // Exp. Astron. 2012. Vol. 33, N 1. Р. 173–196.
158