Теоретичні та методичні основи спостережень та їх обробки на автоматичному меридіанному телескопі горизонтального типу

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦIОНАЛЬНА АКАДЕМIЯ НАУК УКРАЇНИ

ГОЛОВНА АСТРОНОМІЧНА ОБСЕРВАТОРІЯ

АВТОРЕФЕРАТ

ТЕОРЕТИЧНІ ТА МЕТОДИЧНІ ОСНОВИ СПОСТЕРЕЖЕНЬ ТА ЇХ ОБРОБКИ НА АВТОМАТИЧНОМУ МЕРИДІАННОМУ ТЕЛЕСКОПІ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ТИПУ

Спеціальність: Астрометрія і небесна механіка

Процюк Юрій Іванович

Київ, 2000 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.

В зв'язку з використанням останнім часом для виконання астрометричних задач можливостей космічних апаратів та розвитком електроніки й обчислювальної техніки до наземних астрометричних телескопів та їх програм спостереження висуваються високі вимоги. Космічні експерименти не заперечують необхідність наземних спостережень, а лише зміщують акценти в сучасних астрометричних програмах. Значне місце у цих програмах посідають автоматичні меридіанні телескопи, що мають можливість проведення масових спостережень зірок із високою точністю. Це стало можливим внаслідок використання сучасних ПЗЗ приймачів випромінювання та повної автоматизації телескопів, що дає змогу ставити програми спостережень зоряних списків, що перевищують мільйон об'єктів. Саме тому робота по створенню методик, алгоритмів та програмного комплексу для першого в Україні автоматичного меридіанного телескопу з ПЗЗ приймачами випромінювання та одержання за допомогою цього комплексу високоточних каталогів зірок (11-14.5 зоряної величини) навколо вибраних позагалактичних радіоджерел є на сьогодні безперечно актуальною. Одержанні каталоги можуть бути використані для забезпечення зв'язку між оптичною системою координат та міжнародною небесною системою координат ICRF, що базується на позагалактичних радіоджерелах. Створені методики, алгоритми та програмний комплекс можуть бути використані для проведення позиційних астрометричних спостережень та їх обробки на будь якому телескопі обладнаному ПЗЗ камерами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота є складовою частиною наступних науково-дослідних робіт Миколаївської астрономічної обсерваторії (МАО), затверджених Міністерством науки та інтелектуальної власності (тепер Міністерство освіти і науки України):

- тема “БЕТА” - Вдосконалення зоряної системи координат із спостережень на меридіанних інструментах з сучасними системами реєстрації та контролю, 1995-1999 рр., відповідальний виконавець, участь у створенні програми спостережень, участь у регулярних спостереженнях, дослідженні телескопа, обробці одержаних результатів, розробка методик, алгоритмів та програм системи програмного керування телескопа, розробка методик, алгоритмів та програм для обробки одержаних результатів, розробка універсального пакету програм для обробки ПЗЗ спостережень;

- тема “БАЗИС” - “Розробка і реалізація пропозицій по модернізації існуючих і створенню нових астрономічних інструментів”, 1997-1998 рр., виконавець, участь у дослідженні інструментальних похибок Аксіального меридіанного круга (АМК) та обробці результатів, розробка технічної пропозиції та технічного завдання на систему програмного керування на базі локальної комп'ютерної мережі для телескопу АМК з ПЗЗ - мікрометром на широкоформатній матриці та універсальною ПЗЗ - відліковою системою;

- тема “ЗВ'ЯЗОК”- “Зв'язок радіоінтерферометричної й оптичної небесної системи координат”, 1998-1999 рр., виконавець, участь у регулярних спостереженнях зірок навколо позагалактичних радіоджерел та обробці одержаних результатів, обчислення та аналіз каталогів, проведення ітерацій повної обробки одержаного матеріалу.

Метою дисертаційної роботи є теоретичні та методичні основи масових високоточних спостережень зірок та їх обробки на астрометричному телескопі горизонтального типу з ПЗЗ реєструючими пристроями. Для досягнення цієї мети необхідно було розробити та впровадити високотехнологічний процес, який включає автоматизовану підготовку та обробку вхідних даних, повністю автоматичне проведення спостережень небесних об'єктів, контрольовані процедури обміну інформацією між вузлами телескопа та керуючими ЕОМ, високоточну та продуктивну обробку одержаних спостережень від первинної обробки до одержання каталогів спостережених об'єктів включно. Засоби його реалізації повинні були забезпечити достатню для астрометричних спостережень точність, однорідність та вірогідність отриманих результатів, а також максимальну ефективність усього процесу в цілому. Для реалізації цієї мети було поставлено задачі:

1. Проаналізувати теоретичні основи проведення та обробки позиційних спостережень на меридіанних телескопах;

2. Розробити методики, алгоритми та програмне забезпечення для підготовки до спостережень та проведення спостережень на автоматичному телескопі горизонтальної конструкції з ПЗЗ приймачами випромінювання;

3. Розробити методики, алгоритми та програмне забезпечення для обробки результатів спостережень на телескопі з ПЗЗ та фотоелектричними реєструючими пристроями;

4. Розробити алгоритми та програми для проведення досліджень вузлів телескопа та обробки їх результатів;

5. Розробити загальні методики, алгоритми та програми для використання при астрометричних спостереженнях на телескопах з ПЗЗ камерами;

6. Провести цикл спостережень на Аксіальному меридіанному крузі та обчислити прямі піднесення та схилення зірок 11-14 зоряної величини навколо вибраних позагалактичних радіоджерел.

Наукова новизна дисертації полягає в тому, що проведення масових високоточних спостережень та їх обробки на першому в Україні астрометричному телескопі автоматі для створення сучасних астрометричних каталогів - це новий вид досліджень, який не мав аналогів у вітчизняній науці. Для його реалізації було зроблено наступне:

1) вперше створено теоретичні та методичні основи для підготовки й проведення автоматичних масових спостережень зірок та їх обробки на Аксіальному меридіанному крузі (АМК) МАО з ПЗЗ камерами;

2) вперше в Україні відпрацьовано методику проведення спостережень методом коротких смуг та їх обробку;

3) вперше створено методики, алгоритми та програмне забезпечення для обробки та аналізу одержаних на АМК спостережень, від первинної обробки інформації до виводу астрометричних каталогів включно;

4) вперше в Україні створено універсальний пакет програм ПУМА (Пакет універсальний мультипрограмний астрометричний) для обробки позиційних астрометричних спостережень, що має високі показники та може буди використаний без змін на телескопі будь якої конструкції з близькими параметрами, обладнаному ПЗЗ камерами;

5) вперше за допомогою створеної системи програмного керування на телескопі АМК на протязі 169 ночей у співавторстві проведено близько 5000 спостережень зірок із каталогу HIPPARCOS та більше 120000 спостережень зірок до 15 зоряної величини в площадках навколо вибраних позагалактичних радіоджерел;

6) одержано каталог AMC1B положень 14022 зірок, ототожнених по списку USNO-A2.0, для забезпечення зв'язку між оптичною та радіо системами координат.

Практичне значення роботи.

Впровадження повної автоматизації меридіанного телескопа з використанням сучасних реєструючи пристроїв на базі теоретичних, методичних та програмних розробок на прикладі АМК (в порівнянні з напівавтоматом з фотоелектричною реєстрацією) дозволило: скоротити кількість спостерігачів не менш ніж в 2 рази, суттєво збільшити продуктивність спостережень (близько 50 разів), підвищити проникну здатність телескопу більш ніж в 100 разів, більш ефективно розподілити спостережний час, отримувати статистично однорідний спостережний матеріал не зв'язаний з конкретним спостерігачем, підвищити точність реєстрації, ввести адаптивний режим проведення спостережень (автоматично та оперативно змінювати режими роботи вузлів телескопа в залежності від стану апаратури та зовнішніх умов). Розроблені методика спостережень короткими смугами та схема побудови системи програмного керування показали свою доцільність, зручність, надійність та продуктивність при проведенні регулярних спостережень за допомогою автоматичного інструментально-вимірювального комплексу АМК в 1996-1998 роках каталогу слабких зірок в площадках навколо вибраних позагалактичних радіоджерел. Розроблений комплекс системи програмного керування (СПК) після незначних змін може бути впроваджений на астрометричних телескопах с ПЗЗ камерами. Зокрема модифікований варіант СПК в 2000 році встановлено на Зонному астрографі Миколаївської обсерваторії (Акт впровадження від 10 березня 2000 року).

Розроблено універсальний пакет програм ПУМА для обробки астрометричних позиційних спостережень, що має високі показники та може буди використаний без змін на телескопі будь якої конструкції з близькими параметрами, обладнаному ПЗЗ камерами. Він дозволяє проводити цифрову фільтрацію ПЗЗ зображень, ототожнювати на отриманих зображеннях зіркоподібні об'єкти (зірки, планети, астероїди, комети) і визначати їхні координати. Пакет використовувався і показав хороші результати при обробці в МАО спостережень, отриманих на наступних телескопах: Аксіальному меридіанному крузі і Зонному астрографі Миколаївської астрономічної обсерваторії, АЗТ-8 астрономічної обсерваторії Харківського університету та 1.56м рефлекторі Шанхайської астрономічної обсерваторії (КНР) в рамках міжнародної кооперації по спостереженню вибраних радіоджерел, а також переданий для незалежної обробки в астрономічній обсерваторії ім. Енгельгардта (Казань) в рамках договору про співробітництво. Отриманий каталог положень близько 14000 зірок із списку USNO-A2.0 в вибраних площадках навколо позагалактичних радіоджерел на сьогодні використовується для забезпечення зв'язку між оптичною та радіо системами координат та визначення кутів повороту між двома системами в наукових групах Миколаївської астрономічної обсерваторії, астрономічної обсерваторії Харківського університету, Шанхайської астрономічної обсерваторії та астрономічної обсерваторії ім. Енгельгардта.

Особистий внесок здобувача.

Автор провів 33% спостережень усіх об'єктів, що увійшли до каталогів.

Автором розроблено методики, алгоритми та створено програмне забезпечення для:

- підготовки до спостережень - самостійно;

- контролю вузлів телескопа - в співавторстві;

- визначення параметрів орієнтування телескопа - методики в співавторстві, програмне забезпечення самостійно;

- проведення нічного циклу спостережень - в співавторстві;

- первинної обробки ПЗЗ кадрів - в співавторстві;

- обробки фотоелектричних відліків скляного лімба - самостійно;

- ототожнення об'єктів, що спостерігались ПЗЗ мікрометром - самостійно;

- визначення координат спостережених об'єктів у системі координат ПЗЗ матриці - самостійно;

- обробки нічного циклу спостережень - методики в співавторстві, програмне забезпечення самостійно;

- обробки 3-х річного циклу спостережень - самостійно;

- аналізу отриманих даних та каталогів - самостійно.

Автором у співавторстві з Пінігіним Г.І. створено списки об'єктів, що спостерігались на АМК протягом 1996-1998 років та увійшли до представлених каталогів.

Автором проведено близько 50 відсотків первинної обробки усіх об'єктів, що спостерігались на АМК протягом 1996-1998 років.

Автором самостійно проведено обробку усіх нічних циклів спостережень до одержання прямого схилення та піднесення усіх спостережених небесних об'єктів.

Автором самостійно проведено загальну обробку 3-х річного циклу спостережень і отримано каталог прямих піднесень та схилень 14022 зірок (11-14.5 зоряної величини) навколо 190 позагалактичних радіоджерел.

Положення, що складають суть дисертації, висновки та рекомендації зроблені по темі дисертації були сформульовані, вирішені та отримані Ю.І. Процюком самостійно. По темі роботи автором опубліковано 19 статей та одне авторське свідоцтво, чотири з них - самостійно, інші в співавторстві. У спільних публікаціях внесок автора полягає у наступному: участь в обробці та обговоренні отриманих результатів, участь у розробці системи програмного керування, розробка методик, розробка системи програмного керування, участь у спостереженнях, обробці та обговорені результатів, розробка методик, розробка системи програмного керування, розробка системи обробки інформації, розробка системи програмного керування, розробка системи обробки інформації, участь у спостереженнях, обробці та обговоренні результатів, участь у постановці задачі та обговоренні методик, участь в обробці та обговоренні результатів.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати досліджень, що увійшли до дисертації, були представлені у вигляді стендових та усних доповідей на:

- симпозіумі IAU N156 "Developments in Astrometry and Their Impacts on Astrophysics and Geodynamics", 1992;

- 24-й астрометричній конференції в Пулково, Росія, 4-8 жовтня 1993 р.;

- III з'їзді УАА, Київ,1995;

- симпозіумі IAU N166 "Astronomical and Astrophysical Objectives of Sub-Milliarcsecond Optical Astrometry", Hague, Netherlands, 1995;

- Third East-Asian Meeting “Ground-Based Astronomy in Asia”,National Astronomical Observatory, Tokyo, Japan, July 17-21, 1996;

- конференції “Роль наземної астрометрії в Post-Hopparcos період”, присвяченій 175-річчю Миколаївської астрономічної обсерваторії, Миколаїв, 5-7 вересня, 1996;

- конференції “Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики”, С. Петербург, 23-27 вересня, 1996;

- симпозіумі ESA “Hipparcos-Venice'97”, Venice, Italy, 13-16 May, 1997;

- IV з'їзді УАА та Всеукраїнській астрономічній конференції, Київ, 27-28 жовтня, 1997;

- міжнародній конференції “Застосування ПЗЗ методів для досліджень Сонячної системи”, Миколаїв, червень, 1999;

- міжнародній конференції, присвяченій 90-річчю з дня народження Є.П. Федорова, Київ, 26-28 червня, 1999;

- конференції “Астрометрия, геодинамика и небесная механика на пороге XXI века”, С. Петербург, Росія, червень, 2000;

- міжнародній конференції “JENAM-2000”,.Москва, Росія, 29 травня-3 червня, 2000;

- конференції “Astronomy in Ukraine 2000 and Beyond”, Київ, 5-8 червня, 2000.

Автор був основним доповідачем на 7 наукових конференціях.

Публікації, що відображають основні положення дисертації. Основні результати досліджень дисертаційної роботи представлено у 20 публікаціях, в тому числі 7 в наукових журналах та збірниках по спеціальності, 12 в матеріалах і тезах конференцій та в одному авторському свідоцтві.

Обсяг та структура дисертації. Робота складається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку цитованої літератури (72 найменування) та 3 додатків. Загальний обсяг роботи складає 107 сторінок.

2. ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У Вступі обґрунтовано актуальність роботи по визначенню положень зірок проміжної системи координат навколо позагалактичних радіоджерел, що дає можливість прив'язати оптичну систему координат до міжнародної системи ICRF. Показано стан діючих автоматичних меридіанних телескопів класичних та горизонтальних конструкцій у світі та їх програмного керування. Сформульовано головну мету дисертаційної роботи, показано її наукове та практичне значення, приведені основні положення, які виносяться на захист. Перший розділ присвячений огляду теорії автоматичних меридіанних телескопів з програмним керуванням (АМК, ГМК). Показано відмінність від класичних та напівавтоматичних інструментів. Розглянуто теорію редукції та похибок, методику врахування параметрів інструменту та статистичний підхід до обробки результатів. Приведено методики створення каталогів на автоматичних меридіанних телескопах. У другому розділі проводиться огляд програмного забезпечення автоматичних меридіанних телескопів. На прикладі Аксіального меридіанного круга Миколаївської обсерваторії та Горизонтального меридіанного круга Пулковської обсерваторії показано методику спостережень та обробки результатів. Особлива увага приділена ефективності використання програмного забезпечення та підвищенню продуктивності спостережень на автоматичних телескопах. Також описано універсальний програмний комплекс для обробки астрометричних спостережень на телескопах обладнаних ПЗЗ камерами.

При створенні Аксіального меридіанного круга (АМК) підвищення точності та продуктивності спостережень відбулося шляхом об'єднання сучасних реєструючи засобів, засобів автоматизації в один інструментально-вимірювальний комплекс з програмним керуванням. Для цього було створено оригінальні методики повної автоматизації меридіанного круга та проведення масових високоточних спостережень в режимі телескопа-автомата які й були втілені в життя на базі Аксіального меридіанного круга Миколаївської астрономічної обсерваторії.

Система програмного керування (СПК) АМК, яка не має аналогів в Україні, реалізована на базі двох комп'ютерів: основного, котрий встановлено в службовому приміщенні сектора АМК та керуючого, що знаходиться в кабіні поряд з телескопом АМК, розташованих на відстані близько 200м та одночасно працюючих в спільній комп'ютерній мережі. СПК використовується для керування усіма пристроями телескопа, проведення їх досліджень та визначення параметрів телескопа, підготовки до спостережень, виконання автоматичних спостережень небесних об'єктів в різноманітних режимах, проведення первинної обробки, відображення та збереження отриманої інформації. Створений універсальний пакет програм ПУМА дозволяє проводити цифрову фільтрацію ПЗЗ зображень різними методами, ототожнювати на отриманих зображеннях зіркоподібні об'єкти (зірки, планети, астероїди, комети й ін.) і визначати їхні координати. Пакет може використовуватися для обробки астрометричних спостережень отриманих на телескопі будь-якої конструкції з близькими параметрами, оснащеному ПЗЗ камерою. Третій розділ присвячений спостереженням на Аксіальному меридіанному крузі Миколаївської обсерваторії каталогу опорних зірок навколо позагалактичних радіоджерел з використанням створеного автором програмного комплексу.

Приводиться методика складання робочого списку для спостережень, показано ефективність комплексу при вирішенні поставлених задач. Описано процес спостережень із використанням програмного комплексу. Відмічено надійність роботи усього програмно-апаратного комплексу. Показано проходження інформаційних потоків від різних реєструючи пристроїв телескопа під час спостережень, об'єм одержуваної інформації та методи її первинної обробки та зберігання.

За допомогою комплексу проведено трьохрічний цикл спостережень зірок у вибраних площадках навколо позагалактичних радіоджерел. Продуктивність спостережень склала до 2500 зірок за ніч, що визначається в першу чергу параметрами ПЗЗ матриці та проникною здатністю телескопа.

Підготовка вхідних даних виконується автоматично щоденно по всій дузі спостережень та з врахуванням можливих змін метеорологічних умов. Результатом цієї підготовки є створення робочого списку небесних об'єктів для спостережень на даний вечір. Для підготовки до спостережень реалізовано можливість проводити юстування ПЗЗ - мікрометрів та відлікової системи, контролювати працездатність відлікової системи та пристрою точного часу (ПТЧ). Для контролю стану інструменту створено програмні засоби для проведення вимірювань колімації та прогину, а також вимірювання нерівномірності поля зору мікрометра відліку лімба та періодичних похибок лімба. Для проведення спостережень реалізовано автоматичне керування всіма пристроями та вузлами телескопа з можливістю оперативного контролю та гнучкого управління з боку оператора.

Реалізовано можливість як автоматичної так і ручної зміни режимів роботи вузлів телескопа та робочих списків для спостережень в залежності від умов спостережень. В ПЗ є можливість гнучкої настройки СПК в залежності від результатів тестування вузлів телескопа. Оскільки інструмент складається з багатьох вузлів, що можуть працювати у декількох режимах кожний у системі програмного керування передбачено гнучку настройку режимів усіх вузлів, що дає змогу досягнути найкращих показників точності реєстрації в залежності від конкретних погодних умов та стану інструменту. Об'єми та шляхи передачі потоків інформації одного вечора, де М - це колімаційні відліки, Л - відліки лімба, П - одержана площадка зоряного неба. З реєструючи пристроїв телескопа через КАМАК та напряму в керуючий комп'ютер поступає близько 1000Мб різноманітної інформації, яка частково обробляється в режимі реального часу і після чого близько 115Мб передається на основний комп'ютер для подальшої обробки.

Четвертий розділ присвячений обробці одержаного на АМК спостережного матеріалу та виводу диференційного каталогу опорних зірок навколо вибраних позагалактичних радіоджерел. Показано методики обробки даних, що використовувались при одержанні координат спостережених зірок та виводі каталогів. Після перевірок різних варіантів було вирішено взяти за основу метод Бесселя для обробки нічних спостережень по прямому сходженню та поліноміальне представлення для схилення:

Велику увагу приділено врахуванню особливостей спостережень на телескопі горизонтальної конструкції з використанням ПЗЗ приймачів випромінювання. Проведено дослідження та аналіз одержаного каталогу. Точність каталогу (кожна зірка спостерігалась приблизно 3-4 рази) склала:

Значної залежності від зенітної відстані не виявлено, що може бути наслідком спостережень у центрі міста приблизно на рівні моря і деяким загубленням результатів внаслідок цього. Залежність від зоряної величини можна пояснити пониженням точності реєстрації в області слабких зірок використовуваної під час спостережень ПЗЗ матриці (ФППЗ-13М виробництва НВО “Силар” м. С. Петербург).

Зроблено співставлення із спільними зірками в площадках навколо позагалактичних радіоджерел із каталогу Карлзбергського автоматичного меридіанного круга CAMC-9 (спостереження 1984-1995 років), котре показало систематичну різницю між каталогами на рівні 0.1-0.2. В південній зоні це в значній мірі може бути зв'язано з присутністю систематичних похибок в самому каталозі CAMC, в інших - різницею в конструкції обох телескопів (класична для САМС та горизонтальна для АМК). У Висновках стисло приводяться основні результати роботи та висновки, які можна зробити на основі досвіду, що накопичено під час цієї роботи. Дано деякі поради щодо подальшого розвитку програмного забезпечення для автоматичних меридіанних інструментів, покращення проникної здатності телескопів та підвищенню ефективності й продуктивності спостережень (зокрема, використання режиму віддаленого доступу до телескопа, в тому числі через мережу Internet).

ВИСНОВКИ

1. Вперше створено теоретичні та методичні основи для проведення автоматичних спостережень і їх обробки на Аксіальному меридіанному крузі (АМК) МАО з ПЗЗ камерами та основі цієї роботи отримано каталог положень 14022 зірок із списку USNO-A2.0 до 14.5 зоряної величини для забезпечення зв'язку між оптичною та радіо системами координат.

2. Вперше в Україні відпрацьовано методику проведення спостережень методом коротких смуг та їх обробки.

3. Вперше створено методики, алгоритми та програмне забезпечення для проведення спостережень на АМК та їх обробки й аналізу, від первинної обробки інформації до виводу диференційних астрометричних каталогів включно. небесний астрономічний обсерваторія

4. Вперше в Україні створено комплекс програм для дослідження параметрів Аксіального меридіанного круга та контролю його вузлів в автоматичному режимі.

5. Вперше на Україні здобуто практичний досвід астрометричних спостережень на автоматичному телескопі з ПЗЗ приймачами випромінювання та програмним керуванням.

6. Створено універсальний пакет програм ПУМА для обробки астрометричних спостережень, що має високі показники та може буди використаний без змін на будь якому телескопі з близькими параметрами, обладнаному ПЗЗ камерами.

7. В процесі виконання роботи за допомогою створеної системи програмного керування на телескопі АМК на протязі 169 ночей у співавторстві проведено більше 120000 спостережень зірок до 15 зоряної величини в площадках навколо вибраних позагалактичних радіоджерел та обчислено їх прямі піднесення та схилення.

Размещено на Allbest.ru