Оптимізація вимірювань астронегативів при створенні великих астрометричних каталогів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Головна астрономічна обсерваторія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.11.19 - Астрономічні інструменти, прилади та комплекси

Оптимізація вимірювань астронегативів при створенні великих астрометричних каталогів

Сергеєва Тетяна Павлівна

Київ 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Головній астрономічній обсерваторії Національної Академії наук України.

Науковий керівник: Доктор фізико-математичних наук, професор Кислюк Віталій Степанович, Головна астрономічна обсерваторія НАН України, завідувач відділу.

Офіційні опоненти: 1. Доктор фізико-математичних наук, доцент Зазуляк Петро Михайлович, Державний університет “Львівська політехніка”, м. Львів, декан геодезичного факультету.

2. Кандидат технічних наук Карпов Микола Володимирович, Міжнародний центр медико-екологічних та астрономічних досліджень, м. Київ, завідувач лабораторією.

Провідна установа: Державний астрономічний інститут ім. П.К. Штернберга, КГУ, відділ астрометрії, м. Москва, Росія.

Захист відбудеться “23 ” березня 1999 р. о 11 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д26.208.01 при Головній Астрономічній обсерваторії НАН України (252650, Київ-22, Голосіїв, ГАО НАН України).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Головної Астро-номічної обсерваторії НАН України (252650, Київ-22, Голосіїв, ГАО НАН України).

Автореферат розісланий “ 19 ” березня 1999 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради Кандидат фізико-математичних наук Н.Г. Гусєва

1. Загальна характеристика роботи

астронегатив каталог зірка фотометрія

Актуальність проблеми.

Наприкінці сімдесятих років в колишньому СРСР були ініційовані програми з фотографічних оглядів північного та південного неба. З урахуванням чотирикратного перекриття передбачалось отримання близько двадцяти тисяч платівок, вимірювання яких можна було здійснити в реальному часі лише з застосуванням нових технологій, заснованих на використанні автоматичних вимірювальних засобів та потужної обчислювальної техніки. З цією метою були створені та встановлені в 1986г. в обсерваторіях Голосіїв, Пулково, ДАІШ та Миколаєва автоматичні вимірювальні комплекси (АВК) ПАРСЕК. Ідеологія побудови АВК ПАРСЕК, поєднання апаратних та програмних засобів керування вимірювальним процесом, давали широку можливість підвищення ефективності функціонування комплексів, з накопиченням досвіду, виходячи з аналізу даних апаратних засобів та результатів обробки зображень шляхом відповідного розвитку програм керування та формування результатів вимірювань.

Процес автоматичних вимірювань без участі людини потребував особливої організації, оскільки при обробці зображень на астронегативах необхідно було вирішувати проблеми, пов'язані з якістю вимірюваних платівок, структурою зображень, збоями апаратури тощо, що підтвердилось експериментальними вимірюваннями астронегативів різної якості при дослідженні макетного зразка (ИФО-461) та під час дослідної експлуатації чотирьох заводських екземплярів АВК ПАРСЕК.

В світовій практиці на момент початку даної роботи існував деякий досвід організації широкомасштабних астрометричних досліджень з застосуванням автоматичних вимірювальних машин - створювався другий Капський каталог положень двохсот тисяч зірок південного неба за допомогою GALAXY, а також виконувались Лікська та Йєльська програми по визначенню абсолютних власних рухів. Однак, не було можливості використати цей досвід в достатній мірі з-за розбіжностей в стратегії створення каталогів, об'ємів інформації та форм її представлення, якості зображень на платівках. Крім того, конструкція АВК ПАРСЕК та закладений в ньому спосіб аналізу зображень не мали і не мають аналогів серед автоматичних вимірювальних машин в усьому світі. Різниця у використовуваних обчислювальних засобах та їх потужностях зробило неможливим запозичення будь-яких методів та засобів обробки зображень та організації процесу вимірювань.

Все це обумовило актуальність розробки та впровадження в вітчизняну практику нового виду досліджень - масових вимірювань астронегативів на автоматичних вимірювальних комплексах при створенні великих астрометричних каталогів.

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

Дана робота виконувалась як частина наукової програми по створенню каталога положень та власних рухів зірок північного неба: з 1992 по 1996рр. - в рамках відомчої теми № 1.4.6/1-110В (№ держреєстрації 01.930007618), а з 1997р. - відомчої теми № 1.4.6/1-170В (№ держреєстрації 0197U009490).

Метою дисертаційної роботи є оптимізація обробки понад 2000 астронегативів програми ФОН на автоматичних вимірювальних комплексах ПАРСЕК для створення каталога положень та власних рухів двох мільйонів зірок північного неба, а також понад 4000 платівок фотографічного огляду південного неба. Для досягнення цієї мети необхідно було розробити та впровадити технологічний процес, який включає автоматизовану підготовку та обробку вхідних та вихідних даних, повністю автоматичні вимірювання астронегативів, контрольовані процедури обміну інформацією. Засоби його реалізації повинні були забезпечити достатню для астрометричних досліджень точність, однорідність та вірогідність одержуваних результатів, а також максимальну ефективність процесу в цілому.

Для оптимізації технологічного процесу обробки астронегативів на АВК ПАРСЕК було необхідно:

1. Розробити методи та засоби підвищення точності та вірогідності результатів вимірювань, а також ефективності застосування АВК ПАРСЕК з урахуванням особливостей його функціонування при вимірюванні платівок програми ФОН. Для цього:

- виявити механізми формування інструментальних похибок, які впливають на точність та вірогідність одержуваних даних, розробити методи їх контролю та способи обліку;

- вивчити особливості функціонування апаратури та керуючого програмного забезпечення АВК ПАРСЕК при обробці складних ситуацій, які утворюються при вимірюванні реальних астронегативів, та розробити методи і засоби для підтримки безперервності автоматичного режиму вимірювань;

- виявити резерви та підвищити ефективність застосування АВК ПАРСЕК, використовуючи гнучку організацію його апаратно-програмної структури.

2. Розробити та впровадити наступні методи та засоби забезпечення однорідності результатів вимірювань протягом довгого періоду часу:

- підтримання метрологічних характеристик АВК ПАРСЕК на єдиному рівні;

- визначення оптимальних значень параметрів робочих режимів апаратури АВК ПАРСЕК;

- автоматичного настроювання та калібрування АВК ПАРСЕК;

- оптимізація процедури вимірювань різних за якістю платівок, в тому числі зі значними варіаціями щільності почорніння фону, слабоконтрастних і т.п.

3. Розробити методи та засоби формування, керування та захисту інформації потоків оригінальних даних, на всіх етапах створення каталога:

- при перетворенні форми представлення інформації на етапі вимірювань;

- при багаточисленних трансляціях проміжних даних на етапах підготовки та обробки результатів;

- при обміні даними між різнорідними апаратно-програмними системами.

Наукова новизна дисертації полягає в тому, що постановка масових високоточних вимірювань положень та зоряних величин на автоматичному вимірювальному комплексі при створенні каталогів мільйонів зірок - це новий вид досліджень, який не мав аналогів в вітчизняний науці. Для його реалізації було зроблене наступне:

1) розроблено та використано при створенні каталога положень та власних рухів зірок північного неба оригінальний інформаційний технологічний процес, який дозволив оптимізувати масові вимірювання астронегативів та забезпечити однорідність, точність і вірогідність одержуваних даних;

2) вперше проведено за спеціально розробленими методиками дослідження унікальних вимірювальних комплексів ПАРСЕК, вивчені властиві їм інструментальні похибки та розроблені методи їх контролю, обліку чи мінімізації;

3) розроблено та використано унікальну систему аналізу нестандартних ситуацій, яка дозволила забезпечити безупинне функціонування АВК ПАРСЕК в автоматичному режимі і підвищити вірогідність отриманих результатів;

4) розроблено та вперше використано при вимірюванні платівок програми ФОН засіб фотометрії зображень на АВК ПАРСЕК, який враховує варіації щільності почорніння вуалі по платівці;

5) розроблено та реалізовано оригінальну методику оптимального керування пристроєм позиціонування, яка дозволила підвищити швидкість АВК ПАРСЕК більш ніж у два рази.

На захист виноситься:

1. Розробка та впровадження інформаційної технології вимірювань астронегативів на автоматичному вимірювальному комплексі при виконанні великих астрометричних програм, реалізація оптимального варіанта інформаційного технологічного процесу автоматичних вимірювань астронегативів (ИНТАВИЗА) при вимірюванні понад 2000 платівок програми ФОН.

2. Розробка і застосування алгоритмів та програм фотометрії зображень зірок на платівках зі значними варіаціями щільності почорніння фону, системи аналізу нестандартних ситуацій, контролю та діагностики метрологічних характеристик АВК ПАРСЕК, які забезпечили отримання високоточних значень координат та діаметрів зображень біля двох мільйонів зір північного неба.

3. Результати досліджень та мінімізації інструментальних похибок АВК ПАРСЕК. Методики і засоби визначення та стабілізації оптимальних робочих параметрів, настроювання та автоматичного калібрування апаратури АВК ПАРСЕК, які забезпечили однорідність отримуваних даних протягом усього періоду вимірювань платівок програми ФОН.

4. Методика и результати досліджень системи позиціонування АВК ПАРСЕК, алгоритми та програми оптимізації керування пристроєм позиціонування, які дозволили підвищити швидкість вимірювань більш ніж в два рази.

Практичне значення роботи.

1. Реалізовано інформаційно-технологічний процес автоматичних вимірювань астронегативів (ИНТАВИЗА), який дозволів виконати постановку вимірювань, вимірювання та обробку даних понад двох тисяч астронегативів програми ФОН. Більша частина рішень ИНТАВИЗА застосована також при вимірюванні платівок фотографічного огляду південного неба.

2. Розроблені за результатами досліджень системи позиціонування, алгоритми та програми дозволили підвищити більш ніж в два рази продуктивність двох вимірювальних комплексів ПАРСЕК-К та ПАРСЕК-М.

3. Розроблена та використана система аналізу нестандартних ситуацій забезпечила безупинне функціонування комплексів ПАРСЕК в автоматичному режимі. Її використання також сприяло підвищенню вірогідності результатів за рахунок виявлення похибок початкових даних, збоїв апаратури та невірних дій оператора.

4. Впровадження комплексу методичних, алгоритмічних та програмних розробок, який реалізує: постійний метрологічний контроль та атестацію АВК ПАРСЕК, автоматичне калібрування апаратури комплексу з забезпеченням постійних значень робочих параметрів на всьому періоді вимірювань, фотометрування зображень зірок на фотоплатівках з неоднорідним фоном, постійний контроль за діями оператора, дозволяє отримати високоточні однорідні результати незалежно від таких факторів, як фізичне зношення компонентів та вузлів комплексу, психологічний стан оператора, якість астронегатива чи момент його вимірювання.

5. В результаті проведених спеціальних досліджень АВК ПАРСЕК були виявлені та усунені високоамплітудні спорадичні похибки інтерполятора та аналізатора зображень, а також мінімізовані короткоперіодичні похибки інтерполяторів та похибки вузла сканування, пов'язані з нерівномірністю освітлення робочого поля. Це дозволило підвищити точність та вірогідність отримуваних результатів та забезпечити наступні значення інструментальних похибок: с.к.в. вимірювань координат - 0.7 мкм, с.к.в. визначення ефективних діаметрів - 0.3 - 1.5 мкм.

Реалізація науково-технічних результатів.

Результати досліджень і розробок, описані в даній дисертаційній роботі, у вигляді технологічних рішень, алгоритмів та програм у повному обсязі реалізовані при вимірюванні понад двох тисяч астронегативів фотографічного огляду північного неба в Головній астрономічній обсерваторії НАН України (акт впровадження від 02.12.98р.), а також при вимірюванні платівок фотографічного огляду південного неба в Державному астрономічному інституті ім. П.К. Штернберга (акт впровадження від 12.03.98р.).

Особистий внесок автора в отриманні наукових результатів полягає в тому, що положення, які являють сутність дисертації були сформульовані та вирішені ним самостійно, а у спільних публікаціях внесок автора полягає у наступному: розробка та тестування програм керування процесом вимірювань (1); участь у постановці завдання, постановка та проведення вимірювань (2,5-7); постановка технологічного процесу вимірювань платівок програми ФОН, участь в вимірюваннях (3,8,13,16); розробка методики та постановка вимірювань, участь в вимірюваннях (4,9), участь в розробці базового системного забезпечення, розробка спеціального проблемно-орієнтованого програмного забезпечення, участь у постановці та проведенні досліджень (12,14,17); в усіх спільних роботах участь в обробці та аналізі результатів спільно з співавторами.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати досліджень були представлені у вигляді докладів на XXIII астрометричній конференції СРСР (Пулково, 1985р.), астрометричній нараді по темах СОПРОГ, ФОН, МЕГА (Чернігів, 1988р.), астрометричній нараді по темах КОНФОР, КВАЗАР, ФОН, МЕГА (Голосіїв, 1991р.), міжнародному семінарі з проблем астрометрії та космічної геодинаміки (Київ, 1990р.), симпозіумі МАС №161 (Потсдам, Німеччина, 1993р.), міжнародному семінарі МАС "Galactic and Solar System Optical Astrometry", (Кембридж, Великобританія, 1993р.), колоквіумі комісії МАС №5, (Ст.-Петербург, 1996р.), міжнародній конференції "Сучасні проблеми астрономії", (Одеса, 1996р.), міжнародній конференції "Роль наземної астрометрії в post-Hipparcos період", (Миколаїв, 1996р.), об'єднаній європейській та національній конференції JENAM-97 (Греція, Салоніки, 1997р.), міжнародної конференції "Змінні зірки", (Одеса, 1997р.).

Публікації. Основні результати досліджень дисертаційної роботи представлені у 17 публікаціях, в тому числі 9 в наукових журналах та збірниках по спеціальності.

Об'єм та структура дисертації. Робота складається з вступу, трьох розділів, висновку, списку використаної літератури (107 найменувань) та двох додатків. Вона вміщує 140 сторінок основного тексту, зокрема 27 малюнків та 17 таблиць.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми досліджень, сформульовано мету дисертації та способи її досягнення, вказано наукову новизну отриманих результатів та практичну значущість роботи, сформульовано основні результати та положення, які виносяться на захист.

В першому розділі дисертаційної роботи проведено аналіз досвіду застосування автоматичних вимірювальних машин (АВМ) в астрометричних дослідженнях. Дано класифікацію АВМ, описано застосовувані способи сканування, детектування та аналізу зображень, основні характеристики автоматичних вимірювальних машин та методи їх отримання.

Дослідження властивостей АВМ, їх можливостей та обмежень виконувались багатьма авторами. При цьому оцінувались випадкові похибки визначення положень та фотометричних характеристик та виявлялись різного роду систематичні похибки вимірювань, які вносять або елементи конструкції вимірювальної машини або прийнятий метод обробки зображень. В астрометричних дослідженнях особливу увагу приділяли відокремленню із інструментальних похибок, властивих вимірювальній машині, похибок, залежних від зоряної величини. Різні специфічні дослідження були проведені для виявлення особливостей роботи вузлів та механізмів АВМ з метою їх виправлення та вдосконалення. Виконувалось визначення оптимальних робочих параметрів.

Аналіз робіт по дослідженню АВМ показав наступне:

1) більшість автоматичних вимірювальних машин мають близькі характеристики по точності та продуктивності, а деякі їх розбіжності пов'язані з областю застосування тієї чи іншої АВМ;

2) основним джерелом похибок при порівнянні астрометричних вимірювань є фотоплатівка, а не вимірювальна машина, крім більш слабких об'єктів (автори досліджень не рекомендують вимірювати та включати в каталоги об'єкти, які яскравіші за граничні менше ніж на одну величину);

3) при наявності у АВМ систематичних похибок, обумовлених елементами конструкції, не рекомендовано спільне їх використання при проведенні астрометричних досліджень;

4) джерелами рівнянь блиску, в більшості випадків, є не стільки вимірювальні машини, скільки якість платівок, а також форма та структура зображень на них;

5) усі розглянуті автоматичні вимірювальні машини забезпечують визначення зоряних величин з високою точністю, яка перевищує вимоги та можливості фотографічного методу фотометрії;

підвищення точності та вірогідності результатів вимірювань у більшості випадків досягається шляхом: вдосконалення апаратних засобів, включення в системне математичне забезпечення програм діагностики процесу вимірювань, вибору методики вимірювань, верифікації даних на усіх стадіях обробки інформації;

7) вірогідність та надійність автоматичної класифікації зображень досягається тільки шляхом перехресної ідентифікації результатів вимірювань двох, а краще декількох платівок одного і того ж поля.

Проведений аналіз досвіду застосування автоматичних вимірювальних машин виявив деякі корисні методики досліджень та організації процесу вимірювань, які можливо було в модифікованому вигляді застосувати для АВК ПАРСЕК, дозволив намітити шляхи оптимізації вимірювань астронегативів на автоматичному вимірювальному комплексі при створенні великих астрометричних каталогів.

В другому розділі досліджені особливості застосування автоматичних вимірювальних комплексів ПАРСЕК при створенні великих астрометричних каталогів. Проведено аналіз впливу конструктивних особливостей АВК ПАРСЕК на похибки вимірювань, виявлені та досліджені механізми формування інструментальних похибок, розроблено методи їх контролю та мінімізації.

В результаті досліджень системи відліку координат та проведення багаточисленних експериментів по визначенню короткоперіодичних похибок інтерполяторів виявлені наступні джерела похибок:

нестійкість роботи інтерполяторів через нестабільність освітленості шкал у зв'язку з фізичним зносом компонентів стандартного генератора світла. Ця нестійкість призводила до появи систематичних похибок визначення координат до 3-5 мікрон;

збільшення похибок визначення координат через зміну настройки та нестабільність компонентів електронних схем інтерполяторів, забруднення шкал, порушення юстировок відлікових мікроскопів, появу мікронахилів відлікових шкал та, як наслідок, нерівномірність освітленості растрів датчиків;

спорадичні відскоки відліків системи координат з амплітудою від 8 до 72 мікрон, викликані тонкими ефектами взаємодії в реальному часі лічильників координат, логіки апаратури пересилки даних та програм нижнього рівня (драйверів) при передачі відліків координат із апаратури до керуючої ЕОМ.

Усунення виявлених джерел похибок було виконано наступним чином:

реконструкцією освітлювальної системи та модернізацією вхідних електронних схем інтерполяторів АВК ПАРСЕК на грунті розроблених технічних вимог;

шляхом проведення щотижневого контролю короткоперіодичних похибок інтерполяторів та регулярної (двічі на рік) профілактики оптичного тракту та апаратури;

розробкою та включенням в системне програмне забезпечення комплексу блокуючої програми, яка при наявності в наборі даних відліку з відхиленням від контрольного значення більш ніж 3 мкм, яке виникає у результаті збою, повторювала зчитування координат та видавала повідомлення оператору комплексу. Крім того, були проведені необхідні зміни в програмно-апаратній частині комплексу.

Проведені доробки дозволили мінімізувати короткоперіодичні похибки інтерполяторів та повністю виключити спорадичні відскоки відліків координатної системи.

Було встановлено, що головним джерелом температурної нестабільності координатної системи АВК ПАРСЕК непередбачуваного характеру є різкі коливання температури. Зроблено припущення, що типова картина нестабільності координатної системи спостерігається головним чином через амортизацію притискуючих пружинних упорів в вузлі кріплення астронегатива на рухомій каретці. Дотримання наступних правил:

- вимірювання починати не раніше, ніж через 1.5 години після включення АВК ПАРСЕК;

- підтримувати рівномірне у часі та в просторі поле температури в вимірювальному приміщенні;

- притискуючі упори каретки фіксувати в середньому положенні;

сприяло підвищенню температурної стабільності координатної системи АВК ПАРСЕК при вимірюванні платівок програми ФОН.

У результаті досліджень особливостей визначення фотометричного центру ваги (ФЦВ) аналізатором зображень було встановлено, що є інструментальне рівняння блиску АВК ПАРСЕК, зумовлене наявністю нерівномірності освітленості в площині зображень. Виявлено, що величина нерівномірності освітленості та ступінь його впливу на визначення положень вимірюваних зображень залежить від якості виготовлення та юстировки вузла сканування і може бути мінімізована шляхом вибору оптимального параметра настройки аналізатора зображень - опорного світлового потоку. Вивчення зміщень ФЦВ зображень на різних платівках показали, що дослідження нерівномірності освітленості та визначення оптимального рівня опорного світлового потоку необхідно проводити для кожного типу вимірювальних платівок (телескоп, емульсія та ін.). Показано, що для забезпечення однорідності результатів масових вимірювань протягом усього строку вимірювань каталогу, необхідно проведення регулярного контролю нерівномірності освітленості поля аналізатора АВК ПАРСЕК. Це дозволяє усунути або звести до мінімуму вплив інструментального рівняння блиску комплексу та виключити необхідність вимірювання фотоплатівок на АВК ПАРСЕК у двох положеннях.

Крім того, у процесі дослідження рівняння блиску були виявлені збої у роботі аналізатора зображень випадкового характеру, які вносили у відліки координат спотворення до 35 мікрон. Для пошуку та усунення джерела збою, а у наступному і для постійного контролю за роботою електронних схем аналізатора зображень було розроблено алгоритм діагностики та відповідна блокуюча програма, яка при появі збоїв викликала повтор процедури сканування з одночасним повідомленням оператора комплексу про збій.

У роботі вивчені інструментальні можливості АВК ПАРСЕК як фотометра. Виконані вимірювання фотоплатівок зі скупченнями, які мають фотоелектричні стандарти, дозволили отримати досить високу для фотографічного методу точність відображення стандартів: 0.06m - 0.07m при повторюваності результатів 0.014m. Порівняльні дослідження АВК ПАРСЕК в групі з такими приладами як координатометр-фотометр "Аскорис" та мікрофотометр МФ-2 показали переваги ПАРСЕК по точності визначення фотометричних характеристик зображень зірок, динамічному діапазону, швидкості вимірювань та ступеня автоматизації.

Результати дослідження залежності крутизни та лінійності характеристичної кривої від обраного рівня опорного потоку показали, що визначення фотометричних характеристик на АВК ПАРСЕК краще проводити при найбільш допустимому значенні цього параметра.

В результаті проведених досліджень виявлено, що зображення зірок різних спектральних класів можуть мати різну структуру (співвідношення інтегральної щільності почорніння та діаметра) зображення і в зв'язку з цим їх фотометричні величини можуть бути оцінені по різному такими високоточними фотометрами як "Аскорис" та АВК ПАРСЕК.

Досвід використання АВК ПАРСЕК, отриманий при створенні каталога В-величин 1457 зірок показав, що використовуючи методи обліку локальної щільності почорніння фону можливо вимірювати зіркові величини на астронегативах з високою для фотографічного методу точністю порядку 0.08m-0.14m навіть при використанні фотоплатівок, які мають значні варіації щільності почорніння фону та не призначені для проведення фотометричних досліджень високого рівня.

Для забезпечення максимальної точності визначення зоряних величин при постановці масових автоматичних вимірювань астронегативів був розроблений та впроваджений оригінальний метод обліку неоднорідності фону платівки, який сполучає в собі можливість отримання відліків фону в реальному часі водночас з вимірюванням зображення та достатньо високу точність. Комплекс програм, розроблений для реалізації методу та включений до складу системного програмного забезпечення АВК ПАРСЕК, дозволяє проводити тонке калібрування фотоелектронного каналу при вимірюванні кожного зображення. При цьому виключаються локальні неоднорідності щільності почорніння вуалі платівки, які виникають через дефекти емульсії, присутності близьких зображень тощо. Це не лише підвищує точність фотометрії, але дозволяє проводити вимірювання усіх зображень в однакових умовах, забезпечуючи тим самим однорідність отримуваних результатів. Ефективність застосування цього методу підтвердилась підсумками вимірювань платівок програми ФОН, для якої вдалось отримати похибку фотометрії по всьому каталогу близько 0.15m, що менше похибок найкращих оглядових каталогів (GSC, USNO-A, PPM), створених на основі астрофотографії.

Проведений в даному розділі аналіз впливу форми та структури зображень на визначення аналізатором зображень АВК ПАРСЕК положення фотометричного центра ваги показав, що для більшості дефектів емульсії, злитих та тісних зображень в рамках існуючої конфігурації апаратно-програмних засобів комплексу неможливо провести повноцінну діагностику через недостатню дифференційованість даних. При цьому було встановлено, що використаний для вимірювань платівок програми ФОН рівень опорного світлового потоку відсікає спотворення форми зображень, викликані дрижанням атмосфери, у вигляді "хвостів" та "крил", а також зображення малих діаметрів, які дотикаються вимірюваного зображення більшого діаметра. Враховуючи отримані результати, а також можливість виявлення похибок вимірювань таких зображень іншими способами, було визнано недоцільним проводити визначення параметрів форми та орієнтації в реальному режимі часу при вимірюванні платівок програми ФОН.

На підставі наведених в даному розділі досліджень були визначені оптимальні значення робочих параметрів АВК ПАРСЕК, які впливають на точність та однорідність отримуваних результатів. З метою забезпечення тотожності настройки АВК ПАРСЕК було розроблено алгоритм та програми автоматичного калібрування, а оптимальні значення робочих параметрів зафіксовані в полі параметрів комплексу керуючих програм.

В третьому розділі проведено аналіз проблеми оптимальної організації високоточних автоматичних вимірювань великих масивів астронегативів, розглядаються основні етапи та пропонуються варіанти інформаційного технологічного процесу безупинних автоматичних вимірювань, наводяться розроблені методи та засоби інформаційної технології автоматичних вимірювань астронегативів (ІНТАВІЗА), яка реалізована при вимірюванні платівок програми ФОН.

На основі аналізу факторів об'єктивної та суб'єктивної природи, які можуть викликати збої та зупинки процесу вимірювань або спотворити отримані результати, сформульовані та класифіковані нестандартні ситуації, котрі можуть виникнути при вимірювані на АВК ПАРСЕК. Узагальнена класифікація нестандартних ситуацій та їх причин наведена у табл.1.

Враховуючи особливості вимірювань астронегативів на автоматичному комплексі, виходячи з завдання забезпечення максимальної точності, вірогідності та надійності отримання, обробки та збереження великих об'ємів даних при мінімальних затратах часу та спираючись на можливості, закладені в апаратно-програмній організації АВК ПАРСЕК, сформульовані принципи побудови інформаційної технології автоматичних вимірювань астронегативів, які дозволяють оптимізувати процес створення великих астрометричних каталогів:

забезпечення стійкості та безперервності автоматичних процесів підготовки початкових даних, вимірювань та обробки результатів;

мінімізація ручних операцій та жорсткий смисловий контроль дій оператора за допомогою ЕОМ, використання режиму діалогу;

Таблиця 1 Класифікація можливих нестандартних ситуацій при вимірюваннях астронегативів на автоматичних вимірювальних комплексах

Ситуація	Початкова причина	Можливі наслідки
Збій апаратури	пошкодження компонентів, завади мережі	зупинка, зациклення, збільшення похибок, невірні результати
Невірні початкові дані	похибки оператора; похибки масиву початкових координат; похибки при передачі даних	зупинка, зациклення, невірні результати
Розмір зображення виходить за граничні значення	а) відсутність зображення: похибки попередніх координат; зоряна величина менше граничної для даної платівки; великий власний рух;	зациклення, невірні результати
	б) площа зображення більше 1мм2; значний темний дефект; дуже ярка зірка; накладення декількох ярких зображень
Вимірюване зображення має сильний градієнт щільності почорніння	зображення знаходиться в гало найяскравіших зірок, планет, найблизьких галактик; зображення дуже ярких зірок (ефект соляризації); зображення найблизьких галактик, скупчень; нероздільні близькі зображення; значні дефекти емульсії; значний градієнт щільності почорніння фону;	зациклення, невірні результати
Значне відхилення форми зображення від круглої	нероздільні близькі зображення; спотворення зображення через кому; великі дефекти емульсії;	зациклення, збільшення похибок
Неоднорідність щільності почорніння фону біля зображення	дефекти емульсії типу плям, полос, великих бульбашок та ін; значний градієнт щільності почорніння фону; наявність близько розташованих зображень інших зірок; надписи на платівках;	збільшення похибки у визначені координат, невірна фотометрія
Вимірювана не та зірка	похибки попередніх координат; наявність близько розташованого зображення більш яркої зірки; вихідна зірка має великий власний рух	невірні результати

оптимальна організація початкових даних, результатів вимірювань, програм підготовки та обробки, що забезпечує оперативний та максимально полегшений доступ користувачеві (створення бази даних з дружнім інтерфейсом користувача);

забезпечення ефективної взаємодії усіх вимірювально-обчислювальних засобів програмно-апаратного середовища ІНТАВІЗА, (локальна мережа між ЕОМ та дружній інтерфейс оператора);

програмний контроль та аналіз вірогідності інформації на усіх етапах створення каталогу;

оперативна обробка та оцінка якості вимірювань в реальному часі в процесі вимірювань;

забезпечення стійкості окремих етапів та надійності усього процесу за рахунок розробки резервних розвязків;

забезпечення надмірності для захисту інформації, вибіркове та повне копіювання первинних результатів вимірювань;

проведення регулярного контролю метрологічних характеристик автоматичного вимірювача астронегативів для підтримання однорідності результатів.

В розділі сформульовані вимоги до основних етапів інформаційного технологічного процесу вимірювань великих масивів астронегативів з урахуванням перерахованих вище принципів та розглянуті варіанти оптимальних розвязків деяких процедур для різних умов. У відповідності з цими принципами та вимогами був розроблений та реалізований при вимірюванні платівок програми ФОН інформаційний технологічний процес автоматичних вимірювань астронегативів, який є складовою частиною процесу створення каталога положень та власних рухів зірок північного неба, який є підсумком праці колективу виконавців. На рис.1 наведена структурна схема загального технологічного процесу створення каталога. Тут цифрами I, II та III відмічені ієрархічні рівні застосованих ЕОМ. Пунктиром відокремлено частину, яка безпосередньо відноситься до ІНТАВІЗА, а зірочкою відмічені функції, програмне забезпечення яких розроблене Л.К. Пакуляк, виходячи з принципів та вимог ІНТАВІЗА.

В результаті досліджень та аналізу досвіду вимірювань були виявлені фактори, які визначають основні метрологічні характеристики АВК ПАРСЕК. Розроблені та реалізовані алгоритми і програми контролю та діагностики апаратури АВК ПАРСЕК, а також методики та регламент проведення профілактичних робіт, що дозволило забезпечити незмінність метрологічних характеристик комплексу протягом вимірювань платівок програми ФОН. Було досягнуто стабільного рівня метрологічних характеристик на протязі усього періоду вимірювань платівок програми ФОН: с.к.в. вимірювань координат - 0.7 мкм, с.к.в. визначення ефективних діаметрів - 0.31.5 мкм.

На основі аналізу можливих джерел спотворення чи втрати інформації було розроблено та реалізована дворівнева система захисту даних, яка забезпечила збереження інформації на усіх етапах інформаційного технологічного процесу. Система побудована на основі використання структури шістнадцятирічних файлів даних операційної системи керуючої мікро-ЕОМ. При цьому уся інформація про вимірюване зображення міститься в логічному записі фіксованої довжини та структури, контрольна сума якого формується та перевіряється в процедурах перетворення та передачі даних.

Для здійснення контролю безпосередньо при вимірюванні платівок, виключення переривання процесу вимірювань чи втрати точності та вірогідності отримуваних результатів, була створена система аналізу нестандартних ситуацій (САНС), яка дозволяє виявляти такі ситуації не зупиняючи процес вимірювань та, по можливості, ліквідовувати їх наслідки. Для її побудови були вивчені, розраховані, виходячи з особливостей платівок програми ФОН, та зафіксовані в розробленому програмному забезпеченні граничні значення параметрів АВК ПАРСЕК: допустимі варіації відліків лічильників координат, мінімально та максимально допустимі значення координат, оптимальне число ітеративних циклів наведення на зображення, оптимальне число сканувань при пошуку зображень, мінімально та максимально допустимі значення ефективних діаметрів зображення, допустимі варіації фону в околицях зірки. Виявлення будь-якої нестандартної ситуації супроводжується текстовим повідомленням оператора або звуковим сигналом. При цьому у вихідному масиві, у полі ознак САНС, виставляється відповідний признак.

На основі проведеного аналізу можливих джерел зниження ефективності процесу вимірювань було показано, що для підвищення продуктивності вимірювань необхідно було комплексний розвязок наступних завдань:

оптимізації порядку обходу вимірюваних об'єктів;

більш точного задання вхідних координат;

оптимальної організації вимірювального процесу (мінімізація ручних операцій та забезпечення безперервності процесу вимірювань);

розробки спеціальних алгоритмів вимірювання об'єктів, які відсутні чи далеко відстоять від центра сканування;

оптимізації алгоритмів керування системою позиціонування.

В розділі проведено дослідження характеристик системи позиціонування. Розроблені за результатами досліджень алгоритми та програми керування системою дозволили підвищити швидкість вимірювань більш ніж в два рази. Ефективність усього вимірювального процесу також підвищилась завдяки спільному розвязку усіх завдань підвищення продуктивності. Це демонструють дані вимірювань:

Висновки

Вперше розроблений та впроваджений у вітчизняну практику новий вид досліджень - масові вимірювання астронегативів на автоматичних вимірювальних комплексах при створенні великих каталогів.

На засадах проведеного аналізу проблеми оптимальної організації високоточних автоматичних вимірювань великих масивів астронегативів, виявлено фактори об'єктивної та суб'єктивної природи, які заважають досягненню максимальної точності та ефективності вимірювань. Сформульовано принципи побудови інформаційної технології автоматичних вимірювань астронегативів, які дозволяють оптимізувати процес створення великих астрометричних каталогів, та вимоги до основних етапів інформаційного технологічного процесу.

У відповідності з цими принципами та вимогами розроблений та реалізований при вимірюванні платівок програми ФОН інформаційний технологічний процес автоматичних вимірювань астронегативів (ІНТАВИЗА), який є складовою частиною процесу створення каталога положень та власних рухів зірок північного неба.

З метою підвищення точності, вірогідності та однорідності отримуваних в результаті вимірювань даних розроблені та впроваджені алгоритми та комплекси програм аналізу нестандартних ситуацій, фотометрії зображень зірок на платівках зі значними варіаціями щільності почорніння фону, автоматичного калібрування апаратури комплексів ПАРСЕК та стабілізації значень оптимальних робочих параметрів.

За результатами проведених досліджень та моделювання роботи системи позиціонування розроблено алгоритми та програми оптимізації керування пристроєм позиціонування, які дозволили підвищити швидкодію двох комплексів ПАРСЕК більш ніж у два рази.

В результати проведених досліджень комплексів ПАРСЕК розроблені засоби, алгоритми та програми, які дозволяють звести до мінімуму короткоперіодичні відхилення інтерполяторів та ступінь впливу інструментального рівняння блиску, повністю усунути спорадичні відскоки відліків системи координат з амплітудою від 8 до 72 мікрон.

Розробка та застосування алгоритмів і програм контролю та діагностики функціонування апаратури комплексів ПАРСЕК, а також впровадження методів та регламенту проведення метрологічних і профілактичних робіт дозволили підвищити ефективність процесу вимірювань, забезпечити безперервність та стійкість автоматичного режиму вимірювань астронегативів. Був досягнутий стабільний рівень метрологічних характеристик протягом усього періоду вимірювань платівок програми ФОН: с.к.в. вимірювань координат - 0.7 мкм, с.к.в. визначення ефективних діаметрів - 0.31.5 мкм.

Розробка принципів інформаційної технології автоматичних вимірювань астронегативів, реалізація їх у вигляді методів, алгоритмів та програм при вимірюванні платівок програми ФОН дозволили забезпечити незмінність метрологічних характеристик вимірювального комплексу, високу точність результатів, вірогідність та однорідність отримуваної інформації та максимальну продуктивність вимірювань, що підтверджується характеристиками отриманого в результаті роботи колективу співробітників каталогу двох мільйонів зірок північного неба з точністю положень - 0."2, власних рухів - 0.004"/рік, зоряних величин - 0.16m.

Отримані результати та досвід організації масових вимірювань можуть бути використані для постановки завдань, вибору об'єкта досліджень, оцінки об'ємів та строків виконання робіт по вимірюванню архівів астронегативів.

Досвід постановки та вирішення завдання по організації інформаційного технологічного процесу, розроблені методики та алгоритми можуть стати основою для розробок аналогічних процесів в наукових експериментах, пов'язаних з отриманням, аналізом та обробкою великих масивів даних, які виконуються автоматичними вимірювальними системами.

Перелік опублікованих праць

1. Аюпов Ф.Р., Сергеев А.В., Сергеева Т.П., Шорников О.Е. Управление процессом измерений в приборе ИФО-461 посредством микро-ЭВМ // Новая техника в астрономии. - Л.: Наука. - 1984. - С. 104-107.

2. Быстров Н.Ф., Сергеев А.В., Сергеева Т.П. Результаты измерений астронегативов на автоматической измерительной машине ПАРСЕК // Кинематика и физика небес. тел. - 1989. - Т. 5, №2. - С. 70-72.

3. Веденичева И.П., Иванов Г.А., Пакуляк Л.К., Сергеева Т.П., Яценко А.И. Первые результаты программы ФОН-ОБЗОР-С // Проблемы астрометрии и космической геодинамики. - К.: Наукова думка. - 1991. - С. 12-15.

4. Ворошилов В.И., Пакуляк Л.К., Сергеева Т.П. Оценка фотометрических свойств автоматического измерительного комплекса ПАРСЕК // Кинематика и физика небес. тел. - 1992. - Т. 8, №2. - С. 89-90,95.

Дик В.Р, Иванов Г.А., Сергеева Т.П., Яценко А.И. Опыт астрометрической редукции пластинок Таутенбургского телескопа системы Шмидта // Кинематика и физика небес. тел. - 1989. - Т. 5, №2. - С. 88-92 .

6. Иванов Г.А., Сергеев А.В., Сергеева Т.П., Целищев И.Е. Сравнение измерений астронегативов, выполненных на измерительных машинах "Аскорис", ПАРСЕК-Н и ИАН // Кинематика и физика небес. тел. - 1988. - Т. 4, №.6 - С. 53-57.

7. Иванов Г.А., Сергеева Т.П., Яценко А.И. Выбор режима измерений пластинок программы ФОН на автоматической машине ПАРСЕК // Кинематика и физ. небесн. тел. - 1990. - Т. 6, №1. - C. 79-83.

Іванов Г.О., Кислюк В.С., Пакуляк Л.К., Сергєєва Т.П., Яценко А.І. Програма фотографічного огляду північного неба. Перші результати // Кинематика и физика небес. тел. - 1994. - Т.10, №1. - С. 48-50.

9. Марченко С.В., Меркулова Г.Л., Сергеева Т.П. Каталог В-величин звезд главной последовательности спектральных классов В7-А3 в направлении антицентра Галактики // ред. ж. Кинематика и физика небес. тел. - Киев, 1992. - 54с. - Деп. в ВИНИТИ, 29.06.92г., №2095-В92.

10. Сергеева Т.П. Проблемно-ориентированное программное обеспечение комплексов ПАРСЕК для обзорных астрометрических работ // Тезисы международной конференции "Роль наземной астрометрии в post-Hipparcos период". Николаев: Николаевская астрономическая обсерватория. - 1996. - С. 35-36.

11. Сергеева Т.П. Проблемы выявления уравнения блеска автоматических измерительных комплексов ПАРСЕК // Тезисы международной конференции "Роль наземной астрометрии в post-Hipparcos период". Николаев: Николаевская астрономическая обсерватория. - 1996. - С. 37-38.

12. Сергеев А.В., Сергеева Т.П. Автоматическая обработка фотографических изображений с применением микро-ЭВМ в приборе ИФО-461 // Труды XXIII астрометрической конференции СССР “Современная астрометрия”. Пулково (Россия). - 1987. - С. 238-242.

13. Ivanov G.A., Kislyuk V.S., Pakulyak L.K., Sergeeva T.P., Yatsenko A.I. Proper motions from fourfold astrographic coverage of the northern hemisphere. First results. // Proc. Workshop “Galactic and Solar System Optical Astrometry” Cambridge (UK). - 1993. - P. 31-33.

14. Sergeev A.V., Sergeeva T.P., Riabokon A.V., Shornikov, Kashtalian S.L. Introduction into experimental operation of four automatic measuring machines PARSEC // Proc. IAU Coll. №100 “Fundamentals of Astrometry” Belgrade (SFRYu.). - 1987. - Astrophysics and Space Science. - 1991. - V. 177, P. 399.

15. Sergeeva T.P. The verification of data of measurements at the creation of the sky surveys catalogues with automatic measuring machines PARSEC // Proc. Int. Conf. "Modern Problems of Astronomy", Odessa (Ukraine). - 1996. - Odessa Astronomical Publications. - 1996. - V. 9, part 1. - P. 146-147.

16. Sergeeva T.P., Sergeev A.V., Pakulyak L.K. The employment of the modern information technology in FON project. // Proc. Coll. of IAU Comm. N 5. - St.-Petersburg (Russia). - 1996. - Baltic Astronomy. - 1997. - V 6, N 2. - P. 352.

17. Sergeeva T.P., Sergeev A.V. PARSEC - many purposes measuring tool for photographic astronomy // Abstr. Joint Europ. Nat. Astron. Meet. (JENAM-97) “New trends in astronomy and astrophysics”. - Thessaloniki (Greece). - 1997. - P. 242

Анотація

Сергеєва Т. П. Оптимізація вимірювань астронегативів при створенні великих астрометричних каталогів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.19 - Астрономічні інструменти, прилади та комплекси. - Головна астрономічна обсерваторія НАН України, Київ - 1999.

В дисертації вирішено задачу оптимізації процесу вимірювань астронегативів на автоматичному вимірювальному комплексі (АВК) ПАРСЕК при створенні високоточних каталогів положень мільйонів зірок. Розроблено та реалізовано при вимірюванні платівок програми ФОН інформаційний технологічний процес автоматичних вимірювань астронегативів (ІНТАВІЗА). Розроблено та застосовано алгоритми і програми оптимізації позиціонування та фотометрії зображень зірок на платівках зі значними варіаціями щільності почорніння фону, системи аналізу нестандартних ситуацій, контролю та діагностики метрологічних характеристик АВК ПАРСЕК. В результаті проведених в роботі досліджень виявлено та мінімізовано специфічні інструментальні похибки, визначені та стабілізовані оптимальні робочі параметри. Застосування розроблених в дисертації технології, алгоритмів та програм забезпечило стійкість та ефективність функціонування АВК ПАРСЕК, дозволило отримати однорідні високоточні значення координат та діаметрів для зображень двох мільйонів зірок північного неба менш ніж за сім років.

Ключові слова: методи та засоби вимірювань, верифікація даних, каталоги.

Summary

Sergeeva T.P. The optimization of measurements of the astronegatives at the creation of large astrometric catalogues.- Manuscript.

Thesis for the competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on speciality 05.11.19 - Main Astronomical Observatory of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 1999.

In the thesis the problem of optimization of measurements of astronegatives on an automatic measuring complex (AMC) PARSEC at the creation of high-precision catalogues of the positions of millions stars is solved. The information technological process of automatic measurements of astronegatives is developed and realized at the measurement of plates of the program FON. The algorithms and programs which realize the optimization of positioning and image photometry on plates with significant variations of a background density, the system of the analysis of non-standard situations, control and diagnostics of metrological characteristics of the AMC PARSEC are developed and applied to arise the accuracy and homogeneity of the data and the efficiency of the measuring process. As the result of the researches, carried out in this work, the specific instrumental errors of the PARSEC are revealed and minimized and the optimum working parameters are determined and stabilized. The application of the technology, algorithms and programs, which are developed in this work has ensured the stability and efficiency of operation of the AMC PARSEC. It has allowed to receive homogeneous high-precision values of coordinates and diameters for the images of two millions stars of northern hemisphere less than for seven years.

Keywords: methods and means of the measurements, data verifications, catalogues.

Аннотация

Сергеева Т. П. Оптимизация измерений астронегативов при создании больших астрометрических каталогов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.19 - Астрономические инструменты, приборы и комплексы. - Главная астрономическая обсерватория НАН Украины, Киев, 1999.

Диссертация посвящена разработке оптимальной технологии процесса измерений астронегативов на автоматическом измерительном комплексе (АИК) ПАРСЕК при создании высокоточных каталогов положений миллионов звезд. На основании анализа мирового опыта применения автоматических измерительных машин в астрометрических исследованиях и изучения особенностей функционирования АИК ПАРСЕК при выполнении астрометрических программ сформулированы принципы построения информационной технологии автоматических измерений астронегативов, позволяющие оптимизировать процесс создания больших астрометрических каталогов, и требования к основным этапам информационного технологического процесса. В соответствии с этими принципами и требованиями разработан и реализован при измерении пластинок программы ФОН информационный технологический процесс автоматических измерений астронегативов (ИНТАВИЗА) и соответствующие методы, средства, алгоритмы и программы.

В результате проведенных исследований комплексов ПАРСЕК разработаны средства, алгоритмы и программы, позволяющие свести к минимуму короткопериодические уклонения интерполяторов и степень влияния инструментального уравнения блеска, полностью устранить спорадические отскоки отсчетов системы координат с амплитудой от 8 до 72 микрон.

Для обеспечения максимальной точности определения звездных величин при постановке массовых автоматических измерений астронегативов разработан и внедрен метод учета неоднородности фона пластинки, сочетающий в себе возможность получения отсчетов фона в реальном режиме времени одновременно с измерением изображения и достаточно высокую точность. При этом исключаются локальные неоднородности плотности почернения вуали пластинки, возникающие из_за дефектов эмульсии, присутствия близких изображений и т.п. Это не только повышает точность фотометрии, но и позволяет проводить измерения всех изображений в идентичных условиях, обеспечивая тем самым однородность получаемых результатов. Эффективность применения этого метода подтвердилась итогами измерений пластинок программы ФОН, для которой удалось достигнуть погрешности фотометрии по всему каталогу около 0.15m, т.е. меньше ошибок лучших обзорных каталогов (GSC, USNO-A, PPM), созданных на основе астрофотографии.

Для повышения эффективности процесса измерений, обеспечения непрерывности и устойчивости автоматического режима измерений астронегативов разработаны и применены алгоритмы и программы контроля и диагностики функционирования аппаратуры комплексов ПАРСЕК, а также внедрены методы и регламент проведения метрологических и профилактических работ. Это позволило достигнуть стабильного уровня метрологических характеристик на всем периоде измерений пластинок программы ФОН: с.к.о. измерений координат - 0.7 мкм, с.к.о. определения эффективных диаметров - 0.3 1.5 мкм.

На основании проведенных исследований определены оптимальные значения рабочих параметров АИК ПАРСЕК, которые влияют на точность и однородность получаемых результатов. С целью обеспечения тождественности настройки АИК ПАРСЕК разработан алгоритм и программы автоматической калибровки, а оптимальные значения рабочих параметров зафиксированы в поле параметров комплекса управляющих программ.

На основе анализа возможных источников искажения или потери информации разработана и реализована двухуровневая система защиты данных, обеспечившая сохранность информации на всех этапах информационного технологического процесса. Система построена на основе использования структуры шестнадцатеричных файлов данных операционной системы управляющей микро-ЭВМ. При этом вся информация об измеряемом изображении заключена в логической записи фиксированной длины и структуры, контрольная сумма которой формируется и проверяется в процедурах преобразования и передачи данных.

Для осуществления контроля непосредственно при измерении пластинки, исключения прерывания процесса измерений или потери точности и достоверности получаемых результатов, создана система анализа нестандартных ситуаций (САНС), которая позволяет не останавливая процесса измерений выявлять такие ситуации и, по возможности, устранять их последствия. Для ее построения были изучены, рассчитаны, исходя из особенностей пластинок программы ФОН, и зафиксированы в разработанном программном обеспечении предельные значения следующих параметров АИК ПАРСЕК: допустимые вариации отсчетов счетчиков координат, минимально и максимально допустимые значения координат и эффективных диаметров изображения, допустимые вариации фона в окрестности звезды и др.

...