A LabVIEW Realtime based telescope control system

A LabVIEW Realtime based telescope control system
E.Schaefer, W. Zeilinger
Institut für Astronomie, Universität Wien
Kurzfassung
Die Steuerung des 1.5 Meter Spiegelteleskops des Leopold Figl-Observatoriums für
Astrophysik (FOA) der Universität Wien wird im Rahmen eines Upgradeprojektes sowohl
hardwareseitig, abgehend von den Encodern der Servoantriebe, als auch softwareseitig
erneuert. Ziel des Projektes ist im Rahmen eines end-to-end Konzeptes die Realisierung
eines automatisierteren Observatoriumsbetriebs, der astronomische Beobachtungen auch
über remote-Anbindungen ermöglicht.
Das FOA Telescope Control System (TCS) wurde als Virtual Instrument (VI) im
LabVIEW 8.5 Realtime Softwarepaket realisiert. Die TCS Software erlaubt die Steuerung
der grundlegenden Teleskopfunktionen und die automatische Steuerung der
Kuppeldrehung und des Kuppelspaltes. Die in der TCS integrierte Erfassung von
meteorologischen Daten erlaubt ein Monitoring der Qualität der astronomischen
Beobachtungen. Zusatzinstrumente und Detektoren am Teleskop sind als VI
Komponenten in die TCS integriert und erlauben dem Beobachter die Programmierung
von Beobachtungssequenzen und eine pipeline-basierte Analyse der Beobachtungsdaten.
Die Hardware der FOA TCS besteht aus einem PXI-1031 Chassis mit einem PXI 8145
Realtime Embedded Controller, der über eine Motioncontrol-Karte PXI 7344 die beiden
Servomotoren des Teleskopes steuert. Zwei NI Fieldpoints cFP 2020 werden als
Schnittstellen für die Anbindung der astronomischen Instrumentation, Detektoren,
Kuppelsteuerung, Erfassung der meteorologischen Daten, etc. verwendet.
Abstract
The 1.5 meter telescope of the Leopold Figl-Observatorium für Astrophysik (FOA) of the
University of Vienna is undergoing a major upgrade regarding the hard- and software of
its telescope control system (TCS). The FOA TCS is a highly integrated telescope and
observatory control system developped in the LabVIEW 8.5 Realtime software package
and designed to support also remote observations. The major control functions of
telescope, observatory astronomical instruments, detectors are integrated in the FOA TCS.
LabVIEW allows an efficient communication between the various components executing
on dispersed computers and is operating-system independent. The FOA TCS is designed
to program automated observing sequences and allows pipeline-based anaylsis of
astronomical data.
The hardware oft he FOA TCS consists of a PXI 1031 chassis with a PXI 8145 realtime
embedded controller which communicates through a motioncontrol card PXI 7344 with
the servos of the telescope. Two NI fieldpoints cFP 2020 are used to interface to the
astronomical instruments, detectors and monitor ancillary data such as ambient
temperature, relative humidity, wind speed, etc.
Einleitung
Das Leopold Figl-Observatorium für Astrophysik (FOA) wurde 1966 bis 1969 im
Wienerwald ca. 110 km südwestlich von Wien auf 890 m Seehöhe als Außenstation des
Instituts für Astronomie der Universität Wien errichtet. Das FOA beherbergt ein RitcheyChretien Spiegelteleskop dessen Gewicht sich auf 24 t beläuft und einen
Hauptspiegeldurchmesser von 152 cm aufweist. Dieses Teleskop ist parallaktisch
aufgestellt, das heißt die Teleskopgabel (Alpha-Achse) ist parallel zur Erdachse geneigt.
Die Neigung des Teleskoptubus (Azimut) wird mit dem zweiten Antrieb (Delta-Achse)
vorgegeben. So können mit 2 Servoantrieben Sternpositionen angefahren werden (Bild 1).
Der Ausgleich der Erdrotation während astronomischer Beobachtung erfolgt durch
Nachführen mit Hilfe des Alpha-Achsen Antriebes.
Bild 1: Nord-Süd-Schnitt durch das Leopold Figl Observatorium
Die Anforderungen an das TCS 
Das Telescope Control System (TCS) muß folgende Anforderungen erfüllen:
a)
b)
Steuerung und Status-Monitoring der Teleskopfunktionen: α-, δ-Antriebe,
Teleskopfokus;
Steuerung und Status-Monitoring von unmittelbar assoziierten Funktionen, die
während der Beobachtungen benötigt werden: Kuppeldrehung, Kuppelspalt
öffnen/schließen, Windschirmkontrolle, Spiegelverschluss, Cassegrain Rotator,
Neigungssensor, Sicherheitsfunktionen, Handpanel;
c)
d)
e)
Interface zu externen Systemen, die während der Beobachtungen benötigt werden:
astronomische Kataloge, meteorologische Daten und Archivierung [1];
Interface
zur
Instrumentation:
OEFOSC*,
Cassegrain
Adapter**,
Kalibrationslampen;
Interface zum Benutzer.
Bild 2: Datenflüsse im TCS [1]
*Der OEFOSC (Oesterreich Faint Object Spectrograph and Camera) ist ein vom
Observatorium Kopenhagen entwickeltes Multifunktionsinstrument, das als Fokalreduktor
sowohl Imaging und als auch Spektroskopie mittels einer peltiergekühlten CCD Kamera
ermöglicht.
** Der Cassegrain Adapter ist in der Fokalebene des Teleskopes montiert und bildet das
Verbindungsstück zwischen Teleskop und OEFOSC, in dem Kalibrationslampen enthalten
sind, die in den Strahlengang eingeblendet werden können. Der Adapter kann um die
optische Achse des Teleskops rotiert werden (sog. Cassegrain Rotator).
Der Hardwareaufbau des TCS
Das bestückte PXI*-1031 Chassis bildet im Verbund mit derzeit zwei Fieldpoints die
Steuerungsebene des TCS (Bild 3). Die PXI Plattform ist mit einem 8145 RT-Controller,
einem 7344 Motion Controller und mit einer NI PXI-6040E Multifunktion I/O Karte
bestückt. Die Fieldpoints befinden sich im Kuppelraum, in dem mitunter sehr rauhe
Umweltbedingungen herrschen, die PXI ist einen Stock tiefer, gemeinsam mit der Motion
Control, im Steuerraum situiert (Bild1). Server auf der Systemebene ist der 8145
Controller (Pentium II, 128 MB Ram, 128 MB Compact-Flash) mit dem LabView
RealTime 8.5.1 Kernel. Die Teleskopsteuerung, die Kontrolle der Fieldpointfunktionen,
die Kommunikation mit den Benutzern, dem Datenarchiv und Einbindung der CCDCamera erfolgt vom RT-Controller aus. Die „Clients“ (Bedienpanel, Datenanalyse-,
Datenarchiv- und CCD-PC, sind via TCP/IP Protokoll mit dem Server verbunden.
Bild 3: Das TCS und seine Einbindung ins LAN der Universität Wien
Das FOA wurde 2007 mit einer 4 Mbit Standleitung ins LAN der Universität Wien
integriert, damit sind Fernsteuerbarkeit und Monitoring des TCS vom Institut für
Astronomie aus möglich.
*PCI EXTENSIONS for INSTRUMENTS
Die Ansteuerung der Teleskopmotoren
Das Teleskop, wird mit zwei Servomotoren, die jeweils mit einem Tachogenerator und
einem Relativ-Encoder bestückt sind, über ein Getriebe bewegt. Als Interface zwischen
der Motion Control Karte und den Endstufen (TRM 6015) dient die UMI-7764-Karte.
Über die UMI werden Endschalterpositionen, Notaus, Encoderpositionen und der Status
der Endstufen TRM 6015 übermittelt.
Die Servomotoren sind zwei permanenterregte Scheibenläufermotoren mit einem
maximalen Impulsdrehmoment von 1150 Ncm und einer Nennleistung von 370W. Die
Motoren können mit bis zu 3000 Umdrehungen (Upm) pro Minute betrieben werden und
zeichnen sich damit durch hohe Dynamik aus. Ein grosser Vorteil der Scheibenläufermotoren ist deren hohes Haltemoment im Stillstand sowie deren Fähigkeit auch über lange
Zeiträume bei langsamen Geschwindigkeiten ohne Überhitzung zu arbeiten.
Die Fieldpoints
Die Fieldpoints sind ins FOA-LAN integriert und wesentlich für die Systemintegration der
existierenden Kontroll- und Steuerungseinheiten am FOA. Die eingebundenen
Komponenten sind teilweise bis zu 30 Jahre alt, und konnten mit entsprechenen VI’s, die
dezentral auf den Fieldpoints implementiert sind, ins TCS mit eingebunden werden. Der
Datenaustausch mit dem TCS Server erfolgt hier mit „Shared Variablen“ im Rahmen von
LabVIEW.
Die Virtuellen Instrumente des TCS
Mittlerweile sind Hauptkomponenten des TCS implementiert. Die Kernroutine des TCS
wird mit einem Statediagramm (Bild 4) veranschaulicht.
Der TCS Server
Auf dem TCS Server laufen folgende VI’s:
a)
b)
c)
d)
e)
Berechnungen und astronomische Routinen (Bild 4)
Ansteuerung der Teleskopmotoren via Motion Control
Einlesen der Funkuhr über die serielle Schnittstelle
„Shared Variablen“ Management und Kommunikation mit den Fieldpoints
Kommunikation mit den Hostcomputern (CCD, Bedienterminal, Datenarchiv)
Bild 4: State Diagramm: Ablauf der Teleskopsteuerung
Ad a) Die Aufrufe der astronomischen Routinen (astro.vi) erfolgen im 100 ms Takt und
werden vor jedem Durchlauf der States ausgeführt. Die Rechenergebnisse werden über
FIFO’s kommuniziert. Die astronomischen Algorithmen, die P.T. Wallace [2] in Ansi CCode zur Verfügung gestellt hat, wurden mit LabView CVI zu einem DLL-File
kompiliert. Das State Diagramm (Bild 4) kann in fünf Bereiche unterteilt werden:





Spezielle
Positionierung
des
Teleskops
(„stop“-new_target-„goto“positon_reached). Das sind z.B. die Stern,- Park-, Zenit-, und Serviceposition.
Positionierung auf einen Stern und Nachführung durch Koordinateneingabe („stop“new_target & tracking=1-„go_to_and_track“).
Bedienung des Teleskops mit dem Handset („stop“-handset_pressed-„by_handset“)
Tracking eines Sterns von einer beliebigen Position aus („stop“-tracking=1„set_v_track“-calc_aparent_pos“-default-„goto_and_track“). Wobei „set_v_track”
die Nachführgeschwindigkeit des Teleskops mit 15 Bogensekunden/Minute einstellt.
Die Synchronisierung mit der Funkuhr („stop“-sync_gps_clock=1-„gps_update“)
wird jeweils zu Beginn einer Beobachtung durchgeführt
Ad b) Die Rechenergebnisse des astro.vi werden über ein regler.vi als Stellbefehle an das
motion.vi übergeben. Zuerst erfolgt die Positionierung des Teleskops auf einen Stern
(Alpha- und Delta Koordinate), dann erfolgt die Nachführung des Telskops
(Kompensation der Erdrotation) über die Alpha-Achse. Eine Motorumdrehung wird
dabei auf 20.000 Encoderschritte aufgelöst. Die praktisch erreichbare Stellgenauigkeit
des Teleskopes beläuft sich auf ca. 1 Bogensekunde.
Ad c) Für eine korrekte astrometrische Berechnung ist eine exakte Zeitbasis notwendig, dies
wird durch eine GPS-Funkuhr gewährleistet. Nach dem Einlesen des Datums und der
Zeit zeigt die Funkuhr die Gültigkeit des Sekundenwechels mit einer digitalen Flanke
an. Das Uhr.vi wertet diese Flanke in einer „timed loop“ aus und setzt die Zeit beim
Programmstart, oder nach Anforderung aus der State Machine, auf demTCS-Server.
Ad d) Alle „shared Variablen“ die zur Kommunikation mit den Fieldpoints gebraucht
werden, sind hier definiert. Da es an der Peripherie um langsame Vorgänge (z.B.
Temperaturen, Luftfeuchte, Fokusanzeige,….) handelt, funktioniert dieses Konzept
hervorragend. Die entsprechenden VI’s sind leicht wart- und handhabbar.
Ad e) Die Bedienung und Steuerung des TCS erfolgt remote über Client PC’s. Die Client
Server VI’s sind TCP/IP basiert. Alle relevanten Daten, für den User am Client PC, dem
Datenarchivserver, und anderen Clients werden über TCP/IP kommuniziert. Zwischen
dem Userinterface und dem TCS-Server sind eigens VI’s mit proprietärer
Kommandostruktur implementiert. Diese VI’s sind modular und können jederzeit z.B.
einer beliebigen TCS Kommandosprache angepasst werden. Eine Remote-Steuerung
mehrerer Telseskope wäre damit möglich.
Die Fieldpoints und deren VI’s
Fieldpoint 1 bindet über die RS232 Schnittstelle einen Neigungssensor (2 Achsen,0..180°)
und einen Barcodeleser für die Positionsangaben der Kuppel in TCS ein.
Der Neigungssensor gibt dem Benutzer ein Feedback über die aktuelle Position des
Teleskops. Mit dieser Positionsrückmeldung kann bei unerwartetem Ausfall des TCS das
Teleskop jederzeit in seine Parkposition gefahren werden. Auch virtuelle Endschalter
werden so realisiert.
Auf dem beweglichen Teil der Kuppel sind Barcodemarkierungen angebracht. Der
Barcodeleser übermittelt dem entsprechenden VI die Kuppelposition. Das Kuppel.vi kann
die Kuppel dem Teleskop nachführen, parken, und in Servicepositionen fahren. Dieses VI
bedient auch den Sollwert des Frequenzumrichters sowie die Stellbefehle Kuppel „links“
bzw. „rechts“.
Weitere Virtuelle Instrumente wurden für die Kuppelspalt-,und Windschirmsteuerung
erstellt. Bedeutende Parameter bei astronomischen Beobachtungen sind die
Temperaturschichtungen und und Feuchtigkeitswerte, die über einfache VI’s erfasst und
via Shared Variablen im Sekundentakt dem TCS-Server übergeben werden, der seinerseits
die Werte via TCP/IP an den Datenarchivserver weitergibt.
Fieldpoint 2 bindet über die RS232 Schnittstelle einen Datenlogger, den OEFOSC und die
Fokuspositionsanzeige das TCS ein.
Die Niederösterreichische Landesregierung betreibt eine Wetterstation auf dem FOA. Die
Wetterdaten (Windrichtung, Windgeschwindikeit, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und
Niederschlag) auf dem Datenlogger, werden dem TCS über die serielle Schnittstelle
zugänglich gemacht. Ein eigenes „wetter.vi“ holt die Wetterwerte ab, und bereitet sie für
die Übergabe via TCS Server an den Datenarchivserver auf.
Der OEFOSC ist ein optisches Multifunktionsgerät. Es werden insgesamt fünf Schrittmotorantriebe über die serielle Schnittstelle gesteuert (Apertur-, Filter-, und Grismrad,
sowie der Verschluss für die CCD Kamera und der Fokus für die Optik). Das Oefosc.vi
auf Fieldpoint 2 arbeitet entweder im automatischen Betriebsmodus (Die Befehle kommen
vom TCS-Server) oder im manuellen Betrieb (dem Benutzer wird ein Bedienpanel zur
Verfügung gestellt, auf dem er die Positionen der einzelnen Aktoren auswählt).
Die Fokusposition des Teleskops wird mit einem berührungslosen Längenmesssystem
gemessen und von einem Positionsmultiplexer auf 1/100 mm genau ausgewertet und im
Kuppelraum angezeigt. Das pomux.vi greift auf die Schnittstelle des Anzeigegerätes zu
und stellt dem TCS-Server die jeweilige Fokusposition zur Verfügung. Das VI bedient
auch den Fokusantrieb, einerseits über das TCS-Bedienpanel auf dem Client PC’s im
Kontrollraum oder über ein Handset das direkt am Teleskop für dessen manuelle
Bedienung zur Verfügung steht.
Auf FP2 werden zudem die Temperaturen am Teleskop und die Luftfeuchtigkeit im
Kuppelraum erfasst. Ein VI steuert den Spiegelverschluss und weitere Handsetfunktionen.
Zusammenfassung
Die meisten Funktionen des TCS konnten für das FOA realisiert werden. Im Lauf des
Jahres wird noch eine CCD-Kamera, die schon mit VI-Treibern zur Ansteuerung
bereitsteht implementiert. Die LabView Realtime Plattform hat sich für uns als
verlässliche und stabile Entwicklungsumgebung präsentiert. Die Virtuellen Instrumente,
einmal getestet und auf den Targets implementiert, arbeiten verlässlich und stabil. Ein
wesentliches Kriterium, nämlich die sehr heterogenen Komponenten des FOA in ein
System zu integrieren, ist mit LabView Realtime gelungen.
[1] W. Zeilinger: Projekt einer neuen Teleskopsteuerung für das FOA 1,5m Teleskop,
Pflichtenheft, Version 16.5.2006,S4, Institut für Astronomie der Universität Wien
[2] P.T.Wallace: SLALIB-Positonal Astronomy Library 2.5-3, 19 December 2005,CCLRC
/Rutherford Appleton Laboratory, Paricle Physics & Astronomy Research Council,
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