Układ sterowania największym na świecie teleskopem – wykorzystanie LabVIEW i wielordzeniowych stacji roboczych

ESO prowadzi obecnie działalność w trzech obserwatoriach zlokalizowanych w Andach Chilijskich – obserwatorium La Silla, Paranal oraz obserwatorium na płaskowyżu Chajnantor. Organizacja zawsze dysponowała jednymi z najbardziej innowacyjnych technologii, począwszy od pierwszych systemów optyki adaptacyjnej o wspólnym dostępie dla użytkowników (teleskop o średnicy 3,6 metra w obserwatorium La Silla), poprzez układ optyki aktywnej w teleskopie NTT (New Technology Telescope w obserwatorium La Silla) o średnicy 3,5, kończąc na zintegrowanym teleskopie VLT (Very Large Telescope) i powiązanym z nim interferometrze w obserwatorium Paranal. Wspólnie z partnerami z Ameryki Północnej i Azji Wschodniej ESO pracuje nad konstrukcją złożonego z 66 ruchomych anten teleskopu submilimetrowego Atacama (Atacama Large Millimeter Array – ALMA) o wartości 1 mld dolarów, którego budowa ma zostać zakończona w 2012 roku. Wcześniej, bo w 2010 roku, rozpoczęta ma być budowa opisanego we wstępie teleskopu E-ELT.

OPTYKA AKTYWNA I ADAPTACYJNA

Przy budowie teleskopu E-ELT o średnicy 42 metrów projektanci korzystają z doświadczeń w dziedzinie optyki aktywnej i adaptacyjnej oraz luster segmentowych. Optyka aktywna obejmuje kombinację czujników, siłowników i układów sterowania pomagających zachować poprawny kształt lustra teleskopu (kolimację). Właściwy układ teleskopu jest utrzymywany w celu zmniejszenia aberracji resztkowych w projekcie optycznym oraz zwiększenia sprawności i odporności na błędy systemu. Korekcja optyki aktywnej w teleskopach musi następować co minutę w ciągu całej nocy, tak aby jakość obrazu była ograniczana jedynie przez czynniki atmosferyczne. Czujniki czoła fali najpierw badają atmosferę, a następnie przetwarzają ewentualne aberracje na polecenia kierujące procesem sterowania lustrem. Wymaga to zastosowania niezwykle szybkiego systemu komputerowego i odpowiedniego oprogramowania.

Sterowanie tym złożonym układem wymaga ogromnych możliwości w zakresie przetwarzania danych. W przeszłości do sterowania wykorzystywano układy czasu rzeczywistego bazujące na VME. Obecnie ESO współpracuje z inżynierami W czasie działania układu M1 przyległe segmenty luster mogą przechylać się w stronę innych segmentów. Odchylenie jest monitorowane z wykorzystaniem czujników bocznych i nóżek siłowników, które mogą przesunąć segment o 3° w każdym kierunku. Sumarycznie 984 segmenty luster składają się z 3000 siłowników i 6000 czujników (rysunek 3). System ten, sterowany przez oprogramowanie LabVIEW, musi odczytywać wskazania czujników i, w przypadku ruchu segmentów, wykorzystać siłowniki do ich wyrównania. W celu skutecznej regulacji lustra, aplikacja zrealizowana w środowisku LabView musi obliczać macierz 3000 na 6000 na 6000 iloczynów wektorowych od 500 do 1000 razy w ciągu sekundy.

Czujniki i siłowniki sterują również lustrem adaptacyjnym M4. To ostatnie to cienkie, deformowalne lustro o średnicy 2,5 metra, które zawiera ponad 8 tys. siłowników (rysunek 4). Jest ono sterowane podobnie jak lustro M1, przy czym uwzględnia dane pomiarowe obrazu czoła fali. Dane dotyczące czoła fali odwzorowują do 14 tys. wektorów wartości. Co kilka milisekund istnieje konieczność uaktualnienia 8000 siłowników – w tym celu wykonuje się mnożenie macierzy przez wektor macierzy sterowania 8 na 14 tys. i przez wektor 14 tys.

Współpraca z National Instruments nad pozyskiwaniem danych obliczeniowych i systemem synchronizacji rozpoczęła się w momencie, gdy NI zajął się zagadnieniami matematycznymi i sterowania. Sterowanie lustrami M1 i M4 wymaga niezwykłej mocy obliczeniowej, którą miały zapewnić różnorodne systemy wielordzeniowe. Ponieważ układ sterowania M4 zawiera 15 zadań dotyczących podmacierzy 3 na 3 tys., wymaganych jest 15 urządzeń zawierających jak największą liczbę rdzeni. W związku z tym układ sterowania musi nadzorować proces wielordzeniowego przetwarzania danych. Wykorzystywane jest do tego środowisko LabVIEW i rozwiązania COTS.

ROZWIĄZANIE PROBLEMU Z WYKORZYSTANIEM ŚRODOWISKA LABVIEW

Kluczową kwestią stało się dokładne przetestowanie układu sterowania w takich samych warunkach, jak podczas rzeczywistego sterowania teleskopem. Aby sprostać temu wyzwaniu, inżynierowie NI wdrożyli nie tylko układ sterowania, ale również system przeprowadzający symulację lustra M1 w czasie rzeczywistym, celem wykonania testu HIL. Ten ostatni to powszechnie używana w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym metoda testowania projektów układów sterowania, która stosowana jest w celu zweryfikowania działania sterownika przy użyciu odpowiedniego symulatora systemu czasu rzeczywistego. Inżynierowie NI stworzyli symulator lustra M1 reagujący na sygnały układu sterowania i weryfikujący jego działanie. Układ sterowania i symulacji lustra opracowano, wykorzystując program LabVIEW oraz zaimplementowano w wieloprocesorowym komputerze zarządzającym, opartym na module czasu rzeczywistego LabVIEW Real-Time.

W podobnych aplikacjach HPC czasu rzeczywistego zadania komunikacyjne i obliczeniowe są ściśle powiązane. Błędy systemu komunikacyjnego powodują awarię całego układu. Ponieważ inżynierowie NI potrzebowali szybkiej i deterministycznej wymiany danych w głównej części systemu, zdecydowano, że nie może ona opierać się na standardowej technologii ethernetowej, gdyż protokół ten jest w swojej podstawowej wersji niedeterministyczny. Do wymiany danych między układem kontrolnym i symulatorem lustra M1 zastosowano funkcję sieci uruchamianej modułem LabView RT. Wynikiem tego było utworzenie sieci o deterministycznej prędkości transmisji 36MB/s.

Całość układu sterowania M1 obejmuje dwie 8-rdzeniowe stacje robocze Dell Precision T7400 i notebook z interfejsem użytkownika. Wykorzystano tutaj dwie sieci – standardową, łączącą oba obiekty czasu rzeczywistego z notebookiem, oraz Inżynierowie NI udowodnili, że można wykorzystać środowisko LabVIEW i LabVIEW RT do wdrożenia rozwiązania opartego na technologii COTS, a tym samym sterować wielordzeniowymi obliczeniami w celu uzyskania wyników w czasie rzeczywistym. Nasz zespół przyczynił się po raz kolejny do wzrostu osiąganej wydajności i w związku z tym będzie nadal wyznaczał punkty odniesienia zarówno w informatyce, jak i astronomii, związane z wdrażaniem projektu E-ELT.

Jason Spyromilio, Europejskie Obserwatorium Południowe

Bezpłatna infolinia: 00 800 361 1235