望遠鏡觀測調(diào)度系統(tǒng)研究進展

李曼迪，葛 亮，姜曉軍

(1.中國科學(xué)院 光學(xué)天文重點實驗室，國家天文臺，北京 100012；2.中國科學(xué)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京100049)

1 引 言

天文學(xué)是一門基于觀測的科學(xué)，而望遠鏡作為天文學(xué)家探索宇宙的主要工具，在天文觀測中發(fā)揮重要作用[1]。天文望遠鏡根據(jù)不同的特征具有不同的分類。根據(jù)望遠鏡所處位置劃分，天文望遠鏡分為空間望遠鏡和地基望遠鏡；根據(jù)觀測的波段劃分，天文望遠鏡可分為光學(xué)望遠鏡、紅外望遠鏡、射電望遠鏡、高能射線望遠鏡等；根據(jù)建設(shè)的科學(xué)目標劃分，天文望遠鏡又可分為專用型望遠鏡和通用型望遠鏡。不管是何種類型的望遠鏡，在實際運行的過程中，望遠鏡的觀測調(diào)度都是不可或缺的一部分。

天文望遠鏡的觀測調(diào)度是指將觀測任務(wù)與觀測資源(儀器、時間等)進行協(xié)調(diào)安排的過程。在實際觀測中，由于地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)造成天體視運動的變化，使觀測目標在各個時期具有不同的目標可見性。觀測目標是否可見、是否能夠獲得較好的數(shù)據(jù)質(zhì)量，是觀測者在進行任務(wù)安排時考慮的要點。合理的望遠鏡調(diào)度能夠在確保數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時，使望遠鏡的觀測時間得以更為充分有效的利用，提高望遠鏡的觀測效率。然而，由于望遠鏡建設(shè)目標、觀測模式等各方面的差異，各個望遠鏡觀測調(diào)度的形式與程度不盡相同。

目前，國內(nèi)通用型光學(xué)望遠鏡主要采用傳統(tǒng)的觀測者到站觀測模式(visitor mode,VM)。以興隆觀測站為例，科學(xué)委員會負責觀測計劃的收集、評定、時間分配等工作，一般以天為單位進行觀測時間的分配。各觀測者將在相應(yīng)的觀測時間前往興隆觀測站進行其課題的觀測。在該模式下，望遠鏡觀測調(diào)度的職責由科學(xué)委員會與相應(yīng)的觀測者承擔，科學(xué)委員會根據(jù)觀測者自身的觀測意愿進行宏觀的時間劃分，而具體時間的利用則由相應(yīng)的觀測者進行安排。該觀測模式雖然簡單易行，但也存在一些不足：1) 觀測時間利用率不高。一方面，由于經(jīng)驗、任務(wù)完成情況不同，可能造成觀測時間的流失；另一方面，觀測課題需求與觀測環(huán)境條件不能實現(xiàn)高度匹配。2) 觀測者需自行承擔時間損失。觀測者在其觀測期間，如果遇到天氣狀況不能滿足觀測要求，或者儀器設(shè)備出現(xiàn)故障等情況，從而損失觀測時間，并不會因此被重新分配觀測時間。

除到站觀測模式外，服務(wù)觀測模式(service mode, SM)在國際通用型望遠鏡中也有較多使用，它是一種以提高望遠鏡科學(xué)效率為主要目標的觀測模式[2]，其核心思想是通過減小時間分配粒度，在不同觀測條件下根據(jù)特定觀測者的要求獲取天文數(shù)據(jù)，即根據(jù)天氣狀況(視寧度、云量、天光背景) 等環(huán)境限制因素，選擇滿足觀測要求的科學(xué)計劃來作為觀測任務(wù)執(zhí)行[3]，其常用的調(diào)度模式有隊列觀測等。與傳統(tǒng)觀測模式相比，該模式下觀測調(diào)度考慮的因素更多，除了觀測計劃中應(yīng)進行觀測的時間外，還考慮了環(huán)境等因素與觀測計劃的匹配，保證更高質(zhì)量觀測的進行。

隨著計算機技術(shù)與自動化技術(shù)的發(fā)展，望遠鏡觀測控制技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了機械控制望遠鏡、電子控制望遠鏡、自動執(zhí)行望遠鏡、系統(tǒng)級控制望遠鏡這幾個階段，并向著具備自主管理與決策功能的智能控制望遠鏡的未來發(fā)展[4]，這也對望遠鏡的觀測調(diào)度提出了新的要求。望遠鏡調(diào)度系統(tǒng)是計算機控制望遠鏡實現(xiàn)程控甚至是自主控制的必要組成部分[5]，而望遠鏡智能化控制的最終目的是降低觀測過程中的時間開銷與人為操作失誤，提高望遠鏡的觀測效率與數(shù)據(jù)質(zhì)量。因此，望遠鏡調(diào)度問題的研究是十分有意義的。

本文對望遠鏡觀測調(diào)度系統(tǒng)的研究與應(yīng)用進行了回顧、總結(jié)與展望。本文的內(nèi)容結(jié)構(gòu)安排如下：首先，從調(diào)度目標、約束條件與常用解決算法對望遠鏡調(diào)度問題進行概述；其次，介紹了一些常用的望遠鏡調(diào)度策略以及典型的望遠鏡觀測調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用；最后，對望遠鏡觀測調(diào)度系統(tǒng)的發(fā)展前景進行了展望。

2 望遠鏡調(diào)度問題概述

調(diào)度問題的研究起源于20 世紀50 年代[6]，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，該研究在工業(yè)生產(chǎn)、電力、航空、運輸、計算機等領(lǐng)域得到廣泛的延伸，望遠鏡調(diào)度便是該問題在天文觀測領(lǐng)域的應(yīng)用。

為了獲得合理高效的觀測計劃，望遠鏡調(diào)度問題通常被轉(zhuǎn)化為約束優(yōu)化問題進行處理，即選擇一組決策變量，使目標函數(shù)取得最優(yōu)值的問題，同時這組決策變量必須滿足一定的約束條件。約束優(yōu)化問題通?？啥x為如下形式[7]：

其中，x= [x1,x2,x3,···,xn]∈S是決策變量，S表示n維搜索空間，且滿足邊界條件；f(x) 是目標函數(shù)，q表示不等式約束條件的個數(shù)，m ?q表示等式約束的個數(shù)；gj(x) 為第j個不等式約束條件，而hj(x)為第j ?q個等式約束條件。

通過上述定義，望遠鏡調(diào)度問題可以視為在滿足所有約束條件的前提下，在變量的定義范圍內(nèi)，尋找使目標函數(shù)f(x)達到最優(yōu)的解。

2.1 調(diào)度目標

望遠鏡調(diào)度的主要目標是盡可能提高觀測時間的利用率，提高望遠鏡的觀測效率，實現(xiàn)效益的最大化[8]。在具體實施過程中，不同望遠鏡的調(diào)度側(cè)重點有所不同，需根據(jù)實際情況將總體調(diào)度目標精細化，以獲得最佳調(diào)度結(jié)果。

加拿大-法國-夏威夷望遠鏡(Canada-France-Hawaii Telescope, CFHT)是一臺具有高科學(xué)產(chǎn)出的望遠鏡，其在隊列觀測模式下通過定義調(diào)度目標并生成觀測隊列的方法獨具特色。CFHT 將進行觀測的基本單元定義為觀測塊(observation block, OB)，通常由單一目標源及其觀測配置、限制條件等組成[9]。望遠鏡調(diào)度的基本單元被稱為觀測組(observation group,OG)，其具有恒定的時長，該時長即為望遠鏡時間分配粒度的大小。在CFHT 中，OG 的大小通常設(shè)定為2 h。

CFHT從隊列容量、等級設(shè)置、目標壓力、機構(gòu)平衡以及人為因素五個方面對觀測隊列進行衡量選擇[10]。隊列容量即為對當晚觀測時間的使用率，滿足一定數(shù)值(如設(shè)定隊列容量需不小于90%)的隊列才會進一步計算隊列價值。每個OG 價值由其相應(yīng)的等級設(shè)置、目標壓力以及機構(gòu)平衡三項的評分之和決定，人為因素可改變此三項的權(quán)重比例。而一個隊列的隊列價值則由此隊列所有OG 的平均價值決定，如式(2)所示。觀測隊列的價值越高表明該隊列的計劃越適合進行觀測，即：

在確定相應(yīng)的調(diào)度目標后，通過將調(diào)度問題數(shù)學(xué)抽象，可以將其形式化表達為相應(yīng)的目標函數(shù)，以及若干不等式或等式約束條件，以進行后續(xù)求解。

2.2 約束條件

在望遠鏡調(diào)度過程中，約束條件是指某項科學(xué)計劃在執(zhí)行時的各項限制要求，其一般分為可行性約束或偏好性約束兩種類型[11]。可行性約束是指在正常調(diào)度過程中一般不能被違反的約束條件，通常也被稱為硬約束，它用來衡量一個調(diào)度方案的可行性。偏好性約束則是影響調(diào)度方案質(zhì)量的約束條件，可以盡可能地滿足但并非必須具備，也被稱為軟約束。

按照約束條件的來源可以將其主要歸納為以下五類[11]。

(1) 本地約束：指與本地臺址情況相關(guān)的約束條件。由于觀測目標的可見性和觀測目標的天頂距等與各臺址的自然地理位置有關(guān)，因此將其定義為本地約束。

(2) 儀器設(shè)備約束：由維修維護和終端更換等造成的具體設(shè)備運行情況，以及不同設(shè)備自身的特點造成的調(diào)度差異性，也是在調(diào)度時需要根據(jù)具體情況加以考慮的約束條件。

(3) 時間約束：在具體調(diào)度的過程中，每一天的可觀測時間都是變化的，需要根據(jù)具體的可觀測時間段來制定當天的觀測計劃，且需避免計劃的過度和重復(fù)安排。

(4) 環(huán)境約束：環(huán)境因素是調(diào)度過程比較復(fù)雜的約束條件，由于其隨時間變化，所以調(diào)度過程中，需要用較短的時間尺度對其進行判別衡量，并進行決策。一般與觀測者的科學(xué)計劃比較相關(guān)的環(huán)境約束有視寧度、天光背景、大氣透明度等。

(5) 優(yōu)先級約束：優(yōu)先級一般是科學(xué)委員會給不同科學(xué)計劃人為制定的等級順序，一般由其科學(xué)價值確定。在多國共建的望遠鏡中，也會根據(jù)優(yōu)先級來進行分配比例的調(diào)整[9]。優(yōu)先級的制定更有利于高質(zhì)量項目的完成，能夠更高效地利用觀測時間。

在眾多約束條件中，本地約束、時間約束、優(yōu)先級約束和儀器設(shè)備約束為確定性約束，其特點是約束條件提前可知且不易改變，易于前期離線調(diào)度中的整體安排規(guī)劃。而環(huán)境約束和部分臨時維修工作造成的儀器設(shè)備約束則是動態(tài)約束，雖然其容易隨時間而動態(tài)變化，但在相對較短的時間內(nèi)是可預(yù)知的，針對此約束還需通過在線動態(tài)調(diào)度進行解決[12]。

作為約束優(yōu)化問題，約束條件的存在是望遠鏡調(diào)度問題復(fù)雜且難以求解的主要原因，須采用一定的約束處理技術(shù)來對其進行處理，最常見的約束優(yōu)化方法有懲罰函數(shù)法和多目標法[13]。懲罰函數(shù)法的主要思想是通過將約束違反度添加在目標函數(shù)懲罰項的方式，將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束的單目標優(yōu)化問題進行簡化求解[14]。多目標法則是將n個約束條件轉(zhuǎn)化為一個或n個目標函數(shù)，與原目標函數(shù)構(gòu)成新的待優(yōu)化向量進行求解[13]。

2.3 常用算法

表1 列出一些望遠鏡使用的調(diào)度算法?？梢钥吹皆S多人工智能算法如進化算法(evolutionary algorithm, EA)、禁忌搜索(tabu search, TS)、模擬退火(simulate anneal,SA)、蟻群算法(ant colony optimization, ACO)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network,ANN) 等都被用于望遠鏡調(diào)度問題的優(yōu)化求解中(其中，哈勃望遠鏡使用的SPIKE 調(diào)度系統(tǒng)，其核心算法是ANN)。人工智能算法能在可以接受的時間內(nèi)，求得最優(yōu)化問題的近似最優(yōu)解，相比于求解過慢的傳統(tǒng)算法，此類算法在實際應(yīng)用中具有較好的實用性。

表1 不同望遠鏡所使用的調(diào)度算法總結(jié)[15,16]

3 望遠鏡觀測調(diào)度策略

望遠鏡觀測調(diào)度策略是為實現(xiàn)既定科學(xué)目標，指導(dǎo)望遠鏡如何開展觀測的方法。詳實有效的觀測調(diào)度策略，為觀測過程中觀測任務(wù)的有序進行提供保障。

在專用型望遠鏡如用 于巡天項目望遠鏡的運行過程中，為了能夠在相對較短的時間內(nèi)獲取大量天體觀測數(shù)據(jù)[17]并確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，相應(yīng)的觀測調(diào)度策略通常被制定。如在SAGE(Stellar Abundance and Galactic Evolution)巡天項目中，觀測前會提前對整晚觀測天區(qū)和觀測順序整體規(guī)劃，一方面減少非曝光過程的時間消耗，另一方面保證整晚觀測的平均大氣質(zhì)量最小[18]。合理的觀測天區(qū)選擇與執(zhí)行順序，能夠更好地調(diào)度望遠鏡進行觀測，避免觀測時間的浪費。除此之外，在暫現(xiàn)源巡天觀測中，如Kiso 超新星巡天(Kiso Supernova Survey, KISS)項目，也采用了后隨觀測策略。當巡天圖像經(jīng)過處理并發(fā)現(xiàn)爆發(fā)候選體時，后隨系統(tǒng)會自動觸發(fā)并調(diào)度其他望遠鏡進行后隨證認觀測以及后續(xù)的光譜拍攝等[19]。

在通用型望遠鏡的天文觀測中，觀測調(diào)度策略為觀測任務(wù)安排與執(zhí)行提供準則。在經(jīng)典的到站觀測模式中，此部分內(nèi)容由觀測者自行完成，擁有不同經(jīng)驗的觀測者對觀測時間的利用不盡相同，這也會對數(shù)據(jù)質(zhì)量造成一定影響。而通過明確觀測調(diào)度策略和制定詳細規(guī)則，使決策功能由觀測者移交至控制系統(tǒng)，則能更全面更科學(xué)地進行觀測任務(wù)的安排，這也是望遠鏡具備自主能力的基礎(chǔ)。目前，系統(tǒng)級控制望遠鏡在自動執(zhí)行望遠鏡的基礎(chǔ)上集成了環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理等功能，使望遠鏡能夠自動開啟和關(guān)閉圓頂執(zhí)行觀測任務(wù)，還能在惡劣天氣下停止觀測并保護設(shè)備[20]，但其觀測內(nèi)容為事先準備的既定觀測列表，不能針對實際觀測的動態(tài)情況做出觀測調(diào)整，缺乏一定的靈活性。為了更有效地利用觀測時間，需要采用智能化的調(diào)度系統(tǒng)，而觀測調(diào)度策略作為管理決策的依據(jù)，也被更詳細地討論并制定。目前，國內(nèi)外團隊也在望遠鏡觀測調(diào)度領(lǐng)域做出諸多嘗試，常見的調(diào)度策略有多時標調(diào)度、動態(tài)調(diào)度、閉環(huán)調(diào)度等。

3.1 多時標調(diào)度策略

提高望遠鏡效率的觀測調(diào)度的核心思想，是利用精細化時間分配粒度來解決觀測需求增長與有限的觀測資源之間的矛盾。由于時間分配粒度的減小，調(diào)度問題難以解決，多時標調(diào)度策略得以采用。

多時標調(diào)度策略通過改變每次調(diào)度過程所考慮的時間尺度，將觀測計劃具體化為OG或OB 去進行多次調(diào)度，一般調(diào)度過程可分為長期調(diào)度(long-term scheduling, LTS)和短期調(diào)度(short-term scheduling, STS)。長期調(diào)度，顧名思義，對較長的一段觀測時間進行觀測目標的優(yōu)化分配，通常為一個觀測季，其主要考慮觀測目標的確定性約束，即本地約束、時間約束、優(yōu)先級以及儀器設(shè)備的維護信息等。短期調(diào)度即在長期調(diào)度的基礎(chǔ)上，著重考慮動態(tài)約束信息，對某一特定時間段，如觀測當晚，根據(jù)預(yù)測天氣信息等對已生成的觀測計劃進行觀測目標的更新規(guī)劃。

切連科夫望遠鏡陣列(Cherenkov Telescope Array, CTA)的觀測調(diào)度系統(tǒng)采用多時標調(diào)度策略[21]，具體如圖1 所示。觀測季開始前，該系統(tǒng)提前進行離線長期調(diào)度，并對其調(diào)度結(jié)果進行配置保存。每個觀測夜晚，通過確認已進行與未進行的觀測任務(wù)狀態(tài)，得到長期調(diào)度當天需執(zhí)行的任務(wù)列表，隨后短期調(diào)度模塊根據(jù)當天的天氣等狀態(tài)改變，對觀測任務(wù)列表進行更新。多時標調(diào)度策略采用粗調(diào)度與細調(diào)度相結(jié)合的方式，通過不同的側(cè)重點對觀測任務(wù)進行有序安排，既能減少每次調(diào)度的工作量，又能獲得較為精細的調(diào)度結(jié)果。

圖1 切連科夫望遠鏡陣列調(diào)度框架[21]

3.2 動態(tài)調(diào)度策略

由于實際問題的復(fù)雜性，調(diào)度問題往往是一個需要重復(fù)的過程[22]，望遠鏡觀測調(diào)度也不例外。天文觀測中動態(tài)約束的存在，使得望遠鏡的觀測調(diào)度問題成為動態(tài)調(diào)度問題的一個變體，解決此類問題的方法是通過在線的調(diào)度策略來對外界動態(tài)變化因素進行響應(yīng)[12]。根據(jù)動態(tài)因素是否可預(yù)知的特性，可將其分為可預(yù)知與不可預(yù)知兩類，針對其不同的特點制定相應(yīng)的調(diào)度策略。

3.2.1 可預(yù)知動態(tài)調(diào)度

對于可預(yù)知的動態(tài)約束，只須按照既定的流程，在調(diào)度過程中將其當作已知約束進行正常的處理，考慮到其動態(tài)變化的特點，可采用實時調(diào)度的方法解決。實時調(diào)度本質(zhì)上是時間間隔更小的短期調(diào)度，當調(diào)度周期小于動態(tài)約束的變化周期時，便可實現(xiàn)實時調(diào)度。環(huán)境因素作為可預(yù)知的動態(tài)約束，在下一個觀測任務(wù)開始前，便可獲知隨后一段時間的環(huán)境狀態(tài)信息，進而進行該時段觀測目標的安排，實時監(jiān)測并進行下一次調(diào)度。

3.2.2 不可預(yù)知動態(tài)調(diào)度

除實時性外，動態(tài)調(diào)度也應(yīng)體現(xiàn)出其智能性，即能針對觀測過程中的實際情況做出靈活的響應(yīng)。對突發(fā)情況的應(yīng)對措施便是動態(tài)調(diào)度智能化的體現(xiàn)，突發(fā)情況指在觀測進行過程中，發(fā)生的不可預(yù)知的偶發(fā)性情況，如有價值的突發(fā)天象和設(shè)備的突發(fā)故障等。尤其是在時域天文領(lǐng)域，對超新星、γ暴等突發(fā)天象(target of opportunity, ToO)的研究，對調(diào)度系統(tǒng)能夠及時調(diào)度相應(yīng)望遠鏡進行ToO 的后隨觀測甚至是協(xié)同觀測提出迫切需求。

目前，國內(nèi)外在針對ToO 的望遠鏡調(diào)度策略上，已開展相關(guān)應(yīng)用研究。英國利物浦望遠鏡(Liverpool Telescope, LT)設(shè)置了一個不需要人為干涉的自動響應(yīng)模式，用來對觸發(fā)的γ暴進行后隨觀測[23]。其后隨觀測調(diào)度不與正常的調(diào)度操作交互，由一個單獨的代理軟件程序觸發(fā)自動控制系統(tǒng)的警報響應(yīng)模塊，從而實現(xiàn)對ToO 的觀測，并在ToO 觀測結(jié)束后繼續(xù)常規(guī)任務(wù)的目標選擇與觀測。目前，此類調(diào)度系統(tǒng)雖然能對特定ToO 進行及時有效的響應(yīng)，但無法靈活應(yīng)對其他情況，處理內(nèi)容仍比較單一，還需進一步改進。

針對不可預(yù)知情況，動態(tài)調(diào)度的關(guān)鍵在于對突發(fā)情況的智能化處理與決策，調(diào)度系統(tǒng)可通過相應(yīng)智能處理模塊獲得有效信息，輔助其進行望遠鏡的調(diào)度。如望遠鏡智能診斷模塊的構(gòu)建，可以監(jiān)測望遠鏡自身及相關(guān)儀器設(shè)備的故障情況，目前比較常見的有智能故障診斷專家系統(tǒng)，已應(yīng)用于一些望遠鏡上[24–26]，可通過將各類故障對觀測調(diào)度的影響程度進行分類，實現(xiàn)其與相應(yīng)的調(diào)度措施的對應(yīng)。同樣地，針對ToO 也可建立各自完備的處理機制，通過將其分類、評級以及設(shè)置處理方法，使調(diào)度系統(tǒng)能針對具體的情況，采取有效的協(xié)同策略對ToO 進行觀測，如調(diào)度一臺望遠鏡進行測光觀測，或調(diào)度多臺望遠鏡分別開展測光和光譜觀測等。在突發(fā)情況處理結(jié)束后，調(diào)度系統(tǒng)須回歸常規(guī)觀測，避免造成觀測時間的浪費。

3.3 閉環(huán)調(diào)度策略

為確保觀測結(jié)果的數(shù)據(jù)質(zhì)量，像質(zhì)評定模塊結(jié)果可傳回觀測調(diào)度系統(tǒng)，使調(diào)度過程形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)目標經(jīng)過調(diào)度、觀測后，其執(zhí)行結(jié)果經(jīng)像質(zhì)評定，若不能滿足科學(xué)目標的觀測要求，則可將該目標源放入調(diào)度池中，重新進行目標的調(diào)度與觀測。

如圖2 所示，CFHT 也包含此像質(zhì)評定模塊以形成閉環(huán)調(diào)度。在其原本的隊列服務(wù)觀測模式(queued service observing, QSO)下，由遠程操作的人員(remote observer, RO)執(zhí)行此項圖像質(zhì)量評定工作。由于工作量繁重且重復(fù)，在其提出的自動調(diào)度觀測模式(automated scheduled observations, ASO)下，CFHT 使用機器學(xué)習的方法訓(xùn)練了圖像評定分類器，實現(xiàn)圖像的智能評定，經(jīng)測試具有較高的準確率[27]。

圖2 CFHT 調(diào)度系統(tǒng)升級對比圖[27]

4 觀測調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用

早在20 世紀90 年代，為了使投入巨大的哈勃太空望遠鏡能夠有效地利用，Johnston和Miller[11]針對此開發(fā)了SPIKE 調(diào)度系統(tǒng)，隨后許多望遠鏡也針對自身情況設(shè)計出各具特色的觀測調(diào)度系統(tǒng)?？v觀通用型地基光學(xué)望遠鏡用到的觀測調(diào)度系統(tǒng)，可將其主要應(yīng)用簡單歸納在以下兩方面。

4.1 單望遠鏡觀測調(diào)度系統(tǒng)

4.1.1 大口徑望遠鏡

隨著對靈敏度和分辨率的追求，地基光學(xué)望遠鏡的口徑越做越大，它們往往具有復(fù)雜的控制系統(tǒng)和多樣化的終端設(shè)備，為世界天文學(xué)家所青睞，其觀測時間較為寶貴，通過觀測調(diào)度系統(tǒng)協(xié)助觀測人員進行觀測任務(wù)的協(xié)調(diào)，盡可能地提高觀測效率。

CFHT 是一臺口徑為3.58 m 的光學(xué)/紅外望遠鏡，于1979 年正式投入使用，作為Maunakea 天文臺名列第三的主力望遠鏡設(shè)備，2001 年CFHT 開始嘗試使用遠程的QSO模式，該模式包含科學(xué)計劃提交、觀測隊列準備、觀測執(zhí)行與評價、項目進展更新四個步驟[3]。在科學(xué)計劃提交并由科學(xué)委員會評定后，隊列協(xié)調(diào)者會在每晚觀測前準備多個針對不同天氣條件的隊列，觀測過程中遠程觀測助手會根據(jù)實時天氣變化進行不同隊列觀測目標的切換，每當一個目標觀測結(jié)束，遠程觀測助手會對其進行成像質(zhì)量評估，不滿足要求的目標將會重新安排觀測[27]。CFHT 團隊為該過程設(shè)計了相應(yīng)的軟件工具，但仍需要人工操作以完成整個調(diào)度過程，至2011 年此模式的觀測時間已達95%[9]。

人工智能作為望遠鏡由自動化走向自主化的關(guān)鍵要素，CFHT 團隊2012 年提出了一種ASO 模式，通過將人工智能算法引入到觀測調(diào)度過程，能夠取代部分人力工作，實現(xiàn)基于全局優(yōu)化的隊列觀測目標的實時選擇、基于機器學(xué)習的圖像質(zhì)量評估以及基于全天云圖的光度條件判斷[27]。雖然該自動調(diào)度觀測模式并未實際應(yīng)用，但提供了人工智能解決天文觀測問題的新方法。2013 年隨著其圓頂通風口的安裝，CFHT 提出并應(yīng)用了基于信噪比的隊列服務(wù)觀測(SNR-QSO)模式，即以滿足所需要的信噪比為目標，充分利用臺址和圓頂通風所帶來的優(yōu)勢，節(jié)約觀測曝光時間，從而優(yōu)化觀測時間的利用率，這也對動態(tài)觀測調(diào)度提出需求，目前該模式支持MegaCam 和ESPaDOnS 兩個終端[28,29]。

4.1.2 小口徑望遠鏡

觀測調(diào)度系統(tǒng)也被用于系統(tǒng)級小口徑望遠鏡的控制系統(tǒng)中，由于其具備觀測目標選取能力，能夠通過與其他系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，共同實現(xiàn)望遠鏡自主觀測的目的。

FLWO (Fred Lawrence Whipple Observatory)位于美國亞利桑那州，隸屬于史密松天體物理臺(Smithsonian Astrophysical Observatory, SAO)，其站內(nèi)的1.2 m 望遠鏡于2010年將RTS2(Remote Telescope System, 2nd version)集成于望遠鏡相應(yīng)控制軟件[30]，使其實現(xiàn)了自動觀測。RTS2 是一套集成化開源程控自主天文臺系統(tǒng)，最早版本完成于1999―2000年，后經(jīng)數(shù)次版本升級，主要基于Linux 操作系統(tǒng)[31]。RTS2 的設(shè)計目的是開發(fā)一套用于完全自主觀測模式的望遠鏡觀測控制系統(tǒng)，觀測調(diào)度模式主要為以下兩種[32]：派遣調(diào)度和隊列調(diào)度。派遣調(diào)度是從所有目標源中實時選擇價值最高的作為觀測目標，其優(yōu)點是具有自驅(qū)動性，是無人干預(yù)情況下自主觀測系統(tǒng)的理想調(diào)度模式，但其選擇過于隨機，不利于整體觀測規(guī)劃；隊列調(diào)度是在觀測者參與下，按照提前準備的觀測隊列并結(jié)合當前狀況，選擇合適隊列進行觀測[31]，該模式能夠展示觀測任務(wù)且對用戶友好，但其靈活性較低。

在FLWO 的1.2 m 望遠鏡觀測調(diào)度系統(tǒng)中，RTS2 采用了一種將隊列調(diào)度與派遣調(diào)度相結(jié)合的方式進行觀測目標的選取[33]。通過程序設(shè)置該系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的情況選擇執(zhí)行當晚的觀測隊列，當隊列出現(xiàn)空閑時，通過計算目標源庫中各觀測目標的價值函數(shù)，選擇價值最高的目標源進行觀測。在ToO 出現(xiàn)時，用戶可以使用程序添加ToO 至目標源數(shù)據(jù)庫，并通過設(shè)置高優(yōu)先級和啟動立刻執(zhí)行指令，使其在下一個目標中被觀測，若觀測者不希望隊列被打斷，也可以關(guān)閉ToO 觸發(fā)模塊。經(jīng)升級改造，通過提前制定觀測隊列，該望遠鏡已實現(xiàn)觀測當晚的自動觀測。如果希望手動操作，也可以選擇禁用自動觀測功能[33]。

4.2 望遠鏡聯(lián)測網(wǎng)絡(luò)觀測調(diào)度系統(tǒng)

進入21 世紀以來，隨著時域天文學(xué)的發(fā)展，基于不同科學(xué)目標的程控自主天文臺網(wǎng)絡(luò)項目如雨后春筍般應(yīng)運而生，如BOOTES (γ Burst Observer and Optical Transient Exploring System),MASTER(Mobile Astronomical System of TElescope-Robots),MONET(Monitoring Network of Telescopes),LCOGT(Las Cumbres Observatory Global Telescope)等項目。為用于多望遠鏡聯(lián)測場景，望遠鏡觀測調(diào)度系統(tǒng)除了進行常規(guī)觀測協(xié)調(diào)外又被賦予新的功能，即實現(xiàn)多臺望遠鏡的統(tǒng)一調(diào)度，完成協(xié)同觀測和后隨觀測等任務(wù)。

LCOGT(Las Cumbres Observatory Global Telescope)是一個致力于時域天文學(xué)的程控自主光學(xué)望遠鏡網(wǎng)絡(luò)，計劃建成遍布于全球8 個站點，由約50 余臺望遠鏡組成的聯(lián)測網(wǎng)絡(luò)[34]，其中望遠鏡口徑涵蓋2 m,1 m 以及40 cm 三種類型，同類型望遠鏡由相同的構(gòu)架、終端儀器與濾光片組成[35]，目前已建成的觀測站點及望遠鏡信息如表2 所示①https://lco.global/observatory/sites/。

LCOGT 軟件框架采用中心輻射式結(jié)構(gòu)[34]，即總控制中心位于Santa Barbara 總部，負責請求響應(yīng)、望遠鏡調(diào)度、數(shù)據(jù)處理、文件歸檔等工作，其他分節(jié)點則負責中心命令的執(zhí)行與結(jié)果的反饋，其軟件體系結(jié)構(gòu)功能框圖如圖3 所示。其軟件系統(tǒng)由用戶交互層、數(shù)據(jù)層和控制層組成，其中調(diào)度模塊位于軟件控制層，由季度調(diào)度、月調(diào)度和自適應(yīng)調(diào)度三個單元組成[34]。在進行常規(guī)觀測時，季度調(diào)度單元能夠計算出每個觀測季、不同站點觀測目標的大致觀測時間；月調(diào)度單元通過結(jié)合觀測時間以及其他約束信息，構(gòu)建出下個月觀測目標的詳細計劃；自適應(yīng)調(diào)度單元能夠讀取構(gòu)建好的月計劃，通過進一步結(jié)合天氣及設(shè)備情況信息構(gòu)建觀測當晚實時觀測列表，并交由各站點相應(yīng)站點代理軟件執(zhí)行。一般情況下，調(diào)度軟件不會打斷正在執(zhí)行的觀測任務(wù)，但在出現(xiàn)對時間要求嚴格的ToO 時，自適應(yīng)調(diào)度單元則會暫停當前任務(wù)而對ToO 進行響應(yīng)[36]。

RoboNet-II 是利用遍布于全球的全自動望遠鏡網(wǎng)絡(luò)進行微引力透鏡事件探測的項目，是在RoboNet-I 試點項目上的延續(xù)，目前該項目使用了3 臺2 m 級望遠鏡，分別是LT(Liverpool Telescope)，F(xiàn)TN(Faulkes Telescope North)和FTS(Faulkes Telescope South)，后兩者均隸屬于LCOGT[37]。

圖3 LCOGT軟件體系結(jié)構(gòu)功能框圖[34]

表2 LCOGT已建設(shè)站點相關(guān)信息

每臺望遠鏡的控制系統(tǒng)由以下四部分組成[38]：自動控制系統(tǒng)(robotic control system,RCS)，觀測者支持系統(tǒng)(observer support system,OSS)，望遠鏡控制系統(tǒng)(telescope control system, TCS)，儀器控制系統(tǒng)(instrument control system, ICS)。RCS 負責向TCS 和ICS發(fā)送控制命令、接收觀測環(huán)境信息并進行開始與結(jié)束觀測的決策，其控制命令主要來自于OSS 和突發(fā)天象控制系統(tǒng)(Target of Opportunity control system, TOCS)。OSS 提供望遠鏡觀測調(diào)度的功能，在常規(guī)觀測進行時，OSS 采用dispatch 方法進行觀測目標選取，即根據(jù)當前望遠鏡狀態(tài)、時間信息以及環(huán)境條件等，計算觀測目標數(shù)據(jù)庫每個目標源的觀測價值，挑選數(shù)值最高的目標源作為下一個觀測目標進行觀測[23]，正如前文提到的，這是一種忽略全局優(yōu)化最大化而著重匹配當前條件的調(diào)度方法。TOCS 則能在外部觸發(fā)ToO 時，自動或手動配置并向RCS 發(fā)送中斷當前觀測開啟ToO 觀測的信息。望遠鏡網(wǎng)絡(luò)的控制則由用戶和望遠鏡代理實現(xiàn)，通過與各望遠鏡調(diào)度器通信，挖掘觀測數(shù)據(jù)庫與實時信息，從而指揮各望遠鏡觀測[39]。同時，各望遠鏡也具有相應(yīng)數(shù)據(jù)處理流水線，能夠?qū)?shù)據(jù)進行初步處理，以判斷是否需要重新調(diào)度觀測[37]。

由于受到天文觀測設(shè)備和觀測模式的限制，我國目前在觀測調(diào)度系統(tǒng)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用仍處于起步階段，但通過積極參與國際合作，如以開展星震學(xué)研究為主要目標的SONG (Stellar Oscillation Network Group)項目[40]，以及用于開展瞬變源和高能天象觀測的BOOTES 項目[41]等，也對望遠鏡觀測調(diào)度系統(tǒng)的研究有了一定的基礎(chǔ)。通過前期研究工作積累與廣泛調(diào)研，我們團隊將利用興隆觀測站觀測設(shè)備進行望遠鏡智能控制相關(guān)內(nèi)容的研究，基于天文臺的望遠鏡觀測調(diào)度系統(tǒng)作為實現(xiàn)智能控制的關(guān)鍵一步，相關(guān)的研究工作也將陸續(xù)開展。

5 總結(jié)與展望

望遠鏡觀測調(diào)度系統(tǒng)作為智能化望遠鏡的中樞控制單元，能夠在天文觀測中起到資源分配及調(diào)度決策的作用。目前，經(jīng)過國內(nèi)外諸多研究實踐，望遠鏡調(diào)度問題的求解已相對成熟，一些望遠鏡團隊也通過設(shè)計觀測調(diào)度流程、制定有效的觀測調(diào)度策略，構(gòu)建觀測調(diào)度系統(tǒng)相應(yīng)的調(diào)度軟件，實現(xiàn)了無人參與的望遠鏡調(diào)度。這一方面節(jié)省了時間與人力，另一方面也通過計算機算法，確保調(diào)度結(jié)果的最優(yōu)化，對于提高天文望遠鏡時間利用率和觀測效率具有重要意義。尤其隨著時域天文學(xué)的發(fā)展，天文學(xué)家對望遠鏡的靈活性以及即時響應(yīng)性提出需求。大口徑望遠鏡的觀測時間寶貴且申請過程非常嚴格，而與之相比，中小口徑望遠鏡的觀測時間相對靈活且分布廣泛，便于開展后隨觀測和協(xié)同觀測等，因此中小口徑望遠鏡在天文研究中擁有得天獨厚的優(yōu)勢。所以，能結(jié)合外部動態(tài)因素與自身特點的更具靈活性的動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)，以及針對多望遠鏡的觀測調(diào)度系統(tǒng)擁有廣泛的前景與發(fā)展空間。LCOGT 項目便在該方向進行了研究應(yīng)用，其遍布于全球的望遠鏡網(wǎng)絡(luò)已被用于研究超新星、系外行星、小行星以及活動星系核等天體，且在2017 年通過后隨觀測，在引力波的光學(xué)對應(yīng)體以及發(fā)現(xiàn)一種連續(xù)爆炸的新型超新星這兩個重大發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用[42,43]。隨著計算機與人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，觀測調(diào)度系統(tǒng)可以借助相應(yīng)的智能化方法來不斷地完善，使其在決策調(diào)度的過程中具有更高的靈活性，為望遠鏡朝向智能化發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

致謝

感謝審稿人對本文提出的寶貴意見和建議，感謝編輯部的真誠幫助。