使用支持多核功能的NI LabVIEW开发世界最大望远镜的实时控制系统

Author(s):
　　Jason Spyromilio - European Southern Observatory

Industry:
　　Research, Aerospace/Avionics

Products:
　　LabVIEW, Real-Time Module

The Challenge:
　　使用商业购买即可使用（COTS）的解决方案，用于特大型望远镜自适应光学实时控制中的高性能计算（HPC）。

The Solution:
　　将NI LabVIEW的图形化编程环境和多核处理器结合在一起，开发实时控制系统，证明COTS 技术能够用于控制欧洲特大型望远镜（E-ELT），目前E-ELT 处于原型设计阶段。

　　"NI工程师证明了实际上我们可以使用LabVIEW和LabVIEW实时模块，实现基于COTS的解决方案，并控制提供实时结果的多核计算。"

　　　　　为了进行尺寸对比，两个人和一辆汽车位于E-ELT 边上。M1 主镜面的直径是42 米，其镜面的制造是分段完成的

概述

　　欧洲南方天文台（ESO）是由13 个欧洲国家支持的天文研究机构。我们已经开发并部署了一些世界上最先进的望远镜。我们目前在智利的安第斯山地区分布着三个站点，即La Silla、Paranal 以及Chajnantor 天文台。我们总是采用创新技术，例如在La Silla 的3.6米望远镜上使用第一个通用用户自适应光学系统，在La Silla 的3.5米新技术望远镜（NTT）上部署主动光学系统，以及在Paranal 运用大型望远镜（VLT）的整合操作和关联干涉仪。此外，我们还和北美、东亚合作伙伴进行合作，建立Atacama大型毫米阵列（ALMA），它是耗资十亿美元的66 天线亚毫米望远镜，计划于2012 年在Chajnantor 大草原建成。

　　我们的下一个项目是E-ELT。这个主镜直径42 米的望远镜设计已经进入了阶段B，并且获得了1 亿美元的资金，用于初期设计和原型开发。在阶段B 之后，预计在2010 年底开始进行建造。

大规模主动、自适应光学系统

　　42 米望远镜吸收了ESO和天文界在主动自适应光学与分段镜面方面的经验。主动光学系统包含了传感器、促动器和控制系统，从而使望远镜能够维持正确的镜面形状。我们可以自动维护望远镜的正确配置，减少在光学设计中的任何残留象差，提高效率和容错性。这些望远镜在夜间需要每分钟都进行主动光学系统校正，从而确保成像只受到大气效应的影响。

　　自适应光学系统使用相似的方法，在数百赫兹的频率下监视大气效应，并使用经过特殊加工的可变形薄型镜面加以校正。扰动尺度决定了这些可变形镜面上促动器的数量。波前传感器快速运行，对大气进行采样，将所有失真转换为相应的镜面动作指令。这需要支持高速计算的硬件和软件。

　　控制复杂的系统需要十分强大的处理能力。对于在过去部署的控制系统而言，我们基于虚拟机环境（VME）实时控制可以开发专用的控制系统，这不但十分昂贵而且十分耗时。我们现在与NI 工程师们一起合作， 使用COTS软件和硬件，使E-ELT 上的主分段镜面的控制系统（称为M1）性能达到新的高度。同时我们也在研究基于COTS 的可能解决方案，用于望远镜镜面自适应实时控制（称为M4）。

　　M1是包含984 个六边形镜面的分段镜面，总直径达到42 米，每个镜面的重量约为330 磅，直径在1.5 至2 米之间。与之相比，哈勃空间望远镜的主镜面的直径不过2.4 米。E-ELT 的一个单体主镜面本身就比世界上最大的光学望远镜大三倍，并且五个这样的镜面将协同工作。

定义控制系统的超级计算需求

　　在M1操作中，相邻的镜面分段可能会相对于其他分段倾斜。我们使用探边沿传感器对这个偏移进行监视，并且可在需要时通过促动器将镜面分段在三个自由度上进行移动。984 个镜面分段由3000个促动器和6000 个传感器组成。

　　系统由LabVIEW 软件进行控制，通过读取传感器确定镜面分段位置，如果分段发生位移，则使用促动器进行对齐。LabVIEW 需要计算规模为3000 × 6000 的矩阵与长度为6000 的向量之积，并且需要每秒完成500 至1000 次这样的计算，以完成有效的镜面调整动作。

　　传感器和促动器同时还控制M4 自适应镜面。然而，M4 是一个薄型可变形镜面--直径2.5 米，横跨8000 个促动器。它的控制问题与M1 主动控制相似，但是与M1 中保持形状不同的是，我们需要根据波前成像数据的测量结果调整形状。波前数据映射到一个具有14000 个值的向量中，我们必须每隔几毫秒就对8000 个促动器进行一次更新。这是一个矩阵向量乘积问题，即规模为8000 ×14000 的控制矩阵与长度为14000 的向量之积。如果将该计算问题近似为9000 × 15000 的乘积，所需的计算能力就相当于M1 控制问题的约15 倍。

　　当NI开始解决数学问题和控制问题时，我们就已经与NI一起合作，建立高通道数的数据采集和同步系统。NI工程师们现在正在对布局进行仿真，设计控制矩阵和控制循环。所有这些操作的核心是一个强大的可执行大规模计算的LabVIEW矩阵向量函数。M1和M4控制要求很高的计算能力，我们使用多个多核系统来满足该需求。由于M4控制代表了15 个3000 × 3000 子矩阵问题，我们需要15 台包含尽可能多处理核的机器。因此，控制系统要求必须能够支持多核处理。而这正是LabVIEW使用COTS解决方案所提供的功能，从而为该问题的解决提出了很有吸引力的方案。