SSS巡天星表系統(tǒng)設(shè)計(jì)和光纖分配算法優(yōu)化.pdf

1、大天區(qū)視場(chǎng)多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）是國(guó)家九五大科學(xué)工程之一，是上個(gè)世紀(jì)由我國(guó)以王綬琯、蘇定強(qiáng)為首的天文學(xué)家根據(jù)天文學(xué)界大樣本光譜觀測(cè)的需要，創(chuàng)新性的提出的大口徑兼?zhèn)浯笠晥?chǎng)的大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。LAMOST項(xiàng)目1997年由國(guó)家計(jì)劃批準(zhǔn)立項(xiàng),2001年8月正式開工,2008年8月落成,2009年6月4日在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)基地順利通過國(guó)家竣工驗(yàn)收,2010年4月17日由國(guó)家天文臺(tái)在興隆觀測(cè)站舉行了冠名儀式，將LAMOS

2、T命名為“郭守敬望遠(yuǎn)鏡”。目前，望遠(yuǎn)鏡即將由試觀測(cè)階段進(jìn)入正式巡天階段。LAMOST成功突破了大口徑與大視場(chǎng)難以兼?zhèn)涞钠款i，成為國(guó)際上繼SDSS數(shù)字巡天和2dF巡天之后最受矚目的巡天望遠(yuǎn)鏡，使我國(guó)躋身于國(guó)際天文技術(shù)前沿，成為國(guó)際上少數(shù)具備自主研制巨型望遠(yuǎn)鏡能力的國(guó)家之一。
　　 LAMOST的科學(xué)使命是進(jìn)行大樣本光譜巡天。當(dāng)前大樣本天文學(xué)已成為天文學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要方向。天文學(xué)越來越清楚的表明，對(duì)于天體物理和宇宙學(xué)中的一些重要的問

3、題，例如宇宙的結(jié)構(gòu)、星系的形成和演化，銀河系的形成和演化等重要問題都涉及到復(fù)雜的物理過程和多方面的影響，這些課題的研究往往需要大樣本的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。二十世紀(jì)末的技術(shù)進(jìn)步，使得大樣本巡天觀測(cè)成為可能，天文學(xué)家能夠在合理的時(shí)間范圍內(nèi)觀測(cè)上百甚至上千的天體光譜。大樣本天體觀測(cè)是多波段的，從光學(xué)、射電、紅外、紫外、X射線以及gamma射線波段都能得到天體各方面的物理信息，而其中光學(xué)波段的大樣本觀測(cè)是信息量最大、積累最對(duì)、觀測(cè)技術(shù)最成熟的。然而浩瀚宇

4、宙的天體總量難以估計(jì)，目前發(fā)現(xiàn)的天體已達(dá)到百億量級(jí)，在這些天體中已獲得光譜的部分只占約萬分之一，展開大規(guī)模的大樣本巡天觀測(cè)已成為當(dāng)前的首要工作。大樣本天文學(xué)越來越受到人們的重視。
　　 LAMOST巡天戰(zhàn)略的三個(gè)核心課題是星系和類星體的紅移巡天、恒星與銀河系的觀測(cè)計(jì)劃和多波段巡天樣本的光學(xué)證認(rèn)，預(yù)計(jì)獲取超過千萬顆天體的光譜，研究課題將覆蓋宇宙學(xué)、星系、類星體、銀河系等各個(gè)方面。望遠(yuǎn)鏡每次觀測(cè)量約為4000，一個(gè)觀測(cè)夜可觀測(cè)數(shù)萬個(gè)

5、天體的光譜，如此大量的觀測(cè)需要一個(gè)自動(dòng)化的系統(tǒng)安排和部署觀測(cè)流程。如何協(xié)調(diào)管理各種類型的科學(xué)目標(biāo)的觀測(cè)需求，處理各方面主客觀約束條件，對(duì)巡天區(qū)域進(jìn)行完備覆蓋，并選擇合適的觀測(cè)天區(qū)，分配目標(biāo)到光纖，生成觀測(cè)計(jì)劃，同時(shí)保證整體巡天的盡可能高的觀測(cè)效率，節(jié)約寶貴的天文觀測(cè)時(shí)間，以盡早獲得盡可能多的符合科學(xué)需求的科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)出，是LAMOST的巡天戰(zhàn)略系統(tǒng)（SSS）的核心科學(xué)目標(biāo)。
　　 為了實(shí)現(xiàn)能服務(wù)于LAMOST巡天模式的軟件系統(tǒng)，本

6、論文首先在小系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，分析了大系統(tǒng)的相關(guān)環(huán)境，采用領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)思想，結(jié)合多種軟件設(shè)計(jì)模式，改進(jìn)了巡天戰(zhàn)略系統(tǒng)的靜態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，調(diào)整了動(dòng)態(tài)工作流程，使得軟件滿足大系統(tǒng)各方面的需求。
　　 巡天戰(zhàn)略系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是天區(qū)覆蓋和光纖分配算法。本論文在原有的天區(qū)覆蓋算法基礎(chǔ)上，解決了算法在高緯度處的一些難題，提高算法速度和覆蓋效果，應(yīng)用最大密度思路實(shí)現(xiàn)亮星中心覆蓋算法；結(jié)合望遠(yuǎn)鏡光纖單元具體構(gòu)造，改進(jìn)光纖分配算法，避免光纖

7、單元之間的碰撞，建立動(dòng)態(tài)分組以實(shí)現(xiàn)光纖配額，支持目標(biāo)重分配以提高光纖分配效率，體現(xiàn)用戶多樣化的優(yōu)先策略。
　　 巡天戰(zhàn)略系統(tǒng)的核心是觀測(cè)目標(biāo)。本論文通過分析LAMOST的具體科學(xué)目標(biāo)，從天文研究人員的選源、觀測(cè)策略的指定、星表管理、觀測(cè)計(jì)劃生產(chǎn)過程中的目標(biāo)過濾到觀測(cè)結(jié)果反饋，為SSS建立一套全面的面向分布式環(huán)境的軟件環(huán)境。
　　 為了進(jìn)一步驗(yàn)證軟件的具體功能和望遠(yuǎn)鏡的巡天能力，本論文根據(jù)一組實(shí)際觀測(cè)時(shí)間數(shù)據(jù)，引入SDSS

8、巡天的觀測(cè)星表，進(jìn)行了基于實(shí)際觀測(cè)時(shí)間的大天區(qū)巡天觀測(cè)模擬，以驗(yàn)證巡天戰(zhàn)略系統(tǒng)算法的有效性，并對(duì)望遠(yuǎn)鏡的巡天觀測(cè)能力進(jìn)行評(píng)估。
　　 巡天戰(zhàn)略系統(tǒng)是連接天文學(xué)家和望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的橋梁，本論文結(jié)合各方用戶的需求，改進(jìn)用戶層設(shè)計(jì)，增加功能覆蓋范圍，擴(kuò)大軟件的應(yīng)用領(lǐng)域，以期將系統(tǒng)擴(kuò)展為一款天文通用軟件。
　　 最后，本論文還將就SSS的下一步的發(fā)展方向進(jìn)行討論。
　　 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)在于：
　　 1、采用領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)

9、計(jì)的軟件開發(fā)方法對(duì)巡天戰(zhàn)略系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性和健壯性，改進(jìn)了用戶接口，建立了一個(gè)與LAMOST望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)相結(jié)合的模擬星空平臺(tái)以呈現(xiàn)天體觀測(cè)位置和周日運(yùn)行軌跡，完成了一套完整的基于LAMOST望遠(yuǎn)鏡的大樣本巡天戰(zhàn)略系統(tǒng)，已用于LAMOST的觀測(cè)中。
　　 2、結(jié)合望遠(yuǎn)鏡實(shí)際特點(diǎn)和需求，優(yōu)化了天區(qū)覆蓋算法模型，建立密度庫(kù)算法，引入快速漂移算法，設(shè)計(jì)邊界漂移算法和SH亮星覆蓋算法；根據(jù)焦面光纖單元的具體構(gòu)造，建立光纖分配