Upravljanje najvećim teleskopom na svetu korišćenjem NI LabVIEW

U ovom projektu će biti prikazana kontrola adaptivne optike u realnom vremenu na ekstremno velikim teleskopima uz upotrebu komercijalno dostupnih (COTS) rešenja i kompjuterske obrade podataka visokih performansi. Cilj projekta je da se pokaže da kombinacija grafičkog razvojnog okruženja NI LabVIEW sa višejezgarnim procesorima u cilju razvoja kontrolnog sistema u realnom vremenu i dokazivanje da COTS tehnologija može upravljati optikom Evropskog Ekstremno Velikog Teleskopa (E-ELT) koji je u fazi dizajna i izrade prototipa.

  Evropska južna observatorija (ESO) je astronomski istraživački centar koga podržava 12 evropskih država. Mi smo razvili i koristimo neke od najnaprednijih teleskopa na svetu. Naša organizacija trenutno radi na tri mesta: Čileanski Andi – La Silla, Paranal i Chajnantor observatorija. Oduvek smo koristili najinovativniju tehnologiju, od prvog sistema sa adaptivnom optikom na teleskopu od 3,6 m u mestu La Silla, preko teleskopa New Technology Telescope (NTT) sa aktivnom optikom od 3,5 m, pa sve do operacije izrade Very Large Telescope (VLT) i pridruženog interferometra na Paranal-u. Pored ovoga sarađujemo sa zapadnoameričkim i istočnoazijskim partnerima na izradi Atacama Large Millimeter Array (ALMA), projekta sa budžetom od jedne milijarde USD za izgradnju 66 antena submilimetarskog teleskopa u Liano de Chajnantor-u do 2012.

  Za novi projekat, koji je u fazi dizajna, potreban je i teleskop od 42m, koji je trenutno u fazi B sa budžetom od 100 miliona dolara samo za preliminarni dizajn i izradu prototipa. Nakon izrade prototipa, završetak izgradnje ovog teleskopa je planiran pri kraju 2010.

  Teleskop (dužine 42m) pružio je astronomskoj zajednici iskustvo u radu sa aktivnom i adaptivnom optikom i segmentnim ogledalima. Aktivnu optiku čine senzori, aktuatori i upravljački sistem koji zajedno obezbeđuju pravilan oblik ogledala tj. kulimaciju. Sve vreme mi aktivno upravljamo konfiguracijom teleskopa kako bi smanjili rezidualnu aberaciju u optičkom dizajnu, povećali efikasnost i smanjili greške. Teleskopi zahtevaju aktivnu optičku korekciju svakog minuta noću, tako da je slika ograničena samo atmosferskim efektima.

  Adaptivna optika koristi sličnu metodologiju za umanjivanje atmosferskih efekata pri frekvencijama od par stotina herca korišćenjem deformisanih, posebno konfigurisanih tankih ogledala. Turbulence određuju broj aktuatora na ogledalima koja se mogu deformisati. Senzori odgovaraju na brze promene u atmosferi i koriguju aberacije. Sve ovo zahteva izuzetno brz hardver i softver, jer kontrola kompleksnog sistema podrazumeva veliku procesorsku snagu. Ranije smo za upravljanje razvijali odgovarajući kontrolni sistem baziran na virtuelnoj real-time mašini, čiji je razvoj bio skup i dugotrajan. Sada smo radili sa inžinjerima National Instruments-a da bi prilagodili COTS sisteme primarnom M1 segmentnom ogledalu na E-ELT-u. Zajedno smo i ispitali mogućnost korišćenja COTS rešenja i na adaptivnom ogledalu sa realnom kontrolom – M4.

  M1 segmentno ogledalo se sastoji od 984 heksagonalnih ogledala od kojih je svako teško oko 150 kg sa prečnikom od 1,5 i 2 m. Sva ta ogledala zajedno čine veliko ogledalo ukupnog prečnika 42 m. Poređenja radi, primarno ogledalo Hubble Space teleskopa je prečnika 2,4m. Samo jedno primarno ogledalo E-ELT će biti četiri puta veće od bilo kog optičkog zemaljskog teleskopa i u sebi će objedinjavati pet ogledala.

 U radu M1, bliska ogledala se mogu dodirivati. Nadgledamo ove devijacije senzorima na ivcama ogledala i aktuatorima zakrivljujemo ogledala do 3 stepena u svakom pravcu kada je to potrebno. 984 ogledala opslužuje 3000 aktuatora i 6000 senzora.

  Sistem, kojim upravlja LabVIEW softver, mora očitavati stanje senzora da bi odredio položaj ogledala, i u slučaju da se ogledalo pomerilo, aktuatorom ga mora korigovati. Za potrebe efikasnog pozicioniranja, aplikacija pisana u LabVIEW-u množi matricu 3000×6000 sa 6000 vektora i to 500 do 1000 puta u sekundi.

  Senzori i aktuatori kontrolišu i M4 adaptivno ogledalo. Ipak, M4 je tanko ogledalo koje se može deformisati – sa prečnikom od 2,5 m i na njega je priključeno 8000 aktuatora. Ovo je sličan problem kao i kod M1 aktivne kontrole, ali umesto održavanja oblika, ovde ga moramo prilagoditi u zavisnosti od primljenih talasnih podataka. Mapira se do 14000 vektora i potrebno je osvežiti stanja 8000 aktuatora svakih nekoliko milisekundi. Ovde je potrebno množiti matricu 8000×14000 sa 14000 vektora. Vidimo da je za ovo izračunavanje potrebno 15 puta više vremena nego kod M1 segmenta.

  Već smo radili sa NI na akvizicionom i sinhronizacionom sistemu sa velikim brojem kanala, kada su oni počeli da rade na matematičkom i kontrolnom delu problema. NI inžinjeri su simulirali raspored i dizajn kontrolne matrice i kontrolne petlje, gde je obrada signala koncipirana na LabVIEW funkcijama za rad sa matricama, optimizovanim za rad na višejezgarnim sistemima. M1 i M4 kontrola zahteva enormne računarske performanse, koje smo mi postigli višestrukim višejezgarnim sistemima. Kako M4 kontrola podrazumeva 15 3×3000 submatričnih problema, nama je bilo potrebno 15 mašina sa što više jezgara, te je kontrolni algoritam morao biti prilagođen višejezgarnom procesiranju. LabVIEW koji koristi COTS rešenja, u ovom slučaju je bio veoma privlačno rešenje.

 Da bi sistemska konfiguracija mogla uticati na neke konstrukcione karakteristike samog teleskopa, kontrolni sistem je bio potreban i pre konstrukcije samog E-ELT-a. Neophodno je bilo da ispitamo rešenje i pre puštanja u rad teleskopa. Da bi ispunili ovaj zadatak, NI inženjeri su implementirali kontrolni sistem i on je radio sa real-time simulacijom M1 ogledala. Ovakav vid testiranja se naziva Hardware-In-the-Loop (HIL) i on je uobičajen u auto i avio industriji, kada je potrebno proveriti kontroler korišćenjem tačnih,  real-time simulatora.

  U sličnoj real-time HPC aplikaciji, komunikacije i izračunavanje su u bliskoj sprezi. Otkaz u komunikacionom delu dovodi do otkaza celog sistema. Stoga je kompletan razvoj aplikacije podrazumevao istovremeni razvoj komunikacionih i računskih elemenata. NI inženjeri su imali potrebu za brzom, determinističkom razmenom podataka koja se ne može bazirati na Ethernet-u, jer je donji sloj mrežnog protokola nederministički. Da bi se uspostavila ovakva komunikacija, koristila se vremenskit rigerovana mreža za razmenu podataka između kontrolnog sistema i simulatora M1 ogledala u LabVIEW Real-Time modulu, što je obezbedilo kapacitet od 36MB/s.

 NI je razvio kompletno rešenje za M1 na dve Dell Precision T7400 radne stanice, svaka sa po osam jezgara i jednim notebook-om koji vrši ulogu operatorskog interfejsa. Takođe, realizovane su dve mreže: standardna koja povezuje oba real-time sistema na notebook i jedna 1GB time-triggered Ethernet mreža između real-time sistema za razmenu U/I podataka.

  Što se performansi tiče, u svakom koraku kontroler primi 6000 vrednosti sa senzora, izvrši kontrolni algoritam da bi poravnao segmente i pošalje na izlaz 3000 vrednosti na aktuatore. NI tim je kreirao kontrolni sistem da postigne ove rezultate i kreirao real-time simulaciju teleskopa. Ogledalo prima 3000 vrednosti sa izlaza aktuatora, dodaje promenjive u skladu sa vremenskim faktorima, kao što je recimo vetar, izvršava algoritam simulacije M1, i na izlazu daje 6000 vrednosti za senzore kako bi zatvorio petlju. Kompletna kontrolna petlja se izvršava za manje od 1 ms.

  Vrednosti koje su NI inženjeri postavili za množenje matrica vektora uključuje sledeće:

• LabVIEW Real-Time Modul na mašini sa dva quadcore procesora, uz korišćenje četiri jezgara – 0,7 ms
• LabVIEW Real-Time Module na mašini sa dva quadcore procesora, uz korišćenje osam jezgara – 0,5 ms

  M4 kompenzuje aberaciju izmerenih talasa i NI inženjeri su sagledali da je ovaj problem moguće rešiti samo sa state-of-the-art, višejezgrnim sistemom. Dell je bio pozvan da testira svoje rešenje na M1000 sistemu i rezultati testa su bili veoma ohrabrujući. Svaka od M1000 mašina imala je osam jezgara, što znači da je ovaj problem rešen distribucijom kontrole putem LabVIEW-a na 128 jezgara.

  NI inženjeri su potvrdili da mogu korišćenjem LabVIEW i LabVIEW Real-Time Modula implementiranih na COTS rešiti dati problem. Zbog stalnog napretka performansi, naš tim je opet postavio referentne rezultate i za kompjutersku nauku i za astronomiju ovom E-ELT implementacijom, koja će sama za sebe biti sledeći veliki naučni napredak.

Instrumentacija, avtomatizacija in upravljanje procesov d.o.o.
Kosovelova ulica 15,

3000 Celje, Slovenija

Tel: + 386 3 425 4200,

Fax: +386 3 425 4212
E-mail: ni.slovenia@ni.com

     www.ni.com/slovenia