Кіріспе

Роботты телескоп – адамның тікелей араласуынсыз бақылаулар жасайтын астрономиялық телескоп және детекторлар жүйесі. Астрономия салаларында телескоп, егер ол адаммен жұмыс істемей, тіпті адам түннің басында бақылауды бастап немесе таңертең аяқтау қажет болса да, өздігінен бақылаулар жүргізсе, роботты телескоп саналады. Ол автоматты кестелеу сияқты түрлі мәселелерде көмектесетін жасанды интеллектіге негіделген бағдарламалық агенттермен жабдырылуы мүмкін. Роботты телескоп қашықтықтан басқарылатын телескоптан өзгеше, бірақ бір құрал роботты да, қашықтықтан басқарылатын да болуы мүмкін. 2004 жылға қарай, роботты бақылаулар астероидтардың орбиталары мен жаңа ашылулары, өзгермелі жұлдыздарды зерттеу, суперновалардың жарық қисықтары мен жаңа ашылулары, кометалардың орбиталары және гравитациялық микролинзалық бақылаулар туралы жарияланған ғылыми ақпараттың басым бөлігін құрады. Гамма сәулелерінің алғашқы кезеңдегі барлық бақылаулары роботты телескоптар арқылы жүзеге асырылды.

Дизайн

Роботты телескоптар – күрделі жүйелер, олар әдетте бірнеше кіші жүйелерді қамтиды. Бұл кіші жүйелер телескопты бағыттау мүмкіндігін, детектордың жұмысын (әдетте ККТ камерасы), күмбезді немесе телескопты қоршауды басқаруды, телескоптың фокусын басқаруды, ауа райын анықтауды және басқа да мүмкіндіктерді қамтамасыз ететін құрылғыларды қамтиды. Көбінесе осы әртүрлі жүйелер басқару жүйесімен үйлестіріледі, ол көбінесе бағдарламалық жасақтама компоненті болып табылады. Роботты телескоптар жабық немесе ашық цикл принциптері бойынша жұмыс істейді. Ашық цикл жүйесінде роботты телескоп жүйесі өзін-өзі бағыттап, деректерді жинайды, өзінің жұмысының нәтижелерін тексермей, дұрыс жұмыс істеп жатқанына көз жеткізбейді. Ашық цикл телескопы кейде "сеніммен" жұмыс істейді дейді, себебі егер бірдеңе дұрыс болмаса, басқару жүйесі оны анықтап, түзетуге шамасы жетпейді. Жабық цикл жүйесінде қателерді анықтау үшін қосымша кіріс деректерін пайдаланып, өзінің жұмысын бағалау мүмкіндігі бар. Мұндай қосымша кіріс деректерге телескоптың қозғалыс осінің позиция кодерлері немесе суреттерді бағалау арқылы, олар түсірілген кезде дұрыс көрініс алаңына бағытталғанын қамтамасыз ету кіруі мүмкін. Көптеген роботты телескоптар кішкентай телескоптар болып табылады. Үлкен обсерваториялық құралдар жоғары деңгейде автоматтандырылған болса да, олардың көпшілігі қызметкерлерсіз жұмыс істемейді.

Кәсіби робот телескоптары

Роботты телескоптарды астрономдар алғаш рет компьютерлермен электромеханикалық интерфейстер обсерваторияларда кең таралғаннан кейін жасады. Алғашқы үлгілер қымбатқа түсті, мүмкіндіктері шектеулі болды және аппараттық және бағдарламалық қамтамасыз етуде көптеген бірегей жүйелерді қамтыды. Бұл роботты телескоптарды дамытудың бастапқы кезеңдерінде прогреске кедеріс келтірді. 1980 жылдардың басында арзан компьютерлер қолжетімді болғанда, бірнеше тиімді роботты телескоп жобалары ұсынылды және бірнешеуі іске асырылды. 1985 жылы Марк Трублод пен Рассел М. Женеттің «Микрокомпьютерлермен телескоптарды басқару» кітабы осы саладағы маңызды инженерлік зерттеу болды. Бұл кітаптың маңызды жетістіктерінің бірі – телескоптарды тек негізгі астрономиялық есептеулерді қолдана отырып сенімді түрде бағыттау мүмкін еместігінің көптеген себептерін, соның ішінде көзге көрінбейтін себептерін көрсету болды. Бұл кітапта зерттелген тұжырымдамалар 1970 жылдардағы алғашқы автоматтандырылған телескоптардың – әсіресе 3,9 метрлік Англо-Австралия телескопының – буынынан пайда болған Tpoint деп аталатын телескоп орнату қателіктерін модельдеу бағдарламалық жасақтамасымен ортақ тамырға ие. 2004 жылы кейбір кәсіби роботты телескоптар дизайндық шығармашылықтың жетіспеуімен және жабық кодты және эксклюзивті бағдарламалық қамтамасыз етуге сүйенуімен ерекшеленді. Бағдарламалық қамтамасыз ету көбінесе оны жобалаған телескопқа арналған және басқа жүйелерде қолдануға болмайды. Көп жағдайда университеттерде жасалған роботты телескоп бағдарламалық жасақтамасын қолдау мүмкін болмайды және ол ескіріп қалады, өйткені оны жазған аспиранттар жаңа лауазымдарға өтеді, ал олардың мекемелері білімдерін жоғалтады. Ірі телескоп консорциумдары немесе мемлекеттік зертханалар университеттердегідей дамытушыларды жоғалтпайды. Кәсіби жүйелер әдетте өте жоғары бақылау тиімділігімен және сенімділігімен сипатталады. Сонымен қатар, бірнеше кәсіби мекемелерде ASCOM технологиясын қабылдауға бейімділік артып келеді (төмендегі бөлімді қараңыз). Эксклюзивті бағдарламалық қамтамасыз ету қажеттілігі көбінесе институттар арасындағы ғылыми-зерттеу қаражаты үшін бәсекелестікке байланысты. 1980 жылдардың соңынан бастап Айова университеті кәсіби жағынан роботты телескоптарды дамытуда жетекші роль атқарып келеді. 1990 жылдардың басында жасалған Автоматтандырылған телескоп құрылғысы (АТҚ) Айова қаласындағы Айова университетінің физика ғимаратының шатырында орналасқан. Олар 1997 жылы жеке меншік Винер обсерваториясында роботты және қашықтан басқару телескобын – Айова роботты обсерваториясын аяқтауды жалғастырды. Бұл жүйе өзгермелі жұлдыздарды сәтті бақылап, ондаған ғылыми мақалаларға бақылау деректерін қосты. 2002 жылдың мамыр айында олар Ригель телескобын аяқтады. Ригель – Optical Mechanics, Inc. компаниясы жасаған және Talon бағдарламасымен басқарылатын 0,37 метрлік (14,5 дюймдік) F/14 телескоп. Олардың әрқайсысы автоматтандырылған және пайдалы обсерваторияға қарай дамудың кезегі болды. Қазіргі кездегі ең ірі роботты телескоптардың бірі – Ұлыбритания университеттерінің консорциумы басқаратын RoboNet. Линкольн Жерге жақын астероидтарды зерттеу (LINEAR) жобасы – кәсіби роботты телескоптың тағы бір мысалы. LINEAR-тің бәсекелестері – Лоуэлл обсерваториясының Жерге жақын нысандарды іздеу, Каталина аспанды зерттеу, Spacewatch және басқалары да әртүрлі деңгейде автоматтандыруды жасады. 1997 жылы ROTSE I деп аталатын Роботты оптикалық өткінші іздеу эксперименті (ROTSE) кең өрісті телескоптар массиві қолмен жұмыс істей бастады. Бағдарламалық жүйелер 1998 жылдың наурыз айының соңында толығымен автоматтандырылған роботты жұмыс істеуге мүмкіндік берді, GRB 980326-ға GRB Координаттар желісі арқылы алынған триггерлерге алғашқы автоматтандырылған жауаптар берілді. ROTSE I сол кезден бастап жұмыс істеді және ол тұңғыш толық автономды жабық циклды роботты телескоп болды және GRB жауаптары, рентгендік өткіншілер мен жұмсақ гамма-сәулелік қайталаушыларды зерттеу, өзгермелі жұлдыздар мен метеорларды зерттеу үшін пайдаланылды. GRB 990123 үшін ROTSE I GRB-дан шыққан алғашқы жедел оптикалық жарылысты анықтады. ROTSE III жобасы 2003 жылы іске қосылған ROTSE I операциялық тәсіліне негізделген төрт жарты метрлік телескопты қамтиды. Бұл негізінен GRB зерттеулері үшін, сондай-ақ супернованы іздеу және зерттеу үшін пайдаланылды. ROTSE III бақылауларымен алғашқы суперсұрын суперновалар табылды. 2002 жылы 2000 жылы жобаланған оптикалық жауап беруге арналған RAPid телескопы (RAPTOR) жобасы 2002 жылы толық іске қосылды. Жобаны Том Вестранд және оның командасы басқарды: Джеймс Рен, Роберт Уайт, П. Возняк және Хит Дэвис. Оның бірінші жарығы кең өрісті құралдардың бірінде 2001 жылдың соңында болды. Екінші кең өрісті жүйе 2002 жылдың соңында іске қосылды. Жабық циклды операциялар 2003 жылы басталды. RAPTOR-дың бастапқы мақсаты – спутниктік триггерлерге сенімді түрде жауап беретін және, ең бастысы, көрінетін құбылыстарды нақты уақытта анықтап, басқа, ірі телескоптармен жалғастыру бақылауларын жүргізуге мүмкіндік беретін координаталарды ұсынатын ескертулерді жасау үшін жердегі телескоптар жүйесін жасау болды. Ол екі мақсатына да қол жеткізді. Қазір RAPTOR «Ойлы телескоптар технологиялары» жобасының негізгі аппараттық элементі болу үшін қайта бапталып жатыр. Оның жаңа міндеті – тұрақты көздердегі қызықты және аномалдық мінез-құлқыларды іздеу үшін ең жетілген роботты бағдарламалық қамтамасыз етуді қолдана отырып, түн аспанын бақылау. Екі кең өрісті жүйе – CCD камераларының мозаикасы. Мозаика шамамен 1500 шаршы градусқа дейін 12-ші шамаға дейін жабатын аумақты қамтиды. Әр кең өрісті массивтің ортасында 4 градус көру бұрышы және 16-шы шамаға дейін тереңдігі бар жалғыз фовея жүйесі орналасқан. Кең өрісті жүйелер 38 км-лік базалық сызықпен бөлінген. Бұл кең өрісті жүйелерді қолдайтын екі операциялық телескоп бар. Біріншісі – 16 шаршы градус көру бұрышымен және 16 шамаға дейін тереңдігі бар каталогтау патрульдік құралы. Екінші жүйе – 0,4 м OTA, 19-20 шамаға дейін тереңдік пен 0,35 градусқа дейін жабатын аумақ береді. Үш қосымша жүйе қазіргі уақытта дамытылып, сынақтан өтіп жатыр және олардың орнатылуы келесі екі жыл ішінде кезең-кезеңімен жүзеге асырылатын болады. Барлық жүйелер кез келген нүктеге 3 секунд ішінде жете алатын, жедел бұрылуға қабілетті, тапсырыс бойынша жасалған, жылдам бұрылатын орнатуларға орнатылған. RAPTOR жүйесі Лос-Аламос Ұлттық зертханасында (АҚШ) орналасқан және зертхананың Бағытталған зерттеу және дамыту қоры арқылы қолдау көрсетілді.

Әуесқойлық робот телескоптары

2004 жылы көптеген роботтық телескоптар әуесқой астрономдардың қолында болды. Әуесқой роботтық телескоптардың кең таралған себебі – 1990 жылдардың басында коммерциялық нарықта қолжетімді болған салыстырмалы түрде арзан CCD камераларының болуы еді. Бұл камералар әуесқой астрономдарға түн аспанының әдемі суреттерін түсіруге ғана мүмкіндік бермей, сонымен қатар кәсіби астрономдармен бірлесіп зерттеу жобаларын жүргізуге оларды ынталандырды. Әуесқой роботтық телескоптарды дамытудың басты себебі – өзгермелі жұлдыздың суретін қайта-қайта түсіру сияқты зерттеуге бағытталған астрономиялық байқауларды жүргізудің қиындығы болды. 1998 жылы Боб Денни Microsoft Component Object Model негізінде астрономиялық жабдықтар үшін бағдарламалық интерфейс стандартын жасады, оны Astronomy Common Object Model (ASCOM) деп атады. Ол сондай-ақ осы стандарттың алғашқы үлгілерін, коммерциялық телескопты басқару және кескіндерді талдау бағдарламалары түрінде, сондай-ақ бірнеше тегін компоненттерді жазып, жариялады. Ол Дуг Джорджты ASCOM мүмкіндіктерін коммерциялық камераны басқару бағдарламасына енгізуге көндірді. Бұл технологияның арқасында осы бағдарламаларды біріктіретін басқару жүйесін perl, VBScript немесе JavaScript тілдерінде оңай жазуға болады. Денни мұндай сценарийдің үлгісін ұсынды. Бірнеше айдан кейін Sky & Telescope журналында ASCOM туралы мақала жарияланғаннан кейін, ASCOM архитекторлары – Боб Денни, Даг Джордж, Тим Лонг және басқалар ASCOM-ды телескоптар, CCD камералары, телескоп фокустары және астрономиялық обсерваториялардың күмбездері үшін тегін драйверлердің жиынтығына айналдыруға ықпал етті. Нәтижесінде, әуесқойлар жасаған роботтық телескоптар күрделілігі мен сенімділігі артып, бағдарламалық қамтамасыз ету құны төмендеді. ASCOM кейбір кәсіби роботтық телескоптарда да қолданылады. 1998 жылы Орегон штатының Коттедж-Гроув қаласының жанында Майкл Шварц роботтық Celestron Schmidt Cassegrain телескопымен жабдықталған Tenagra обсерваториясы салынды. Осы уақытта ASCOM қолданушылары одан да қабілетті басқару жүйелерін жасады. 1999, 2000 және 2001 жылдарғы Кіші планеталардың кәсіби және әуесқой шеберханаларында (MPAPW) және 1998, 1999, 2000, 2001, 2002 және 2003 жылдарғы Халықаралық фотоэлектрлік фотометрия конференцияларында ұсынылған мақалаларда одан әрі күрделі басқару жүйелері сипатталды. Бұл жүйелердің мүмкіндіктеріне бақылау нысандарын автоматты түрде таңдау, мақсаттарға қатысты бақылауды тоқтату немесе бақылау кестелерін қайта құру, жол көрсету жұлдыздарын автоматты түрде таңдау және күрделі қателерді анықтау және түзету алгоритмдері кірді. Қашықтан басқарылатын телескоп жүйесін әзірлеу 1999 жылы басталды, ал алғашқы сынақтар 2000 жылдың басында нақты телескоптық жабдықтармен жүргізілді. RTS2 негізінен гамма-сәулелердің жарылысын бақылау үшін жасалған, сондықтан бақылауды тоқтату мүмкіндігі оның дизайнының маңызды бөлігі болды. Даму кезеңінде ол біріктірілген обсерваторияны басқару жиынтығына айналды. Басқа қосымшаларға мақсаттар мен байқау журналдарын сақтау үшін Postgresql деректер базасын пайдалану, астрометрияны қоса алғанда, кескіндерді өңдеу және телескопты нақты уақытта түзету мүмкіндігі, сондай-ақ веб-базалық пайдаланушы интерфейсі кірді. RTS2 бастапқыда толығымен ашық кодты жүйе ретінде жобаланды, ешқандай меншік компоненттері болмады. Қоюлардың, сенсорлардың, CCD-лердің және шатыр жүйелерінің тізімін кеңейту үшін ол өзінің мәтіндік байланыс протоколын пайдаланады. RTS2 жүйесі туралы мақалалар 2004 және 2006 жылдары жарияланды. Инструменттік бейтарап үлестірілген интерфейс (INDI) 2003 жылы әзірленді. Microsoft Windows-қа негізделген ASCOM стандартымен салыстырғанда, INDI – ClearSky институтының Элвуд С. Дауни жасаған платформаға тәуелсіз протокол, ол жабдық пен бағдарламалық қамтамасыз етудің алдыңғы бөліктері арасында басқаруды, автоматтандыруды, деректерді алуды және алмасуды қолдайды.

Ақылды телескоптар

Тұтынушылар нарығына жақында енгізілген смарт телескоптар бар. Олар – өздігінен жұмыс істейтін, роботтандырылған астрономиялық бейнелеу құрылғылары, кішкентай (50 мм-ден 114 мм-ге дейінгі диаметрлі) телескоп пен онымен үйлесімді, терең ғарыш нысандарының астрофотографиясы үшін арналған алдын ала орнатылған бағдарламалық жасақтаманы біріктіреді. Олар GPS деректері мен автоматты жұлдыз үлгілерін тану (планеталық координаттарды анықтау) арқылы қай бағытқа қарап тұрғанын анықтайды. Оларда астрономиялық нысандарды тікелей бақылауға мүмкіндік беретін оптикалық жүйе жоқ, оның орнына уақыт өте келе түсірілген суреттерді жинақтап, бейнелерді құрастырып, оларды кіріктірілген цифрлық дисплейге (әдетте дәстүрлі окуляр пішінінде) немесе смартфонға, планшетке жібереді. Олар алдын ала бағдарламаланған нысандардың базасымен, белгілі бір бейнелеу алгоритмдерімен және телескоп орнатылғаннан кейін пайдаланушыға астрофотографияны бастауға мүмкіндік беретін мобильді қосымшамен бірге келеді. Оларды қашықтан басқаруға болады және қадағалаусыз бірнеше сурет түсіруге қабілетті. Олар "сәтті суреттеу" және "мозаикалық суреттеу" сияқты астрофотографияның әр түрлі техникаларын автоматтандыра алады. Бейнелеу жүйесінің дизайны және салыстырмалы түрде кішкентай оптикасы планеталар мен Айды бейнелеу үшін тиімді емес. Мысал ретінде француз компаниялары Unistellar және Vaonis өнімдерін келтіруге болады.