Введение

Роботизированный телескоп — это астрономический телескоп и детектурная система, осуществляющая наблюдения без участия человека. В астрономических дисциплинах телескоп считается роботизированным, если он выполняет наблюдения без непосредственного управления со стороны человека, даже если для начала наблюдений в начале ночи или их завершения утром требуется вмешательство человека. Он может быть оснащен программными агентами с использованием искусственного интеллекта, которые помогают различными способами, например, автоматическим планированием. Роботизированный телескоп отличается от дистанционно управляемого телескопа, хотя прибор может быть одновременно и роботизированным, и дистанционно управляемым. К 2004 году роботизированные наблюдения составляли подавляющую часть опубликованной научной информации об орбитах и открытиях астероидов, исследованиях переменных звезд, кривых блеска сверхновых и их открытиях, орбитах комет и наблюдениях гравитационного микролинзирования. Все наблюдения на ранних стадиях гамма-всплесков осуществлялись с помощью роботизированных телескопов.

Дизайн

Роботизированные телескопы – это сложные системы, которые обычно включают в себя ряд подсистем. Эти подсистемы включают устройства, обеспечивающие наведение телескопа, работу детектора (обычно ПЗС-камеры), управление куполом или корпусом телескопа, контроль над фокусировщиком телескопа, определение погодных условий и другие функции. Зачастую этими различными подсистемами управляет главная система управления, которая почти всегда является программным обеспечением. Роботизированные телескопы работают по принципу разомкнутого или замкнутого цикла. В системе с разомкнутым циклом роботизированный телескоп наводит себя и собирает данные, не проверяя результаты работы для подтверждения корректности функционирования. Иногда говорят, что телескоп с разомкнутым циклом работает "на удачу", поскольку в случае сбоя система управления не сможет его обнаружить и компенсировать. Система с замкнутым циклом способна оценивать свою работу, используя избыточные данные для обнаружения ошибок. Типичным примером таких данных являются энкодеры положения на осях телескопа или возможность анализа полученных изображений для проверки правильности наведения на заданное поле зрения во время экспозиции. Большинство роботизированных телескопов – это небольшие телескопы. Хотя крупные инструменты обсерваторий могут быть высоко автоматизированы, немногие из них работают без присутствия персонала.

Профессиональные робототехнические телескопы

Робототехнические телескопы были впервые разработаны астрономами после того, как электромеханические интерфейсы с компьютерами стали обычным явлением в обсерваториях. Ранние образцы были дорогими, обладали ограниченными возможностями и включали большое количество уникальных подсистем как в аппаратной, так и в программной части. Это способствовало отсутствию прогресса в развитии роботизированных телескопов на ранних этапах их истории. К началу 1980-х годов, с появлением недорогих компьютеров, было разработано несколько перспективных проектов роботизированных телескопов, и некоторые из них были реализованы. Книга 1985 года "Микрокомпьютерное управление телескопами" Марка Трублода и Рассела М. Женета стала важным инженерным исследованием в этой области. Одним из достижений этой книги было указание на множество причин, некоторые из которых весьма тонкие, по которым телескопы не могли быть надежно наведены, используя только базовые астрономические вычисления. Концепции, исследованные в этой книге, имеют общие корни с программным обеспечением для моделирования ошибок монтировки телескопа под названием Tpoint, которое появилось из первого поколения крупных автоматизированных телескопов в 1970-х годах, в частности, 3,9-метрового англо-австралийского телескопа. В 2004 году некоторые профессиональные роботизированные телескопы характеризовались недостатком творческого подхода к проектированию и зависимостью от программного обеспечения с закрытым исходным кодом и проприетарными решениями. Программное обеспечение обычно разрабатывалось конкретно для данного телескопа и не могло быть использовано в других системах. Зачастую программное обеспечение для роботизированных телескопов, разработанное в университетах, становилось трудно поддерживать и в конечном итоге устаревало, поскольку аспиранты, его написавшие, переходили на новые должности, а их учреждения теряли накопленные знания. Крупные телескопы или финансируемые государством лаборатории обычно не сталкиваются с такой потерей разработчиков, как университеты. Профессиональные системы, как правило, отличаются очень высокой эффективностью и надежностью наблюдений. Также наблюдается тенденция к внедрению технологии ASCOM на некоторых профессиональных объектах (см. следующий раздел). Необходимость в проприетарном программном обеспечении обычно обусловлена конкуренцией между учреждениями за финансирование исследований. С конца 1980-х годов Университет Айовы находится в авангарде разработки роботизированных телескопов для профессионального использования. Автоматизированный телескоп (ATF), разработанный в начале 1990-х годов, был расположен на крыше здания физики в Университете Айовы в городе Айова-Сити. В 1997 году они завершили строительство Айовской роботизированной обсерватории – роботизированного и дистанционно управляемого телескопа, установленного в частной обсерватории Винера. Эта система успешно наблюдала переменные звезды и внесла вклад в десятки научных публикаций. В мае 2002 года они завершили строительство телескопа Ригель. Rigel был телескопом с диаметром 0,37 метра (14,5 дюймов) и фокусным отношением F/14, изготовленным компанией Optical Mechanics, Inc. и управляемым программой Talon. Каждый из этих телескопов был шагом к созданию более автоматизированной и функциональной обсерватории. Одна из крупнейших современных сетей роботизированных телескопов – RoboNet, управляемая консорциумом университетов Великобритании. Проект Lincoln Near Earth Asteroid Research (LINEAR) – еще один пример профессионального роботизированного телескопа. Конкуренты LINEAR, такие как Lowell Observatory Near Earth Object Search, Catalina Sky Survey, Spacewatch и другие, также разработали различные уровни автоматизации. В 1997 году массив широкопольных телескопов Robotic Optical Transient Search Experiment (ROTSE), получивший название ROTSE I, начал работу в ручном режиме. Программные системы обеспечили полностью автоматизированную роботизированную работу в конце марта 1998 года, с первыми автоматическими ответами на вспышку GRB 980326, полученными от триггеров через сеть координат GRB. ROTSE I работал с тех пор и стал первым полностью автономным роботизированным телескопом с замкнутым циклом, который использовался для регистрации вспышек GRB, рентгеновских транзиентов и мягких гамма-всплесков, а также для изучения переменных звезд и метеоров. Первая оптическая вспышка от GRB была обнаружена ROTSE I для GRB 990123. Проект ROTSE III включал четыре полуметровых телескопа, основанных на опыте эксплуатации ROTSE I, который начал работу в 2003 году. Они использовались в основном для последующего изучения GRB, а также для поиска и изучения сверхновых. Именно с помощью наблюдений ROTSE III были открыты первые сверхсветлые сверхновые. В 2002 году проект RAPid Telescopes for Optical Response (RAPTOR), разработанный в 2000 году, начал полную развертку в 2002 году. Проект возглавляли Том Вестранд и его команда: Джеймс Рен, Роберт Уайт, П. Возняк и Хит Дэвис. Первое свет на одном из широкопольных инструментов было получено в конце 2001 года. Вторая широкопольная система была введена в эксплуатацию в конце 2002 года. Операции с замкнутым циклом начались в 2003 году. Первоначально целью RAPTOR было создание системы наземных телескопов, которые могли бы надежно реагировать на сигналы со спутников и, что более важно, идентифицировать транзиенты в реальном времени и генерировать оповещения с указанием координат источника для последующих наблюдений с помощью других, более крупных телескопов. Обе эти цели были достигнуты. В настоящее время RAPTOR был перенастроен как ключевой аппаратный элемент проекта Thinking Telescopes Technologies. Его новая задача – мониторинг ночного неба в поисках интересных и аномальных явлений в постоянных источниках с использованием одного из самых передовых роботизированных программных обеспечений, когда-либо развернутых. Две широкопольные системы представляют собой мозаику CCD-камер. Мозаика охватывает площадь около 1500 квадратных градусов с глубиной до 12 звездной величины. В центре каждой широкопольной матрицы находится одна фовеальная система с полем зрения 4 градуса и глубиной до 16 звездной величины. Широкопольные системы разделены базовой линией 38 км. Поддержку этим широкопольным системам обеспечивают два других работающих телескопа. Первый из них – инструмент для каталогизации патрулирования с мозаичным полем зрения 16 квадратных градусов до 16 звездной величины. Другая система – телескоп с апертурой 0,4 м, обеспечивающий глубину 19-20 звездной величины и покрытие 0,35 градуса. В настоящее время три дополнительные системы находятся в стадии разработки и тестирования, а их развертывание будет осуществляться поэтапно в течение следующих двух лет. Все системы установлены на изготовленных на заказ, быстро вращающихся монтировках, способных достигать любой точки неба за 3 секунды. Система RAPTOR расположена на территории Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) и финансируется за счет средств, выделяемых лабораторией на фундаментальные и прикладные исследования.

Робототехника любительского назначения

В 2004 году большинство роботизированных телескопов находились в руках астрономов-любителей. Предварительным условием для бума любительских роботизированных телескопов стала доступность относительно недорогих ПЗС-камер (CCD), которые появились на коммерческом рынке в начале 1990-х годов. Эти камеры не только позволили астрономам-любителям получать качественные изображения ночного неба, но и стимулировали более опытных любителей к проведению исследовательских проектов в сотрудничестве с профессиональными астрономами. Главным мотивом разработки любительских роботизированных телескопов была утомительность астрономических наблюдений, ориентированных на исследования, таких как многократное повторение снимков переменной звезды. В 1998 году Боб Денни разработал стандарт программного интерфейса для астрономического оборудования, основанный на компонентной объектной модели Microsoft (Component Object Model), который он назвал Astronomy Common Object Model (ASCOM). Он также написал и опубликовал первые примеры этого стандарта в виде коммерческих программ управления телескопами и анализа изображений, а также несколько компонентов с открытым исходным кодом. Ему также удалось убедить Дага Джорджа внедрить поддержку ASCOM в коммерческую программу управления камерами. Благодаря этой технологии, мастер-систему управления, интегрирующую эти приложения, можно было легко написать на Perl, VBScript или JavaScript. Денни предоставил пример такого скрипта. После публикации статьи об ASCOM в журнале Sky & Telescope несколько месяцев спустя, архитекторы ASCOM, такие как Боб Денни, Даг Джордж, Тим Лонг и другие, повлияли на развитие ASCOM, превратив его в набор кодифицированных стандартов интерфейса для бесплатных драйверов устройств для телескопов, ПЗС-камер, фокусировщиков телескопов и куполов астрономических обсерваторий. В результате любительские роботизированные телескопы стали более сложными и надежными, а стоимость программного обеспечения значительно снизилась. ASCOM также был принят для использования в некоторых профессиональных роботизированных телескопах. Также в 1998 году Майкл Шварц построил обсерваторию Tenagra недалеко от Коттедж-Гроув, штат Орегон, оснащенную роботизированным телескопом Celestron Schmidt-Cassegrain. Тем временем пользователи ASCOM разрабатывали все более совершенные мастер-системы управления. Доклады, представленные на семинарах Minor Planet Amateur Professional Workshops (MPAPW) в 1999, 2000 и 2001 годах, и на Международных конференциях любительской и профессиональной фотоэлектрической фотометрии в 1998, 1999, 2000, 2001, 2002 и 2003 годах, документировали все более сложные мастер-системы управления. Некоторые из возможностей этих систем включали автоматический выбор объектов для наблюдений, возможность прерывания наблюдений или изменения расписания наблюдений для объектов, представляющих интерес, автоматический выбор звезд для наведения и сложные алгоритмы обнаружения и коррекции ошибок. Разработка системы удаленного управления телескопом началась в 1999 году, а первые тестовые запуски на реальном телескопе состоялись в начале 2000 года. RTS2 изначально предназначалась для последующих наблюдений гамма-всплесков, поэтому возможность прерывания наблюдений была ключевой частью ее конструкции. В процессе разработки она превратилась в комплексное программное обеспечение для управления обсерваторией. Другие дополнения включали использование базы данных PostgreSQL для хранения целей и журналов наблюдений, возможность обработки изображений, включая астрометрию, и выполнения коррекции телескопа в реальном времени, а также веб-интерфейс пользователя. RTS2 с самого начала была разработана как полностью открытая система, без каких-либо проприетарных компонентов. Для поддержки растущего списка монтировок, датчиков, ПЗС-матриц и систем крыш она использует собственный текстовый протокол связи. О системе RTS2 сообщается в статьях, опубликованных в 2004 и 2006 годах. Instrument Neutral Distributed Interface (INDI) был запущен в 2003 году. В отличие от стандарта ASCOM, ориентированного на Microsoft Windows, INDI является платформенно-независимым протоколом, разработанным Элвудом К. Дауни из ClearSky Institute для поддержки управления, автоматизации, сбора данных и обмена информацией между аппаратными устройствами и программными интерфейсами.

Умные телескопы

Новым явлением на потребительском рынке стали умные телескопы. Это автономные роботизированные устройства для астрономической съемки, объединяющие небольшой телескоп (диаметром от 50 до 114 мм) с монтировкой и предустановленным программным обеспечением, предназначенным для астрофотографии объектов глубокого космоса. Они используют данные GPS и автоматическое распознавание звездных узоров (решение задачи по пластинкам) для определения направления. Они не имеют оптической системы, позволяющей пользователю напрямую наблюдать астрономические объекты, и вместо этого передают изображение, полученное путем накопления кадров (стекинга), на встроенный цифровой дисплей (обычно выполненный в форме традиционного окуляра) или на смартфон/планшет. Они поставляются с базой данных предварительно запрограммированных объектов, заданными режимами съемки и мобильным приложением, позволяющим пользователю начать астрофотографию сразу после установки телескопа. Управлять ими можно дистанционно, и они способны автономно собирать серии изображений. Они автоматизируют различные методы астрофотографии, включая "lucky imaging" (метод счастливой съемки) и "speckle imaging" (зернистая интерферометрия). Конструкция системы съемки в сочетании с относительно небольшой оптикой не оптимальна для съемки планет или Луны. Примерами служат модели французских компаний Unistellar и Vaonis.