中国科学技术大学 博士学位论文 LAMOST巡天观测战略系统（SSS） 姓名：郝黎凯 申请学位级别：博士 专业：物理电子学 指导教师：金革 20040601 中国科学技术火学博士学位论文 摘要 摘要 L A M O S T ( 大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜) 是我国天文学家提出的 一种新的天文望远镜结构，称为“子午装置的卧式反射施密特望远镜系统”，它突 破了长期以来天文望远镜设备的缺陷，是一台兼备大视场和大口径的光学望远 镜。它选择最佳的观测时机( 天体过中天时) ，可以同时对几千个目标进行光谱 观测、有效口径达4 米，视场达到2 0 平方度，能够比现存的所有的望远镜和设 备观测到更多目标。 L A M O S T 要求在1 5 小时的积分时间内探测极限星等为2 0 5 等。一个晚上其 观测数目可能高达1 5 ，0 0 0 颗，但是由于其光纤的运动范围很有限，很难保证在 任何情况下，都能有很高的整体观测效率。如何在保证完成光谱巡天的有关科学 目标的前提下，提高望远镜的观测效率是有待解决的难题，为了提高观测效率， 必须对观测计划进行优化，L A M O S T 的巡天战略系统( S S S ) 就是为了达到此目 标的一个子系统。 L A M O S T 的控制系统是一个高度自动化、复杂的巨型望远镜控制系统，由观 测控制系统( O C S ) ，望远镜控制子系统( T C S ) 、焦面仪器控制子系统( I C S ) 、 数据处理子系统( D H S ) 、巡天战略子系统( S S S ) 等多个的子系统组成，只有 将各子系统有机地组织起来，协调一致地执行观测运行，才能可靠和有效地完成 L A M O S T 的观测任务。 L A M O S T 的巡天战略系统的目标是安排观测计划，以最优化的方式在尽可能 短的时l 色j 内获得科学目标所需质量要求的观测资料，它将负责制定观测计划，决 定观测时间和安排观测流程等。本文详细介绍了S S S 基本目的和要求，并就此 提出了相应的解决方案。L A M O S T 一夜的观测光谱数量在1 万个以上，在 L A M O S T 建成之后数年内。将对北天区的2 万平方度的1 07 个目标进行巡天观测。 面对如此之巨的待测天体目标，如何在尽可能短的时间内，有计划有目的的，分 期分批无遗漏的对其进行观测，是摆在我们面前的极富挑战性的课题。充分利用 L A M O S T 的观测能力有效的组织巡天观测，提高观测效率，缩短观测周期，生 成科学的观测计划是S S S 系统的基本设计原则。从S S S 本身效率的角度，从获 得可观测天区到做出当天的观测计划，中间只有短短的两个小时，同时，在实际 观测中，还存在各种意外情况的出现，例如天气的意外变化，望远镜的紧急故障， 中国科学技术大学博士学位论文摘要 都可能使原本安排的观测计划变得不再适用，为了保证不浪费宝贵的观测时间， 在意外情况出现的时候，还要有适合特定条件的应急计划，所以巡天战略系统必 须具有快速应变的特性。 为了建立上面要求的系统，本文首先介绍了整个控制系统模型，说明了巡天 战略系统的地位，然后对巡天战略系统进行了详细的需求分析，提出了巡天战略 系统的设计目标，并就此提出了相应的解决方案。基于这个解决方案，确定了巡 天战略系统的选星算法模型和功能层次定义。 巡天战略最关键的问题是观测策略问题，通过对观测策略的分析，提出了基 于优先策略的“最大密度，平均分布”动态算法，并对此算法作了模拟计算，证 明了它的有效性。 S H 检验方法是对覆盖完备性有重要影响的个观测条件，文中分析了s - H 检验对观测的影响，并给出了覆盖完备性和s H 检验方法中选择的中心亮星亮度 的依赖关系，给出了要满足覆盖完备性必须满足的亮度约束。 然后我们给出了S S S 的总体设计思想和观测计划的制定流程，完成了巡天战 略执行过程的分析，并就S S S 设计上的一些重要阔题作了讨论。 最后，本论文还就S S S 的下一步的发展方向进行了讨论。 本论文的主要创新在于： 1 ) 国内首次对巡天战略系统进行系统分析和研究，提出了观测计划的产生 流程和步骤。 2 1 首次提出用动态选星算法来解决观测策略M 题，对算法进行模拟的结果 表明算法基本上符合s s s 系统的要求，并为以后的进一步改进提供了基 础。 3 1 作了s H 检验方法对覆盖完备性影响的分析和模拟计算 4 ) 由于s s s 是L A M O S T 的控制系统中与O C S 交互的第一个实体化模型， 定义了一系列的传输协议，接口规范。 中国科学技术人学博十学位论文A B S T R A C T A B S T R A C T L A M O S T ( T h eL a r g eS k yA r e aM u l t i - o E t i b e rS p e c t r o s c o p i cT e l e s c o p e ) i st h el a t e s t c o n f i g u r a t i o n o fa s t r o n o m i c a lt e l e s c o p et h a tw a sr a i s e d b yA s t r o n o m e ro fc h i n a W ec a l li t ”m e r i d i a nr e f l e c t i n gS c h m i d tt e l e s c o p e ”I tc o n q u e r st h ed i f f i c u I t yt h a tw ec a n t g e tb o t hb i g c a l i b e ra n db r o a dv i e wi na s t r o n o m i c a lt e l e s c o p ei nal o n gp e r i o do ft i m e I ti sa n o p t i c a l t e l e s c o p ew i t hb o t hb i gc a l i b e ra n db r o a dv i e w , W h e ns t a r si nt h eh i g h e s ts k y , i to b s e r v et b e m I t c a nt a k et h es p e c t r u m so ns e v e r a lt h o u s a n d so b j e c ta to n et i m e T h ea v a i l a h l yc a l i b e ro ft h e t e l e s c o p ei sa b o u t4m e t e r sa n d t h ev i e wo ft h et e l e s c o p ei sa b o u t2 0s q u a r e - d e g r e e I tc a no b s e r v e m o r eo b j e c tt h a na l le x i s t e n tt e l e s c o p e s T h ec o l l e c t i v i t yd e s i g no fL A M O S Ti su n i q u e I ti sd i f i e r e n tf r o mt h eo t h e rt e l e s c o p e s I t c o l l e c t st h et r a c ka n da c t i v eo p t i c a la n dp u to nt h er e f l e c t i n gS e h m i d tm i r r o rM A I tr e q u i r e st h e 4 0 0 0f i b e r ss h o u l db eI o c a t e da c c u r a t e l ya n dq u i c k l ya tt h es a m et i m e I td e a l sw i t ht h o u s a n d so f s p e c t r u md a t a T h e r ea r em i l l i o n so b s e r v a t i o no b j e c t si nt h ep m a r r a n g eo b s e r v a t i o ns k y W ep l a n t oc h o o s et h o u s a n d sf r o mt h e s eo b j e c t s A l lt h e s ed i f f i c u l t i e sa r ec h a l l e n g et od e s i g nt h ec o n t r o l s y s t e m F o r t u n a t e l y , t e c h n o l o g i e sd e v e l o pq u i c k l y I tp r o v i d e sm e t h o d s t oe n g i n e e r s I no t h e rw o r d s ， L A M O S T o n l yc a l lb et a k e n i n t op r a c t i c eb yt h i sw a y , L A M O S T r e q u i r e sg e tt h es p e c t r u mo f t h es t a rw h o s ea p p a r e n tm a g n i t u d es m a l l e rt h a n2 0 5 i n15h o u r se x p o s u r e T h en u m b e ro fs t a r sc a nb e1 2 ，0 0 0 ，w h i c hc a nb eo b s e r v e dj no n en i g h t T h eh i g h e ru s i n gr a t eo ff i b e rc a ng e tt h eh i g h e rt o t a lo b s e r v i n gr a t e T h eu s i n gr a t eo ff i b e ri sa s s a m ea st h ee f f i c i e n c yo f t h et e l e s c o p e T h eu s i n gr a t eo f f i b e ri sd e f i n e dw i t hs a m p l em a t u r i t yr a t e I td e p e n d so nt h es c i e n c eg o a lo fS p e c t r u mS u r v e y F o re x a m p l e ，i ti sah i g hl e v e lt h a tu s i n gr a t e o ff i b e ri sa b o u t8 0 w i t I l9 0 s a m p l em a t u r i t yr a t e I no r d e rt oa d v a n c i n gt 1 e o b s e r v a t i o n e f f i c i e n c y , w eh a v et oo p t i m i z e t h eo b s e r v a t i o np l a n T h eL A M O S Tc a n tb ec o n t r o la n do p e r