使用LabVIEW开发世界最大望远镜的实时控制系统

Author(s):
Jason Spyromilio - European Southern Observatory

Industry:
Research, Aerospace/Avionics

Products:
LabVIEW, Real-Time Module

The Challenge:
使用商业购买即可使用（COTS）的解决方案，用于特大型望远镜自适应光学实时控制中的高性能计算（HPC）。

The Solution:
将NI LabVIEW的图形化编程环境和多核处理器结合在一起，开发实时控制系统，证明COTS 技术能够用于控制欧洲特大型望远镜（E-ELT），目前E-ELT 处于原型设计阶段。

为了进行尺寸对比，两个人和一辆汽车位于E-ELT 边上。M1 主镜面的直径是42 米，其镜面的制造是分段完成的

概述
欧洲南方天文台（ESO）是由13 个欧洲国家支持的天文研究机构。我们已经开发并部署了一些世界上最先进的望远镜。我们目前在智利的安第斯山地区分布着三个站点，即La Silla、Paranal 以及Chajnantor 天文台。我们总是采用创新技术，例如在La Silla 的3.6米望远镜上使用第一个通用用户自适应光学系统，在La Silla 的3.5米新技术望远镜（NTT）上部署主动光学系统，以及在Paranal 运用大型望远镜（VLT）的整合操作和关联干涉仪。此外，我们还和北美、东亚合作伙伴进行合作，建立Atacama大型毫米阵列（ALMA），它是耗资十亿美元的66 天线亚毫米望远镜，计划于2012 年在Chajnantor 大草原建成。

我们的下一个项目是E-ELT。这个主镜直径42 米的望远镜设计已经进入了阶段B，并且获得了1 亿美元的资金，用于初期设计和原型开发。在阶段B 之后，预计在2010 年底开始进行建造。

大规模主动、自适应光学系统
42 米望远镜吸收了ESO和天文界在主动自适应光学与分段镜面方面的经验。主动光学系统包含了传感器、促动器和控制系统，从而使望远镜能够维持正确的镜面形状。我们可以自动维护望远镜的正确配置，减少在光学设计中的任何残留象差，提高效率和容错性。这些望远镜在夜间需要每分钟都进行主动光学系统校正，从而确保成像只受到大气效应的影响。

自适应光学系统使用相似的方法，在数百赫兹的频率下监视大气效应，并使用经过特殊加工的可变形薄型镜面加以校正。扰动尺度决定了这些可变形镜面上促动器的数量。波前传感器快速运行，对大气进行采样，将所有失真转换为相应的镜面动作指令。这需要支持高速计算的硬件和软件。

控制复杂的系统需要十分强大的处理能力。对于在过去部署的控制系统而言，我们基于虚拟机环境（VME）实时控制可以开发专用的控制系统，这不但十分昂贵而且十分耗时。我们现在与NI 工程师们一起合作， 使用COTS软件和硬件，使E-ELT 上的主分段镜面的控制系统（称为M1）性能达到新的高度。同时我们也在研究基于COTS 的可能解决方案，用于望远镜镜面自适应实时控制（称为M4）。

M1是包含984 个六边形镜面的分段镜面，总直径达到42 米，每个镜面的重量约为330 磅，直径在1.5 至2 米之间。与之相比，哈勃空间望远镜的主镜面的直径不过2.4 米。E-ELT 的一个单体主镜面本身就比世界上最大的光学望远镜大三倍，并且五个这样的镜面将协同工作。 [p]

定义控制系统的超级计算需求
在M1操作中，相邻的镜面分段可能会相对于其他分段倾斜。我们使用探边沿传感器对这个偏移进行监视，并且可在需要时通过促动器将镜面分段在三个自由度上进行移动。984 个镜面分段由3000个促动器和6000 个传感器组成。

系统由LabVIEW 软件进行控制，通过读取传感器确定镜面分段位置，如果分段发生位移，则使用促动器进行对齐。LabVIEW 需要计算规模为3000 × 6000 的矩阵与长度为6000 的向量之积，并且需要每秒完成500 至1000 次这样的计算，以完成有效的镜面调整动作。

传感器和促动器同时还控制M4 自适应镜面。然而，M4 是一个薄型可变形镜面——直径2.5 米，横跨8000 个促动器。它的控制问题与M1 主动控制相似，但是与M1 中保持形状不同的是，我们需要根据波前成像数据的测量结果调整形状。波前数据映射到一个具有14000 个值的向量中，我们必须每隔几毫秒就对8000 个促动器进行一次更新。这是一个矩阵向量乘积问题，即规模为8000 ×14000 的控制矩阵与长度为14000 的向量之积。如果将该计算问题近似为9000 × 15000 的乘积，所需的计算能力就相当于M1 控制问题的约15 倍。

当NI开始解决数学问题和控制问题时，我们就已经与NI一起合作，建立高通道数的数据采集和同步系统。NI工程师们现在正在对布局进行仿真，设计控制矩阵和控制循环。所有这些操作的核心是一个强大的可执行大规模计算的LabVIEW矩阵向量函数。M1和M4控制要求很高的计算能力，我们使用多个多核系统来满足该需求。由于M4控制代表了15 个3000 × 3000 子矩阵问题，我们需要15 台包含尽可能多处理核的机器。因此，控制系统要求必须能够支持多核处理。而这正是LabVIEW使用COTS解决方案所提供的功能，从而为该问题的解决提出了很有吸引力的方案。

在多核高性能计算中使用LabVIEW 解决问题
因为我们在实际E-ELT建造之前就需要进行控制系统开发，系统配置可能会影响望远镜的部分建造特征。因此对解决方案进行彻底的测试是十分重要的，需要就像运行在真实的望远镜上一样。为了满足这个挑战的需求，NI工程师不仅实现了控制系统，还设计了一个能够对M1 镜面进行实时仿真的系统，完成硬件在环（HIL）的控制系统测试。HIL 是一种在汽车和航空航天控制设计中常用的测试方法，通过使用精确的、保证实时性的系统仿真器对所设计的控制器进行仿真。NI 工程师建立了M1镜面仿真器，能够响应控制系统的输出，并验证其性能。NI 团队使用LabVIEW 开发了控制系统和镜面仿真系统，并将它部署到运行LabVIEW 实时模块的多核PC上，确保执行的确定性。

在相似的实时高性能计算应用中，通信任务和计算任务是紧密相关的。通信系统中的错误会导致整个系统的错误。因此，整个应用程序开发过程包含通信与计算的交叉设计。NI 工程师明确了应用程序不能够依赖标准以太网进行通信，因为它所使用的网络协议不是确定性的。因此他们需要在整个系统的核心中包含快速确定性的数据交换机制。他们使用LabVIEW 实时模块的定时触发网络特性，在控制系统和M1 镜面仿真器之间进行数据交换，得到了速度高达36 MB/s的确定性网络。

NI 开发了完整的M1解决方案，整合了两台Dell Precision T7400工作站，每个工作站都有八个处理核以及提供了操作界面的笔记本电脑。它还包含了两个网络——一个用于将实时目标连接到笔记本的标准网络和一个在实时目标之间进行I/O 数据交换的1 GB 定时触发以太网络。

在系统性能方面，我们了解到控制器在每个循环中，接收6000 个传感器数值，执行控制算法对齐分段，并且输出3000 个促动器数值。NI团队建立的控制系统完成了这一切，并且建立了一个模拟望远镜实际操作的实时仿真系统，称为“镜面”。镜面接收到3000 个促动器输出之后，加上风力等表示大气扰动的变量，执行镜面算法对M1 进行仿真，并输出6000 个传感器参数完成循环。整个控制循环在不到1 ms 之内完成，足以满足控制镜面的要求。

NI 工程师们所达到的矩阵向量乘法指标如下：

● 采用LabVIEW 实时模块以及包含两个四核处理器的机器，使用其中四个核进行单精度计算需要0.7 ms

● 采用LabVIEW 实时模块以及包含两个四核处理器的机器，使用全部八核进行单精度计算需要0.5 ms

M4用于对大气波象差进行补偿，NI 工程师们认为这个问题只能通过使用最先进的多核刀片系统来解决。Dell公司邀请NI团队在Dell的M1000 上测试这个解决方案，取得了令人兴奋的测试结果。M1000 是一个具有16 个刀片的系统，每个M1000 刀片都包含八个处理核，这意味着LabVIEW控制任务是分布在128个处理核上。

NI 工程师们证明了我们实际上可以使用LabVIEW 和LabVIEW 实时模块，实现基于COTS 的解决方案，控制多核计算获取实时结果。因为在性能上取得了突破，我们团队在E-ELT 的实现方面为计算机科学和天文学都创造了新的纪录，这将从整体上推进科学的进步。