南极作为地球上少有的天文观测理想台址，因其独特的地理与环境优势，如长时间的极夜、极佳的大气视宁度、低温干燥的大气条件以及无光污染背景，为深空探测、时域天文学、空间目标监测等领域提供了前所未有的观测平台。然而，这一地区的极端环境也对望远镜的运行稳定性、观测自动化能力及维护可行性提出了极高要求，尤其是在科考人员无法长期驻留，无人值守运行的背景下。为此，本文系统性地研究并设计了适用于多种目标观测的无人值守望远镜自动观测系统，并针对赤道式望远镜指向过程可能发生水平限位保护造成观测中断的问题，优化了指向路径，保障了全自动观测的不间断运行。
本文构建了一个层次化的南极无人值守望远镜运行架构，涵盖望远镜控制系统（Telescope Control System, TCS）、终端仪器控制系统（Instrument Control System , ICS）、台址监测系统（Site Monitoring System, SMS）及观测控制系统（Observation Control System, OCS）等多个子系统。该架构通过模块化设计确保了功能的相对独立与整体的高度协同，在南极无人值守、低带宽和极夜长周期等制约条件下，仍可实现全天候、全流程的自主运行。系统支持多目标天体观测，包含恒星、近地小行星、空间碎片等不同类别，适配设定速度、给定位置文件及TLE轨道根数等多种跟踪方法，满足复杂观测任务的需求。
在硬件控制方面，望远镜控制系统承担指向与跟踪功能，采用自动建模校准机制，实现高效、精确的目标指向与修正，同时整合电源控制、温控除霜、转台运动、极轴误差修正等多项功能模块。终端仪器控制系统则针对天文相机的控制与数据采集进行优化设计，实现了参数配置、图像采集、数据存储及远程控制等一体化操作，保障观测数据的高质量与高稳定性。
针对通信条件受限的南极环境，本文基于铱星通信链路，构建了安全、可靠的SSH远程登录及数据回传机制，支持命令行交互与反向端口映射，实现了远程维护与观测任务管理。在软件接口设计方面，本文采用了基于TCP/IP协议的通信框架，支持多线程并发处理、命令容错机制与优先级调度，确保系统在多设备协同工作状态下依然具备良好的资源调度与容灾能力。此外，通过引入命令校验、错误反馈、连接保护等机制，显著提升了通信的安全性与稳定性。
为实现望远镜在无人值守模式下的全天候不间断观测，本文进一步提出了赤道式望远镜水平限位预判与规避路径规划算法。该算法基于平面几何分析模型，在时角-赤纬坐标系中识别潜在的限位风险区域，并通过引入中间过渡点对路径进行优化，从而有效避免指向中断问题。该方法在不影响望远镜响应速度的前提下，实现了路径规避功能的自动化集成，提升了赤道式望远镜在极地高纬度环境下的运行连续性与任务响应效率。
本研究的创新点主要包括：1）支持多种天体目标的全自动观测； 2）提出了一种适用于南极的赤道式望远镜的水平限位路径优化算法，有效提升了望远镜的不间断运行能力。本文的研究成果为南极无人值守望远镜的自动观测系统提供了完整的技术解决方案，对推动南极天文观测的科学产出具有重要意义。
修改评论