A LabVIEW Realtime based telescope control system E.Schaefer, W. Zeilinger Institut für Astronomie, Universität Wien

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1 A LabVIEW Realtime based telescope control system E.Schaefer, W. Zeilinger Institut für Astronomie, Universität Wien Kurzfassung Die Steuerung des 1.5 Meter Spiegelteleskops des Leopold Figl-Observatoriums für Astrophysik (FOA) der Universität Wien wird im Rahmen eines Upgradeprojektes sowohl hardwareseitig, abgehend von den Encodern der Servoantriebe, als auch softwareseitig erneuert. Ziel des Projektes ist im Rahmen eines end-to-end Konzeptes die Realisierung eines automatisierteren Observatoriumsbetriebs, der astronomische Beobachtungen auch über remote-anbindungen ermöglicht. Das FOA Telescope Control System (TCS) wurde als Virtual Instrument (VI) im LabVIEW 8.5 Realtime Softwarepaket realisiert. Die TCS Software erlaubt die Steuerung der grundlegenden Teleskopfunktionen und die automatische Steuerung der Kuppeldrehung und des Kuppelspaltes. Die in der TCS integrierte Erfassung von meteorologischen Daten erlaubt ein Monitoring der Qualität der astronomischen Beobachtungen. Zusatzinstrumente und Detektoren am Teleskop sind als VI Komponenten in die TCS integriert und erlauben dem Beobachter die Programmierung von Beobachtungssequenzen und eine pipeline-basierte Analyse der Beobachtungsdaten. Die Hardware der FOA TCS besteht aus einem PXI-1031 Chassis mit einem PXI 8145 Realtime Embedded Controller, der über eine Motioncontrol-Karte PXI 7344 die beiden Servomotoren des Teleskopes steuert. Zwei NI Fieldpoints cfp 2020 werden als Schnittstellen für die Anbindung der astronomischen Instrumentation, Detektoren, Kuppelsteuerung, Erfassung der meteorologischen Daten, etc. verwendet. Abstract The 1.5 meter telescope of the Leopold Figl-Observatorium für Astrophysik (FOA) of the University of Vienna is undergoing a major upgrade regarding the hard- and software of its telescope control system (TCS). The FOA TCS is a highly integrated telescope and observatory control system developped in the LabVIEW 8.5 Realtime software package and designed to support also remote observations. The major control functions of telescope, observatory astronomical instruments, detectors are integrated in the FOA TCS. LabVIEW allows an efficient communication between the various components executing on dispersed computers and is operating-system independent. The FOA TCS is designed to program automated observing sequences and allows pipeline-based anaylsis of astronomical data. The hardware oft he FOA TCS consists of a PXI 1031 chassis with a PXI 8145 realtime embedded controller which communicates through a motioncontrol card PXI 7344 with the servos of the telescope. Two NI fieldpoints cfp 2020 are used to interface to the

2 astronomical instruments, detectors and monitor ancillary data such as ambient temperature, relative humidity, wind speed, etc. Einleitung Das Leopold Figl-Observatorium für Astrophysik (FOA) wurde 1966 bis 1969 im Wienerwald ca. 110 km südwestlich von Wien auf 890 m Seehöhe als Außenstation des Instituts für Astronomie der Universität Wien errichtet. Das FOA beherbergt ein Ritchey- Chretien Spiegelteleskop dessen Gewicht sich auf 24 t beläuft und einen Hauptspiegeldurchmesser von 152 cm aufweist. Dieses Teleskop ist parallaktisch aufgestellt, das heißt die Teleskopgabel (Alpha-Achse) ist parallel zur Erdachse geneigt. Die Neigung des Teleskoptubus (Azimut) wird mit dem zweiten Antrieb (Delta-Achse) vorgegeben. So können mit 2 Servoantrieben Sternpositionen angefahren werden (Bild 1). Der Ausgleich der Erdrotation während astronomischer Beobachtung erfolgt durch Nachführen mit Hilfe des Alpha-Achsen Antriebes. Bild 1: Nord-Süd-Schnitt durch das Leopold Figl Observatorium Die Anforderungen an das TCS Das Telescope Control System (TCS) muß folgende Anforderungen erfüllen: a) Steuerung und Status-Monitoring der Teleskopfunktionen: α-, δ-antriebe, Teleskopfokus; b) Steuerung und Status-Monitoring von unmittelbar assoziierten Funktionen, die während der Beobachtungen benötigt werden: Kuppeldrehung, Kuppelspalt öffnen/schließen, Windschirmkontrolle, Spiegelverschluss, Cassegrain Rotator, Neigungssensor, Sicherheitsfunktionen, Handpanel;

3 c) Interface zu externen Systemen, die während der Beobachtungen benötigt werden: astronomische Kataloge, meteorologische Daten und Archivierung [1]; d) Interface zur Instrumentation: OEFOSC*, Cassegrain Adapter**, Kalibrationslampen; e) Interface zum Benutzer. Bild 2: Datenflüsse im TCS [1] *Der OEFOSC (Oesterreich Faint Object Spectrograph and Camera) ist ein vom Observatorium Kopenhagen entwickeltes Multifunktionsinstrument, das als Fokalreduktor sowohl Imaging und als auch Spektroskopie mittels einer peltiergekühlten CCD Kamera ermöglicht. ** Der Cassegrain Adapter ist in der Fokalebene des Teleskopes montiert und bildet das Verbindungsstück zwischen Teleskop und OEFOSC, in dem Kalibrationslampen enthalten sind, die in den Strahlengang eingeblendet werden können. Der Adapter kann um die optische Achse des Teleskops rotiert werden (sog. Cassegrain Rotator). Der Hardwareaufbau des TCS Das bestückte PXI*-1031 Chassis bildet im Verbund mit derzeit zwei Fieldpoints die Steuerungsebene des TCS (Bild 3). Die PXI Plattform ist mit einem 8145 RT-Controller, einem 7344 Motion Controller und mit einer NI PXI-6040E Multifunktion I/O Karte bestückt. Die Fieldpoints befinden sich im Kuppelraum, in dem mitunter sehr rauhe Umweltbedingungen herrschen, die PXI ist einen Stock tiefer, gemeinsam mit der Motion Control, im Steuerraum situiert (Bild1). Server auf der Systemebene ist der 8145 Controller (Pentium II, 128 MB Ram, 128 MB Compact-Flash) mit dem LabView

4 RealTime Kernel. Die Teleskopsteuerung, die Kontrolle der Fieldpointfunktionen, die Kommunikation mit den Benutzern, dem Datenarchiv und Einbindung der CCD- Camera erfolgt vom RT-Controller aus. Die Clients (Bedienpanel, Datenanalyse-, Datenarchiv- und CCD-PC, sind via TCP/IP Protokoll mit dem Server verbunden. Bild 3: Das TCS und seine Einbindung ins LAN der Universität Wien Das FOA wurde 2007 mit einer 4 Mbit Standleitung ins LAN der Universität Wien integriert, damit sind Fernsteuerbarkeit und Monitoring des TCS vom Institut für Astronomie aus möglich. *PCI EXTENSIONS for INSTRUMENTS

5 Die Ansteuerung der Teleskopmotoren Das Teleskop, wird mit zwei Servomotoren, die jeweils mit einem Tachogenerator und einem Relativ-Encoder bestückt sind, über ein Getriebe bewegt. Als Interface zwischen der Motion Control Karte und den Endstufen (TRM 6015) dient die UMI-7764-Karte. Über die UMI werden Endschalterpositionen, Notaus, Encoderpositionen und der Status der Endstufen TRM 6015 übermittelt. Die Servomotoren sind zwei permanenterregte Scheibenläufermotoren mit einem maximalen Impulsdrehmoment von 1150 Ncm und einer Nennleistung von 370W. Die Motoren können mit bis zu 3000 Umdrehungen (Upm) pro Minute betrieben werden und zeichnen sich damit durch hohe Dynamik aus. Ein grosser Vorteil der Scheibenläufermotoren ist deren hohes Haltemoment im Stillstand sowie deren Fähigkeit auch über lange Zeiträume bei langsamen Geschwindigkeiten ohne Überhitzung zu arbeiten. Die Fieldpoints Die Fieldpoints sind ins FOA-LAN integriert und wesentlich für die Systemintegration der existierenden Kontroll- und Steuerungseinheiten am FOA. Die eingebundenen Komponenten sind teilweise bis zu 30 Jahre alt, und konnten mit entsprechenen VI s, die dezentral auf den Fieldpoints implementiert sind, ins TCS mit eingebunden werden. Der Datenaustausch mit dem TCS Server erfolgt hier mit Shared Variablen im Rahmen von LabVIEW. Die Virtuellen Instrumente des TCS Mittlerweile sind Hauptkomponenten des TCS implementiert. Die Kernroutine des TCS wird mit einem Statediagramm (Bild 4) veranschaulicht. Der TCS Server Auf dem TCS Server laufen folgende VI s: a) Berechnungen und astronomische Routinen (Bild 4) b) Ansteuerung der Teleskopmotoren via Motion Control c) Einlesen der Funkuhr über die serielle Schnittstelle d) Shared Variablen Management und Kommunikation mit den Fieldpoints e) Kommunikation mit den Hostcomputern (CCD, Bedienterminal, Datenarchiv)

6 Bild 4: State Diagramm: Ablauf der Teleskopsteuerung Ad a) Die Aufrufe der astronomischen Routinen (astro.vi) erfolgen im 100 ms Takt und werden vor jedem Durchlauf der States ausgeführt. Die Rechenergebnisse werden über FIFO s kommuniziert. Die astronomischen Algorithmen, die P.T. Wallace [2] in Ansi C- Code zur Verfügung gestellt hat, wurden mit LabView CVI zu einem DLL-File kompiliert. Das State Diagramm (Bild 4) kann in fünf Bereiche unterteilt werden: Spezielle Positionierung des Teleskops ( stop -new_target- goto - positon_reached). Das sind z.b. die Stern,- Park-, Zenit-, und Serviceposition. Positionierung auf einen Stern und Nachführung durch Koordinateneingabe ( stop - new_target & tracking=1- go_to_and_track ). Bedienung des Teleskops mit dem Handset ( stop -handset_pressed- by_handset ) Tracking eines Sterns von einer beliebigen Position aus ( stop -tracking=1- set_v_track -calc_aparent_pos -default- goto_and_track ). Wobei set_v_track die Nachführgeschwindigkeit des Teleskops mit 15 Bogensekunden/Minute einstellt. Die Synchronisierung mit der Funkuhr ( stop -sync_gps_clock=1- gps_update ) wird jeweils zu Beginn einer Beobachtung durchgeführt Ad b) Die Rechenergebnisse des astro.vi werden über ein regler.vi als Stellbefehle an das motion.vi übergeben. Zuerst erfolgt die Positionierung des Teleskops auf einen Stern (Alpha- und Delta Koordinate), dann erfolgt die Nachführung des Telskops (Kompensation der Erdrotation) über die Alpha-Achse. Eine Motorumdrehung wird dabei auf Encoderschritte aufgelöst. Die praktisch erreichbare Stellgenauigkeit des Teleskopes beläuft sich auf ca. 1 Bogensekunde. Ad c) Für eine korrekte astrometrische Berechnung ist eine exakte Zeitbasis notwendig, dies wird durch eine GPS-Funkuhr gewährleistet. Nach dem Einlesen des Datums und der Zeit zeigt die Funkuhr die Gültigkeit des Sekundenwechels mit einer digitalen Flanke

7 an. Das Uhr.vi wertet diese Flanke in einer timed loop aus und setzt die Zeit beim Programmstart, oder nach Anforderung aus der State Machine, auf demtcs-server. Ad d) Alle shared Variablen die zur Kommunikation mit den Fieldpoints gebraucht werden, sind hier definiert. Da es an der Peripherie um langsame Vorgänge (z.b. Temperaturen, Luftfeuchte, Fokusanzeige,.) handelt, funktioniert dieses Konzept hervorragend. Die entsprechenden VI s sind leicht wart- und handhabbar. Ad e) Die Bedienung und Steuerung des TCS erfolgt remote über Client PC s. Die Client Server VI s sind TCP/IP basiert. Alle relevanten Daten, für den User am Client PC, dem Datenarchivserver, und anderen Clients werden über TCP/IP kommuniziert. Zwischen dem Userinterface und dem TCS-Server sind eigens VI s mit proprietärer Kommandostruktur implementiert. Diese VI s sind modular und können jederzeit z.b. einer beliebigen TCS Kommandosprache angepasst werden. Eine Remote-Steuerung mehrerer Telseskope wäre damit möglich. Die Fieldpoints und deren VI s Fieldpoint 1 bindet über die RS232 Schnittstelle einen Neigungssensor (2 Achsen, ) und einen Barcodeleser für die Positionsangaben der Kuppel in TCS ein. Der Neigungssensor gibt dem Benutzer ein Feedback über die aktuelle Position des Teleskops. Mit dieser Positionsrückmeldung kann bei unerwartetem Ausfall des TCS das Teleskop jederzeit in seine Parkposition gefahren werden. Auch virtuelle Endschalter werden so realisiert. Auf dem beweglichen Teil der Kuppel sind Barcodemarkierungen angebracht. Der Barcodeleser übermittelt dem entsprechenden VI die Kuppelposition. Das Kuppel.vi kann die Kuppel dem Teleskop nachführen, parken, und in Servicepositionen fahren. Dieses VI bedient auch den Sollwert des Frequenzumrichters sowie die Stellbefehle Kuppel links bzw. rechts. Weitere Virtuelle Instrumente wurden für die Kuppelspalt-,und Windschirmsteuerung erstellt. Bedeutende Parameter bei astronomischen Beobachtungen sind die Temperaturschichtungen und und Feuchtigkeitswerte, die über einfache VI s erfasst und via Shared Variablen im Sekundentakt dem TCS-Server übergeben werden, der seinerseits die Werte via TCP/IP an den Datenarchivserver weitergibt. Fieldpoint 2 bindet über die RS232 Schnittstelle einen Datenlogger, den OEFOSC und die Fokuspositionsanzeige das TCS ein. Die Niederösterreichische Landesregierung betreibt eine Wetterstation auf dem FOA. Die Wetterdaten (Windrichtung, Windgeschwindikeit, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Niederschlag) auf dem Datenlogger, werden dem TCS über die serielle Schnittstelle zugänglich gemacht. Ein eigenes wetter.vi holt die Wetterwerte ab, und bereitet sie für die Übergabe via TCS Server an den Datenarchivserver auf. Der OEFOSC ist ein optisches Multifunktionsgerät. Es werden insgesamt fünf Schrittmotorantriebe über die serielle Schnittstelle gesteuert (Apertur-, Filter-, und Grismrad, sowie der Verschluss für die CCD Kamera und der Fokus für die Optik). Das Oefosc.vi

8 auf Fieldpoint 2 arbeitet entweder im automatischen Betriebsmodus (Die Befehle kommen vom TCS-Server) oder im manuellen Betrieb (dem Benutzer wird ein Bedienpanel zur Verfügung gestellt, auf dem er die Positionen der einzelnen Aktoren auswählt). Die Fokusposition des Teleskops wird mit einem berührungslosen Längenmesssystem gemessen und von einem Positionsmultiplexer auf 1/100 mm genau ausgewertet und im Kuppelraum angezeigt. Das pomux.vi greift auf die Schnittstelle des Anzeigegerätes zu und stellt dem TCS-Server die jeweilige Fokusposition zur Verfügung. Das VI bedient auch den Fokusantrieb, einerseits über das TCS-Bedienpanel auf dem Client PC s im Kontrollraum oder über ein Handset das direkt am Teleskop für dessen manuelle Bedienung zur Verfügung steht. Auf FP2 werden zudem die Temperaturen am Teleskop und die Luftfeuchtigkeit im Kuppelraum erfasst. Ein VI steuert den Spiegelverschluss und weitere Handsetfunktionen. Zusammenfassung Die meisten Funktionen des TCS konnten für das FOA realisiert werden. Im Lauf des Jahres wird noch eine CCD-Kamera, die schon mit VI-Treibern zur Ansteuerung bereitsteht implementiert. Die LabView Realtime Plattform hat sich für uns als verlässliche und stabile Entwicklungsumgebung präsentiert. Die Virtuellen Instrumente, einmal getestet und auf den Targets implementiert, arbeiten verlässlich und stabil. Ein wesentliches Kriterium, nämlich die sehr heterogenen Komponenten des FOA in ein System zu integrieren, ist mit LabView Realtime gelungen. [1] W. Zeilinger: Projekt einer neuen Teleskopsteuerung für das FOA 1,5m Teleskop, Pflichtenheft, Version ,S4, Institut für Astronomie der Universität Wien [2] P.T.Wallace: SLALIB-Positonal Astronomy Library 2.5-3, 19 December 2005,CCLRC /Rutherford Appleton Laboratory, Paricle Physics & Astronomy Research Council, Starlink Project