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未来太空望远镜或以阵列的形式协调工作 而非单一机械主体

时间:2018-07-09 18:26:40 来源:UT 评论:0 点击:0

在未来,望远镜可能由分布式阵列而不是单一仪器组成 - 如NASA的地球行星探测器(TPF),这是一种用于探测太阳系外行星的太空望远镜系统。
 
  在接下来的十年中,许多下一代仪器将占据太空并开始观测宇宙。这些将包括詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST),其后可能会有大型紫外线/光学/红外探测器(LUVOIR),起源太空望远镜(OST),适宜居住的系外行星成像仪(HabEx),Lynx X射线测量仪等概念。

  这些任务将比以往任何时候都更深入地探索宇宙,并帮助天文学家解决诸如宇宙如何进化以及其他星系中是否存在生命等问题。不幸的是,所有这些任务都有两个共同点:除了非常庞大和复杂之外,它们也非常昂贵。因此,一些科学家提出了更加经济的想法,如群望远镜。

  提出概念的两位科学家是Jayce Dowell和Gregory B. Taylor,他是新墨西哥大学物理和天文系的研究助理教授和教授。两人一起在题为“ 蜂群望远镜概念 ” 的研究中概述了他们的想法,该研究最近出现在网上,并被天文仪器杂志接受发表。

美国宇航局詹姆斯韦伯太空望远镜的插图。
  正如他们在研究中所说,传统天文学专注于单个望远镜的建造,维护和操作。其中的一个例外是射电天文学,其中设施已遍布广阔的地理区域以获得高的角度分辨率。其示例包括超长基线阵列(VLBA)和所推荐的平方公里阵列(SKA)。

  此外,还存在望远镜如何越来越依赖于计算和数字信号处理的问题。正如他们在研究中所解释的那样,望远镜通常会同时进行多个观察活动,由于配置要求和调度考虑因素的冲突,这会增加设施的运营复杂性。
 
  根据Dowell和Taylor的说法,一种可能的解决方案是重新考虑望远镜。望远镜不是单一仪器,而是由分布式阵列组成,其中许多自主元件通过数据传输系统聚集在一起,作为单一设施。他们声称,这种方法对于下一代超大阵列(NGVLA)特别有用- 未来的干涉仪将建立在卡尔G. ansky超大阵列和阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列的传统之上( ALMA)。正如他们在研究中所述:
 
  “群望远镜的核心是把一个天文台看作是一个整体的实体。相反,天文台被视为许多独立的部分,它们共同努力完成科学观察。这种转变要求将关于设施的决策的一部分脱离调度员和操作员,并将其转换为在设施的每个部分上运行的“软件定义的操作员”。然后,这些软件代理相互通信并构建动态数组以实现多个观察者的目标,同时还调整整个设施中不同的观测条件和数组元素状态。

  这种分布式望远镜的想法受到群体智能概念的启发,其中大群机器人被编程为彼此交互并与其环境相互作用以执行复杂任务。正如他们所解释的那样,该设施归结为三个主要组成部分:自治元素控制,元素间通信方法和数据传输管理。

  在这些组件中,最关键的是自治元件控制,其控制设施的每个元件的动作。虽然类似于用于控制单个机器人望远镜的传统监视和控制系统,但该系统的不同之处在于它将负责更多。总的来说,元件控制将负责确保望远镜的安全性并最大限度地利用元件。
 
  他们解释说:“首先,要素的安全性需要多个监测点和预防措施,以便识别和预防问题。” “第二个方向需要将观测目标与要素的性能联系起来的方法,以便最大限度地提高观测的数量和质量,以及在问题发生时从问题中恢复的自动化方法。”
 
  第二个组成部分是元件间通信,它允许各个元件组合在一起形成干涉仪。这可以采用去中心系统(没有单一控制点)或组织者系统的形式,其中元素之间和观察队列之间的所有通信都是通过单一控制点(即组织者)完成的。 )。

长波阵列,由新墨西哥大学运营。
  最后,是数据传输管理的问题,它可以采用基于现有望远镜的两种形式之一。这些包括完全0ff-line系统,其中相关性在观察后进行 ,由超长基线阵列(VLBA)组成的使用完全连接的系统,其中相关性是实时完成的(与VLA一样)。为了他们的阵列可以达到预期,连通性和相关性是必须达到的。

  在考虑了所有这些组件以及现有阵列如何使用它们之后,Dowell和Taylor得出结论,群体概念是机器人和智能望远镜以及干涉测量技术进步的自然延伸。这些优点在他们的结论中有详细说明:
 
  “通过将以前由人类完成的大部分日常操作工作转移到自动控制系统,它可以更有效地操作设施。这反过来又使人员能够专注于望远镜的科学输出。群组概念还可以将不同元素的未使用资源组合在一起,形成一个自组织阵列。“
 
  此外,群望远镜将提供新的机会和资金来源,因为它们将由不同实体拥有和运营的小元素组成。通过这种方式,不同的组织将能够利用自己的元素进行科学研究,同时还能够从大规模干涉测量观测中受益。
  这个概念类似于模块化主动自组装太空望远镜群,它需要一群机器人在空间组装形成一个30米(约100英尺)的望远镜。这个概念是由康奈尔大学机械和航空航天工程助理教授Dmitri Savransky领导的美国天文学家团队提出的。
 
  该提案是2020年天体物理学十年调查的一部分,最近被选为第一阶段开发项目,作为2018年NASA创新先进概念(NIAC)计划的一部分。因此,虽然许多大型望远镜将在不久的将来投入使用,但下一代望远镜可能包括一些由人工智能导向的机器人组成的阵列。
 
  这种阵列能够以较低的成本实现高分辨率的天文学和干涉测量,并且可以释放大型复杂阵列用于其他观测。