Author(s):
Jason Spyromilio - European Southern Observatory

Industry:
Research, Aerospace/Avionics

Products:
LabVIEW, Real-Time Module

The Challenge:
使用商業購買即可使用（COTS）的解決方案，用于特大型望遠鏡自適應光學實時控制中的高性能計算（HPC）。

The Solution:
將NI LabVIEW的圖形化編程環境和多核處理器結合在一起，開發實時控制系統，證明COTS 技術能夠用于控制歐洲特大型望遠鏡（E-ELT），目前E-ELT 處于原型設計階段。

為了進行尺寸對比，兩個人和一輛汽車位于E-ELT 邊上。M1 主鏡面的直徑是42 米，其鏡面的制造是分段完成的

概述
歐洲南方天文臺（ESO）是由13 個歐洲國家支持的天文研究機構。我們已經開發并部署了一些世界上最先進的望遠鏡。我們目前在智利的安第斯山地區分布著三個站點，即La Silla、Paranal 以及Chajnantor 天文臺。我們總是采用創新技術，例如在La Silla 的3.6米望遠鏡上使用第一個通用用戶自適應光學系統，在La Silla 的3.5米新技術望遠鏡（NTT）上部署主動光學系統，以及在Paranal 運用大型望遠鏡（VLT）的整合操作和關聯干涉儀。此外，我們還和北美、東亞合作伙伴進行合作，建立Atacama大型毫米陣列（ALMA），它是耗資十億美元的66 天線亞毫米望遠鏡，計劃于2012 年在Chajnantor 大草原建成。

我們的下一個項目是E-ELT。這個主鏡直徑42 米的望遠鏡設計已經進入了階段B，并且獲得了1 億美元的資金，用于初期設計和原型開發。在階段B 之后，預計在2010 年底開始進行建造。

大規模主動、自適應光學系統
42 米望遠鏡吸收了ESO和天文界在主動自適應光學與分段鏡面方面的經驗。主動光學系統包含了傳感器、促動器和控制系統，從而使望遠鏡能夠維持正確的鏡面形狀。我們可以自動維護望遠鏡的正確配置，減少在光學設計中的任何殘留象差，提高效率和容錯性。這些望遠鏡在夜間需要每分鐘都進行主動光學系統校正，從而確保成像只受到大氣效應的影響。

自適應光學系統使用相似的方法，在數百赫茲的頻率下監視大氣效應，并使用經過特殊加工的可變形薄型鏡面加以校正。擾動尺度決定了這些可變形鏡面上促動器的數量。波前傳感器快速運行，對大氣進行采樣，將所有失真轉換為相應的鏡面動作指令。這需要支持高速計算的硬件和軟件。

控制復雜的系統需要十分強大的處理能力。對于在過去部署的控制系統而言，我們基于虛擬機環境（VME）實時控制可以開發專用的控制系統，這不但十分昂貴而且十分耗時。我們現在與NI 工程師們一起合作， 使用COTS軟件和硬件，使E-ELT 上的主分段鏡面的控制系統（稱為M1）性能達到新的高度。同時我們也在研究基于COTS 的可能解決方案，用于望遠鏡鏡面自適應實時控制（稱為M4）。

M1是包含984 個六邊形鏡面的分段鏡面，總直徑達到42 米，每個鏡面的重量約為330 磅，直徑在1.5 至2 米之間。與之相比，哈勃空間望遠鏡的主鏡面的直徑不過2.4 米。E-ELT 的一個單體主鏡面本身就比世界上最大的光學望遠鏡大三倍，并且五個這樣的鏡面將協同工作。

定義控制系統的超級計算需求
在M1操作中，相鄰的鏡面分段可能會相對于其他分段傾斜。我們使用探邊沿傳感器對這個偏移進行監視，并且可在需要時通過促動器將鏡面分段在三個自由度上進行移動。984 個鏡面分段由3000個促動器和6000 個傳感器組成。

系統由LabVIEW 軟件進行控制，通過讀取傳感器確定鏡面分段位置，如果分段發生位移，則使用促動器進行對齊。LabVIEW 需要計算規模為3000 × 6000 的矩陣與長度為6000 的向量之積，并且需要每秒完成500 至1000 次這樣的計算，以完成有效的鏡面調整動作。

傳感器和促動器同時還控制M4 自適應鏡面。然而，M4 是一個薄型可變形鏡面——直徑2.5 米，橫跨8000 個促動器。它的控制問題與M1 主動控制相似，但是與M1 中保持形狀不同的是，我們需要根據波前成像數據的測量結果調整形狀。波前數據映射到一個具有14000 個值的向量中，我們必須每隔幾毫秒就對8000 個促動器進行一次更新。這是一個矩陣向量乘積問題，即規模為8000 ×14000 的控制矩陣與長度為14000 的向量之積。如果將該計算問題近似為9000 × 15000 的乘積，所需的計算能力就相當于M1 控制問題的約15 倍。

當NI開始解決數學問題和控制問題時，我們就已經與NI一起合作，建立高通道數的數據采集和同步系統。NI工程師們現在正在對布局進行仿真，設計控制矩陣和控制循環。所有這些操作的核心是一個強大的可執行大規模計算的LabVIEW矩陣向量函數。M1和M4控制要求很高的計算能力，我們使用多個多核系統來滿足該需求。由于M4控制代表了15 個3000 × 3000 子矩陣問題，我們需要15 臺包含盡可能多處理核的機器。因此，控制系統要求必須能夠支持多核處理。而這正是LabVIEW使用COTS解決方案所提供的功能，從而為該問題的解決提出了很有吸引力的方案。

在多核高性能計算中使用LabVIEW 解決問題
因為我們在實際E-ELT建造之前就需要進行控制系統開發，系統配置可能會影響望遠鏡的部分建造特征。因此對解決方案進行徹底的測試是十分重要的，需要就像運行在真實的望遠鏡上一樣。為了滿足這個挑戰的需求，NI工程師不僅實現了控制系統，還設計了一個能夠對M1 鏡面進行實時仿真的系統，完成硬件在環（HIL）的控制系統測試。HIL 是一種在汽車和航空航天控制設計中常用的測試方法，通過使用精確的、保證實時性的系統仿真器對所設計的控制器進行仿真。NI 工程師建立了M1鏡面仿真器，能夠響應控制系統的輸出，并驗證其性能。NI 團隊使用LabVIEW 開發了控制系統和鏡面仿真系統，并將它部署到運行LabVIEW 實時模塊的多核PC上，確保執行的確定性。

在相似的實時高性能計算應用中，通信任務和計算任務是緊密相關的。通信系統中的錯誤會導致整個系統的錯誤。因此，整個應用程序開發過程包含通信與計算的交叉設計。NI 工程師明確了應用程序不能夠依賴標準以太網進行通信，因為它所使用的網絡協議不是確定性的。因此他們需要在整個系統的核心中包含快速確定性的數據交換機制。他們使用LabVIEW 實時模塊的定時觸發網絡特性，在控制系統和M1 鏡面仿真器之間進行數據交換，得到了速度高達36 MB/s的確定性網絡。

NI 開發了完整的M1解決方案，整合了兩臺Dell Precision T7400工作站，每個工作站都有八個處理核以及提供了操作界面的筆記本電腦。它還包含了兩個網絡——一個用于將實時目標連接到筆記本的標準網絡和一個在實時目標之間進行I/O 數據交換的1 GB 定時觸發以太網絡。

在系統性能方面，我們了解到控制器在每個循環中，接收6000 個傳感器數值，執行控制算法對齊分段，并且輸出3000 個促動器數值。NI團隊建立的控制系統完成了這一切，并且建立了一個模擬望遠鏡實際操作的實時仿真系統，稱為“鏡面”。鏡面接收到3000 個促動器輸出之后，加上風力等表示大氣擾動的變量，執行鏡面算法對M1 進行仿真，并輸出6000 個傳感器參數完成循環。整個控制循環在不到1 ms 之內完成，足以滿足控制鏡面的要求。

NI 工程師們所達到的矩陣向量乘法指標如下：

● 采用LabVIEW 實時模塊以及包含兩個四核處理器的機器，使用其中四個核進行單精度計算需要0.7 ms

● 采用LabVIEW 實時模塊以及包含兩個四核處理器的機器，使用全部八核進行單精度計算需要0.5 ms

M4用于對大氣波象差進行補償，NI 工程師們認為這個問題只能通過使用最先進的多核刀片系統來解決。Dell公司邀請NI團隊在Dell的M1000 上測試這個解決方案，取得了令人興奮的測試結果。M1000 是一個具有16 個刀片的系統，每個M1000 刀片都包含八個處理核，這意味著LabVIEW控制任務是分布在128個處理核上。

NI 工程師們證明了我們實際上可以使用LabVIEW 和LabVIEW 實時模塊，實現基于COTS 的解決方案，控制多核計算獲取實時結果。因為在性能上取得了突破，我們團隊在E-ELT 的實現方面為計算機科學和天文學都創造了新的紀錄，這將從整體上推進科學的進步。