GCN-клиент для телескопов САО.

В.Шергин

2014-2019г.

Для оперативного наведения телескопов по координатам GRB-событий, разработано клиентское программное обеспечение для работы с системой серверов GCN/TAN. Разработка выполнена на языке Python с использованием пакета pygcn.

О системе GCN.

Система GCN/TAN (GRB Coordinates Network / Transient Astronomy Network) разработана и функционирует в NASA's Goddard Space Flight Center.

О пакете pygcn (anonymous VOEvent client for receiving GCN/TAN notices in XML format).

Пакет pygcn написан на языке Python.
Автор Leo Singer (lsinger) из California institute of Technology.
Совместим с версиями Python ≥2.6.

Этот пакет разработан как простой клиент, который анонимно подключается к северу и прослушивает VOEvent-ы (http://www.ivoa.net/documents/VOEvent) т.е.сообщения в XML-формате. Он реализует TCP/IP VOEvent Transport Protocol (http://www.ivoa.net/documents/Notes/VOEventTransport).

Для его использования необходимо написать модуль handler, которому он будет передавать на обработку каждый полученный VOEvent-пакет.

В настоящее время в системе GCN имеется четыре сервера допускающих анонимное TCP-подключение по протоколу VOEvent:

Формат XML-сообщений у них немного отличается, что необходимо учитывать при их разборе в модуле handler.

Имеется одно существенное ограничение доступа — с одного клиентского IP-адреса сервер принимает только одно TCP-соединение.

Никаких proxy-возможностей не предусмотрено, т.е. для обращения из локальной сети САО клиент должен иметь прямой выход в Internet, хотя бы через NAT.

Описание программного пакета для телескопов САО.

Все программы написаны на языке Python. Ставилась задача разработки приложения независящего от типа ОС и при этом использующего только штатные средства основного пакета Python. Реальная проверка работоспособности производилась в Linux Python2.6/2.7 в Windows Python2.7. Дополнительно может потребоваться установка пакета PyAudio, если у компьютера есть колонки и хочется слышать предупреждения. В ОС Linux пакет Python ставится по частям, поэтому необходимо убедиться что в системе установлен пакет python-lxml, иначе программа может работать неправильно.

Для быстрого наведения телескопов в программе реализована связь с системами управления (TCS) двух инструментов САО — Цейсс-1000 и БТА.

Принцип работы.

Приняты следующие принципы организации взаимодействия с наблюдателями на телескопах.

• Не предусматривается (по крайней мере пока) никакого автоматического наведения телескопов, т.к. имеется много параметров которые может оценить только опытный наблюдатель (и решить стоит ли прерывать текущие наблюдения). Например: какой источник сообщения, уровень обнаружения GRB, точность координат (ErrBox), текущее положение на небе, погода и т.д.

• После приема от сервера сообщения которое может заинтересовать наблюдателя, на экране появляется диалоговое окно типа:

и наблюдателю предлагается либо использовать эти координаты, либо проигнорировать.

Источники сообщений.

Рассматриваются сообщения (notices) от следующих источников:

Космический гамма-телескоп Fermi (инструменты GBM и LAT).

Инструменты SuperAGILE и MCAL спутника AGILE (Astro-rivelatore Gamma a Immagini LEggero).

Спутник INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory).

Система IPN (InterPlanetary Network) объединяющая космические аппараты с гамма-датчиками (например аппарат WIND с инструментом KONUS).

MAXI (Monitor of All-sky X-ray Image) на МКС.

Орбитальная обсерватория Swift (инструменты BAT, XRT и UVOT).

CALET (CALorimetric Electron Telescope) на МКС.

AMON (Astrophysical Multimessenger Observatory Network) IceCube нейтринная обсерватория.

SNEWS (SuperNova Early Warning System) система из 7-ми детекторов: Super-K(Япония), LVD(Италия), IceCube(Юж.полюс), KamLAND(Япония), Borexino(Италия), DayaBay(Китай), HALO(Канада).

LVC (LIGO-Virgo Collaboration) детекторы гравитационных волн.

GRB Counterparts — сообщения о вторичных (follow-up) наблюдениях с уточнением координат.

Фильтрация сообщений.

В сети GCN циркулирует большое количество сообщений. Более 99% из них не представляют интереса для наблюдателей. Это, например, тестовые сообщения (для отладки программ), координаты малозначительных (sub-sub-threshold, σ<6) пиков, координаты совпадающие с каталогами, сообщения о наведении (slewing) спутников и другие служебные сообщения. Поэтому в любой клиентской программе необходима фильтрация сообщений соответствующая ее задачам.

В данном приложении приняты следующие принципы. Все типы сообщений разбиты на группы:

• Предупреждения (warnings). Это сообщения о вспышках, либо от детектора без координат, либо от координатного но предварительные (alerts) без координат, (например «Swift BAT GRB Alert»), либо точность координат не достаточна для наших телескопов (например ErrBox - градусы, как у Fefmi GBM). Наблюдателю выдаются предупреждающие сообщения типа:

Таймаут ожидания реакции наблюдателя — 10минут. Смысл в том чтобы наблюдатель был предупрежден о происходящем и о возможном появлении сообщения с хорошими координатами. Кроме того координаты, если они есть, остаются в файле протокола и могут быть использованы в дальнейшем.

• GRB с хорошими координатами ( ErrBox — минуты или секунды). Сюда относим:

INTEGRAL (Wakeup, Weak, Refined, Offline)

SuperAGILE (Wakeup, Ground, Refined)

Fermi LAT (Ground, Offline)

Swift BAT

Swift XRT

Swift UVOT

GRB Counterpart

Наблюдателю представляется диалоговое окно с предложением отправить координаты системе управления телескопа.

Таймаут ожидания реакции наблюдателя — 1час. Обычно такие сообщения идут сериями с уточнением координат на этапах обработки сначала на самом аппарате, а затем наземными средствами.

• Тестовые сообщения. Имитация реальных событий от разных аппаратов. Появляются в среднем раз в 2 часа. В данной программе подключаются по желанию для отладки и тренинга.

• Несколько сообщений полезность которых пока не ясна. Информация о них на всякий случай только лишь записывается в файл протокола.

• Самая большая группа сообщений признанных заведомо бесполезными — просто пропускаются.

• Неопознанные программой типы сообщений. XML-текст VOEvent-а записывается в файл на диске для последующего анализа автором программы и включения в одну из групп.

Запуск программы.

Основная программа называется gcn_monitor.py . Предполагается что она будет вставляться в Автозапуск , стартовать вместе с оболочкой пользователя-наблюдателя и работать непрерывно. При запуске без параметров она покажет справку:

GCN/TAN client monitor usage:

gcn_monitor.py [-h] [Tel=...] [Host=...] [User=...] [Pass=...] [Proxy=...] [Test=Yes] [Audio=Yes]

Help or -h - show this text

Tel - telescope name: 'BTA' or 'Zeiss' (default - Zeiss)

Host - TCS site name to connect to

User - for Zeiss TCS only (access level>=2 for 'Send'; >=3 for 'Slew')

Pass - users password for Zeiss TCS or

access level password for BTA (>=2 for 'Send'; >=4 for 'Slew')

Proxy - name or address of relay computer where gcn_proxy.py was started

Test - utilize GCN Test-messages for debugging (default - No)

Audio- play WAV-signal on GCN alert (if PyAudio installed,default — No)

Ее параметры задаются в форме «Имя=Значение»:

Tel — выбор варианта на систему какого телескопа настраиваться. Варианты: «BTA» или «Zeiss».

Host — сетевое имя или IP-адрес сервера. Для Цейсс-1000 это имя XML-RPC сервера системы управления. Для БТА — имя HTTP сервера на котором расположена программа bta_send.cgi для связи с его системой управления.

User — только для Цейсс-1000 у которого доступ к системе управления по имени пользователя. Уровень доступа этого пользователя должен быть не менее 2 для посылки координат и не менее 3 для старта наведения.

Pass — для Цейсс-1000 это пароль выбранного пользователя, а для БТА пароль определяющий уровень доступа к системе управления. Он должен быть не менее 2 для посылки координат и не менее 4 для старта наведения.

Proxy — если данный компьютер не имеет выхода в Интернет, тут можно задать сетевое имя или IP-адрес компьютера имеющего выход в Интернет, на котором работает специальная программа-ретранслятор gcn_proxy.py .

Test — «yes» если нужно воспринимать тестовые GCN-сообщения для отладки или обучения.

Audio — «yes» если нужно проигрывать файл alarm.wav при выводе диалоговых окон на экран. Это работает только если в Python установлен пакет PyAudio, иначе игнорируется.

Состав пакета, файлы.

gcn_monitor.py

Стартовый модуль приложения. Использует gcn_client.py и gcn_alerts.py. Читает параметры, настраивает и запускает процессы (threads) прослушивания сообщений в сети и управления диалоговыми окнами.

gcn_client.py

Предоставляет функцию handler() для pygcn. Использует обращения к gcn_alerts.py для передачи команд в thread управления окнами для привлечения внимания наблюдателя. В этом модуле реализована логика фильтра GCN-сообщений и извлечение данных из XML-текстов.

gcn_alerts.py

Реализация параллельного процесса (thread) управления диалоговыми окнами на экране. Может проигрывать звук из файла alarm.wav. Использует gcn_zeiss.py и gcn_bta.py для доступа к системам управления телескопов.

gcn_zeiss.py

Модуль выполнения команд через XML-RPC сервер системы управления Цейсс-1000.

gcn_bta.py

Доступ к системе управления БТА по протоколу HTTP через CGI-программу bta_send.cgi.

alarm.wav

Звуковой файл для проигрывания при появлении сообщения наблюдателю. Можно заменить его на любой свой.

gcn_client_bta.log и gcn_client_zeiss.log

Файлы протоколов которые образуются и дополняются при работе приложения.

gcn_monitor_bta.bat и gcn_monitor_zeiss.bat

Примеры bat-файлов для запуска приложения под Windows.

gcn_proxy.py

Специальная программа-ретранслятор VOEvent протоколов. Ждет обращения клиента. Затем сама вызывает один из трех GCN-серверов и организует параллельный процесс (thread) взаимной трансляции сообщений. Максимально возможна одновременная работа трех клиентов, т.к. каждый GCN-сервер с этого IP-адреса примет только одно TCP-соединение.

Диалоговые окна.

Поскольку запуск окна диалога блокирует вызывающую программу, управление ими оформлено как параллельный процесс (thread) чтобы не мешать процессу прослушивания сети. При старте этот thread показывает первое окно с информацией к какому GCN-серверу подключились.

Бесконечно ждать реакции пользователя нельзя, поэтому для каждого окна запускается функция таймаута, которая уничтожает его по истечению времени.

В каждый момент времени программа может показывать только одно окно требующее реакции наблюдателя. А сообщения после GRB-события могут идти сериями через секунды или минуты. Кроме того могут совпадать во времени сообщения от разных источников. Поэтому реализован следующий принцип приоритетности сообщений наблюдателю:

• новое предупреждение (warning) уничтожает предыдущее;

• сообщение о GRB уничтожает окно предупреждения;

• если выведено сообщение о GRB, предупреждения игнорируются:

• новое сообщение о GRB уничтожает предыдущее если его точность координат выше (ErrBox меньше), иначе отменяется.

Окна сообщений о GRB выглядят по разному в зависимости от полученного уровня доступа к системе управления телескопа.

Доступа нет.

Только посылка координат в систему управления.

Можно сразу стартовать наведение телескопа.

Можно только послать координаты, затем в интерфейсе наблюдателя увидеть «куда попали», а наведение телескопа по введенным координатам запустить позже обычным образом. Если же сразу запустить наведение, то телескоп либо сразу поедет на объект, либо появится сообщение типа:

Примеры работы.

Ниже приводятся примеры «дневных» испытаний но с реакцией на реальные GRB.

Программа-ретранслятор gcn_proxy.py была стартована на сервере www.sao.ru. На клиентском компьютере стартованы сразу две программы gcn_monitor.py с параметром proxy=www.sao.ru . Одна со 2-м уровнем (только координаты) для Цейсс-1000, другая с 4-м уровнем (наведение телескопа) для БТА.

Пришло сообщение от спутника INTEGRAL о GRB №6808. Видим на экране:

Сначала нажимаем «Send and Slew» для БТА.

В протоколе gcn_client_bta.log записано:

Thu Nov 13 11:12:00 2014 INTEGRAL(Weak) GRB Position (6.44sigma) message

trigger: ID=6808 RA=19:03:02.33 Dec=+08:31:53.8, ErrBox=3.666' Signif=6.44sigma at 2014-11-13 08:11:55.8

Thu Nov 13 11:17:50 2014 Fermi-GBM(Alert) just found a Transient or GRB 437559466 (5.2sigma) at 2014-11-13 08:17:43.5

Thu Nov 13 11:18:08 2014 Fermi-GBM(Flight) just found a Transient or GRB 437559466 (RA=12:13:28.01,Dec=+79:01:59.9,ErrBox=15.1833degr,6.6sigma) at 2014-11-13 08:17:43.5

Thu Nov 13 11:18:37 2014 Fermi-GBM(Ground) just found a Transient or GRB 437559466 (RA=11:36:02.40,Dec=+79:40:48.0,ErrBox=9.64degr,0.8sigma) at 2014-11-13 08:17:43.5

Thu Nov 13 11:30:00 2014 Slew telescope to RA=19:03:02.33 Dec=+08:31:53.8 Name=INTEGRAL(Weak)_GRB_6808

Coordinates were sent to BTA TCS

Start Slewing to new object - Ok

Т.е. сразу после этого пришла серия сообщений от Fermi GBM (Alert, Flight, Ground) о GRB №437559466, но они были проигнорированы из-за меньшего приоритета.

В протоколе АСУ БТА записано:

11:30:00.677 Компьютер: 192.168.2.85

11:30:00.877 Вв: Alp=19 03 44.597 Del=+08 33 31.63

11:30:00.877 A=-78 17 58.00 Z=+65 49 32.60

11:30:01.177 Объект:INTEGRAL(Weak)_GRB_6808

11:30:01.477 Старт наведения на объект

11:30:01.978 Кнопка "Пуск" телескопа

11:37:09.307 Переход в ведение по A/Z

Таким образом наведение на восток на Z~65º прошло успешно.

Также нажимаем «Send to Zeiss TCS» для Цейсс-1000. В интерфейсе наблюдателя на вкладке «Encdrs» видим что введенные координаты находятся в доступной области. Затем на вкладке «Object» нажимаем «GoToObject».

В протоколе gcn_client_zeiss.log записано:

Thu Nov 13 11:30:06 2014 Send RA=19:03:02.33 Dec=+08:31:53.8 Name=INTEGRAL(Weak)_GRB_6808 to Zeiss TCS

RA=19.0506466667 Decl=8.5316 Epoch=2000.0 Name=INTEGRAL(Weak)_GRB_6808 - Ok

В протоколе систетмы управления Цейсс-1000 записано:

09:30:01.627 New User: "user" - Zeiss-1000 user (Set coord.only)(Level2)

11:44:47.176 New User: "local" - Local(Level4)

11:45:53.730 New Object: MeanRA=19:03:02.328 MeanDecl=+08:31:53.76 Epoch=2000.0

      Name="INTEGRAL(Weak) GRB 6808"

      LST=15:01:14.156 obsRA=19:03:40.228 ObsDec=+08:34:36.45

      HA=19:57:33.945 Az=+284:46:00.83 Z=+62:59:44.09

11:45:54.130 Slew to object

11:46:53.490 Slewing Ok! (dHA=0.01s dDecl=0.6") Switching to Tracking mode.

Также произошло успешное наведение на объект.

На следующей день появилось сообщение от Swift BAT о GRB №618556:

Скорее всего наведение невозможно (δ≈-24.5), но пробуем отправить координаты в систему БТА.

В протоколе gcn_client_bta.log записано:

Fri Nov 14 11:02:07 2014 Swift-BAT GRB Position message

trigger: ID=618556 RA=18:06:51.96 Dec=-24:35:07.4, ErrBox=3' at 2014-11-14 07:32:04.39

Fri Nov 14 11:02:22 2014 Swift-BAT Transient 618556, but not a GRB at 2014-11-14 07:32:03.21

Fri Nov 14 11:09:36 2014 Send RA=18:06:51.96 Dec=-24:35:07.4 Name=Swift-BAT_GRB_618556 to BTA TCS

Coordinates were sent to BTA TCS

Warning! Object Z > 79degr!

Кстати, видим что через 15сек. пришло опровержение о том что событие №618556 уже не рассматривается как GRB.

На интерфейсе оператора видим что объект слишком низко, хотя часа через три его можно было бы наблюдать. В протоколе АСУ БТА записано:

11:09:36.801 Компьютер: 192.168.2.85

11:09:37.001 Вв: Alp=18 07 45.880 Del=-24 34 49.38

11:09:37.001 A=-48 13 33.99 Z=+84 40 59.17

11:09:37.302 Объект:Swift-BAT_GRB_618556

На Цейсс-1000 координаты посылать не будем.