Entwicklung einer Echtzeitsteuerung für das größte Teleskop der Welt mithilfe von NI LabVIEW und Multicore-Funktionalität - Solutions

Abb. 1: Zum Größenvergleich stehen hier zwei Personen und ein Auto neben dem E-ELT. Der Hauptspiegel M1, dessen Durchmesser 42 m beträgt, besteht aus einer segmentierten Spiegelkonstruktion.

Author(s):
Jason Spyromilio - European Southern Observatory

Industry:
Research, Aerospace/Avionics

Products:
LabVIEW, Real-Time Module

The Challenge:
Einsatz von handelsüblichen Standardlösungen für Hochleistungsberechnungen (HPC, High-Performance Computing) bei der Echtzeitsteuerung aktiver und adaptiver optischer Systeme in überdimensionalen Teleskopen

The Solution:
Kombination der grafischen Programmierumgebung NI LabVIEW mit Multicore-Prozessoren zur Entwicklung eines Echtzeitsteuersystems und zum Nachweis, dass handelsübliche Standardtechnologie die Optik des European Extremely Large Telescope (E-ELT) steuern kann, welches sich derzeit in der Entwurfs- und Prototypenphase befindet

"NI-Ingenieure haben bewiesen, dass wir tatsächlich in der Lage sind, mit LabVIEW und dem LabVIEW Real-Time Module Echtzeitergebnisse durch Multicore-Berechnungen gezielt zu ermöglichen."

Das European Southern Observatory (ESO, auch kurz Europäische Südsternwarte) ist ein Forschungsinstitut, das Teleskope betreibt und von 13 europäischen Ländern unterstützt wird. Hier wurde an der Entwicklung und am Einsatz einiger der weltweit fortschrittlichsten Teleskope gearbeitet. Derzeit betreibt das Institut drei Teleskope in den chilenischen Anden und zwar an den Standorten La Silla, Cerro Paranal und Lleno de Chajnantor. Schon von Anfang an wurde auf hoch innovative Technologie zurückgegriffen, angefangen bei den ersten allgemein gebräuchlichen adaptiven optischen Systemen für das 3,6-m-Teleskop auf La Silla über den Einsatz aktiver Optik des New Technology Telescope (NTT) mit einem Durchmesser von 3,5 m bis hin zum ganzheitlichen Betrieb des Very Large Telescope (VLT) und des zugehörigen Interferometers auf dem Paranal. Überdies arbeitet ESO gemeinsam mit seinen Partnern in Nordamerika und Ostasien an der Errichtung des Atacama Large Millimeter Array (ALMA), einem 1 Milliarden USD teuren Teleskop für den Submillimeterbereich mit 66 Antennen auf dem Llano de Chajnantor, das bis 2012 fertiggestellt werden soll.

Das nächste Projekt, das auf dem Plan steht, ist das E-ELT. Der Entwurf für dieses Teleskop mit einem Hauptspiegel von 42 m Durchmesser befindet sich in Phase B und erhielt bereits Mittel in Höhe von 100 Millionen USD für den Grobentwurf und die Prototypenerstellung. Nach Phase B soll Ende 2010 mit der Konstruktion begonnen werden.

Aktive und adaptive Optik großen Ausmaßes

Beim 42-m-Teleskop wird auf die Erfahrung des ESO und der astronomischen Fachwelt mit aktiver und adaptiver Optik sowie segmentieren Spiegeln zurückgegriffen. Aktive Optik beinhaltet eine Kombination aus Sensoren, Aktuatoren und einem Steuerungssystem, so dass das Teleskop die richtige Spiegelform bzw. Kollimation beibehalten kann. Dabei ist eine Aufgabe, die richtige Konfiguration für das Teleskop zu überwachen und nachzuregeln, damit alle verbleibenden Abweichungen im optischen Design verringert und Effizienz sowie Fehlertoleranz erhöht werden. Nachts muss die aktive Optik der Teleskope jede Minute korrigiert werden, so dass die Bildqualität lediglich durch atmosphärische Einflüsse beschränkt wird.

Die adaptive Optik nutzt eine ähnliche Methode, um die atmosphärischen Einflüsse in Frequenzbereichen bis zu mehreren hundert Hertz zu überwachen und zu korrigieren. Dies geschieht mithilfe eines verformten, entsprechend konfigurierten dünnen Spiegels. Die turbulente Längenskala (Maß für die Ausdehnung von Turbulenzelementen) bestimmt die Anzahl der Aktuatoren an diesen verformbaren Spiegeln. Die Wellenfrontsensoren erfassen Daten mit hoher Geschwindigkeit, um die Atmosphäre abzutasten und jegliche Abweichungen in Spiegelsteuerbefehle umzuwandeln. Dazu ist sehr leistungsfähige Hardware und Software erforderlich.

Die Steuerung eines solch komplexen Systems erfordert eine extrem hohe Verarbeitungskapazität. In der Vergangenheit setzte ESO selbst entwickelte, proprietäre Steuersysteme auf Basis der VME-Echtzeitsteuerung (VME, Virtual Machine Environment) ein, was kostspielig und zeitaufwändig sein kann. Gemeinsam mit Ingenieuren von National Instruments wird daran gearbeitet, das Steuersystem für den segmentierten Hauptspiegel des E-ELT, genannt M1, mithilfe von kommerzieller Standardhardware und -software zu bewerten. ESO und NI untersuchen zusammen für die Echtzeitsteuerung des adaptiven Spiegels des Teleskops auch mögliche Lösungen auf Basis kommerzieller Standardkomponenten.

M1 ist ein segmentierter Spiegel, der aus 984 hexagonalen Spiegeln (Abbildung 1) besteht, von denen jeder beinahe 150 kg wiegt und einen Durchmesser von 1,5 oder 2 m hat, wodurch sich ein Gesamtdurchmesser von 42 m ergibt. Zum Vergleich: Der Hauptspiegel des Hubble Space Telescope hat einen Durchmesser von 2,4 m. Der Hauptspiegel des E-ELT allein wird die vierfache Größe jedes bis dato auf der Erde existierenden optischen Teleskops besitzen und aus fünf Spiegeln bestehen (Abbildung 2).

Festlegung der extremen Rechenanforderungen des Steuersystems

Beim Betrieb des M1 kann es vorkommen, dass sich benachbarte Spiegelsegmente möglicherweise in Beziehung zu anderen Segmenten neigen. Diese Abweichung wird mithilfe von Kantensensoren und Aktuatoren überwacht, die das Segment bei Bedarf um bis zu drei Grad in jede Richtung bewegen können. Die 984 Spiegelsegmente umfassen 3000 Aktuatoren und 6000 Sensoren (Abbildung 3).

Das System, das von der Software LabVIEW gesteuert wird, muss die Sensoren lesen, um die Position der Spiegelsegmente zu bestimmen und, falls sich die Segmente bewegen, die Aktuatoren einsetzen, um sie wieder auszurichten. LabVIEW berechnet eine 3000 x 6000 Matrix x 6000 Vektorprodukt und muss diese Berechnung 500 bis 1000 Mal pro Sekunde durchführen, um den Spiegel erfolgreich anzupassen.

Sensoren und Aktuatoren steuern auch den adaptiven Spiegel M4. Allerdings handelt es sich beim M4 um einen dünnen, verformbaren Spiegel, der einen Durchmesser von 2,5 m hat und sich über 8000 Aktuatoren erstreckt (Abbildung 4). Dieses Problem ähnelt der aktiven M1-Steuerung, doch anstatt die Form beizubehalten, muss sie auf Grundlage gemessener Wellenfrontbilddaten angepasst werden. Die Wellenfrontdaten werden auf einem Vektor mit 14000 Werten abgebildet. Zudem müssen die 8000 Aktuatoren alle paar Millisekunden aktualisiert werden, wodurch eine Matrix-Vektor-Multiplikation einer 8 x 14 k Steuermatrix mal eines 14-k-Vektors erstellt wird. Rundet man die Rechenproblematik auf 9 x 15 k auf, wird etwa das 15-fache der großen, segmentierten M1-Steuerungsberechnung erforderlich.

Es bestand bereits eine Zusammenarbeit mit NI an einem Datenerfassungs- und Synchronisationssystem für hohe Kanalanzahlen, als mit der Arbeit an der Mathematik- und Steuerungsproblematik begonnen wurde. NI-Ingenieure simulieren das Layout und entwerfen die Steuermatrix sowie die Steuerschleife. Das Herzstück all dieser Operationen ist eine sehr große LabVIEW-Matrix-Vektor-Funktion, die den Großteil der Berechnungen ausführt. Die Steuerung von M1 und M4 erfordert enormes Rechenvermögen. Dieser Anforderung wurde mit mehreren Multicore-Systemen begegnet. Da die M4-Steuerung fünfzehn 3 x 3 Submatrixprobleme repräsentiert, waren 15 Maschinen nötig, die so viele Cores wie möglich umfassen mussten. Daher muss das Steuersystem eine Multicore-Verarbeitung zulassen. Dies ist eine Fähigkeit, die LabVIEW anbietet. Dazu setzt LabVIEW kommerzielle Standardlösungen ein, was ein sehr attraktives Angebot für die Lösung dieser Aufgabe darstellt.

Lösungsansatz mit LabVIEW durch Unterstützung für Multicore-HPC-Funktionalität

Da die technische Machbarkeit des Steuersystems vor der eigentlichen E-ELT-Konstruktion geprüft werden musste, bestand die Möglichkeit, dass die Systemkonfiguration einige Konstruktionscharakteristika des Teleskops beeinflussen könnte. Besonders wichtig war, dass die Lösung gründlich geprüft wurde und zwar so, als wäre das eigentliche Teleskop bereits in Betrieb. Um dies zu erreichen, implementierten NI-Ingenieure nicht nur das Steuersystem, sondern auch ein System, das eine Echtzeitsimulation des M1-Spiegels beinhaltet, um einen Hardware-in-the-Loop-Test des Steuersystems durchzuführen. Hardware-in-the-Loop (HIL) ist eine Testmethode, die häufig beim Steuergerätedesign im Automobilbereich und in der Luft- und Raumfahrt angewandt wird, um einen Controller mithilfe eines exakten echtzeitfähigen Simulationssystems zu validieren. NI-Ingenieure erstellten einen M1-Simulator, der auf die Vorgaben des Steuersystems reagiert und sein Leistungsvermögen validiert. Das Team von NI entwickelte das Steuersystem und die Spiegelsimulation mithilfe von LabVIEW und setzte sie auf einem Multicore-PC ein, auf dem das LabVIEW Real-Time Module zur deterministischen Steuerung ausgeführt wird.

In ähnlichen Echtzeit-HPC-Anwendungen stehen Kommunikations- und Rechenaufgaben in enger Beziehung. Ausfälle des Kommunikationssystems haben Ausfälle des gesamten Systems zur Folge. Daher umfasst der komplette Anwendungsentwicklungsprozess den Entwurf des Zusammenspiels von Kommunikation und EDV. NI-Ingenieure benötigten einen schnellen, deterministischen Datenaustausch im Zentrum des Systems und legten sofort fest, dass diese Anwendung für die Kommunikation nicht auf Standard-Ethernet bauen kann, da das zugrunde liegende Netzwerkprotokoll nicht deterministisch ist. Sie nutzten die Netzwerkfunktion für die zeitgesteuerte Kommunikation des LabVIEW Real-Time Module, um Daten zwischen dem Steuersystem und dem M1-Spiegelsimulator auszutauschen. Daraus entstand ein Netzwerk, das 36 MB/s deterministisch überträgt.

NI entwickelte die komplette M1-Lösung, die zwei Dell Precision T7400 Workstations umfasst, von denen jede acht Cores besitzt, sowie ein Notebook, das eine Bedienoberfläche bereitstellt. Die Lösung beinhaltet des Weiteren zwei Netzwerke: ein Standardnetzwerk, das beide Echtzeitzielgeräte mit dem Notebook verbindet, und ein 1-GB-Ethernet-Netzwerk für zeitgesteuerte I/O-Datenübertragung zwischen den Echtzeitzielgeräten (Abbildung 5).

Im Hinblick auf die Systemleistung ergab sich, dass der Controller innerhalb eines Schleifenzyklus 6000 Sensorwerte erfasst, die Steueralgorithmen ausführt, um die Segmente auszurichten, und 3000 Aktuatorwerte ausgibt. Das Team von NI erstellte dieses Steuersystem, um diese Vorgaben zu erreichen und entwarf eine Echtzeitsimulation eines Teleskops mit dem Namen „the mirror“, die den realen Betrieb abbildet. Das Simulationssystem erfasst 3000 Aktuatorsollwerte, fügt eine Variable hinzu, die atmosphärische Störungen wie z. B. Wind repräsentiert, arbeitet den Spiegelalgorithmus zur Simulation von M1 ab und gibt 6000 Sensorwerte zur Vervollständigung der Schleife aus. Der gesamte Regelzyklus wird in unter 1 ms abgearbeitet, damit der Spiegel angemessen gesteuert wird (Abbildung 6).

Die Leistungsmerkmale, die NI-Ingenieure für ihre Matrix-Vektor-Multiplikationen ermittelten, umfassen u. a. folgende:

LabVIEW Real-Time Module auf einer Maschine bestehend aus zwei Quad-Core-Prozessoren, die vier Kerne und eine einfache Genauigkeit von 0,7 ms nutzen
LabVIEW Real-Time Module auf einer Maschine bestehend aus zwei Quad-Core-Prozessoren, die acht Kerne und eine einfache Genauigkeit von 0,5 ms nutzen

Der M4, der gemessene atmosphärische Wellenformabweichungen kompensiert, und NI-Ingenieure gaben vor, dass das Problem nur mithilfe eines modernen Multicore-Blade-Systems gelöst werden könne. Dell lud das Team ein, die Lösung auf seinem M1000 zu testen. Dabei handelt es sich um ein 16-Blade-System (Abbildung 7). Die Testergebnisse waren sehr ermutigend. Jede der M1000-Blade-Maschinen umfasst acht Cores, woraus sich eine Verteilung des LabVIEW-Steuerungsproblems auf 128 Kerne ergab.

NI-Ingenieure haben bewiesen, dass für den E-ELT tatsächlich LabVIEW und das LabVIEW Real-Time Module eingesetzt werden können. Somit kann eine auf handelsüblichen Standardkomponenten basierende Lösung implementiert und Multicore-Berechnungen zur Realisierung von Echtzeitresultaten gesteuert werden. Aufgrund dieses Durchbruchs hinsichtlich des Leistungsvermögens setzt das ESO-Team weiterhin Maßstäbe für die Informatik und Astronomie bei der E-ELT-Implementierung und trägt damit zur Förderung wissenschaftlicher Fortschritte insgesamt bei.