Решение задач эфемеридной астрономии средствами предметно-ориентированного языка программирования

Актуальность темы

Современная астрономия является высокотехнологичной областью и не обходится без применения компьютерных технологий. В частности для автоматизации астрономических вычислений применяются как универсальные средства программирования общего назначения, так и специализированные системы. Специализированная система «Эфемеридные Расчеты в Астрономии» (ЭРА), разработанная в Институте прикладной астрономии (ИЛА РАН) [16−20], используется в научно-исследовательской деятельности Института и других учреждений Российской академии наук более 20 лет и является одним из лучших пакетов для вычисления эфемерид и обработки наблюдений. Система ЭРА является развитым пакетом прикладных программ, в который входит, в частности, набор функций для выполнения специализированных вычислений в эфемеридной астрономии (предметное наполнение), оригинальная система управления данными и предметно-ориентированный язык СЛОН (СЛежение и Обработка Наблюдений). Язык СЛОН является основным инструментом программирования в системе ЭРА. Это предметно-ориентированный язык, в который непосредственно введены понятия предметной области и действия над ними, реализованные в виде пакета прикладных программ на языке программирования общего назначения.

Схема работы с системой ЭРА состоит из двух этапов: 1) реализации специализированных функций (действий) на языке Object Pascal в среде Borland Delphi [61, 79−82] и 2) использования готовых действий в программах на языке СЛОН. Это достаточно распространенная схема использования для пакетов прикладных программ (ППП) со своим предметно-ориентированным языком. Она обладает следующими характерными для таких систем ограничениями: при описании действий (на языке Object Pascal) нельзя воспользоваться возможностями языка СЛОН, с другой стороны, в программах на языке СЛОН нельзя воспользоваться всеми выразительными средствами языка программирования общего назначения. При решении некоторых задач эти особенности становятся обременительными для пользователей системы. Поэтому исследования, направленные на преодоление указанных ограничений, и связанные с этим задачи проектирования и реализации инструментальных средств для совместного использования предметно-ориентированного и традиционного программирования, весьма актуальны. Решение такого рода задач требует привлечения знаний из двух научных областей: 1) предметной области, в данном случае, — эфемеридной астрономии — подраздела небесной механики, и 2) теоретической информатики.

Цели и задачи диссертационной работы. Главной целью диссертационной работы является: расширение области применения системы ЭРА (Эфемеридные Расчеты в Астрономии) за счёт развития её выразительных и функциональных возможностей в соответствии с практическими потребностями увеличившегося круга пользователей в средствах решения более широкого класса эфемеридных задач и с учётом современного уровня компьютерных технологий.

В качестве средства достижения указанной цели была поставлена следующая основная задача диссертационной работы: разработать подход, позволяющий интегрировать в одной системе программирования средства предметно-ориентированного языка (СЛОН) и языка программирования общего назначения (Object Pascal). Для ее выполнения были поставлены следующие исследовательские задачи:

1. Разработать концепцию развития средств обработки и интерпретации данных на базе системы ЭРА.

2. Выработать методы реализации предметно-ориентированного расширения языка Object Pascal средствами языка СЛОН.

3. Разработать инструментальные средства программирования, обеспечивающие совместное использование языков СЛОН и Object Pascal.

4. Обеспечить настраиваемость на предметную область в соответствие с описанием конфигурации системы ЭРА.

5. Сохранить обратную совместимость с программным обеспечением системы ЭРА.

6. Развить средства представления результатов решения задач эфемеридной астрономии в части графического отображения данных.

7. Разработать примеры решения актуальных эфемеридных задач и демонстрационные примеры построения графических представлений в эфемеридной астрономии с помощью полученных инструментальных средств.

Поставленные исследовательские задачи были решены и реализованы в системе, названной Дельта (Delta от слов Delphi и table) [1−7, 12, 14].

Научная новизна работы. В ходе диссертационной работы получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной.

1. Для предметной области «эфемеридная астрономия» разработана оригинальная система предметно-ориентированного программирования Дельта, интегрирующая в единой среде преимущества средств языка общего назначения и специализированного языка таблично-ориентированного программирования (на основе языка СЛОН) со средствами настройки на предметную область, в которую в полном объеме включены средства базовой системы ЭРА.

2. Благодаря комбинированному использованию в единой системе программирования как универсальных средств общего назначения, так и специализированных программных средств предметного наполнения с помощью системы Дельта разработаны исполняемые модули решения эфемеридных задач в системе «Персонального астрономического ежегодника» (21 модуль), созданы программы решения 17 задач в системе навигационного обеспечения «Штурман». Новые средства системы Дельта использованы при разработке модулей решения трёх задач из состава примеров в объяснении к «Морскому астрономическому альманаху» (МАА.

2) ИПА РАН [15], а также двух иллюстративных задач, описанных в диссертации (см. Приложение 1).

3. В результате проведенных исследований получены новые теоретические результаты: формальное определение предложенного средства предметно-ориентированного программирования Дельта, классификация методов расширения современных языков программирования, формальное определение модели данных систем ЭРА и Дельта, доказательство ее реляционной суб-полноты и определение условий, достаточных для обеспечения реляционной полноты этой модели данных.

4. Благодаря результатам представленной диссертационной работы новая версия системы ЭРА для Windows дополнена средствами графического представления данных, выполненными на качественно новом уровне по сравнению с реализацией графических средств, имевшейся ранее только в версии для DOS.

5. Особенностями концепции графических средств, предложенной автором, являются: разработанная автором оригинальная объектная модель научной графикиотделение части подготовительных вычислений исходных данных от части построения целевого графического изображенияреализация расширенных возможностей по управлению процессом постепенного построения изображения в режиме «живая графика» для получения динамического изображения [20, 8]. Эти качества расширяют возможности графического моделирования в области эфемеридной астрономии и других областях, связанных с необходимостью анализа больших объемов данных, обеспечивая большую независимость целевого изображения от средств графического вывода по сравнению с традиционными графическими пакетами, а таюке позволяют обойтись без программирования при построении изображений.

6. С помощью графических средств, реализованных автором, построены графические изображения для шести задач эфемеридной астрономии, входящих в различные работы ИПА РАН.

Научная и практическая значимость работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены в ИПА РАН.

• Система Дельта регулярно используется при подготовке очередных электронных версий «Персонального астрономического ежегодника» ИПА РАН, начиная с 2006 года, когда появилась первоначальная версия системы Дельта [4−5].

• Система Дельта применена при разработке системы удаленного доступа «Штурман», используемой для автоматизированного решения задач, входящих в объяснение к «МАА-2» ИПА РАН [15].

• На входном языке системы Дельта разработаны программы решения трёх задач эфемеридной астрономии, опубликованных в объяснении к «МАА-2» [15]:

1. Определение поправки компаса. Общий метод.

2. Определение места судна по наблюдениям звезд.

3. Определение места судна по наблюдениям Солнца.

• Средствами системы Дельта разработаны программы для решения еще двух эфемеридных задач, описанных в диссертации:

4. Вычисление эфемериды светила в горизонтальной системе координат [1].

5. Вычисление звездной величины больших планет.

• Средства графической подсистемы, реализованные автором, вошли в качестве важного дополнения к вычислительным средствам в 32-разрядную версию системы ЭРА [12, 14]. С их помощью получены графические изображения для шести примеров задач эфемеридной астрономии [14]:

1. Сравнение значений нутации в долготе и наклоне в двух моделях на 20-летнем интервале (2000 — 2020 гг.).

2. Остаточные невязки LLR измерений для эфемериды ERA ЕРМ в метрах.

3. Разница между вычисленными и наблюдёнными значениями времён запаздывания (О — С) в метрах для КА Pathfinder и MGS в теории движения планет Солнечной системы (ЕРМ2008).

4. Динамическое изображение траекторий видимых движений малых планет Солнечной системы Сизиф, Церера и Паллада в период 01.01.2000;01.01.2100.

5. Динамическое изображение движения полюса Земли в период 1961 -2008 гг.

6. Ошибки сопровождения источника радиоизлучения по азимуту (для радиотелескопа РТ-32).

Таким образом, включая разработку программных средств для решения 21 задачи из «Персонального астрономического ежегодника», 17 задач для системы «Штурман», 3 задач для «МАА-2» и еще двух вычислительных и 6 графических задач, описанных в диссертации, в целом, имеется более 40 примеров успешного применения результатов представленной диссертационной работы для решения актуальных эфемеридных задач. Система Дельта регулярно используется при подготовке очередных версий «Персонального астрономического ежегодника» и раздела объяснений к «МАА-2».

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Архитектура системы Дельта, существенно дополняющей функциональные возможности системы ЭРА и расширяющей перспективные пути её применения для решения задач эфемеридной астрономии в связи с увеличившимся кругом пользователей. Синтаксис языка Дельта, объединившего в себе возможности выразительных средств языка программирования общего назначения Object Pascal и специализированного таблично-ориентированного языка СЛОН [1−3].

2. Инструментальные средства программирования на языке Дельта, включающие транслятор языка, интерпретатор табличных операторов, модифицированный конфигуратор системы, позволяющие в совокупности применять систему Дельта на практике для решения эфемеридных задач [3]- а также применение этих средств при разработке «Персонального астрономического ежегодника» (система PersAY) [4−5] и «Морского астрономического альманаха» (МАА-2) [15].

3. Анализ и классификация методов расширения языков программирования [6].

4. Формальное определение модели данных систем ЭРА и Дельта, доказательство реляционной суб-полноты этой модели и определение условий, достаточных для обеспечения реляционной полноты этой модели [7].

5. Оригинальная модель графического представления данных для предметных областей, связанных с обработкой данных, и реализованная на базе этой модели графическая подсистема для визуального представления результатов вычислительной обработки данных в системах ЭРА и Дельта [12,14].

Апробация работы. Основная концепция языка Дельта доложена на семинаре ИПА РАН «Проблемно-ориентированные расширения языка Object Pascal для эфемеридной астрономии. Язык Дельта: Нотация и особенности реализации» в январе 2006. Описание инструментальных средств разработки на языке Дельта доложено на семинаре ИПА «Разработка предметно-ориентированных приложений с помощью инструментальных средств Дельта» в январе 2008. Результаты работы, относящиеся к разработке методов графической интерпретации астрометрических данных, доложены на Всероссийской астрономической конференции ВАК-2004 «Горизонты вселенной», (Москва, июнь, 2004) [12], а также на научном семинаре ИПА РАН в ноябре 2009. Применение результатов работы в системе PersAY доложено на научном семинаре ИПА РАН в мае 2010. Результаты всей работы доложены на семинарах: в ИПА РАН (июнь, 2010), в Астрономическом институте СПбГУ и в Главной астрономической обсерватории РАН (Пулково) (сентябрь, 2010).

Публикации и личный вклад автора. Все выносимые на защиту результаты опубликованы. В целом по теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 7 самостоятельных, 7 — в соавторстве, в том числе 2 — в рецензируемых изданиях: «Научно-технические ведомости СПбГПУ» [2] и «Информационно-управляющие системы» [6].

Автором разработаны архитектура и синтаксис языка Дельта, а также выработаны методы интеграции интерпретатора предметно-ориентированного языка (СЛОН) и средств программирования на языке общего назначения (Object Pascal). Эти результаты опубликованы в качестве составных частей совместных работ [1−2] и в работах автора [3, 6].

Автором реализован транслятор языка Дельта, библиотека интерпретатора табличных операторов на основе интерпретатора языка СЛОН и программный интерфейс к этой библиотеке (API) для различных типов приложений и способов сборки. Автором расширены функциональные возможности конфигуратора системы ЭРА средствами настройки на предметную область для инструментальных средств и приложений Дельта и с помощью конфигуратора выполнена настройка системы Дельта на предметную область (эфемеридная астрономия). Эти результаты опубликованы в работе автора [3].

Автором получены следующие теоретические результаты: проведён анализ методов расширения языков программирования с классификацией этих методов (публикация автора [6]), формализован и описан жизненный цикл приложений системы Дельта при использовании этой системы для решения эфемеридных задач, построено формальное выражение описания метода двухпроходной трансляции программ на языке Дельта. Автором построены формальное определение языка Дельта, а также формальное определение модели данных систем ЭРА и Дельтадоказана реляционная суб-полнота этой модели, определены условия, достаточные для обеспечения реляционной полноты модели данных. Эти результаты опубликованы в работе автора [7].

Автором разработана методика подготовки вычислительной базы поставляемых пользователям экземпляров «Персонального астрономического ежегодника» (система PersAY). Этот результат опубликован в качестве составной части совместных работ [4−5].

Автором разработана базовая концепция и сформирована модель графического представления данных для предметных областей, связанных с обработкой данных (публикация автора [12]). На базе этой модели выполнена работа по созданию предметно-ориентированных средств графического представления данных эфемеридной астрономии как подсистемы 32-разрядной версии системы ЭРА (публикация автора [14]). Эти средства используются также для визуализации результатов в системе PersAY. Данные графические средства являются важным дополнением к средствам программирования для решения прикладных задач эфемеридной астрономии. Совокупность средств программирования на языке Дельта и средств графического представления данных предоставляет возможность пользователю (специалисту в предметной области) решать комплексные задачи, включающие и вычислительную часть, и визуализацию данных.

Работа над основными концепциями реализованной модели графического представления данных была начата автором ещё в магистерской диссертации [8]. Работа была продолжена автором при проектировании и реализации графических средств для системы Ample (Adaptable Minor Planet Ephemerides) в рамках плановой темы ИПА РАН и описана в публикаци автора [10], а также в ряде совместных публикаций [9, 11, 13]. Окончательный вариант концепций был сформулирован автором на основе анализа графических средств системы ЭРА-7 (версии для DOS) и опубликован в работе автора [14]). Для демонстрации возможностей графической подсистемы автором реализованы графические представления результатов шести задач эфемеридной астрономии (публикация автора [14]).

С целью демонстрации преимуществ разработанных автором инструментальных средств системы Дельта автором усовершенствована программная реализация на языке Дельта решений трёх эфемеридных задач из объяснения к «МАА-2» посредством введения промежуточных переменных в предметных обозначениях. Примеры фрагментов реализации решения этих задач описаны в разделе 5.2. Постановка этих трёх задач и особенности программной реализации их решения средствами системы Дельта описана в Приложении 1. Эта работа выполнена автором с использованием имеющихся программ на языке Дельта, разработанных сотрудником ИПА РАН Свешниковым М. Л., и описания этих задач в объяснении к «МАА-2» [15]. Таким образом, автором представлены и описаны в диссертации примеры программной реализации решений актуальных задач эфемеридной астрономии с применением инструментальных средств системы Дельта.

Автором было осуществлено тестирование инструментов Дельта на существующем прикладном программном обеспечении, реализованном на языке СЛОН системы ЭРА, и на новых приложениях, разработанных с использованием расширенных возможностей языка Дельта. Для тестирования системы Дельта использовались также описанная в Приложении 1 разработанная автором программа для вычисления звёздной величины больших планет. В качестве отладочного теста использовалась также разработанная автором демонстрационная задача вычисления горизонтальных координат небесного тела (эта программа является фрагментом совместной публикации [1]).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и сборника приложений. Общий объем диссертации составляет 155 страниц основного текста (из них 10 страниц списка литературы), включая 25 рисунков, 6 таблици еще 69 страниц сборника приложений, включая 8 рисунков, 9 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 98 наименований.

Основные выводы пятой главы:

1. В системе Дельта кроме поддержки существующих программ на языке СЛОН возможна разработка новых типов приложений, включая многомодульные приложения, поддержку GUI, интеграцию с внешними программными системами.

2. В системе Дельта представление готовых приложений вместо интерпретируемого исходного текста на языке СЛОН доступно в виде исполняемых модулей ЕХЕ или библиотек DLL.

3. Интеграция готовых приложений Дельта с интерпретатором табличных выражений расширения языка СЛОН доступна в одном из вариантов: о Интерпретатор встроен в готовое приложение. о Интерпретатор подключен в виде внешней библиотеки DLL, например, для совместного использования с другими приложениями.

4. Усовершенствована программная реализация пяти типов эфемеридных задач с иллюстрацией преимуществ применения средств системы Дельта.

5. Благодаря использованию системы Дельта расширена сфера применения и класс решаемых с помощью специализированных средств системы ЭРА задач эфемеридной астрономии, а также предоставлен доступ к этим решениям существенно более широкому кругу пользователей, включая пользователей сети Интернет.

6. Открываются перспективы дальнейшего расширения области применения средств таблично-ориентированного программирования системы Дельта, разработанных на базе системы ЭРА.

Заключение

.

В результате представленной работы, выполненной автором под руководством В. И. Скрнпниченко и в сотрудничестве с Лабораториями астрономического программирования и астрономических ежегодников ИПА РАН, решены поставленные исследовательские задачи, разработаны и описаны примеры решения пяти актуальных задач эфемеридной астрономии и примеры графических представлений для шести эфемеридных задач, разработано новое средство специализированного программирования — система Дельта — предметно-ориентированное расширение традиционного языка общего назначения Object Pascal средствами решения задач эфемеридной астрономии на основе средств системы ЭРА (Эфемеридные Расчеты в Астрономии). В соответствии с предложенной концепцией, полученную систему Дельта можно считать развитием и логическим продолжением системы ЭРА, поскольку, благодаря удовлетворению предъявленных требований, система Дельта обладает следующими качествами: полной обратной совместимостью со средствами программирования на языке СЛОН, настраиваемостью на предметную область, улучшенной производительностью и усовершенствованным процессом отладки. Практическая ценность полученных результатов подтверждена их апробацией и опытом внедрения и эксплуатации в различных проектах ИПА РАН. Предложенная концепция и реализация системы Дельта представляются плодотворными и открывают пути дальнейшего расширения области применения для идеологии и средств таблично-ориентированного программирования, ранее реализованных в системе ЭРА, а также для улучшения качества результатов решения задач в заданной предметной области, в первую очередь, в области эфемеридной астрономии, благодаря усовершенствованию средств для программной реализации этих решений.

В заключение автор выражает благодарность и глубокую признательность своему научному руководителю Скрипниченко В. И. и Новикову Ф. А. за поддержку, ценные замечания, советы и помощь, а также сотрудникам ИЛА РАН Кочетовой О. М, Нецветаевой Г. А, ПарийскойЕ.Ю., Питьевой Е. В., Рыжковой Д. А., Свешникову М. Л., Стэмпковскому В. Г., Шору В. А., Ягудиной Э. И. и Тихоновой У. Н. за сотрудничество, способствовавшее выполнению данной работы.

Автор глубоко признателен администрации ИЛА РАН за возможность проведения научно-исследовательской диссертационной работы.