| 赤道仪，是天文望远镜的重要组成部件之一，也是天文望远镜不同于其他观景用望远镜的专属仪器，在天文观测中有着举足轻重的作用。任何天文爱好者，无论你是刚刚起步的萌新小白，还是资深大佬，抑或是专业的天文科研人员，都或多或少的了解过、使用过赤道仪。 那么，赤道仪如此独特，它究竟是个什么东西呢？今天，我们就来聊一聊这个天文界独有的特殊仪器，看看它究竟有哪些奥秘吧~ No.1 赤道仪的工作原理 最早的赤道仪发明于十七世纪的德国，其初衷是为了抵消周日视运动，方便对天体进行长时间观测。因此，了解赤道仪的工作原理，首先要知道何为“周日视运动”。 / "周日视运动" 众所周知，地球是会自转的。因此，太阳有东升西落的现象，其他天体也是这样。这种东升西落的自然现象就是天体的“周日视运动”。古人口中的“众星拱北辰（北极星）”说的就是这件事。 而事实上，众星并不是绕着北极星在转，而是绕着离北极星很近的“北天极”在旋转。  像这张图所展示的一样，图中蓝色的球便是地球，穿过地球的红色虚线便是地球的自转轴（地轴），而红色实线画出的大圆便是天球。我们将地轴向两端无限延伸成为“天轴”，与天球便有了两个交点，其中北天极就是地轴和天球在北方的交点，南天极则是地轴与天球在南方的交点。 由于地球的自转，天体（图中的三个小球）都会绕“天轴”作圆周运动，地球每自转一圈，天体就也转一圈。 可以看出，越靠近天极的天体，其周日视运动画出的圆就越小，而北极星由于极其靠近北天极，其周日视运动微乎其微。这就是为什么我们在地面上，可以看到“众星拱北辰”的效果。 把天体的周日视运动拍摄记录下来，就成了震撼人心的“星轨”。  4小时的星轨.这张图为正放再倒放的效果 拍摄天体并不像我们拍摄普通的照片那样按一下快门，照片就拍好了。天文观测是一个长期的过程，往往需要对一个目标进行长时间（几小时甚至更长）的拍摄观测。然而，天体存在周日视运动，而观测时天体的移动显然是不利于观测的。这就好比拍摄可爱的猫咪时，如果猫咪动了，画面就会模糊，拍星空也是一样的道理。 因此，我们需要一台设备来跟踪天体，抵消周日视运动，同时，这台设备还应该能轻松的让望远镜指向天空中的任意位置。那么如何设计这台设备，才能满足这两项需求呢？  既然天体都在绕天轴作周日视运动，那么我们就需要一个与地轴平行的转轴，然后再给这个轴安装上电机，电机速率设置为与地球自转速率相同。这样，我们就可以跟踪天体了。 然而，只有一个转轴还不能让望远镜指向天空中的任意目标。因此，我们还需要安装一个与上面说的转轴相互垂直的转轴。有了两个轴后，我们就可以让赤道仪指向任何我们想观测的目标了。 而这，就是一台赤道仪了。我们把与地轴平行的转轴称为赤经轴，与赤经轴垂直的转轴称为赤纬轴。赤道仪的结构虽然有很多种，但这两个转轴是万变不离其宗的。  赤道仪正在跟踪 No.2 赤道仪的分类 赤道仪具有很多不同的种类。现在市面上常能买到的是德式赤道仪（GEM）和中式赤道仪（CEM），除此之外还有较小众的叉式赤道仪，天文台常用的英式（轭式）赤道仪、马蹄式赤道仪和十字轴架台赤道仪等等。 / "德式赤道仪"  一台德式赤道仪 德式赤道仪的结构是一个T字型，赤经轴架在垂直于地面的基座上，并依据地理纬度倾斜，是位于较低处的短棒 (在右图的低处对角线轴)；较高的棒是赤纬轴 (在图上方的对角线轴)，望远镜安置在赤纬轴的一端(图的左上方)，在另一端是配重的重锤(右下方)用来保持平衡，防止追踪装置的损坏。赤经轴在T字的接合处下端装有轴承，使赤经轴易于转动。此处，它亦支撑上方的赤纬轴。 德式赤道仪兼容性好，易组装、拆解，适用于各种类型的望远镜，是天文爱好者最为常用的赤道仪 。但德式赤道仪也存在缺点，由于其结构比较特殊，当天体经过中天后，若不及时将望远镜翻转到另一侧，会发生望远镜转到下方，造成望远镜打到三脚架的情况。因此，天体过中天时需要进行中天翻转。  / "中式赤道仪"  中式赤道仪，学名为“中央平衡式赤道仪”(Central-balanced Equatorial Mount)，是德式赤道仪的一个变种。它的结构与德式赤道仪类似，但是把赤纬轴上端连接望远镜的部分放到了赤经轴后端或中间。特点是在相同自重下具有比德式赤道仪更高的载重，并且在对极轴过程中，调整赤道仪的仰角更为省力。但是同样，它也需要中天翻转，而且要求比德式赤道仪更加严格。 / "叉式赤道仪"  开放叉式架台有一个叉子连接到作为地基的赤经轴，望远镜安装在分叉的另一端，因此它可以在赤纬轴上转动。大部分现代化量产的大型折反射望远镜和反射望远镜(200mm或更大的口径) 往往都是这一类型。这种架台类似于经纬仪架台，但是方位角的轴以一个契形的硬件使倾斜与地球的自转轴吻合。 许多中等大小的科研用望远镜，它们的口径范围在0.5米至2.0米，也使用叉式赤道仪。 除此之外，大型的天文台往往采用一些特殊的赤道仪结构。比如著名的虎克望远镜采用的就是英式（轭式）赤道仪结构；海尔望远镜是使用马蹄铁式架台就是最明显的例子。这些赤道仪的特点是载重高，通常根据望远镜定制，可以承载很大的望远镜，同时体积很大，不便移动。   左：马蹄式赤道仪 中：英式赤道仪 右：十字轴赤道仪  No.3 赤道仪基本参数及选购意见 一台赤道仪的说明书中包含很多的参数。其中最重要的几个参数是：载重、仰角调节范围、跟踪精度等等。  赤道仪参数一例 载重决定了一个赤道仪能承载多大的望远镜。一般需要望远镜的总重量为额定载重的70%以下。同时，载重也和赤道仪的价格和级别挂钩。载重越大的赤道仪体积、质量也越大，价格也越高。部分重型赤道仪甚至难以一个人安装，对于热衷于野外观测的爱好者要注意量力而为，单纯贪图高载重高精度的赤道仪，在安装时可能身体会吃不消，从而导致观测兴趣锐减，设备最终只能常年放在家里吃灰。 仰角（纬度）调节范围限制了一个赤道仪使用的地理纬度。对于绝大多数中纬度地区的用户来说可能无所谓，但是对于北极圈内的用户或位于赤道附近的用户要注意：部分德式赤道仪由于设计问题，仰角是有限制范围的，在范围之外，是无法对准北天极的。想知道自己所在地区是否可以用赤道仪，只需要自己观测地的地理维度数值介于望远镜最大、最小的仰角之间即可。 此外，部分赤道仪给出了跟踪精度或跟踪误差，对于需要高精度跟踪的爱好者来说，这一点非常重要。 赤道仪的跟踪误差主要来源于周期误差。由于加工精度的限制，赤道仪内部的传动件（包括传动齿轮，蜗轮蜗杆等）并非是完美的，这就会造成其转速不均匀，“一会快一会慢”，呈现出周期性，不能始终稳定地以地球自转的速度跟踪天体，这就是周期误差。数学上，赤道仪的周期误差一般是多个周期不同的正弦函数的叠加（不同齿轮、涡轮的周期不同）。  赤道仪的周期误差曲线一例 然而，一般很少有厂家会直接给出像上图一样的周期误差曲线，因此需要爱好者自己查阅相关赤道仪的资料。总之，如果载重达到需求，但跟踪精度过低，也会对观测造成影响，尤其是深空摄影爱好者要注意。 对于赤道仪的选购，要根据自己的预算与需求，查询相关的赤道仪参数来选择。首先要保证载重足够，其次保证精度达到需求即可。 No.4 德式赤道仪的安装校准及使用 如刚才所说，市面上绝大多数能购买到的赤道仪都是德式（或中式）赤道仪，他们具有相似的调校方法，这里我们简单介绍一下。 正确使用一台赤道仪需要经历至少三个步骤：安装、调平衡、对极轴。带有goto功能的赤道仪还要进行goto设置。其中安装和goto校准因赤道仪而异，这里不做说明。 在学习赤道仪的使用之前，我们先来了解一下赤道仪的结构，各部件名称如图所示：  手动赤道仪结构  自动赤道仪结构 要注意的是，手动赤道仪配备两个微调杆，而带goto的自动赤道仪往往不配备，取而代之的是手控器。 / "安装" 赤道仪的安装十分简易，从下至上依次安装即可，不同赤道仪可能会有不同的安装方式，对照对应的赤道仪说明书都可以解决。不过有几个共通的细节需要注意：比如很多赤道仪的三脚架上会有一个凸起，这个凸起要冲向北方放置（南半球冲向南方）；有水平泡的赤道仪要保证水平泡水平；不需要全部拧下来的螺丝不要完全拧下来，防止螺丝丢失；赤道仪仰角调节到当地地理纬度（详细见后文“粗对极轴”部分）。  赤道仪凸起在北半球使用时要冲向北方  赤道仪水平泡.把泡泡放进黑圈中央，赤道仪就水平了 / "调平衡" 调平衡是观测前必不可少的步骤，无论是自动赤道仪还是手动赤道仪都需要。同时，这步也是部分刚刚入门的爱好者容易忽略的问题。一台平衡性良好的赤道仪，即使松开赤经、赤纬轴的锁紧螺栓用手随意推动，也可以稳当的停在指向位置，不会因为一侧过重而倒伏。  望远镜不平衡一例.松开手后，由于重锤端太沉，会自发地发生转动 在夜间观测肉眼找星的过程中，望远镜因平衡问题突然大幅度偏转会使我们寻找目标的过程功亏一篑，甚至造成“打腿”损坏望远镜。同时，对于带有自动跟踪的赤道仪，望远镜不平衡会给电机增加额外的跟踪负担，甚至损坏内部传动零件。进行对跟踪要求较高的观测时（比如深空天体摄影），也会严重降低跟踪精度。因此，调整望远镜的平衡至关重要。 分别松开望远镜赤经轴和赤纬轴的两个主动螺栓，利用杠杆原理，观察望远镜的偏转。分别通过调整重锤位置来调整赤经轴的平衡，调整望远镜相对于鸠尾槽的前后位置来调整赤纬轴的平衡，达到镜随手动，镜随手停的效果即可。平衡调好后，将望远镜恢复到原来位置，之后再次松开主动螺栓，检查平衡。若没问题，望远镜就平衡了。 要补充说明的是，当我们调好平衡后，转动望远镜到其他位置时，有可能在赤纬轴上出现“调好了以后又不平衡”的现象。这是因为空间是三维的，因此力矩是有三个方向的分量的。通过刚才的调平衡步骤，只能使两个方向上的力矩平衡，此时可能第三个方向上的力矩并不平衡。因此当我们转动望远镜时，这第三个方向的不平衡就会转移到赤纬轴上一部分，造成“调好了以后又不平衡”的现象。对于需要高精度跟踪的爱好者来说，这种现象应当尽可能避免。如果对跟踪精度不高（例如目视观测），只要不严重，在自己可以接受的范围内，不必刻意在意。 / "对极轴" 所谓对极轴，就是使望远镜的赤经轴与地轴平行。由前文所说，赤道仪为了抵消周日视运动需要一个转轴与地轴平行，因此对极轴的过程很重要，否则赤道仪和普通云台没什么两样。 对于用于目视的纯手动赤道仪，我们只需粗对极轴即可，极轴不准不会对观测造成很大影响。如果是需要使用goto功能的赤道仪，可以采用极轴望远镜（简称极轴镜）来进行更高精度的对极轴工作。 除此之外，如果想让极轴精度再提升一个等级，需要使用计算机辅助对极轴。 其中比较典型的方法包括，电子极轴镜；SharpCap软件中的Polar 辅助精对极轴。漂移法也可以达到较为精确的对极轴，但是手动漂移法对极轴花费时间较长，可以使用如PHD导星软件中的漂移法工具来更方便快捷地实现漂移法。 粗对极轴十分简单，将望远镜的仰角数值调节为观测地的地理纬度数值，并指向正北（南半球为正南）即可。  观察赤道仪的仰角指示，将仰角调整为当地地理纬度即可完成粗对极轴 使用极轴镜对极轴，首先需要知道此时此刻北极星在极轴镜中的位置。这里推荐给大家一个安卓端可以查询北极星在极轴镜中位置的免费软件“astroTools”。查好位置后，只要通过调节仰角和方位角的几颗螺丝，使北极星位于指定位置即可。  astroTools极轴镜北极星表盘界面，表盘中红色十字的位置即为当前时刻北极星在极轴镜中正确的位置 使用电子极轴镜或SharpCap软件辅助对极轴的原理是类似的，都是通过拍摄照片进行分析，从而算出北天极在照片中的正确位置，之后我们再按照软件指示调整即可。这两种方法相当于高精度版本的极轴镜，特别是SharpCap对极轴的误差可达到1角秒以内。二者操作都非常简单，在软件使用过程中有非常详细的说明，这里就不再赘述。  一种电子极轴镜 / "漂移法" 漂移法是一种很精确的极轴校对方法，其使用时机主要有二：一是当赤道仪用于远程天文台使用时（长时间不移动），此时就值得花时间将极轴尽可能对准；二是当观测地无法看到北极星时（比如在朝南的阳台进行观测），因为漂移法不需要观测北极星，因此可以用来实现对极轴。 漂移法的原理是通过观察一颗天球子午线与天赤道交点附近的恒星和一颗东方/西方地平线与天赤道交点附近的恒星在视场内的漂移运动，从而判断极轴偏移的方向。 传统的漂移法需要通过高倍且有照明十字丝的目镜观察漂移，这样十分耗时费力；而现在则可以通过相机+软件(比如免费导星软件PHD Guiding)来实现方便快捷且高精度的漂移法对极轴。
目标星位置、星点漂移方向、极轴偏向的对应关系 在你阅读完上面的内容后，我想你应该已经对赤道仪有了初步的了解了。可能你并不能一下子理解这么多内容，可以点个在看，收藏起来。 除了上面介绍的内容以外，赤道仪还有非常多值得研究的内容，比如自动导星（注意不是自动寻星哦），周期误差矫正(Periodic Error Correction, PEC)，电脑驱动软件等等。越往深入研究，也就会涉及到越来越多的机械、电子相关的知识，你也就会收获得越来越多。 毕竟研究设备，也是业余天文的一大乐趣吧。 作者简介 / 昴星团摄星队，于2015年由彼时北京汇文中学天文社社长刘卓楷创立，旨在汇集一批对天文摄影具有浓厚兴趣的中学生，以星会友，交流天文学及天文摄影知识，提升天文摄影水平。 编辑 / 怀尘  中国国家天文 Chinese National Astronomy 微信号：chineseastronomy 《中国国家天文》杂志由国家天文台主办。 本刊面向广大公众，提供科学性、文化性、艺术性、收藏价值兼备的天文学内容及文化生活。 新媒体投稿：cinastronomy@163.com 纸刊订阅请访问公众号下方国天商城 |
