天文摄影之自动导星超级入门(日文原创翻译)

星云星团摄影之自动导星“超级”入门 1
在长时间曝光的天文摄影中，代替人们完成对天体转动来精密追踪的就是自动导星。在这个自动导星的世界里，有使用摄像头的，有通过电脑软件来控制赤道仪的电机转动等等，在新的时代里价格便宜的产品陆续登场，都成为了流行的话题。在这里，太高了、太难了、完全不懂……等这样想象而放弃了自动导星的你，不想来挑战下吗？

用天文望远镜对星云星团的拍摄是天文摄影中的热门之一。读者的天文摄影角也好，每个月都有很多星云星团的照片入选。投稿的比例中，压倒性地超过了其他体裁的天文摄影。绚丽多彩的犹如蒙上层面纱的星云，能让你感受到宇宙的宏伟的旋涡星系等等之类的照片，我想有很多人都因为憧憬着这等美图而开始进行天文摄影的吧。但是这里要面临两个困难，就是【合焦】和【导星】。
合焦方面的话，例如大家很多在使用的单反相机，最近的新出的机器都有“Live View”模式，就当作差不多都能解决这个问题了。假如你现在揣着钱准备入手单反的话，强烈推荐带有Live View模式的相机。（图1）
剩下的就是导星了。以SBIG公司的ST-4和TSV为开端，使用了冷却CCD的独立型自动导星（图2），和需用电脑的ST-5C和ST-402类似的冷却CCD自动导星，都是获得好评且人气很高的产品。但是，不管多少高价位的装置，对各种功能都能熟练操作都是需要相当的经验和处理能力的，所以对新手来说是很难推荐的。
话又说回来，这1、2年里，有使用USB摄像头，网络摄像头、PC摄像头等便宜的小型摄像头，然后用自动导星软件（免费软件也有很多）通过电脑来控制赤道仪，另外一个自动导星装置迅速调整（正确的来说应该是同时进行调整…这个可是内外厂家和业余爱好者通过努力而得到的东西）。读者的天文摄影角的资料栏中有【用PHD导星】等等【摄星套件】之类进行表示的，就是在实际拍摄中有用电动导星的作品，这些软件新手也能使用，而且令人高兴的是，不算电脑的话，用相当少的开销就可以了。
和去年本杂志评测用的赤道仪E-ZEUS化（天文导读2007年6月号、9月号）一样，准备了各种各样这种自动导星装置以及相关联的零件，加上笔记本电脑（Windows XP  Windows Vista），反复测试。结果，虽然和带冷却CCD摄像头的自动导星相比较在星星的亮度方面有点劣势，但可以知道，在导星的精度和软件的易用性方面已经具备了充分的实力。不管你对自动导星方面有多少的知识和经验，不看下此类文章的话，会多多少少将有些错误的手法带入到新的导星系统中去。因此，和编辑部商量了下，好不容易引进了廉价的导星装置，对于以前从未使用过导星装置的，面向“超级”新手的自动导星设置相关的文章将在本栏目中连载，为了不再让你迷茫，本文将尽量采用简明易懂的文字来阐述。

究竟为什么非得用【导星】呢？
话题就此展开（文章好像也太菜鸟了，算了算了，请往下看吧）
地球以每86164.09秒自转一周。与自转轴可以平行调整的【极轴】装置的赤道仪，极轴以每86164.09秒/周自转和反向旋转的话，望远镜的准直视界（向着望远镜的中心视界）应该可以一直朝着同个天体，这个就是赤道仪最大的特长。你有连带极轴驱动马达的赤道仪的话，就是真正的天体追踪装置了。所以如图4，在装载于有极轴驱动马达的赤道仪上的天文望远镜的直焦上拍摄的话，就可以简单地进行长时间曝光的星云星团拍摄了。
但是！实际该怎么说呢，只要不是短时间的曝光，那单单这样拍摄的话也是拍不好的。如图5，图像都有拖线了，到底是什么地方不对呢？

你的问题？
在新手中常有的就是由于赤道仪的调整误差引起的。很多赤道仪极轴里都内藏了极轴镜，用极轴镜看到北极星，把赤道仪正确地调整到让极轴指向北天极（图6）。这时，调整的误差大的话，时间一长望远镜就不准直了。拍摄的时候就会发现有拖线的现象了。
调整误差的影响，在望远镜的焦距越是长的类型上越是能看得清楚，因曝光时间，调整的误差的方向和多少，天球上的天体的位置等等因素的影响而改变（单单看数字上稍微有点难，有兴趣的人请参考【2008年版 天文年鉴】P.328页）
但是，也可以断言因为你自己而引起赤道仪的调整误差的事也是有的。因为极轴镜的调整偏差这种事很少见。
说起【你的问题】这种场合，也有因为望远镜的摆放场所不对等原因，如地面比较软，脚下顶着霜柱等地面，还有调整望远镜而影响准直偏离。

器材的问题？
就算已经完美地调整好赤道仪了，因为器材的这个那个原因而引起拖线的事也常常发生，这个就不是你的问题，是器材的问题了。
首先是【周期性曲线】。极轴以一定的速度在旋转，但是由于齿轮啮合的误差，导致周期性的步进延迟。这个就是周期性曲线（图8）。虽然是极其微小的步进延迟，但是连接在焦距在数百毫米以上的望远镜上的，具有百万千万像素的图像传感器来拍摄如同针尖大小的星星，稍微有点步进延迟也会被很清晰的记录下来。步进延迟的多少，因机种和个体差异各不相同。
另一方面，构成镜筒和赤道仪的材料发生弯曲，接口部分的间隙等等，都会成为形成拖线的原因（图9）。长时间曝光过程中，因为追踪天体运动的望远镜经常需要移动，伴随着这个望远镜的准直也在一点一点的变化，图像就会产生一点点拖线的现象。另外拍摄过程中强风一刮，器材就会抖动，我想是摄影爱好者的都有这样的经历。
在材料和技术上下功夫的话，也可以拥有结实精密的构造，但也会苦于搬运的器材太重，或者是成为难以下手的高价商品。一点点的缺点用自己的技术实力来弥补也是很快乐的事情。

大气的问题？
另外一个棘手的问题就是“大气蒙差现象”。天体的位置越是靠近地平，受大气折射的影响就越大。而真正的位置则是在其上面的一点点的地方（详请参照【2008年版 天文年鉴】P.329）。
因为这个现象，用86164.09秒以一定的速度旋转一周的天体周日视运动，根据天球上的位置，这个速度会有微妙的变化（图10）。可以以86164.09秒/周的恒星时运动进行跟踪的区域也就只有天顶，其它的话不是比恒星时运动慢的就是比恒星时运动快的区域（大部分区域都是慢的。详请参照【2008年版 天文年鉴】P.329）。
因为这个原因，最近有很多的速度校正赤道仪，采用比恒星时运动（86164.09秒/周）慢一点点的运行速度。这样，在观测地点天赤道和子午线相交的位置上，就可以和天体的周日视运动速度一致。北纬35度上以86188.09秒/周，相当于延迟了0.03%（就差这么一点点？但是，这么一点点却可以带来很大的效果）。这样，天球上大部分的区域里平均误差就可以小了。

星云星团的正确追踪并不是这么简单
任由恒星时运动的赤道仪来拍摄的时候，将常见的失败原因要一一写出来。总而言之，要知道任由恒星时运动的赤道仪来追踪，是拍不出不拖线的星云星团照片来的。这之后，你初次使用自动导星时，我想会有这样那样的不成功，当你以自己能力就可以查出这个是什么原因的时候，像这样的预备知识对你有少许帮助吧。


超过人类的本领令人期待的高精度“自动导星”

由于任由恒星时运动的赤道仪来跟踪拍摄的话是拍不出好作品的，在长焦点，长时间曝光的情况下拍星云星团的话，就必须进行追踪误差的修正的工作。

典型的导星实践
图11是实际导星的样子，在装载着摄影用的主望远镜的侧面，同时架着一个导星用的小望远镜（导星镜）。导星镜在高倍率情况下，视界中能够看见十字亮丝之类的刻度。观察这个刻度和视界中的被导的星星的偏离情况，如果认可这个偏离情况的话，按下赤道仪的掌上控制器的【极轴增速按钮、极轴减速按钮】【赤纬+微动按钮、赤纬—微动按钮】按钮对天体追踪的误差进行修正。俗称“半自动导星”。
用望远镜进行一会儿工夫的拍摄的话，以数十秒一回的频率对偏离情况进行观察就差不多了，但是望远镜的焦距越是长的情况下，就必须得持续观察偏离情况。
“半自动导星”类型，在寒冷的地方以及临近黎明昏昏欲睡的时候就会显得很痛苦了。不过在心情愉快的情况下摄影，而且并不是一整晚在持续的拍摄的情况下，负担可能会比较小。意外的是，也有很多人说做这种工作还是很高兴的。当然，比起完全不用导星来摄影的话，好照片的出片率会好很多。拍摄黄昏的西方天空的彗星等时候，到家后慌慌忙忙地出去拍摄，往往会没有时间去设置调整自动导星。所以最近初试天文摄影的人也算是熟练地掌握着操作技术，按下微动按钮时对赤道仪的反应也了如指掌（例如赤纬微动的无反应时间等）。

自动导星所做的事也是一样的
接下来，一听到【用电脑来控制望远镜自动导星】的时候，有很多人都会觉得可以自动帮我做怎么了不起的事很厉害啊。的确，自动导星代替人们来自动做这种导星的苦差事，而且可以一直保持着高精度。了解结构构造的话，就可以知道其实所做和“半自动导星”是一样的事。
在“半自动导星”里
用【眼睛】对被导的星进行观测
以【能力】对星星的偏离情况进行判断操作
用【手指】对掌上控制器进行操作
有了这样一连串的动作配合后，再看下在这里集中连载的自动导星系统，如图12
【网络摄像头】代替【眼睛】
【导星软件】代替【能力】
【继电器】代替【手指】
就变成了这样来处理导星工作。推动赤道仪的驱动马达系统就和原来一样使用，操作方法和“半自动导星”一样。
图13中，是用于星云星团摄影的望远镜和与其架在一起的自动导星安装好的样子。这个自动导星的继电器内藏于网络摄像头的盒子里，依靠电脑的导星软件使其运转起来。
【导星套件】【摄星套件】等都介绍过了，接下来会是什么呢。在这个集中连载中（新产品也会有在一开售时就中断的情况，这个还请原谅），也介绍下其余原定登载的2种机种。
图14是高桥制作所的【α-SRG ルクバト】，在正式版中，附带有以肯高的电子目镜Pro来作为摄像头，现在用的测试版本是Celestron公司的Nexlmage，当然软件是日文的，而且导星偏离的表示功能、温度传感器机能等，连相机快门的快门钢丝顶针之类都有装备。
图15是天文摄影发烧友间的知名网站【ようこそ　くわなの星空へ】销售的，面向DIY人群的继电器基板，米德的CCD彩色摄像头DSI（左）和黑白摄像头DSIpro（照片里的是去掉了滤镜盒）。我在使用的是免费导星软件【PHD导星】，用这套组合在E-ZEUS化的MS4赤道仪上来自动导星，特别是DSIpro的高感光度里，即使是很暗的星星也能使用，PHD导星软件很好用，虽然是英文版的，不过不管是谁都可以马上习惯使用。在之后的连载里有提到PHD导星软件的时候，就用日语菜单形式来登载。

关于自动导星的导星高精度
有很多人认为稍微忍忍的话“半自动导星”也不错的啊。我也认为自动导星的操作好好地写着是为什么呢，拍出可以自己的作品就是摄影的成功，一直为此乐此不疲的话，倒是也没什么关系。但是，为了达到某种目标，想让好片的出片率提高之类，觉得长焦点的拍摄时“半自动导星”的精度不够高等等，这个时候，使用自动导星系统方为上上之策。
说到这个导星的精度，也来稍微说一下吧。相机的图像传感器也好，导星用的摄像头的图像传感器也好，都是由数英寸大小的像素构成。正如之前说的，把由于各种原因引起的晃动的星像，在不超过图像传感器的1个像素范围内，或者不超过2X2像素3X3像素范围内进行导星的话，想想也知道不是这么容易的吧。
导星用的网络摄像头的图像传感器，也是一样不让星像超出1个像素范围来进行导星吗，其实不然。它是通过计算多少像素X多少像素中得到的被导星像的明暗程度的平衡来进行偏离推算，偏离的检测精度要比单单的像素尺寸高得多。从读者的天文摄影角的数据来看，可以知道用的导星镜是比摄影用的望远镜的焦距来得短，这个也是根据前面的道理得出的。

这次，能大概理解导星失误的原因以及代替人们来完成自动导星的原理就OK了。
以后，购入这种类型的自动导星时，必要的器材如图16所示的概念图一样。电脑的操作系统不管Windows VISTA或者Windows XP也好都没关系，想要来搞搞测试的还是选择XP好，少点麻烦。并不需要强大的电脑，用二手的B5笔记本也足够了，在寒冷恶劣的野外环境中使用二手的也不心痛吧。我爱用的那个旧IBM的XP机器，就是用4万日元买到的B5笔记本。因为是XP系统用Hyperterminal模式，E-ZEUS系统的恒星时驱动速度的设定还是比较容易。




图1
推荐带Live View功能的单反相机
现在真正的把图像传感器得到的图像显示在机体背面的液晶显示屏上的功能就是【Live View】。就算观察最最放大的恒星图像，也能非常正确的合焦。最近如图里的那种相机，在电脑上也可以用Live View功能之类，也可以控制相机曝光量等功能的相机也有很多。不管哪种在自动导星的时候都要用电脑，所以希望能够选可以通过电脑来控制相机的那种。

图2
曾经风靡一时的自动导星创始产品ST-4
这个就是美国的SBIG公司的自动导星ST-4，那时候专业人士用的运用光电管可以夸张的自动导星的调整和判断功能，冷却CCD拍到的图像可以进行原始性的软处理，最早提供的连业余爱好者也能导入的自动导星装置。
控制盒内，包含冷却CCD的螺丝刀，工作和设定用必要的开关也全部有了，不需要另外的电脑也是一个特色，由于这样的特性，至今为止还有很多人在用。

图3
新时代廉价的自动导星装置，爱好者的便携导星装置
取代真正的冷却CCD而使用廉价的网络摄像头，用导星软件让继电器工作，打开驱动马达的开关的新时代的自动导星装置。在国外的网站上将其有名的导星软件免费公开。赤道仪制造商以及相对应机种的继电器盒都进行了廉价的贩卖。照片里的是望远镜店爱好者所出售的便携导星装置，用日语表示的设法不管让谁都能简单操作，连相机的快门都能控制。加上是专门的店所贩卖的，对新手提供支持那方面也可以放心。



图4
这样就应该可以简单地进行星云星团的拍摄了吧，但是…
编辑部的测试用的MS4赤道仪具有极其高的精度，长时间曝光天顶附近的天体的话也很不错。就连这个赤道仪，对于长焦距的望远镜和跟踪较低的天体时也很失败。

图5
咋的一看好像导星非常成功，但是…
导星的成功与否决定了一张照片的好坏，这张图片咋的一看上去好像非常好，但是，大倍率放大下就会发现沿赤经方向有拖线。

图6
赤道仪的极轴一定要尽可能的朝向北天极
许多小型赤道仪的极轴（带有几号的旋转轴）上都有内藏小望远镜（极轴镜）。用这个极轴镜看北极星，准确地调整赤道仪。小心地慢慢地调的话，到几角分的误差也是容易的。大家经常拍的从天顶到南面的天体，特别要注意极轴的正确调整，赤纬方向可以有少许误差。极轴方向有大偏离的话，就算是用自动导星，被导的星星也会绕中心视野旋转出现拖线现象。



图7
让极轴旋转的马达和齿轮
口径20~25cm级别的反射望远镜也可以搭载的固定型赤道仪的极轴驱动装置。上方可见的半圆的尺轮是蜗轮，与其啮合的螺丝一样的是蜗杆。马达输出的力通过传动装置传到蜗杆，再带动蜗轮旋转。这些齿轮的制作误差和调整误差，配合间隙等原因引起周期性的步进延迟。

图8
周期性曲线的样子
这个表示的是东西方向步进延迟的极轴周期性曲线（故意让极轴偏，南面天空的恒星用长焦拍摄就出来这个样子了）。蜗杆是长周期动作的话，传动齿轮就是短周期的动作来配合。优秀的赤道仪的步进延迟误差正负数角秒，差一点的可以超出正负30角秒。虽然这点步进延迟，星象也会往东西方向拖线。

图9
各种器材的微微歪斜以及接续部分的间隙等都是引起导星误差的原因。
图片里的望远镜是为直焦拍摄而特别设计的，为了在曝光中尽量不发生器材的歪斜震动，各个部分都做得很结实。一般这样的牛顿式反射都比较容易发生歪斜，镜筒部分，目镜的端，相机转接环的接续部分（强化过的转接环好像在专卖店有卖，我是没见过所以不知道了），主镜座，副镜座周围等都是检查的重点。



图10
所看到周日视运动的速度样子因方向不同而不同
天球以约86164.09秒/周的速度旋转。但由于大气蒙差现象的影响，因方向的不同，有着极微小的速度差。这个图为了让速度明显地区分出来，天顶附近（淡蓝色）的以恒星时在运转。
追踪速度与在天赤道和子午线的交点上的某个天体的速度一致的叫做【速度校正型】，比恒星时稍微慢了点的86188.09秒/周（在北纬35度的场合）。速度校正型的在图片中淡灰色附近调整比较好。容易观测的天域覆盖了广阔的区域，许多赤道仪的中心速度采用的是这种速度校正型。
暗灰色部分是稍微慢一点的区域，由于大气蒙差的现象以及视宁度的影响比较大，那片区域导星比较难。
从北极附近到北面（蓝色），与上面相反的是，这里是旋转速度稍微快的区域。

图11
一直以来的导星的样子
转载着相机用来拍摄用的望远镜的旁边，有个可以微调的导星镜转接环，这个环就是用来装导星镜的，导星镜上装着导星用的目镜，它可以在曝光中一直观测导星的偏离情况，观测到超出了容许范围的时候，按下控制器的微动开关，对适当的方向进行追踪修正。
习惯性的一般以焦距为400-500mm的望远镜导星比较容易，照经验来说，超过这个焦距就越来越难了，800mm、1000mm等就是具有非常高的难度了。



图12
自动导星的概念意外的简单
在这集中连载里提到的自动导星，用网络摄像头（PC摄像头、USB摄像头等等之类的）来代替你的眼睛，用导星软件来代替你的头脑做出判断指令，用控制盒的增减速按钮开关来代替你手指的控制。操作方法和“半自动导星”一样，超过人类能力的偏离检测能力和反应迅速的开关控制，能发挥出非常高的导星能力。
将导星的图像通过网络摄像头传送到电脑
判断偏离情况和进行修正的导星软件（PC用）
用来修正导星的开关继电器盒

图13
用于望远镜拍摄系统的自动导星一部分
200-300mm级别望远镜的话，就可以体现出自动导星的精密之处了，那就是极小的偏离也可以很好的修正。照片里的是Orion公司的【摄星套件】，仅售250美元，网络摄像头用的是C-MOS。



图14
高桥制作所的α-SRG ルクバト
继导星套机后发表的，含有用日语表示的操控软件的自动导星系统。拥有丰富的功能，初次以图表来表示导星的误差，同时也装备了相机的快门钢丝顶针。还有一种叫【彗星追导】模式，可用于普通的恒星，也可以用于彗星以及小行星之类移动的天体，对其的移动方向进行预测并自动追导，所以在彗星迷中间很有人气。

图15
【PHD导星】【导星狗】等，有名的导星软件都免费公开着，为了能使用上这些软件，在【ようこそ　くわなの星空へ】网站有有继电器基板卖。上图的摄像头是米德的彩色和黑白的DSI，特别是黑白的具有高感光度特别推荐，但比较可惜的是最近却没在卖了。

图16
集中连载中介绍的自动导星的运用概念图
本连载中介绍的【网络摄像头+导星软件+继电器】组合成的自动导星的运用概念用上图表示。作为控制望远镜的共通平台，被公开的ASCOM后，对应各种望远镜的控制软件就多了。今后，望远镜的控制也许会以ASCOM作为行业标准也说不定。

      PC

网络摄像头                                                          导星用
  控制软件                                                           网络摄像头

  导星软件            ASCOM                   继电器              赤道仪的
                          平台                                              驱动马达

好文章,赞楼主!

谢谢老大！
在此篇文章中有许多的专门的词汇我还不是很了解，请大家知道的帮我指出来、谢谢。

必须顶！！！！

相当好文章,这样的LZ才是负责任的LZ,顶顶顶

顶起来,应该给精华的啊

不错的文章，谢谢！

想看原版，扫描那几张有没有高分辨率一些的？字太小，看着累。

好文章，先收藏，有时间再详细研究。

不置顶是版主的失职

到底是喜欢火影的~~~谢谢LZ让我们能看到日语的文章翻译~

好文章

学东西了

这才像话吗，新人学习，通俗易懂

长知识！顶

O(∩_∩)O谢谢楼主，的确是篇好文章

收藏了！对LZ深深表示欣赏中！

顶一个  收藏了

顶