博冠·双子远程天文台的构思与实践

2019年初，受广州博冠光电科技股份有限公司委托，协助策划和建设一个远程天文台。建设远程天文台主要有以下三个目标：
1、用于检测博冠天文系列产品的光学性能、机械性能、环境适应性和耐久性；
2、拍摄天体影像，用于博冠相关产品的介绍；
3、可用于天文科普观测，以克服广东地区晴天率低给天文科普观测带来的困难。
一、远程天文台的构思
关于远程天文台设备的选择：
1、天文望远镜系统、赤道仪系统在博冠的现有产品中选择。从光学性能、可靠性、可操作性等多方考虑。主望远镜选择了目前博冠光电性能最为稳定也是最为出众的天龙系列1501800马克苏托夫——卡塞格林折反射式天文望远镜。因为远程控制需要，选择了博冠EM100电动赤道仪。这款赤道仪的控制系统设计是当年的一位资深天文爱好者。因此在设计上最突出的特点是可以方便连接计算机进行自动寻星和导星控制。这也是远程天文台赤道仪必须具备的功能。
2、成像终端和附件的选择。由于主望远镜的限制，使得远程天文台的主要观测目标限定为表面亮度较高、视面较小的天体。因此在主相机选择上也是以此为目标。最终选定的是QHY5III-290C天文相机。背照式结构带来的超高量子效率、2.9μm的像元尺寸、极低的读出噪声和高帧率对于行星和小视面天体观测具有一定的优势。
由于主镜焦距对于行星摄影来说还不足够，因此选用了CYCK定制版晶华3x消色差增倍镜。
3、寻星系统的选择。BOSMA EM100赤道仪虽然具备连接计算机的自动寻星功能，但是当主镜做行星观测时，其视场大小仅有175角秒×131角秒。如此小的视场不仅解析困难，赤道仪本身的寻星精度也无法达到。因此还需要借助一个电子寻星系统来确认目标以及作为自动寻星系统的参考。最终选定的电子寻星系统包括QHY5II-L-M行星相机和8mm/f1.2CS监控镜头以及六点导星支架。这个寻星装置的视场大约为33.3°×25.3°，分辨力大约为93.75角秒，小于主相机视场。
4、电动调焦装置的选择。考虑到必须更换2英寸SCT口外置调焦座，因此选择了GRUS电动调焦装置（含SCT口外调焦座）。很遗憾，这个调焦系统有点不给力，在装机运行不久便损坏了。感谢方舟老师替换了一台括苍电调系统，使得远程天文台能够继续稳定运行。
远程天文台的系统框图

关于远程天文台的选址：
从多个渠道了解了国内几个比较著名的远程天文台站。最终选定了位于云南丽江高美古山上的双子天文台。这里是国内最早的远程天文台之一，拥有良好的大气条件且纬度较低，对于行星观测非常有利。另外双子天文台的技术力量非常雄厚，对于系统的维护轻车熟路。可以保持系统有足够高的开机率。
关于远程天文台的总体观测目标：
1、行星观测
2、月面观测
3、双星观测
4、小视面、高亮度深空天体（如行星状星云）观测
5、掩星观测
6、简单的大视场巡天观测（利用广域寻星相机）
二、远程天文台的实践
1、关于BOSMA EM100赤道仪的适用性升级。早期BOSMA EM100赤道仪使用LX200协议或者ASCOM协议与计算机实现数据通信。但操作界面上的功能略显简单，尚不能满足远程天文台的操作需要。因此委托南京资深天文爱好者周老师为博冠重新编制了ASCOM驱动的操作界面，这个驱动已经作为当前EM100赤道仪的标准驱动提供给所有该赤道仪的用户。
2、系统在广州的初步调试。在上高美古之前，整套系统除去主望远镜外进行了联机调试。同时积累系统在实际操作中的经验。
3、系统在高美古双子天文庄园的安装。感谢方舟老师的支持和指导，系统安装实际上只用了几个小时就完成了。在现场测试中感觉一切正常。
4、返回广州后的系统远程测试。在测试初期，系统还是出现了不少问题。很多问题都是当初不曾想到的。
系统出现的问题：
a、远程开机系统时好时坏。系统初期使用了外置式的远程APP电脑开机装置，该装置在广州使用正常，但在高美古工作并不稳定。在方舟老师的建议和协助下，将系统主控制计算机设置为通电即开机模式。只需要控制智能插座开关电源便可以方便启动计算机。
b、QHY5II-L-M/QHY5III-290C相机经常出现不能识别故障，有时多次开关机也无法连接上。这个问题在广州和大理的多次测试中都没有出现过，但在高美古出现得非常频繁。在方舟老师的协助下经过多次尝试，将两只相机都接入主机的USB2.0插口后，可以稳定工作。只可惜浪费了QHY5III-290C的高帧速。不过还好，这个问题在后来的使用中并不突出。
c、GRUS电动调焦装置失效。这个故障的确匪夷所思。前一天还是正常使用的，后一天便出现故障。11月底去云南开会顺便检查了一下，感觉问题出在步进电机的驱动电路上。电调上电后点击IN/OUT,发现电机会抖动，拧一下就能转。
5、行星观测实践。远程天文台是五月底安装完成的，之后又不断发现问题解决问题。在此过程中观测了木星、土星、天王星、海王星和金星。总体感觉基本达到6英寸折反射望远镜的观测效果。虽然主望远镜的视场很小，但在广域寻星相机的配合下，一般都可以在几分钟内锁定观测目标。

木星


土星


天王星与海王星


金星

6、月面观测实践。无论是安装了3×增倍镜还是取消增倍镜，月面观测效果良好，环形山细节丰富。

使用3x增倍镜拍摄的月面环形山


未使用增倍镜拍摄的月面

7、双星观测实践。在不安装增倍镜的条件下观测了天鹅座β双星（辇道增七）。


8、高亮度小视面深空天体观测实践。在安装增倍镜和取消增倍镜两种状态下都进行了尝试。观测了到一些视面很小的深空天体。

安装3x增倍镜拍摄的NGC7662


未安装增倍镜拍摄的M57环状星云


未安装增倍镜拍摄的爱斯基摩星云

9、简单大视场巡天观测（含流星雨观测）。这是利用广域寻星相机进行的观测。尝试观测了几个星座的天区，并成功观测了2019年双子座流星雨。





三、问题与思考
     从观测实践的结果来看，这套系统观测行星、月面没有什么问题。分辨力也能够达到或者接近望远镜应有的水平。
     在观测深空天体的几张影像中，总感觉星点不圆、肥大、发虚。可能存在的问题包括望远镜本身光学系统没有调整至最佳状态、跟踪系统不稳定、大气扰动、失焦、拍摄方法不当等等。目前感觉可能的问题在以下几个方面：
1、望远镜本身的光学系统存在的缺陷。在观测实践中发现当望远镜指向不同位置时，星点的形状会发生较为明显的改变。1501800马卡并没有设计主镜锁定装置，在望远镜指向变化时，由于镜片自重导致的位移使得星点发生变化也在所难免。
2、EM100赤道仪的跟踪稳定性。EM100赤道仪可以通过自动导星系统来实现对目标的稳定跟踪，不过跟踪精度是有限度的。对于这个价位和载重能力的赤道仪，要求它能够实现1800mm焦距望远镜稳定精准地跟踪，既不现实，也不可能。使用导星反而有可能使得系统工作更加不稳定。因此在观测实践中需要使用较短的单帧曝光时间，例如10s以内。根据统计，在1800mm焦距下，5s曝光的跟踪成功率在70~80%，10s曝光的跟踪成率只有40~50%。当然这只会影响对深空天体的观测，行星、月面观测不受此影响。
3、大气视宁度的影响。这个问题其实在行星观测中表现得很明显。不过高美古地区的视宁度总体来说还是不错的，往往可以达到1角秒甚至更小。但是对于观测恒星这样的点光源，这种视宁度也许还不足够。下面一组图片是拍摄于天顶附近昴星团中的几颗亮星。曝光时间分别是5s、500ms、50ms和10ms，随着曝光时间的延长，星点也越来越大。拍摄这组照片时的视宁度数据见下图，大约在1.5角秒左右。这很有趣，如此视宁度如果观测木星，可以拍摄到木星表面云带的很多细节，这些细节可能也只有几个角秒。但是对于恒星这样一个点光源，却会变得如此肥大。

不同曝光时间下的星点


拍摄上面照片时的大气视宁度

4、望远镜结露。这个问题确实有点棘手。由于行星观测需要良好的视宁度，因此望远镜在观测前都需要进行热平衡，保证观测时望远镜前端的大气是稳定。如果引入除雾加热装置，势必破坏热平衡，使得视宁度严重劣化。因此经过再三考虑还是没有安装除雾加热带。不过倒是可以考虑安装一个遮光罩，以拖延发生结露的时间。
四、总结
     用这样一套系统安装远程天文台值不值得？这个问题往往被人问起。我只能说目标决定导向。只要能够实现目标，安装什么样的器材并不重要。从目前博冠双子远程天文台运行的情况来看，基本实现了设计初衷。

这个版说博冠光学缺陷？糗事要反驳了

目视爱好者 发表于 2019-12-31 08:13
这个版说博冠光学缺陷？糗事要反驳了

哈哈哈，这里说的缺陷并非是产品质量问题。而是这个档次折反射望远镜普遍存在的。虽然加一个主镜锁并不难，但工厂需要考虑由此而增加成本问题。另外这个问题也告诉我们最好观测天顶附近的目标，星点的畸变会比较小。

远程我也遇到过这种事情。那个电调我也有。也是这样。用着好好的不知为啥就不行了。后来我每次直接重装驱动就行了。有时还是会莫名奇妙失效。又重装一下才正常。那个不能识别摄像头的。我做了个四开四闭的继电器来控制物理上的通断。有时是可以的。有时还是要关机再开机才行。不知为啥。

小六哥 发表于 2019-12-31 22:25
远程我也遇到过这种事情。那个电调我也有。也是这样。用着好好的不知为啥就不行了。后来我每次直接重装驱动 ...

电调换成括苍的一点问题都没有了，估计还是GRUS本身的问题。至于QHY5经常性不能识别的问题，我是没办法了。直接插到USB2.0算了，至少运行很稳定。有一个思路，其实可以装一个3.0的USB HUB，只要控制HUB电源通断就可以了。有机会了可以去试试。

广域寻星相机使用的是哪种啊？

tcjsjxx 发表于 2020-1-2 09:14
广域寻星相机使用的是哪种啊？

QHY5II-L-M搭配8mm/f1.2CS接口镜头

weiguo1688 发表于 2020-1-2 09:42
QHY5II-L-M搭配8mm/f1.2CS接口镜头

谢谢啊，拍摄的真不错。

首先为楼主建设博冠远程天文台所做的努力点赞！博冠远程天文台取得如此的成绩来之不易。远程天文台也是天文科普的一个方向。现在城市中光污染特别严重。许多学校天文台已经基本上失去观测作用了。

恒星象随着露光时间延长变大(恒星为点光源,与行星面光源不一样)，应该不是望远镜本身的问题，估计是电子相机过暴所致。

恒星离我们非常遥远，离太阳系最近的比邻星(4.22光年)的视直径还不到0.05角秒。在马卡镜1501800中成象理论上只有0.000436毫米。放大100倍也只有0.04毫米。马卡镜1501800的分辨率只有1角秒。

求是 发表于 2020-1-2 15:54
恒星象随着露光时间延长变大(恒星为点光源,与行星面光源不一样)，应该不是望远镜本身的问题，估计是电子相 ...

问题出在博冠的em100上

目视爱好者 发表于 2020-1-2 23:09
问题出在博冠的em100上

所以，要发挥长焦马卡的优势，可能需要博冠开发性能更好的赤道仪才行。博冠还有一款2002400马卡，如此长焦没有强劲的赤道仪来支撑是很难发挥效能的。

目视爱好者 发表于 2020-1-2 23:09
问题出在博冠的em100上

赤道仪的问题应该是星象拉长而不是变大。

求是 发表于 2020-1-3 08:14
赤道仪的问题应该是星象拉长而不是变大。

看m57右上角，拉长了

右上角有颗星星2拉长了，我认为这是一颗靠得很近的双星。

目视爱好者 发表于 2020-1-3 09:12
看m57右上角，拉长了

这个确如版主所说，那是两颗星，并非赤道仪拖线。用于叠加的影像都是经过筛选的。拖线严重的片子不会叠加进去（当然也不排除个别漏网之鱼）。我觉得星点畸变还是镜筒指向变化导致的。当然，如果只是为了好看，修复星点本身不是难事，我这还有一个星点修复版的。

镜筒指向变化，导至星象变形有2个原因。一是主镜侧面固定问题导至主镜中心变动，二是主镜自重变形。后者可以增加主镜厚度消除或者采用薄镜面底面用6点、9点浮动支承消除。而前者需要较复杂的侧支承。像我们上海天文台的科研望远镜，支承很多。

求是 发表于 2020-1-4 09:00
镜筒指向变化，导至星象变形有2个原因。一是主镜侧面固定问题导至主镜中心变动，二是主镜自重变形。后者可 ...

嗯，这个问题对于小口径折反射系统来说的确棘手。事实上我们前年安装的一台meade16寸施米特-卡塞格林系统也有这个问题。即便使用主镜锁，在多次变换目标后，焦点依旧会偏移，星点也依旧会变形。要求高的话需要每次指向目标后细调光轴。使用起来还是非常不便。

天文科普望远镜是有成本限制的。不可能做到像科研望远镜那样。