Dicembre 2018: presso l’Osservatorio Astronomico di Monte Agliale è stato realizzato e messo a punto un dispositivo di correzione del moto di inseguimento siderale di un telescopio. Il sistema è stato testato con successo su una montatura commerciale EQ6 ed è in fase di valutazione la possibilità di installarlo su strumenti di dimensioni maggiori.
Il dispositivo consiste di un encoder ad “altissima” risoluzione applicato sull’asse polare del telescopio. Attraverso un’elettronica autocostruita e basata su arduino1 è possibile misurare la velocità istantanea di rotazione dell’asse e dunque apportare le dovute correzioni di feedback al motore, qualora venga rilevata una accelerazione o decelerazione dell’asse rispetto alla velocità teorica (siderale). Il dispositivo permette anche la sola lettura della velocità angolare, con salvataggio dei dati. Questa possibilità è risultata molto utile per indagare le caratteristiche più peculiari del moto di trascinamento della montatura EQ6 e potrà essere sfruttata, in futuro, anche per correggere eventuali errori di fabbricazione/messa a punto di nuove montature. L’applicazione, infine, si integra perfettamente con il classico sistema di correzione con autoguida CCD: i due sistemi (correzione con encoder e correzione con autoguida CCD) non entrano in conflitto ma, al contrario, possono essere adoperati simultaneamente.
L’encoder consiste di tre unità: il disco di vetro con le incisioni fisiche, il lettore e l’interfaccia di interpolazione. Il “device” è prodotto dalla ditta inglese Renishaw spa (www.renishaw.it) ma un sincero ringraziamento va al personale tecnico della succursale italiana per la preziosa e paziente consulenza prestata nell'intero periodo di messa a punto dell’apparato.
Anello di fissaggio del lettore.
Applicazione meccanica autocostruita: ha permesso l’alloggiamento del lettore e del disco ottico graduato al posto del cannocchiale polare della montatura EQ6. Nella sistemazione del lettore sono state rispettate le stringenti tolleranze di 0.2 mm nelle direzioni radiale/tangenziale e di soli 0.1 mm nella direzione perpendicolare al piano del disco. Infine l'errore di eccentricità, rispetto all'asse di rotazione, è stato minimizzato avvalendosi di un microscopio che ha permesso l'allineamento del sistema sfruttando una "bandella ottica" incisa sul disco medesimo.
Prototipo dell’applicazione elettronica autocostruita: si osserva l’arduino1, l’interfaccia di interpolazione ACi e l’elettronica di gestione dei motori e dei segnali di autoguida CCD.
Il segnale in uscita dall’interfaccia consiste di onde quadro, caratterizzate da un periodo dipendente della velocità di rotazione dell’asse polare. Il programma caricato sull’arduino, processando i segnali, riesce ad estrapolare l’angolo di rotazione effettuato su una base temporale di alcune centinaia di millisecondi. Attualmente il sistema funziona ad una frequenza di circa 3 Hz. Come accennato sopra, il dispositivo permette anche il semplice “monitoraggio” del moto di rotazione dell’asse polare della montatura. Una volta individuato l’adeguato valore per il parametro di “accuracy” del device Renishaw, l’arduino genera, in uscita, lo scarto (misurato in arcosecondi) tra il moto ideale e quello reale, in funzione del tempo. Si tratta di un vero e proprio tracking, ottenuto però senza bisogno della camera CCD e soprattutto del buio e delle stelle!
La figura seguente illustra un tipico esempio di quanto descritto relativamente alla montature EQ6, in fase di puro inseguimento siderale.
Tracking del moto di inseguimento della montatura EQ6, acquisito attraverso l’apparato realizzato.
La fase di lettura è durata circa una ora; si nota molto bene la tipica periodicità di 8 minuti dell’accoppiamento corona-vite senza fine, caratteristica di questa montatura. Emerge anche la forte escursione subita in un solo ciclo, pari a circa 25-30 arcosecondi. Un ingrandimento della prima parte del tracciato (relativamente ai primi 10 minuti di tracking) evidenzia la ricchezza di informazione ottenuta grazie alle frequenti letture permesse dall’arduino:
Dettaglio del grafico precedente.
E’ altrettanto evidente che l’errore periodico non consiste di una semplice sinusoide con periodo di 8 minuti: la montatura “deriva”, dal moto ideale, talvolta bruscamente e comunque emergono oscillazioni con periodi molto più corti, dell’ordine di 10 secondi! Un sistema di correzione basto su autoguida CCD, impostato anche su tempi di integrazione di pochi secondi, potrebbe riscontrare non poche difficoltà nel correggere un moto talmente irregolare, considerando anche l’ulteriore aspetto peggiorativo rappresentato dalle fluttuazioni del centroide stellare per effetto del seeing. Una correzione più frequente, insensibile al seeing, potrebbe dunque dare risultati apprezzabili.
Nella seconda fase della messa a punto del dispositivo abbiamo ricercato l’algoritmo migliore per la gestione del feedback sul motore di ascensione retta (alla frequenza massima di 3 Hz), al fine di eliminare gli errori di inseguimento e assicurare, dunque, un moto dell’asse corretto o quanto meno più regolare possibile.
La figura successiva illustra un esempio di quanto ottenuto:
Tracking CCD con sistema di correzione con encoder attivato e poi disattivato.
Questa volta il tracking è stato realizzato con camera CCD seguendo una stella nei pressi dell’equatore celeste: abbiamo installato, sulla montatura EQ6, un sistema ottico con camera CCD Lodestar tale da garantire un fattore di scala, sul piano focale, di 1.3 arcsec/pixel. In ordinata abbiamo lo scarto del centroide stellare misurato in arcosecondi, in ascissa il tempo (misurato in secondi). Nei primi 600 secondi (10 minuti) il sistema di correzione con encoder è attivo: come è evidente, il grafico di tracking è quasi piatto e presenta una dispersione di poco superiore al seeing. Nei successivi 8 minuti (un ciclo della vite senza fine) il sistema di correzione con encoder è disattivato e dunque la montatura riprende il tipico comportamento irregolare, come visto nei grafici precedenti.
Dettagli della figura precedente.
In sintesi si osserva che con tempi dell’ordine di alcuni minuti il sistema corregge gli errori della montatura, assicurando un inseguimento con derive confrontabili con il seeing e dunque abbattendo l’errore originario della montatura di un fattore ~ 10. Per tempi maggiori, incertezze nella calibrazione del device, piccoli errori di stazionamento, eventuali flessioni degli assi, del tubo focheggiatore e/o giochi dei cuscinetti portano ad un inevitabile scostamento della curva di tracking dalla condizione ideale. Tale inconveniente è comunque recuperabile attraverso l’autoguida CCD che, come detto, si integra con il sistema di correzione con encoder: impostando adeguatamente il limite inferiore dei tempi di correzione con autoguida CCD è possibile correggere la lenta deriva di cui sopra; le ampie e rapide oscillazioni della montatura sono invece recuperate attraverso le frequenti correzioni imposte dal sistema di correzione con encoder.
Nella seconda parte di questo lavoro mostriamo alcuni tipici risultati rappresentati da immagini astronomiche riprese con e senza il sistema di correzione con encoder. Abbiamo utilizzato un astrografo Boren Simon 6” f/4 corredato del relativo riduttore/correttore ASA 2'' 0.73X. Lo strumento è stato poi equipaggiato con una camera CCD SBIG ST10XME (pixel da 6.8 µm di lato e doppio sensore). Il campo inquadrato è circa 2.3 gradi quadrati mentre la scala sul piano focale è pari a 3.08 arcsec/pixel. Come risulta dalle informazioni reperibili on line il correttore ASA assicura un campo corretto (sul pano focale) su un cerchio di raggio 10 mm, dunque, essendo la diagonale del chip ST10 pari a circa 18 mm, è comprensibile quanto sia critico l'allineamento delle ottiche. Trattandosi di uno strumento di fascia medio-bassa abbiamo cercato una soluzione di compromesso tra le difficoltà nel raggiungere il setup ideale e la bontà della qualità delle immagini ottenute. Una volta raggiunta tale configurazione abbiamo eseguito immagini con il sistema di correzione con encoder attivato e disattivato.
Un tipico campo stellare (AR ~ 22h 33m, dec ~ +30° 30'), ripreso con un tempo di esposizione di 60 secondi e inseguimento assistito dal sistema di correzione con encoder è mostrato nella figura seguente.
Campo stellare ripreso con l'astrografo Boren Simon 6'' equipaggiato con camera CCD SBIG ST10 su montatura EQ6 assistita dal sistema di correzione con encoder (esposizione 60 secondi).
Tracking CCD che mostra la deriva (per entrambi gli assi) dell'immagine di una stella di campo ripresa con il chip di autoguida, contemporaneamente alla posa fotografica precedente.
E’ evidente la discreta puntiformità delle stelle in ogni zona del frame (a parte fenomeni di blooming, assolutamente normali visti l’alta efficienza quantica del CCD e la grande porzione di volta celeste inquadrata dall’astrografo); in particolare negli angoli del campo le stelle appaiono ancora quasi circolari, permanendo un leggera sofferenza nell'angolo a destra in alto dovuta ad un allineamento delle ottiche non ancora "perfetto". La magnitudine V ~18.5 viene raggiunta con S/N ~ 3.
La correttezza della forma delle stelle sull'intero frame è suffragata dall’analisi dell'immagine astronomica precedente, effettuata con il software CCDInspector: i parametri di collimazione, tilt, curvatura e aspect ratio, unitamente alle corrispondenti mappe, evidenziano la bontà della collimazione ottenuta ma anche la ottima prestazione della montatura in fase di inseguimento siderale.
Mappa di curvatura: le differenti sfumature indicano i vari livelli di fuoco. Particolarmente indicativi sono i valori minimi e massimi della FWHM che differiscono di soli 0.2 pixel. Dall'analisi emerge un errore nella collimazione (distanza tra il centro ottico e fisico nell'immagine) di un solo pixel e un tilt dell'ordine di 0.1 pixel.
Mappa di "aspect ratio": si visualizza la variabilità nella elongazione delle immagini stellari sul frame. I colori sono indicativi dei diversi valori del parametro: colori più luminosi e rossi indicano forme più allungate. Un valore inferiore a ~ 25% è caratteristico di una forma ancora approssimabile a circolare.
Mappa di flat frame: è evidente il diverso livello di illuminazione del frame dovuto a vignettaura/allineamento ottiche. Il marker "+" indica il centro del chip mentre il marker "x" indica il centro di illuminazione. Il flat frame può comunque risentire di gradienti di brillanza del fondo cielo.
Il campo fotografato sopra è stato ripreso subito dopo la realizzazione della precedente immagine ma con il sistema di correzione con encoder spento (impiegando un tempo di esposizione ancora di 60 secondi). L’immagine ottenuta è mostrata qui sotto: non c’e’ bisogno di raffinate analisi per rivelare la pessima qualità espressa anche con esposizioni di un solo minuto e imputabile esclusivamente alla modesta precisione del moto di inseguimento siderale della montatura!
Campo stellare ripreso con l'astrografo Boren Simon 6'' equipaggiato con camera CCD SBIG ST10 su montatura EQ6 senza alcuna forma di feedback sul moto di inseguimento siderale (esposizione 60 secondi).
Tracking CCD che mostra la deriva (per entrambi gli assi) dell'immagine di una stella di campo ripresa con il chip di autoguida, contemporaneamente alla posa fotografica precedente.
Il guadagno in prestazione diviene eclatante con immagini realizzate impiegando tempi ancora più lunghi, come emerge dalle ultime due fotografie mostrate sotto ed ottenute con esposizioni di 5 minuti!
Il medesimo campo stellare ripreso con il sistema di correzione con encoder attivato, adoperando un tempo di esposizione di 5 minuti.
Il medesimo campo stellare ripreso senza alcuna forma di feedback sul moto di inseguimento siderale, adoperando un tempo di esposizione di 5 minuti.
Grafici di tracking CCD relativi alle due precedenti immagini ottenuti seguendo una stella di campo sul chip di autoguida, contemporaneamente alle pose fotografiche: la prima con inseguimento assistito da encoder, la seconda nel caso di montatura libera.
A latere della costruzione del dispositivo di correzione del moto di inseguimento siderale del telescopio abbiamo realizzato anche l'automazione del focheggiatore, in modo da permettere la conduzione di sessioni osservative completamente automatiche. Il telescopio Boren-Simon è provvisto di un focheggiatore manuale, predisposto per l'applicazione del relativo dispositivo elettronico; in tal modo diviene possibile focheggiare grazie ad una pulsantiera o per mezzo di comandi da PC. Il costo del device non è comunque indifferente; inoltre la realizzazione di un focheggiatore proprio rende possibile adattarlo a qualunque esigenza futura ed è ovviamente garantita la possibilità di integrarne la gestione nell'ambito dei nostri software di automazione. Abbiamo raggiunto lo scopo applicando un semplice meccanismo di trasmissione a cinghia, con relativa puleggia, all'ingranaggio presente sul focheggiatore in dotazione; l'azionamento è ottenuto grazie ad un piccolo motore passo-passo (il 28BYJ-48-5V + relativo driver) controllato da un ulteriore arduino1, opportunamente programmato. Infine abbiamo aggiunto un termometro/igrometro (il DHT22/AM2302) che permetterà di evidenziare eventuali correlazioni fra i punti di fuoco e le condizioni ambientali di temperatura ed umidità. Una semplice interfaccia realizzata in Visual Basic consente all'utente la gestione del tutto, in modo semplice ed efficace.
Interfaccia utente per il controllo del focheggiatore elettronico autocostruito.
Il dispositivo di controllo, basato su arduino1, del motore passo-passo 28BYJ-48-5V (con relativo driver) e del sensore di temperatura/umidità DHT22/AM2302.
L'applicazione del focheggiatore autocostruito sul telescopio Boren-Simon.
Progetto realizzato da Bernacchi Raffaele, Ciabattari Fabrizio, Donati Sauro, Mazzoni Emiliano, Rossi Mauro.