Думаю, нет смысла рассказывать о том, зачем нужно гидирование и насколько этот процесс может быть утомительным при длительных выдержках, особенно при невысоком качестве привода полярной оси. В принципе, существует два пути решения этой проблемы: создание прецизионного часового механизма и автоматическое гидирование с помощью какого-либо фотоэлектрического звездного датчика.

В первом случае потребуется, как минимум, кварцевая стабилизация скорости вращения двигателя и высококачественный редуктор, обладающий очень малой периодической ошибкой. Но даже при самом тщательном изготовлении механических узлов вряд ли станет возможным фотографирование длиннофокусным объективом с длительной выдержкой вообще без гидирования.

Применение фотоэлектрического гида-автомата позволяет даже при не слишком качественном редукторе привода полярной оси получать снимки с любыми выдержками, не прикасаясь к органам управления часового механизма, а о понятии "периодическая ошибка" вообще забыть.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Принцип действия построенного автором гида основан на определении с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) изменений светового потока от звезды, закрываемой непрозрачной преградой при движении гида. Свет фокусируется объективом на диагональном зеркале, в отражающем покрытии которого сделана узкая щель, ориентированная так, что по всей длине она находится в фокальной плоскости. Если изображение звезды проецируется на щель, то весь световой поток от нее проходит сквозь зеркало и поступает на фотокатод ФЭУ. Если изображение звезды находится рядом со щелью, то свет отражается от зеркала и фокусируется оборачивающей системой во второй фокальной плоскости, где расположено подсвечиваемое светодиодом перекрестие, а затем через окуляр попадает в глаз наблюдателя.

Таким образом, наблюдатель видит одновременно изображение участка звездного неба, освещенное перекрестие и темную "фоточувствительную" щель, в которую "проваливается" свет звезд, попадающий на фотоумножитель. Сигнал с ФЭУ через усилитель поступает на электронный регулятор, который управляет скоростью двигателя часового привода. Чувствительность усилителя устанавливается перед началом гидирования в соответствии с блеском звезды таким образом, что номинальной скорости соответствует половина светового потока от звезды. Если больше половины изображения звезды погружается в щель - скорость начинает увеличиваться, меньше половины - уменьшаться. В результате звезда удерживается системой авторегулирования на границе щели. Перекрестие немного смещено в сторону от щели, что позволяет наблюдателю не только корректировать положение звезды по склонению, но и производить гидирование вручную, с выключенной автоматикой.

КОНСТРУКЦИЯ

В конструкции гида использованы объектив, окуляр и оборачивающая система от трубы "Турист-3". Объектив диаметром 50мм имеет фокусное расстояние около 350мм. Оборачивающая система удлиняет эквивалентный фокус до 810мм, что дает с 18мм окуляром 45-кратное увеличение. Разумеется, при такой перестановке компонентов уменьшается видимое поле зрения и несколько ухудшается качество изображения, но для гида это не так уж важно. Теоретический диаметр изображения звезды (по первому темному дифракционному кольцу) - около 6", на практике немного больше. Толщина нитей перекрестия - примерно 5" - для него использованы капроновые волокна толщиной 20 мкм. Ширина щели в зеркале - 0,1 мм, что соответствует 60" на изображении. Для изготовления щели на алюминированное зеркало был нанесен тонкий слой защитного лака, который затем был прорезан бритвенным лезвием и образовавшаяся царапина протравлена каплей кислоты. Полученная после удаления лака растворителем щель не обладает, конечно, идеально ровными краями, а в ее середине видна царапина от лезвия на стекле, однако практика показала, что эти дефекты не сказываются отрицательно на функционировании гида. Важно лишь, чтобы края щели были четкими, то есть ширина переходной зоны от полного отражения к полному пропусканию была существенно меньше размера изображения звезды. Само зеркало не обязательно должно иметь высокоточную поверхность, поскольку оно находится в фокальной плоскости. Недостаток описанной конструкции в том, что пыль, которая всегда присутствует на поверхности зеркала, отлично видна в окуляр (особенно если рассматривать яркий протяженный объект - например Луну или Юпитер). Однако гид в принципе не предназначен для наблюдения протяженных объектов, и главное, гораздо важнее, что в окуляр постоянно виден режим работы автоматики - какой процент светового потока от звезды попадает в ФЭУ. Кроме того, здесь отсутствуют потери света, неизбежные в вариантах оптической схемы с полупрозрачным зеркалом. Конструкцией гида предусмотрен его поворот относительно оптической оси фотографического телескопа по склонению - на произвольный угол, по прямому восхождению - примерно на 10 градусов, и жесткая фиксация в выбранном положении. Наведение на ведущую звезду при увеличении 45 крат и довольно узком поле зрения было бы сложной задачей, если бы не особая конструкция визира (устанавливать на компактный 50 мм гид еще и искатель автору показалось расточительным). Визир состоит из двух колец. Первое, "глазное" кольцо представляет собой довольно широкую шайбу, внутренний диаметр которой соответствует диаметру глазного зрачка - 6 мм. Второе, "объектное" кольцо узкое, из светлой проволоки, подсвеченное светодиодом зеленого свечения регулируемой яркости. Его диаметр примерно соответствует размеру поля зрения гида. Не составляет труда точно совместить отлично видимое на фоне неба кольцо с искомой звездой.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА

Примененный в гиде 12-и каскадный фотоумножитель ФЭУ-130 имеет анодную чувствительность 100 А/лм при напряжении питания 1700 В и обладает умеренными габаритами (длина 90 мм). Резисторы R4...R16 установлены непосредственно на цоколе ФЭУ. Вся эта конструкция тщательно изолирована и защищена от влаги. Первый каскад на операционном усилителе (ОУ) DA1 преобразует анодный ток ФЭУ в напряжение, которое через схему регулировки усиления R19...R21 поступает на усилитель на ОУ DA2. Применение сдвоенного переменного резистора R19 позволило получить диапазон регулировки усиления в несколько сотен раз при близкой к логарифмической характеристике. Цепь R17, R18 компенсирует темновой ток ФЭУ. Цепи R2 C2 и R23 C4 образуют фильтры нижних частот, подавляющие как шумы самого ФЭУ, так и высокочастотную составляющую мерцаний ведущей звезды.

С выхода усилителя DA2 сигнал нормированной величины (половине светового потока от звезды соответствует напряжение -1В) поступает на пропорционально-интегральный регулятор на ОУ DA3.1, параметры которого определяют динамические характеристики системы. На выходе регулятора формируется напряжение от -3В до +3В, непосредственно управляющее скоростью двигателя часового привода, причем указанному диапазону напряжений соответствуют скорости от 0,5 до 1,5 номинальной. Благодаря наличию интегрирующего звена C5 R24 в системе отсутствует статическая ошибка, то есть если в результате действия медленно меняющегося возмущения (например, периодической ошибки редуктора) от двигателя потребуется скорость, отличная от номинальной, это не вызовет смещения центра ведущей звезды с края щели. Емкость C5 при этом будет заряжаться, а скорость двигателя будет увеличиваться или уменьшаться до тех пор, пока входное напряжение регулятора не сравняется с пороговым значением -1В, заданным резистором R25. Диодный ограничитель VD2, VD3, R27...R30 предотвращает чрезмерный перезаряд емкости интегратора C5 в ситуации, когда автогидирование выключено, что способствует более быстрому захвату ведущей звезды.

На ОУ DA3.2 и светодиодах зеленого (HL1) и красного (HL2) свечения собрана схема индикации. В режиме автогидирования на вход "Выкл.АС" подается напряжение -5В. В этом случае входному напряжению -1В (и световому потоку от половины звезды) соответствует одинаковая яркость свечения зеленого и красного светодиодов. При погружении звезды в щель возрастает яркость красного светодиода, а при выходе из щели - зеленого. В режиме ручного управления двигателем на вход "Выкл.АС" подается напряжение +5В и одинаковой яркости светодиодов соответствует входное напряжение -2В и световой поток от всей звезды. Выбрав подходящую для гидирования звезду, наблюдатель в режиме ручного управления загоняет ее в щель целиком, и с помощью переменного резистора R19 добивается одинаковой яркости зеленого и красного светодиодов. Теперь при переключении в режим автогидирования выход регулятора подключается к двигателю, скорость двигателя меняется и происходит захват центра звезды краем щели.

В качестве двигателя часового привода применен электромеханический счетчик импульсов СБ-1М, на который подаются импульсы с управляемого напряжением генератора. Возможно также использование коллекторного электродвигателя постоянного тока с соответствующим усилителем мощности. В этом случае желательно для более устойчивой работы на пониженных оборотах компенсировать внутреннее сопротивление двигателя отрицательным выходным сопротивлением усилителя.

В самом телескопе-гиде размещены только ФЭУ и первый каскад на ОУ DA1, остальные компоненты схемы находятся в электронном блоке, установленном на неподвижной части монтировки, и соединены с гидом кабелем с многоконтактным разъемом. Здесь же размещен источник питания ФЭУ, который выполнен по схеме однотактного обратноходового стабилизированного преобразователя напряжения. Его выходное напряжение -1700В подается на ФЭУ по тщательно изолированному проводу через отдельный разъем, защищенный от влаги резиновым уплотнителем. Выходной ток преобразователя ограничен при замыкании величиной в несколько сотен микроампер, что дополнительно способствует безопасности системы. ФЭУ и первый каскад усиления экранированы металлическим корпусом гида, который соединен как с общим проводом схемы, так и с землей (через металлические части монтировки). Опыт показал, что в данном случае для защиты от помех достаточно электрического экранирования и можно не применять тяжелый стальной магнитный экран.

Чувствительность ФЭУ при указанных на схеме номиналах позволяет с 50 мм объективом гидировать по звездам по крайней мере до 5 величины, даже с учетом поглощения в атмосфере на малых высотах. Больше повышать чувствительность нет смысла, поскольку более слабые звезды недостаточно хорошо видны в окуляр для точной ручной коррекции по склонению. Что касается точности гидирования, то при спокойной чистой атмосфере вообще незаметно каких либо смещений звезды относительно края щели (при этом изменения скорости двигателя, отрабатывающего ошибки некачественного редуктора, могут быть заметны даже на слух !). При сильном мерцании, а также при ветровых нагрузках на монтировку, конечно, появляются ошибки гидирования, но они все равно не превышают долей видимого диска звезды. Настоящими врагами описанной системы гидирования являются облака и неожиданно появляющаяся дымка, поскольку при ослаблении ведущей звезды более чем вдвое происходит полный срыв гидирования.

УСТОЙЧИВОСТЬ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Остановимся на вопросах устойчивости рассмотренной нами системы автоматического гидирования. Этой теме редко уделяется достаточно внимания в публикациях, рассказывающих о той или иной практической системе авторегулирования, хотя неустойчивость либо делает систему вообще непригодной к использованию, либо заставляет резко занижать ее характеристики.

Описанное выше устройство содержит два интегратора в петле обратной связи (ОС) - один на конденсаторе C5 уже упоминался, второй присутствует в неявном виде: схема управляет скоростью, а реагирует на перемещение телескопа относительно звезды. Схемы с двойным интегрированием в принципе неустойчивы, если не предусмотреть их частотную коррекцию, ведь тогда их фазовый сдвиг превышает 180^o на всех частотах, что неизбежно должно привести к самовозбуждению.

Можно отказаться от одного из интеграторов, заменив его простым усилителем, но в этом случае возникнет статическая ошибка регулирования (для любого изменения скорости, даже плавного, потребуется пропорциональное смещение звезды), особенно заметная при малом усилении, а при большом все равно сохранится опасность возбуждения (в схеме кроме интегратора неизбежно присутствуют и другие инерционные звенья).

Свободен от проблемы устойчивости только так называемый релейный вариант регулирования, где регулятор представляет собой компаратор, периодически включающий и выключающий исполнительное устройство при достижении входной величиной соответствующих порогов. Про релейный регулятор можно сказать, что он умышленно введен в состояние самовозбуждения, поэтому точность регулирования здесь самая низкая.

В нашем случае был выбран первый вариант (с двумя интеграторами в петле ОС), как обеспечивающий более высокую точность регулирования. Устойчивость системы достигается введением в регулятор наряду с интегрирующим еще и пропорционального звена, коэффициент усиления которого определяется отношением R26/R24. Принцип действия такого пропорционально-интегрального регулятора состоит в том, что сначала быстро (но неточно) отрабатывает пропорциональное звено, а затем необходимая точность добирается интегратором. В качестве примера реакции системы на внешнее воздействие на диаграмме A показан процесс захвата ведущей звезды при указанных на схеме номиналах элементов. По вертикальной оси отложено смещение края щели относительно центра звезды в угловых секундах. Если уменьшать сопротивление резистора R26, переходный процесс сначала приобретет вид, показанный на диаграмме B, а при дальнейшем уменьшении R26 колебания станут незатухающими (произойдет самовозбуждение). Увеличение сопротивления R26 приведет к возрастанию длительности переходного процесса, как это показано на диаграмме C. Другие параметры схемы (в частности, постоянная времени интегратора C5*R24) также должны выбираться разумно, иначе не удастся добиться нормальной работы ни при каких значениях R26. При этом наряду с коэффициентами усиления и постоянными времени каскадов электронной схемы должны учитываться параметры механической части петли ОС. Характеристики системы зависят от размера изображения звезды (но не от ее блеска !), от склонения звезды и от диапазона развиваемых двигателем скоростей (в нашем случае от 0,5 до 1,5 скорости суточного вращения). В случае замены шагового двигателя на коллекторный необходимо также учитывать инерционные свойства двигателя. Указанные на схеме номиналы обеспечивают получение приемлемых переходных характеристик при склонениях от 0 до 75o и диаметрах изображения звезды от 3" до 8" (здесь имеется в виду диаметр наиболее яркой части дифракционного диска). Показанные выше временные диаграммы рассчитаны для склонения 45o и размера изображения звезды 5" (границы изображения звезды показаны пунктиром).

Одним из наиболее удобных методов оценки устойчивости систем авторегулирования является построение амплитудно-частотной (АЧХ) и фазо-частотной (ФЧХ) характеристик коэффициента передачи петли ОС. На рисунке показан пример таких характеристик, рассчитанный для тех же условий, что и переходный процесс на диаграмме A. В точке пересечения амплитудной характеристикой уровня 0дб (где модуль петлевого коэффициента передачи равен 1) фазовая характеристика отстоит от порога самовозбуждения -180o на величину, называемую запасом по фазе. Для обеспечения устойчивости и получения переходного процесса без паразитных колебаний достаточным считается запас по фазе не менее 50...60o. Точка пересечения АЧХ с уровнем 0дб смещается при изменении склонения и размера изображения звезды (в случае расфокусировки), поэтому в рассматриваемой системе выбран запас по фазе больше 60o. Обычно АЧХ и ФЧХ строятся как сумма соответствующих характеристик составляющих систему типовых звеньев. В данном случае это два инерционных звена (каскады на ОУ DA1 и DA2), интегратор (двигатель и механическая часть) и пропорционально-интегральный регулятор (каскад на ОУ DA3.1). При замене шагового двигателя на коллекторный необходимо ввести еще одно инерционное звено, постоянную времени которого придется определить опытным путем. Параметры пропорционально-интегрального регулятора после этого следует скорректировать таким образом, чтобы сохранился необходимый запас по фазе. Подробнее о частотных характеристиках типовых звеньев и об анализе устойчивости систем авторегулирования можно узнать из специальной литературы. Простотой и четкостью изложения отличается, например, известная книга У.Титце и К.Шенка "Полупроводниковая схемотехника".

Фотоэлектрический гид безотказно работает у автора с 1994 года. С тех пор была лишь немного модернизирована электронная схема (пропорциональный регулятор заменен на пропорционально - интегральный). В 1997 году в номере 4 журнала "Земля и Вселенная" была опубликована статья Б.Н.Пустыгина "Фотоэлектрическое гидирующее устройство", где описан гид с аналогичным принципом действия, правда отличающийся рядом существенных деталей. К сожалению, несмотря на эту публикацию, подобные устройства не получили большого распространения среди российских любителей астрономии, хотя они резко снижают трудоемкость астрофотографии с длительными выдержками и позволяют свести к минимуму требования к механическим узлам монтировки. А ведь устройство на базе ФЭУ вполне доступно для самостоятельного изготовления, в отличие от распространившихся на Западе автогидов на ПЗС-матрице.

Переработанный вариант этой статьи опубликован в журнале ЗВЕЗДОЧЕТ, номер 9 за 2000 г.