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高精密望遠鏡における電気機械システム導入
現代の天文学は、遠隔銀河、外惑星、および一時的な現象の細かい詳細を解決することができる望遠鏡に依存します。 サブアーク秒の精度を達成する - 40キロからダイムを打つことの同等 - 高品質の光学を必要とする。 それは、地球の回転を補正するターゲットに、すべての運動を制御する洗練された電気機械システムを必要とします。 これらのシステムは、電気アクチュエータ、センサー、および光学機器を組み合わせる、より大きな光学機器の設計に大きな光学機器を組みます。
この記事では、高精度の望遠鏡操作における電気機械システムの部品、アプリケーション、利点、および課題を詳しく見ていきます。 これらのシステムは、宇宙物理学の画期的な機能を可能にし、地球のほぼ惑星を追跡し、惑星の大気のスペクトルをキャプチャする方法を検討しています。
電気機械システムの主なコンポーネント
あらゆるテレスコープ電気機械システムは、アクチュエータ、センサー、コントローラー、パワーマネジメントの4つの主要なサブシステムに分解することができます。それぞれは、最小限のレイテンシと高い繰り返しで動作しなければなりません。
アクチュエータ: モーターおよびドライブ
Telescopesは、モータの2つの主要なタイプを使用します。ステッピングモータとサーボモータ]。ステッピングモータは、ディスクリートステップで移動し、フォーカス機構のような低速、高トルクアプリケーションに適しています。サーボモータは、セロシャルオブジェクトをスムーズに追跡するためのクローズドループフィードバックで継続的な回転を提供します。 より大きなオブザーブは、多くの場合、そのモータは、その精度を向上するために、その方向性を低減します。
エンコーダと位置センサー
[]エンコーダ]]は、回転位置をデジタル信号に変換します。 絶対エンコーダは、電力損失後であっても位置を保持し、増分エンコーダは、相対的な動きを測定します。 高精度の望遠鏡は、回転数千行のテープエンコーダまたはリングエンコーダを使用して、0.01アーク秒またはファインダーの解像度を達成します。 ロータリーエンコーダに加えて、リニアエンコーダは、コアの方向に方向づけられた速度を調節するための二次ミラー位置を監視します。 一部の光ファイバは、独立して速度を調節します。
コントローラー: リアルタイム処理
コントローラ(プログラム可能なロジックコントローラーまたは専用のモーションコントローラー)は、センサーデータを処理し、1kHzを超える速度で制御ループを実行します。 []]PID (proportional-integral-derivative)アルゴリズム[]は標準ですが、現代の望遠鏡は、フィードフォワードとモデル予測制御を想定し、障害を予測します。 [Ge Observatory[FLT:]を各々に分散させたネットワークを高速制御する機能を使用するようにします。
電源および条件
安定した電力は、非交渉可能です。電圧変動は、トラッキングでジッタを導入することができます。超低騒音のリニア電源は、感度電子(例えば、カメラコントローラ)に優先され、スイッチモードは、高電流モータードライブを処理します。多くの施設は、無停電電源装置(UPS)とテレスコープ構造から電気ノイズを分離するシステムを採用しています。
望遠鏡の操作の適用
電力学システムは、ただ、望遠鏡を動かすのではなく、観察のあらゆるフェーズに不可欠です。
精密なポインティングとスライディング
絞りは、ひとつのターゲットから別のターゲットに、両方の迅速かつ正確であるように、望遠鏡を回転させます。 典型的なスルーは、30秒以内に高度のアジマスと60°で180°をカバーする可能性があります。 電動メカニカルシステムは、大規模な構造を加速し、コマンドされた位置の1秒以内に滑らかに減速します。 エコーダフィードバックと高品質のマウントモデル(ポイントキャリブレーションから導きます)は、フレクチャ、反応、およびLTS / LTS / および最大測定値の繰り返しを可能にします。 [F] [F] [F] [F] [F] [F] 測定] 測定] 測定値] [F] [F] 測定] 測定値] 測定値] [F] [F] [F] [F] 測定値] 測定値] 測定値] [F] [F] 測定値] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F
リアルタイムトラッキング
地球が回転するにつれて、テレスコープはフィールドに中心に星を巻き込むように補正しなければなりません。 サイドリアルトラッキングレート(23h56mあたり1回転)は大気の屈折、希釈異常、および適切な動きによる小さな補正によって変更されます。 トラッキングは、クローズドループ制御を介して実施されます。 コントローラは、エンコーダ速度に基づいてモータ速度を調整し、時々別のガイディングカメラを調節します。 ソーラー望遠鏡の場合、追跡レートは、Sun's's's'sの動作を監視するために、太陽のドライブと太陽のドライブの両方に従順に追跡する必要があります。
自動ガイドおよび活動的な光学
完璧な追跡、大気の見晴らし、望遠鏡の屈曲はイメージの漂流を引き起こします。自動ガイドカメラはガイドの星を捕獲し、遠心分離機のオフセットを計算し、望遠鏡の二次ミラーの先端傾きか、またはマウントの追跡率に訂正を送って下さい。現代システムはを組み込みましたり、活動的な光学:第一次ミラーの形は電気機械のアクチュエータによって実際の時間で調節され、熱変形および36の区分に支えられた3つの区分は維持します。
電気機械システムの利点
旧式な機械式または油圧システムと比較して、電気機械設計は決定的な利点を提供します。
- サブアーク秒精度:高解像エンコーダと低摩擦ベアリングで0.1アーク秒のエラーが達成可能。
- []Automationとリモート操作:観測者は、自動校正でキュースケジュールされた観察を実行し、一晩無人で実行できます。
- 信頼性]:ソリッドステートエレクトロニクス、ブラシレスモーター、および密封されたエンコーダは摩耗を減らします。 現代のドライブシステムに対する障害間の平均時間は、10,000時間を超えることが多い。
- []柔軟性]:ソフトウェアは、ハードウェアの変更なしでプライムフォーカスからナシマスフォカルステーションに切り替えるなど、さまざまな機器の制御パラメータを再構成することができます。
チャレンジとメンテナンス
一方、電気機械系は、持続的な課題に直面しています。
機械的摩耗と疲労
ベアリング、ギア、ケーブルは、循環的ストレスを経験します。 30メートルの望遠鏡を絞り込むと、巨大な慣性負荷が導入されます。 悪い弱気化は、トラッキングを劣化させる振動を引き起こす可能性があります。 トルクチューブ、ワームギア、ケーブルラップの定期的な検査が不可欠です。 []]James Webb Space Telescopeは、この偏波システムで緩和されたが、地上の望遠鏡では定期的にモータとモータを交換する必要があります。
校正とモデリング
すべての望遠鏡は、視力、熱膨張、エンコーダオフセットの考慮するモデルを指す必要があります。正確なモデルを作成するには、空とフィッティングの多項式をマッピングする時間消費プロセスが含まれます。風揺れ、雪の積載、または温度勾配などの環境要因は、適応再較正が必要です。
熱経営
電気機械部品は熱を発生させます。モーター、コントローラーおよび電源はローカル空気温度を上げ、映像を汚す泥(ドームの見る)作成できます。観測装置は受動の冷却(ヒートシンク、流体ループ)を使用し、時々活動的な温度制御を使用します。Gran Telescopio Canariasは周囲の0.5°C内のミラー セルを維持する熱調節システムを組み込みます。
電磁干渉(EMI)
スイッチング電源とモータードライバは、感度検出器や補助装置を破損させる電気騒音を生成します。 シールド、フェライトビーズ、および分離された地面は必須です。 多くの望遠鏡は、科学カメラから遠く離れたモータードライブ用の別の電気室を持っています。
今後の展開
オンゴイニング研究では、さらに、望遠鏡用の電気機械系を改善することを約束します。
高解像度エンコーダ
ナノメートルスケールでの変位を測定する干渉測定エンコーダが新登場します。適応光学と統合すると、観察が悪い場合でも、分岐率のイメージングが可能となります。
予測メンテナンスのための機械学習
モータの電流、振動、温度を監視することで、機械学習アルゴリズムは、ベアリングの故障や誤差の週数を事前に予測できます。Vera C. Rubinの展望台は、このような予測モデルを使用して、昼間のメンテナンスをスケジュールする計画です。
軽量材料および直接ドライブ
カーボン‐ファイバー構造とダイレクトドライブモーターは、移動量を減らし、より高速な旋回と消費電力を削減します。欧州の非常に大きな望遠鏡(E-ELT)は、すべての軸にダイレクトドライブを使用し、合計移動量が3,000トンを超えるが、0.5秒以上も向上するように設計しました。
量子-高められた感知
量子の角度のレートセンサーの研究は、超安定的なポインティングのための機械ジャイロスコープを置き換えることができます。これらは、漂流に影響力が少なく、再較正なしで何年も動作する可能性があります。
コンテンツ
電気機械システムは、現代の高精度の望遠鏡の動作の背骨です。最小のポータブルイメージングリグから39-meter ELT、電子機器、ソフトウェア、精密機械の融合により、アストロマーがこれまで--greaterの明快さでコスモスをプローブすることができます。このような熱管理や摩耗などの課題は、よりスマートな材料と制御アルゴリズムによって対処され、将来の望遠鏡は、今日の到達範囲外に見える安定性と精度を実現します。これらの進化は、これらの新しい星の計画から始まる新しいシステムを発見します。