Caracterização do Rotator de Instrumentos

Na base do tubo do telescópio de 1,60m do Observatório do Pico dos Dias (OPD) encontra-se o flange de rotação de instrumentos "Rotator". Neste flange são fixados todos os instrumentos científicos tais como câmeras, espectrógrafos e fotômetros, utilizados nas missões observacionais. Nesta nota técnica são relatados a utilização e o ganho de tempo obtido na operação de posicionamento do rotator, após sua automatização.

Introdução

O rotator de instrumentos serve para orientar o instrumento científico em qualquer ângulo em relação ao campo apontado pelo telescópio segundo as necessidades do observador. Esta vantagem é utilizada principalmente na orientação da fenda do espectrógrafo Cassegrain. O objetivo da automatização desta unidade foi permitir um posicionamento preciso e reduzir o tempo dispendido para efetuar a operação de rotação, anteriormente realizada manualmente.

Automatização

Sistema Mecânico

Para a automatização, o manípulo (cf. Fig.1) que propiciava o giro do Rotator foi removido e em seu lugar foi instalado um moto-redutor, formado por um motor de passo e um redutor do tipo coroa e rosca sem fim. Como esse redutor funciona como freio, mesmo com o motor desenergizado, as travas mecânicas do Rotator foram desativadas. O motor utilizado dispõe de um encoder incremental usado pelo sistema de controle para o posicionamento do Rotator.

Sistema de Controle

Foi instalado um controlador para o motor de passo que recebe do programa de automatização do telescópio (AUTO), por meio de uma porta serial, comandos de posicionamento do Rotator. Com uma relação de transmissão do motor para o rotator de 1:2844 e um encoder com resolução de 2048 pulsos/volta, a resolução angular do Rotator é de aproximadamente 0,22 segundos de arco.

Como o encoder acoplado ao motor é do tipo incremental, a posição do rotator não é conhecida quando o sistema é ligado, necessitando de um ponto de referência.

No momento, o ponto de referência é dado pelo operador do telescópio, que lê o ângulo em um mostrador mecânico já existente no Rotator. Está sendo instalado um encoder absoluto que permitirá a leitura automática desse ângulo. A introdução do ponto de referência, tanto a obtida pelo operador quanto aquela obtida através do encoder absoluto, não é de grande precisão (da ordem de +/- 0,1º), mas uma melhoria dessa precisão não traria resultados práticos, uma vez que a instalação dos instrumentos periféricos no telescópio não garante a repetibilidade da posição de trabalho do instrumento. Por isso, é necessário que o usuário calibre o zero da escala do ângulo do Rotator, antes de poder utilizar o Rotator com precisão.

Operação Manual

Para a movimentação manual do rotator, necessária durante a troca de instrumentos, o controlador disponibiliza 3 botoeiras de contato momentâneo chamadas CW, CCW e VEL. A Tabela 1 mostra o movimento do rotator em função do estado dessas chaves.

Tabela 1: Estado das chaves no rotator
CW	CCW	VEL	Movimento do rotator
1	0	0	Giro sentido N ==> E, velocidade baixa
0	1	0	Giro sentido N ==> W, velocidade baixa
0	1	1	Giro sentido N ==> W, velocidade alta
1	1	0	Giro sentido N ==> E, velocidade alta
1	1	0/1	Não gira
0	0	0/1	Não gira
Tabela 1: Controle manual (1 = chave pressionada, 0 = chave desligada)

Operação Remota

No programa AUTO foram disponibilizadas ao usuário, além da escala onde se lê o ângulo mecânico do Rotator, duas escalas virtuais: a relativa e a azimutal. Ambas permitem que o usuário estabeleça o zero das escalas, trabalhando a partir daí com ângulos relativos (na faixa entre -180º e +180º) ou ângulos azimutais (na faixa entre 0 e 360º) de forma independente, bastando selecionar a escala desejada. Mudanças feitas no ângulo do Rotator em qualquer das escalas são automaticamente transportadas para as outras escalas.

Uma janela do programa AUTO de automatização do telescópio disponibiliza os seguintes comandos para o usuário:

Calibração da referência da escala com o Espectrógrafo Cassegrain

A calibração da referência das escalas do Rotator consiste em zerar as escalas azimutal e relativa quando a fenda do espectrógrafo se encontrar alinhada com a direção norte-sul ou leste-oeste do telescópio. Isto pode ser feito da seguinte forma:

1) Ajustar a abertura da fenda entre um e três segundos de arco. 2) Apontar o telescópio para uma estrela com magnitude visual entre 7 e 10 (ou V entre 6 e 11) 3) Usando a tela do auto-guider, centrar a estrela na parte superior da fenda, como ilustra a posição A da figura 2. 4) Executar o procedimento de alinhamento da fenda descrito abaixo. 5) No AUTO, com a ajuda dos comandos para selecionar e zerar escala(ver tópico "Operação Remota" acima), zerar as escalas azimutal e relativa.

Procedimento para alinhamento da fenda

1) Usando a tela do auto-guider, centrar a estrela na parte superior da fenda, como ilustra a posição A da figura 2. 2) Mover o telescópio em uma única direção (normalmente Sul) até que a estrela se desloque para o limite inferior da tela do auto-guider. 3) Se a estrela se mantiver no centro da fenda o alinhamento está correto. Caso a estrela se afaste do centro da fenda (imagem fora da fenda ou assimétrica em relação às bordas da fenda), girar levemente o Rotator de forma a diminuir pela metade o afastamento observado e repetir todo o procedimento.

1) Usando a tela do auto-guider, centrar a estrela na parte superior da fenda, como ilustra a posição A da figura 2. 2) Colocar o cursor do auto-guider centralizado com a estrela e anotar as coordenadas do cursor (Xa, Ya). 3) Mover o telescópio em uma única direção (normalmente Sul) até que a estrela se desloque para o limite inferior da tela do auto-guider. 4) Se a estrela se mantiver no centro da fenda o alinhamento está correto. Caso contrário (imagem fora da fenda ou assimétrica em relação às bordas da fenda), colocar o cursor do auto-guider centralizado com a estrela, observando as novas coordenadas do cursor (X, Y). 5) Estimar o ângulo para corrigir a posição do rotator através da expressão: Ângulo de correção = 0,5*arctg[(X - Xa)/(Y - Ya)] 6) No AUTO, com a ajuda do comando "Mudar ângulo do rotator" (ver tópico "Operação Remota" acima), introduzir a correção e repetir todo o procedimento.

Esta operação não deve tomar mais que 10 minutos na primeira noite, e provavelmente tomará menos tempo na segunda e subseqüentes noites.

Fig.2: Estrela padrão LTT 4816 (V = 13.79) e largura de fenda de 0,5 segundos de arco. A imagem total é aproximadamente a imagem mostrada pela buscadora . A imagem total é aproximadamente 2,2 x 3,1 minutos de arco.

Erros angulares

Para uma eficiente utilização do Rotator, o observador deve ter os ângulos previamente calculados para cada objeto (e/ou cada posição de fenda) que pretende observar.

Na janela de guiagem (aproximadamente 286 x 400 pixels de campo) o erro de posicionamento da fenda dependerá do tamanho da imagem dos objetos a serem medidos. Se o objeto é angularmente grande, este ocupa grande parte do campo e o erro do ângulo calculado não pode ser maior que 3,5 graus para uma fenda de 3 segundos de arco. Ângulos calculados com erros maiores podem fazer com que as medidas sejam obtidas em regiões um pouco diferentes do objeto. Se o tamanho angular dos objetos for menor, o erro do ângulo fornecido pode ser um pouco maior, até 6 graus (para uma fenda de 3 segundos de arco) mas, o observador pode deixar alguma estrutura ou nódulo de seu interesse fora da fenda.

Por exemplo, na Fig.3 são apresentadas duas situações. No objeto da esquerda (a), a fenda, representada pela linha horizontal, foi posicionada a -1,5 graus a partir do ponto zero da fenda ajustado na direção E-W. Na linha vertical a fenda foi colocada para um ângulo de +86 graus a partir da horizontal. Para ambas posições um erro angular de 1,4 graus poderia ser aceitável, mas 3,5 graus já seria considerado grande. O mesmo acontece com o objeto da direita (b), onde o ângulo calculado para posicionar a fenda no anel é de 83 graus (medido desde a horizontal no sentido N Þ W), e no bojo -24 graus (medido da horizontal na direção N Þ E). A Fig.4, por outro lado, mostra um objeto de tamanho aparente menor, em que um cálculo da posição da fenda com um erro menor de 4 graus é aceitável.

Fig.3: (a) galáxia anelada FM 47-9: fenda posicionada a +86 graus (linha vertical), sentido anti-horário a partir da direção E-W (horizontal), e fenda posicionada a -1,5 graus da horizontal, sentido horário. (b) da mesma forma para a galáxia anelada Polar ESO 322-IG69, os ângulos calculados para as simetrias anel (+83 graus) e bojo (-24 graus).

Fig.4: Galáxia anelada Normal HRG 57205. A orientação precisa da fenda é importante para poder colocar toda a barra deste objeto dentro da fenda. O ângulo fornecido ao Rotator foi de +48,013 graus. Estima-se que para determinar esta posição o observador pode apenas fornecer um ângulo com precisão de ± 3 graus.

As margens de erro sugeridas acima consideram apenas os erros relativos ao cálculo dos ângulos. Por construção (e confirmado com medidas), o erro mecânico é menor que 0,01°, conclui-se então que eventuais erros, quando significativos, se originarão em falhas (humanas) de operação ou cálculo do ângulo da fenda.

Ganho Operacional

O ganho operacional com a automatização do Rotator é considerável, quando o observador tem todos os ângulos bem definidos e calculados. A rapidez de deslocamento do Rotator garante economia de tempo de no mínimo 4 minutos para cada mudança na posição da fenda, chegando a um ganho de tempo maior quando o objeto a ser observado encontra-se em declinações grandes. De fato, em levantamento feito nos últimos três anos, o ganho médio é de uma hora e meia para cada 10 horas de observação, sendo registrado um caso de ganho de duas horas e quinze minutos, em uma noite. A tabela 2 mostra o ganho obtido no posicionamento da fenda com a automatização do Rotator.

Tabela 2: Ganho Operacional no posicionamento de fenda
Atividades	Alinhamento Visual (minutos) Como antigamente		Automática (minutos) Visual/Analítico
	Pior	Melhor	Pior	Melhor
Alinhar Fenda	Não existe registro	Não existe registro	16	5
Posicionar Fenda	20	6	1 a 1,5	0,07 (*)

(*) certamente que este valor corresponde a ângulos próximos da posição "zero" relativa da fenda, seja esta E-W ou N-S.

Existe também um outro fator que consome tempo durante as observações, que é a colocação do objeto no centro da fenda. Esta operação é manual e sua rapidez depende principalmente da experiência do assistente noturno do momento. Obtém-se valores médios de 1,4 minutos no melhor dos casos e 2,45 minutos no pior.

Comprovação

Foram observadas algumas galáxias sobre as quais já havia resultados sobre a orientação da fenda, fluxo das linhas principais e velocidades, calculadas para regiões da borda do bojo. Os resultados praticamente não diferem daqueles obtidos antes da implantação da automatização do Rotator. Ambos eventos de medida foram cuidadosamente preparados. A diferença em velocidades entre os dois períodos observados para os mesmos objetos é menor que 7%.

NOTA: Até o momento da publicação desta Nota Técnica, equipe continua trabalhando e melhorando o sistema do Rotator. Para informações mais recentes, veja a página do Laboratório Nacional de Astrofísica: old.lna.br