Тайминг астрономических событий

[TMN]

Ребята, давайте здесь обсуждать вопросы точной фиксации времени наступления астрономических событий. Ато эта важная информация как то разбросана где попало мелкими вкраплениями. 

[acmajor]

В ветке "Журнал наблюдений покрытий звёзд астероидами" я дал предположительные варианты синхронизации, но есть еще один метод. Предположим у вас есть GPS-приемник с выдачей PPS. Вешаем этот сигнал на шину управления затвором (например в фотоаппаратах Canon есть разъем для подключения пульта, который работает на замыкание 2-х контактов). Теперь при поступлении сигнала PPS будет срабатывать затвор камеры. Таким образом каждый кадр будет начинаться точно в следующую секунду UTC. К сожалению я не знаю задачи (как часто нужно открывать затвор и какая приемлемая длительность накопления кадра). Если кадр в секунду, то это наиболее бюджетный вариант. Выставляете время экспозиции и подключаете секунду. Обычно длительность секундного импульса составляет порядка от нескольких до десятков микросекунд, т.е  импульс на открытие затвора дали, а сколько накапливать камера знает сама (параметр выставлен заранее). И конечно же нужно электрически согласовать выходной сигнал PPS с коммутируемой нагрузкой камеры. Но в этом я проблемы не вижу. Обычные оптронные ключи дают фиксированную задержку в пределах 5-20 микросекунд. Ее можно при необходимости измерить и учитывать в постобработке.

[Degen1103]

А что значит "глобальный затвор"? Какая модель камеры (чтоб почитать)?

QHY174GPS
У меня, естественно, такой камеры нет и весьма сомнительно, что появится в этой инкарнации.

[acmajor]

Согласен (для меня и 7 000 р для Т7-дорого). Опять же на мой взгляд дилетанта (не знающего требуемых параметров измерений), аппаратное решение может быть простым. У меня фотокамера Canon 40D. она позволяет делать серию снимков до 6 к/сек. Реальное время будет меньше, поскольку нужно еще эти кадры перенести из оперативной памяти на носитель (или в ПК). Время переноса нужно измерять - я этого не делал. Ставим серию снимков например в кол-ве 4 и запускаем аппарат от PPS (как я описал выше ). В результате получаем серию из 4-х кадров, где первый железобетонно привязан к началу мировой секунды. И так сериями по 4 кадра хоть всю ночь.  Для калибровки системы ставим широкоугольный объектив и снимаем пролетающие вблизи зенита спутники (в зените максимальная визуальная (или угловая) скорость и наименьшая поправка на рефракцию). Монтировка (камера) неподвижна. Полученные несколько серий по 4 кадра (для каждого спутника отдельно) складываем в один и получаем пунктирный трек спутника по небу. Этот след будет иметь характерную  особенность - 4 точки, потом промежуток, потом опять 4 точки и т.д. Промежуток - это время после последнего кадра до прихода мировой секунды. Начало группы из 3-х кадров это мировая секунда. Координаты точек (или штрихов) легко определить например в ПО Maxim. Соответственно и по координатам (зная какую экспозицию мы установили) можно определить и время следующего за первым кадра. Набрав статистику из серии таких пролетов мы получи значение мат.ожидания и дисперсию (предположительное время задержки и его разброс).

[TMN]

А что значит "глобальный затвор"? Какая модель камеры (чтоб почитать)?

Глобальный затвор - это способ считывания сигнала с матрицы видеокамеры. По сигналу считывания все светочувствительные ячейки матрицы одновременно сбрасывают накопленный за время экспозиции заряд на буферные ячейки. Буферные ячейки не являются светочувствительными. Заряд, переданный буферным ячейкам последовательно переносится на устройство считывания, пока идёт экспозиция следующего кадра светочувствительными ячейками.
А вот у меня такой вопрос к знатокам, ежели таковые найдутся. Для своего тайминга я пользуюсь USB-GPS устройствами - весьма компактными и дешёвыми устройствами gps навигации. Помимо NMEA сообщений такие дают постоянные световые вспышки с периодичностью 1 раз в секунду и очень напоминающими реакцию устройства на приход 1 PPS сигнала. И вот вопрос, действительно ли это вспышка привязана к 1 PPS сигналу? Кто нибудь знает? Может она формируется по какому то алгоритму из NMEA сообщений, или ещё каким способом. Я уже писал производителям и продавцам таких свистулек, но никто ничего толком не ответил. 

[Ihtamnet II]

С этим таймингом такой дурдом, что отпадает всякое желание участвовать в наблюдениях, с ним связанных.
И это в век сплошного GPS и пр.

[TMN]

Я в своё время ставил некоторые опыты для определения, что есть такое эти вспышки. Первые опыты это сравнение времени вспышки на usb-gps свистульке с временем вспышки светодиода, подключенного к звуковому выходу радиоприёмника с SSB режимом и настроенного на частоту РВМ. Совпадение сигналов было почти идеальным, с разницей в 6 - 8 миллисекунд. Причём эта разница легко объяснялась задержкой распространения радиосигнала в ионосфере и аппаратной задержкой сигнала в самом радиоприёмнике. Однако, основанный на вспышках метод привязки тайминга, каждый раз при наблюдении Лунных покрытий почему то даёт запаздывание события на 0,16 секунд в среднем. И сигнал радиоприёмника и расчётные моменты Лунных покрытий считаются эталонными моментами для выяснения точности тайминга. Съёмка и того и другого идёт по одинаковой методике с одинаковым оборудованием. Вот и не пойму никак, где собака порылась. Как мне выявить реальную точность тайминга на основе usb-gps устройств?

[acmajor]

По поводу глобального затвора - то он есть у всех камер, которые могут в своих конфигурационных установках изменять время экспозиции. Предположим у Вас есть камера со стандартным выходом 25 кадров в секунду и есть возможность установить экспозицию 1/1000 сек. Это и есть затвор. Далее идет обычная передача зарядов в выходной регистр. Существуют матрицы с кадровым и строчно-кадровым переносом. Кадровый перенос это весь накопленный кадр построчно переносится в секцию хранения, откуда каждая строка поэлементно выводится в регистр. Строчно-кадровый перенос это когда первая строка переносится в регистр и поэлементно выводится. Потом вторая строка переносится и поэлементно выводится и т.д. Но это уже методы считывания, а не накопления сигнала. В старых матрицах (80-90х годов прошлого века) затворов не было и размах выходного сигнала регулировался схемой АРУ (автоматическая регулировка усиления). В современных матрицах такой затвор есть. Поэтому можно устанавливать фиксированный коэффициент усиления (в фотоаппаратах он называется ISO) и менять время экспозиции (в фотоаппаратах это называется выдержка).
Что касательно PPS в GPS то светодиод это может быть индикатор выхода первого готового сообщения (это не секунда. Как я писал это от 0,1 до 0,3 сек плавающей задержки). К сожалению производители действительно не сообщают о таких деталях. С протокола NMEA ничего не формируется однозначно. Приемник принимает сигналы одновременно с нескольких спутников (в зависимости сколько он имеет каналов приема (14, 16, 24 и т.д.) , обрабатывает все и выбирает например три наиболее подходящих по невязкам. В следующую секунду он опять принимает все, но PPS выдает на основании выбранных трех. После этого он высчитывает на сколько он ошибся по времени при выдаче этой секунды и в NMEA выдает эту поправку. Если у выбранных со временем ухудшаются параметры невязки, то для выдачи PPS он выбирает другие, более близкие с меньшими ошибками невязки. У каждого приемника погрешность выдачи PPS разная. Этот параметр обычно указан в паспорте. Но обычно это не более 250 наносекунд. Может вместо свистулек купить на АЛИ приемник с PPS сигналом (около 200 руб) и адаптер USB-COM с преобразователем уровней (еще 150 руб).

[acmajor]

Однако, основанный на вспышках метод привязки тайминга, каждый раз при наблюдении Лунных покрытий почему то даёт запаздывание события на 0,16 секунд в среднем

А опишите методику этой привязки. И я не знаком с сигналами РВМ. Это что и на каких частотах? Я знаю о передаче сигналов эталонного времени на 5 и 15 МГЦ. Но там, насколько я помню, тональный сигнал и погрешность будет складываться с погрешности модулирующей несущей + частота тональной несущей. Мы им пользовались для привязки не хуже 0,01 сек (но это насколько я понимаю очень много).

[acmajor]

Можно придумать кучу способов проверки PPS. Например проверить время от секунды до секунды частотомером Ч3-34. У него достаточно разрядов для наносекундной точности. Можно собрать простенький генератор на кварце и проверить кол-во отсчетов от сек. до секунды (только желательно чтоб генератор поработал часок для прогрева и температурной стабилизации). Мой не стабилизированный кварц на 8 МГц дает количество отсчетов от 7 999 522 до 7 999 525 что соответствует паспортной стабильности 10^-6. Допустимые биения PPS (как я писал ранее) должны быть не более 0,5 мксек. Если как Вы пишите биения 2 мсек (от 6 до 8 мсек) это в 1000 раз хуже заявленной в паспортах. Следовательно это не PPS. И еще маленькое замечание. Все приемники должны управляться командами пользователя (о которых производители почему-то молчат). Так вот у этих приемников три режима выдачи PPS. 1-выдавать постоянно (даже если еще нет определений со спутников), 2-вообще не выдавать и 3-выдавать только в случае определения секунды с гарантированной точностью. Нам нужен только режим 3. Какой установлен в заводской установке - не известно.
И еще момент. Не жалейте приемник. Чем дольше он включен, тем точнее привязка (из опыта это часа через 2). По опыту-да, он укладывается в коридор, но биения от секунды к секунде +/- 30 нс. После длительных определений биения +/- 2 нс. т.е там все время он меняет определения в диапазоне, а после длительной работы идет очень плавное изменение невязки.

[Ihtamnet II]

Такие точности вряд ли имеют смысл при видеофиксации стандартными средствами, потому что ни отличия во времени экспозиции отдельного кадра ни задержки при записи и пр. никак не уложатся в микросекундные значения.

[Degen1103]

Смутно брезжит в сплетеньях нейросети, что лет 20 назад на астрофоруме мельнуло объявление то ли Киевского унивеситета, то ли Харьковского, то ли обсерватории какой-то украинской (но точно не КрАО) с предложением программно-аппаратного комплекса для тайминга покрытий. Суть уже не припомню, но если кто-то знает, о чём речь, или сумеет откопать в культурном слое - интересно сравнить, устарел ли метод или вполне пригоден.

[xd]

Достоверно знаю, что @1212Lupus занимался проблематикой вопроса.

[Degen1103]

то ли Киевского унивеситета,

Ммммда, кажется, оттуда... Во всяком случае, асторометрией астероидов и покрытиями там занимаются или занимались когда-то.

[TMN]

А опишите методику этой привязки. И я не знаком с сигналами РВМ. Это что и на каких частотах?

О сигналах РВМ можно почитать здесь https://ru.wikipedia.org/wiki/RWM , или здесь http://www.sat.belastro.net/glava4/glava4.php . Это радиостанция эталонных сигналов атомного времени. Сравнение сигналов срадиостанции РВМ и usb-gps свистульки я делал следующим образом: На звуковой выход радиоприёмника я подключал светодиод и включал радиоприёмник в SSB режим. В этом режиме сигнал радиостанции начинал выделяться очень чётко и, с приходом каждого импульса секундной метки, светодиод вспыхивал. При приёме сигнала с РВМ расчётная задержка сигнала в ионосфере составляла около 5 мс. Кроме того наверняка имелись задержки в самом радиоприёмнике, задержка зажигания светодиода из за его вольт-амперной характеристики и нестабильность зажигания светодиода из за действующих шумов. Это где то ещё 1-3 мс. Рядом со светодиодом я размещал usb-gps свистульку с его собственной светодиодной сигнализацией. Затем снимал вспышки от этих устройств на высокой скорости (около 500 к/с.). При просмотре видео выяснялось, что вспышка светодиода от радиостанции РВМ происходила позже чем от светодиода usb-gps свистульки на 6-8 мс. Произведено несколько таких съёмок в разное время. Результат всегда одинаковый. Посмотреть видео подобного эксперимента можно здесь https://disk.yandex.ru/d/1hlEfdRVDFS1Gw (видео лучше смотреть в покадровом просмотре). Тут, правда, снято не на такой высокой скорости (200 к/с.), но синхронность вспышек видна. В центре видео вспыхивает светодиод от радиоприёмника (радиостанции РВМ), а по краям от двух usb-gps устройства. Вспышки usb-gps свистулек были настроены на очень малую длительность (1 мс.), поэтому они значительно короче вспышек от радиоприёмника (100 мс.).
Теперь о методе тайминга, который я применяю. Суть метода в том, что если известно событие, время появления которого известно с высокой точностью, то сняв это событие на видео можно привязать время каждого кадра относительно кадра, на котором появилось событие. И одним из таких очень удобных событий может быть вспышка светодиода от 1PPS сигнала. Привязать кадры видео с точностью до секунды - дело не сложное. Вот с точностью до сотых долей секунды - это проблема. Для наблюдения покрытий чем точнее тайминг, тем лучше, но микросекундные точности нам не нужны. Так что является ли стабильность 1 PPS сигнала 0,5 микросекунд, или 25 микросекунд рояли в наблюдениях не играет. Главное, что точность до 1 мс. обеспечена. При записи покрытий я ставлю usb-gps свистульку перед объективом телескопа и записываю мигания его светодиода. На кадре, в котором появляется вспышка от светодиода я смотрю штамп времени. Незадолго до записи я синхронизирую компьютер со временем GPS с помощью той же свистульки и специальной программы синхронизации, такой как, например SatTime SatTime - синхронизация времени на компьютере через GPS/ГЛОНАСС/Galileo . Так что после этого в секундной точности я уверен. Если судить по вспышке, то обычно на кадре, в котором регистрируется вспышка, штамп времени показывает невязку с началом новой секунды до 40 мс. (частота съёмки видео устанавливается от 10 до 100 к/с). При этом от вспышки к вспышке значения этой невязки меняются очень медленно - 1...1,5 мс/мин. и может быть учитана при обработке тайминга покрытий. На всякий случай, такие невязки я снимаю в начале и конце видео, чтобы лучше учесть скорость её изменения. Штамп времени, на котором происходит событие я потом корректирую измеренной и просчитанной невязкой. Это в общих чертах моя методика. Есть нюансы, улучшающие точность определения невязки, но их здесь долго объяснять. При такой методике общая точность определения времени события составляет чуть больше времени двух кадров видео и вполне могла бы меня удовлетворить, если бы не наблюдения лунных покрытий, которые показывают, что расхождения между расчётными моментами покрытий и моментами, полученными из наблюдений постоянно колеблются около 0,16 секунд. Обычно я снимаю лунные покрытия на скорости 50 к/сек. Так что расхождение получается в среднем до 8 кадров видео и такое сильное расхождение меня озадачивает. То ли в расчётах покрытий что то не так, то ли в методике тайминга то ли ещё какой то неуловимый момент... Пока у меня этот вопрос прояснить не получается.

[acmajor]

В принципе методика хорошая но...
1) При сравнении светодиодов GPS и РВМ Вы решаете систему двух уравнений с тремя неизвестными. У Вас три нестабильных источника два- сравниваемые и третий нестабильность видеокадров.
2) РВМ это как раз те передатчики о которых я и говорил. SSB - это хорошо, но это все равно разновидность амплитудной модуляции и на какую полуволну попадет начало сигнала (нарастающую или спадающую) это неизвестно. Поэтому нестабильность половины периода низкочастотного модулирующего сигнала приемника+передатчика (а это уже период) нужно учитывать (иметь ввиду что она есть).
3) Я провел измерения выдачи сообщений GPS-приемника и могу обрадовать (хотя бы в этом) они достаточно стабильны (относительно PPS +/- 1мксек. И если светодиод в свистульке поджигается передачей данных, то начало выдачи первого сообщения достаточно стабильно. Единственное, что оно не соответствует PPS, но это будет только систематическая ошибка и учесть Вы ее не сможете (на то она и систематическая)
4) Из 3-го следует: светодиоды должны иметь хорошую временную стабильность, а они у Вас в записи гуляют на 3 позиции (по встроенному счетчику). Это говорит о нестабильности видеоряда от кадра к кадру.
Исходя из вышеописанного погрешность 8 позиций в видеоряде - это минимальная.
Теперь что касательно методики измерений. Одно только слово "...синхронизирую ПК..." перечеркивает все Ваши настройки. Я так понимаю у Вас Windows? О нем я писал ранее. Это мало того что операционка не реального времени, так она еще и многозадачная! Попробуйте синхронизировать, начать запись и после этого запустить например калькулятор (или другую программу). Результат не заставит себя ждать. А какие задачи и в какой момент времени запускает сама операциока в фоновом режиме без ведома пользователя можно увидеть в диспетчере задач (скачет как скаженный).Наши программисты даже раскопали в видовсе систему приоритетов выполнения программ, ток даже это не спасло. На май взгляд (об этом я тоже писал) система единого времени должна быть отдельно стоящей. Конечно сделать отдельный блок да еще и состыковать его со своим оборудованием для многих непреодолимо, но как вариант может попробовать отдельный (слабенький) ПК со старенькой DOS? По крайней мере это однозадачная среда и она будет заниматься только временем.
Есть решение, но оно не для этого форума. После набития шишек я понял, что единственным решением (кроме отдельно стоящего ящика или сервера времени) будет плата в слоте PCI в которой будет GPS и собственный генератор (можно тактовый системной платы) и если нужно привязать какое-то событие, то система спрашивает у платы "Сколько времени?" и плата выдает это значение. К сожалению реализовать с 13-го года до увольнения не успел. Сейчас в сети появились сообщения, что буржуи такую плату сделали и еще и в открытоп проекте. Будем надеяться что скоро поступит в продажу.

[1212Lupus]

Предположим у вас есть GPS-приемник с выдачей PPS. Вешаем этот сигнал на шину управления затвором (например в фотоаппаратах Canon есть разъем для подключения пульта, который работает на замыкание 2-х контактов).

acmajor, использовать затвор DSLR-камер нельзя -- большой разброс задержки срабатывания (250-500 мс), лет 10-12 назад на форуме обсуждалось. Единственный приемлемый вариант, который мы предлагали -- использовать "горячий башмак" этих камер.

Подробности разных методов тайминга для наблюдения покрытий методом дрейф-скана (или наблюдения ИСЗ -- там тот же принцип используется) я описал на странице http://www.sat.belastro.net/glava4/glava4.php , TMN выше давал ссылку. Развитие этого направления получило в прототипе, который мы с @Deimos сделали несколько лет назад. Достижимая точность постановок меток времени -- 0,1 мс. Остаётся большой вопрос с задержкой между срабатыванием контакта "горячего башмака" и началом/окончанием накопления сигнала на матрице. Задержка может быть как положительная, так и отрицательная -- т.е. либо башмак срабатывает первым, либо накопление сигнала. На Canon 450D мы лет 10 назад намеряли 1,6 с задержки, а для Canon 1000D это уже порядка 60 мс -- см. ссылку на док далее, где изложены подробности упомянутого прототипа: https://cernbox.cern.ch/index.php/s/PbAoCCQ1gU39LLn

Так что рекомендую сначала глянуть сайт, потом док. Я не могу объективно судить, но пока что-то лучше я не видел.

[1212Lupus]

Смутно брезжит в сплетеньях нейросети, что лет 20 назад на астрофоруме мельнуло объявление то ли Киевского унивеситета, то ли Харьковского, то ли обсерватории какой-то украинской (но точно не КрАО) с предложением программно-аппаратного комплекса для тайминга покрытий. Суть уже не припомню, но если кто-то знает, о чём речь, или сумеет откопать в культурном слое - интересно сравнить, устарел ли метод или вполне пригоден

Речь про этот комплекс: http://lfvn.astronomer.ru/report/0000018/GAO/index3.htm

На базе GPS-модуля "Trimble Resolution T". 16 лет назад стоило около $250. Но мы тут за покрытия говорим, так что нужен мобильный вариант -- я правильно понимаю?

[acmajor]

я описал на странице http://www.sat.belastro.net/glava4/glava4.php , TMN выше давал ссылку.

Спасибо за ссылку и если что не так написал- прошу прощения. Перечитать все ссылки форума, тем более что этим не собирался заниматься, как Вы понимаете, это не реально. На счет срабатывания затвора и башмака - с Вами согласен (единственное, что значения времен и дрейфов я не знал). На счет моей неосведомленности в методике измерений покрытий я писал неоднократно, но здесь я предлагаю возможные пути решения и описываю подводные камни на которых я уже набил шишки. К сожалению я временем не занимаюсь уже лет 6 и многое подзабыл даже в собственных разработках. Поэтому ИСПРАВЛЯЮ СОБСТВЕННЫЙ ПРОМАХ!
В своем ответе №15 пункт 3) (см.выше) я писал, что промерял стабильность выхода первого сообщения приемника GPS и оно составляет +/-1мксек. Это не так. Это выход моего сообщения (которое я формировал сам для себя), а выход первого сообщения приемника действительно сильно гуляет по времени. За время примерно 1 минуты он плавал на 10 мсек.
Ссылка на разработку VTI мне понравилась. Действительно разумное решение. В конце 80-х годов при разработке фотометра для ИСЗ у меня были встроенные часы с генератором на кварце. Обнуление было один раз перед сеансом наблюдений сигналом РВМ и далее счетчики считали непрерывно. И реализация предполагалась впечатыванием двоичного кода счетчиков в первую строку кадра. Но это зделано небыло (отпала необходимость), но это вполне бюджетный вариант когда счетчик синхронизируется от PPS и работает независимо не от чего. Если идет съемка даже 100 к/с сушествует необходимость привязывать не каждый 100-ый о хотя-бы каждый 10-й. Так погрешность будет меньше..

[1212Lupus]

И вот вопрос, действительно ли это вспышка привязана к 1 PPS сигналу? Кто нибудь знает? Может она формируется по какому то алгоритму из NMEA сообщений, или ещё каким способом.

Этот диод связан с выводом 1PPS через резистор. Для примера сфотал модуль U-BLOX6M, фото в аттаче. На основе сигнала NMEA такое городить было бы на порядок сложнее.