李仲恩 淺談掩星觀測時的校時方法與限制
https://www.facebook.com/share/p/1DirniT9JP/前陣子趁著觀測空檔做了一個小測試，拿來比較我目前手上能操作的4種校時方法，看看不同方法最後得到的時間，彼此之間有多少差異。
(若要進一步分析，應該比較每個方法在不同時間區段內的變動程度....但我懶XD)
1.電腦網路校時，採用NTP Clock軟體
2.內建GPS的相機，Touptek ATR585M-GPS
3.GPS 1PPS訊號同步的閃光
4.手機閃光軟體Occult Flash Tag
影像擷取軟體使用Sharpcap
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方法 1：電腦網路校時
這應該是最簡單的方法，只要有網路就能搞定...當然事情沒那麼簡單，主要會遇到兩個問題。
首先是網路連線穩不穩，以及電腦內部時鐘本身準不準。
可以進入NTP Clock的設定頁面(圖一)，將自動查詢主機標準時間的週期調短一點，並觀察上面的時間校正訊息，如果看到校正值非常穩定，大多都只是在±1ms以內，那恭喜你，基本上已經有一個相當不錯的時間基準。
但如果看到的是幾十、甚至幾百ms不斷來回加加減減，那就表示時間同步本身可能存在問題。
再者，電腦的系統時間再準，也無法直接知道：相機曝光>相機晶片處理>訊號傳送到電腦，這中間到底經過多久，這是個黑盒子，除非用額外獨立的方法進行驗證，否則無法知道真正的時間。
這次測試中，我查看FITS檔案資訊，找到"DATE-END"，註解為"System Clock: Frame Received"，再減去曝光時間，即可得到曝光開始時間。
另外由於我使用的相機為滾動快門，因此對於影像中的第y行的位置，還要加上每行像素讀取時間。
最終得到11:49:29.7618767
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方法 2：GPS 相機
簡單粗暴，時間資訊直接由相機提供，唯一的問題是要去特別買帶有GPS模組的相機型號。(個人認為，若有意願投入較多時間做掩星觀測，這是很划算的)
查看FITS檔案資訊，找到"DATE-OBS"，註解為"GPS:Start Exposure"，再加上滾動快門時間。
最終得到11:49:29.753495
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方法 3：GPS 1PPS 訊號同步閃光
到了這個方法，事情就開始麻煩起來了。
首先會牽涉到一些電路DIY，願意自製的話成本絕對是比買一台GPS相機還低，但是在實際觀測與後續資料分析時，需要考慮的因素也會增加不少。
因素1. GPS 1PPS閃光的持續時間，是100ms
這件事情會直接影響我們可以使用的相機曝光時間，並且跟後續分析軟體的處理方式有關。
1-1使用LiMovie的情況，極限大約可以到接近500ms的曝光時間，但對於更長的曝光時間就無法操作。
LiMovie的概念，是利用每次閃光，與相機曝光交錯的位置(ex: 曝光時間20ms，假若開始曝光10ms後，閃光啟動，這樣這一幀只會讀取到一半的閃光亮度)，利用多個閃光前後的非飽和資料點，算出線性擬合確認0點的位置。(圖二)
P.S.老實說我自己算...算出來都不對，我不知道LiMovie到底確切是怎麼寫演算法的。
為了讓曝光時間與 100 ms 的閃光週期產生適當的錯位，因此拍攝時要刻意選擇不能被100ms整除的曝光時間。(圖三)
同時，由於是採用多點擬合，必須確保每次1PPS閃光的強度一致，這代表不能簡單「手持」閃光燈放在鏡筒前面，最好使用某種固定裝置，讓閃光燈的位置與方向保持一致。(圖四)
1-2使用pyOTE的情況，曝光時間的限制會更加嚴格，極限大約為30ms左右的曝光時間，更長的曝光時間就無法操作。
原因是pyOTE使用一個階梯狀的擬合閃光發生的時間點(圖五)，因此上方頂端至少要有3-5個平穩的資料點才可以擬合。
因素2.GPS 1PPS的閃光亮度
不管是哪種基於閃光的校時，發出閃光時，像素都不能飽和過曝，而我們每次進行掩星觀測時，依照被掩星的亮度，會選擇不同長度的曝光時間，因此固定的閃光亮度有可能過高/過低，也就是說，DIY的閃光最好需要有某種機制可以調整亮度。
因素3.GPS 1PPS閃光只知道整數秒
GPS 1PPS 提供的是非常精準的「每秒一次」脈衝，由於無法分辨閃光究竟是發生在第OO秒，因此除了閃光外，必須先將電腦校時至誤差遠小於1秒，才能讓 1PPS 閃光真正發揮作用。
克服以上這些因素，並且充分了解整個校時原理之後，才有辦法把1PPS閃光拿來做可靠的掩星校時。
最終得到11:49:29.7536
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方法 4：手機閃光
有一些麻煩，但也是零成本的方案。
原理是控制手機的閃光燈，讓光線直接照進望遠鏡鏡筒，至於手機閃光燈亮起的時間則是去比較手機內部時鐘與NTP伺服器的時間(沒錯，手機要聯網才有用)，結束時會得到如圖六的樣子。
這個方法有一個很大的優點，就是可以控制閃光燈亮起的時間長度、間隔等參數(圖七)，因此不會像前面1PPS閃光，會受到100ms閃光長度的限制，對於一些較暗的被掩星仍能有效操作。
當然，還是要注意曝光飽和的問題，而且要手持手機閃光燈，需先找到一個合適的角度，正式觀測的前、後拿著手機去照鏡筒，滿容易手忙腳亂的。
最終得到11:49:29:7841
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最終比較，四捨五入到ms
電腦NTP: 11:49:29.762
GPS相機: 11:49:29.753
GPS 1PPS閃光: 11:49:29.754
手機閃光: 11:49:29:784
可以發現GPS相機本身，以及GPS 1PPS閃光是最接近的，電腦NTP校時晚了約8ms，手機閃光晚了約30ms。
不過這裡補充一下，我以前曾經也測過手機閃光，當時的時間跟GPS相機相差在2-3ms以內，因此我推測是跟手機聯網的校時有關，如果操作手機閃光的當下，手機跟網路NTP伺服器連線不順，就有可能造成Occult Flash Tag給出的時間不準。
總而言之，如果大家有校時的問題，歡迎討論，或是分享以上4種方法以外的方案XD
我個人推薦，越簡潔越不會出錯！
GPS 1PPS閃光方案雖然也能做到很好，但是真的需要經驗豐富才操作的了，一般情況下，使用電腦NTP校時，並且關注校時軟體的校正訊息，我認為就能達到尚可接受的精度~
P.S.滾動快門的每行讀取時間，我這台相機有寫在FITS檔案資訊裡，我不確定別的相機有沒有，如果沒有的話，可以使用閃光方法進行測量
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