论文部分内容阅读
一、缘起
星空，美丽而神秘，无论大人或孩子，都很容易被它吸引，很多学生对天文研究深感兴趣，但又觉得遥不可及，只有望远镜能稍微拉近人们与星空的距离，也满足了人们窥天的欲望。若在各校建立天文台，仅能解决这些学生的部分问题，因为，天文研究对学生而言，仍有许多限制存在，例如，夜间观测地点的交通与安全问题、仪器架设与校正，以及隔天白天需要上课等因素，使得学生很难在非寒、暑假的学期当中从事天文研究。
全台湾各级学校，虽然建置了不少的天文台，但因为观测时间主要是在晚上，以及操作、维修等问题，使得这些天文台难以发挥辅助学生进行天文研究的功能，通常只在重大天象发生时才开放使用。上述困难已能藉由网路远端遥控来克服，不仅可以突破观测的时空限制，还可以让天文台操作与维修问题集中、简化，于是我们向台北市教育局资讯室提出了跨校合作建立“数位远端遥控天文台实验计划”，在教育局与学校的支持下，于2005年6月在南湖高中建置完成台湾第一座真正能够无人在场的远端遥控圆顶式天文台，取名为Remote Observatory of Taipei，缩写为ROOT（根），希望藉由远端遥控天文台的设立，让台北市高中职的学生能跨过天文仪器操作的鸿沟，直接将心力投入在天文研究上，并将天文台资源分享给对天文研究感兴趣的学生，让天文研究在台北市扎根。
二、建置远端遥控天文台
在建置台北市数位远端遥控天文台的前一年，我们已经向市教育局资讯室申请了一套移动式Meade 12 史密特．盖赛格林式望远镜，在配套的追踪系统部分，则是考量推广天文数位观测时的地点与气候状况，不一定能以北极星校正极轴，且为了让教师或学生能快速学会操作，所以选用附有GPS（全球定位系统）的经纬仪。有了GPS，经纬仪便能快速地定出望远镜所在的经度、纬度、高度以及当地的时间，配合内建的电子罗盘、电子水平仪与控制器里的电子星图，就可以在短短几分钟的自动校正后，精确地转向要观测的天体。原本是希望借着这个望远镜的便利性让学生跨过练习架设、校正望远镜的技术鸿沟，但是实行时才发现还有夜间观测安全与时间等因素影响，即使学生可以快速学会使用这台望远镜，仍然无法进行长时间的天文观测，所以后来才向教育局提出上述实验计划，希望可以解决新发现的问题。
但在提出实验计划之前，必须要先选定天文台的型式，是使用平顶式的天文台（见图1），还是圆顶式的天文台（见图2）。在台湾师大地球科学系所就学时期，曾经使用过这两种不同类型的天文台，其实各有优、缺点（见表1）。
不过要做到远端遥控天文台，除了上述因素的考量之外，天文台控制系统与望远镜控制软体的整合，也是非常重要的一环。为了充分发挥现有Meade 12史密特．盖赛格林式望远镜等硬件设备的功能，我们先在网路上寻找能控制此望远镜的星图软件，进一步搜寻其他配套软件是否能同时控制圆顶天文台的开与关，以及控制圆顶观测天窗开口与望远镜指向同步的功能，并由此找到其硬件搭配的厂商（见图3）。
最终，找到了优质的软、硬件配套系统，在实验计划中提出这座能与望远镜指向自动同步的圆顶系统（设备规格见表2）。
三、远端遥控方式
确认了天文台的型式与设备之后，接下来就是考量使用哪一种远端遥控方法。Windows系统中的远端桌面可以让远端使用者完全掌控电脑，但也因为如此，安全性较低，管理账号也不方便。望远镜控制软件厂商有一套伺服器端与用户端的套装软件（Internet Astronomy Client/Server Software , IAC/IAS），另外，配合控制冷却CCD的软件，使用者在拨接网路的频宽下就能够完成远端遥控望远镜和控制冷却CCD进行拍摄的功能。如同天文台型式的选择一样，这两种远端遥控方式也是各有优、缺点（见表3），要看使用者的需求是什么。
经过一番考量与测试后，我们决定并行使用这两种远端遥控的方式（见图4），管理者以远端桌面登入天文台里的控制电脑（见图6），其他使用者例如学生则以IAC用户端软件控制天文台里的望远镜。这样，管理者便能在使用者遇到问题时，即时由远端桌面连接进入控制计算机，尽快解决问题，同时，可随时透过远端桌面，注意使用者的使用情形，免除赶到天文台的时间差。
此外，为了让所有使用者能看到天文台实际运作状况，我们在天文台内外各安装了两部监视器（见图5），透过监视卡的网路程式，便能随时、随处观看天文台的内、外部。天文台内部其中之一的监视器主要是让使用者监看圆顶的观测天窗开口是否打开或关上、是否与望远镜的指向同步，另外一部监视器则是作为电子寻星镜，帮助使用者初步判断望远镜的指向是否正确；而外部的监视器则是让使用者监看观测天窗是否顺利打开、关上、旋转角度，还可以观看天文台周边环境的实景，但无法清楚地看出是否正在下雨，通常如果从外部监视器看到雨滴的话，雨势已经不小了。
四、学生天文实验室与天文种子教师培训
2005年6月，成功建置台北市数位远端遥控天文台之后，经过四个月的测试与校正，从2005年10月开始，开放给台北市各高中职学生免费报名参加第一届台北市数位远端遥控天文台的天文实验室，主要是希望藉此推广数位远端遥控天文台的使用，并训练高中职学生天文观测与分析的实作能力，提升天文研究氛围，让高中天文社团不再只是看看星星而已，未来还希望能发挥远端遥控的功能，与国外学校进行联合观测，促进国际交流。
第一届天文实验室的学生来自台北市13所学校，共44位学生，配合一整套观测与分析研究的培训课程（见表4），引导学生循序渐进地使用远端遥控天文台，并认识、熟悉天文研究的各个领域（见图7）。
我们将参与天文实验室的学生依据其感兴趣的研究主题分组，并提供使用数位远端遥控天文台的观测排程时间，每位学生只要以自己的使用者名称与密码在其观测时段登录，即使是凌晨两三点，也能在家中透过网路操控望远镜的指向，并使用接在望远镜后方的天文专用冷却CCD拍摄所需的天文影像，而拍摄到的影像也会即时以网路传回学生的计算机中，让学生进行分析与研究，更重要的是，学生在观测后可以马上回到被窝里睡一下，或是准备隔天的功课。
从2006年12月开始，为了推广数位远端遥控天文台的使用，除了台北市的高中职学生之外，也免费开放让台北县的学生报名参加第二届天文实验室，并首度将年龄层向下扩展至中学生及小学高年级学生，分为“高中职学生天文实验室”与“中小学生天文实验室”两个班，合计71位学生；此外，为了提供教师自行搜集天文影像素材的机会，且希望教师能鼓励更多的学生接触天文观测，所以，还免费开放让台北市、县的教师参加天文种子教师培训课程，分为“高中远端遥控天文台种子教师研习”、“小学远端遥控天文台种子教师研习”、“高中天文套装课程种子教师研习”、“小学天文套装课程种子教师研习”共4个班，合计77位教师。
五、远端遥控天文台需克服的困难
以下提出建置一座数位远端遥控的圆顶式天文台需要克服的主要困难——
1.天文台的观测天窗与望远镜指向的同步问题
数位远端遥控的圆顶式天文台的控制系统不仅要可以远端打开、关闭圆顶，还要在望远镜转向的同时，自动同步将圆顶的开口转至观测方向，这样才能真正达到无人在场管理的数位远端遥控天文台，完成使用者在家就能够远端遥控进行天文观测的梦想。
2.圆顶因应天候状况作紧急关闭的保护措施问题
远端遥控天文台虽然方便，但需注意到另外一项潜在的风险，那就是局部地区的天候变化问题，就算距离天文台只有短短的几千米，仍然有可能是使用者所在的地方晴朗无云，而天文台所在的地方却正在下雨，如此使用者可能会忽略天候状况而造成天文台进水。所以，远端遥控天文台的周边，最好能搭配设置云量感知器，才可以自动侦测云量多寡等可能影响天文观测的气象因素，而在不适合观测或可能下雨前，主动先将圆顶关闭，避免天文台内部的设备损坏。
3.天文台的材质问题
此座远端遥控天文台采用塑钢材质，其防热效果加上圆顶顶端的太阳能排风扇，让天文台内部即使在炎炎夏日也不会温度太高，且整体重量较不锈钢材质轻，便于让圆顶快速地开关、旋转。但是塑钢容易变形的潜在问题，也考验着天文台的寿命。更直接的威胁，则是夏季台湾常见的台风。质地较轻的塑钢难于承受台风所带来的强风侵袭，所以，只要气象部门预测台风的暴风半径会笼罩台北地区时，就必须将圆顶归位、关闭天文台内部的所有电源、扣好内部的防台钢索，再把天文台外部的防台绳固定牢靠，将可能的灾害降到最低。2005年，台北至少经历了3次台风，我们每次都遵照上述的防台措施去将天文台“五花大绑”，圆顶至今仍完好如初。
4.天文台的管理问题
虽然远端遥控天文台可以不必派人在现场监控，但仍需要专人在远端协助解决使用者的问题或是即时处理系统的突发状况。除了每日确认天文台运作是否正常、修改使用者排程时间之外，每隔半年左右，就必须做一次天文台的例行性维护工作，其中包含清洗望远镜的修正镜、天文台内部清洁、天文台结构是否松动、CCD除湿棒的烘干等工作。遇到突发状况时，还必须要在最短的时间内找出问题并解决。这一切都还是需要随时待命的工作人员才能及时解决问题，才能让天文台继续运作。
六、远端遥控天文台的推广与展望
从台北市数位远端遥控天文台实验计划的申请、建置，到成立台北市高中职学生第一届天文实验室，感觉就像滚雪球一般，投入去做之后，发现可以继续做的事情愈来愈多！我们衷心期盼能将这些经验与大众分享，让台湾的天文研究延伸到各年龄层的学生，甚至让教师与民众，共同加入我们的行列。以下是未来努力的目标——
◆ 运用现有天文台的相关资源，协助其他学校建置远端遥控天文台；
◆ 组织天文种子教师团队，整合天文社团的课程与活动；
◆ 建立高山远端遥控天文台，提高观测成功率。
星空，美丽而神秘，无论大人或孩子，都很容易被它吸引，很多学生对天文研究深感兴趣，但又觉得遥不可及，只有望远镜能稍微拉近人们与星空的距离，也满足了人们窥天的欲望。若在各校建立天文台，仅能解决这些学生的部分问题，因为，天文研究对学生而言，仍有许多限制存在，例如，夜间观测地点的交通与安全问题、仪器架设与校正，以及隔天白天需要上课等因素，使得学生很难在非寒、暑假的学期当中从事天文研究。
全台湾各级学校，虽然建置了不少的天文台，但因为观测时间主要是在晚上，以及操作、维修等问题，使得这些天文台难以发挥辅助学生进行天文研究的功能，通常只在重大天象发生时才开放使用。上述困难已能藉由网路远端遥控来克服，不仅可以突破观测的时空限制，还可以让天文台操作与维修问题集中、简化，于是我们向台北市教育局资讯室提出了跨校合作建立“数位远端遥控天文台实验计划”，在教育局与学校的支持下，于2005年6月在南湖高中建置完成台湾第一座真正能够无人在场的远端遥控圆顶式天文台，取名为Remote Observatory of Taipei，缩写为ROOT（根），希望藉由远端遥控天文台的设立，让台北市高中职的学生能跨过天文仪器操作的鸿沟，直接将心力投入在天文研究上，并将天文台资源分享给对天文研究感兴趣的学生，让天文研究在台北市扎根。
二、建置远端遥控天文台
在建置台北市数位远端遥控天文台的前一年，我们已经向市教育局资讯室申请了一套移动式Meade 12 史密特．盖赛格林式望远镜，在配套的追踪系统部分，则是考量推广天文数位观测时的地点与气候状况，不一定能以北极星校正极轴，且为了让教师或学生能快速学会操作，所以选用附有GPS（全球定位系统）的经纬仪。有了GPS，经纬仪便能快速地定出望远镜所在的经度、纬度、高度以及当地的时间，配合内建的电子罗盘、电子水平仪与控制器里的电子星图，就可以在短短几分钟的自动校正后，精确地转向要观测的天体。原本是希望借着这个望远镜的便利性让学生跨过练习架设、校正望远镜的技术鸿沟，但是实行时才发现还有夜间观测安全与时间等因素影响，即使学生可以快速学会使用这台望远镜，仍然无法进行长时间的天文观测，所以后来才向教育局提出上述实验计划，希望可以解决新发现的问题。
但在提出实验计划之前，必须要先选定天文台的型式，是使用平顶式的天文台（见图1），还是圆顶式的天文台（见图2）。在台湾师大地球科学系所就学时期，曾经使用过这两种不同类型的天文台，其实各有优、缺点（见表1）。
不过要做到远端遥控天文台，除了上述因素的考量之外，天文台控制系统与望远镜控制软体的整合，也是非常重要的一环。为了充分发挥现有Meade 12史密特．盖赛格林式望远镜等硬件设备的功能，我们先在网路上寻找能控制此望远镜的星图软件，进一步搜寻其他配套软件是否能同时控制圆顶天文台的开与关，以及控制圆顶观测天窗开口与望远镜指向同步的功能，并由此找到其硬件搭配的厂商（见图3）。
最终，找到了优质的软、硬件配套系统，在实验计划中提出这座能与望远镜指向自动同步的圆顶系统（设备规格见表2）。
三、远端遥控方式
确认了天文台的型式与设备之后，接下来就是考量使用哪一种远端遥控方法。Windows系统中的远端桌面可以让远端使用者完全掌控电脑，但也因为如此，安全性较低，管理账号也不方便。望远镜控制软件厂商有一套伺服器端与用户端的套装软件（Internet Astronomy Client/Server Software , IAC/IAS），另外，配合控制冷却CCD的软件，使用者在拨接网路的频宽下就能够完成远端遥控望远镜和控制冷却CCD进行拍摄的功能。如同天文台型式的选择一样，这两种远端遥控方式也是各有优、缺点（见表3），要看使用者的需求是什么。
经过一番考量与测试后，我们决定并行使用这两种远端遥控的方式（见图4），管理者以远端桌面登入天文台里的控制电脑（见图6），其他使用者例如学生则以IAC用户端软件控制天文台里的望远镜。这样，管理者便能在使用者遇到问题时，即时由远端桌面连接进入控制计算机，尽快解决问题，同时，可随时透过远端桌面，注意使用者的使用情形，免除赶到天文台的时间差。
此外，为了让所有使用者能看到天文台实际运作状况，我们在天文台内外各安装了两部监视器（见图5），透过监视卡的网路程式，便能随时、随处观看天文台的内、外部。天文台内部其中之一的监视器主要是让使用者监看圆顶的观测天窗开口是否打开或关上、是否与望远镜的指向同步，另外一部监视器则是作为电子寻星镜，帮助使用者初步判断望远镜的指向是否正确；而外部的监视器则是让使用者监看观测天窗是否顺利打开、关上、旋转角度，还可以观看天文台周边环境的实景，但无法清楚地看出是否正在下雨，通常如果从外部监视器看到雨滴的话，雨势已经不小了。
四、学生天文实验室与天文种子教师培训
2005年6月，成功建置台北市数位远端遥控天文台之后，经过四个月的测试与校正，从2005年10月开始，开放给台北市各高中职学生免费报名参加第一届台北市数位远端遥控天文台的天文实验室，主要是希望藉此推广数位远端遥控天文台的使用，并训练高中职学生天文观测与分析的实作能力，提升天文研究氛围，让高中天文社团不再只是看看星星而已，未来还希望能发挥远端遥控的功能，与国外学校进行联合观测，促进国际交流。
第一届天文实验室的学生来自台北市13所学校，共44位学生，配合一整套观测与分析研究的培训课程（见表4），引导学生循序渐进地使用远端遥控天文台，并认识、熟悉天文研究的各个领域（见图7）。
我们将参与天文实验室的学生依据其感兴趣的研究主题分组，并提供使用数位远端遥控天文台的观测排程时间，每位学生只要以自己的使用者名称与密码在其观测时段登录，即使是凌晨两三点，也能在家中透过网路操控望远镜的指向，并使用接在望远镜后方的天文专用冷却CCD拍摄所需的天文影像，而拍摄到的影像也会即时以网路传回学生的计算机中，让学生进行分析与研究，更重要的是，学生在观测后可以马上回到被窝里睡一下，或是准备隔天的功课。
从2006年12月开始，为了推广数位远端遥控天文台的使用，除了台北市的高中职学生之外，也免费开放让台北县的学生报名参加第二届天文实验室，并首度将年龄层向下扩展至中学生及小学高年级学生，分为“高中职学生天文实验室”与“中小学生天文实验室”两个班，合计71位学生；此外，为了提供教师自行搜集天文影像素材的机会，且希望教师能鼓励更多的学生接触天文观测，所以，还免费开放让台北市、县的教师参加天文种子教师培训课程，分为“高中远端遥控天文台种子教师研习”、“小学远端遥控天文台种子教师研习”、“高中天文套装课程种子教师研习”、“小学天文套装课程种子教师研习”共4个班，合计77位教师。
五、远端遥控天文台需克服的困难
以下提出建置一座数位远端遥控的圆顶式天文台需要克服的主要困难——
1.天文台的观测天窗与望远镜指向的同步问题
数位远端遥控的圆顶式天文台的控制系统不仅要可以远端打开、关闭圆顶，还要在望远镜转向的同时，自动同步将圆顶的开口转至观测方向，这样才能真正达到无人在场管理的数位远端遥控天文台，完成使用者在家就能够远端遥控进行天文观测的梦想。
2.圆顶因应天候状况作紧急关闭的保护措施问题
远端遥控天文台虽然方便，但需注意到另外一项潜在的风险，那就是局部地区的天候变化问题，就算距离天文台只有短短的几千米，仍然有可能是使用者所在的地方晴朗无云，而天文台所在的地方却正在下雨，如此使用者可能会忽略天候状况而造成天文台进水。所以，远端遥控天文台的周边，最好能搭配设置云量感知器，才可以自动侦测云量多寡等可能影响天文观测的气象因素，而在不适合观测或可能下雨前，主动先将圆顶关闭，避免天文台内部的设备损坏。
3.天文台的材质问题
此座远端遥控天文台采用塑钢材质，其防热效果加上圆顶顶端的太阳能排风扇，让天文台内部即使在炎炎夏日也不会温度太高，且整体重量较不锈钢材质轻，便于让圆顶快速地开关、旋转。但是塑钢容易变形的潜在问题，也考验着天文台的寿命。更直接的威胁，则是夏季台湾常见的台风。质地较轻的塑钢难于承受台风所带来的强风侵袭，所以，只要气象部门预测台风的暴风半径会笼罩台北地区时，就必须将圆顶归位、关闭天文台内部的所有电源、扣好内部的防台钢索，再把天文台外部的防台绳固定牢靠，将可能的灾害降到最低。2005年，台北至少经历了3次台风，我们每次都遵照上述的防台措施去将天文台“五花大绑”，圆顶至今仍完好如初。
4.天文台的管理问题
虽然远端遥控天文台可以不必派人在现场监控，但仍需要专人在远端协助解决使用者的问题或是即时处理系统的突发状况。除了每日确认天文台运作是否正常、修改使用者排程时间之外，每隔半年左右，就必须做一次天文台的例行性维护工作，其中包含清洗望远镜的修正镜、天文台内部清洁、天文台结构是否松动、CCD除湿棒的烘干等工作。遇到突发状况时，还必须要在最短的时间内找出问题并解决。这一切都还是需要随时待命的工作人员才能及时解决问题，才能让天文台继续运作。
六、远端遥控天文台的推广与展望
从台北市数位远端遥控天文台实验计划的申请、建置，到成立台北市高中职学生第一届天文实验室，感觉就像滚雪球一般，投入去做之后，发现可以继续做的事情愈来愈多！我们衷心期盼能将这些经验与大众分享，让台湾的天文研究延伸到各年龄层的学生，甚至让教师与民众，共同加入我们的行列。以下是未来努力的目标——
◆ 运用现有天文台的相关资源，协助其他学校建置远端遥控天文台；
◆ 组织天文种子教师团队，整合天文社团的课程与活动；
◆ 建立高山远端遥控天文台，提高观测成功率。