Par Philippe Deverchère, Sébastien Vauclair e t Olivier Bautista

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Raspberry Piplateforme pour l'Astronomie

Ce t ar ticle es t le premier d 'une sérieconsacrée à la p lateforme Rasp berry Pipour une utilisation en astro nomie. Le butde cette séri e d'arti cles est de montrerl'intérêt que cette plate-forme représentepour l'astronomie amateur dans le cadrede projets très variés allant d'un systèmed 'aut og u id age portabl e ju squ' à unsystème de contrôle d'observatoire distant.Dan s ce prem ier article, après avoirbrièvement prése nté la p la tefor meRaspberry Pi, nous ide ntifie ro ns lesca ra ctéristiq ues uniques de ce lteplateforme et nous présenterons le projetAstroPiBox, une plateforme portable pourl'ast rophot ographie basée su r unRaspberry Pi, dont l'ob jectif premie r estde fournir un service d'autoguidage fiable,simple à utiliser et de haute quali té. Dansles prochains articles, nous irons d emanière plus détaillée dans certaines desapplications mentionnées id.

IntroductionLe Raspbcrry Pi est un "nano-ordinateur"équipé d'u n processeur ARM et qui faitenviron la taill e d' une carte de cr éd it.Plusieurs sys tèmes d 'expl oitati on so ntdisponibles pour cette plateforme, mais leplu s communément utilisé est Raspbian',une va riante d u sys tème d 'exploitationLinux Debian (le nom Raspb ian est dérivéde "Raspberry" et de "Debian"). La versionla plus récente de cette plateforme est leRaspbcrry Pi 3 Model B qui intègre entreautres 1 gigaoctet de RAM ain si que 4ports USB2et un modul e WiFipermettantde réaliser un e connexion facile à uneréseau domestiqu e'.Il est important de comprendre que si l'onsouhaite développer sa propre plateform e

d'astronomie à base d'un Raspberry Pi etdu système d'exploitation Raspbian, il estind ispen sable de se former au sys tèmeLinu x. Il ex is te de très nombreusesressources en ligne po ur développer sescompéte nces dans ce domaine. Lesdifférentes versions de Linux ayant toutesdes d ifféren ces subtiles, il est conseilléd 'utiliser un tutoriel Debian ou Raspbian(voir par exemple la formatio n Deb ianproposée par via.ecp.fr' ) . Dans le mêmetem ps, o n peul ap p rend re co m men tinstalle r le sys tè me Ras p ia n sur unRaspber ry Pi el le prendre en main. Làau ssi de nombreu x tutorie ls so n tdispon ibles, et on peut commencer parexemple par le site de raspb ian-france'.Si l'on ne souhaite pas entrer dans lesarcanes de Linu x, il est aussi possible dese procurer la plateforme Astrol' ibox' qui,sur la base d'un Raspberry Pi 3, intègreun ens em ble de logi ciel s dédiés àl'astro nomie et en particulier le logicield'autoguidage PHD2. Il n'en reste pasmoins que des connaissances de base sur

....1. Raspberry Pi 3 Model B

1. Voir le site https :11w w w . ra s p b e rr y p i. o rgldownloads/raspbianl2 . Voir les s ites https:11www.raspberrypi.org lprod ucts /raspberry -pi -3­m odel-bl et le site Wikipédiahttps:llfr.wikipedia.org/wikilRaspberry_Pi.3. Cours proposé en HTML enligne ou bien en PDF sur les ite : ht tp :/ / format ion­debian.via .ecp.fr/ .4 . Site http://raspbian­france.fr/ avec en particulier letutoriel pour faire unepremière installa tion deRas pbianh t t p ://ra s pb ian -fra nce .fr/ins taller-raspbia n-premie r­demarrage -configuration/ .5. Voir http://astropibox.com

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Linux sont recommandées si l'on souhaiteajoute r d 'autres logiciels et réali ser soi­même certa ines opérations demaintenance du système.

Pourquoi un Raspberry Pi pourl'Astronomie ?La Ras p be rry Pi possède un certainnombre de caractéristiques qui le rendentbien adapté à une utilisation en astrono­mie amateur avancée. Bien évidemment,si le so u ha it de l'u tili sateur estessentielleme nt d ' utiliser un logiciel decar togra phie stellaire ou bien de contrô lerun télescope dans un observatoire à postefixe, il es t clair qu 'un PC Windows ou unsystè me Ma c OS es t à privil égier. Parcontre, si l'on souhaite développer unsys tè me modulaire, p aramét rable,tran sportable et à haute disp onibilité, laplateform e Raspberry Pi a de nombreuxargume nts en sa faveur.Voici un e liste des principa ux attraits d uRaspberry Pi pou r une utilisation enastronomie.

Le coûtLa version la p lus récente du RaspberryPi est proposée à env iron 40 euros sur denombreux sites de vente en ligne. A celail convient d 'ajouter un e alime ntation etun e carte Micro SD de 16 ou 32 Go, le toutpour un coû t de moins d e 20 euros . LeRaspbe rry Pi doit être connecté à un écranexterne au travers de son port HDMl, etun clavier et une souris USB standardsseront connectés sur un des ports USB.Une fois initialisé et con nec té à un réseaulocal, il peut aussi être utilisé sans écranau travers d'un logiciel de type VNC . Anoter qu' il existe maintenant des écranstactiles de 7 pouces dédiées au RaspberryPi qu i peuvent être intéressant s pour uneutilisation en astronomie itinéra nte .

La consommation électriqueSan s écran, un Raspberry Pi 3 Model Bconsom me entre 250 et 730 mA selon lachargeCPU et l'activité WiFi,ceci avec unealimentation 5V. Cela rep résente donc un epuissance co m p r ise entre 1,25 Watts(lorsqu'aucune ap plication n'est exécutée)et 3,7 Watt s (en utilisant à 100% les 4 cœursdu CPU ARM). En utilisation normale, onmonte rarement au-dess us de 300 rnA, soit1,5W (attention toutefoi s, ce ch iffren 'inclut p as l'éventuelle perte deren de men t de l'alimen tation 5V duRaspber ry Pi). Cela ne représente qu 'unepetite fraction de la consommation d'un

PC tradition nel, et il est donc possible delaisser un Raspberry Pi tourner 24 heu ressur 24 et 7 jours sur 7 sans avoir le soucide l'arrêter pu is de le redéma rrer à chaqueuti lisation. Sur le te rrain, un e sim plebatt erie de secours de portable peut êtreutilisée pou r alimen ter un Rasp berry Pi.Un test a perm is de mon trer que l'on peututi liser un Raspberry Pi 3 pendant 7heures avec une batterie 5200 mAh pourfaire tou rner un serveur lNDI sur lequeles t co n necté un e ca méra ZWO ASl­120Me. Dans le même temps, le logicielCCDciel (voir ci-après) prenait de manièrecontinue des poses de 10 secondes. Dansle cadre d'un observatoire distant, on peutainsi faire un usage intensif de systèmesRaspberry Pi e t il s peuven t to urnerpendant plu sieurs jours sur un onduleur900 VA en cas de coupure de couran t.

La stabilité et la fiabi litéLa com bina ison du Raspberry Pi et d usystème Linux Debian fournit une plate­forme exceptionnellement stable et fiable.Les "reboots" rég uliers que l'on est amenéà opérer sur des PC Windows n'ont pascours dans le monde du Raspberry Pi. Atitre d 'exemple, l'auteu r de ces lign esutil ise 3 Raspberry Pi 1 dans unobserva to ire di stant situé en Espagn e(avec des tem pératures élevées en été), etces trois systèmes n'ont jamais été arrêtésde manière durable depuis leur mise enservice en juin 2014, soit dep uis plus dedeux ans (seu ls lrois redémarrages ontété réa lisés lo rs de la mi se à jo ur dumicrologiciel des Raspberry Pi durant desmissions de maint en ance sur place). Atitre de comparai so n, le PC Win dowsutilisé pou r la pri se d 'images est arrêtésys témati q uement en fin d e sessiond'observation (en utilisant d 'ailleurs unRaspberry Pi pour réaliser un "Wake-on­LAN") afin de préserver l'alimentation etd e co nserve r un sys tè me Windows 7stable. Il s'agit là d ' un avantage décisifdans le cadre d'une activité d 'astronomieà distance où la fiabilité est une prioritéabso lue.

Laconnectivité 1/0L'utilisation d'un obse rva toire fixe (distan tou même local) demande d'automatisercer taines tâches, par exemple l'ouvertured'un toit ou l'allumage d'une lampe rouge,et d e réa liser d es co nt rô les sur d escapteurs, par exemple pour contrôler lamise en position parking d'un télescope.On est donc amené à gérer de nombreuses

Matériel et accesso ires

Les auteurs

Philippe Deverchère estingénieur spécialisé dans lesarchitectu res de s tockage dedonnées. Astronome amateurconfirmé il est par aille ursl'auteur du logiciel decartographie stellaire gratuitC2A (www.as t resurf.c om/c2a).

Sébas t ien Vauclair est as­trophysicien et gérant depuis2004 de COSMODiff - La Cle!des Etoiles (boutique spécia­lisée , formation , événements )ains i que fondateur et gérantdu bur ea u d 'étudeDarkSkyLab spécialisé dansl'étude de la pollution lumi­neuse et de ses impacts sur lesécosystèmes.

Olivier Bautista estin gé nie u r informatic ie n e tgérant de la société IRCFdep uis 1999. As t ronomeamateur co nfirmé, il est trèsimpliqué dans l'association dutélescope de 60 du Pic du Midi(AT60) e t Astre Image sProcessing (ArP)

6, Voirpar exemple les logicielsTightVN C (http ://www.tightvn c.com/) pour lessys tèmes Linux et Windowsains i que RealVNC (https:/Iwww.realvnc .coml) pour lessystèmes MacOS X, iOS etAndroid.

Asfrosurf.Mogazine N °BS Mars/Avril 2017 83

Matériel et accesso ires

AstroPiBox

,êppliClJltions f ollution lumineuse Ib stromét rie Qestion des pilotes 1~yst;ème 1

Acquisition d'Imaq estccooen

....2. Fe nê tre prin cipaled 'AstroPiBox

7 . Voir par exemple la cartePiFace Digital sur h t tp :/ /www.piface .org.uk/products/piface_dig italf.8. L'installation des librairiesPython se fait sous Debianbeaucoup plus simplementque dans un environnementWmdows. De plus Python estbien adapté à la ph ilosophie"ligne de co m ma nde" deLinux , en particulier pour leprototypage rapide.9 . Voir en pa rt iculier leslib rair ies astropy (http://www.astropy.orç/), pyephem(https :llpypi.python.org/pypifpyeph em l) et AstroPython(http://www.astropython.org/).10 . Voir le site ht tps :/ /www.raspberrypi .org/ magpi/ras pbe r r y - p i - 3 - s p e c s ­ben ch marksl pour descomparaisons de performanceentre les différents modèles deRaspberry PL11 . Voi r http://openphdg uid ing.org/.

Plaoetanum[K5ta. 51

Permes-

S électionnez une application à lancer

Aut oguidage(PH02)

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p lateforme. 11 n'est d o nc pas encorerée lleme n t poss ib le de faire d el'a cqu isition vi déo pour l'imageri eplanétaire avec un Raspberry Pi.

AstroPIBoxSur la base des carac téris tiquesintéressanl es du Raspberry Pi, un e petiteéquipe passionnée d'astronomie a décidéde développ er un e platdorme intégréep rête à l'em ploi, l' As tro PiBo x (h ttp: //www.astropibox.com). Une péri ode definancement part icipatif s'es t term inée finjan vier 2017, e t l' AstroPiBox estmai n ten an t en phase fin a le d edéveloppement et de test.AstroPiBox peut être défini comme étan tune pl a tefo rme portable pourl'astrophotog raphie dont l'objectif pre­m ier est de fournir un service d'autogu i­dage fiable, sim ple à utiliser et de hautequali té. AstroPiBox intègre aussi plu sieurslogiciels et utilit aires pour faciliter I'astro­nomie itinérante ou à poste fixe : logicielde cartog raphie avec contrôle de téles­cope, acqui si tion d ' im ages, résolu tionastrométrique et sim ulation de po llutionlumineuse. Une couche logicielle d'i nté­gration a été développée pour faciliter lelan cem ent des applications, l'accès à laplatefor rnc et l'utilisation des utilitaires derésolution astrométrique et de sim ulationde la pollution lumineuse.Analysons rap idem ent les d ifféren tesfonctions de l'AstroPiBox.

AutoguidageautonomeAstroPiBox intègre le logiciel PHD2" pourremplir la fonction d 'autoguidage. PHD2 .est un logiciel open source qui constituela référen ce en matière d 'autogu idage(voir figure 3).Le logiciel PHD2 a été modifié pa r J'équipe

en tr ées/so r ties d ig i ta les . Depu isquel q ues an nées, pl usieurs ca rtesd'extension 1/0 peu coûteuses et spécifi­quement conçues pour le Raspberry Pisont proposées sur le marché' . Elles sontacco mpagnées des couches logiciellesqui permettent d'intégrer facilement lagestion des entrées/so rties de systèmestrès va riés d ans des scrip ts e t desprogrammes.

Ledéveloppement en PythonL'enviro nn ement d e progra mma tio nPython a pris au co urs des dernièresannées une importance co nsidé rabledans de nombreux domaines, que ce soitdans l'industrie ou bien pour des viséeséducatives. Le Raspberry Pi représenteun e p la te fo r rnc de choix po u rdévelopper en Py thon ' , e t là auss il'écosystème est extrêmement riche entermes de librairies, de contributions etde support. On trouve maintenant deslibrai ries Pyth on spécialisé es enastronomie', et les gains de productivitépour la réali sation de scrip ts ou deprogramm es co mplexes sont à unniveau inégalé par rappor t à d 'autresenvironnements de développement.S' il fall ait tr ou ver un défau t auRaspberry Pi, ce se rait peu t-êt re sonmanque de pu issance CPU, de mémoireRAM et de capac it é1/0 pour tourn er desapplications gourmandes en ressources,en particulier au niveau graphique. Ilfaut toutefoi s rClnarqucr que lapuissance de cette platefonne évolue àcha que nou velle version" et que leRaspb erry Pi 3 Modcl B perm etmaintenant d'utiliser de manière assezflu id e un log ic iel de car tograp h ieste llaire co m me KStars .Seules des app lications exigeantes enstrcaming vidéo parviennent à épuiserréellement les ressources de cette petite

l' écosyst ème matériel et logicielUne sim p le rech e rche sur In terne tmontre l'incroyable variété des projetsréalisés à base de Raspberry Pi. Avec unpeu d'h abitude, il n'est pas de questionqui ne trouve une réponse" que ce soitpour un prob lème matériel autour duRaspberry Pi o u bien un problèmelogiciel lié au sys tème d'exploita tio nDcbian. Les forums sont très no mbreuxet les contributions innombrables, et leRaspb err y Pi bén éficie à plein de lamontée en puissance de l'open sourcece qui le rend extrêmement polyvalent.

84 Astrosurf·Mogoz;ne N°8S Mors/Avril 2017

Matériel et accessoires

File Tools View Darks Bookmarks Help

12. Voir le site :http://www.indilib.org13. Voir le site :https.z/adu .kde.orç/kstars14. Voir le site :http://www.ap·i.netlccdciel/en/start15. Voir http://astrometry.net

.6.j . Copie d'écran réaliséelors ct'une séanced 'autoguidag e surl'A stroP iBox avec unemontur e E03 :

res te suffisant pour réaliser des CoTo (voirfigure 5).Le to ut no uve au log iciel CCDcieldéveloppé par Pat rick Chevalley perm etquant à lui de réaliser des prises de vueen contrôlant au travers du serveur INDlun e caméra eco, lin sys tè me defocalisation, une roue à filtres et unemontu re d e tél escope . L'intérêt d eCCDc iel es t qu 'il es t pourvu d 'uneint erface très simp le qui est compat ibleave c un éc ran de taille réduite co mme pacexem ple l'écran tactile 7" du Raspberry Pi(voir figure 6).

Résolution astrométriqueAst ro PiBox intègre le mo teur d erésol ution ast rom étriqu e Astromctrv.nct"qui il été spécifiquem ent porté sur la plate-

d ' AstroPiBox pou r fon cti onner d ernnni èrc op timale sur un e plateformcRaspberry Pi ct sur un écran tactile de 7"(ces modification s se ro nt en ti èrem en tréinjectées dans la co m m unau t é opensource pour respecter la philosophie dedéveloppem en t de PHD2). L'ensem bledes librair ies néce ssaire s o nt étépréinstallées d ans l'en vironn emen t Linuxd 'Astro l' iBox pour permett re l'utilisationdirecte ct simple de PHD2, ct la traductionen français a été comp létée cl améliorée.Testé avec plusieu rs montures et camérasdifférentes (voir le site d 'Astrol'iBox pourles mod èles supportés), l' HD2 peu t êt redirectemen t utilisé dans la p lupart desconfigurations en mod e "l'lug and Play"sans avo ir il ajuste r quelque paramètreque ce soit. Ce la re nd so n utili sati onextrême ment simple tout en continuantde bén éficier des fonctionnalités ct desalgorithmes pu issants qu e propose celogiciel. Il est bien sûr toujours possib led 'ajuster les nombreu x paramètres dePHD2 si l'on souhaite affiner les résultat sd'autoguidage pour un e configurationparti culière.

Librairie INDIAstroPiBox intègre lin gestionnaire IN D p2com p le t (l'éq uiva len t d ' ASCOM so usLinu x) d éd ié à l'as tronom ie (ca méra s,con trô leurs de télescope, systè mes defoca lisa tio n, sta tions mét éo, ctc .). Parexe m p le, la séle ct io n d e la ca méra àutili ser avec l'HD2 se fait d 'un simple clicde sour is d a n s le ges tion na ire IN DIintégr é à AstroPiBox (voir figure 4).On pe ut a us s i ima giner ut ili serl'AslroPiBox co m me un se rveur IN DIau ton ome (el possib lement sans écran)sur lequel on viendra se connecter par leréseau depuis un PC pour co ntrô ler untélesco pe ou d ifférents instruments . Sadisponibilité 24/7 en fait un cand idat dechoix pour cette fon ction de "pont" entred es in s tru m ents et un logi ciel cli en tdi st ant.

Planétarium,Golo etacquisition d'imagesOutre l'H D2, AstroPiBox intègre dans saversion courante les logiciels open sourceKStars Ll e t CCDc ie l" . Au-d el à de sesfonctions de cartographie stellaire, KStarspermet de piloter un t élescope GoTo autravers d u serve ur [NOl in sta llé su r leRaspberry Pi. Un écran de tai ll eraisonnab le est toutefois nécessaire pourtir er parti d e ce logiciel. L'écran 7" duRasp-ber ry Pi limite son utilisation mais

Astrosurf.Magaxine N°85 Mars/Avr;12017 85

Matériel et accessoires

AstroPIBox

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elest ro n GPSetestron NexStar

DMK CCDDom e Scripting Gate wayDom e Simulator

Mod Moun tETXIOSETX125ETX90FU (COFU CFWFU PDFFilt er SimulatorFireFly MV

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.....5. L'écra n 7 " du Ra sp -b e rry Pi limite son u tilis a t ion m a is restesu ffis a nt pour réaliser des GaTo

4. La sélection d e la caméra à utilis e r ...avec PHD2 se fait d' u n simple clic de

souris d a n s le g estionn a ire INDIint égré à Ast roPiBox

Simulation de lapollution lumineuseAstrol'iBox intègre un ,outil origi na l quipe rm et de simuler la pollution lumineuseprodu ite par l'éclairage public. Cet outi lcon stit ue don c une aide pour larecher ch e de s s ites les plus ada p tés àl'ob servation astronomique.JI suffit de spécifier da ns l'in terface lenom d 'une agg lom éra t ion et so ndépartem ent ainsi qu 'une exte nsion enlatitude (en kilomèt res) et As tro PiBoxproduit un e carte de pollution lumineusecentrée sur l'agglom ération indiquée enq uelques di za ines de second es (vo irfigure 8).

forme Raspberry Pi (aucune connex ionInternet n 'est nécessaire) , JI su ffit despécifie r t'image que t'on cherche àrésoudre dan s t'interface g rap h iqued 'Astrol'iBox ainsi qu e l'échantillonnageapproxima tif du capteur pour obtenir laréso lu tion astrométrique en quelquesdizaines de seco ndes (voir figure 7).

6. Capture de ce t écran 7 " avec lelogiciel CC Dcie l e n act ion (conn ect é àune caméra ZWO ASI-120 MC).

ConclusionComme nOLI s avons pli le voir dan s cctarticl e a u travers d e la p la tcfor meAstroPiB o x, les nano-ordinateurs detype Ras pberry Pi présente nt un grandintérêt pour u ne uti lisation e nastronomi c a m a te ur. Il s sontparti culi èrem ent bien adaptés à la mi seen Œuv re de fon ction s comp lexes tellesqu c l'autog uid age o u la ré solutio nastrorn étrique qu e ce soit dans le cad red 'un obse rvatoire co ntrô lé à dis tance oubien pour une utili sation nomade sur leterrain . A l'avenir, les offres int égrées àba se d e Raspberry Pi te lle s quel' Astrol'iBox vo nt permettre po ur uncoû t raisonnable de mett re en œuvre desfoncti on s va riées , ccci sa ns à a voir àmaî tri ser les subtilités de la gestion d 'unsys tème Linu x.No us p rése n terons da ns d e fut ursart icle s un e descrip tio n p lu s dét aill éedes di ff érent es a pp lica tions abo rdéesdan s cet article d 'introduction .

86 Aslrosurf-Magazine N°8S Mars/ Avril 2017

Matériel et accessoires

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...7. Voici une image brute issue d 'une pose de 30 minutes su r une partie de la nébuleuse SH2 -240 prise autravers d'un filtre H-Alpha (a vec une lunette Taka has hi FSO-106ED et une caméra OSI 683-wsg8). Cetteimage est particulièrement complexe à résoudre puisqu'elle est prise en pleine voie la cté e . La résolutionastrométrique prend moins d 'une minute avec l'AstroPiBox et donne les résultats suivants :- Field center: (RA H:M:S, Dec D:M:S) = (05:45 :00 .402 , +27:09 :03 .602)- Field size: 1.94285 x 1.46268 degrees- Fie ld rotation angle: up is -90.2398 degrees E of N

AstroPiBox

8. Exem ple d e carte de pollu tion ~

lumineu s e centrée surl' ag gloméra tion d'Aurillac g énérée e n

quelque s dizaines de secondes

~pplications

Nom de l'agglomération

]Aurill ac

Numéro du départ ement

115Ext ension en lat itude (km)

ml ~

Simulation

Simu lation termonee avecsucch

Fermer

§.estion (les pilotes 1~ystème

Aslrosurf-Magazine N °85 Mars/Avril 2017 87