Schneckengetriebe: PE und PEC

Um ein Teleskop dem Lauf der Sterne nachzuführen (d. h. die Drehung der Erde um ihre eigene Achse zu kompensieren), muss die Stundenachse der Montierung in ca. 23 Stunden und 56 Minuten eine Umdrehung erbringen (siderial tracking rate). Um diese langsame Drehung zu gewährleisten, braucht man eine starke Untersetzung. Eine praktikable Methode ist es, ein Schneckengetriebe zu verwenden.

Die meisten der heute gefertigten Montierungen sind mit Schneckengetrieben ausgestattet. Erst wenn man sich mit der Astrofotografie beschäftigt, bekommt das Thema PE (Periodic Error) eine Bedeutung. Für visuelle Beobachtung ist es herzlich egal, dass der Teleskop Antrieb fallweise ein wenig vor- und nachläuft. Für das Thema Fotografie ist aber höchste Gleichlaufgenauigkeit gefragt.

Der PE hat schon ganze Generationen von Astrofotografen beschäftigt und fallweise zur Verzweiflung gebracht. Was ist wirklich dran? Und was hat es mit dem PEC (Periodic Error Control) auf sich?

Unter periodischem Fehler versteht man den Lauffehler des Schneckenrades, der bei jeder Umdrehung der Schnecke auftritt. Dass die Montierungssteuerung mit "siderial tracking rate“ läuft, heißt noch lange nicht, dass die Stundenachse sich gleichförmig und genau mit dieser Geschwindigkeit dreht. Es ist ganz einfach unmöglich, mit vertretbarem Aufwand "perfekte“ Schneckenräder und Schnecken herzustellen. Gewisse Fertigungsungenauigkeiten verbleiben immer. Das alleine ist es noch nicht. Es kommt auch auf die Lagerung der Schnecke an, wie die Schnecke zum Schneckenrad liegt, die Steifigkeit der Schnecke und Schneckenlagerung, und auch die Steifigkeit und Lagerung der Stundenachse. Kleine Imperfektionen in all diesen relevanten Punkten (derer es im Detail noch weitere gibt) führen dazu, dass ein Stern eben nicht exakt nachgeführt wird, sondern fallweise zu verweilen scheint, um dann ein bischen hin oder her zu wandern. Bei jeder neuen Schneckenumdrehung geht das Spielchen neu los.

Man sagt periodischer Fehler, und der Laie stellt sich so etwas wie eine Sinuskurve vor. Dem ist leider nicht so. Wenn man sich die Mühe macht, das Trackingverhalten einer Montierung mit Schneckenantrieb zu analysieren, d. h. den Nachführfehler aufzuzeichen, und das womöglich über mehrere Schneckenumdrehungen, wird man erkennen, dass weder eine saubere Sinuskurve zu sehen ist, noch dass sich die Fehlerkurve von einer Schneckenperiode zur anderen exakt gleicht.

Das Frequenzspektrum der Montierung gibt nähere Auskunft. Da fallen gleich einmal langperiodische Oszillationen auf. Diese haben durchaus eine nicht zu unterschätzende Amplitude, treten jedoch sehr langsam auf. Weiters findet man die Grundperiode der Schnecke, und etliche Harmonische Oberschwingungen dazu, aber auch solche, die nicht in einem ganzzahligen Verhältnis zur Schneckenperiode stehen. Aufgrund der Periodendauer lassen sich diese Schwingungen durchaus einer Stelle im Antrieb zuordnen.

Übertragungs- und Untersetzungsgetriebe vor der Schnecke tun ihren Teil dazu, dass es zu weiteren kurzperiodischen Oszillationen kommt. Überlagert man all diese einzelnen Sinusschwingungen, kommt eine sehr komplexe Kurvenform heraus, und es sind sog. nichtperiodische Anteile dabei. Damit ist der "periodische Fehler“ genau genommen nicht so periodisch wie man das gerne hätte. Die Kurvenform des Tracking Fehles variiert von Schneckenumdrehung zu Schneckenumdrehung. Es sei dazu gesagt, dass die Fehlerkurve bei sehr guten Antrieben von einer Schneckenperiode zur nächsten ähnlicher ist als bei weniger gut gefertigten Antrieben, dass auch die Fehleramplitude deutlich geringer ausfällt. Was großen Einfluss hat, sind die sehr kurzperiodischen Oszillationen, die durch Untersetzungsgetriebe, Motorritzel etc. verursacht werden. Minderwertige Komponenten an dieser Stelle können eine ansonsten brauchbare Montierung unbrauchbar machen.

Damit sind wir auch schon beim Thema PEC. In den Bedienungsanleitungen der Montierungen findet man dieses Feature großartig herausgestellt, es sei wichtig für die Langzeitbelichtung in der Astrofotografie. Damit könne man den periodischen Fehler deutlich verringern. Um PEC einzusetzen. wird im PEC Training Modus über die Zeit einer Schneckenperiode der Fehler des Antriebs entweder visuell mit Fadenkreuzokular und manuellen Korrekturen in Guidingspeed oder per Autoguider korrigiert. Nach Ablauf der Schneckenperiode kann die nun gespeicherte Fehlerkorrektur abgespielt werden. Der Antrieb wird nun anhand der aufgezeichneten Korrektursignale mal schneller, mal langsamer gesteuert.

Nun, nach den Erläuterung zum Thema PE sehen wir, dass wir beim Erfassen der PE Korrekturen willkürlich eine Schneckenumdrehung, also irgend einen Ausschnitt aus sich nicht gleichenden Fehlerverläufen ausschneiden. Das kann einfach nicht perfekt den Fehler des Antriebs ausgleichen. Man wird die Fehleramplitude sehr wohl um einen beträchtlichen Betrag verringern können, jedoch verbleibt in den allermeisten Fällen ein immer noch hoher Fehler, der zudem nun steilere Fehlerflanken aufweisen kann, womit u. U. der nun schneller von seiner Sollposition abweichende Stern von einem Autoguider nicht mehr "eingefangen“ werden kann.

Worum geht es in Wirklichkeit? Es ist nicht die Amplitude des Fehlers maßgeblich, sondern wie schnell der Fehler "kommt“, also wie steil die ärgste Fehlerflanke ausfällt, und ob "scharfe Spitzen“ im Verlauf dabei sind. So sich der durch das Schneckengetriebe auftretende Nachführfehler problemlos von einem Autoguider beherrschen lässt, ist alles in Ordnung. Die Verwendung der PEC Funktion ist damit hinfällig.

Es gibt schon "Zutaten“, wie man einen gut laufenden Schneckenantrieb erreicht. Dazu zählt sicher einmal eine präzise Fertigung von Schneckenrad und Schnecke, eine feine Verzahnung, großer Schneckenraddurchmesser, eine präzise Lagerung und Führung der Schnecke, eine präzise Lagerung der Stundenachse, was wiederum ein sehr steifes Gehäuse bedingt, dazu hochwertige Antriebsmotoren, hochwertige Untersetzungsgetriebe, u.s.w. Alles Dinge, die man eher den Montierungen im gehobenen Preissegment unterstellen würde. Ja, aber so kann die Fehleramplitude klein gehalten werden, der Fehler von Schneckenumdrehung zu Schneckenumdrehung sehr ähnlich ausfallen, was u. U. mit Einsatz von PEC eine Restfehler im Bereich der Seeingschwankungen erlaubt.

Dann hätte die Verwendung von PEC einen Sinn. Kurze Brennweiten wären dann schon ohne Guiding fotografisch brauchbar. Aufgrund der Drift durch fehlerbehaftete Polaufstellung und Refraktion ist ein Autoguider dennoch erforderlich, wenn die Belichtungszeit über ein gewisses Maß hinausgeht. Wenn man schon einen Autoguider einsetzen muss: eine hochwertige Montierung mit einem präzisen Schneckenantrieb wird wohl beherrschbar sein, dazu braucht man PEC sicher nicht.

Unterm Strich ist die PEC Funktion also eher kaum von Nutzen, zumindest nicht so wie sie implementiert ist. Bei den meisten Montierungen ist PEC nur ein "Ausstattungsmerkmal“ um Hochwertigkeit zu suggerieren, die leider in der Mechanik der Montierung nicht zu finden ist. Zu diesem Stichwort ein relativ häufig anzutreffendes Problem: Die Schnecke hebt pro Umdrehung die Stundenachse aufgrund schlechter Lagerung immer ein bischen aus, dass sich dadurch sogar eine Periode in Deklination ergibt. Nun, so wird dem Autoguider wenigstens nicht fad, anstatt nur ein bisschen Drift auszugleichen, gibt es auch in Deklination ordentlich was zu tun...