Sonnenscan mit Hindernissen

Am Montag den 8. August 2016 trafen wir uns zu einem zweiten Feldversuch, bei dem es speziell um die Sonne gehen sollte. Die Sommerzeit eignet sich für einen Sonnenscan besonders gut, weil die scheinbare Sonnenbahn weit oberhalb der störenden TV-Satelliten verläuft.

Obwohl wir beim ersten Feldversuch schon ein paar Erfahrungen gesammelt hatten, stellte uns dieser Sonnenscan auf eine harte Probe.
Zu allererst mußte geklärt werden, ob sich nach dem Aktualisieren der Handcontrollerfirmware auf Version 3.38.09 die AZ-EQ6 Montierung per ASCOM immer noch so ansteuern läßt wie vorher. Denn durch die damit verbundene Einführung eines neuen Kommunikationsprotokolls waren wir gezwungen, statt des bewährten Celestron-Treibers auf einen neuen Skywatcher-Treiber umzustellen. Leider stellte sich dabei heraus, dass der RD-Scan Modus nicht mehr zur Verfügung steht, weil die ASCOM Funktionen SetDeclinationRate und SetRightAscensionRate nicht unterstützt werden. Konkret bedeutet das für uns, das wir nur noch eine Himmelsabtastung ohne Kompensation der Erddrehung durchführen können (XY-Scan).
Die nächste Herausforderung bestand darin, dass es uns nicht gelingen wollte  einen Signalpegel von der Sonne zu erhalten. Nach mehreren erfolglosen Versuchen entschlossen wir uns den Meßaufbau zu überprüfen. Dabei stellte sich heraus, dass aufgrund einer durchgebrannten Sicherung die Speisespannung für den LNB ausgefallen ist. Nach Auswechseln der Sicherung war dieser Hinderungsgrund beseitigt. Für zukünftige Feldmessungen haben wir uns vorgenommen den Meßaufbau erst unter Strom zu setzen, wenn alle Kabel angeschlossen sind.
Die letzte Hürde bestand darin, den Spiegel korrekt auf die Sonne auszurichten. Das Wissen um eine Auflösegenauigkeit von 1-2° verleitete uns zu der falschen Annahme, dass es nicht schwer sein kann, das Sonnensignal mit ein paar Suchschwenks zu erfassen. Die Praxis sah aber ganz anders aus. Ein XY-Scan half uns schließlich, die Sonne zu finden und einzustellen. Wir waren überrascht, wie selbst geringe Abschattungen, Erschütterungen und Windböen ausreichen, das Signal signifikant zu beeinflussen.
Um zukünftige Sonnenbeobachtungen effektiver durchführen zu können, zeichneten wir mit einem Bleistift den Schattenwurf des LNBs auf der Schüssel nach. Diese Markierung wird uns hoffentlich das nächste Mal helfen den Versuchsaufbau schneller auszurichten.

Messung 1 (XY-Scan)

Wie schon beschrieben, haben wir mittels XY-Scan das Sonnensignal gesucht und gefunden. In einem Intensitätsdiagramm werden farbkodiert die vom Meßempfänger gelieferten Pegelwerte angezeigt. Aufgrund der relativ geringen Datenrate stehen nicht genug Datenwerte zur Verfügung um eine flächendeckende Darstellung des Signalpegels zu ermöglichen (schwarze Farbe = kein Signalwert verfügbar). Auf eine Interpolation wurde bewußt verzichtet.

Scan1 am 08.08.2016 - XY-Scan SonneBeobachtungsparameter

  • Beginn/Ende: 08.08.2016 16:28 – 16:44
  • Empfänger: MicroRAL10
  • Software: BHB-Radio2 Version 0.22.6.1
  • Scanparameter: XY-Scan Vertikal 3
  • Wetter: sonnig mit Wolken, 25°C, böiger Wind

Messung 2 (Z-Scan)

Eine klassische Methode das Sonnensignal aufzuzeichnen besteht darin, dass Teleskop fest auszurichten und die Sonne „durchlaufen zu lassen“. Dabei entsteht eine charakteristische Signalkurve (Siehe Abbildung).

Scan2 am 08.08.2016 - Z-Scan Sonne

Beobachtungsparameter

  • Beginn/Ende: 08.08.2016 16:53 – 17:01
  • Teleskopausrichtung: Azimut = 251°, Höhe = 32°
  • Empfänger: MicroRAL10, Gain 5 (84x), LNB Horizontal/High
  • Software: BHB-Radio2 Version 0.22.6.1
  • Scanparameter: Z-Scan
  • Wetter: sonnig mit Wolken, 25°C, böiger Wind

Erster Feldversuch mit dem mobilen Radioteleskop

Nach wiederholten Trockentests in der Werkstatt unserer Sternwarte hat sich nach mehreren Wochen Wartezeit eine Gelegenheit ergeben das mobile Radioteleskop unter freien Himmel aufzubauen.

DSC_0356

Mobiles Radioteleskop beim ersten Einsatz

Am Freitag den 10. Juni 2016 bauten wir hinter der Sternwarte die mobile Variante unseres Radioteleskops auf. Zum Einsatz kam folgende Hardware:

  • Skywatcher AZ-EQ6 Montierung
  • 85cm Offset-Satellitenschüssel
  • 4-fach LNB von Kathrein
  • Toshiba Notebook TECRA S10-117
  • Radiometer MicroRAL10

Das Ziel des ersten Feldversuchs bestand darin, die gesamte Hard- und Software wie bei den Inhouse-Trockentests zum Spielen zu bekommen und natürlich ein paar Signale von außerhalb der Erdathtmosphäre aufzufangen.
Bevor es aber richtig losgehen konnte, mussten wir herausfinden warum das Radiometer andere Signale als bei den Trockentests lieferte. Die Lösung war eigentlich simpel. Im Keller haben wir die ganze Zeit die Wärmestrahlung der Kellerwände empfangen. Unter freiem Himmel war die Ausgangssituation natürlich eine andere. Konkret sah es so aus, dass das Radiometer, sofern die Antenne auf eine „kalte“ Stelle am Himmel gerichtet war, einen stabilen Wandlerwert von 214 lieferte. Im Gegensatz zum Keller gab es (zum Glück) keine Drifteffekte.

Die erste Himmelsabtastung war ein vertikaler XY-Scan zum Auffinden der geostationären Satelliten. Das erste Signal das wir zu sehen bekamen, war aber kein Satellitensignal sondern das „Wärmebild“ der Tanne, welche den linken Bereich des Scanbereichs einnahm.

Feldversuch1-Scan1

Ab Scanbereich-Mitte stellten sich die viel stärkeren Signale der Satelliten ein. Im obigen Bild wurde der Kontrast so eingestellt, dass das Signal der Tanne zu erkennen ist.

Da der Mond günstig stand, konnten wir nicht widerstehen eine Himmelsabtastung in diesem Bereich durchzuführen (RD-Scan). Unter Ausnutzung der grössten Verstärkungsstufe des Radiometers gelang es uns ein Signal aufzufangen, dass den vorläufigen Schluß zulässt, dass wir wirklich den Mond „erwischt“ haben.

Feldversuch1-Scan2

Dem Autor dieses Artikels ist bewusst, dass die Art der Datenpräsentation und -interpretation eher „aus der Hüfte geschossen“ daher kommt. Aber der Zweck des ersten Feldversuchs bestand hauptsächlich darin, dass Gesamtsystem unter freien Himmel zu testen. Es hat sich gezeigt, dass u.a. für zukünftige Versuche geklärt werden muss, wie die AZ-EQ6 Montierung bei Tageslicht korrekt ausgerichtet werden kann.

Jahresrückblick 2015

Projekt „Optische Pulsarsuche“

Leider mußten wir bei den Eignungstests für unser Nebenprojekt „Optische Pulsarsuche“ feststellen, dass mit der Montierung unseres 60cm Hauptinstruments die erforderliche Genauigkeit im Bogensekundenbereich nicht realisierbar ist. Da es sich hierbei um ein KO-Kriterium handelt, werden wir das Projekt Optische Pulsarsuche auf unbestimmte Zeit pausieren.

 

Detektorverstärker für mobiles Radioteleskop

Das im Jahresrückblick 2013 angedachte mobile Radioteleskop nahm in diesem Jahr konkrete Formen an (Siehe auch Beitrag Fortschritte am mobilen Radioteleskop). Für die Verarbeitung des LNB-Signals wurde ein Detektorverstärker konzipiert, welcher neben der Speisung des LNBs für die Verarbeitung und Weiterleitung des Empfangssignals verantwortlich ist. Bis zur Sommerpause war bis auf eine HF-Subplatine so gut wie alles fertig gebaut.

Innenaufbau Detektorverstärker 1 ohne HF-Subplatine.

Innenaufbau Detektorverstärker 1 ohne HF-Subplatine.

 

Kooperation mit Hildesheimer Gesellschaft für Astronomie

Zum Jahresende wurden wir von einem Sternfreund der HiGA (Hildesheimer Gesellschaft für Astronomie) in Bezug auf unsere neue Steuersoftware  kontaktiert. Sehr schnell konnten wir feststellen, dass es für beide Seiten von Vorteil sein wird den Kontakt aufrecht zu erhalten und auszubauen. Denn es gibt einige Punkt in denen wir uns gegenseitig gut ergänzen und unterstützen können.
Als erstes Resultat  der Zusammenarbeit wurde die neue Steuersoftware um ein Plugin erweitert, welches die Nutzung des Radiometerbausatzes RAL10KIT des italienischen Anbieters RadioAstroLab (www.radioastrolab.com) ermöglicht.

Screendump microRAL-Plugin

Screendump microRAL-Plugin

 

Fortschritte am mobilen Radioteleskop

Wie schon im Jahresrückblick 2013 beschrieben, arbeiten wir auch an einer mobilen Variante eines Selbstbau-Radioteleskops. Basis der Mobilvariante ist eine AZ-EQ6 Montierung eines Vereinsmitglieds. Eine selbstgebaute Halterung für einen 90cm-Offsetspiegel verbindet die Montierung mit dem Empfangsspiegel.
Am 6. März 2015 war ein wichtiger Meilenstein erreicht. Der Empfangsspiegel wurde mit der Montierung „verheiratet“. Die nächsten Schritte werden darin bestehen, die Laufeigenschaften des Konstrukts zu testen und mit der Steuersoftware ein paar „Trocken-Scans“ zu fahren. Sobald der Detektorverstärker zur Verarbeitung des LNB-Signals fertig ist, werden wir uns an die frische Luft für das „First Light“ wagen.

Am 06.03.2015 konnte uns Sternfreund Detlef den 90cm Sat-Spiegel angebaut an seiner AZEQ6 präsentieren.

Am 06.03.2015 konnte uns Sternfreund Detlef den 90cm Sat-Spiegel angebaut an seiner AZEQ6 präsentieren.

Optische Pulsarsuche

Da der Crab-Pulsar nicht nur im Radioband sondern auch im sichtbaren Bereich als pulsierende Lichtquelle in Erscheinung tritt, entstand die Idee mit dem 60cm Spiegelteleskop unserer Sternwarte diese pulsierende Strahlung nachzuweisen.
Eine genaue Analyse der Parameter zeigte uns, dass dies machbar ist. Allerdings bewegen wir uns wieder im Grenzbereich des Machbaren. Denn aufgrund des großen Abstands des Crab-Pulsars (einige Tausend Lichtjahre) ist er nur noch mit einer scheinbaren Helligkeit von +16mag sichtbar. Erschwerend kommt hinzu, dass er im Krebsnebel (M1) eingebettet ist.
Die Herausforderung besteht also darin, nach Möglichkeit jedes einzelne Photon der Pulsarquelle vom Hintergrundlicht und dem Störlicht der Erdatmosphäre zu trennen und zu detektieren.

Schema Optische Pulsarsuche

Schematischer Aufbau für optische Pulsarsuche

 

Zwischen dem Okularauszug des Spiegelteleskops und dem Okular des Lichtsensors (PMT) befindet sich ein Klappspiegelmodul (Vixen FlipMirror) welches uns die Möglichkeit bietet, den Eingangsstrahl bedarfsweise auf ein Fadenkreuzokular umzuleiten. Nachdem sichergestellt wurde, dass das Zielgebiet im Fokus eingestellt ist und das der Autoguider richtig arbeitet, kann der Strahlengang für den Lichtsensor wieder freigegeben werden.
Um einzelne Photonen nachweisen zu können, benötigt man einen sehr empfindlichen Lichtsensor in Form eines Photomultipliers (PMT). Damit das PMT nach Möglichkeit nur die Photonen des Pulsars „zu sehen“ bekommt, werden wir mit einer Lochblende arbeiten die so klein bzw. so gross ist, dass nur der relevante Bereich von einigen Bogensekunden durchgelassen wird. Daraus ergibt sich wiederum die Forderung, dass die Montierung so genau wie nur möglich der Himmelsbewegung bzw. der Erdrotation folgt. Das erreicht man nur mit einem Autoguider der die Bewegung eines Leitsterns verfolgt und Steuersignale für die Teleskopsteuerung generiert um Laufabweichungen und andere Störeinflüsse zu korrigieren.
Das schwache Signal des Pulsars wird mittels einer selbst erstellten Software per Mittelwertbildung von Störeinflüssen befreit und grafisch dargestellt. Hierfür benötigen wir einen hochgenauen Taktgenerator der es uns gestattet das PMT-Signal mit der nötigen zeitlichen Präzision abzutasten. Da ein normaler Qurzgenerator nicht ausreicht und eine Atomuhr zu teuer ist, benutzen wir einen Funkuhrsignal-stabilisierten Taktgenerator, den es als Bausatz zu kaufen gab. Das 10MHz-Signal des Taktgenerators muß nur noch durch einen 100:1 Teiler geschickt werden um den benötigten hochpräzisen Samplingtakt (100kHz) für das USB-Datenerfassungsmodul zu erhalten, welches mit einem 32-Bit Zähler die Photonenimpulse zählt und den Zählerstand mit der Rate des Samplingtakts an das Auswerteprogramm weiterleitet.

Enkoder-Interface

Die Suche nach brauchbaren und für uns bezahlbaren Getrieben gestaltet sich langwieriger als erwartet. Da wir Neupreise im vierstelligen Bereich nicht aufbringen können, sind wir gezwungen auf günstige Gelegenheiten zu warten.
Die Wartezeit werden wir mit einem interessanten Zwischenprojekt überbrücken, auf das in einem zukünftigen Beitrag eingegangen wird. Aber auch für das neue Radioteleskop haben wir ein anderes wichtiges Detail gelöst.
Nach hartnäckiger Ebay-Recherche war es uns zu Jahresbeginn gelungen zwei Absolutwinkelenkoder mit 13 Bit Auflösung zu erwerben. Diese Enkoder werden im neuen Radioteleskop die Achspostionen messen und an die Steuersoftware weitermelden. Auf dem nachfolgenden Foto sieht man einen Prüfaufbau:

Enkoder Prüfaufbau

Enkoder Prüfaufbau

Auf der rechten Bildseite liegt ein Arduino (Mega) mit aufgestecktem Prototypenshield, der per 10-poligem Flachbandkabel mit einer selbst entwickelten Enkoderinterfaceplatine verbunden ist. Auf der Interfaceplatine befinden sich zwei RS422-Leitungstreiber für zwei SSI-Schnittstellen sowie die Einspeisung der +12V-Betriebsspannung für die Enkoder. Die Enkoder der Hersteller STEGMANN (gelb) und SIKO (orange) sieht man links im Bild.
Der Arduino fragt in einem 50ms-Intervall die Enkoder ab. Erkannte Wertänderungen werden mit einem Zeitstempel versehen, zwischengespeichert und zyklisch zum Steuer-PC übertragen.

Jahresrückblick 2013

Im voraussichtlich letzten Blogartikel (des Jahres 2013) blicken wir noch einmal zurück auf den Werdegang des Radioteleskop-Projekts im Jahr 2013.

Neubeginn und Zielstellung

Die Auswertung der bisherigen Ergebnisse hatte uns gezeigt, daß die bisher erreichte Genauigkeit für anspruchsvolle und wiederholbare Messungen nicht ausreicht. Da die vorhandene Konstruktion prinzipbedingte Mängel aufweist die nur schwer zu beheben sind, haben wir uns entschieden noch einmal von vorn zu beginnen und die Teleskophardware komplett neu zu konstruieren. Wir haben uns das Ziel gesetzt eine Positioniergenauigkeit von 0,1 Grad zu erreichen. Auch für die Steuerungssoftware wurde die Latte sprichwörtlich höhergelegt. Die Zahl der Messungen pro Sekunde wurde von 10 auf mindestens 8000 erhöht.

Variante „Kettengetriebe“

Der erste Ansatz für einen Antrieb der Teleskopachsen war die Kraftübertragung per Kettenantrieb. Anfängliche Unklarheiten inwieweit ein Kettenantrieb mit der geforderten Positioniergenauigkeit von 0,1 Grad vereinbar ist, wurden nach ausgiebigen Berechnungen durch Sternfreund Martin geklärt. Die Genauigkeit kann erreicht werden, wenn man für die Kettenräder eine Mindestzahnzahl einhält und das Übersetzungsverhältnis einen bestimmten Wert nicht übersteigt.
Die Kettenantrieb-Variante wurde nach ausgiebigen Erörterungen zurückgestellt, da nicht geklärt werden konnte wie die Kettenspannung in einem großen Temperaturbereich aufrecht erhalten werden kann ohne Einbuße bei der Positionier-genauigkeit hinnehmen zu müssen.

Testaufbau-Kettenantrieb

Windkraftberechnungen

Neben der Auswahl der geeigneten Antriebstechnik mußte auch geklärt werden, mit welchen Windlasten die neue Antennenanlage klarkommt. Neben der Belastung im Meßbetrieb unter normalen Windbedingungen müssen auch extreme Belastungen bei orkanartigen Windböen einkalkuliert werden. Hier hat wieder Sternfreund Martin mit seinen Berechnungen aufgezeigt, welche Materialien wie ausgelegt werden müssen damit uns nichts „wegknickt“.

Schrittmotorsteuerung mit Arduino

Von Anfang an war klar, dass nur mit Schrittmotoren die geforderte Genauigkeit erreicht werden kann. Es zeigte sich, dass sich die Arduino-Plattform zur Lösung dieser Problemstellung sehr gut eignet. Nach eingehender Recherche wurde mit der AccelStepper-Library eine Programmbibliothek gefunden mit der eine komfortable und leicht zu programmierende Motorsteuerung realisierbar ist. Mitte des Jahres waren wir soweit Schrittmotoren für die Getriebe-Tests mit der eigenen Software ansteuern zu können.

Variante „Standardgetriebe“

Nach dem die Kettenantriebsvariante ausgeschieden ist, mußten andere Wege gefunden werden das neue Teleskop anzutreiben. Sternfreund Detlef setzte sich mit diversen Getriebeherstellern und Vertriebskanälen in Verbindung mit dem Anliegen, Getriebe zu finnden die unsere Anforderungen erfüllen und bezahlbar bleiben.
Ein Getriebe wurde netterweise von einem Vertrieb für Tests zur Verfügung gestellt (Siehe Foto unten). Wir adaptierten einen Schrittmotor und bauten eine Testeinrichtung um mit einem Laser unter verschiedenen Lastbedingungen das Getriebespiel zu testen. Leider stellte sich heraus, dass das Getriebespiel bei einem Richtungswechsel viel zu groß ist (mehrere Grad).
Ob die Variante „Standardgetriebe“ zum Ziel führen wird bzw. innerhalb des gesetzten Budgets in Frage kommt, ist leider fraglich 😦

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Mobil-Variante

Neben dem Bau eines neuen ortsfesten Teleskops gab es immer wieder Überlegungen zu einer mobilen Version. Eine größere Standardmontierung sollte durchaus in der Lage sein einen 1m-Offsetspiegel zu tragen. Um hierfür den Beweis zu erstellen, hat sich Sternfreund Detlef bereit erklärt seine nagelneue AZ-EQ6 zur Verfügung zu stellen (Siehe Foto).

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Neue Steuersoftware

Wie oben schon angesprochen, war es erforderlich die Steuersoftware komplett neu zu schreiben. Die neue Steuersoftware wurde wieder komplett in LabVIEW 6.1 erstellt und ist mit dem aktuellen Versionsstand in der Lage per ASCOM-Anbindung kommerzielle Montierungen wie die AZ-EQ6 anzusteuern. Zum Glück stellte sich heraus, dass hierfür der Celestron-ASCOM-Treiber genutzt werden kann. Aber auch für die Ansteuerung einer Eigenbaumontierung ist die Software schon gewappnet. Nachfolgender Screendump zeigt die Steuersoftware in der Entwicklungsumgebung inklusive einer Anbindung der Software Skychart (Cartes du Ciel) mit der die Position astronomischer Zielobjekte berechnet und bei Meßvorgängen einbezogen werden kann.

(C) 2013 D. Lausecker, Berlin

Screendump BHB-Radioteleskop Steuersoftware (Stand 31.12.2013)