Perfekte Polausrichtung mit NINA und ASTAP

Für Langzeitaufnahmen des Sternhimmels wird von Astrofotografen in der Regel eine parallaktische Montierung mit Nachführfunktion verwendet. Nur wenn die Rektaszension-Achse der Montierung exakt auf den Rotationspol der Erde ausgerichtet ist, kann der Motor der Montierung die Rotationsgeschwindigkeit der Erde annähernd perfekt ausgleichen. Aus diesem Grund ist eine exakte Ausrichtung der Montierung auf den jeweiligen Rotationspol extrem wichtig. Auf der Nordhalbkugel nennt man diese Polausrichtung auch “Einnorden”.

In diesem Artikel werden verschiedene Möglichkeiten für die Polausrichtung besprochen. Für alle Ungeduldigen geht es hier direkt zur detaillierten Anleitung für die derzeit wohl beste computergestützte Polausrichtung mit den kostenlosen Programmen N.I.N.A. und ASTAP.

Manuelle Polausrichtung mit Polsucher

Viele Montierungen liefern ein Hilfsmittel in Form eines Polsuchers mit, welcher in die Achse eingesteckt, angeschraubt oder bereits ab Werk vorhanden ist, und durch den mit dem Auge der Polarstern angepeilt werden kann. Während man durch den Polsucher blickt, werden dann die Polhöhe und der Azimut mit den an der Montierung vorhandenen Schrauben eingestellt.

Zu beachten ist hierbei, dass der Polarstern nicht exakt auf der Rotationsachse liegt, sondern sich kreisförmig innerhalb von 24 Stunden um die Polachse bewegt. Der Polarstern verändert auch langsam seine relative Position am Himmel, weshalb neuere Polsucher auch Zielkreise und Skalen für verschiedene Jahrzehnte aufgedruckt haben, auf denen Polaris positioniert werden muss. Die richtige Position von Polaris für die aktuelle Uhrzeit und Standort erfährt man entweder über die Handsteuerung seiner Goto Montierung, über diverse Astronomie Softwares, oder am einfachsten über eine Handyapp wie z.B. Polar Scope Align.

Das Einnorden über den Polsucher erfordert also etwas Übung und Erfahrung, und ist oft mit Verrenkungen und dreckigen Knien verbunden, da sich der “Kniefall” hinter dem Teleskop kaum vermeiden lässt, um durch den Polsucher zu blicken. Oft bemerkt man erst mitten in der Fotosession, dass die Ausrichtung nicht exakt geklappt hat, weil die Ergebnisse der Nachführung nicht zufriedenstellend sind. Wie wir weiter unten sehen werden, geht das ganze mit etwas Software-Unterstützung durch NINA und ASTAP aber auch einfacher.

Kalibrierung des Polsuchers

Wer sein Glück mit dem Polsucher versuchen möchte, sollte beachten, dass das Polsucher-Fernrohr von den Herstellern aus Fernost leider notorisch falsch kalibriert ausgeliefert wird. Das sorgt besonders bei Einsteigern in die Astronomie für Frust, da trotz vermeintlich korrekter Ausrichtung auf Polaris die Nachführung einfach nicht richtig klappen will. Wer also mit dem Polsucher arbeiten möchte, sollte erst bei Tageslicht und in Ruhe die Kalibrierung vornehmen und sicherstellten, dass er der Mittelpunkt der Skala im Sucher auch wirklich in der Mitte bleibt, wenn man an die RA Achse dreht. Außerdem sollte man sich merken an welcher Stelle der Rotation der 0 Punkt der Uhrzeit Skala exakt oben steht (hierzu die Skala an einer senkrechten Hausecke oder ähnliches durchdrehen an der RA Achse ins Lot bringen). Diese Rotations-Position muss man später beim Einnorden wiederfinden, z.B. indem man sie durch ein Klebeband markiert, da es ansonsten nachts sehr schwierig wird, die Skala korrekt auszurichten. Alternativ kann man als Perfektionist den Polsucher auch auseinander bauen und die Skala verdrehen, sodass die 0 in der RA Ausgangsposition (Gegengewicht unten) auch wirklich oben ist – aber diese Fummelarbeit ist frustrierend und unnötig, da die RA Achse mitsamt der Skala ja frei rotierbar ist.

Im Internet findet man gute Informationen über die Kalibrierung des Polsuchers – in diesem Video wird die Kalibrierung am Beispiel einer Skywatcher HEQ-5 gezeigt.

Scheiner-Methode

Über die Scheiner-Methode, oder das sogenannte “Einscheinern” ist eine exakte Polausrichtung auch ohne freien Blick auf den Polarstern möglich. Darüber hinaus überprüft sie die Nachführung des Teleskops in der Realität, d.h. es werden auch Fehler in der Nachführung oder ein falsch kalibrierter Polsucher “aufgedeckt”.

Eine Beschreibung der Scheiner-Methode findet man unter anderem auf Wikipedia:
https://de.wikipedia.org/wiki/Scheiner-Methode

Ein großer Nachteil ist jedoch, dass die Scheiner-Methode sehr zeitaufwendig sein kann, und gerade für Anfänger eine Herausforderung darstellt.

Polausrichtung mit Kamera und Software

Die Genauigkeit der Scheiner-Methode lässt sich neuerdings auch relativ einfach und komfortabel mit Software Hilfsmitteln erreichen. Voraussetzung ist hierbei, dass am Beobachtungsort ein Computer mit entsprechender Software und eine geeignete Kamera zur Überprüfung der Ausrichtung zur Verfügung steht.

Es gibt einige Hersteller, die spezielle Soft- und Hardware Pakete speziell für die Polausrichtung produzieren und sich dieses auch gut bezahlen lassen – die bekanntesten dürfte der QHY Polemaster (ca. 300 € für Kamera und Software) sein, welcher einen Windows-PC voraussetzt, um die Software laufen zu lassen. Die Firma ZWO ASI bietet mit ASIAIR (ca. 380 €) einen eigenen Mini-Computer an, welches neben vielen anderen nützlichen Funktionen für die Astrofotografie sehr gut für die Polausrichtung genutzt werden kann (eine vorhandene ZWO Kamera vorausgesetzt).

Darüber hinaus gibt es auch noch reine Softwarelösungen wie z.B. das Polar Alignment Tool von Sharpcap, welches sehr gut funktioniert und dazu verwendet werden kann, um ein bereits vorhandenes Sucher-Fernrohr mit Guide-Cam für die Polausrichtung zu nutzen. Leider muss man hierfür die Premium-Version der Software kaufen (ca. 12 € pro Jahr).

Des Weiteren bietet das kostenlose PHD2 mehrere Polarausrichtungs- und Testmethoden an, um die tatsächliche Polausrichtung der Montierung für die Nachführung zu bewerten.

Polausrichtung mit NINA 2.0 und ASTAP

In der Praxis hat sich nach vielen Versuchen die Polausrichtung über das Programm NINA in Kombination mit Platesolving über ASTAP bewährt. Die Polausrichtung kann sehr schnell durchgeführt werden, setzt kein separates Sucherfernrohr voraus (falls man einen OAG einsetzt) und liefert fast immer nahezu perfekte Ergebnisse.

NINA (oder N.I.N.A) steht für Nighttime Imaging ‘N’ Astronomy und ist eine kostenlose Open-Source-Software Suite, mit der sich alle möglichen Aufgaben rund um die Astrofotografie planen, steuern und ausführen lassen.
ASTAP steht für Astrometric Stacking Program und ist ebenso kostenlos verfügbar. Neben dem Stacking und der Vorschau von FITS Dateien bietet ASTAP eine extrem schnelle Platesolving Funktion, welche unter anderem für die Bewertung der Polausrichtung benötigt wird.

Die Vorteile auf einen Blick

• Die Programme NINA und ASTAP sind völlig kostenlos
• Die Polausrichtung geht schnell und ist i.d.R. in wenigen Minuten erledigt
• Es ist kein freier Blick nach Norden notwendig – die Polausrichtung funktioniert in (fast) jeder Richtung und ohne freien Blick auf den Polarstern.
• Die Polausrichtung kann nach längerer “Standzeit” sehr einfach und schnell reproduziert und verifiziert werden
• Vergleichstests haben gezeigt, dass die Polausrichtung mit NINA mindestens genauso gute oder sogar noch genauere Ergebnisse wie mit den oben genannten klassischen Methoden liefert

Downloads und Voraussetzungen

Für die Installation wird ein Windows-PC mit 64-Bit Betriebssystem und ca. 1 GB freiem Festplattenspeicher vorausgesetzt. Des Weiteren wird eine Astro Kamera oder Webcam vorausgesetzt, welche von NINA unterstützt wird (z.B. Modelle von ZWO, QHY, …) – die aktuellsten Treiber sollten auf dem PC bereits installiert sein.

• NINA: https://nighttime-imaging.eu/download/
  Hier bitte unbedingt Version 2 herunterladen (liegt aktuell als Beta-Version vor).
• ASTAP: https://www.hnsky.org/astap.htm
  Hier bitte die 64-Bit Windows Version und die H17 Sterndatenbank herunterladen.

Die Einrichtung setzt einen Internetzugang auf dem einzurichtenden PC voraus, da NINA ein Plug-In aus dem Internet nachladen muss – die eigentliche Polausrichtung kann später offline erfolgen.

Installation und Einrichtung

Zunächst installieren wir ASTAP und anschließend die H17 Sterndatenbank – die Installation ist relativ selbsterklärend.

Anschließend installieren wir NINA und beginnen mit der Einrichtung für das Platesolving und des zusätzlichen Plug-in für die Polausrichtung.

Als Erstes sollte in den Grundeinstellungen der ASTAP als Platesolver eingerichtet werden.
Hierzu muss im Menüpunkt “Options” → “Plate Solving” als Plate Solver und als Blind Solver der Wert “ASTAP” eingestellt werden. Im Bereich “Plate solver settings” wählen wir für “ASTAP” für die “ASTAP Location” den korrekten Pfad für die “astap.exe” aus.

Nun wechseln wir in den Bereich „Options” → “Equipment“ und stellen die Brennweite (Focal length) und das Öffnungsverhältnis (Focal ratio) unseres Teleskops ein. Die Pixelgröße wird in der Regel automatisch ermittelt, wenn eine Kamera verbunden wird – sollte das nicht der Fall sein, kann die Pixelgröße in Nanometer hier ebenfalls eingestellt werden. Die Einstellungen sind wichtig, damit NINA die Größe des Gesichtsfelds errechnen und Platesolving Programm richtig parametrisieren kann.

Als Nächstes wird das “Three Point Polar Alignment” Plugin installiert.
Hierzu wählen wir im Menüpunkt “Plugins” das oben genannte Plugin aus und installieren es – anschließend muss N.I.N.A. einmal neu-gestartet werden, um das Plugin zu aktivieren.

Damit ist die Einrichtung abgeschlossen und das Einnorden über NINA kann beginnen.

„Three Point Polar Alignment“ mit NINA

Um zu verstehen, wie das “Three Point Star Alignment” genau funktioniert und was die Einstellungen bewirken, lohnt es sich zunächst einen Blick in die FAQ des Plugins zu werfen.

Um die Polausrichtung durchzuführen, muss als Erstes die Kamera mit NINA verbunden werden. Es kann sich hierbei um die Kamera des Suchers, oder die Hauptkamera handeln – optimalerweise sollte es sich um eine Astro-Kamera handeln. Falls die Kamera des Suchers verwendet werden soll, stellen Sie unbedingt sicher, dass der Sucher fest mit dem Hauptteleskop verbunden ist und nicht wackelt, und die „Focal length“ und „Focal ratio“ Einstellung in NINA die Werte des Suchers enthalten!

Um die Kamera zu verbinden, wechselt man in den Menüpunkt “Equipment” → “Camera”, wählt die Kamera im Dropdown aus und verbindet diese.

Anschließend wechselt man in den Menüpunkt “Imaging” und aktiviert dort das Werkzeug “Three Point Star Alignment” durch einen auf das entsprechende Symbol im “Tools” Bereich oben rechts. Hierdurch erscheint ein neuer Tab “Three Point Polar Alignment” im Hauptbereich.

Wenn wir keine Computerverbindung zum Teleskop haben, können wir in den “Manual Mode” schalten – dies bedeutet, dass die Teleskop-Montierung manuell per Handsteuerung gesteuert werden muss, oder vorsichtig mit offener RA Achsklemme gedreht wird.

Falls das Teleskop zuvor mit dem PC und NINA verbunden wurde, kann NINA die nun folgenden Bewegungen des Teleskops auch selbst steuern, und das Platesolving läuft effizienter ab, da NINA dem Platesolving Programm mitteilen kann, auf welche Koordinaten das Teleskop ausgerichtet ist. Eine Verbindung des Teleskops mit dem Computer und NINA ist also auf jeden Fall empfehlenswert, aber nicht unbedingt erforderlich.

Als Nächstes muss sichergestellt sein, dass die Fokussierung des Teleskops korrekt ist und die Kamera ein scharfes Bild liefert, da der ASTAP Platesolver nur mit scharfen Bildern gut arbeiten kann.

Nun müssen die folgenden Schritte durchgeführt werden:

1. Fahren Sie das Teleskop auf die Startposition für das Platesolving. Es sollte sich um eine Position handeln, die möglichst weit weg vom Himmelsäquator im Süden (DEC 0°) liegt und die Azimut Position sollte nicht exakt auf 90° oder 270° liegen (also nicht direkt östlich oder westlich des Zenits). Vereinfacht gesagt sollte der Punkt also nördlich des Zenits liegen – je näher an Polaris, desto besser.
2. Starten Sie die Nachführung der Montierung (Sternnachführung / Siderischer Modus)
3. Klicken Sie auf den “Start” Knopf, um das “Three Point Polar Alignment” zu starten
4. Es wird eine Aufnahme am ersten Messpunkt erzeugt und die Position am Himmel wird über Platesolving exakt ermittelt – dies kann ggf. einige Sekunden dauern.
5. Wenn NINA Sie dazu auffordert, bewegen Sie die RA Achse mit der Handsteuerung nun um die angegebene Gradzahl (Measure Point Distance) nach Osten oder Westen. Halten Sie zwischendurch an, damit NINA weitere Aufnahmen erzeugt, und den Abstand zur ersten Aufnahme messen kann. Wiederholen Sie diesen Schritt, bis NINA erkennt, dass der erforderliche Abstand erreicht ist. Falls NINA mit dem Teleskop verbunden ist, kann dieser und der folgende Schritt auch vollautomatisch ausgeführt werden.
6. NINA erstellt jetzt eine zweite und anschließend nach einer weiteren Bewegung (siehe Punkt 5) in dieselbe Richtung eine weitere Aufnahme an einer dritten Position.
7. Wenn die dritte Position erreicht wurde, berechnet NINA die Korrekturen für die Polausrichtung – das Teleskop darf jetzt nicht mehr bewegt werden – die Nachführung läuft natürlich weiter.
8. NINA gibt jetzt eine Empfehlung aus, wie die Polhöhen (up, down) und die Azimut (left, right) Einstellung durchzuführen ist. Zusätzlich wird die Abweichung von der optimalen Ausrichtung grafisch angezeigt.
9. Während man die vorgeschlagene Polhöhe und die Azimut Einstellung vornimmt, überprüft NINA den Fortschritt durch neue Aufnahmen kontinuierlich.
10. Sobald keine Verbesserung der Polausrichtung mehr zu erreichen ist und der “Total Error” sich nicht mehr verkleinert, kann das “Three Point Polar Alignment” gestoppt werden.

Die Polausrichtung ist nun abgeschlossen und die Astrofotografie kann beginnen!