stratoBeagle Stratosphärenballon der OTH Regensburg

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Hallo Welt! Ich bin stratoBeagle!

Bereits zum vierten Mal startet nun an der OTH Regensburg ein Stratosphärenballon in ferne Höhen. Dieses Mal ist der Ballonstart in das MINT-Girls-Projekt eingebunden.

Die MINT-Girls Regensburg MGR sind eine Initiative der Universität Regensburg und der OTH Regensburg, um Mädchen und Jungen Frauen die faszinierende Welt von Naturwissenschaft und Technik näherzubringen. In regelmäßigen Veranstaltungen bis hin zu achtmonatigen Projekten lernen die Teilnehmerinnen aus den Bereichen Mathematik, Naturwissenschaft und Technik, um im Anschluss ein eigenes Projekt umzusetzen und dieses am Ende einem großen Publikum zu präsentieren.

Nach der "Mars-Mission" (2014) und dem "Moon Walk" (2015) lautet das Thema für 2016 "Green Tech" und beschäftigt sich mit Umweltphysik und Umwelttechnik. Ein wichtiges Unterthema dabei ist Wetter, Witterung und Klima. Die MINT-Girls lernen, wetterbestimmende Observable zu messen, zu interpretieren und weiter zu verarbeiten. Hierfür besuchten sie bereits im Juli die Umweltforschungsstation Schneefernerhaus auf dem Gipfel der Zugspitze.

Ein weiteres Highlight der diesjährigen Veranstaltung ist der Flug eines Stratosphärenballons, der Daten über Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Radioaktivität und UV-Strahlung aufnimmt und zusammen mit seinen GPS-Positionsdaten sowie Bilder von zwei Kameras zur Bodenstation streamt. Mittels der Amateurfunk-Comunity wird es möglich, auch ohne direkte Sichtverbindung (z.B. wenn der Ballon abdriftet) diesen Datenstream im 2m-Band aufrecht zu erhalten.

Weitere Informationen zu den MINT-Girls Regensburg und die Protokolle der vergangenen Veranstaltungen unter www.mint-girls-regensburg.de

Ihr könnt am Flugtag alle aktuellen Messdaten hier auf der Homepage live mit verfolgen oder sogar selbst empfangen!

Live

Starttermin für den Flug 2016 ist Samstag, der 8. Oktober 2016 um ca. 11:00 MESZ (9:00 UTC)!

Bei schlechtem Wetter wird der Start eventuell auf Sonntag, den 9. Oktober 2016 verschoben.

Startort ist dieses Mal wieder direkt an der OTH in Regensburg! (Koordinaten: 49°00'08.3"N 12°05'38.9"E, Locator: JN69BA10KN)

Ab dem Start werden hier Live-Messdaten und -Bilder eingeblendet.

Flugvorhersage

Mithilfe moderner wissenschaftlicher Methoden lässt sich heutzutage die Flugbahn eines Wetterballons gut vorherbestimmen. Voraussichtlich fliegt unsere Sonde in den bayerischen Wald Richtung Passau:

Quelle und Simulationstool: habhub

Empfang

Hardware

Um die Funksignale der Nutzlast empfangen zu können, benötigt man

  • Einen FM-Empfänger, der im 2m-Band arbeiten kann. Dies kann beispielsweise ein Amateurfunkgerät sein oder ein simpler FM-Handscanner. Zur Verbesserung des Empfangs kann optional mit einer externen Antenne gearbeitet werden.
  • Zusätzlich wird ein PC benötigt sowie eine passende Verbindung zwischen PC und Funkempfänger. Im einfachsten Fall ist dies ein Audio-Klinkenkabel zur Verbindung des Empfängers mit der internen Soundkarte.
  • Alternativ können die Packet-Signale auch z.B. mit der kostenlosen Android-App APRSdroid dekodiert werden.

Frequenzen

Wir übertragen im 2m-Amateurfunkband mit dem Rufzeichen DK0PT (Klubstation OTH Regensburg) auf folgenden Frequenzen:

  • 145.200 MHz - Dies ist die Hauptfrequenz, auf der Packet-Signale und SSDV-Bilder übertragen werden
  • 144.800 MHz - Die Standard-Frequenz des APRS-Netzwerks, hier werden (in längeren Zeitabständen) APRS-Pakete übertragen. Daher kann der Ballon auch ohne eigene Empfangstechnik z.B. auf aprs.fi verfolgt werden.

Betriebsarten

Die Positions- und Messdaten werden als APRS-Pakete (1200bd Packet Radio) auf beiden Frequenzen übertragen. Zusätzlich verschicken wir Messwerte und digitale Fotos in der Betriebsart SSDV (das ist RTTY/AFSK mit 600bd und 1000Hz Shift, keine Parität, 2 Stopbits). Nähere Informationen zu SSDV finden sich hier.

Dekodieren

SSDV-Bilder

Das Dekodieren der digitalen SSDV-Bilder erfolgt über das Programm dl-fldigi (ein Fork von fldigi). Das Programm kann hier gefunden werden und läuft unter Windows und Linux. Als Betriebsart ist RTTY (custom) mit 600Bd, 1000 Hz Shift und 2 Stopbits zu wählen.

Um die empfangenen Bilder zu speichern bzw. auf den Projektserver hochzuladen sind folgende Einstellungen wichtig:

  • Unter DL Client/Configure ist als Upload-Pfad für die SSDV-Bilder http://stratobeagle.dk0pt.de/cgi-bin/hugabu.py einzutragen und der Haken bei "online" ist zu aktivieren. Der Server wird aus allen Einsendungen versuchen, möglichst optimale Bilder zusammenzusetzen. Zusätzlich können die Bilder auch noch lokal gespeichert werden.
  • Bei den Einstellungen kann unter dem Punkt "Operator" noch das eigene Rufzeichen (falls vorhanden) eingetragen werden, damit die Pakete den Einsendern zugeordnet werden können.
  • Zum Testen der eigenen Installation kann hier eine Test-Audiodatei heruntergeladen werden, welche die Nutzlast bei einem Test erzeugt hat.
dl-fldigi mit den richtigen Einstellungen

Telemetrie

Wenn dl-fldigi wie oben beschrieben konfiguriert und der Haken bei 'online' gesetzt ist, werden die dekodierten Telemetriedaten automatisch zu habhub.org hochgeladen und können dort im Tracker angesehen werden. Weitere Informationen zum Tracking mit fldigi gibt es hier. Hauptsächlich senden wir jedoch in der Betriebsart APRS/Packet Radio. Die Pakete können mit jedem normalen Packet-Setup empfangen werden. Unter Windows bieten sich z.B. folgende Softwarelösungen an:

Der Ballon

Ballon, Fallschirm und Nutzlast

Der Wetterballon 2000 von stratoflights wird am Boden mit Heliumgas befüllt. Während des Aufstiegs dehnt sich die Ballonhülle von anfangs etwa 2 m Durchmesser aufgrund des fallenden Außenluftdrucks immer weiter aus und erreicht dabei Durchmesser von bis zu 10 m, bis sie schließlich platzt und die Sonde wieder nach unten fällt. Sie wird mit einem Fallschirm abgebremst und erreicht dann (hoffentlich :) wieder heil die Erdoberfläche.

  • Durchmesser: ca. 2,0m – 2,2m
  • Gewicht: ca. 2000g
  • Traglast: Bis 2000g
  • Aufstiegsgeschwindigkeit: 5-7 m/s
  • Mittlere Platzhöhe: 38.000m
  • Füllmenge bei Nutzlast von 2000g: ca. 5m³

Die Nutzlast

Die technischen Daten der Messsonde:

  • Gewicht: 1060g
  • Controller: BeagleBone Black als zentraler Steuerrechner
  • Energieversorgung: 8x Energizer L91 Ultimate Lithium Batterien
  • Schaltregler: Recom R-78B5.0-1.5
  • Energiemonitoring: INA219 High Side DC Current Sensor
  • Kameras: 2x Mobius Actioncam
  • Antenne: Sperrtopfantenne (Koax-Antenne)
  • Sender: Radiometrix SHX-1
  • Geiger-Müller-Zähler: Geigerzähler AS622 des AATiS e.V. mit SBM-20 Zählrohr
  • Digitale Temperatursensoren: LM92
  • Analoger Temperatursensor: PT-100

Konzept

Die Idee für ein geeignetes Software- und Hardware Konzept war an sich schnell gefunden. Die Anforderungen für unser System waren, bzw. sind unter anderem eine leistungsstarke Recheneinheit, die es verstand in verschiedenen Programmiersprachen codiert zu werden, sowie eine flexible Erweiterbarkeit der Peripherie und Ihrer Verwaltung zulässt. Aber auch die Größe und das Gewicht, sowie der Leistungsverbrauch spielen eine erhebliche Rolle. Man hat sich deshalb sehr schnell für das Raspberry Pi-Pendant, den BeagleBone Black aus aus dem Hause TI entschieden. Einen Einplatinencomputer, der nicht nur dem Projekt seinen Namen verleiht, sondern auch unseren Anforderungen bestens gerecht wird.

Aufbau

Mit Hilfe selbstentwickelter Aufsteckplatinen auf das BeagleBone, sogenannter Capes, ist es uns möglich ohne großartige Verdrahtung, Steckverbindungen oder sonstigen elektrischen Verbindungen den Großteil unserer elektrischen Bauteile an den Hauptrechner anzuschließen und dabei noch eine stabile Konstruktion zu schaffen, die selbst hartnäckigsten Witterungseinflüssen auf die Sonde überstehen soll. Auch die Energieversorgung ergänzt den Schichtaufbau aller Platinen zu einer zentralen Einheit. Lediglich die Sensorik und Kommunikationseinheiten wurden in die Peripherie des Capeaufbaus verlagert. So befinden sich die Antenne sowie zwei Kameras und Außentemperatursensoren außerhalb und Innentemperatursensoren, GPS-Empfänger und Geiger-Müller-Zählrohr im Inneren der Messsonde.

Die zentrale Elektronikeinheit Test im Labor

Anforderungen

Auf dem Weg in die Stratosphäre und wieder zurück kann und wird der stratoBeagle einiges sehen. Möglicherweise von Sonnenschein und Badewetter bis zu Regen und extremen Minusgraden kann der stratoBeagle so ziemlich alles erleben während seines Fluges. Dies stellt natürlich Ansprüche an die Hard- und Software. Während des Steigfluges wird die Temperatur zunächst stetig abnehmen, bis auf Werte an die -40°C bis -50°C. Oberhalb der Ozonschicht nimmt die Temperatur jedoch wieder zu bis auf Werte um den Gefrierpunkt. Dies stellt zunächst Anforderungen an die Leistungsbereiche unserer Elektronik aber auch an das Temperaturmanagement in der Sonde. Da in diesen Höhen gegenüber Bodennähe die Luftdichte entscheidend abgenommen hat kann auch eine Überhitzung des Systems aufgrund geringer Wärmeabgabe an die wenigen Umgebungsluftmoleküle ein beachtliches Problem werden. Beim Sinkflug wiederum wird es höchstwahrscheinlich zum Kondensieren von Luftfeuchtigkeit am kalten Gehäuse kommen. Unabhängig von äußeren Einflüssen muss der Ballon auch den Anforderungen des technisch Machbaren und den Bedingungen der Flugsicherheit gerecht werden. Somit darf ein Gesamtgewicht von 2kg nicht überschritten werden. All diese und noch ein paar Gedanken mehr sind entscheidend in die Projektplanung mit eingeflossen.

Messdaten

Was wir denn eigentlich alles messen wurde teilweise schon erwähnt. Hier folgt eine Zusammenfassung all unserer Messdaten, die wir während des Fluges aufzeichnen:

  • Außentemperatur am Sondengehäuse
  • Innentemperatur im Sondengehäuse
  • Kerntemperatur des ARM-Beaglebone Prozessors
  • UV-Strahlung
  • Gamma-und Beta-Strahlung mit Hilfe eines Geiger-Müller-Zählrohres
  • GPS-Koordinaten und Flughöhe, Positionsdatenerfassung
  • Aktuelle Verbrauchswerte, Versorgungsspannung und Stromverbrauch
  • Kameraaufzeichnung Video und Bild in Boden- und Seitenrichtung
  • Rotation und Beschleunigung der Sonde mit 3-Achsen-Magnetometer
  • Luftdruck

Kontakt

  • Während des Fluges werden wir den Fortschritt der Mission über Twitter dokumentieren. Erfahrungsgemäß bleibt während der Mission wenig Zeit um zu antworten - also nicht wundern, falls Antworten ausbleiben.
  • Über die Upload-Funktion von dl-fldigi können alle Hörer die empfangenen SSDV Bilddaten auf unseren Server hochladen. Damit können Empfangsausfälle einzelner Stationen ausgeglichen und möglichst perfekte Bilder erzeugt werden. Diese stehen dann zum Download für alle bereit.
  • Das Team ist auch über info@dk0pt.de zu erreichen.
  • Wenn alles klappt, werden wir QSLs mit einer speziellen Ballon-QSL beantworten (via Büro)

Impressum

Diese Webseite dient ausschließlich wissenschaftlich technischen Zwecken im Rahmen der Ausbildung von Studierenden im Rahmen einer Projektarbeit an der OTH Regensburg.

Verantwortlich für den Inhalt dieser Webseite:

Prof. Dr. Michael Niemetz
OTH Regensburg
Seybothstraße 2
93053 Regensburg
info@dk0pt.de
www.oth-regensburg.de

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