BA-BALLON VI

Der Start des Ballons fand am Samstag den 10.April  gegen ca. 11:45 MESZ  (9:45 UTC) hinter der Dualen Hochschule Karlsruhe statt . Die Landung in der Nähe von Konstanz erfolgte ziemlich genau vier Stunden später um 15:45 MESZ (13:45 UTC). Nach einer anfänglichen Verzögerung durch die Flugüberwachung, die sich nicht mehr an die bereits erteilte  Startgenehmigung erinnern wollte, konnte diese Erinnerungslücke jedoch durch ein nachgereichtes Bestätigungsfax schnell geschlossen werden. Unser Verfolgerteam, bestehend aus Franz  (DJ7KL), war bereits in der Gegend von Rottweil in Stellung gegangen. Die Nutzlast bestand aus der Sensorik/Telemetriesonde des Studiengangs Elektrotechnik. Diese erfasste die Positionsdaten und die Daten einiger mitgeführter Sensoren wie Luftdruck, Innen/Aussentemperatur und relative Feuchte und übermittelte dies zur Bodenstation an der Dualen Hochschule Karlsruhe. Die Aussendungen erfolgten auf 145.225 MHz im 2m Amateurfunkband mit einer Sendeleistung von ca. 100mW. Verwendet wurde dafür das Clubrufzeichen DP7X. Die Übertragung erfolgte sowohl als digitaler Telemetriedatensatz als auch in regelmässigen Abständen als gesprochener Klartext. Ein weiterer Peil- und Bakensender auf 432.375MHz im 70cm Amateurband diente als redundantes System, um die spätere Auffindbarkeit bei einem eventuellen Ausfall des Telemetriemoduls sicher zu stellen. Die Aussendung dieses ca. 50mW starken Signals wurde von einer automatisch aufzeichnenden Station im Raum Schramberg mitgeschrieben. Deutlich erkennbar ist der Feldstärkeeinbruch beim nahezu senkrechten Überflug gegen 13:15 UTC. Schon kurz nach dem Start ab einer Höhe  von 2000m konnte dieses Signal bis nahezu zur Landung von dort aus verfolgt werden. Franz konnte in etwa ab demselben Zeitpunkt die ersten Signale auf 2m empfangen. 

Eine autark versorgte, automatisch aufzeichnende Fotokamera begleitete die Ballonfahrt. Sie ermöglichte die Aufnahme der phantastischen Fotos, die den gesamten westlichen Alpenraum aus einer Höhe von über 31km zeigen.

Dieser Teil der Ballonnutzlast befand sich im unteren Bereich der insgesamt ca. 30m langen  Nutzlastschleppe. Im oberen Teil unterhalb des Bremsfallschirms wurde sie durch ein GSM-Modul mit integrierter GPS-Einheit ergänzt, das Teil der Nutzlast des Studiengangs Mechatronik war. Allerdings kann in Höhen über ca. 3000m via GSM keine verlässliche Übertragung der Positionsdaten mehr erfolgen, da GSM-Funkzellen durch horizontal bündelnde Antennen versorgt werden. Einzelne Positionsmeldungen, wie eine aus 14km Höhe über Villingen-Schwenningen, sind daher eher Zufall. Jedoch ermöglicht dieses Modul in der Regel die Lokalisierung des genauen Landeorts der Sonde, soweit am Landeplatz Empfang einer GSM-Zelle möglich ist. Im konkreten Fall war uns der Landeplatz sofort bekannt. Ein weiteres Experiment sollte den Einfluss der Einschwärzung der Styroporboxen auf den Verlauf der Innentemperatur untersuchen. Hier zeigte sich ein sehr ausgeprägter Einfluss der Schwärzung. 

Die Ballonfahrt verlief zunächst nahezu direkt nach Süden bis in einer Höhe von ca. 25km in eine West/Ost-Luftströmung eingetreten wurde, die den Ballon leicht nordöstlich bis Stockach trieb. Hier wurde die Bersthöhe von ca. 31.8km erreicht. Beim folgenden Abstieg wurde zunächst eine Geschwindigkeit grösser als  200km/h erreicht, die sich dann beim Erreichen der dichteren Luftschichten am Ende vor der Landung auf ca. 11m/s verringerte. Der Abstieg war in Karlsruhe bis auf eine Höhe von 4100m durch die Telemetrie direkt verfolgbar. Die Abstiegsroute führte nach dem Wiedereintritt in die Nord/Südströmung direkt in Richtung Obersee, das Ufer wurde bei ca. 7000m Höhe überschritten. Entsprechend lagen die Nerven im Kontrollzentrum in Karlsruhe blank, da zuvor bereits eine Sonde im Bodensee ihr Ende gefunden hatte.

Die Aussendungen der Ballonsonde wurden in Europa von einer Reihe von Empfangsstationen im DX-Cluster gemeldet, wobei die entferntesten wohl  F1USF in der Nähe von Montpellier  und G0KPW nördlich von London in jeweils über 600km Entfernung gewesen sein dürften.

Hier noch einige interessante Temperaturmesswerte, insbesondere der Temperaturverlauf innerhalb der Sonde hat  uns bei den bisherigen Missionen stets positiv überrascht. Sind wir bei den ersten Überlegungen noch von extremen Temperaturen ausgegangen, denen die Batterien und die Elektronik ausgesetzt sein sollten, so zeigte sich stets, dass dies kein Problem darstellt. Obgleich die Aussentemperaturen bei ca. 12km Höhe durchaus minus 50°C erreichen, sanken die Temperaturen im Inneren gemessen an der Batterie nie unter minus 3°C. Beim weiteren Aufstieg steigen diese dann wieder an, was wahrscheinlich auf verstärkte Strahlungserwärmung zurückzuführen ist. Ob die Temperaturen im Aussenbereich tatsächlich ins Positive wechseln, ist nicht geklärt. Die Vermutung liegt aber nahe, dass es sich um eine Strahlungskopplung handelt und bei den nächsten Versuchen eine noch bessere Entkopplung und Belüftung des äusseren Temperatursensors von der hier sehr intensiven Sonneneinstrahlung vorgenommen werden muss. Die Tendenz ist aber eindeutig, bei einigermassen sorgfältiger Isolierung ist das Temperaturproblem beherrschbar.

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Einige technische Details der Ballonsonde 

Die Ballonsonde besteht zur Zeit aus fünf Hardwaremodulen, die mit Steckverbindern verbunden sind. Die zentrale Steuerung übernimmt eine Mikrocomputerplatine. An diese angeschlossen sind das 2m-Sendemodul, das Sprachausgabemodul und das GPS-Modul. Ergänzt wird das ganze durch die Spannungsversorgung.

Spannungsversorgung

Die Spannungsversorgung mit den notwendigen Spannungen von 9V, 5V und 3,3V wird durch getaktete Abwärtswandler realisiert. Dies hat den Vorteil der optimalen Ausnutzung der vorhandenen Batteriekapazität. Die maximale Eingangsspannung dieses Moduls beträgt 70V, eine Kapizitätserweiterung der Energieversorgung kann so durch einfache Serienschaltung entsprechend vieler Lithiumtrockenzellen erfolgen. Aktuell verwenden wir je Mission drei Packs Lithiumzellen zu je 6V  aus dem Fotobereich, dies sind 18V Betriebsspannung bei Zimmertemperatur und im vollen Zustand, die dann nach ca. 4h Betriebsdauer und ca. 0°C  Batterietemperatur nicht unter 16V sinkt. Die mittlere Stromaufnahme des gesamten Systems inklusive der 70cm Bake beträgt bei dieser Spannung deutlich weniger als 100mA. Versuche im Vorfeld haben bei einer Batterietemperatur minus 20°C bei 100mA  eine Betriebsdauer mit den von uns verwendeten Batterietyp von mehr als 8h ergeben.

GPS-Modul

Das verwendete GPS Modul ist ein uBlox und ist bei korrekter Parametrierung bisher noch nie ausgefallen. Vielleicht ein Hinweis, der Kopfzerbrechen ersparen kann: man sollte die verwendeten dielektrischen Patchantennen nicht in der Styroporbox unterbringen. Styropor ist zwar ein sehr verlustarmes Material, es zeigte sich aber, dass die Empfangsleistung deutlich nach dem Einbau der Antenne in die Box  litt. Wir hegen die Vermutung, dass es durch die dielektrischen Eigenschaften des Styropors zu einer Verstimmung der Antenne kommen kann, mit der Folge einer Verschlechterung des Signal - zu Rauschverhältnisses

Desweiteren muss der Betriebsmodus so umgestellt werden, dass ein Betrieb über 12000m Höhe gewährleistet ist, mit der Standardparametrierung fällt das System bei ca. 12km Höhe aus.

Sprachausgabe

Dieses Modul dient der Ausgabe von Messwerten oder Betriebsparametern in gesprochenem Klartext. Es ist zur Zeit noch ein separates Modul. Die Integration auf die Zentrale Steuereinheit ist in Vorbereitung und wird zur weiteren Gewichts- und Stromeinsparung führen.

Zentrale Steuereinheit und Sensorik

Sie bildet den Kern des Systems und steuert die Datenerfassung aus den Hilfsmodulen und angeschlossenen Sensoren. Sie generiert den Telemetriedatensatz und erzeugt das frequenzgetastete Modulationssignal für den Telemetriesender. Der Telemetriedatensatz besteht aus einem NMEA-Datensatz aus dem GPS-Modul, angehängt werden können beliebig viele Sensordaten. Eine CRC16  Prüfsumme dient der Überprüfung der Datenintegrität auf der Empfangsseite. Die Datenrate beträgt 1200 Baud. Es wird jeweils alle 5s ein Telemetriedatensatz übertragen, jede Minute erfolgt z. Z. eine Sprachausgabe der Daten.  Das Modul kann auf einem internen EEPROM-Speicher eine komplette 6 stündige Mission mitspeichern.
Das Board verfügt über einen 12Bit A/D-Wandler und kann die Messergebnisse von bis zu zwölf analogen Datenkanälen aufnehmen. Digitale Ein/Ausgänge können zur Steuerung externer Komponenten verwendet werden.

Der eingesetzte Drucksensor kann bis zu Drücken deutlich unter 100mBar eingesetzt werden und ist daher den Motorola Drucksensoren, die bei ca. 100mBar bereits in die Sättigung gehen, deutlich überlegen. Die Temperatursensoren erfassen einen Bereich von -55°C bis +100°C.

Telemetriesender

Der Sender ist ein einfacher PLL- Vervielfacher, der einen quarzgesteuerten Oszillator verachtfacht. Es folgt eine kleine Verstärkerstufe, die das Signal auf ca. 100mW anhebt. Ein PI-Filter verhindert das Schlimmste. Diese Stufe kann abgeschaltet werden, was in etwa eine Absenkung des Ausgabngspegels um 19dB bewirkt. Das reine Oszillatorsignal von ca. 1mW war die meiste Zeit am Empfangsort in Karlsruhe ebenfalls rauschfrei aufnehmbar.

Die Antenne an der Ballonsonde ist eine einfache J-Antenne.

Hier ein paar Worte an die Turnstyle-Freaks. Nach einem eigenen Versuch mit einer Turnstyle-Antenne, wurde dieser unter dem Kapitel 'Wenn man immer alles nachmacht, was alle einem weissmachen wollen, wird Schwarzes auch nicht weisser' abgehakt. Hat man sich beim ersten Mal Zuhören einer Sonde mit Turnstyle-Antenne noch über die Fading Einbrüche gewundert und sich gefragt, wirds ohne noch schlimmer, war nach dem ersten Einsatz einer J-Antenne der klare Menschenverstand wieder hergestellt. Das Ergebnis: nahezu fadingfreier Empfang über die gesamte Ballonfahrt, bis auf die Turbulenzen beim beginnenden Abstieg, unmittelbar nach dem Platzen des Ballons. Die Empfangsantenne ist entsprechend eine Vertikalantenne. Dieses Mal konnte das letzte gültige Datagramm aus 4100m Höhe vom Bodensee über den Schwarzwald nach Karlsruhe mit 100mW übertragen werden. Ein senkrecht startender Ballon, der dann wieder sanft herniederschwebt, dürfte eher selten sein.


Die aktuellen Hardwaremodule haben inzwischen die zweite Ballonfahrt erfolgreich ohne Ausfall überstanden. Es wird zur Zeit darüber nachgedacht, alle Komponenten auf einer einzigen Platine zu integrieren, was die Funktionssicherheit weiter erhöhen dürfte. 

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Software

Das Empfangsprogramm (FSKDEMOD) demoduliert und dekodiert den Telemetriedatensatz aus dem Audioempfangssignal, überprüft die CRC16 Checksumme und stellt eine Serverfunktion zur Verfügung, die die empfangenen und dekodierten Daten über eine TCP/IP Schnittstelle im WEB abrufbar macht. Zusätzlich wird eine Webseite aktualisiert, die die aktuelle Ballonposition mittels Google Maps darstellt. Diese kann durch einen Webserber im WEB sofort zur Verfügung gestellt werden.

Das entsprechende Gegenstück zum Empfangsdatenserver ist ein Clientprogramm, das sich beim Server anmeldet und von dort die Empfangsdaten erhält. Die Messwerte werden dann in einem übersichtlichen Fenster dargestellt. Die NMEA Daten  werden separiert und können über eine serielle Schnittstelle einem Kartenprogramm angeboten werden, das die Fahrt live in einem Kartenfenster darstellt (z. B. TOP50) oder Google Earth. Für dieses Interface nimmt man idealererweise eine virtuelle Comport Emulation wie z. B. von Etherlogic.

Der Vorteil dieser Client/Server Konfiguration ist, Ort der Empfangsanlage muss nicht Ort der Darstellung und Präsentation des Missionsverlaufs (Kontrollzentrum) sein. So kann eine beliebige günstig gelegene Station zum Empfang der Ballonmission verwendet werden, solange sie über einen Internetanschluss verfügt, mehr noch, es könnten beliebig viele Stationen zum Empfang eingesetzt werden und im Kontrollzentrum alle Empfangsdaten zusammenlaufen.

Diese Idee weiterverfolgt, ermöglicht die automatische Darstellung aller Empfangsstationen auf einer Europakarte, die den Ballon aufnehmen können, die dann im Internet für jedermann abrufbar sein sollte. Dies setzt voraus, dass dieses Programm öffentlich zugänglich gemacht wird und die Anwender den entsprechenden Port in ihrem Netzwerk freizugeben haben.

Wir werden diese interessante Möglichkeit in einer der nächsten Missionen ankündigen und vorbereiten.