Telemetrie - Bodenstation

Bodenstationen bilden eine der beiden Hauptkomponenten des Telemetrie - Systems.

Die zweite Komponente sind die Telemetrie - Transmitter.

Gerätebeschreibung

Beim Einsatz freifliegender Messsonden steht der wissenschaftliche Nutzer immer vor dem gleichen Problem:
Wie komme ich an die Messdaten meines Systems heran?

Dafür gibt es grundsätzlich 2 Lösungsmöglichkeiten:

1. Onboard-Speicherung und anschließende Bergung des Systems

Vorteile:

  • technisch einfach zu realisieren
  • zuverlässig, keine Datenverluste sofern die Bergung erfolgreich ist

Nachteile:

  • kompletter Datenverlust wenn die Bergung fehlschlägt
  • keine direkte Kontrolle der Funktion der Sonde und deren Flugpfad

2. Live-Übertragung der Messdaten per Telemetrie

Vorteile:

  • Live-Datenübertragung und –Analyse möglich
  • Durch Kommando-Uplink direktes reagieren auf Situationsänderungen und direkte Steuerung der Sonde möglich
  • Eine erfolgreiche Bergung der Sonde ist nicht mehr notwendig, um die Messdaten zu erhalten
  • Durch dieses System werden Einmal-Flüge möglich, bei denen von vornherein mit dem Verlust des Messsystems gerechnet wird, z.B. weil hinaus aufs Meer geflogen wird

Nachteile:

  • erhöhter technischer Aufwand onboard und am Boden

Unsere Bodenstationen bilden zusammen mit unseren Transmittern ein geschlossenes Datenübertragungssystem. Die Übertragung erfolgt über ein kodiertes Funknetzwerk, sodass ausschließlich unsere Bodenstationen mit unseren Transmittern zusammen arbeiten.
Um den technischen Aufwand für den Nutzer so gering wie möglich zu halten sind diese beiden Hauptkomponenten jeweils als Komplett-Paket erhältlich, welches alle notwendigen Bestandteile und Funktionen beinhaltet, sodass das System nahezu als "plug & play" angesehen werden kann.

Produktmerkmale:

  • sehr mobil, einfache Bedienung trotz großem Funktionsumfang:

    • Transport: 1 Fahrzeug (Audi A3 oder größer)
    • Aufbau: 1-2 Personen
    • Betrieb: 1 Person
  • unabhängig von jeglicher Infrastruktur vor Ort (Versorgung über Generatoren, Akkus oder mitgeliefertes Netzteil möglich)
  • hohe Wetter-Beständigkeit
  • stabiles Stahl-Dreibein, anpassbar an den Untergrund
  • Antennenrotor für horizontale Drehung und vertikale Neigung
  • integrierte automatische Verfolgungs- und Ausricht-Funktion für die Antenne (Tracking des Transmitters)
  • Richtstrahl-Antennen mit hohem Gewinn und einer entsprechend großen Reichweite
  • Unterstützung mehrerer Bodenstationen, so können beliebige Reichweiten erzielt werden
  • Downlink für Nutzdatenstrom und Statusinformationen
  • Uplink für Steuerkommandos zur direkten Kontrolle des Transmitters und der angeschlossenen Geräte
  • hohe Übertragungssicherheit (Paketverlustraten < 1%, trotz häufiger und Minuten dauernder Verbindungsabbrüche)
  • Live - Datenübertragung
  • integriertes GPS
  • SD-Karte für Logs der Systemsteuerung und des gesamten Funkverkehrs (auch ohne angeschlossenen PC)
  • PC-Programm für Systemsteuerung, Überwachung und Datenlog
  • Für Forschungsballons: Trajektorien- und Landeplatz-Berechnung, einschließlich live-Update während des Fluges
  • stabile Holzkisten für den Transport

Erweiterungsoptionen:

  • 7 frei programmierbare digitale/analoge Input/Output - Pins für Steuer- und Messaufgaben (geplant)
  • 2. Funkkanal für höhere Übertragungsraten (geplant)

Das System verfügt über weitere Reserven, wie interne Schnittstellen, die nicht von außen zugänglich sind. Diese sind für künftige Erweiterungen vorgesehen.

Haben Sie Sonderwünsche, dann sprechen Sie uns an! Wir sind jederzeit bereit über die Entwicklung entsprechender Zusatzfunktionen zu diskutieren.

Technische Details

Elektronik
 
Eingangssspannungsbereich 10 - 22 V DC
max. Leistungsaufnahme 6 W
Betriebstemperaturbereich -40 - +85 °C
mitgeliefertes Netzteil
 
Ausgangsspannung 13.8 V
max. Strom-Last 20 A
max. Leistung 275 W
Eingangsspannungsbereich 100 - 110 V / 220 - 240 V AC, 50 - 60 Hz
Abmessungen 154 x 102 x 53 mm
Kommunikation
 
Schnittstellen 2 (1x Systemsteuerung, 1x Nutzdatenstrom)
Schnittstellentypen

wahlweise ausrüstbar

zurzeit: USB, RS232, RS422, RS485 (geplant: CAN, LAN)

Baudraten bis 512 kBaud
Funk - Frequenzband Standard: 869 MHz (weitere: 920 MHz, 2.4 GHz, 3.4 GHz)
Funk - Leistung einstellbar, bis zu 1 W
Funk - Übertragungsrate 160 kBaud netto (230.4 kBaud brutto)
Funk - Reichweite

über 100 km (bei 869 - 920 MHz)

über 50 km (bei 2.4 - 3.4 GHz)

Funk - Antennenoptionen 2 m, 2.5 m oder 3 m Gitterparabolspiegel (bei 869 MHz)
Antennen-Rotor
 
Ausführung Rotation + Neigung (Azimut + Elevation)
Stellgeschwindigkeit  
Steuerung / Tracking manuell oder automatisch nach GPS
max. Leistungsaufnahme 275 W
Verpackung und Transport
 
3 hochwertige Holzkisten je < 50 kg

Anwendung

Unser Bodenstationen, bzw. das Telemtrie - System kommt dort zum Einsatz, wo eine große Datenmenge zwischen 2 weit von einander entfernten Orten übertragen werden muss, dabei aber keine fertigen Infrastrukturen vor Ort verfügbar sind oder generell der Wunsch besteht von solchen Drittanbietern unabhängig zu sein. Ein konkretes Beispiel sind Messsysteme an Bord freifliegender Forschungsballons, deren Messdaten direkt an den Nutzer am Boden übertragen werden sollen.

Diese Ballons fliegen in Höhen von über 30 km und häufig über unzugänglichen Gebieten, wie Gebirgen oder Ozeanen. Es gibt also keine Möglichkeit auf z.B. Mobilfunknetze zurückzugreifen. Satellitengestütze Übertragungen sind denkbar, allerdings ist dabei die Übertragungsrate dynamischen Schwankungen unterlegen (durch Umverteilungen bei den Übertragungsbandbreiten seitens des Anbieters). Dagegen bietet unser System eine direkte Datenübertragung in beiden Richtungen (Up- und Downlink) mit einer Übertragungsverzögerung von nur wenigen 100 ms.

Für den Einsatz unseres Telemetrie - Systems müssen verschiedene Voraussetzungen erfüllt sein:

  • für die Funkverbindung ist eine direkte Sichtlinie erforderlich
  • es ist mit der nationalen Institution für Frequenznutzungsrechte (in Deutschland ist das die Bundesnetzagentur) zu klären ob diese Telemetrie (Frequenzband, Sendeleistung, ...) eingesetzt werden darf

Im Folgenden werden einige typische Einsatzszenarien beschrieben (lesen Sie hierzu auch den Bereich Anwendung auf der Seite Transmitter):

1. einfacher Flug eines Forschungsballons mit anschließender Bergung

Situation: Forschungsballon mit Messsystem soll nach der Landung wieder geborgen werden.
  • Im einfachsten Fall wird die Bodenstation direkt am Startpunkt des Ballons aufgestellt. Durch die integrierte automatische Trackingfunktion ist die Antenne jeder Zeit auf die genaue Position des Ballons ausgerichtet. So wird eine Reichweite von über 100 km erzielt.
  • Der Flugpfad und die voraussichtliche Landeposition wird mit dem PC-Programm vorausberechnet und während des Fluges durch die aktuellen Flugdaten live aktualisiert. Somit kann ein Bergungsteam schon im Vorfeld in die Nähe der wahrscheinlichen Landeposition geleitet werden, was die Bergung vereinfacht und Zeit und damit Kosten spart.
  • Sollten diese etwa 100 km Reichweite nicht genügen, dann erlaubt die Vorausberechnung des Flugpfades es natürlich die Bodenstation, entlang dieser Trajektorie in 50 - 100 km Entfernung zum Startpunkt aufzustellen. Damit kann die Reichweite im besten Fall auf nahezu das Doppelte erhöht werden.
  • Während des Fluges werden die Messdaten live zum Boden übermittelt. Sollte die Bergung des Systems also scheitern (z.B. Verlust des Systems nach einer Wasserlandung), dann sind die Messdaten trotzdem gesichert.
  • Durch den Uplink zum Transmitter kann auch während des Fluges direkt Einfluss auf das Verhalten des Transmitters und des angeschlossenen Messsystems genommen werden. Z.B. könnte die Samplerate eines Sensors verändert werden, wenn ein besonders interessanter Bereich durchflogen wird. Theoretisch könnte das Trägersystem (nicht zwangsläufig ein Ballon) sogar komplett ferngesteuert werden.

2. Flug eines Forschungsballons mit gezielter Landung und anschließender Bergung

Situation: Forschungsballon mit Messsystem soll nach der Landung wieder geborgen werden. Dabei liegt die vorausberechnete Landeposition in einer Region mit großen Wasserflächen, z.B. wenn der Ballon vom Inland in Richtung Ozean fliegt.
  • Das Messsystem wird mit einem Cutter ausgerüstet, welcher über einen Befehl ausgelöst werden kann und dann das Messsystem vom Ballon trennt, sodass der Flug zu einem beliebigen Zeitpunkt abgebrochen werden kann.
  • Während des Fluges aktualisiert das PC-Programm live die Flugbahn des Ballons anhand der aktuell von der Telemetrie übertragenen Daten. Das Programm berechnet dabei nicht nur die weitere Flugbahn, sondern gleichzeitig auch Bahn und Landeposition für den Fall, dass der Ballon sofort über den Cutter abgetrennt werden würde.
  • Über den Uplink unseres Telemetrie - Systems kann der Cutter gezielt ausgelöst werden, sobald die entsprechend berechnete Landeposition in einem günstigen Areal gelegen ist. Im konkreten Fall eines Fluges in Richtung Ozean, würde man also den Cut-Befehl senden, sobald die Landeposition kurz vor der Küste liegt, um eine Bergung an Land zu gewährleisten.

3. Einmal - Flug eines Forschungsballons OHNE geplante Bergung

Situation: Forschungsballon mit Messsystem soll an der Küste gestartet werden und auf den Ozean rausfliegen
  • Ohne Telemetrie wäre ein solcher Flug nur möglich bei extrem hohem Aufwand für die Bergung.
  • Durch unser Telemetrie - System werden die Messdaten während des Fluges übertragen, was eine Bergung unnötig macht und somit Zeit und Geld spart.
  • Weiterhin kann über die Vorausberechnung der Flugbahn mittels des PC-Programms der optimale Startzeitpunkt bzgl. Windrichtung und -Stärke bestimmt werden.

4. Langstreckenflug eines Forschungsballons

Situation: Forschungsballon mit Messsystem soll vom Startpunkt aus weit über die max. Reichweite der Telemetrie hinaus fliegen
  • Das Telemetrie - System ist so ausgelegt, dass mehrere Bodenstationen eingesetzt werden können.
  • Bodenstation 1 wird direkt am Startpunkt X aufgestellt (ca. 100 km Reichweite)
  • Ein mobiles Team stellt Bodenstation 2 entlang des Flugpfades in 150 km Entfernung zum Startpunkt auf (ebenfalls 100 km Reichweite). Damit überlappen sich die Funk-Blasen der beiden Stationen um mind. 50 km.
  • Wenn nun während des Fluges der Ballon die Funkblase der 1. Station verlässt und das Signal schwächer wird, kann Team 1 die GPS Position des Ballons an Team 2 übermitteln. Station 2 richtet über die automatische Antennensteuerung die Antenne auf die exakt auf die Position des Ballons aus. Sobald das Signal des Transmitters empfangen wird, läuft auch die automatische Nachführung der Antenne und Station 1 kann den Datenempfang an Station 2 übergeben.
  • Voraussetzung hierfür ist wieder die Vorausberechnung des Flugpfades per PC-Programm
  • So sind schon mit 2 Bodenstationen Reichweiten von 250 - 300 km möglich
  • Die Anzahl an Bodenstationen, die so kombiniert werden können, ist dabei nicht begrenzt, also kann mit entsprechend vielen Stationen theoretisch jede beliebige Flugstrecke überwacht werden.

5. Netzwerk aus Bodenstationen

Situation: Von einem festen Startpunkt aus sollen im Rahmen einer langfristigen Kampagne eine große Anzahl an Ballons geflogen werden, wobei die Flugpfade sehr unterschiedlich ausfallen können.
  • Der Einsatz mehrerer Bodenstationen ist nicht darauf beschränkt diese entlang eines Flugpfades aufzustellen
  • Sie können auch in einem Raster um den Startpunkt herum stationär installiert werden.
  • Somit können die Ballons beliebige Trajektorien fliegen, es muss nur auf die jeweils nächstgelegene Station umgeschaltet werden (oder die mit der besten Empfangsqualität).

6. andere Anwendungsmöglichkeiten

Da das Telemetrie - System über standardisierte Schnittstellen für Datenaustausch, Steuerung, Stromversorgung und Antennen verfügt, kann es problemlos auch in anderen Einsatzgebieten Verwendung finden.

  • Datenverbindung zu wissenschaftlichen Bojen im Meer vor der Küste
    Eine etwas erhöht gelegene Bodenstation kann entweder eine permanente Verbindung zu einer Boje aufbauen oder zyklisch zwischen beliebig vielen Bojen hin und her schalten. Dabei kann die Antennenausrichtung auf die verschiedenen Ziele auch über die automatische Steuerung erfolgen, sofern die GPS Positionen der Bojen bekannt sind.

Kooperationen

Diese Entwicklung erfolgte in Kooperation mit dem Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik e.V. an der Universität Rostock (IAP).

Diese Entwicklung wurde gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.