Telemetrie - Transmitter

Transmitter bilden eine der beiden Hauptkomponenten des Telemetrie - Systems.

Die zweite Komponente sind die Telemetrie - Bodenstationen.

Gerätebeschreibung

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

Unsere Transmitter bilden zusammen mit unseren Bodenstationen ein geschlossenes Datenübertragungssystem. Die Übertragung erfolgt über ein kodiertes Funknetzwerk, sodass ausschließlich unsere Bodenstationen mit unseren Transmittern zusammen arbeiten. Um den 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.

Die Transmitter sind speziell dafür entwickelt worden auf Nutzlasten an kleinen Forschungsballons eingesetzt zu werden, also unter sehr begrenztem Platzangebot und Gewicht.

Mit 160 kBaud stellen sie Nutzdatenraten bereit, welche bis zu 10x höher sind als bei bisherigen Systemen. Damit erlaubt diese Telemetrie erstmalig auch Messsysteme mit hohen Sampleraten bzw. hohen Messauflösungen zu fliegen und diese Daten trotzdem live und vollständig zur Bodenstation zu übertragen!
Die Leistungsfähigkeit der Übertragung ist noch nicht ausgeschöpft, allerdings muss für höhere Datenraten immer ein Kompromiss mit geringerer Reichweite eingegangen werden.

Die Transmitter stellen aber nicht nur die Telemetrie zur Verfügung, sondern bilden bei Bedarf eine komplette Operationsplattform für ein Messsystem.
Das Ziel dahinter ist die Bereitstellung möglichst vieler Funktionen, welche "Plug & Play" genutzt werden können, um dem Anwender (Wissenschaftler) die Entwicklung derartiger Unterstützungssysteme weitgehend abzunehmen, sodass er sich voll auf sein Fachgebiet konzentrieren kann: das Messsystem.

Produktmerkmale:

  • sehr klein und leicht
  • mit oder ohne Gehäuse lieferbar
  • 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
  • 16 MByte interner Speicher (Puffer während Verbindungsabbrüchen)
  • hohe Übertragungssicherheit (Paketverlustraten < 1%, trotz häufiger und Minuten dauernder Verbindungsabbrüche)
  • Live - Datenübertragung
  • integriertes GPS ohne COCOM Limits
  • 2 programmierbare Spannungsquellen
  • 2 Digitalschnittstellen
  • Spannungsversorgung über interne Akkus (Ladegerät integriert) oder eine externe Spannungsquelle

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. 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 7 - 22 V DC
max. Leistungsaufnahme 5.5 W (ohne Belastung der Spannungsquellen)
Betriebstemperaturbereich -40 - +85 °C
GPS Limits < 50 km Höhe
Spannungsquelle 1 1.2 - 5 V, 500 mA
Spannungsquelle 2 1.2 - 12 V, 500 mA
Gewicht (ohne Gehäuse und Kabel) ca. 90 g
Akkus
 
Typ 2x 2-Zellen LiPo (7.4 V, Vakuum-tauglich)
Kapazität 4000 mAh, 30 Wh
min. Lade-Eingangsspannung 12 V
Ladestrom intern 1 A
Ladeleistung 9 W
Gewicht ca. 170 g
Kommunikation
 
Schnittstellen 2 (1x Kommandos, 1x Nutzdatenstrom)
Schnittstellentypen

wahlweise ausrüstbar

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

Baudraten bis 256 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)

Antennentyp Stabantenne

Anwendung

Unser Transmitter, 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.

Die Eigenschaft der Transmitter, nicht nur eine schnelle Telemetrie zur Verfügung zu stellen, sondern auch als operative Plattform für das angeschlossene Messsystem zu fungieren, macht sie besonders vielseitig.

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

1. Versorgung des Messsystems

Situation: Es soll nur ein kleiner Ballon geflogen werden, mit einem Messsystem mit nur geringem Energiebedarf.
  • Über die beiden konfigurierbaren Spannungsquellen kann das externe Messsystem direkt aus den Akkus des Transmitters versorgt werden. Das spart Platz und Gewicht, da für das Messsystem keine zusätzlichen Akkus und Versorgungselektronik mitgeführt werden müssen.
  • Da diese Spannungsquellen auch jederzeit per Befehl über den Uplink eingestellt werden können, können auch Teile des Messsystems jeder zeit bei Bedarf ein- oder ausgeschaltet werden (z.B. um Energie zu sparen).

2. Umfangreiche Steuerung eines komplexen Messsystems

Situation: Ein komplexes Messsystem mit eigener Datenverarbeitungs- und Steuereinheit wird mit dem Transmitter geflogen. Dabei verfügt das Messsystem über 2 Sensoreinheiten, die für unterschiedliche Aufgaben bestimmt sind.
  • Über den Uplink des Telemetrie - Systems kann der Nutzer beliebige Nachrichten übertragen. Entsprechend kodierte Kommandos werden vom Transmitter selbst verarbeitet, andere werden transparent über die beiden Schnittstellen an die daran angeschlossenen Geräte weitergeleitet. Antworten werden ebenso, separiert vom Nutzdatenstrom, wieder an die Bodenstation übertragen.
  • Der Nutzer kann also transparent, wie über eine serielle Verbindung, direkt mit dem Messsystem kommunizieren und dessen Verhalten verzögerungsfrei beeinflussen.
  • Beispielsweise könnte der Nutzer anhand der live übertragenen Messdaten spontan Entscheidungen über den Einsatz der Sensoreinheiten treffen und diese ein-/ausschalten, One-Shot - Messungen auslösen, die Sampleraten ändern, Messbereiche anpassen, Feintuning oder Kalibrierungen durchführen, unabhängig vom Nutzdatenstrom Statusinformationen abfragen, usw...

3. Datenübertragungssicherheit in gestörten Umgebungen

Situation: Es soll ein Messsystem während einer Kampagne mit anderen Experimenten geflogen werden, z.B. mit Radar oder anderen Telemetrie - Einheiten.
  • Ein gestörter Frequenzbereich ist ein großes Problem für jede Telemetrie, der Informationsgehalt übertragener Daten kann verändert werden, einzelne Datenpakete können verstümmelt werden und somit vollständig verloren gehen oder die Verbindung zwischen Messsystem und Bodenstation bricht vollständig zusammen.
  • Unser Telemetrie - System arbeitet mit verschiedenen Verfahren, um solche Störungen zu kompensieren (wie z.B. Frequence-Hopping). Außerdem werden Daten bei fehlgeschlagenen Übertragungen erneut gesendet. Zu diesem Zweck verfügt der Transmitter über einen internen Speicher von 16 MByte, in dem der Nutzdatenstrom gepuffert wird, bis er gesendet werden kann.
  • Eine stark gestörte Umgebung hat somit natürlich negativen Einfluss auf die effektive Übertragungsrate des Systems, allerdings kann sichergestellt werden, dass nur sehr wenige Daten tatsächlich verloren gehen.
  • Das Verhalten des Puffers und der Übertragung können vom Nutzer konfiguriert und so an die Umgebung und die Ansprüche seines Experiments angepasst werden.

4. Nutzen des internen Pufferspeichers

Situation: Es soll ein Messsystem mit extrem hohem Datenaufkommen geflogen werden, welches die maximale Datenrate der Telemetrie übersteigt.
  • Auch das ist möglich, unter bestimmten Einschränkungen.
  • Die max. Übertragungsrate beträgt 160 kBaud. Ist die Eingangsrate der Nutzdaten an der Schnittstelle größer als die aktuelle Übertragungsrate (z.B. weil diese durch Störungen verringert ist) werden die Nutzdaten im internen Speicher gepuffert.
  • Dank des Kommando-Uplinks kann dieses Verhalten nun für die vorliegende Situation ausgenutzt werden. Das Messsystem wird zunächst während des Starts und ersten Teil des Steigfluges mit niedrigerer Samplerate betrieben, sodass der Puffer leer bleibt. Über die Livedaten, die GPS Position und die Höhe des Ballons kann der Nutzer entscheiden, wann die interessante Flugphase für sein Experiment erreicht ist. Nun kann er die Samplerate auf das Maximum erhöhen. Die Daten werden dann weiter mit der maximalen verfügbaren Datenrate gesendet, während im Hintergrund der Puffer die überzähligen Daten aufnimmt. Ist der Puffer voll gehen natürlich Daten verloren. Zu diesem Zeitpunkt sollte das Messsystem wieder in einen langsamen Messmodus versetzt werden, um der Telemetrie die Chance zu geben den Puffer wieder zu leeren

5. Gezielte Beendigung des Fluges

Situation: Ein Experimentalflug soll gezielt zu einem bestimmten Zeitpunkt beendet werden, um zu verhindern, dass der Ballon in ein Areal fliegt in dem die Bergung unmöglich wird.
  • Ein Cutter in der Halteleine zum Ballon kann das Messsystem gezielt abtrennen und so den Flug beenden.
  • Über den Uplink und die per Befehl steuerbaren Ausgänge des Transmitters kann dieser Cutter gezielt ausgelöst werden.

6. Direkte Flugsteuerung des Trägersystems

Situation: Ein Experimentalflug soll auf einem steuerbaren Trägersystem erfolgen, z.B. einem von einem Ballon abgeworfenem Gleiter.
  • Die Telemetrie erlaubt eine live Überwachung der Flugdaten und der Position des Gleiters, dafür kann das integrierte GPS des Transmitters genutzt werden.
  • An die Datenschnittstelle des Transmitters ist das Messsystem angeschlossen.
  • An die Kommandoschnittstelle ist das Kontrollsystem des Gleiters angeschlossen, somit getrennt vom Nutzdatenstrom.
  • Über den Uplink können nun parallel zum Nutzdatenstrom Steuerkommandos an das Kontrollsystem des Gleiters gesendet werden, um entweder ein neues Ziel für ein Autopilotsystem zu setzen oder das Flugverhalten direkt zu beeinflussen.

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.

Dipl.-Ing. Sebastian Finke

Fachbereichsleiter Atmosphärenforschung

stellv. Geschäftsführer

E-Mail an S. Finke