Fight For A Cookie

Fight For A Cookie war ein Stratosphärenballon, der im August 2011 in Biscarosse (in der Nähe von Bordeaux) von Birger und mir gestartet wurde. Der Ballon ist in 120Min auf ungefähr 25km Höhe gestiegen, dort geplatzt und wieder mit einem Fallschirm auf die Erde gesunken.

Messeinrichtungen:

  • Temperatur: HYT 271 (I2C, Hygrosens)
  • Feuchtigkeit: HYT 271 (I2C, Hygrosens)
  • Luftdruck: MPX 4115A (Analog 5V, Freescale)
  • Position/Uhrzeit via GPS: EM-406A (SiRF III)

Extremwerte

  • Max Temperatur (Höhe > 5km): 25°C in ungefähr 25km
  • Min Temperatur (zwischen 18km und 10km beim Abstieg): < -40°C
  • Min Luftdruck: < 150hPa
  • Max Geschwindigkeit: 139,1 km/h
  • Max Höhe: 26km (interpoliert)
  • Geflogene Distanz (Luftlinie): 199km

Weitere Infos und Tabellen/Graphs weiter unten.

Sonstige Besonderheiten

  • Backup der Daten auf SD Karte
  • Kamera mit CHDK
  • Solarzellen um die Batterien zu entlasten

Es war eine 12V 2,2Ah Batterie eingebaut. Das Log hat kurz nach Mitternacht (viele Stunden nach der Landung) aufgehört. Man könnte also eine kleinere Batterie verwenden oder den Stromverbrauch erhöhen.

Maße

  • Gewicht: 2,49kg
  • Höhe, Breite, Tiefe: 30x30x30cm

Funktionsweise:
Ein ATMega328 (Arduino) wertet alle Sensoren aus (I2C und Analog) und packt diese in einen String mit dem Startcode “SENSOR”. Danach wartet der AVR auf die seriellen Daten vom GPS-Modul und hängt diese an den vorhanden String an (wegen der Seitenbreite wurde ein Zeilenumbruch eingefügt).
Der String wird auf die SD Karte gespeichert und seriell an den Modulator/Sender weitergegeben.

SENSOR,208,17875,-25,
$GPGGA,134543.000,4459.1896,N,00018.2185,W,1,11,0.8,13824.8,M,49.6,M,,0000*40

Erklärung:
SENSOR, Feuchtigkeit in c% , Luftdruck in Pa , Temperatur in °C ,
$GPGGA, Uhrzeit HHMMSS.000 , Breitengrad ,N, Längengrad ,W, Qualität der Messung , Anzahl Satelliten , HDOP Horizontalgenauigkeit , Höhe in Metern ,……

Probleme

Datenübertragen
Die Daten wurden mit einem XR2206 auf AFSK codiert und mit einem fertigen Sender auf 137,95MHz übertragen. Trotz vieler erfolgreicher Tests am Boden konnten keine Daten erfolgreich übertragen werden. Ob es sich um eine Fehlfunktion des XR2206 oder des Senders handelt wurde noch nicht untersucht.

  • AFSK Frequenzen: 900Hz und 1,5KHz.
  • Geschwindigkeit: 600bps.
  • Zeichen: ASCII.

Andere Probleme

  • GPS: wir hatten eigentlich einen Ausfall nach 18km erwartet. Das verwendete GPS-Model (SiRF III Chipsatz) hat allerdings problemlos bis 24km funktioniert. Danach hat das Modul sich verhalten als ob keine Satelliten zu empfangen sind.
  • Druck und Temperatursensor: die Messbereiche waren nicht richtig gewählt da auch Temperaturen unter -40° und Luftdrucke unter 150kPa vorkommen. Beim nächsten mal werden hier verschiedene Sensoren mit unterschiedlichen Messbereichen eingesetzt.
  • Beim Start ist die Kamera etwas verrutscht und man sieht am Rand einen Teil des Gehäuses. Das nächste mal muss hier besser befestigt werden.

Fotos
Die Kamera (Canon A480) wurde mit der alternativen Firmware CHDK betrieben. Hier lief ein kleines Skript um ein Bild alle 30 Sekunden zu schießen.

  • Autofokus ausschalten. Vor dem starten des Skriptes einmal ein Bild vom Himmel oder einem sehr weit entfernten Objekt machen damit der richtige Fokus gesetzt wird.
  • Nach starten des Skriptes einen 3,5mm Klinkenstecker in die Buchse schieben um den LCD Bildschirm zu deaktivieren.

Es waren 2 gute Akkus eingebaut. Die Laufzeit der Kamera ist nicht bekannt, da sie es geschafft hat die 4GB Karte zu füllen. Danach ist wahrscheinlich das Script stehengeblieben. Es gibt im Internet viele Beispielskripte, man könnte (z.B.) auch alle 2min ein kurzes Video machen. Ich habe das Intervalometer von Fraser McCrossan verwendet: CHDK Wiki (Skript)

Altitude over Time

Höhe über die Flugzeit (GPS). Eine lineare approximation wurde hinzugefügt. Maximal erreichte Höhe liegt beu ungefähr 26km.


An der abnehmenden Fallgeschwindigkeit sieht man den geringen Luftdruck in der Stratosphäre. Ist der Luftdruck gering gibt es auch wenig Luft um den Fallschirm zu bremsen.

Graph of the air humidity recorded by FFAC

Sieht aus wie erwartet. Das erklärt z.B. warum es ab einer bestimmten Höhe keine Wolken mehr gibt.

Graph of the air pressure recorded by FFAC

Sieht aus wie erwartet. Das nächste mall sollen hier 2 Sensoren (0-100kPa und 150-1500kPa) zum Einsatz kommen.

Temperatur über die Flugdauer. Zwischendurch wird es wärmer.

Warum steigt die Temperatur wieder an?
In der Stratosphäre (zwischen ugf. 10 und 50km Höhe) liegt die Ozonschicht. Das Ozon absorbiert die von der Sonne kommenden UV-Strahlung und diese Energie wird in Wärme umgewandelt. Durch die absorbierte Energie wird Sauerstoff gespalten und in Ozon umgewandelt (3 O2 → 2 O3). Das gleiche passiert auch in der anderen Richtung (2 O3 → 3 O2) wodurch ein Gleichgewicht entsteht, auch Ozon-Sauerstoff-Zyklus genannt.

3D Flugroute aus GoogleEarth. Blickrichtung nach Westen. Links oben im Hintergrund ist die Nordküste von Spanien.

3D Flugroute aus GoogleEarth. Blickrichtung nach Westen. Links oben im Hintergrund ist die Nordküste von Spanien.

Geschwindigkeit und Höhe nach Zeit

Geschwindigkeit und Höhe über die Flugzeit (Screenshot aus Google Earth)

Zwischendurch gibt es eine kleine Datenlücke: dort hat das GPS nicht mehr funktioniert (siehe Erklärung weiter oben). Die Geschwindigkeit wurde aus der Positionsänderung errechnet (GPGGA enthält keine Geschwindigkeit). Das nächste mal werden zusätslich noch den GPRMC-String auswerten (dort sind auch Geschwindigkeit am Boden (in 2D) und in der Luft (3D) enthalten).

Was kann man das nächste mal besser machen?

  • Kamera besser befestigen und die Öffnung etwas größer macht (damit mehr Spielraum für verrutschen bleibt)
  • Alternative Datenübertragen, z.B. mit APRS.
  • Verschiedene Sensoren für einen breiten Messbereich verwenden.

Kosten

  • Startgebühren, Ballon, Gas: gesponsert. Im Normalfall kommt man anscheinend auf 300-400€ (Hauptsächlich für das Helium).
  • Arduino + Logger-Shield (Adafruit) + GPS-Shield (Sparkfun) + Zubehör: 70€
  • Sensoren: 30€
  • Kamera (Canon A480) + SD Speicherkarte + Akkus: 65€
  • Kabel, Akku (12V 2,2Ah, Blei-Vlies), Zubehör: 20€
  • Funk-Transmitter: gesponsert. Für Radio-Module bzw. Funkgeräte sollte man zwischen 50€ und 100€ vorsehen.

FAQ

  • Wie steigt der Ballon nach oben?
  • Es handelt sich um einen sehr dünnen mit Helium gefüllten Latexballon. Bevor er platzt hat er einen Durchmesser von ungefähr 10m.

  • Wie kommt alles wieder runter?
  • Zwischen dem Ballon und der Nutzlast ist ein kleiner Fallschirm angebracht.

  • Kann das jeder machen?
  • Ja, allerdings braucht man eine Genehmigung von der zuständigen Behörde für die Kontrolle des Luftraumes. In Deutschland gibt es bei der DFS (Deutsche FlugSicherung) extra ein Formular. Danach braucht man noch Geld für das Helium, den Ballon, das Zubehör und die Nutzlast. An den Ballon (zwischen Fallschirm und Nutzlast) gehört auch ein Radarreflektor damit Radaranlagen und Flugzeuge den Ballon “sehen” können.

  • Worauf muss man achten?
  • Die Nutzlast sollte nicht zu klein sein, dann findet man es besser und falls der Fallschirm versagt fällt es nicht wie ein Stein vom Himmel. Beim Aufblasen des Ballons muss man sehr aufpassen diesen nicht zu beschädigen. Fingernägel schneiden, Schmuck, Uhren, Gürtel ausziehen und eventuell Klebeband über Reißverschlüsse/Nieten an der Hose kleben.

  • Wie überträgt man die Daten?
  • Manche Projekte machen es mit Handys/GSM Netz und versenden SMS mit der aktuellen Position. Allerdings braucht man dafür entweder ein teueres Smartphone oder einen etwas aufwendigen Aufbau mit GSM-Modul, Mikrocontroller usw. Eigentlich ist hier APRS das passende Mittel.

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