Blitzortung
Aufbau meiner Station für das blitzortung.org Messnetzwerk
Mit dem Projekt Blitzortung können Einschläge von Blitzen auf wenige Meter genau erkannt werden. Ermöglicht wird dies durch eine große Community, welche entsprechende Messstationen aufbaut, installiert und betreibt. Die erfassten Daten stehen in Echtzeit zur Verfügung. Dies ist nicht nur naturwissenschaftlich interessant, sondern kann bei Aktivitäten im Freien sogar Menschenleben schützen. Im Folgenden möchte ich meine Station in Uelzen beschreiben, die ich im Jahre 2016 bei mir installiert habe - eine der tausenden Stationen weltweit.
Die Ortung findet mit der sogenannten TOA (Time of arrival) Methode statt. Die vom Blitz erzeugte elektromagnetische Störung wird ausgewertet und mit einem Zeitstempel versehen zu einem zentralen Server geschickt. Der Server fasst identische Signale verschiedener Empfänger zusammen und ermittelt über die Laufzeit die exakte Position. Mindestens 6 Stationen sind dabei zur Positionsbestimmung nötig. Da alle Empfänger ihren Referenztakt über den 1pps Ausgang des GPS Moduls beziehen, schafft dies einen vergleichbaren Zeitstempel im Mikrosekundenbereich.
Die Kosten für den Bausatz liegen um 200€. Das hier gezeigte System RED erforderte ein aufwändiges Bestücken der Platinen per Hand. Mittlerweile wurde es vom System Blue abgelöst. Dieses kommt zum größten Teil mit SMD Bauteilen vorbestückt.
Verschiedene Antennentypen sind möglich. Die E-Feld Antenne besteht aus einem vertikal aufgehängten Draht. Sie empfängt das elektrische Feld. H-Feld Antennen hingegen werten das Magnetfeld aus. Dabei besteht die Auswahl zwischen Ferritstäben oder verschiedenen Loop Antennen. E- oder H-Feld Antennen verwenden unterschiedliche Vorverstärker, man sollte sich daher vor Bestellung festlegen. Ich habe mich für die weit verbreiteten Ferritantennen entschieden. Diese können fertig gewickelt mitbestellt werden. Mit den 20cm langen Ferritstäben kann die maximale Erkennungsdistanz je nach Bedingungen tagsüber bis 1000km und nachts bis 2000km betragen.
Die Ferritstäbe müssen im 90 Grad Winkel zueinander ausgerichtet sein, damit Signale aus allen Richtungen empfangen werden können. Sie werden dabei horizontal montiert. Eine besondere Ausrichtung nach Himmelsrichtung ist nicht nötig. Ich habe mir eine passende Halterung aus Siebdruckplatte CNC gefräst. Die Antennen sind mit Schaumstoff gepolstert in EN20 Installationsrohre geschoben, mit passenden Schellen befestigt und am Ende mit Stuhlbeinkappen verschlossen.
Direkt an der Antenne befindet sich eine Platine mit dem passenden Vorverstärker. Dieser wird mit einem einfachen RJ45 Netzwerkkabel mit dem Controller verbunden. Ich verwende Kerpen Megaline E5-70 Kabel mit Hirose Steckern. Um Störungen auszugleichen, sind die beiden Antennen im 45 Grad Winkel zum Vorverstärker montiert.
Antennen und Vorverstärker sind unter Dach verschraubt. Damit entfallen bei ausreichendem Abstand die sonst vorgeschriebenen Blitzschutzvorrichtungen. Aufgrund der niedrigen Frequenzen sind bei Innenmontage keine Einbußen in der Reichweite zu erwarten. Die GPS Antenne jedoch benötigt möglichst freie Sicht zum Himmel. Fensterscheiben sind unproblematisch sofern sie nicht mit Metall bedampft sind.
Für ein optimales GPS Signal verwende ich eine Garmin GA38 Antenne. Diese stammt aus dem Marinebereich und ist entsprechend Wasserdicht und sehr empfangsstark. Sie liegt momentan ebenfalls unter Dach, soll aber später noch an einem Ausleger am Antennenmast montiert werden. Vom Dachboden führt LMR240 low-loss Koaxkabel bis zum Controller.
In einem Zwischenraum am unteren Teil der Dachschräge findet neben der Netzwerkverteilung auch der Controller für die Blitzortung seinen Platz, an den VLF und GPS Antennensignale sowie LAN und 5V Stromversorgung angeschlossen sind. Die Platine vom System RED adaptiert Peripherie wie GPS Empfänger, Netzwerkchip und LC-Display auf ein STM32 F4 Discovery Board. System Blue besteht aus nur noch einer Platine. Die Firmware muss einmalig über USB geflasht werden, und kann anschließend wenn nötig über das Webinterface von jedem Rechner im Netzwerk aktualisiert werden. Nach Registrierung am Server arbeitet die Station vollkommen automatisch. Wenn nötig lassen sich Feineinstellungen per Webbrowser vornehmen.
Aktuelle Echtzeitdaten und Statistiken sind für jedermann ohne Anmeldung auf lightningmaps.org einsehbar. Stationsbetreiber haben für nicht kommerzielle Zwecke sogar Zugriff auf das komplette Datenarchiv. Soft- und Hardware selbst sind Closed Source.
Wer Lust hat eine eigene Station zu betreiben, sollte einen Blick auf die Live Karte werfen. Dort lassen sich die Standorte der Stationen einblenden. Sinnvoll ist ein Abstand von 50 bis 300km zwischen einzelnen Stationen. Weitere lesenswerte Informationen habe ich unten verlinkt.