LHC Balloon

De LHC - Laboratório Hacker de Campinas
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Balão de Telecomunicações e Coleta de Dados do LHC - (LHC-SH1)

Introdução

O objetivo deste projeto é lançar um Balão de Comunicações a fim de aprendizagem sobre o funcionamento dos sistemas em alta altitude e baixas temperaturas.
O codinome do balão por ora será LHC-SH1.
No payload haverá um computador de bordo (a ser definido - RaspberyPi Zero ou Arduino) que será responsável por coletar as diversas informações de telemetria, armazená-las localmente em um cartão de memória e também envia-las à estações receptoras em solo. Possivelmente haverá uma câmera a bordo para registro de imagens da baixa e alta estratosfera.
A comunicação com as estações em solo se dará utilizando as frequências de radioamadorismo designadas para o sistema APRS (Automatic Position Reporting System).
O lançamento do balão deverá ser feito de acordo com as regras estabelecidas pela ANAC (Agência Nacional de Avião Civil) e coordenado com o Controle Aéreo Local.
O payload deverá contar com um para-quedas para a descida segura do payload a fim evitar qualquer risco às pessoas.
Sendo possível deverão ser feitas tentativas de recuperação do payload após a queda baseando-se nas últimas telemetrias recebidas.

Comunicações

Toda comunicação será one-way e downlink, ou seja, Balão -> Solo.

Frequências

  • A comunicação de telemetria com o solo se dará na frequência de 145.570 Mhz (faixa de 2m) que é a frequência designada para o sistema APRS no Brasil. Este sistema permite uma taxa de transferência de 1200 bps que é suficiente para transmissão dos dados de telemetria.
  • Poderá haver também transmissão na frequência na faixa dos 430 Mhz (faixa de 70 cm) para dados de imagens via SSDV. (A verificar a disponibilidade de uso da frequência de acordo com as Resoluções da ANATEL para uso geral ou para possuidores de Licença de Radioamadorismo.)

Checklist:

Tarefa Notas Status
Definir qual prefixo de chamada utilizar. De algum membro do LHC ou solicitar um para uso exclusivo do LHC (necessita de pessoa jurídica?) ? A iniciar
Definir o SSID utilizar para o sistema APRS. 0 a 15 A iniciar
Verificar qual a potência máxima de transmissão na frequência 145.570 Mhz para radioamadores Classes A,B e C. A iniciar
Verificar a possibilidade de utilização da frequência na faixa dos 430 Mhz, qual frequência exata e potência máxima. A iniciar

Equipamentos de Transmissão

- Alguns equipamentos possíveis para transmissão em 145.570 Mhz:

- Alguns equipamentos possíveis para transmissão na faixa dos 430 Mhz:

Antena

  • Antena dipolo de 1/4 de onda ? - Exemplos

Comunicação com a Estação Espacial Internacional (ISS)

  • Cogita-se a possibilidade de comunicação do balão com o repetidor APRS instalado na ISS. Para isso é necessário verificar os horários de passagem da ISS por perto da região aonde será lançado o balão. A ISS dá uma volta na terra a cada 1h30m aproximadamente.
  • Também é necessário observar que o sistema APRS instalado na ISS funciona em uma frequência diferente daquela utilizada no Brasil o que implica na necessidade do computador de bordo alterar a frequência de transmissão em intervalos regulares quando da passagem da ISS sobre o local aonde se encontra o balão.

Recepção em solo e Tracking

  • A recepção em solo poderá ser feita de diversas maneiras e simultaneamente por várias pessoas que consigam receber os sinais diretamente nas frequências utilizadas.
    • Utilizando sistemas de rádio amadorismo conectados ao um modem TNC.
    • Utilizando um SDR (Software Defined Radio) conectado a um computador.
    • Através de IGates, estes por sua vez recebendo os dados diretamente ou através de repetidoras e injetando no sistema APRS.
    • O tracking em tempo real poderá ser feito através do site http://aprs.fi

- SDRs para recebimento de sinais em solo:

Equipamentos a Bordo

Computador

Raspberry Pi

  • Utilizando o sistema Raspian.
  • Preferencialmente utilizar o modelo Zero devido ao menor consumo de energia.

Arduino

  • Verificar o número de pinos a serem utilizados e memória para definir qual modelo de Arduino utilizar (Nano, Uno, Mega, etc).

GPS

  • O módulo GPS deve ser capaz de operar em baixas temperaturas.
  • O módulo GPS deve ser capaz de obter a localização acima dos 18KM de altitude (alguns apresentam problema acima desta altitude). Lista de modelos testados.
  • Verificar modelos com saída para antena externa (e acompanha antena).
  • Alguns módulos vêm com slot para microSD card (Útil se utilizado com Arduino. Não necessário para Raspberry Pi)

Checklist:

Tarefa Notas Status
Verificar a temperatura mínima de operação do GPS. A iniciar
Verificar a altitude máxima de operação do GPS. A iniciar

Sensor de Temperatura e Umidade

  • Há possibilidade de se instalar dois sensores de temperatura. Um dentro do payload para medir temperatura interna(DHT22) e outro na parte externa. É necessário que o sensor da parte externa seja capaz de medir baixíssimas abaixo de -50C.

DHT11 - Temperatura: De 0C a 50C (±2C) - Umidade: De 20% a 95% (±5%). Datasheet
DHT22 - Temperatura: De -40C a 80C (±0.5C) - Umidade: De 0% a 100% (±2%). Datasheet
DS18B20 - Temperatura: De -55C a 125C (±0.5C). Datasheet


Checklist:

Tarefa Notas Status
O sensor DS18B20 consegue ler temperaturas de até -55C porém não mede umidade. Encontrar um sensor de umidade (ou combo) que consiga operar nesta temperatura. Iniciado

Sensor de Pressão(Barômetro)

  • Este sensor é necessário ou irrelevante ? (Considerar o consumo extra de energia)
  • Este sensor é capaz de fornecer dados mais precisos para o calculo de altitude ao invés do GPS ?
  • Se for instalado na parte externa irá conseguir operar a baixas temperaturas ?

BMP180 - Pressão: De 300 a 1100 hPa (-500 a 9000 metros acima do nível do mar) Datasheet


Checklist:

Tarefa Notas Status
Verificar a temperatura mínima de operação do sensor. BMP180: -40C Iniciado
Verificar a altitude máxima de operação. BMP180: 9000 metros Iniciado

Câmera

Armazenamento de Dados

  • Para RaspberryPi o próprio cartão de memória pode ser usado.
  • Para Arduino um shield com microSD é necessário. Alguns shields de GPS vêm com slot para microSD card.

Softwares/Funções

- A Bordo

  • Coleta de dados de: Posicionamento GPS, Quantidade de Satélites, Altitude, Temperatura (Interna e Externa), Voltagem da Bateria e envio por APRS além de armazenamento local no cartão de memória.
  • Captura de imagens através de câmera em intervalos pré-definidos e armazenamento local no cartão de memória. TimeLapse Tutorial
  • Caso exista sistema de transmissão SSDV enviar imagens através dele porém em intervalos maiores do que os de captura e com altitude e tempo máximo limite.

- Em solo

  • Coletar os dados de telemetria recebido via APRS, inserir em uma base de dados para uso com sistemas de mapa.

Checklist:

Tarefa Notas Status
Definir o formato da Telemetria. A iniciar

Energia

  • Muitos balões de pequeno porte utilizam baterias de Li-Ion (Íons de Lítio) por serem capazes de funcionar a baixas temperaturas (até -40C). Este componente é crítico para o projeto e deve ser preparado e pesquisado a exaustão, afinal, caso deixe de funcionar perdemos qualquer tipo de contato com todos os sistemas a bordo inclusive armazenamento local de dados. Será necessário portanto proteger a bateria contra as baixas temperaturas mesmo dentro do recipiente do payload.
  • As baterias de Li-Ion operando a baixas temperaturas funcionarão com uma taxa de descarga reduzida.
  • A princípio não serão necessários painéis solares pois o tempo de voo do balão é de aproximadamente 2h30m.
  • Para alimentação do computador de bordo é necessário a adaptação de um cabo USB.
  • Como a alimentação do computador de bordo se dá a 5V é necessário um conversor DC-DC pois a voltagem de saída da bateria pode ser 3.7V. É necessário ainda proteger o conversor DC-DC contra as baixas temperaturas da mesma forma que a bateria. Exemplo de Conversor DC-DC

Checklist:

Tarefa Notas Status
Definir qual modelo de bateria utilizar (Voltagem e Ah(ampere-hora) ). A iniciar
Verificar qual a menor temperatura de operação da bateria. A iniciar
Medir consumo de bateria em Ah com o Computador e todos os módulos ligados. A iniciar

Balão

  • O balão a ser enviado será do tipo meteorológico com razoável resistência para que possa subir a uma altura considerável.
  • O gás a ser utilizado poderá ser ou Hidrogênio ou Hélio e depender de custo, facilidade de aquisição e adequação ao projeto.
  • Elaborar uma previsão de trajetória do bolão considerando o dia e horário de lançamento. CUSF Landing Predictor 2.5
  • Sendo adequado poderá ser feito o calculo para elevação do balão até determinada altitude a fim de mantê-lo no ar por mais tempo.
  • Verificar legislação e regulamentação da ANAC. Regulamento ANAC RBHA101

Checklist:

Tarefa Notas Status
Definir qual material e modelo de balão a ser usado. A iniciar
Definir qual gás utilizar (Hidrogênio ou Hélio) A iniciar
Calcular a quantidade exata de gás e pressão para definição de altitude máxima aproximada. A iniciar
Elaborar uma previsão de trajetória do balão. A iniciar
Verificar legislação/regulamentação ANAC e necessidade de aviso a controle aéreo local Medidas máximas para não necessidade de coordenação: 1,85m de diâmetro, 4,5m cúbicos de Hélio/Hidrogênio, 3Kg de payload, cabo de sustentação do payload para 23Kg. Iniciado

Recipiente para o Payload

  • Todos os equipamentos eletrônicos deverão estar protegidos dentro de um compartimento feito de isopor para isolamento térmico e proteção dos sistemas a bordo.
  • A correta vedação é importante pois muitos equipamentos não funcionam a temperaturas como as encontradas em altas altitudes (-55 C).
  • Na parte exterior do payload fixar informações a respeito do conteúdo e como contatar o LHC caso alguém encontre.
  • É necessário desenvolver um para-quedas adequado ao peso do payload para descida segura a fim de se evitar acidentes com pessoas e animais.

Checklist:

Tarefa Notas Status
Medir o peso do payload. A iniciar
Definir a grossura ideal das paredes do isopor. A iniciar
Testar o os sistemas dentro do isopor em ambiente de baixa temperatura. A iniciar
Elaborar informações a serem fixadas na parte externa do Payload. A iniciar
Desenvolver um sistema de para-quedas para o Payload. A iniciar

Lista de Materiais

COmponente Valor Referência
RaspberryPi Zero R$ 25 The Pi Hut Store
micro SD 8GB R$ 10
Arduino Mega R$ 25
SDR USB RTL2832u R$ 25 eBay
Radiometrix NTX2B R$ 100
Antena do Payload R$ ??
Antena de solo R$ ??
Sensor de GPS R$ 45
Sensor de Temperatura e Umidade (DHT22) R$ 12
Sensor de Temperatura (DS18B20) R$ 6 eBay
Sensor de Pressão R$ 15
Bateria R$ 25
Balão R$ 150
Gás Hélio para o Balão (aluguel) R$ 100 Campinas Oxigenio
Para-quedas R$ 20
Isopor R$ 5

Referências

Sociedade Britânica de Alta altitude.
Projeto ICARO - Ipmet
APRS Brasil
ARDUSAT
CUSF Landing Predictor 2.5
Balloon Trajectory Forecasts
Projeto de um balão utilizando Arduino


Quem

  • Fernando
  • LeandroPereira