Blitzortung

nach dem TDoA-Verfahren


Features:

  • Blitze orten weltweit
  • so funktioniert's

Bild 1: Blitzortung live – mit nur wenigen Sekunden Verzögerung: Hier ein Sommergewitter über Südnorwegen.

Blitzortung

nach dem TDoA-Verfahren

Wenn es draußen blitzt und donnert, fragt man sich: Wie lange dauert der Spuk noch an? Und: Wo blitzt es noch, wie groß ist das betroffene Gebiet? Die Antwort gibt Blitzortung.org. Interessant: Die Ortung geschieht weltweit und die dahinter stehende Interessengruppe arbeitet nichtkommerziell.

Auf der Fensterbank steht ein kleiner Kasten, der auf 500 kHz, der ehemaligen Notruffrequenz der Mittelwelle, auf Knacken und Knistern lauscht. Die Antenne ist eine kleine Spule, die (Empfangs-)Arbeit verrichtet ein Mikroprozessor und die Ausgabe geschieht über Lautsprecher und einige LED. Die LED des Gewitterwarners leuchtet rot, wenn das Knacken und Knistern auf 500 kHz in schneller Folge nicht zu überhören ist. Dann dauert es nicht mehr lange, und die Naturgewalten brechen sich Bahn.

So genial einfach und praktisch das Gerätchen auf der Fensterbank seinen Dienst verrichtet, im Zeitalter der portablen Westentaschencomputer mit Internetanschluss scheint es weniger zeitgemäß. Da informiert [1] über das Blitzgeschehen sogar weltweit anhand einer Weltkarte. Mit ein paar Klicks engt man die Karte auf die lokale Umgebung ein.

Das Projekt Blitzortung verwendet VLF Empfänger (3 bis 30 kHz) basierend auf der TDoA (Time Difference of Arrival) bzw. ToGA (Time of Group Arrival) Methode. Die Gruppe von Betreibern dieser Empfänger senden ihre Daten zu den Rechenservern. Das Netzwerk besteht aus mehr als 2200 Empfangsstationen – verteilt über den Erdball - und mehreren zentralen Rechenservern. Alle Empfänger im Empfangsbereich eines Blitzsignals zeichnen etwa eine Millisekunde mit einer Abtastrate von über 500 kHz auf. Zusammen mit den Koordinaten eines GPS Empfängers werden die Ankunftszeiten der Signale auf die Mikrosekunde genau erfasst und über das Internet zum zentralen Server übermittelt.

Für die Aufzeichnung der Signale wurde ein spezieller Detektor entwickelt. Dieser besteht aus mehreren Verstärkern, einer digitalen Signalverarbeitung und ein Modul zur Weiterleitung der Daten an die zentralen Rechenserver. Anhand der Signalaufzeichnungen und den geographischen Koordinaten mehrerer Empfänger bestimmt der Server die Positionen der Blitzentladungen.

So funktioniert’s

Die Grundidee dieser TDoA ist die Triangulation durch Messung der Laufzeit eines Signals, das an verschiedenen Orten empfangen wird. Elektromagnetische Wellen - darunter Licht und HF - laufen mit einer Geschwindigkeit von 300 km pro Millisekunde (oder 300.000 km je Sekunde).

Wenn Sie die elektromagnetische Aussendung eines Blitzes an zwei verschiedenen Stationen empfangen – bei unterschiedlicher Entfernung beider Standorte zum Blitzort - erreicht das Signal jede Empfangsstation zu einem anderen Zeitpunkt. Ausnahme: beide Empfangsstationen weisen die exakt selbe Entfernung zum Ort des Blitzes auf. Interessant ist nun die Zeitdifferenz der Ankunft dieses Signals an beiden Stationen. Dann nimmt die Software eine Probe von 30 Sekunden des Inhalts dieser Übertragung. Diese wird als I/Q-Stream gespeichert und mit GPS-Zeitstempeln versehen. Im nächsten Schritt werden beide I/Q-Aufnahmen verglichen, um die Zeitdifferenz bei der Ankunft zu ermitteln. Dieser Prozess wird Kreuzkorrelation genannt und liefert die Zeitdifferenz.


Bild: Fallen mehrere Hyperbeln auf einen Punkt zusammen, ist das der Standort, hier eines Blitzes. Quelle: Blitzortung.org (PDF)

Alles, was man bei der Berechnung der Zeitdifferenz bei der Ankunft von nur zwei Empfängern weiß, ist, dass sich der Ort des Blitzes irgendwo auf einer speziellen Hyperbel befinden muss, die auf einer Karte darstellbar ist. Besser ist es, man bezieht eine dritte Empfangsstation in die Standortbestimmung ein, um jede Zeitdifferenz bei der Ankunft der resultierenden Empfängerpaare zu berechnen. Dann legt man mehrere Hyperbeln auf der Karte übereinander, die sich nach exakter Messung an einem Punkt schneiden werden: Das ist der Ort, an dem der Blitz aufgetreten ist.

Die daraus ermittelten Positionen stehen den Teilnehmern des Netzwerkes als Rohformat und in Form von Karten zur Verfügung. Für die Allgemeinheit werden auf den Webseiten die Orte der Entladungen in Echtzeit angezeigt. Je nach Auslastung der Server und Signalaufkommens hinkt die Anzeige nur zwischen 3 und 20 Sekunden der Realität hinterher.

Mitmachen

Jeder, der Interesse hat, kann bei dem Projekt mitmachen. Dazu gibt es eine ausführliche Aufbauanleitung für die Antennen (E-Feld und H-Feld-Sonde sowie die Controller-Hauptplatine). Um die Kosten für Interessenten so gering wie möglich zu halten, sind die Teilnehmer gehalten, die Bauteile für eine Empfangsstation im Elektronikhandel selbst besorgen und den Detektor so weit wie möglich selbst zusammenbauen. Da die Übertragung der Daten stets per Internet erfolgt, sollte am Ort ein stabiler Zugang zum Internet gewährleistet sein, ein wenig Platz im Garten außerhalb des häuslichen Störnebels ist hilfreich. „Die Interessengemeinschaft „Blitzortung.org“ richtet sich in erster Linie an Privatpersonen mit Interesse an Wetterkunde und Kompetenzen im Bereich Elektro- und Computertechnik. Für den Aufbau und den Betrieb eines Blitzdetektors ist ein Grundverständnis der verwendeten Empfangstechnik notwendig.“ , so ist auf der Webseite zu lesen. Nun, da sind Funkamateure ja genau richtig.

Das aktuelle Detektorsystem heißt „System Blue". Die Bauteile (SMD) der Platinen sind bereits bestückt. Bedrahtete Bauteile werden manuell verlötet. Die Firmware ist bereits vorinstalliert. Wer dazu mehr Informationen benötigt, schaut bei [1] in das dortige Forum.

Literatur/Verweise:
[1] Homepage: https://www.blitzortung.org/de/




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