LARUS Segelflug-Sensoreinheit

SteFly produziert und vertreibt das vom LARUS-Projektteam um Prof. Dr. Klaus Schäfer, Horst Rupp und Maximilian Betz entwickelte High-End Variometer in Lizenz.

Kurz gesagt: Daten aus einem (oder zwei) GNSS-Empfänger(n), einer IMU (inertiale Messeinheit) sowie von Drucksensoren für statischen Druck und Staudruck werden in der LARUS-Sensoreinheit mittels spezieller Algorithmen kombiniert und ausgewertet. Die Ergebnisse werden mittels serieller Schnittstelle oder Bluetooth an ein Anzeigegerät übergeben. So sind bspw. alle OpenVarios, oder auch andere Geräte auf denen XCSoar läuft, mit der LARUS Sensoreinheit kompatibel.

• Das fahrtkompensierte Steigen oder Sinken (Variometer)
• Die horizontale Windgeschwindigkeit als Momentanwert (Live / Echtzeitwind) und über einen einstellbaren Zeitraum gemittelten Wert (z.B. 30 s)
• Die Fluglage für die Anzeige in einem künstlichen Horizont
• Die Druckhöhe / Flight-Level FL
• Die wahre Fluggeschwindigkeit (TAS)
• Den Kurs über Grund (Track)
• Den Drift-Winkel (Differenz aus Track und Heading)

GNSS

In den letzten Jahren wurde die Ortsbestimmung mittels GNSS (Globales Navigationssatellitensystem) um ein Vielfaches genauer. Dadurch, dass GNSS neben GPS-Satelliten auch Satelliten von GLONASS, Galileo und BeiDou einbezieht, können die in der LARUS-Sensorbox verbauten modernen GNSS-Empfänger eine horizontale Positionsgenauigkeit von 1,5 – 2 m erreichen. Zusätzlich wird die Geschwindigkeit über Grund dreidimensional gemessen und zur Stützung der Fluglage-Messung und als eine Messgröße für das Variometer verwendet.

Die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung beträgt:

• LARUS Essential mit uBlox M9N Einfrequenz-Empfänger und GNSS-Antenne: horizontal ca. 0,1 km/h; vertikal ca. 5 cm/s
• LARUS Dual-GNSS mit uBlox F9P Dual-GNSS-Empfänger: horizontal ca. 0,05 km/h; vertikal ca. 2,5 cm/s

Bei LARUS Dual-GNSS kann durch die Verwendung eines D-GNSS-”Kompasses“ (2 gekoppelte Differential-GNSS-Empfänger, hier uBlox F9P) die Genauigkeit des Steuerkurses auf ca. 0,05 Grad verbessert werden.

Die Messung der Fluglage kann für einen künstlichen Horizont sowie zur präzisen Anzeige des momentanen Drift-Winkels (Track – Heading) verwendet werden.

Drucksensoren

Die Larus-Sensorbox enthält Drucksensoren zur Messung von statischem Druck und Staudruck. Der statische Druck wird für die Anzeige der Druckhöhe und des Flight-Level FL benötigt. Zudem wird er bei der Bestimmung der Luftdichte herangezogen.

Aus dem Staudruck wird die angezeigte Fluggeschwindigkeit IAS gebildet.

Die Berechnung der wahren Fluggeschwindigkeit TAS erfolgt aus der angezeigten Fluggeschwindigkeit unter Berücksichtigung der momentanen Luftdichte. Auf die Luftdichte schließt Larus dabei in Echtzeit durch den Vergleich der GNSS-Höhe mit der Druckhöhe, ohne dass die Temperatur oder Luftfeuchte gemessen werden muss. Mithilfe der TAS berechnet LARUS anschließend die Windgeschwindigkeit.

Algorithmen

Berechnung der (Echtzeit-) Windgeschwindigkeit

LARUS bestimmt aus der dreidimensionalen Differenz zwischen Grundgeschwindigkeit und Fluggeschwindigkeit die Windgeschwindigkeit. Ausgegeben wird sowohl ein Kurzzeit-Mittelwert und ein Langzeit-Mittelwert. Die Zeiträume unterscheiden sich wie folgt:

• Im Geradeausflug beträgt der Zeitraum für den Kurzzeit-Wind 5 s und für den Langzeit-Wind 30 s (Standardeinstellung; beide Zeiten sind konfigurierbar)
• Im Kreisflug ist der Kurzzeit-Wind der Mittelwert des letzten Kreises, während der Langzeit-Wind der akkumulierte Mittelwert über die gesamte Zeit der letzten Kreisflug-Phase ist

Mit der Einführung des LARUS Vario Displays können nun auch alle Informationen übersichtlich und optisch ansprechend auf einem separaten Rundinstrument angezeigt werden. Das runde Display mit 57 mm Durchmesser bietet hierfür viel Platz.

LARUS Sensor Box und LARUS Vario Display können als Stand-Alone Einheit verbaut werden. Ein Navigationsrechner oder Smartphone mit XCSoar / OpenSoar wird in diesem Fall nicht benötigt.

OpenSoar mit LARUS-Treiber

Die aus XCSoar bekannte Variometerdarstellung greift über RS232 Schnittstelle auf die LARUS-Daten zu. OpenSoar / XCSoar erzeugt weiterhin den Vario-Sound.

Es lassen sich zwei separate Windpfeile direkt in der Moving Map einblenden. So werden Richtung und Stärke des Momentanwindes und des über einen längeren Zeitraum gemittelten Windes visualisiert. Zudem stehen in OpenSoar neue windbezogene Infoboxen zur Verfügung.

Eine Neuheit ist auch der künstliche Horizont, der auf einer separaten Seite in OpenSoar eingeblendet wird. Er ist z.B. hilfreich, um nach der Montage der Sensoreinheit die korrekte Funktion und Kalibrierung der IMU zu überprüfen.

Einbauhinweise

• Sensoreinheit absolut fest montieren, sodass sich die Position der Sensoreinheit bzgl. der Flugzeugstruktur bei Einwirkung von Beschleunigungskräften nicht ändert
• Die LARUS-Box muss so weit wie möglich von Magnetfeldern und größeren Eisenteilen entfernt positioniert werden
• Die Einbaulage der LARUS-Box ist in alle Orientierungen möglich und muss nur in der Konfigurationsdatei auf der SD-Karte „larus_sensor_config.ini“ angepasst werden. Wir empfehlen trotzdem bei der Montage die Orientierung bzgl. der Flugzeuglängsachse entsprechend des auf dem LARUS Gehäuse gedruckten Koordinatensystems zu wählen. Idealerweise wird die LARUS-Sensoreinheit zudem so im Flugzeugrumpf montiert, dass sie im Normalflug in etwa horizontal ausgerichtet ist und dass die SD-Karte zugänglich bleibt.
• Die GNSS-Antennen müssen so montiert werden, dass ein „Sichtkontakt“ zu möglichst vielen Satelliten besteht. Das bedeutet in Fluglage in etwa horizontal und oberhalb von elektrisch leitfähigen Materialien (auch CFK). Geeignete Einbauorte sind auf oder direkt unter der Instrumentenabdeckung, auf der Innenseite einer Acrylglashaube, in der oberen Hälfte einer GFK Rumpfröhre, unter Motorklappen aus GFK, oder mittels einer speziellen Außenantenne auf der Rumpfoberseite.

LARUS Essential oder LARUS Dual-GNSS?

• Präzision aufgrund von hochwertigen Sensoren zur Messung von Beschleunigung, Luftdruck und Magnetfeld
• GNSS-Technologie (Einbezug von GPS, Galileo, GLONASS und BeiDou-Satelliten)
• Ausgeklügelter Algorithmus, der ständig optimiert wird
• Zukunftsfähiges System dank kostenloser Firmware-Updates
• Reduktion von Fehl- und Suchkreisen
• Ein Bart ist niemals rund. LARUS zeigt an, in welchem Segment das beste Steigen liegt, wodurch man optimal Zentrieren kann.

Es zeichnet sich zusätzlich zu den Eigenschaften von LARUS Essential aus durch:

• Bisher unerreichte Präzision bei der Positionsbestimmung durch Differential GNSS 
• Dank D-GNSS Heading auch bei langen Geradeausflügen ohne Kreisflug (Wolkenstraßen) immer korrekte Bestimmung der Windrichtung und Stärke
• Geringere Sensitivität gegenüber Störmagnetfeldern, was den Einbau und die Einrichtung des Systems erleichtert
• Dank der bestmöglichen Windbestimmung nochmals gesteigerte Qualität des E-Varios 

Die Larus Hardware ist lizenziert entsprechend Creative Commons NonCommercial Share-alike 4.0 International, die Larus Software entsprechend GNU General Public License v3.0.

Durch Lizenzgebühren von SteFly an das Entwicklerteam wird eine langfristige Weiterentwicklung sichergestellt.

1. Update-Datei (Dateiendung .bin) über einen Computer auf die SD-Karte des LARUS kopieren
2. Alle Kabel vom LARUS abstecken, bis auf jenes, das die Stromversorgung übernimmt
3. SD-Karte in das ausgeschaltete LARUS schieben
4. LARUS anschalten und eine Minute warten
5. Überprüfen, ob die neue Version installiert wurde: entweder sensor.readings aktivieren oder die neuesete EEPROM-Datei im logger-Ordner der LARUS SD-Karte mit einem Texteditor öffnen

Bitte beachten: Zu jeder Firmware-Version existieren zwei .bin-Dateien. Die relevante Datei hängt von der derzeit installierten Firmwareversion ab:

• ist derzeit 0.4.0 oder älter installiert, dann larus_sensor_V2_image.bin verwenden, zusätzlich die sensor_config.txt löschen und durch die Datei larus_sensor_config.ini ersetzen
• ist derzeit 0.5.0 oder jünger installiert, dann larus_sensor_v1_v0-x-x-x.bin verwenden; eine Datei larus_sensor_config.ini.used sollte bereits auf der SD-Karte gespeichert sein, ansonsten larus_sensor_config.ini auf die Karte kopieren
• Es darf sich nur eine .bin-Datei im Hauptordner der SD-Karte befinden, daher alle .bin Dateien von der SD-Karte löschen, bevor eine neue .bin Datei auf die Karte kopiert wird.