—Deutsch ganz unten —

F3B is one of the most demanding and rewarding disciplines in RC soaring — thermal duration, spot landings, and a flat-out speed run that pushes glider and pilot to the limit. But the sport has a staffing problem.

Every aircraft in the distance flight needs two dedicated line judges — one at Base A, one at Base B — each watching for the exact instant a part of the aircraft crosses their line. Run a full round and that’s up to a dozen people tied up on judging duty alone. That’s a heavy ask for organizers — and on a practice day, when nobody’s around to judge, you’re simply flying blind.

F3Cross fixes that. It’s a small, GPS-based electronics system, currently in development, that replaces the line judges entirely — instant, tireless, cheap.

How it works

The system has three parts:

• An airborne unit, small and light enough to fly on top of any glider, fixed with a strip of tape, that continuously tracks its own GPS position.
• A ground station that receives crossing events and displays them on a computer
• A receiver for every pilot that gives turn feedback (acoustic and visual, maybe vibration) plus optional extras like clocks and laps. (This also eliminates the need for one of the pilots helpers who just watches the lights all flight!)

The airborne unit knows exactly where Base A and Base B are. The moment the GPS position shows the aircraft has crossed one of those lines, it fires an event and sends it wirelessly to the ground — almost instantly, with none of the reaction-time lag or subjectivity a human judge has. It works just as well solo on a practice day as it does with a full contest.

For reliability, every crossing is sent over two independent radio links at once. If one link drops out, the other one usually still gets through, so a single crossing is less likely to be lost to bad luck on the radio.

Proven in the field

This isn’t just a bench project. In testing — including flights with an electric F3B — the system has tracked aircraft up to 660 m in altitude and out to nearly 700 m in distance, and kept catching crossings.

At the F3B competition site in Büllingen, Belgium, the setup was flown with two aircraft in the air at once. The pilots and helpers — Markus, Thilo, and Steffen — were happy with the accuracy, the low delay, and the handling. They thought it might even be usable in speed as well, but that is no priority for now! A few things still need work, like the antennas, good ergonomics, volume of the beepers, but as a first run it held up very well.

What’s next

I’ve been testing this in the field for only a short time yet, but it is already working well. If this gets even one more club running contests with a smaller crew, or gets one more pilot out practicing on a day they’d otherwise have skipped, it’s done its job. Next up: the next integrated PCB edition, with an even smaller footprint and higher reliability and usability. Testing will continue, and hopefully it’s ready to deploy at F3B Söhl. After that competition I want to make the hardware and software publicly available.

The picture show the flown prototypes. Please be aware that this were only prototypes with hardware i had lying around anyway.
The next version will be much smaller and better to mount onto the aircraft!
(More technical details below, only for the interested!)

Update 1: To clarify, all hardware will be provided by the competition,. As a pilot you do NOT have to buy anything! Just mount the module before your flight and fly…

Follow along here on the blog for updates. Fly more, judge less.

The details, for the curious

A quick note on scope first: F3Cross is not designed to judge the speed task in competition, for now. At the speeds and g-loads of a speed run, the precision demands go up sharply — that’s a harder problem, and one I’d rather solve properly than rush. Today it’s built for distance-task line crossings and for training, where it’s already a clear upgrade over the realistic alternative: nobody watching at all.

Design requirements

• Cheap and easy to build and repair. Anyone should be able to afford one.
• Quick to reprogram for the contest director. Setting up a new course or base position shouldn’t take longer than briefing the pilots.
• Tamperproof, to a degree. Each crossing signal carries a small amount of encryption so the ground station can verify it’s genuine, not spoofed.
• Self-detects a missed signal. If a crossing doesn’t come through, the system knows it — so the contest director can decide on a reflight immediately, instead of arguing about it after the round. This is comparable to a judge that mixed up the aircraft.
• Built from off-the-shelf parts. The goal is a small, integrated form factor, but anyone should still be able to build a slightly bigger version themselves with nothing more than a soldering iron. (The smaller PCB version will require SMD soldering.)

The hardware

The whole thing is built from cheap, widely available hobbyist electronics — a small ESP32-based microcontroller board, a LORA transceiver, and a GPS module. Right now it uses a u-blox M8 GPS, which already gives more than enough precision and update rate to catch a crossing cleanly. A u-blox M10 upgrade is coming soon, bumping the position update rate to 25 Hz and adding support for all satellite constellations (not just GPS) for even better accuracy.

Planned final Hardware

• ESP32-S3 for high processing power and background radio operation. ESPNOW-LR protocol for low frequency position updates and fast turn signal communication
• Semtech SX1262 LORA module 868MHz for long range, reliable but slower turn signal communication
• ublox M10Q GPS chip with a simple wire antenna to allow omnidirectional reception
• Antennas are still in testing. The small one might have occasional blocking in extremely bad and distant flight situations, but there is still a lot to be improved in software! The big antenna was already flown over 650m high with the carbon fuselage in the worst position and still got the signal. For now, the smaller antenna will have priority
• I will try to make the final prototype CG neutral, resulting in a slightly longer device, but not requiring counterweights in the nose of the aircraft. The antennas will be behind the wing to not reduce yaw damping and not be blocked by the wing’s CFRP.

Caveats and testing / How it compares to a human judge

A human judge isn’t perfect, and neither is this. As speeds and g-loads go up, both approaches get less accurate. To keep that error honest rather than hidden, I want to describe some of the caveats that have already been discovered or are still unknown risks.

• The system only interpolates once between GPS fixes (using the last position and speed), and insists on a good fix before it will call a crossing at all — it would rather stay quiet than guess.
• Right at the base, a human helper still has a slight edge. Further out, a human judge loses accuracy fast — sighting-line thickness, a vibrating line, a small aircraft far away — none of which affects GPS.
• There is also no deviation in the parallelity of the base lines as with a current competition setup (although earth’s curvature is not accounted for 😉 ).
• If the radio signal drops or the GPS signal is not fixed, that can create a situation a human judge would never have missed. On the other hand, the system can never lose sight of the aircraft the way a human eye can. All pilots fly the same hardware and will experience mostly identical issues under similar conditions.
• Because a missed signal due to a lost radio contact is detectable, the moment the connection comes back, that pilot simply gets offered a reflight — no dispute, no guesswork.
• The worst case is the antenna being fully shielded by the aircraft’s own carbon fibre structure, combined with long range. (flying straight directly above the ground station) There are already ideas for making that shielding practically impossible using multiple ground stations — but for now, the plan is: keep it simple.
• GPS drift is still an open question. Quick drifts within a few seconds will be impossible to correct without expensive and much more complicated RTK/DGPS setups. But if it is only a slow drift over minutes, a single GPS reference station at a base could send low frequency correction signals to the aircraft.
• Loss of GPS is more difficult to detect, but during the test we never had this problem in regular flight states (not inverted, no rolls, no extreme accelerations).

A standalone version that doesn’t need a PC at the ground station is easily doable, and will follow — but only once the current competition setup is proven and running well.

Free to build

F3Cross will be free to build for your own flying. The exact license is still being worked out, but the plan is: free for personal and competition use, changes and improvements are welcome as long as the original project is credited, and no commercial use without approval. Once it’s ready, the full design — hardware and firmware — will be published so anyone, anywhere, can put one together and start flying with fewer people on the field. If you’d rather not source parts and solder it up yourself, I’m looking at organizing a bulk parts order and possibly pre-soldering for the community for a small fee to cover expenses.

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German version: (maschinell übersetzt und leicht überarbeitet)

F3B ist eine der anspruchsvollsten und interessantesten Disziplinen im RC-Segelflug — Thermikdauerflug, Ziellandungen und ein Speedflug am Limit, der Modell und Pilot alles abverlangt. Aber der Sport hat ein Personalproblem.

Jedes Modell im Streckenflug braucht zwei eigene Wenderichter — einen an Basis A, einen an Basis B — die jeweils auf den exakten Moment achten, in dem ein Teil des Modells ihre Linie überquert. Für eine komplette Runde sind das bis zu einem Dutzend Leute, die allein damit beschäftigt sind. Das ist viel verlangt von den Veranstaltern — und an einem Trainingstag, an dem niemand da ist, fliegt man schlicht blind.

F3Cross löst das. Es ist ein kleines, GPS-basiertes elektronisches System, aktuell in Entwicklung, das die Wenderichter komplett ersetzt — sofort, unermüdlich, günstig.

Wie es funktioniert

Das System besteht aus drei Teilen:

• Eine Flugeinheit, klein und leicht genug, um mit einem Streifen Klebeband auf jedem Modell mitzufliegen, die kontinuierlich ihre eigene GPS-Position verfolgt.
• Eine Bodenstation, die die Wendeereignisse empfängt und auf einem Computer anzeigt.
• Ein Empfänger für jeden Piloten, der Wende-Feedback gibt (akustisch und visuell, vielleicht per Vibration) plus optionale Extras wie Uhren und Rundenzähler. (Damit entfällt auch einer der Helfer, der den ganzen Flug lang nur auf die Lampen schaut!)

Die Bordeinheit kennt die genaue Lage von Basis A und Basis B. In dem Moment, in dem die GPS-Position zeigt, dass das Modell eine dieser Linien überquert hat, löst sie ein Ereignis aus und sendet es drahtlos zum Boden — praktisch verzögerungsfrei, ohne die Reaktionszeit und Subjektivität eines menschlichen Richters. Es funktioniert allein am Trainingstag genauso gut wie bei einem vollen Wettbewerb.

Für die Zuverlässigkeit wird jede Wende gleichzeitig über zwei unabhängige Funkstrecken gesendet. Fällt eine Strecke aus, kommt die andere meist trotzdem durch — eine einzelne Wende geht so seltener verloren.

Im Feld erprobt

Das ist kein reines Laborprojekt. In Tests — darunter Flüge mit einem elektrischen F3B — hat das System Modelle bis in 660 m Höhe und 700 m Entfernung verfolgt und dabei weiter Wenden erfasst.

Auf dem F3B-Wettbewerbsgelände in Büllingen, Belgien, wurde mit zwei Modellen gleichzeitig in der Luft geflogen. Die Piloten und Helfer — Markus, Thilo und Steffen — waren zufrieden mit der Genauigkeit, der geringen Verzögerung und dem Handling. Sie hielten es sogar für möglicherweise brauchbar im Speed, aber das hat vorerst keine Priorität! Ein paar Dinge müssen noch verbessert werden, etwa die Antennen, eine gute Befestigung und die Lautstärke der Piepser, aber für einen ersten Durchlauf hat es sich sehr gut geschlagen.

Wie es weitergeht

Ich teste das System erst seit kurzer Zeit, aber es funktioniert bereits gut. Wenn dadurch auch nur ein Verein mehr seine Wettbewerbe mit kleiner Crew durchführen kann, oder auch nur ein Pilot mehr zum Üben rausgeht, wenn er sonst zu Hause geblieben wäre, hat es seinen Zweck erfüllt.
Die nächsten Schritte: die nächste integrierte Platinenversion, mit noch kleinerem Formfaktor und höherer Zuverlässigkeit und besserer Bedienbarkeit. Die Tests gehen weiter, und hoffentlich ist es rechtzeitig zum F3B Wettbewerb Söhl einsatzbereit. Nach diesem Wettbewerb möchte ich Hardware und Software öffentlich zugänglich machen.

Die Bilder zeigen die geflogenen Prototypen. Bitte beachtet, dass das nur Prototypen aus Teilen waren, die ich ohnehin herumliegen hatte. Die nächste Version wird deutlich kleiner und besser am Modell zu montieren sein!

(Weitere technische Details unten, nur für Interessierte!)

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Die Details, für die Neugierigen

Zunächst eine kurze Anmerkung zum Umfang: F3Cross ist vorerst nicht dafür ausgelegt, die Speedaufgabe im Wettbewerb zu bewerten. Bei den Geschwindigkeiten und g-Belastungen eines Speedflugs steigen die Präzisionsanforderungen stark an — das ist ein schwierigeres Problem, und eines, das ich lieber sauber lösen als überstürzen möchte. Erstmal ist es für die Wenden der Streckenaufgabe und fürs Training gebaut, wo es der realistischen Alternative — nämlich niemandem, der zuschaut — schon jetzt klar überlegen ist.

Designanforderungen

• Günstig und einfach zu bauen und zu reparieren. Jeder sollte sich eines leisten können.
• Schnell umzuprogrammieren für den Wettbewerbsleiter. Einen neuen Kurs oder eine neue Basisposition einzurichten, sollte nicht länger dauern als das Briefing der Piloten.
• Bis zu einem gewissen Grad manipulationssicher. Jedes Wendesignal beinhaltet eine kleine Verschlüsselung, damit die Bodenstation überprüfen kann, dass es echt und nicht gefälscht ist.
• Erkennt fehlende Signale selbst. Kommt eine Wende nicht durch, weiß das System davon — der Wettbewerbsleiter kann also sofort über einen Wiederholungsflug entscheiden, statt hinterher über die Runde zu streiten. Das ist vergleichbar mit einem Linienrichter, der die Modelle verwechselt hat.
• Aus Standardbauteilen aufgebaut. Das Ziel ist ein kleiner, integrierter Formfaktor, aber jeder soll trotzdem eine etwas größere Version mit nichts weiter als einem Lötkolben selbst bauen können. (Die kleinere Platinenversion erfordert SMD-Löten.)

Die Hardware

Das Ganze besteht aus günstiger, breit verfügbarer Hobbyelektronik — einem kleinen ESP32-basierten Mikrocontrollerboard, einem LoRa-Transceiver und einem GPS-Modul. Aktuell kommt ein u-blox M8 GPS zum Einsatz, das schon mehr als genug Präzision und Updaterate bietet, um eine Wende sauber zu erfassen. Ein Upgrade auf das u-blox M10 folgt bald und hebt die Positions-Updaterate auf bis zu 25 Hz an, bei gleichzeitiger Unterstützung für alle Satellitenkonstellationen (nicht nur GPS) für noch bessere Genauigkeit.

Geplante finale Hardware

• ESP32-S3 für hohe Rechenleistung und Funkbetrieb auf dem zweiten Rechencore. ESPNOW-LR-Protokoll für niederfrequente Positionsupdates und schnelle Übertragung der Wendesignale.
• Semtech SX1262 LoRa-Modul 868 MHz für große Reichweite und zuverlässige, aber langsamere Übertragung der Wendesignale.
• u-blox M10Q GPS-Chip mit einer einfachen Drahtantenne für omnidirektionalen Empfang.
• Die Antennen sind noch in der Erprobung. Die kleine 868MHz könnte in extrem ungünstigen und weit entfernten Flugsituationen gelegentlich abgeschattet werden, aber softwareseitig lässt sich hier noch einiges verbessern! Die große Antenne wurde bereits über 650 m hoch geflogen, mit dem Kohlefaserrumpf in der ungünstigsten Lage, und bekam trotzdem noch das Signal. Vorerst hat die kleinere Antenne aber Priorität.

Ich werde versuchen, den finalen Prototyp schwerpunktneutral zu gestalten, was ihn etwas länger macht, dafür aber keine Trimmgewichte im Rumpf erfordert. Die Antennen werden hinter der Fläche sitzen, um die Gierdämpfung nicht zu verringern und nicht vom CFK der Fläche abgeschattet zu werden.

Einschränkungen und Tests / Der Vergleich mit einem menschlichen Linienrichter

Ein menschlicher Richter ist nicht perfekt, und dieses System ist es auch nicht. Mit steigenden Geschwindigkeiten und g-Belastungen werden beide Ansätze ungenauer. Damit dieser Fehler offen kommuniziert ist und nicht versteckt wird, möchte ich einige der Einschränkungen beschreiben, die bereits entdeckt wurden und noch unbekannte Risiken darstellen.

• Das System interpoliert zwischen zwei GPS-Fixes nur einmal (aus letzter Position und Geschwindigkeit) und besteht auf einem guten Fix, bevor es überhaupt eine Wende meldet — es schweigt lieber, als zu raten.
• Direkt an der Basis hat ein menschlicher Helfer noch einen Vorteil. Weiter draußen verliert ein menschlicher Richter schnell an Genauigkeit — Dicke der Peillinie, eine vibrierende Schnur, ein kleines Modell weit weg — nichts davon beeinflusst GPS. Es gibt außerdem keine Abweichung in der Parallelität der Basislinien wie bei einem heutigen Wettbewerbsaufbau (auch wenn die Erdkrümmung aktuell nicht berücksichtigt wird 😉 ).
• Wenn das Funksignal abreißt oder das GPS keinen Fix hat, kann ein Fehler passieren, der einem menschlicher Richter nie passiert wäre. Andererseits kann das System das Modell nie so aus den Augen verlieren, wie es einem menschlichen Auge passiert. Alle Piloten fliegen dieselbe Hardware und werden unter ähnlichen Bedingungen weitgehend identische Probleme erleben.
• Weil ein fehlendes Signal durch verlorenen Funkkontakt erkennbar ist, bekommt der betreffende Pilot in dem Moment, in dem die Verbindung zurückkommt, einfach einen Wiederholungsflug angeboten — keine Diskussioinen, kein Rätselraten.
• Der schlimmste Fall ist die vollständige Abschattung der Antenne durch die Kohlefaserstruktur des eigenen Modells in Kombination mit großer Entfernung (also der Flug direkt senkrecht über die Bodenstation). Es gibt bereits Ideen, diese Abschattung mit mehreren Bodenstationen praktisch unmöglich zu machen — aber vorerst lautet der Plan: einfach halten.
• Probleme beim GPS-Empfang sind nur schwer zu analysieren. In normalen Flugzuständen (kein Rückenflug, keine ROllen, normale Wendenbeschleunigungen) wurde jedoch nie ein Problem festgestellt.
• GPS-Drift ist noch eine offene Frage. Schnelle Drifts innerhalb weniger Sekunden werden ohne teure und deutlich kompliziertere RTK/DGPS-Aufbauten nicht zu korrigieren sein. Handelt es sich aber nur um eine langsame Drift über Minuten, könnte eine einzelne GPS-Referenzstation an einer Basis niederfrequente Korrektursignale ans Modell senden.

Eine eigenständige Version, die an der Bodenstation keinen PC braucht (fürs Training), ist problemlos machbar und wird folgen — aber erst, wenn der aktuelle Wettbewerbsaufbau erprobt ist und zuverlässig läuft.

Frei nachbaubar

F3Cross wird für den eigenen Flugbetrieb frei nachbaubar sein. Die genaue Lizenz wird noch ausgearbeitet, aber der Plan ist: frei für den privaten Gebrauch und für Wettbewerbe. Änderungen und Verbesserungen sind willkommen, solange das Originalprojekt genannt wird. Keine kommerzielle Nutzung ohne Genehmigung. Sobald es fertig ist, wird das komplette Design — Hardware und Software— veröffentlicht, damit jeder, überall, sich eines zusammenbauen und mit weniger Leuten auf dem Platz fliegen kann. Wer Teile nicht selbst beschaffen und löten möchte: Ich prüfe, ob sich eine Sammelbestellung organisieren lässt, eventuell mit Löten der SMD teilew für die Community gegen eine kleine Gebühr zur Deckung der Unkosten.

Update 1: Zum Klarstellen: die Hardware wird vom Wettbewerb zur verfügung gestellt. Die Piloten müssen nichts dafür vorher kaufen! Einfach das Modul vor dem Streckenflug am Flieger befestigen und Spaß haben…

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