Ertüchtigung und Validierung einer UAS Flotte zur Messung von turbulenter Strömung in der atmosphärischen Grenzschicht

Zur räumlich verteilten Messung atmosphärischer Grenzschichtströmungen wurde im Projekt SWUF-3D ein Messsystem bestehend aus einer Flotte von Quadrotor - UAS entwickelt. Dieses neuartige System bietet den Vorteil, mehrere, räumlich flexible Messpunkte simultan zu erfassen.

Im Rahmen der Messkampagne FESSTVaL am Grenzschichtmessfeld (GM) Falkenberg des Deutschen Wetterdienstes (DWD) wurden über 1000 Einzelflüge mit maximal 20 simultan fliegenden UAS durchgeführt. Ein möglichst eng gestaffeltes Flugmuster wurde verwendet, um die Messdaten der UAS zur Kalibrierung mit Ultraschallanemometern des 99m hohen Messmasts zu vergleichen. Der Algorithmus zur Berechnung des horizontalen Windvektors ist für Messungen im Schwebeflug ausgelegt und basiert auf dem Prinzip des aerodynamischen Widerstands und den dazu gehörigen Kräften und Bewegungen, welche nötig sind, um eine Positionsregelung gegen die Störgröße Wind aufrechtzuerhalten. Zur vollständigen Berechnung des horizontalen Windvektors wird neben der longitudinale, zusätzlich die laterale Geschwindigkeitsmessung des UAS kalibriert. Im Vergleich zu vorherigen Studien lässt sich somit eine deutliche Verbesserung der Windrichtungsmessung zu <4° erreichen. Der dynamische Anteil der Bewegungsgleichung wird unter Einbezug der Messdaten der Beschleunigungssensoren berücksichtigt. Die Ergebnisse der Kalibrierung zeigen eine mittlere Abweichung der longitudinalen Windgeschwindigkeit von 0.17 m s^-1 im Vergleich zu den Ultraschallanemometern. Ebenso wird eine gute Übereinstimmung der Varianzen in longitudinaler und lateraler Richtung mit einem RMSE von 0.16 m² s^-2 bzw.  0.1 m² s^-2 erreicht. Die Kalibrierungsflüge wurden unter unterschiedlichen atmosphärischen Bedingungen (stabil, neutral, und konvektiv) in einem Windgeschwindigkeitsbereich von 0-10 m s^-1 durchgeführt. Zur Untersuchung der Grenzen des Systems für Turbulenzmessungen werden vier Kalibrierungsflüge bei unterschiedlichen atmosphärischen Bedingungen betrachtet. Die Analyse der Frequenzspektren der Geschwindigkeitsmessungen zeigt, dass bei konvektiven, turbulenten Bedingungen turbulente Strukturen bis zu einer zeitlichen Auflösung von 2 Hz mit dem Messystem störungsfrei erfasst werden können. In stabiler Schichtung mit geringer Turbulenz sind die turbulenten Messungen dagegen limitiert und bewegen sich teilweise in der Größenordnung des Rausch-Levels der Sensoren, bzw. der Störung der Strömung durch die Rotoren.

Die Anwendungsmöglichkeiten der UAS-Flotte werden anhand zweier Fallstudien gezeigt. Messflüge mit 10 horizontal verteilten Messpositionen wurden genutzt um die räumliche Struktur der turbulenten Strömung zu erfassen. In einer Böenfront mit Windgeschwindigkeiten von bis zu 17 m s^-1 wurden so Daten erfasst, die die rapide Änderung der Windstärke, und -richtung, sowie der Temperatur und Luftfeuchte über dem GM Falkenberg dokumentieren.

Mit kontinuierlichen vertikalen Profilmessungen über einen Zeitraum von 4.5 Stunden, die durch einen fortlaufenden Austausch der UAS realisiert wurden, konnte demonstrativ die morgendliche Entwicklung einer konvektiven Grenzschicht bis 200 m über Grund beobachtet werden. Für kurze Messkampagnen kann so unter Umständen in Zukunft auf die Installation teurer Infrastruktur wie Messmasten verzichtet, bzw. diese gezielt ergänzt werden.