Ert&#252;chtigung und Validierung einer UAS Flotte zur Messung von turbulenter Str&#246;mung in der atmosph&#228;rischen Grenzschicht
Authors: Wetz Tamino , Wildmann Norman , Zink Josef 
Published: December 2021

&lt;p&gt;Zur r&amp;#228;umlich verteilten Messung atmosph&amp;#228;rischer Grenzschichtstr&amp;#246;mungen wurde im Projekt SWUF-3D ein Messsystem bestehend aus einer Flotte von Quadrotor - UAS entwickelt. Dieses neuartige System bietet den Vorteil, mehrere, r&amp;#228;umlich flexible Messpunkte simultan zu erfassen.&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;Im Rahmen der Messkampagne FESSTVaL am Grenzschichtmessfeld (GM) Falkenberg des Deutschen Wetterdienstes (DWD) wurden &amp;#252;ber 1000 Einzelfl&amp;#252;ge mit maximal 20 simultan fliegenden UAS durchgef&amp;#252;hrt. Ein m&amp;#246;glichst 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 f&amp;#252;r Messungen im Schwebeflug ausgelegt und basiert auf dem Prinzip des aerodynamischen Widerstands und den dazu geh&amp;#246;rigen Kr&amp;#228;ften und Bewegungen, welche n&amp;#246;tig sind, um eine Positionsregelung gegen die St&amp;#246;rgr&amp;#246;&amp;#223;e Wind aufrechtzuerhalten. Zur vollst&amp;#228;ndigen Berechnung des horizontalen Windvektors wird neben der longitudinale, zus&amp;#228;tzlich die laterale Geschwindigkeitsmessung des UAS kalibriert. Im Vergleich zu vorherigen Studien l&amp;#228;sst sich somit eine deutliche Verbesserung der Windrichtungsmessung zu &lt;4&amp;#176; erreichen. Der dynamische Anteil der Bewegungsgleichung wird unter Einbezug der Messdaten der Beschleunigungssensoren ber&amp;#252;cksichtigt. Die Ergebnisse der Kalibrierung zeigen eine mittlere Abweichung der longitudinalen Windgeschwindigkeit von 0.17 m s&lt;sup&gt;-1&lt;/sup&gt; im Vergleich zu den Ultraschallanemometern. Ebenso wird eine gute &amp;#220;bereinstimmung der Varianzen in longitudinaler und lateraler Richtung mit einem RMSE von 0.16 m&lt;sup&gt;2 &lt;/sup&gt;s&lt;sup&gt;-2&lt;/sup&gt; bzw. &amp;#160;0.1 m&lt;sup&gt;2 &lt;/sup&gt;s&lt;sup&gt;-2&lt;/sup&gt; erreicht. Die Kalibrierungsfl&amp;#252;ge wurden unter unterschiedlichen atmosph&amp;#228;rischen Bedingungen (stabil, neutral, und konvektiv) in einem Windgeschwindigkeitsbereich von 0-10 m s&lt;sup&gt;-1&lt;/sup&gt; durchgef&amp;#252;hrt. Zur Untersuchung der Grenzen des Systems f&amp;#252;r Turbulenzmessungen werden vier Kalibrierungsfl&amp;#252;ge bei unterschiedlichen atmosph&amp;#228;rischen Bedingungen betrachtet. Die Analyse der Frequenzspektren der Geschwindigkeitsmessungen zeigt, dass bei konvektiven, turbulenten Bedingungen turbulente Strukturen bis zu einer zeitlichen Aufl&amp;#246;sung von 2 Hz mit dem Messystem st&amp;#246;rungsfrei erfasst werden k&amp;#246;nnen. In stabiler Schichtung mit geringer Turbulenz sind die turbulenten Messungen dagegen limitiert und bewegen sich teilweise in der Gr&amp;#246;&amp;#223;enordnung des Rausch-Levels der Sensoren, bzw. der St&amp;#246;rung der Str&amp;#246;mung durch die Rotoren.&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;Die Anwendungsm&amp;#246;glichkeiten der UAS-Flotte werden anhand zweier Fallstudien gezeigt. Messfl&amp;#252;ge mit 10 horizontal verteilten Messpositionen wurden genutzt um die r&amp;#228;umliche Struktur der turbulenten Str&amp;#246;mung zu erfassen. In einer B&amp;#246;enfront mit Windgeschwindigkeiten von bis zu 17 m s&lt;sup&gt;-1&lt;/sup&gt; wurden so Daten erfasst, die die rapide &amp;#196;nderung der Windst&amp;#228;rke, und -richtung, sowie der Temperatur und Luftfeuchte &amp;#252;ber dem GM Falkenberg dokumentieren.&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;Mit kontinuierlichen vertikalen Profilmessungen &amp;#252;ber 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 &amp;#252;ber Grund beobachtet werden. F&amp;#252;r kurze Messkampagnen kann so unter Umst&amp;#228;nden in Zukunft auf die Installation teurer Infrastruktur wie Messmasten verzichtet, bzw. diese gezielt erg&amp;#228;nzt werden.&lt;/p&gt;