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KITsonde: a novel modular multi-sensor dropsonde system for high resolution measurements

KITsonde: a novel modular multi-sensor dropsonde system for high resolution measurements
Ansprechpartner:

Dr. Andreas Wieser

Links:
Projektgruppe:

Konvektive Systeme

Förderung:

DFG

KITsonde - Ein neues, modulares Multi-Sensor Fallsondensystem für hoch aufgelöste Messungen

Einleitung

Das IMK-TRO entwickelt ein neues Multi-Sensor Fallsondensystem "KITsonde" für hoch und schnell fliegende Forschungsflugzeuge wie z.B. HALO. Das modulare Design von KITsonde verbindet die Stärken existierender Fallsondensysteme, wie z.B die des weit verbreiteten AVAPS (Airborne Vertical Atmospheric Profiling System) sowie die der Karlsruher Fallsonde. Die Besonderheit des neuen Systems ist einerseits die Möglichkeit bis zu 30 Sonden gleichzeitig einsetzen zu können um räumlich und zeitlich besonders hoch aufgelöste Messungen im Bereich inhomogener Zonen der Atmosphäre, wie z.B. konvektiver Zellen oder Zyklonen zu gewinnen.
Andererseits ermöglicht die Trennung von Messsonde und Abwurfbehälter den gleichzeitigen Abwurf von bis zu 4 Messsonden und die einfache Integration neuer Sensortechniken, da die Messsonden in der ersten Phase des Abwurfs sicher geschützt mit dem  Abwurfbehälter abgebremst werden.
KITsonde liefert in der Basisausführung Profilmessdaten von Druck, Feuchte, Temperatur und Wind mit der für die Gewinnung eines besseren Verständnisses über die Vorgänge bei der der Entwicklung  der o. g. Wetterphänomene notwendigen Auflösung. Diese Daten können über eine direkte Satellitenverbindung der Sonde bei Bedarf sofort weltweit verfügbar gemacht werden.
KITsonde führt längerfristig zu einer verbesserten Vorhersagbarkeit von Auftreten und Entwicklung von Extremwettersituationen.
Nach einer ersten Testphase im Frühjahr 2012 erfolgten im August 2013 weitere Testflüge mit der Dornier Do 128-IBUF. Im Mai 2014 wird es die ersten Abwürfe aus dem schnell und hoch fliegendem Flugzeug HALO geben.
Das IMK-TRO arbeitet bei der Entwicklung dieses neuartigen Messsystems mit zwei Industriepartnern zusammen. GRAW Radiosondes GmbH & Co. KG, Nürnberg entwickelt und produziert die meteorologische Messsonde, die mit der neuesten Radiosondengeneration DFM-09 vergleichbar ist. Die enviscope GmbH, Frankfurt/M. ist zuständig für Abwurfbehälter, Flugzeugeinbauten, Steuersoftware und Zertifizierung des Systems.

Abb. 1: Anfangskonzept des KITsondensystems
Abb. 1: Anfangskonzept des KITsondensystems

 

KITsonde Designziele

  • Hoch aufgelöste Messungen mit bis zu 30 Sonden
  • Abwurf von bis zu 4 Sonden gleichzeitig
  • Direkte Funkverbindung zum Flugzeug (400 MHz)
  • Satellitentelemetrie als optionale Datenübertragung (Iridium)
  • Kompatibel mit weit verbreiteten Abwurfsystemen
  • Preiswertes modulares Design
  • Einfache Integration neuer Sensorentwicklungen
  • Beliebige Kombinationen von Sonden und Sensoren möglich

 

KITsonde Entwicklung

Das KITsonde Fallsonden-System besteht aus 3 Hauptkomponenten:

  • Mehrzweck-Abwurfbehälter
  • Meteorologische Messsonde
  • Empfänger- und Datenverarbeitungseinheit im Flugzeug

Durch die Kompatibilität des neu entwickelten Abwurfbehälters zu auf Forschungsflugzeugen weit verbreiteten Abwurfeinrichtungen des AVAPS kann KITsonde ohne großen Aufwand auf einer Vielzahl von Forschungsflugzeugen eingesetzt werden. Der neue Abwurfbehälter ermöglicht das Abwerfen mehrerer, auch verschiedener Sensoren zur gleichen Zeit, wobei die empfindliche Messtechnik vor starker mechanischer Belastung während des Abwurfs sicher geschützt wird (Abb. 5).  Das spezielle Produktionsverfahren des Behälters mit Sinter-Polyamid erlaubt zudem eine schnelle Anpassung, wodurch neue Sensoren oder Interfaces mit geringem Aufwand in das System integriert werden können.Entwicklungen neuer Sensoren können z.B. Sensoren für Flüssigwasser, Partikel (Aerosol, Tropfen, Vulkanasche), Radioaktivität etc. sein. Im Rahmen der Testflüge im August 2013 wurden bereits Partikelsensoren für Aerosol und Wolkentropfen der Universität Hertfordshire erfolgreich abgeworfen und getestet (Ulanowski et al., DUST 2014).

 

 Die meteorologische Standardsonde ist eng verwandt mit der GRAW DFM-09 Radiosonde welche beim "8th WMO High Quality Radiosonde Intercomparison, Yangjiang, China" hervorragend abgeschnitten hat.  Besondere Merkmale der Fallsonde im Vergleich zur Radiosonde sind:

  • Stabilisierte 400 MHz Sendefrequenz
  • 400 MHz Sendeleistung schaltbar via Jumper (reduzierte Sendeleistung in der Flugzeugkabine)
  • Spezieller Einschaltmechanismus
  • Übertragung von Zeit und Sondennummer (Sonden ID)
  • Anschlussmöglichkeit für einen zusätzlichen Sensor
  • Datenausgang für den Anschluss für eines Satellitenmodems
  • Software für Initialisierung, Datendecodierung und Kalibrierung

Spezifikationen der meteorologischen Sonde

 

Temperatursensor: Thermistor
Temperaturauflösung: 0.1 K
Temperaturgenauigkeit: < 0.2 K
Feuchtigkeitssensor: Kapazitiver Sensor (Thin Film)
Feuchtigkeitsauflösung: 0.1 % relative Feuchte
Feuchtigkeitsgenauigkeit: < 5 % relative Feuchte
Genauigkeit der Geopotentiellen Höhe: < 10 m
Genauigkeit der Windgeschwindigkeit: < 0.2 m s-1
Positionsgenauigkeit (horizontal): < 5 m
Größe, Gewicht: 309 x 24 mm , 75 g

 

 

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Abb. 3: Sondenplatine

 

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 Abb. 4: Sensorträger im Sondengehäuse.

 

 

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 Abb. 5: Abwurfbehälter mit Sondenattrappen (links), beim Verpacken (Mitte) und bereit zum Abwurf  (rechts). Durchmesser: 70 mm, Länge: 404 mm, Gewicht: ~780 g

 

 

Der Flugzeugempfänger basiert auf einem klassischen Superhet-Design. Dies ermöglicht einen kompakten, Aufbau bei geringem Stromverbrauch. Die Empfangseinheit von KITsonde enthält 32 hoch empfindliche Empfänger, von denen einer ständig das Frequenzband nach freien Frequenzen absucht und ein zweiter für die Sondenkontrolle vor dem Abwurf eingesetzt wird. Die verbleibenden 30 Empfänger stehen für den gleichzeitigen Empfang der Datenströme abgeworfener Sonden zur Verfügung. Diese werden in der Datenerfassungsanlage in Echtzeit decodiert, gespeichert und graphisch dargestellt. Zum Einsatz von KITsonde ist an Bord des Flugzeugs nur eine Person notwendig, die Zugriff auf die Konfigurations- und Steuersoftware über eine graphische Benutzeroberfläche direkt an der Geräteeinheit im Flugzeugrack oder über das Bordnetzwerk von einem beliebigen PC im Flugzeug hat. Ein gleichzeitiger Betrieb von KITsonde und AVAPS ist jederzeit möglich, denn KITsonde liefert die Anschlüsse für eine gemeinsame Nutzung der Empfangsantennen des Flugzeugs.

 

Abb5
 Abb. 6: Empfänger- und Datenverarbeitungseinheit im Flugzeug.

 

 

Testflüge und Datenqualität

Testflüge mit Abwürfen wurden mit dem KITsonde System bereits erfolgreich durchgeführt. Die Abwürfe dienten sowohl zur Evaluation der Zuverlässigkeit des Abwurfbehälters als auch zur Aufnahme von ersten Profilmessungen. Die dabei gewonnenen Messdaten wurden analysiert und mit verschiedenen anderen Radiosonden (DFM-06, DFM-09, Vaisala RS92, Karlsruher Fallsonde) und in situ Flugzeugmessungen der Dornier Do 128 D-IBUF der TU Braunschweig verglichen. Testmessungen der neuen Sonde zeigen im Labor und bei Profilmessungen eine gute Datenqualität (Abb. 7).

 

 

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 Abb. 7: Testabwurf des Abwurfbehälters mit Sondenattrappen. Von oben links nach rechts unten.

 

 

Abb7
Abb. 8: Profile von Temperatur (links) und relativer Feuchte (rechts) zeigen eine gute Datenqualität der neuen Fallsonde bei einem Testabwurf.

 

 

Ausblick

Der Testeinsatz der KITsonde auf dem hoch und schnell fliegenden Flugzeug HALO ist für den Mai 2014 geplant. Danach erfolgt der Einsatz bei den Messkampagnen POLSTRACC und WISE.

 

Weitere Informationen

Poster KITsonde

 

Kontakt
Dr. Andreas Wieser
Email: andreas wieserEyp8∂kit edu,
Tel.: 0721 - 608-22841