Wind Measurement using Sailplanes

Die präzise Messung der Luftbewegung in der Atmosphäre ist essentiell für die meteorologische Grundlagenforschung. Die fluggestützte in-situ Windvektormessung ist hierfür ein wichtiges Werkzeug. Sie basiert auf der Messung des Anströmvektors des Flugzeugs, des Geschwindigkeitsvektors gegenüber der Erde und der Lagewinkel zur Transformation in ein gemeinsames Koordinatensystem zur Vektordifferenzbildung. Eigenschaften des Trägersystems gehen allenfalls als Störgrößen in die Messung ein. Segelflugzeuge weisen aufgrund ihrer aerodynamischen Güte eine hohe Sensitivität gegenüber der Vertikalwindkomponente auf. Die Nutzung dieser Eigenschaft zur in-situ Vertikalwindbestimmung ist in einigen Quellen beschrieben. Allen gesichteten Lösungen ist gemein, dass niederfrequente Flugbahnschwingungen dem ermittelten Vertikalwind überlagert sind. In der vorliegenden Arbeit wird die in-situ Messung des Windvektors unter Nutzung der Flugleistung eines Segelflugzeuges signifikant weiterentwickelt. Mittels analytischer und statistischer Modelle für die Beschreibung der Atmosphäre wird der Einfluss der bewegten Atmosphäre auf die Flugleistung abgeschätzt. Subjektive Bewertungen der herrschenden Turbulenz dienen zusammen mit Turbulenzkriterien aus der Meteorologie und der Luftfahrt, angewandt auf die Flugmessdaten, der Quantifizierung der erfahrungsgemäß zulässigen Turbulenzintensität. Das Flugleistungsmodell des verwendeten Segelflugzeugs wird um den Widerstandseinfluss der Reynoldszahl, des Schiebewinkels und der Drehbeschleunigung um die Querachse erweitert. Es ist Bestandteil der aus dem Impulsänderungssatz hergeleiteten und vereinfachten Bewegungs-gleichungen. Mit Hilfe der Flugleistung des Segelflugzeugs in den Bewegungsgleichungen wird ein Transformationswinkel bestimmt, der eine alternative Transformationsfolge zwischen den Koordinatensystemen im Vergleich zur direkten in-situ Windmessung ermöglicht. Anhand von Flugmessdaten und dem Vergleich mit bodengestützten Wind-LiDAR-Messungen wird die Plausibilität des aufgestellten Flugleistungsmodells, der Bewegungsgleichung und der angewandten Transformationsfolge gezeigt. Eine konservative Abschätzung der maximalen absoluten Unsicherheit zeigt relevant kleinere Unsicherheit der segelflugleistungsbasierten gegenüber der direkten in-situ Vektordifferenz-Windmessung.Measuring the wind vector in the atmosphere precisely is essential for meteorological research. Airborne in-situ wind vector measurement is an important and well known tool. It is based on measuring the airspeed vector of the aircraft, the velocity vector with respect to Earth and the aircraft attitude for transforming the velocity vectors into a common frame for vector subtraction. Characteristics of the carrier system are at most a disturbance in the measurement. Due to their aerodynamic quality, sailplanes have a high sensitivity to the vertical wind component. The use of this inherent characteristic for in-situ vertical wind determination is described in literature. Common to all these approaches is a correlation of low-frequency flight path oscillations and the determined vertical wind. In this thesis the in-situ measurement of the wind vector using the flight performance of a sailplane is substantially improved. By means of analytical and statistical models for the description of the atmosphere, the impact of the moving atmosphere on the sailplane flight performance is estimated. Subjective rating of the level of atmospheric turbulence is combined with meteorological and aviation turbulence criteria applied on inflight data to quantify the empirically acceptable turbulence intensity. The flight performance model is extended to the influence of Reynolds number variations, angle of side slip and angular accelerations at the cross axis. It is part of the equations of motion derived from the principle of linear and angular momentum. Simplifications are discussed with regard to the measuring task. Using the sailplane´s flight performance in the equations of motion, a transformation angle is determined, which allows an alternative sequence of transformation compared to the direct in-situ vector difference wind measurement. Based on inflight data and ground based wind-LiDAR measurements, the plausibility of the developed flight performance model and of the equations of motion is shown. The mostly unknown uncertainty characteristics of the flight state variables limit these considerations. A conservative estimation shows a relevant lower uncertainty for the sailplane performance based wind vector measurement compared with the direct in-situ vector difference wind measurement