Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6729

Entwicklung und Verifikation der Sichtlinienstabilisierung für MIPAS auf dem hochfliegenden Forschungsflugzeug M55 Geophysica

Corneli Keim

Zusammenfassung
Das Fernerkundungsgerät MIPAS-STR (Michelson Interferometer für Passive Atmosphärische Sondierung - Stratosphärenflugzeug) bestimmt vertikale Konzentrationsschnitte der meisten für das Klima und die Ozonchemie relevanten, atmosphärischen Spurengase. Es wird auf dem hochfliegenden Flugzeug M55-Geophysica eingesetzt. Dadurch können Emissionsspektren im mittleren infraroten Spektralbereich nach der Methode der Horizontsondierung unter verschiedenen Elevationswinkeln gemessen werden. Die vertikale Auflösung und die Qualität der gemessenen Spektren wird maßgeblich durch die Stabilität und Einstellgenauigkeit des Elevationswinkels auf dem bewegten Träger bestimmt. Die vorliegende Arbeit zeigt, wie diese Aufgabe für MIPAS-STR gelöst wurde. Es wird dargestellt, welche Information über die Stabilität und Genauigkeit des Elevationswinkels in den gemessenen Spektren enthalten ist.

Bei MIPAS-STR wird die Lage des Instruments mit einem hochpräzisen inertialen Navigationssystem gemessen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird dieses Navigationssystem mit dem Navigationssystem der M55-Geophysica verglichen. Dadurch konnte die Präzision der Navigationssysteme analysiert werden.

Zur Kompensation der Lageänderungen wird die einfallende Strahlung über einen geregelt drehbaren Umlenkspiegel in das Instrument geleitet. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich der Bestimmung des einzustellenden Drehwinkels und dem verwendeten Regelkreis. Es wird die funktionale Abhängigkeit des Elevationswinkels vom Drehwinkel, von statischen Einbauwinkeln und von den gemessenen Lagewinkeln entwickelt. Die Funktion wird nach dem Drehwinkel aufgelöst. Dieser wird zeitlich extrapoliert, um den Zeitpunkt der Lagewinkelmessung zu berücksichtigen. Des Weiteren wird gezeigt, wie die Einbauwinkel durch Messung ermittelt werden.ccc Im dritten Teil dieser Arbeit wird untersucht, inwieweit die Information in den Spektren dazu verwendet werden kann, den Elevationswinkel zu bestimmen, unter dem sie aufgenommen wurden. Die CO2-Konzentration in der Atmosphäre ist sehr gut bekannt und kann durch Insitu- Messungen nachgeprüft werden. Deshalb können die CO2-Linien im Spektrum genutzt werden, um von den drei Unbekannten Druckprofil, Temperaturprofil und Elevationswinkel mindestens eine zu bestimmen. Druck- und Temperaturprofile können auch den Analysedaten des ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) entnommen werden.

Es wird gezeigt, dass der Fehler der Elevationsregelung gegenüber dem Fehler der Lagemessung vernachlässigbar ist. Der Elevationsfehler durch die Lagemessung kann aus den Spektren bestimmt werden. Durch Berücksichtigung dieses Elevationsfehlers kann die Spurengasauswertung deutlich verbessert werden.

Development and verification of the line of sight stabilisation system for MIPAS on the high-altitude aircraft M55-Geophysica

Abstract
The remote sensing instrument MIPAS-STR (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding - Stratospheric aircraft) measures 2-dimensional cross sections of many atmospheric trace gases relevant to the climate and ozone chemistry. It is operated on board of the high-altitude aircraft M55-Geophysica. A limb sounding technique is used to detect midinfrared emission spectra at several elevation angles. The quality of the measured spectra and the vertical resolution of the derived cross sections is strongly dependent on the stability and accuracy of the elevation angle. This thesis shows how the MIPAS-STR stabilisation was realised. The stability and accuracy information of the elevation angle contained in the measured spectra will be presented.

The attitude of the MIPAS-STR instrument is measured by an inertial navigation system of high precision. In the first part of this work the navigation system is compared with the navigation system used by the M55-Geophysica, so that the precision of the navigation systems could be analysed.

For compensation of the attitude variations, the incoming radiation is directed into the instrument using a controlled rotating mirror. The second part of the thesis focuses on the calculation of the rotation angle to be set and on the control circuit. The functional dependence of the elevation on the rotation angle, the static installation, and the measured attitude is derived. The rotation angle is obtained by inverting the function. This angle is extrapolated in time, so that the time of the attitude measurement is taken into account. Further, the determination of the installation angles by measurements is shown.

The third part of the thesis demonstrates how the spectral information can be used to determine the true elevation angle. The concentration of CO2 is well known in the atmosphere and can be verified by in-situ measurements. The CO2 lines in the spectra can therefore be used to determine at least one of the three unknowns: pressure profile, temperature profile and elevation angle. Pressure and temperature profiles can also be obtained from the ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) data.

It is shown, that the error of the elevation control is negligible compared to the error of attitude measurement. The elevation angle error due to the attitude measurement can be determined from the atmospheric spectra. By considering this elevation error, the trace gas retrieval is improved considerably.

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