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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