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Autonome Missionen mit der Meteobase

Lukas Hammerschmidt
Dr. Lukas Hammerschmidt
Chief Drone Officer

Die autonomen Meteobases von Meteomatics werden als einzigartiges Messnetz ausgerollt, das die Datenverfügbarkeit im Bereich der planetaren Grenzschicht mit UAVs immens verbessert

Mit dem Vormarsch neuer Technologien im Bereich der unbemannten Luftfahrzeuge (UAV) eröffnete Meteomatics neue Wege zur Messung von Wetterdaten in der planetaren Grenzschicht (PBL). Mit der fortschreitenden Technologie der Meteodrohnen von Meteomatics sind heute auch Höhen jenseits der PBL bis zu 6 km über Grund möglich. In Kombination mit dem hochauflösenden Wettermodell SWISS1k verbessert Meteomatics bereits heute die Wettervorhersage für die Schweiz. Von einer Zeit, in der Meteodrohnen als mobile Systeme mit einem Piloten vor Ort eingesetzt wurden, geht Meteomatics rasch zum ferngesteuerten und autonomen Betrieb von Meteodrohnen in Meteobasen über. Dies ermöglicht den Betrieb mehrerer Drohnen mit einem einzigen Piloten, der die Drohne von einem zentralen Flugzentrum aus koordiniert und überwacht, wodurch die Kosten gesenkt werden und die Erfassung von Wetterdaten von mehreren Standorten aus möglich wird. Darüber hinaus kann dieses System problemlos in das bestehende Netzwerk von Wetterdatenerfassungstechnologien integriert werden, da mehrere Datenformate unmittelbar nach einem Flug verfügbar sind.

In Anerkennung des Wertes von hochauflösenden und hochgenauen Wetterdaten für die Schweizer Luftfahrt werden in einem aktuellen Projekt zusammen mit einer auf die Luftfahrt fokussierten Interessengruppe (u.a. BAZL, Swiss, REGA, ETH) derzeit 15 Meteobasen in der ganzen Schweiz und nördlich der Alpen positioniert.

Natürlich sind die Vorteile nicht auf die Luftfahrt beschränkt. Auch die Landwirtschaft, der Energiesektor und die Versicherungen in der Schweiz werden davon profitieren, da die Unternehmen bereits von der leicht zugänglichen Meteomatics Wetter-API profitieren und dies mit den per Drohne gewonnenen Wetterdaten noch weiter tun werden. Der Rollout wird zu präziseren Wetterdaten für die Schweiz führen als je zuvor.

Meteobase im operationellen Einsatz

In den letzten Jahren hat die Entwicklung von autonomen Drohnenbasen große Schritte in Richtung Reife gemacht, da die Drohnentechnologie zusammen mit einer noch recht jungen Industrie wächst. Als einer der Akteure in diesem Bereich hat die Meteobase - eine ferngesteuerte Drohnenbasis für die Wetterdatenerfassung - die Prototypenphase verlassen und ist in die Betriebsphase eingetreten.

Die Anwendungsmöglichkeiten der Meteobase zielen auf meteorologische Messungen ab, sind aber vielfältig und nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt. In einer Proof-of-Concept-Studie, die 2019 startet, wurde Meteomatics gebeten, ihre Drohnenbasis für Umweltvermessungen in einem Projekt zusammen mit dem Departement Erdwissenschaften der ETH Zürich und der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) einzusetzen. Die Gruppen dieser Forschungseinrichtungen sind an der Dynamik von Sedimenten interessiert, um Erdrutsche zu untersuchen und im Idealfall zu warnen oder gar zu verhindern. Abbildung 2 zeigt die Meteodrone kurz nach dem Start von der Meteobase auf ihrem Weg in das erdrutschgefährdete Gebiet.

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Abbildung 2: Die Meteodrone hebt von der Meteobasis ab und macht sich auf den Weg in das erdrutschgefährdete Gebiet. In diesem Anwendungsfall trägt die Meteodrone eine hochauflösende Kamera als Nutzlast, die Bilder entlang ihrer Flugbahn aufnimmt.

In der Schweiz - in den Alpen - gibt es einige Gebiete, in denen der Boden instabil ist und in denen regelmäßig Erdrutsche beobachtet werden können; in einigen wenigen Regionen sogar zuverlässig mehrmals im Jahr. Diese Gebiete sind ideale Modelle für die Untersuchung von Erdrutschen, aber aufgrund der Gefahr von Naturgefahren sind diese Gebiete für Menschen unzugänglich. Der große Vorteil von autonom operierenden Drohnen ist, dass kein Personal anwesend sein muss oder sich in solche Gebiete begeben und sein Leben riskieren muss. Stattdessen fliegt die Drohne außerhalb der Sichtlinie und automatisch entlang ihrer vordefinierten Flugroute und nimmt dabei Bilder auf. Die Bilder werden direkt nach den Flügen auf einen Server hochgeladen und können von den wissenschaftlichen Spezialisten analysiert oder nachbearbeitet werden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von WSL und ETH erstellen aus den Daten digitale Höhenmodelle und analysieren die Variation der Sedimentverfügbarkeit. Diese Ergebnisse - ermöglicht durch die neuen technologischen Fortschritte - führen zu nie dagewesenen Erkenntnissen.

Nach der Startphase im Jahr 2019 ging das Projekt in eine operative Phase über und wurde 2020 und 2021 fortgesetzt. Insgesamt fanden in diesen Jahren mehr als 70 Flüge statt, bei denen ein großer und einzigartiger Datensatz gesammelt wurde, der zuvor nicht verfügbar war.

Autonome UAV-Meteo-Einsätze

Neben Flügen in der horizontalen Ebene haben Drohnen auch den Zugang zur Vertikalen eröffnet. Insbesondere werden Drohnen nun eingesetzt, um Profile der unteren Atmosphäre zu erstellen. Die Meteodrohnen von Meteomatics erreichen sogar Höhen von bis zu 6 km über dem Boden und ermöglichen so die hochfrequente Erfassung von meteorologischen Daten für die wichtige planetarische Grenzschicht. Die aus der PBL abgeleiteten Daten sind entscheidend für die Vorhersage lokaler Phänomene wie Gewitter, Nebel oder Hagel. Diese lokalen Wetterereignisse haben jedoch den größten Einfluss auf das tägliche Leben und die Wirtschaft, weshalb es fast tragisch ist, dass nur wenige Daten über die PBL verfügbar sind. Neben der mangelnden Verfügbarkeit lassen auch die Qualität und Zuverlässigkeit der vorhandenen Messmöglichkeiten zu wünschen übrig.

Abbildung 3 zeigt den spektakulären Blick der Meteodrohne auf ihrem Weg in 6 km Höhe über dem Boden. Während des Aufstiegs fliegt die Drohne durch Wolken, und auf den Aufnahmen sind zwei unterschiedliche Wolkenschichten zu erkennen. Typischerweise trägt die Drohne jedoch keine Kamera, sondern nur Tiefen-L-Sensoren, was zu einzigartigen Daten aus der Vertikalen führt.

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Abbildung 3: Der Blick der Meteodrohne während des vertikalen Aufstiegs bis zu 6 km über dem Boden. Die einzigartigen Aufnahmen zeigen, wie die Drohne auf ihrem Weg nach oben durch zwei unterschiedliche Wolkenschichten fliegt. Normalerweise trägt die Drohne keine Kamera, sondern nur Sensorgabeln.

Wetterstationen am Boden sind heute weit verbreitet und für die tägliche Arbeit auf der Grundlage genauer Bodendaten unverzichtbar. Leider sind Bodendaten nur bedingt geeignet, um numerische Wettermodelle (NWM) zu initiieren. Normalerweise verwenden Wissenschaftler für NWMs Daten, die von Wetterballons gesammelt wurden, als Anfangsbedingungen. Meteodrohnen ermöglichen es, Wetterparameter in hoher Frequenz und räumlich präzise um die PBL herum zu sammeln und so die Ausgangsdaten zu erweitern. In Kombination mit der Meteobase wird die Meteodrohne zu einer automatischen Messeinheit, genau wie eine Wetterstation, aber für das vertikale Profil.

Meteomatics hat das Potenzial der autonomen Meteodrohnen für die Vorhersage von Nebel und anderen lokalen Wetterphänomenen erkannt und ist dabei, ihr Meteobase-Meteodrone-Paar für Messungen an Schlüsselstellen in der Schweiz einzusetzen. Das dichte Netz von Drohnenbasen wird eine genaue Überwachung der unteren Atmosphäre ermöglichen und in Kombination mit dem Ein-Kilometer-Wettermodell SWISS1k von Meteomatics zu hochpräzisen Wettervorhersagen führen. Die verbesserten Wettervorhersagen sind für Flughäfen und andere Beteiligte in und um die Schweiz von großem Nutzen, um viel Geld zu sparen.

Die ersten Ergebnisse sind bereits eingetroffen und liefern vielversprechende Resultate, da die Meteobases in der West- und Ostschweiz eingesetzt werden. Derzeit wird jeder Standort von einem Piloten überwacht, aber in naher Zukunft wird ein Pilot für mehrere Meteobases verantwortlich sein.

Die Meteobase als vertikaler Profiler

In den letzten Jahren hat Meteomatics die Einsatzreichweite seiner Wetterdrohnen von 1,5 auf 3 und bis zu 6 km über Grund erweitert. Mit der Reichweitenerweiterung können neuerdings auch höhere Ebenen erreicht werden, die meteorologisch wertvoll sind.

So wird zum Beispiel die aufschlussreiche und meteorologisch wichtige Ebene von 500 hPa einbezogen und bedeutet, dass die Vorhersagen nicht nur für lokale, kurzfristige Wetterphänomene, sondern auch für die allgemeine Wetterlage verbessert werden. Diese Vorhersagefähigkeit bedeutet eine enorme Auswirkung auf Wettermodelle, vor allem wenn sie eine hohe Auflösung haben, wie es beim Modell SWISS1k der Fall ist.

Das Modell SWISS1k ist ein numerisches Ein-Kilometer-Wettermodell, das derzeit über der Schweiz verbreitet ist und speziell dafür entwickelt wurde, mit Drohnendaten angereichert zu werden. Solche Daten, die 6 km räumlich sehr genau abdecken, werden in das Modell assimiliert und ergänzen die Palette der Ausgangsbedingungen. Im Gegensatz zum Goldstandard der vertikalen Profilerstellung, der Radiosonde, können Meteodrohnen mehrmals am Tag fliegen, sind wiederverwendbar und halten sich eng an ihre vertikale Aufstiegsbahn. Der einzige Nachteil scheint bisher ihre Beschränkung auf noch größere Höhen und die Begrenzung durch Umwelteinflüsse zu sein. Um letztere zu reduzieren, sind die Meteodrohnen mit einer einzigartigen, selbst entwickelten Enteisungstechnologie ausgestattet. Zusammen mit ihrer Fähigkeit, bei Regen, Schnee und Nebel sowie bei starkem Wind zu fliegen, scheinen die Drohnen gut gerüstet, um Daten für die tägliche Arbeit der Meteorologen und ihrer Wettermodelle zu liefern.

Abbildung 4 zeigt die beeindruckende Auflösung des SWISS1k Drohnen-Wettermodells und einen Vergleich mit den europäischen (ecmwf-ifs) und amerikanischen (ncep-gfs) globalen Wettermodellen. Wie der Vergleich mit der Satelliten-"Wahrheit" zeigt, löst das SWISS1k-Modell den über die alpine Topographie der Nordschweiz verteilten Nebel gut und in Übereinstimmung mit den Satellitendaten auf. Das europäische Globalmodell mit seinem grossen Gitter schliesst den Nebel zwar noch teilweise ein, die Auflösung reicht aber nicht mehr aus, um die alpinen Strukturen aufzulösen. Das US-amerikanische Globalwettermodell sagt den Nebel nicht korrekt voraus.

Abbildung 4: Nebelvorhersagen von drei verschiedenen Modellen (b)-(c) und die Bodenwahrheit aus Satellitendaten (a). Während das SWISS1k-Modell (d) den Nebel gut vorhersagt und auflöst, sagt das europäische Modell (b) den Nebel teilweise voraus, aber die Auflösung ist stark reduziert. Das amerikanische Modell (c) berücksichtigt den Nebel nicht.

Da etwa 60 % der Schweiz von den Alpen bedeckt sind, ist die nationale Wettervorhersage einzigartig und interessant und, insbesondere für globale Wettermodelle, auch schwierig. Ein Tal kann bereits ein anderes Mikrowetter erleben als sein Nachbar. Ein Netzwerk von vertikalen Drohnenprofilen wird die Vorhersagbarkeit stark verbessern, erfordert aber auch zuverlässige und autonome Messeinheiten, die z.B. auch bei starkem Schneefall funktionieren müssen.

Abbildung 5 ist direkt aus der realen Anwendung entnommen und zeigt die Fähigkeit der Meteobase, während ihres Betriebs Schnee zu widerstehen. Das Bild der Überwachungskamera zeigt, dass die Meteobase - sobald sie an das Stromnetz angeschlossen ist - ihr internes Klima reguliert, so dass sie auch bei Extremen wie Schnee und Hitze arbeiten kann. Die Erfassung von Wetterdaten ist also nicht auf bestimmte Jahreszeiten beschränkt, sondern kann das ganze Jahr über gewährleistet werden.

Abbildung 5: Die Meteobases sind so konzipiert, dass sie extremen Witterungsbedingungen wie starkem Regen, Hitze, Kälte, Hagel und sogar starkem Schnee standhalten, wie auf dem Bild direkt aus dem Feldeinsatz zu sehen ist.

Roll Out des Meteobase-Messnetzes

Meteomatics plant in einem einmaligen Projekt zusammen mit Luftfahrtakteuren den Rollout ihrer Meteobases an wichtigen Standorten in der Schweiz. Beginnend mit Standorten in der Ost- und Westschweiz wird das gesamte Landesgebiet abgedeckt und in den nächsten zwei Jahren werden an insgesamt 15 Standorten Daten gesammelt. Dies wird die Datenlage massiv erhöhen und die Vorhersagefähigkeit massiv beeinflussen.

Neben den nachweislich positiven meteorologischen Auswirkungen stellt das Projekt eine interessante Herausforderung für die luftfahrttechnische Infrastruktur dar. Zum ersten Mal werden mehrere Drohnen von einem einzigen Piloten gesteuert. Dieser Pilot wird die Drohnen nicht manuell steuern, sondern die Flüge überwachen. Die Flüge werden vollautomatisch durchgeführt, einschließlich der Überprüfung des Luftraums oder des Wetters. Für letzteres stützt sich der Betrieb auf die Meteomatics-Wetter-API, die sich nahtlos in die Flugsteuerungssoftware integriert.

Die Fähigkeit, mehrere Drohnen gleichzeitig zu steuern und zu überwachen, ist nicht die einzige Anforderung an den Betrieb eines Netzes automatischer Drohnenbasen. Es ist auch eine hohe Flexibilität erforderlich, um die Drohnenflüge in bestehende oder neue Luftverkehrsstrukturen zu integrieren. Es erfordert die Abschätzung von Risiken und deren Minderung. Glücklicherweise nehmen die Schweiz und das BAZL eine Vorreiterrolle in der Drohnentechnologie und vor allem bei der Unterstützung von Drohnenunternehmen und Drohnenbetreibern ein.

Die Assimilation von Drohnendaten in SWISS1k hat begonnen und es werden Daten für verschiedene Standorte in der Schweiz gesammelt. Die Auswirkungen sind bereits in den Wettermodellen zu sehen, bleiben aber für einige wenige Stationen lokal. Mit jeder zusätzlichen Wetterdrohnenstation wird ein landesweiter Effekt sichtbar, der die Zukunft der Vorhersage für die Luftfahrt und alle vom Wetter betroffenen Menschen verändern wird.

Ausblick

Die Ergebnisse haben gezeigt, dass Wetterdrohnen, wie die Meteodrone, einen großen Einfluss auf die Vorhersagefähigkeiten haben können und die Vorhersagequalität insbesondere im Bereich von Nebel, Gewitter und tief hängenden Wolken verbessern. Um Wetterdrohnen kosteneffizient betreiben zu können, müssen sie sich in bestehende Strukturen integrieren lassen und automatisch an mehreren Standorten Daten sammeln.

Das von Meteomatics geplante Multi-Wetterdrohnen-Projekt sieht den Aufbau von 15 Meteobasen in den nächsten zwei Jahren vor. Die Schweiz wird das erste Land sein, das von dem Drohnennetzwerk profitiert, da sie ein Pionier in der Meteorologie und Drohnentechnologie ist. Während dieser Artikel geschrieben wird, wenden sich jedoch auch andere Interessengruppen in anderen Teilen der Welt (z.B. in den USA) an Meteomatics, in der Hoffnung, dass es ihnen bei der Lösung ihrer Wetterprobleme hilft. Bleiben Sie dran für Updates in den kommenden Ausgaben.