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WERAN: Messung der Wechselwirkung von Windkraftanlagen mit terrestrischer Navigation/Radar T. Schrader, J. Bredemeyer, M. Mihalachi, D. Ulm, T. Kleine-Ostmann 303. PTB-Seminar, 2017 FKZ: 0325644A-D

WERAN: Messung der Wechselwirkung von Windkraftanlagen mit ... · WERAN Projekt 303. PTB-Seminar, 2017 Seite 2 Gliederung •EMV Problem und Hintergrund •Instrumentierung von WERAN

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WERAN: Messung der Wechselwirkung von Windkraftanlagenmit terrestrischer Navigation/Radar

T. Schrader, J. Bredemeyer, M. Mihalachi, D. Ulm, T. Kleine-Ostmann

303. PTB-Seminar, 2017

FKZ: 0325644A-D

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Gliederung

• EMV Problem und Hintergrund

• Instrumentierung von WERAN / Unmanned aerial systems (UAS)

• Kalibrierung und Numerische Simulation des Antennenfaktors

• Messunsicherheit

• Messergebnisse

• Ausblick

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EMV Problem und Hintergrund

Südlicher Blick von Langeoog (Insel in der Nordsee)

Vor-Ort-Messungen in der realen Welt notwendig

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Wissenschaftlicher Ansatz von WERAN

linearer Teil (Kanal, Wellenausbreitung)

nichtlinearer Teil (Radarsignalverarbeitung)

Auftrennung des Übertragungskanals

Aufgabe von WERAN:„Signaländerung durch WEA im Übertragungskanal messtechnisch und numerisch bestimmen.“

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In WERAN zu untersuchende Anlagen

Ungerichtetes Funkfeuer (NDB) und seine Peilung (ADF)

Gerichtetes Funkfeuer der zivilen Flugsicherung (CVOR, DVOR)

Flughafenüberwachungsradar (ASR)

Luftverteidigungsradar (LVR)

DWD Wetterradar (C-Band-Niederschlagsradar)

DWD UHF-Windprofiler

112 MHz

500 kHz

2,7 GHz

einige GHz

5,6 GHz

482 MHz

2016

2017

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Setup UAS„PTBee“

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Setup UAS„PTBee“

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Receiver

ublox LEA-6S NovAtel OEM615

Antenna

Type Passive Active

Form Patch Helix

Constellations GPS GPS, GLONASS

Tracking L1 L1, L2

Horizontal

Accuracy

(Datasheet)

L1 2.5 m CEP 1.5 m RMS

L1+L2 - 1.2 m RMS

SBAS 2.0 m CEP 0.6 m RMS

PR-DGNSS - 0.4 m RMS

RTK (RT-2®) - 1 cm + 1 ppm RMS

Max. Refresh Rate 5 Hz 20 Hz

UAS: GNSS Receiver

RMS = 1.2 x CEP

Ground station

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Foto der Messelektronik

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Simulation des Antennengewinns

Kalibrierung nur mit der auf dem UAS installierten Antenne, sonst falsche Ergebnisse!

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Simulation & Messung des Antennengewinns

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Messunsicherheit für elektrische Feldstärke bei 2,7 GHz

AD Konversion – 16 bit

Kalibrierung der gesamten HF Electronik incl. VGA(inkl. Temp Drift der Elektronik, Absolutwert, TCXO, …)

Realisierter Antennengewinn (Absolutwert, yaw, roll, pitch Variation,Einfluss der Propeller)

= 20%, dominiert durch Temperaturdrift, 8,5% sonst

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Best-Case Szenario WEA-Einfluss auf Radare

Radar

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Worst-Case Szenario WEA-Einfluss auf Radare

Radar

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Planung:C. BrennerSteep GmbH

Radarflugvermessung steep GmbH/ Messung mit PTB-Oktokopter

Radar-Entdeckungswahrscheinlichkeit für Flugziel Learjet (Wirkung)

Vergleich mit gemessenen Primärradarsignalen mit / ohne Windpark (Ursache)

Seite 16WERAN Projekt 303. PTB-Seminar, 2017

Planung:C. BrennerSteep GmbH

Radarflugvermessung steep GmbH/ Messung mit PTB-Oktokopter

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Radarflugvermessung steep GmbH/ Messung mit PTB-Oktokopter

Seite 18WERAN Projekt 303. PTB-Seminar, 2017

Alle Sweeps während eines FlugsASR transmits alternately short pulses and long Near-LFM pulses (chirps)

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Anflugradar Flughafen: Antennengewinn Vor-/Rückverhältnis

4,8 s dwell time

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Ein Radarumlauf:Haupt- und Nebenkeulen

Measured horizontal beamwidth

Sidelobe level

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Einfluss der Mehrwegeausbreitungauf LFM Puls

Measured pulse high above WT (289m above GND)No pulse deformation from WT!

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Measured Pulse near WT; ASR-S has Near-LFM wave form; Chirp: 2MHz within 45µsDirect Pulse seen on falling edge of beam main lobe, maximum points to WT

Einfluss der Mehrwegeausbreitungauf LFM Puls

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Theorie: Einfluss der Mehrwegeausbreitung

Reflecting Pulse 2: -20dB, Dt=1.4µs, Df=240°(Scatterer is at distance 420m from observation)

Synthetic LFM pulse; Chirp: 2MHz within 45µs

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Measured Pulse near WT; ASR-S has Near-LFM wave form; Chirp: 2MHz within 45µs

Einfluss der Mehrwegeausbreitungauf LFM Puls

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Reflecting Pulse 2: -20dB, Dt=1.4µs, Df=240°Calculated LFM pulse; Chirp: 2MHz within 45µs

Theorie: Einfluss der Mehrwegeausbreitung

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Zusammenfassung

• Reflexionen von Radarsignalen an WEA können

in-situ gemessen und dargestellt werden

• Basisband Video von FM-modulierten Radarpulsen ist wiederholbargestört

• Messergebnisse lassen sich durch Überlappung von LFM Pulsen erklären

• Weitere Analyse der Pulskompression und Einfluss von WEA auf Radarauswertung über Radarhersteller

Hochaufgelöste Messungen von Radarsignalen im Raum:an realen Signalen, realen Anlagen, in realen Umgebungen

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AusblickMessungen am Windprofiler482 MHz

Radar (Dopplerverschiebung):Höhenwind zwischen 500 m und 16 km

Radio acoustic sounding (Schall Dichteflukt.):Temperaturverteilung bis 4 km Höhe

Quelle: Rohde&Schwarz

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Dank an die Projektpartner von WERAN

Nicht geförderte Partner:Deutsche FlugsicherungDeutscher Wetterdienst

FKZ: 0325644A-D