Des drones ultra-légers pour l'observation de la couche limite atmosphérique

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1 Grégoire CAYEZ ENM - CNRM/GMEI/MNPCA Greg ROBERTS CR1 CNRS - CNRM/GMEI/MNPCA Associate Research Scientist Scripps Institution of Oceanography Des drones ultra-légers pour l'observation de la couche limite atmosphérique Labo Drone de l ENAC Team Paparazzi CNRM/GMEI/MNPCA : Géraud Momboisse, Jean-Michel Etcheberry, Brigitte Gaillard, Franck Lavie Promos IENM 11-13, 12-14, Stagiaires : Marius Albrand, Jean-Philippe Dralet, Audrey Hygonnet, Sylvain Danesin, Thomas Marin, Mathieu Besson, Yann Navarro, Cédric Clerembault, Florian Itard Keri Nicoll Université de Reading Stéphan Defoy Météo - France DIRSO EALAT Sébastien Barrau GMEI Equipes STAR - LEM - CTI -GMEI/4M du CNRM Laboratoire 1 de Métrologie et soufflerie de la DSO CRA Lannemezan Fabienne Lohou, Marie Lothon, Solène Derrien

2 Présentation VOLTIGE : observation multi-drones du brouillard Vols de tests et campagnes de mesures Mesure du vent 3D Projets IENM Perspectives 2

3 VOLTIGE : observation multi-drone du brouillard Objectifs Etudes brouillard classiques : mesures au sol + télédétection pour structure verticale, Besoin de mesures in-situ (spatiales et temporelles) pour améliorer paramétrisation brouillard. VOLTIGE : nouvel outil pour observer simultanément couche limite terrestre, propriétés microphysiques des nuages et bilan radiatif. 3

4 Avions Avion télécommandé équipé système de navigation autonome Charge utile : ~ 200 g Masse totale : < 2 kg Endurance ~40min, Electrique Plafond: ~4 km VOLTIGE : observations multi-drone du brouillard Avions et système de navigation Pilote automatique Paparazzi : code open-source wiki.paparazziuav.org Développement ENAC (2003) Navigation inertielle - com radio temps réel 4

5 VOLTIGE : observations multi-drone du brouillard Instrumentation Rayonnement solaire & visible - IR Température, humidité relative, pression, vitesse air Caméra Capteur nuage (K. Nicoll Univ. Reading) Sonde turbulence (vecteur vent 3D) 5 Système d acquisition Système de navigation

6 Vols de tests et campagnes de mesures Site expérimental de la campagne de février 2013 Site de mesures Zone réservée aux vols dans l espace civil (rayon 1 NM radius, altitude max 1000m asl) Nombre moyen de jours de brouillard/an (Calas, 2011) 6

7 13/02/ h00 UTC Vols de tests et campagnes de mesures Situation météo Stage IENM J.P. DRALET 14/02/ h00 UTC ANASYG Météo-France METEOSAT-10 canal I.R. thermique AROME (Run 0h UTC 13/02/2013, échéance 12h) Nébulosité basse couche ANASYG Météo-France AROME (Run 0h UTC 14/02/2013, échéance 12h) Nébulosité basse couche METEOSAT-10 canal I.R. thermique Dry air 2000m Dry air 2000m Bâché, pluie et vent faible, T=10 C Bâché, pluie faible, vent en surface : 10 kt, T=13 C 7

8 Vols de tests et campagnes de mesures Evolution de la CLA de 13/02/13 Stage IENM J.P. DRALET Arrivée du pseudo front chaud Épaississement couche de mélange 8 Inversion Couche limite instable en fin de journée Couches sèches près du sol en matinée

9 Vols de tests et campagnes de mesures Comparaison au modèle AROME Stage IENM J.P. DRALET Inversion thermique Matin du 13/02 Secteur chaud Matin du 14/02 Mesures drone plus sèches que le modèle 9

10 Vols de tests et campagnes de mesures Qualification des capteurs météo Stage IENM J.P. DRALET Légers biais montée/descente (échauffement internes de la charge utile ou interférences électromagnétiques) Tests en cours 1m de résolution verticale au niveau de l inversion Les erreurs sur les profils dans préconisations mesures surfaces (± 0.5 ºC, ± 6%RH) Faible temps de réponse, Conçu pour mesurer dans les nuages. 10

11 Détection des goutelettes Système à rétrodiffusion : émetteur diodes ultra-puissantes + photodiode réceptrice en open path Source de lumière modulée pour permettre de récupérer le signal malgré les perturbations liées à la rétrodiffusion Vols de tests et campagnes de mesures Capteur nuage Université de Reading (Keri Nicoll) Source Conçu pour ballons RS Detector Testé avec succès sur drone 11 reflected

12 Vol dans couche se Sc - Lannemezan, France, 07/05/14 Spirale jusqu à 1000m/sol Vols de tests et campagnes de mesures Capteur nuage Université de Reading (Keri Nicoll) RH (%) solar radiation (Wm 2 ) H e ig h t (k m ) Temperature (deg C) H e ig h t (k m ) cloud sensor IR (V) Temperature( C) Cloud sensor IR (V) Base des nuages ~500m Rayonnement solaire augmente à la traversée se la couche Nette détection de la couche avec le capteur nuage 12

13 Mesure du vent 3D Sonde 5 trous + IMU Stage Sup Aero M. ALBRAND Vitesse sol : centrale inertielle (IMU) Mesure ses composantes dans le repère terrestre + angles d Euler (roulis φ, tangage θ, lacet/cap ψ) Vitesse air : sonde 5 trous mesure V a, angles d attaque α et dérapage β V r = D 1 a V a 1 tan β tan α avec : D = 1 + tan ² α + tan ² β 13

14 14 On mesure les angles à partir des différences de pressions entre les différents trous. Calibrage : détermination de C α en fonction de α et C β en fonction de β Mesure du vent 3D Calibrage sonde 5 trous Stage Sup Aero M. ALBRAND P P P P C P P P P C = = β α

15 15 Roulis Φ=0, tangage Θ = α + α 0 Roulis Φ=-180, tangage Θ = α + α 0 On fait varier Θ de +/ ) ( ) ( m m n n n m C n m C = + + = + + = α α α α α α α Pour Φ=0, on connaît incidence α (α = Θ - α 0 ) et on mesure C α => α fonction de C α Pour Φ=90, β fonction de C β Mesure du vent 3D Calibrage Stage Sup Aero M. ALBRAND

16 Projets IENM Promo Brainstorming : Drones <2kg pour la recherche atmosphérique Promo Traitement données campagne Lannemezan mai 2013 Promo Instrumentation drone PTU BAC+ 16

17 Conclusion Les mesures sur drone fournissent des profils verticaux de haute résolution dans la couche limite atmosphérique. Ces résultats montrent que de telles mesures in-situ dans les réseaux opérationnels pourraient apporter de l information pertinente aux prévisionnistes La prochaine étape sera de valider les vols multi-drones pour échantillonner le brouillard au cours de ses cycles de vie. 17

18 Perspectives 18 mois après : ~100 vols VOLTIGE instrumentés dans l espace civil (jusqu à 2000m d altitude) Mesures de rayonnement, température, humidité, vent, détection nuages Vols en conditions difficiles (vent, pluie, neige, nappes de brouillard) Implication des étudiants en stages au CNRM et formation initiale à l ENM Développement avion adapté : intégration capteurs + contraintes de mesures Prochaines étapes : Vols en formation Campagne de mesures brouillard Capteur de nuage Validation sonde 5 trous 18

19 19 Partenaires

20 Questions? 20

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