Mám Dron

Meteorológia pre letectvo a drony – rozhovor s Ing.Jozefom Omelkom zo spoločnosti MicroStep-MIS

Presnosť údajov o poveternostných podmienkach a počasí v konkrétnych lokalitách je pre oblasť pilotovaného aj bezpilotného letectva kľúčová ako z pohľadu bezpečnosti, tak aj manažmentu letovej prevádzky. Vďaka technologickému vývoju softvéru a hardvéru sa meteorologické modely neustále zlepšujú a integrujú do komplexných systémov riadenia letísk a letovej premávky.

O tom ako fungujú modely predpovede počasia všeobecne a špeciálne pre vzdušný priestor sme sa porozprávali s Ing.Jozefom Omelkom zo slovenskej spoločnosti MicroStep-MIS, ktorá sa za takmer 30 rokov svojej existencie vypracovala za jednu z najuznávanejších spoločností v segmente meteorológie celosvetovo. Ako partner OZ Mám Dron poskytuje MicroStep-MIS meteorologické dáta pre informačný systém MamDron.

Prečítajte si tiež: Význam využitia dronov pri záchranných operáciách a živelných pohromách

1. Oblasť získavania a spracovávania meteorologických dát je pre mnohých veľkou neznámou. Aká je história firmy v tejto oblasti a ako dlho v nej pôsobíte?

Naše pôsobenie v meteorológii začalo v roku 1993, keď sme pre SHMÚ vyvinuli náš prvý software, ktorý spracovával dáta z meteorologickej stanice, ako aj dáta manuálne zadávané meteorologickými pozorovateľmi. Dnes naše systémy pracujú s dátami prakticky zo všetkých zdrojov – z pozemných zariadení, ako sú meteorologické stanice, radary, balónové sondy. Veľmi dôležité sú tiež dáta zo satelitov, ktoré sú stále kvalitnejšie a rozsiahlejšie.

2. Predpoveď počasia sleduje snáď každý. Čo si ale nie každý vie predstaviť je, ako sa získavajú meteorologické údaje a ako prebieha ich spracovanie. Viete tento proces stručne opísať?

Ako som už spomínal, základné dáta sú získavané pozemnými zariadeniami a satelitmi. K tomu sa pridávajú informácie o povrchu zeme – či tam je les, púšť, vodná plocha; ďalej orografia – pohoria, nížiny. Všetky tieto informácie sú vstupmi do predpovedného modelu. Je to počítačový program, v ktorom je naprogramovaný súbor zložitých rovníc, ktoré popisujú správanie sa zemskej atmosféry. Tento program beží na najvýkonejších superpočítačoch sveta. Výstupom prepovedného modelu sú siete s rozlíšením napríklad 3 x 3 km, kde každý bod siete obsahuje predpoveď teploty, zrážok, vlhkosti, vetra, oblačnosti a iných parametrov. Také siete sú k dispozícii nielen pre počasie na povrchu zeme, ale aj pre rôzne výškové hladiny. Tieto sa využívajú napríklad pre letectvo.

Svetové meteorologické centrá vydávajú globálne predpovede pre celú planétu. Tieto môžu byť napríklad 25 x 25 km. Výstupy z týchto modelov sú vstupmi pre lokálne modely, ktoré globálnu predpoveď prepočítajú a vytvárajú siete s rozlíšením napríklad 1 x 1 km, prípadne s ešte lepším rozlíšením, priestorovým ako aj časovým. Globálny model môže dávať globálnu predpoveď na 10 dní, lokálny model môže spraviť krátkodobú predpoveď napríklad na 3 dni, alebo aj kratší interval. Ďalšou kategóriou sú krátkodobé predpovede na 2 až 6 hodín. Tieto intenzívne využívajú aktuálne namerané dáta a snažia sa z nich extrapolovať predpoveď na najbližšie minúty až hodiny.

Aby predpovedanie nebolo založené len na fyzikálnych rovniciach, výstupy z modelov sa ešte štatisticky spracovávajú a vylepšujú. Taktiež sa používa umelá inteligencia na vylepšovanie predpovedí.

Nám sa napríklad v Dubaji pomocou data miningu (ďalšieho spracovania výstupov z predpovedného modelu) podarilo radikálne zvýšiť úspešnosť predpovedania hmiel/dohľadnosti v tomto emiráte. Tieto výsledky sme opublikovali v prestížnom vedeckom magazíne. Článok mal a stále má množstvo citácií a jeho tzv. impact faktor je veľmi vysoký.

3. Vaša firma poskytuje presné meteorologické dáta pre oblasť letectva. Čím sú tieto údaje špecifické?

Zdrojom presných letiskových meteorologických dát je aj náš systém AWOS (Automated Weather Observation System), ktorý máme nainštalovaný na takmer 400 letiskách sveta. Dáta z AWOS-u, ako aj iných zdrojov, zobrazujeme letiskovým meteorológom v našich ďalších aplikáciách, ako je napríklad Weather Studio. Snažíme sa, aby naše dáta boli čo najužitočnejšie pre riadenie letovej premávky.

Na tento účel sme vyvinuli aj v rámci európskeho vyskumu SESAR JU programové vybavenie AWDSS (Aviation Weather Decision Support System). AWDSS integruje všetky dostupné meteorologické informácie a informácie o letisku, a na základe týchto vstupných informácií vytvára predpoveď napríklad pre jednotlivé pristávacie dráhy.

Táto predpoveď je poskytnutá vo veľmi jednoduchej a intuitívnej forme riadiacemu letovej prevádzky a pozemnému personálu letiska aj s návodom aké činnosti je potrebné v danej situácii vykonať. Ďalej pracujeme na prepojení nášho AWDSS so systémami riadenia letovej prevádzky, ktoré na základe našich informácií optimalizujú a reorganizujú leteckú premávku.

Meteorologická stanica AWOS

4. Piloti a riadiaci letovej prevádzky na letiskách robia vďaka presným informáciám o aktuálnom počasí dôležité rozhodnutia pred alebo počas rôznych fáz letu. Ide o množstvo údajov o vetre, teplote, zrážkach, stave dráhy letiska a aktuálnych varovaniach. Ako sú tieto dáta poskytované týmto typom užívateľov vo vašich systémoch a aplikáciách?

Na poskytovanie meteorologických informácií v leteckej premávke sú používané štandardizované systémy. Sú to najmä Pilot Briefing, ATIS a VOLMET.

Pilot Briefing – poskytne pilotovi všetky meteorologické informácie o počasí na letisku, z ktorého odlieta ako aj predpoveď počasia pre jeho letovú trasu a predpoveď počasia pre cieľové letisko.

ATIS (Automatic Terminal Information Service) – pilot dostáva informácie o stave dráhy a počasí na dráhe v čase pristávania. Tieto informácie dostáva ako hlasovú správu cez visielačku, alebo ako text cez digitálnu linku.

VOLMET – poskytuje meteorologické informácie pre prelietavajúce lietadlá nad krajinou.

Naše Pilot Briefing-y a ATIS/VOLMET-y sú nainštalované na mnohých letiskách sveta. Okrem „veľkej letovej premávky“ sa venujeme aj tým menším lietadlám – General Aviation. Tieto lietajú v nižších letových hladinách a pristávajú na malých letiskách a preto potrebujú iné informácie. Máme systémy aj pre malé letiská, kde si pilot môže ovládať systém aj tok informácií kľúčovaním z jeho palubnej vysielačky. Systémom pre General Aviation sa intenzívne venujeme a dúfame, že budeme v tejto oblasti úspešní. 

5. MicroStep – MIS databázový systém ukladá meteorologické, klimatické a enviromentálne dáta pre rôzne inštitúcie. Aké sú výhody tejto databázy?

Žijeme v dobe, kedy sú dáta cennejšie ako čokoľvek iné. Náš databázový systém je vyvinutý tak, aby sa so zobieranými dátami dalo veľmi efektívne ďalej pracovať. Ešte pred trvalým uložením dát je vykonávaná sofistikovaná kontrola kvality. Na kontrolu kvality využívame najmodernejsie metódy. Kvalita dát je základom pre ďalšie použitie a spracovanie. Naša databáza umožňuje aj sofistikovane archivovať tzv. metadata –  údaje o všetkých meracích prístrojoch na každej stanici (napr. údaje o výmene, termíne kalibrácie, atď.). Je to veľmi dôležité, najmä teraz v období klimatickej zmeny – vedieť presne či je nejaká výchylka v meraniach spôsobená naozaj zmenou klímy alebo zmenou prístroja alebo aj podmienok merania.

K našej databáze dodávame aj moduly, ktoré sú používané na generovanie reportov, ktoré musí meteorologická alebo enviromentálna inštitúcia poskytovať. Týmto zabezpečíme, že rutinná práca je vykonávaná automaticky a meteorológovia a klimatológovia sa môžu viac venovať výskumu.

6. Viem, že pracujete na vlastnom meteorologickom radare. Viete nám toto riešenie stručne predstaviť?

V meteorológii sa štandardne požívajú veľké radary, tzv C-Band a S-Band. Sú to radary s veľkými anténami s priemerom 4,5 m a viac. Je pre ne potrebná drahá infraštruktúra. Na svoju prevádzku spotrebovávajú veľké množstvo energie. A sú veľmi drahé. Nie každý zákazník si takýto radar može dovoliť a nie každý zákazník si vie takýto radar udržať v prevádzke. My sme si uvedomili, že na trhu je miesto aj pre malé X-Band radary, ktoré za zhruba desatinovú cenu poskytujú viac než 90 % funkcionality veľkého radaru.

Náš radar má spotrebu 250 W, váží 125 kg a je zhruba na desatinovej cene ako veľký radar. Môže si ho dovoliť väčšina zákazníkov. Nepotrebuje klimatizáciu. Pracuje napr. aj v Dubaji pri vonkajších teplotách dosahujúcich až 50 °C, alebo v Kazchstane kde teploty klesajú k -50 °C.

Malý X-Band radar je tiež ideálny pre meranie strihu vetra na letiskách. Je výborný do horských oblastí, kde je na pokrytie radarovým signálom potrebných veľa radarov.

Malý radar je ideálny ako prehľadový meteorologický radar pre letiská. Má lepšiu skenovaciu frekvenciu ako veľký radar, čo je pre letovú premávku extrémne dôležité. V takomto režime pracuje náš radar napr. na letisku Malta.  

7. Ako sa pozeráte na moderné technológie v oblasti meteorológie? Ktoré z nich najviac prispeli k presnejším modelom predpovede počasia?

Meteorologické predpovede sa zlepšujú minimálne tým, že vstupné dáta sú čím ďalej tým kvalitnejšie a je ich viac. Uplatňujú sa stále lepšie metódy modelovania. Umožňuje to neustále zvyšovanie výkonu superpočítačov. Vedci reagujú na poskytnutý výkon superpočítačov implementovaním predpovedných metód, ktoré ešte v nedávnej minulosti neboli možné. Tieto novinky je možné vidieť aj na webstránke SHMÚ – Epsgram – do 8 dní.

Viacerými behmi toho istého modelu s rôznymi vstupnými parametrami, alebo viacnásobne spustenie v krátkom čase za sebou sa dosahujú ďaleko lepšie výsledky ako bez uplanenia týchto metód. Počasie má určité vzory (patterns), ktoré si meteorológovia všímajú a preto, niektorí z nich vedia predpovede modelov vylepšiť. Čo si vie všimnúť a uvedomiť človek, to sa snaží nájsť aj umelá inteligencia.  

Momentálne sa vyvíjajú a zavádzajú predpovedné modely, ktoré rádovo skracujú výpočty predpovedí, a to umožňuje rýchlu asimiláciu meraných dát a tým aj korigovanie a spresňovanie výpočtov. Využívanie grafických kariet s obrovským množstvom matematických koprocesorov, tiež pomáha zrýchľovať predpovede. Drony veľmi pohli aj pohnú predpovede „mikro“ počasia. Bude sa predpovedať počasie na úrovni ulíc a bytových blokov s veľmi dobrým časovým rozlíšením. Bude to potrebné pre prevádzkovanie dronov. Budú tomu napomáhať technológie „Smart Cities“. Meteorologické stanice budované v rámci týchto systémov sa budú používať na skvalitnenie predpovedí.

epsgram

Príklad EPSgramu

8. Pre získavanie dát o teplote vzduchu, vlhkosti, či sile a pohybe vetra sa používajú aj drony. Do akej miery, podľa vás, ovplyvnia do budúcna modernú meteorológiu?

Drony budú z pohľadu meteorológie lietajúce meteorologické stanice. Dáta z týchto staníc budú použité na validáciu modelov, ako aj na asimiláciu predpovednými modelmi. Momentálne su meteorologickými stanicami vybavené lietadlá. A modely dáta z lietadiel extenzívne využívajú. Zníženie leteckej premávky v minulom roku spôsobilo aj zníženie kvality predpovedí.

Meteorologické dáta z dronov spôsobia skvalitnenie lokálnych predpovedí s vysokým priestorovým a a možno aj časovým rozlíšením. Teda tých, ktoré sú potrebné aj na prevádzku samotných dronov. 

Jednou z úloh, ktoré vykonáva dron NASA Ikhana je zber meteorologických údajov

Ďakujeme p.Omelkovi za obsiahle odpovede, ktoré našim čitateľom ozrejmili, ako funguje súčasná meteorológia v súvislosti s náročnými požiadavkami moderného letectva. Z pohľadu využitia dronov ide o zaujímavú výzvu, ktorá ponúka zefektívnenie presnosti predpovedí počasia na regionálnej úrovni. Bezpilotné prostriedky tak opäť raz dokazujú svoj potenciál, tentokrát v neustále sa rozvíjajúcom segmente získavania a spracovávania dôležitých meteorologických dát.

PODOBNÉ PRÍSPEVKY

Drony a počasie

V tomto texte rozoberáme na aké poveternostné podmienky by mali UAV piloti dbať pri plánovaní letov a tiež sa venujeme téme ako drony pomáhajú meteorológom pri tvorbe predpovedí počasia.

Partner našej asociácie - spoločnosť Aerobits predstavila vylepšeny modul priamej diaľkovej identifikácie idME PRO, ktorý je určený na vysielanie identifikačného čísla dronu a údajov o jeho polohe v reálnom čase.

Priama diaľková identifikácia je systém, ktorý umožňuje vysielanie ID dronu a údaje o jeho lete, ktoré sú prístupné autorizovaným osobám cez mobilné aplikácie. Ako to funguje sa dočítate v našom článku.