D3 GPS/IMU-Telemetrie

Thema

Ein hochfrequenter GPS-Recorder, der mindestens einmal pro Sekunde eine Position aufzeichnen kann, ermöglicht in Kombination mit einer Inertialmesseinheit (IMU) mit integriertem Beschleunigungsmesser, Gyroskop und Magnetometer die Rekonstruktion der vollständigen dreidimensionalen Flugbahn eines Vogels im freien Flug, ohne dass eine direkte Beobachtung oder das Fangen des Vogels erforderlich ist. Diese Kombination aus hochfrequentem GPS-Recorder und IMU ist die leistungsstärkste verfügbare Beobachtungsmethode zur Untersuchung der Flugdynamik und der verschiedenen Flugmodi eines Vogels, da sie die Zustandsvariablen des Flugsystems direkt liefert: Position, Geschwindigkeit, Flugbahnwinkel und Steigrate des Vogels in jedem Moment.

Die vom hochfrequenten GPS-Recorder direkt gemessene Geschwindigkeit bezieht sich jedoch auf die Geschwindigkeit relativ zum Boden, während die aerodynamischen Module zur Beschreibung von Auftrieb und Widerstand des Vogels die Eigengeschwindigkeit – die Geschwindigkeit des Vogels relativ zur umgebenden Luft, nicht relativ zum Boden – benötigen. Um von der einen Geschwindigkeit in die andere umzurechnen, muss der Windvektor, der im selben Moment und am selben Ort weht, von der Grundgeschwindigkeit subtrahiert werden. Diese Daten misst der Hochfrequenz-GPS-Recorder nicht selbst und müssen von Radiosonden oder meteorologischen Modellen gewonnen werden.

Diese rekonstruierte dreidimensionale Flugbahn ist besonders nützlich, um zu untersuchen, wie ein Vogel auf extreme Umweltbedingungen reagiert: Die Flughöhe, die direkt aus der vom Hochfrequenz-GPS-Recorder gelieferten Position ermittelt wird, sowie die Änderungen von Geschwindigkeit und Flugbahnwinkel, die die Inertialmesseinheit beim Durchqueren von Luft mit geringer Dichte oder starker Turbulenz erfasst, hinterlassen eine charakteristische Signatur auf der Flugbahn. Diese kann automatisch extrahiert werden, ohne dass während dieses Flugabschnitts ein menschlicher Beobachter anwesend sein muss.

Dieselbe dreidimensionale Flugbahn hinterlässt auch eine weitere charakteristische Signatur, wenn ein Zugvogel vor dem Ende einer langen Etappe rast: Ein solcher Rastpunkt ist in der Flugbahn erkennbar, da sich die Position des Vogels für längere Zeit nicht mehr in Zugrichtung bewegt. Dieser Rastpunkt, der automatisch anhand der vom Hochfrequenz-GPS-Gerät übermittelten Positionsdaten erfasst wird, signalisiert, dass der Vogel seine Fettreserven aufgebraucht hat und diese wieder auffüllen muss, bevor er weiterfliegen kann.

Diese beiden charakteristischen Signaturen – die durch extreme Umweltbedingungen verursachten Veränderungen in Flughöhe und Geschwindigkeit sowie die durch einen Rastpunkt verursachten Positionsveränderungen – machen die Kombination aus Hochfrequenz-GPS-Gerät und Inertialmesseinheit zur wichtigsten Beobachtungsmethode. Anhand einer einzigen, im Feld rekonstruierten dreidimensionalen Flugbahn lässt sich erkennen, wann ein gesunder Vogel aufgrund der herrschenden Luftbedingungen an seine Leistungsgrenzen stößt und wann seine Fettreserven nicht mehr ausreichen, um ohne Rastpunkt weiterzufliegen.

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