Control of Towing Kites for Seagoing Vessels

In this paper we present the basic features of the flight control of the SkySails towing kite system. After introduction of coordinate definitions and basic system dynamics we introduce a novel model used for controller design and justify its main dynamics with results from system identification based on numerous sea trials. We then present the controller design which we successfully use for operational flights for several years. Finally we explain the generation of dynamical flight patterns.Comment: 12 pages, 18 figures; submitted to IEEE Trans. on Control Systems Technology; revision: Fig. 15 corrected, minor text change

Sensors and Navigation Algorithms for Flight Control of Tethered Kites

We present the sensor setup and the basic navigation algorithm used for the flight control of the SkySails towing kite system. Starting with brief summaries on system setup and equations of motion of the tethered kite system, we subsequently give an overview of the sensor setup, present the navigation task and discuss challenges which have to be mastered. In the second part we introduce in detail the inertial navigation algorithm which has been used for operational flights for years. The functional capability of this algorithm is illustrated by experimental flight data. Finally we suggest a modification of the algorithms as further development step in order to overcome certain limitations.Comment: 6 pages, 9 figures, submitted to European Control Conference (ECC) 201

The predictability of monetary policy.

Current best practice in central banking views a high level of monetary policy predictability as desirable. A clear distinction, however, has to be made between short-term and longer-term predictability. While short-term predictability can be narrowly defined as the ability of the public to anticipate monetary policy decisions correctly over short horizons, the broader, ultimately more meaningful concept of longerterm predictability also encompasses the ability of the private sector to understand the monetary policy framework of a central bank, i.e. its objectives and systematic behaviour in reacting to different circumstances and contingencies. In this broader sense, longer-term predictability is also closely related to the credibility of the central bank. This paper reviews the main conceptual issues relating to predictability, both in its short and longer-term dimensions, and discusses how a transparent monetary policy strategy can be – and indeed has been – instrumental in achieving this purpose. This latter aspect is investigated in an overview of the empirical literature, highlighting how financial markets have been increasingly able to correctly anticipate monetary policy decisions for a number of large central banks, including the ECB. The paper also reviews several possible empirical proxies for the less-explored concept of longer-term predictability, which is inherently more diffi cult to measure. JEL Classification: E52, E58, E61.Predictability, central bank transparency, central bank communication.

Integrated watershed modeling in Central Brazil: Toward robust process-based predictions

Over the last decades, fast growing population along with urban and agricultural sprawl has drastically increased the pressure on water resources of the Federal District (DF), Brazil. Various socio-environmental problems, such as soil erosion, non-point source pollution, reservoir silting, and conflicts among water users evoked the need for more efficient and sustainable ways to use land and water. Due to the complexity of processes relevant at the scale of river basins, a prior analysis of impacts of certain land use and/or land management changes is only feasible by means of modeling. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) has been proven to be useful in this context, across the globe and for different environmental conditions. In this thesis, the SWAT model is utilized to evaluate the impact of Best Management Practices (BMPs) on catchment hydrology and sediment transport. However, model applications in tropical regions, such as the DF, are hampered by severe challenges, (i) the lack of input and control data in an adequate temporal and spatial resolution and (ii) model structural failures in representing processes under tropical conditions. The present (cumulative) thesis addresses these challenges in model simulations for two contrasting watersheds, which both are important sources of the DF’s drinking water supply, i.e. (i) the agriculture-dominated Pipiripau river basin where conflicting demands put immense pressure on the available water resources and (ii) the Santa Maria / Torto river basin, which is to large parts protected as national park and, thus, covered by native vegetation of the Cerrado biome. Perhaps one of the most challenging issues facing watershed modelers in tropical regions is the fact that rain gauge networks can usually not reflect the high spatio-temporal variability of mostly convective precipitation patterns. Therefore, an ensemble of different reasonable input precipitation data-sets was used to examine the uncertainty in parameterization and model output. Acceptable streamflow and sediment load predictions could be achieved for each input data-set. However, the best-fit parameter values varied widely across the ensemble. Due to its enhanced consideration of parameter uncertainty, this ensemble approach provides more robust predictions and hence is reasonable to be used also for scenario simulations. BMP scenarios for the Pipiripau River Basin revealed that erosion control constructions, such as terraces and small retention basins along roads (Barraginhas) are promising measures to reduce sediment loads (up to 40%) while maintaining streamflow. Tests for a multi-diverse crop rotation system, in contrast, showed a high vulnerability of the hydrologic system against any increase in irrigation. Considering the BMP implementation costs, it was possible to estimate cost-abatement curves, which can provide useful information for watershed managers, especially when BMPs are supported by Payments for Environmental Services as it is the case in the study area due to the program Produtor de Água. While for agricultural areas the model has proven to generate plausible results, the plant growth module of SWAT was found to be not suitable for simulating perennial tropical vegetation, such as Cerrado (savanna) or forest, which can also play a crucial role in river basin management. For temperate regions SWAT uses dormancy to terminate growing seasons of trees and perennials. However, there is no mechanism considered to reflect seasonality in the tropics, i.e. the phenological change between wet and dry season. Therefore, a soil moisture based approach was implemented into the plant growth module to trigger new growing cycles in the transition period from dry to wet season. The adapted model was successfully tested against LAI and ET time series derived from remote sensing products (MODIS). Since the proposed changes are process-based but also allow flexible model settings, the modified plant growth module can be seen as a fundamental improvement useful for future model application in the tropics. The present thesis shows insights into the workflow of a watershed model application in the semi-humid tropics – from input data processing and model setup over source code adaptation, model calibration and uncertainty analysis to its use for running scenarios. It depicts region-specific challenges but also provides practical solutions. Hence, this work might be seen as one further step toward robust and process-based model predictions to assist land and water resources management.Starkes Bevölkerungswachstum, ungeplante Suburbanisierung und Landnutzungsänderungen (z.B. Intensivierung in der Landwirtschaft) verstärkten innerhalb der letzten Jahrzehnte zunehmend den Druck auf die Wasserressourcen des Bundesdistrikts Brasilien (zentralbrasilianisches Hochland), in dessen Mitte die junge Hauptstadt Brasília liegt. Damit verbundene negative Umweltauswirkungen, wie Bodenerosion, Stoff- und Sedimenteinträge in Fließgewässer und Talsperren sowie Konflikte zwischen den Wassernutzern erfordern daher dringend effektive und nachhaltige Lösungen im Land- und Wasserressourcen-management. Der Einfluss von möglichen zukünftigen Landnutzungs- und Bewirtschaftungsänderungen auf Wasserverfügbarkeit und -qualität hängt vom jeweiligen, oftmals sehr komplexen, landschaftsökologischen Prozessgefüge ab und kann nur mithilfe von prozessbasierten Simulationsmodellen quantitativ auf der Ebene von Einzugsgebieten abgeschätzt werden. Das “Soil and Water Assessment Tool” (SWAT) ist ein solches Modell. Es findet weltweite Anwendung für verschiedene Umweltbedingungen in Einzugsgebieten der Meso- bis Makroskala, um Landnutzungseffekte auf den Wasserhaushalt und den Transport von Nährstoffen, Pestiziden und Sedimenten zu prognostizieren. Seine Anwendung in tropischen Regionen, wie etwa in Zentralbrasilien, ist jedoch mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Das betrifft sowohl die Verfügbarkeit von Eingangs- und Referenzdaten in ausreichender raum-zeitlicher Auflösung, als auch modellstrukturelle Unzulänglichkeiten bei der Prozessabbildung. Die vorliegende kumulative Dissertation zeigt dies anhand von Modellanwendungen für zwei unterschiedliche wasserwirtschaftlich relevante Einzugsgebiete (EZG): Das landwirtschaftlich intensiv genutzte EZG des Rio Pipiripau mit aktuell besonders konfliktträchtiger Wassernutzung, und das Santa Maria/Torto-EZG, welches - geschützt als Nationalpark - durch größtenteils natürliche Vegetationsformationen der brasilianischen Savanne (Cerrado) gekennzeichnet ist. Eine der größten Herausforderungen für die Einzugsgebietsmodellierung in tropischen Regionen liegt in der Abschätzung des Gebietsniederschlages, da vorhandene Messstationsdichten oft nicht ausreichen, um die hohe räumliche und zeitliche Variabilität der meist konvektiven Niederschläge zu erfassen. Mithilfe eines Ensembles verschiedener, plausibel generierter Niederschlagsreihen ist der Einfluss von Niederschlagsdaten-Unsicherheit auf die Modellparametrisierung und -vorhersage explizit berücksichtigt und untersucht worden. Zufriedenstellende Abfluss- und Sedimentfrachtsimulationen waren mit jeder der als Modelinput verwendeten Niederschlagsreihen möglich, jedoch nur bei entsprechender, z.T. stark voneinander abweichender Einstellung der Kalibrierungsparameter. Da diese umfassendere Betrachtung von Parameterunsicherheit zu robusteren Modellvorhersagen führt, wurde der Ensemble-Ansatz auch in der Simulation von Bewirtschaftungsszenarien, dem eigentlichen Modellzweck, verwendet. Die Szenariosimulationen zeigten, dass Maßnahmen zur Erosionsvermeidung (Terrassierung) und zum Sedimentrückhalt (kleine Sedimentrückhaltebecken entlang von Straßen - Barraginhas) die Sedimentfracht des Rio Pipiripau durchschnittlich um bis zu 40% reduzieren können, ohne dabei die Wasserverfügbarkeit zu beeinträchtigen. Modellszenarien mit einer vielgliedrigen Fruchtfolge auf großer Fläche verdeutlichten dagegen die hohe Vulnerabilität des Niedrigwasserabflusses in der Trockenzeit gegenüber jedweder Erhöhung der Bewässerungsmenge. Auf Grundlage von Kostenschätzungen für einzelne Maßnahmen konnten Kostenkurven zur Verringerung der Sedimentfracht und damit nützliche Informationen für das Wasserressourcen-Management abgeleitet werden, insbesondere weil eine Auswahl solcher Agrar-Umweltmaßnahmen im Pipiripau-EZG durch das Programm Produtor de Água finanziell gefördert werden sollen. Während das Modell in landwirtschaftlich genutzten Gebieten plausible Ergebnisse produzierte, wurden erhebliche Schwachstellen in der Simulation ausdauernder Vegetation (z.B. Cerrado) identifiziert. Zur Unterbrechung jährlicher Vegetationszyklen verwendet SWAT eine tageslängenabhängige Dormanzperiode. Diese ist zwar zweckmäßig zur Abbildung der Vegetationsdynamik in den gemäßigten Breiten, steuert aber nicht tropische Vegetationszyklen. Um den Wechsel zwischen Trocken- und Regenzeit in der pflanzenphänologischen Simulation in SWAT abzubilden, wurde daher im Rahmen dieser Arbeit das Pflanzenwachstumsmodul modifiziert, und zwar unter anderem durch Einbeziehung der simulierten Bodenfeuchte zur Unterbrechung der Wachstumszyklen. Das angepasste Modul wurde erfolgreich anhand von Fernerkundungsdaten (MODIS) zum zeitlichen Verlauf von Blattflächenindex und Evapotranspiration getestet. Es ist prozessbasiert und erlaubt flexible Einstellungen, so dass es als grundlegende Modellverbesserung auch für andere SWAT-Anwender von großem Nutzen sein kann. Die vorliegende Dissertation bringt neue Einsichten in verschiedene wichtige Aspekte der integrierten Modellierung tropischer Einzugsgebiete, von der Eingangsdatenaufbereitung über Quellcode-Anpassung, Modellkalibrierung und Unsicherheitsanalyse bis hin zu Szenariosimulationen. Sie veranschaulicht regionsspezifische Herausforderungen, liefert gleichzeitig aber auch praktikable Lösungen und damit einen wichtigen Beitrag für robustere prozessbasierte Modellanwendungen als Entscheidungsunterstützung im Bereich Land- und Wasserressourcenmanagement

Ermittlung von derzeitigen und absehbaren Vermarktungsproblemen entlang der Wertschöpfungskette differenziert nach Produktgruppen (Probleme hinsichtlich z.B. Mengen, Preise, Qualitäten, Logistik etc.) Teilbereich: Produktgruppe Rindfleisch

Die Studie zur Ermittlung von derzeitigen und absehbaren Vermarktungsproblemen im Markt für ökologisch erzeugtes Rindfleisch wurde mit der Forschungsmethode einer „mehrstufigen Befragung nach dem Delphi-Prinzip“ bearbeitet. Den Befragungen war eine umfassende Analyse der Veröffentlichungen über den Markt für ökologisch erzeugtes Rindfleisch vorausgegangen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Branche sich in einem strukturellen Engpass befindet. Das individualistische Agieren zahlreicher kleiner Akteure stößt im größer werdenden Markt und angesichts zunehmender Komplexität an Grenzen. Es gibt Ansätze von verstärkter Kooperation, die auch mit Erfolg am Markt belohnt werden. Die Darstellung der Probleme im Ergebnisteil hat gezeigt, dass viele Probleme wie uneinheitliche Verbraucheransprache und fehlende Qualifikationen durch die Struktur des Ökomarktes allgemein entstanden sind. Andere Probleme wie Marktrisiken und Richtlinien liegen außerhalb des Einflussbereichs der Marktteilnehmer. Als ein zentrales Ergebnis, das sich wie ein roter Faden durch die Studie zieht, ist der Mangel an Kommunikation innerhalb der Branche und damit verbunden eine genereller Informationsmangel. Die vorgeschlagene Lösung, die als Schlüssel für einige angesprochene Schwierigkeiten gelten kann, ist der horizontale und vertikale Zusammenschluss von Partnern mit ähnlichen Interessen. Ein weiteres zentrales Problem könnte mit dem Begriff „Rechtsunsicherheit“ umrissen werden. Die Marktteilnehmer fühlen sich angesichts der Mängel der so genannten „EU-Öko-Verordnung“ (abweichende Produktions- und Kontrollstandards innerhalb benachbarter Märkte) stark verunsichert. Die Schwächen des bestehenden Kontrollsystems, das als zu schwerfällig, als zu ineffizient, als zu uneinheitlich innerhalb Europas aber auch innerhalb Deutschlands betrachtet wird, verstärken diese Unsicherheit

Applying generic landscape-scale models of natural pest control to real data: Associations between crops, pests and biocontrol agents make the difference

Managing agricultural land to maximize the supply of natural pest control can help reduce pesticide use. Tools that are able to represent the relationship between landscape structure, field management and natural pest control can help in deciding which management practices should be used and where. However, the reliability and the predictive power of generic models of natural pest control is largely unknown. We applied an existing generic model of natural pest control potential based on landscape structure to nine sites in five European countries and tested the resulting values against field measurements of natural pest control. Subsequently, we added information on local level factors to test the possibility of improving model performance and predictive power. The results showed that there is generally little or no evidence of correlation between modeled and field-measured values of natural pest control. Moreover, we found high variability in the results, depending on the associations of crops, pests and biocontrol agents considered (e.g. Oilseed rape-Pollen beetle-Parasitoids) and on the different case studies. Factors at the local level, such as conservation tillage, had an overall positive effect on natural pest control, and their inclusion in the models typically increased their predictive power. Our results underline the importance of developing predictive models of natural pest control which are tailored towards specific associations between crops, pests and biocontrol agents, consider local level factors and are trained using field measurements. They would serve as important tools within farmers' decision making, ultimately supporting the shift toward a low-pesticide agriculture

Influence of temperature and UVR on photosynthesis and morphology of four species of cyanobacteria

During the late austral spring of 2009 we carried out experiments (4 days of duration) with four cyanobacteria species, Anabaena sp., Nostoc sp., Arthrospira platensis and Microcystis sp., to assess the combined effects of temperature and solar radiation on photosynthesis performance and morphology. Two experimental temperatures (18°C and 23°C, simulating a 5°C increase under a scenario of climate change) and three radiation treatments (by using different filters/materials) were implemented: (i) P (PAR, 400-700 nm), (ii) PA (PAR + UV-A, 320-700 nm) and, (iii) PAB (PAR + UV-A + UV-B, 280-700 nm). In general, samples under the P treatment had less decrease/higher recovery rates of effective photochemical quantum yield (Y) than those receiving UV-A or UV-A + UV-B. The effects of increased temperature were species-specific: At the end of the experiments, it was seen that increased temperature benefited photosynthetic performance of Anabaena sp. and Nostoc sp. but not of Microcystis sp. and A. platensis. Higher temperature was also associated to an increase in the chain area of Anabaena sp., and to bigger trichomes in A. platensis; however, no morphological effects were observed in Microcystis sp. In addition, in Nostoc sp. the increase in temperature counteracted the UVR impact on the reduction of the chain area. How these effects and mechanisms will affect the trophodynamics and production of aquatic ecosystems is still uncertain, but the specificity of the responses suggests that not all cyanobacteria would be equally benefited by temperature increases therefore affecting the balance and interaction among species in the water column.Fil: Fiorda Giordanino, María Valeria. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Fundación Playa Unión. Estación de Fotobiología Playa Unión; ArgentinaFil: Strauch, Sebastian Michael. Fundación Playa Unión. Estación de Fotobiología Playa Unión; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Villafañe, Virginia Estela. Fundación Playa Unión. Estación de Fotobiología Playa Unión; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Helbling, Eduardo Walter. Fundación Playa Unión. Estación de Fotobiología Playa Unión; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Controlled-NOT logic gate for phase qubits based on conditional spectroscopy

A controlled-NOT logic gate based on conditional spectroscopy has been demonstrated recently for a pair of superconducting flux qubits [Plantenberg et al., Nature 447, 836 (2007)]. Here we study the fidelity of this type of gate applied to a phase qubit coupled to a resonator (or a pair of capacitively coupled phase qubits). Our results show that an intrinsic fidelity of more than 99% is achievable in 45ns.Comment: 5 pages, 5 figures, To appear in Quantum Inf. Pro