Wie weiß eine Drohne, wo sie ist?

Was Sie lernen werden

• Erklären können, wie GNSS funktioniert: Aus der Laufzeit eines Satellitensignals ergibt sich eine Entfernung, und mehrere Satelliten legen die Position fest.
• Erklären können, was Barometer, Kompass und optischer Fluss messen und in welchen Situationen sie leicht falsch liegen.
• Erklären können, warum man sich draußen und drinnen auf unterschiedliche Sensoren verlässt, und für eine Situation die passenden Sensoren auswählen können.
• Störungen oder Ausfall von GNSS (Mehrwegeausbreitung, Jamming, Spoofing, magnetische Störung) bemerken und auch ohne funktionierende Positionshaltung auf der sicheren Seite fliegen können.

Wie die Position bestimmt wird (GNSS)

Eine Drohne „schätzt“ ihre Position

Eine Drohne hat keine Augen wie ein Mensch, die auf die Landschaft schauen und merken „Ich bin in der Nähe vom Bahnhof“, und keine Hände, um eine Karte aufzuklappen. Sie hat nur die Zahlen einiger Sensoren.

Deshalb berechnet die Drohne ihre Position aus den Sensorwerten. Sie misst, rechnet und schätzt „Wahrscheinlich bin ich hier“. Das nennt man Schätzung der Position.

Die aktuelle Position aus aufaddierten Schritten und Richtungen zu bestimmen, nennt man Koppelnavigation. Die Drohne addiert die Bewegungen ihrer IMU (eines Inertialsensors aus Beschleunigungsmessern und Gyroskopen) auf. Weil sich die Fehler aufsummieren, korrigiert sie ihre Position immer wieder mit Hinweisen von außen, etwa mit Satellitensignalen. Dieser Kreislauf aus „schätzen und korrigieren“ ist die Grundlage der Navigation.

Die Position aus Satellitensignalen bestimmen

GNSS ist der Sammelbegriff für Systeme, die die Position mit Satellitensignalen messen, zum Beispiel GPS (USA) oder Michibiki (Japan). Jeder Satellit sendet seine Bahndaten und den Zeitpunkt, zu dem er das Signal abgeschickt hat, Richtung Erde.

Die Satelliten wissen nicht, wo die Drohne ist. Der Empfänger misst aus der Differenz zum Ankunftszeitpunkt die Laufzeit Δt des Signals und berechnet daraus die Entfernung. GPS-Satelliten kreisen zum Beispiel in etwa 20 000 km Höhe, und das Signal eines Satelliten direkt über dir kommt nach etwa 0.07 Sekunden an (die Bahnhöhe ist je nach Satellitentyp verschieden). Es geht also um sehr kurze Zeiten.

Mit einer Entfernung weißt du nur, dass du irgendwo auf einem Kreis (im Raum auf einer Kugel) bist. Die Abbildung zeigt ein ebenes Beispiel: Mit zwei Kreisen bleiben zwei Schnittpunkte, erst der dritte legt einen Punkt fest. Das ist Trilateration. Im Raum gibt es vier Unbekannte, nämlich Ost-West, Nord-Süd und Höhe plus den Uhrenfehler des Empfängers, deshalb braucht man mindestens vier Satelliten.

Wenn GNSS gestört ist

GNSS ist leistungsfähig, aber nicht immer genau. Die Entfernung ergibt sich aus der „Laufzeit des Signals“, deshalb wird alles, was den Weg des Signals stört, direkt zum Positionsfehler.

Die Hauptursachen sind die Signalverzögerung in der Atmosphäre, winzige Fehler in Uhren und Bahnen der Satelliten sowie Reflexionen an Gebäuden und anderen Objekten. Stehen die Satelliten zudem ungünstig am Himmel, wirken sich diese Fehler stark auf die Position aus. Selbst unter weit offenem Himmel bleibt bei einem gewöhnlichen Empfänger eine Abweichung von einigen Metern, die je nach Bedingungen schwankt.

• Mehrwegeausbreitung und Abschattung: Ein an einer Wand reflektiertes Signal wird um den Umweg länger gemessen, und die Position verschiebt sich. Wenn du von hohen Gebäuden umgeben bist, sind außerdem weniger Satelliten sichtbar.
• Jamming: Störung, die die schwachen Satellitensignale mit starkem Funkrauschen übertönt. Es „kommt keine Position mehr“.
• Spoofing: Störung, die dem Empfänger mit gefälschten Satellitensignalen eine falsche Position oder Zeit vorgaukelt. Es „kommt eine Position“, sie ist aber falsch, deshalb bemerkt man es manchmal schwer.

Übungen in diesem Teil (in der Lektion zu lösen)

• Wie GNSS eine Position bestimmt
• Wie viele Meter ist 1 Mikrosekunde Uhrenfehler?
• Finde, wo der Himmel eng wird

Hinweise außer GNSS

Hinweise auf Höhe, Ausrichtung und Bewegung

Unter offenem Himmel liefert GNSS deine Position, doch die Höhe ist meist ungenauer als die horizontale Position. Außerdem bestimmt ein gewöhnliches GNSS (mit nur einer Antenne) die Ausrichtung aus der Bewegungsrichtung und kann sie im Stillstand nicht liefern. Andere Sensoren gleichen diese Schwächen aus.

• GNSS: kennt aus der Laufzeit der Satellitensignale die absolute Position. Schwach in der Nähe von Gebäuden, drinnen und bei Störungen.
• Barometer: kennt aus dem Luftdruck Höhenänderungen. Reagiert empfindlich auf kleine Auf- und Abbewegungen, aber Wetteränderungen und die Luftströmung um die Drohne verschieben die Werte.
• Kompass: kennt aus der Richtung des Erdmagnetfelds, wohin die Nase zeigt. In der Nähe von Eisen, elektrischen Strömen oder Magneten ist das Magnetfeld gestört, und die Ausrichtung weicht ab. Das nennt man magnetische Störung.
• Optischer Fluss: Eine nach unten gerichtete Kamera sieht, wie weit sich das Bodenmuster im Bild verschoben hat, und bestimmt daraus die Geschwindigkeit. Funktioniert ohne GNSS, hat aber Mühe über Flächen mit wenig Muster und im Dunkeln.
• IMU: kennt aus Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit die Bewegung über kurze Zeit. Schnell und unabhängig von außen, aber der Fehler summiert sich mit der Zeit auf.

Worauf man sich drinnen verlässt

Drinnen schwächen Wände und Dach die Satellitensignale, deshalb ist GNSS oft nicht nutzbar. In Gebäuden mit viel Stahl wird auch der Kompass leicht gestört. Je nach Situation ändern sich die Hinweise, auf die du dich verlassen kannst.

• Weites Freigelände: GNSS, Barometer, Kompass und IMU sind nutzbar. Achte auf Anzeichen von Jamming oder Spoofing.
• Zwischen Hochhäusern: GNSS wird durch Reflexion und Abschattung gestört. Stütz dich auf Barometer und IMU und verlass dich nicht allein auf GNSS.
• Lagerhalle drinnen: Verlass dich auf optischen Fluss, einen nach unten gerichteten Abstandssensor und die IMU. GNSS funktioniert nicht, und der Stahlbau stört leicht auch den Kompass.
• Über Wasser: GNSS, Barometer und IMU sind nutzbar. Eine Wasseroberfläche hat wenig Muster, deshalb funktioniert optischer Fluss schlecht.

Ein nach unten gerichteter Abstandssensor misst die Höhe über dem Boden direkt, mit Schall oder Licht. Zusammen mit optischem Fluss kennst du so sowohl die Bewegung über dem Boden als auch die Höhe. Auch drinnen kann das Barometer kleine Höhenänderungen messen, doch Klimaanlagen und Ähnliches können den Luftdruck verschieben.

Entscheidend ist, sich nicht auf einen einzigen Hinweis zu verlassen. Kombiniere Stärken und Schwächen, sodass ein anderer einspringt, wenn einer gestört ist. Manche Systeme bringen auch vorab Markierungen im Gebäude an und nutzen sie als Positionshinweise.

Übungen in diesem Teil (in der Lektion zu lösen)

• Sensoren und ihre Schwachstellen
• Wenn der Kompasswert instabil ist
• Worauf kannst du dich in einer Lagerhalle verlassen?

Positionshaltung und ihr Verlust

Positionshaltung und Lagemodus

Positionshaltung ist die Regelung, die die Drohne beim Loslassen der Sticks an Ort und Stelle hält, indem sie laufend ihre eigene Position misst. Sie sieht, wie weit sich die gemessene Position verschoben hat, und schiebt die Drohne ständig ein Stück zurück. Deshalb bleibt die Drohne im GPS-Modus (dem Modus, der die Position per GNSS hält) sofort stehen, wenn du loslässt.

Fällt GNSS aus, fehlen die Positionshinweise von GNSS. Sind auch optischer Fluss und Ähnliches nicht nutzbar (etwa in großer Höhe oder über musterlosem Boden), kann die Drohne in den Lagemodus wechseln (je nach Modell). Dann regelt sie horizontal nur noch über die Neigung, hat beim Loslassen keinen Bezug zum Anhalten und treibt mit dem Wind ab.

Probier es aus: Diese Szene können Sie in der Lektion selbst ausprobieren.

Übungen in diesem Teil (in der Lektion zu lösen)

• Eine im Lagemodus abtreibende Drohne halten
• GPS verloren – ruhig bleiben und landen

Zusammenfassung

• Die Position ergibt sich, indem man aus der Laufzeit der Satellitensignale Entfernungen bestimmt, als Punkt, an dem sich die Entfernungen zu mehreren Satelliten überlagern (mit dem Uhrenfehler des Empfängers mindestens vier Satelliten).
• Hinweise aus Luftdruck, Magnetfeld und Bildern haben jeweils Stärken und Schwächen. Der Luftdruck verrät Höhenänderungen, der Kompass die Ausrichtung und der optische Fluss die Bewegung.
• Drinnen ist GNSS oft nicht nutzbar, also verlässt man sich auf Hinweise vom Boden wie den optischen Fluss. Nicht auf einen einzigen verlassen, sondern kombinieren.
• GNSS wird durch Reflexionen, Jamming und Spoofing gestört. Bemerkst du Zeichen wie eine plötzlich springende Position, mach nicht mit Gewalt weiter, sondern entscheide dich zu landen.
• Geht GPS verloren und die Drohne wechselt in den Lagemodus, bleibt sie beim Loslassen der Sticks nicht stehen, sondern treibt mit dem Wind ab. Halte entgegen der Drift und lande ruhig.

In Lv2 drückst du die Genauigkeit mit DOP und RTK in Zahlen aus, rechnest mit Koordinatensystemen, Entfernungen und Peilungen und prüfst einen Wegpunkt-Flugplan mit dem Linter.

Begriffe in dieser Lektion

GNSS

Sammelbegriff für Systeme, die die eigene Position mit Signalen von Satelliten bestimmen, etwa GPS (USA) oder Michibiki (Japan). Steht für Global Navigation Satellite System (globales Navigationssatellitensystem).

Trilateration

Verfahren, eine Position zu bestimmen, wenn die Entfernungen zu drei oder mehr Bezugspunkten bekannt sind: Die Position ist der Punkt, an dem sich die Kreise (Kugeln) mit diesen Entfernungen als Radius schneiden.

Koppelnavigation

Verfahren, die aktuelle Position zu ermitteln, indem man Richtungen und Strecken ab einem Startpunkt aufaddiert. Messfehler summieren sich dabei nach und nach auf.

barometrische Höhe

Aus dem vom Barometer gemessenen Luftdruck umgerechnete Höhe. Sie erfasst Höhenänderungen gut, ihr Bezug verschiebt sich aber, wenn sich der Luftdruck mit dem Wetter ändert.

Kompass

Sensor, der die Richtung des Erdmagnetfelds misst und daraus bestimmt, wohin die Drohne zeigt (ihren Steuerkurs).

optischer Fluss

Verfahren, aus der Verschiebung des Bodenmusters im Kamerabild zu bestimmen, wie schnell sich die Drohne bewegt.

Mehrwegeausbreitung

Ein Satellitensignal wird an einem Gebäude oder Ähnlichem reflektiert und kommt auf einem Umweg an. Die gemessene Entfernung wird länger, und die Position verschiebt sich.

Jamming

Störung durch starkes Funkrauschen, sodass die schwachen Satellitensignale nicht mehr empfangen werden können.

Spoofing

Störung durch gefälschte Satellitensignale, die dem Empfänger eine falsche Position oder Zeit vorgaukeln.

magnetische Störung

Das Magnetfeld von Eisen, elektrischen Strömen oder Magneten verfälscht die Kompassmessung. Kalibriere deshalb fern von Eisen.

Positionshaltung

Regelung, die die Drohne beim Loslassen der Sticks an Ort und Stelle hält, indem sie laufend ihre eigene Position misst.

Lagemodus

Modus, der keine GNSS-Positionshinweise nutzt und horizontal nur die Neigung der Drohne regelt (die Höhe halten viele Modelle weiterhin mit dem Barometer o. Ä.). Lässt du los, treibt der Wind die Drohne ab.

Selbst ausprobieren

Diese Seite ist der Text der Lektion. Die Übungen und Simulatoren laufen in der Lektion selbst.

Zu den Übungen von „Wie weiß eine Drohne, wo sie ist?“

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