Weltraumwetter, GPS und Flyaway

 Weltraumwetter, GPS und Flyaway

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GPS Satellit. Quelle: Wikipedia

Der Einsatz von Single- und Dual-Frequenz Satellitennavigationssystemen, wie das Global Positioning System (GPS), hat in den letzten zehn Jahren enorm zugenommen. GPS-Empfänger sind jetzt in fast jedem Handy und in vielen PKWs, LKWs und allen Geräten zu finden, die eine präzise Positionsbestimmung zur Funktion benötigen. Hochpräzise Dual-Frequenz-GPS-Systeme werden in der Landwirtschaft, am Bau, Erkundung, Vermessung, Schneeräumen und vielen anderen Anwendungen verwendet. Andere Satellitennavigationssysteme in der Erd-Umlaufbahn sind zum Beispiel das europäische Galileo-System und das russische GLONASS-System.

Dual-GPS

Dual-Betrieb von GPS-Empfängern

Speziell bei der Verwendung in Multikoptern/ zivilen Drohnen, ist ein GPS-Modul häufig Bestandteil der FlightControl/ des AutoPiloten und ist technische Voraussetzung für zahleiche Flugzustände wie z.B. Position Hold (automatisches, exaktes Schweben des Kopters auf der Stelle). Nicht selten werden die GPS-gestützten Flugzustände permanent zugeschaltet was die Anforderungen an das fliegerische Können des Piloten auf ein Minimum reduziert. Einerseits super, denn so kann im Grunde jeder einen Multikopter fliegen ohne lange dafür üben zu müssen und teurer Bruch wird zunächst vermieden.

Im Umkehrschluss bedeutet das jedoch auch, dass der Ausfall eines GPS-Moduls oder eine Störung des Empfangs zwangsläufig Probleme nach sich ziehen kann. Es können heikle Situationen entstehen, die zum kompletten Kontrollverlust führen können und dann letztlich ein hohes Gefahrenpotential bieten. Um die Ursachen für GPS-Fehlfunktionen (Glitches genannt) zu verstehen, muss man sich ein wenig mit der Materie befassen:
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Auswirkungen des Weltraumwetters

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Refraktion. Quelle: Wikipedia common

Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie das Weltraumwetter Auswirkungen auf die GPS-Funktion hat. GPS Funksignale werden vom Satelliten zum Empfänger gesendet. Das Signal muss dabei durch die Ionosphäre der Erde. Das geladene Plasma der Ionosphäre bricht die Bahn des GPS-Funksignals, ähnlich wie eine Linse die Bahn eines Lichtstrahls. Zum Ausgleich kompensiert der GPS-Empfänger die Abweichung mittels vordefinierten, mathematischen Modellen. Einzelfrequenz-GPS-Systeme erreichen damit eine Genauigkeit von 1 m und weniger Abweichung. Zweifrequenz-Systeme können sogar mit Abweichungen von nur wenigen Zentimetern  aufwarten. Dies trifft jedoch nur zu, wenn eine ruhige „Weltraumwetterlage“ vorliegt! Je schlechter die Weltraumwetterlage, desto unpräziser wird die Positionsbestimmung. Sonnenwinde- und Eruptionen verursachen geomagnetische Stürme, die sich wiederum auf die Ionosphäre mit einem starken Anstieg der Elektronenzahl auswirken. Diese dynamische, nie gleich verlaufende Veränderung der Ionosphäre kann je nach Schweregrad vom GPS-Empfänger zeitweise nur schlecht oder gar nicht mehr moduliert werden. Einfrequenzsysteme sind hier stärker betroffen als Zweifrequenzsysteme. Teure Systeme verwenden ein Korrektursignal (kostenpflichtig) und sind daher auch bei schlechter Weltraumwetterlage zuverlässig, jedoch im zivilen Einsatz auf Grund der hohen Anschaffungs- und Betriebskosten selten anzutreffen.


Für den Multikopter-Piloten stellt sich daher nicht die Frage ob es mit diesem oder jenem Fabrikat des GPS-Moduls zu Problemen kommen kann sondern lediglich welche Präventionen möglich sind. Nicht zu vergessen, dass auch die Funktion der Kompass-Module (in der Regel sind GPS- und Kompass in einem Modul verbaut) auf elektromagnetische Veränderungen sehr sensibel reagieren. Dieser Sachverhalt wirkt sich in der Praxis schwerwiegender aus als ein paar Meter Abweichung in der Positionsbestimmung. Der Kompass liefert der Flightcontrol nämlich den Richtungsvektor!
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Ein Beispiel:

Ihr Kopter steht mit der Nase nach Norden, also Richtung 0 Grad. Sie steuern mit dem RC-Sender geradeaus – also in Richtung 0 Grad. Nun wird der Kompass plötzlich gestört, wofür es vielerlei Ursachen geben kann. Als Resultat der Störung liegt nun beispielsweise 0 Grad auf 90 Grad (Osten). Bei GPS-gestützten Flügen, aber manueller Richtungssteuerung über den RC-Sender, wird der Pilot das während des Fluges zunächst nicht bemerken, aber spätestens in der nächsten PosHold-Pase. Schaltet sich nun die Flightcontrol des Kopters in Folge eines GPS-Glitches in den Failsafe-Mode, oder hat der Pilot „RTH“ (Rückkehr zum Startpunkt) aktiviert, wird das Unheil seinen Lauf nehmen, denn die Flightcontrol wird mit allen Mitteln versuchen die per GPS getaggte Position (z.B. den Homepoint) zu erreichen aber entfernt sich in Folge des falschen Richtungsvectors (in unserem Beispiel um 90 Grad versetzt) schnell von der Ziel-Position. Als Folge wird die Flightcontrol nun „Gas geben“ um die Abweichung möglichst schnell zu kompensieren. Im Ergebnis sieht der Pilot den Kopter mit Vollgas wegfliegen – ein „Flyaway“.

Vorsichtsmaßnahmen und PrÄvention

Für sehr viele berufliche und private Vorhaben wird ganz selbstverständlich vorab die Wettervorhersage zu Rate gezogen, ob das Vorhaben auf Grund des Wetters sinnvoll ist oder ggf. welche Kleidung zum Einsatz kommt. Genauso selbstverständlich sollte der Kopter-Pilot das Weltraumwetter im Auge haben. Bei unruhigen oder stürmischen Bedingungen ist mit Problemen zu rechnen und sollte daher in die Flugplanung einfließen. Die nötigen Informationen können im Internet eingesehen werden und es stehen Apps für Smartphones kostenlos zur Verfügung:
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Geomagnetisches Feld, aktuell (Planetary K-Index)

Bei Grün (quiet) ist kaum mit GPS-Glitches zu rechnen, bei Gelb (unsetteld) ist damit zu rechnen und bei rot (Storm) sind GPS-Glitches sehr wahrscheinlich!

Solar X-rays:Geomagnetic Field: >

Status
Status

From n3kl.org (Live, Update alle 5 Minuten)

=>  Eine ausführlichere Grafik

=> WebSeite NOAA Weltraumwetter

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Sonnenwind trifft auf die Magnetosphäre der Erde. Quelle: ESA

Flyaways sind leider keine Einzelfälle und nicht generell durch das Weltraumwetter verursacht, bestenfalls begünstigt. Die Funktion des Kompass wird wesentlich häufiger durch elektromagnetische Felder in der unmittelbaren Umgebung oder am Kopter selbst beeinträchtigt. Lediglich der Auslöser des Flyaways ist dann ein GPS-Glitch bei gleichzeitig aktiven, GPS-gestützten Flug-Modi oder Failsafe. Die Failsafe-Strategie sollte daher gut überlegt werden, insbesondere wenn häufig Flüge in bebautem Gebiet, vorzugsweise in der Nähe von Bürogebäuden etc. durchgeführt werden. Hier kann weniger Failsafe und manueller Flug deutlich mehr Sicherheit bieten. Dies trifft auch zu, wenn die komplette Technik des Kopters auf kleinstem Raum verbaut ist, vorzugsweise in geschlossenen kleinen Frames. Je näher die stromführenden Bestandteile sowie Metall am Kompass-Modul angebracht sind, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit einer Kompass-Störung durch deren elektromagnetischen Felder. In solchen Fällen (praktisch 90% aller RTF-Kopter in der 30 – 50 cm Größe) sollte eine Kompass-Kalibrierung zu jedem Pre-Flight Prozedere gehören. Elektronische Kompass-Module erkennen während der Kalibrierung u.A. elektromagnetische (Stör-) Felder und blenden diese nach der Kalibrierung aus. Die Kompasskalibrierung ist jedoch hinsichtlich der erkannten Störfelder nur eine Momentaufnahme der elektromagnetischen Verhältnisse im/ am und um den Kopter herum.

Mit diesem Wissen lässt sich bestimmt der eine oder andere Fehler, z.B. Kompasskalibrierung in geschlossenen Räumen, vermeiden und bei Berücksichtigung der Zusammenhänge die Betriebssicherheit erhöhen.