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Warum ist ein inertiales Navigationssystem (INS) wichtig für die Vermessung und Kartierung mit unbemannten Luftfahrzeugen (UAV)?

Anwendungshinweise 23. Februar 2016

Was ist ein unbemanntes Luftfahrzeug?

In den letzten Jahren wurden vermehrt Flugzeuge eingesetzt, die keinen bemannten Piloten an Bord haben. Diese unbemannten Luftfahrzeuge (UAV) sind auch allgemein als Drohnen, unbemannte Flugzeugsysteme (UAS) oder ferngesteuerte Flugzeugsysteme (RPAS) bekannt. Für die Zwecke der folgenden Beschreibungen werden diese Begriffe synonym verwendet. Drohnen aller Formen und Größen werden seit vielen Jahren im Militär eingesetzt. Vorteile, die durch immer effizientere und anpassungsfähigere Herstellungsverfahren (wie z. B. 3D-Druck) und die Miniaturisierung elektronischer Komponenten entstehen, haben den Einsatz von UAVs in zivilen Kontexten seither wesentlich rentabler gemacht. Der Zugang zu dieser Technologie ist jetzt so gestaltet, dass es für den allgemeinen Verbraucher einfach ist, ein UAV zu kaufen, das Fliegen zu üben und Kameras und andere Sensoren anzubringen, um Bilder von der Umgebung zu machen.

Anforderungen an die UAV-Navigation

Ein UAV kann eine feste, ein- oder mehrrotorige Flugplattform sein, die von einem menschlichen Bediener am Boden ferngesteuert wird. Derzeit muss das UAV für den zivilen Einsatz in vielen Fluggebieten der Welt innerhalb des freien Sichtfelds (VLOS) des Betreibers geflogen werden. Solche Vorschriften entwickeln sich noch immer weiter, und es gibt jetzt eine zunehmende Anzahl von Situationen, in denen ein Betrieb über die Standortlinie hinaus (BLOS) erlaubt ist. Wenn es um professionelle und hochwertige UAVs für den Endverbraucher geht, werden die meisten UAV-Plattformen ein globales Positionierungssystem (GPS) verwenden. Viele werden auch mindestens eine niedriggradige inertiale Messeinheit (IMU ) innerhalb ihres Fluglotsen für die Flugnavigation und -steuerung einbauen.

GPS ist oft der Oberbegriff für Technologien des globalen Satellitennavigationssystems (GNSS), die zur Berechnung einer Position auf der Erdoberfläche anhand von Zeitinformationen verwendet werden, die von einem Netzwerk von GNSS-Satelliten empfangen werden, die die Erde ständig umkreisen. Zu den Satellitenkonstellationen, auf die die GNSS-Systeme zugreifen, könnten das ursprüngliche US-geführte GPS-Projekt (Global Positioning System), die russische GLONASS-Konstellation oder eine der anderen in Entwicklung befindlichen Konstellationen wie das europäische GALILEO-Projekt oder das chinesische BeiDou-Projekt gehören. Mit dem Zugang zur GNSS-Technologie ist die Fähigkeit, die Position des UAVs automatisch zu berechnen und zu lokalisieren, in Übereinstimmung mit einem realen Koordinatensystem.

Eine IMU besteht aus einer Baugruppe von Gyroskopen und Beschleunigungsmessern. Auf einer UAV-Plattform werden diese IMU-Komponenten zunehmend in mikro-elektromechanischer (MEMS) Technologie hergestellt. Es ist die IMU, die Daten zur linearen Beschleunigung des UAVs auf drei Achsen zusammen mit Messungen zur Rotation des UAVs in Bezug auf Rollen, Neigung und Gier liefern wird.

Der Fluglotse des UAV wird die Daten des GPS verwenden, um die Koordinaten des Ortes zu bestimmen, an dem sich das UAV zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet. Die Daten der IMU sagen dem Fluglotsen, ob das UAV waagerecht steht, ob es sich dreht und im Wesentlichen, wie stabil es während des Fluges ist. Wenn der Fluglotse sowohl inertiale als auch GPS-Informationen verwendet, kann die notwendige Rückmeldung sowohl an das UAV als auch an den Bediener für einen sicheren Betrieb in VLOS- und BLOS-Betriebsszenarien gegeben werden.

Herausforderungen der Luftbildkartierung

Seit Mitte des 19. Jahrhunderts werden an Flugzeugen angebrachte Kameras für Überwachungs- oder Kartierungszwecke eingesetzt. Wenn Bilder von Luftbildkameras verwendet werden, um mit Hilfe der Photogrammetrie die Topographie oder die Bodenbedeckung zu kartieren oder Hangneigungen oder Minenvolumetrie zu berechnen, ist es notwendig, nicht nur die Spezifikationen (internes Modell) der verwendeten Kamera oder des Sensors zu verstehen, sondern auch Folgendes:

  • Wie sich die äußere Orientierung des Bildsensors ändert (d.h. wie sich der Sensor relativ zum Boden bewegt).
  • Die Auswirkung von Verzerrungen, die die dreidimensionale Bodengeometrie von Natur aus auf die Messungen und Entfernungen bei der Kartierungsausgabe hat, wenn sie von oben abgebildet wird.

Die Navigationssysteme des Flugzeugs liefern Informationen über die Streckenführung und den Teil der Erde, den das Flugzeug überfliegt. Für die Erstellung und Aktualisierung der Kartierung mussten die Position und die Ausleuchtzone der Fotografien der Kamera über bekannte Koordinaten von Merkmalen in der Landschaft (Bodenkontrollpunkte - GCPs), die auf den Fotos zu sehen sind, verankert werden. Wellen in der Topographie des Bodens können durch die Anwendung von Aerotriangulationsgleichungen berücksichtigt werden, indem man sowohl Fotos zusammenbindet als auch Merkmale im Bild mit den x-, y- und z-Koordinaten der GCPs assoziiert. Dies ist jedoch ein sowohl manuell intensiver als auch kostspieliger Prozess, bei dem die Qualität des Ergebnisses von Faktoren wie der Anzahl der verwendeten GCPs und den Mustern, in denen die GCPs angelegt sind, abhängt.

Diese Methode der Georeferenzierung auf die Koordinaten bekannter GCPs wurde hauptsächlich zur Vermessungskontrolle von UAV-Luftaufnahmen verwendet. Da UAV-Plattformen zunehmend auf immer größere Märkte ausgerichtet sind, wurden die Berechnungssysteme und damit die Kosten reduziert, um günstigere Preispunkte für die Plattformen selbst zu schaffen. Methoden zur weiteren Verfeinerung der GPS-Messungen auf der UAV-Plattform, wie z. B. der Empfang von atmosphärischen und zeitlichen Korrekturen von einer lokalen Basisstation entweder über eine Echtzeit-Funkverbindung (kinematisches Echtzeit-GPS) oder über einen nachbearbeiteten differentiellen GPS-Workflow, sind heute alltäglich. Dennoch steht dies der Verwendung von GCPs nicht entgegen, und es kann leicht übersehen werden, wie viel Zeit für die Einrichtung einer Vermessungskontrolle oder die Durchführung der erforderlichen Aerotriangulationsverfahren erforderlich ist.

Direkte Georeferenzierung

Direkte Georeferenzierung

Viele der in der Luftbildfotografie auftretenden Verzerrungen können auf Veränderungen der äußeren Orientierung zurückgeführt werden, die darauf zurückzuführen sind, dass sich die Plattformen in der Luft selten völlig stabil und eben bewegen. Die Plattform selbst wird sich um die Ecken neigen, die atmosphärischen Bedingungen werden sie zum Neigen und Gieren bringen. Selbst wenn die Kamera an einem selbstnivellierenden Kardanring befestigt ist, kann es im Extremfall vorkommen, dass eine Kamera nicht immer senkrecht zur Bodenoberfläche ausgerichtet ist. Außerdem ist die Erde nicht flach. Wellenbewegungen am Boden unter dem Flugzeug (Hügel, Berge, Täler, Gebäude) sowie Höhenunterschiede der Flugplattform führen zu perspektivischen Veränderungen im aufgenommenen Bild und damit zu Verzerrungen in den gemessenen Entfernungen.

Um zuverlässige Kartierungsprodukte aus Luftbildern abzuleiten, werden Karten aus überlappenden stereofotografischen Paaren digitalisiert oder Orthofotografien verarbeitet. Das Ziel dieser beiden Techniken ist es, die Auswirkungen von Wellenbewegungen in der Landschaft im Wesentlichen zu normalisieren, um ein Kartierungsprodukt zu erzeugen, bei dem die Entfernungen stimmen. Für eine moderne automatisierte Kartierung ist es nicht nur notwendig, Daten über die Koordinaten des Aufnahmeortes zu sammeln, sondern auch das Kameramodell zu verstehen, zusammen mit Daten, die sich auf die gesamte Bewegungsbahn der Kamera und ihre Orientierungsparameter zum Zeitpunkt der Aufnahme des Fotos beziehen.

Die Orientierungsinformationen werden von einer IMU abgeleitet, genauer gesagt von einem Rechenmodul, das sowohl die Standortdaten des GPS-Systems (an Bord und von der lokalisierten Basisstation) als auch die Orientierungsinformationen der IMU statistisch verarbeitet, um eine bestmögliche Gesamtbewertung der Kamerabahn vorzunehmen. Dieses Rechenmodul ermöglicht die Herstellung zuverlässiger Kartierungsprodukte, während sich die Luftplattform bewegt, und diese Systeme werden als inertiale Navigationssysteme (INS) bezeichnet. Seit Ende der 90er Jahre werden kartographische INS-Systeme in großem Umfang auf bemannten Flugplattformen eingesetzt. Bei vielen der luftgestützten Kartierungssensoren, die auf bemannten Plattformen eingesetzt werden, ist die IMU-Komponente des INS nun auf dem Sensor selbst integriert.

Die direkte Georeferenzierung ermöglicht nicht nur die effiziente Erfassung von Luftbildern, sondern gilt auch für alle anderen Arten von Kartierungssensoren, wie z. B. LiDAR-Systeme (Light Detection and Ranging) und andere bildgebende Sensoren (z .B. solche, die in Hyperspektralbändern messen).

Luftbildfotografie und andere Bildsensoren

UAVs werden in der Regel mit preiswerteren Kameras geflogen als bei bemannten Fotoaufnahmen, oft sind diese Kameras ursprünglich nicht für den Einsatz in der Luft konzipiert. Dementsprechend ist es selten, dass diese Kameras bereits hochentwickelte INS-Systeme für den Einsatz auf dem UAV enthalten. Das bedeutet, dass es umso wichtiger ist, die Integration eines INS in eine UAV-Plattform zu erwägen, um die Effizienz und Qualität eines Kartierungsprojekts zu verbessern. Im Idealfall wird das INS so nahe wie möglich am Kartierungssensor montiert, um die beste Schätzung seiner Position und der Ausrichtung des Kartierungssensors während der gesamten Mission zu erhalten. Auf bemannten Flugplattformen kann sich das INS-System aufgrund der Größe des Flugzeugs noch in einiger Entfernung von der Kamerahalterung befinden. Dann muss ein relativer Abstand, Winkel und Ausrichtung zwischen dem INS-Gehäuse und dem Kamerarahmen berechnet werden, was den so genannten Hebelarm-Vektor liefert.

Aufgrund der reduzierten Gesamtgröße sind die Abstände zwischen dem Gehäuse des INS und der Mitte des Kamerarahmens auf einem UAV wahrscheinlich viel kleiner als auf einer bemannten Plattform. Häufig wird der Kartierungssensor direkt auf oder unter dem INS montiert; dennoch wird die Berechnung des Hebelarm-Vektors die direkten georeferenzierten Ergebnisse weiter verbessern.

Festmontiert oder kardanisch?

Wenn sich die Kamera auf einer festen Montierung befindet, wird die vom INS gemessene Bewegung des UAV-Körpers direkt in eine Bewegung in der räumlichen Position der Kamera umgesetzt. Wenn die Kamera nicht in einem konventionellen Nadir montiert ist (d. h. direkt unter dem UAV fokussiert), sondern in einem schrägen Winkel, dann berücksichtigt die korrekte Berechnung des Hebelarmvektors zum INS den Winkel, in dem sich die Kamerahalterung befindet, und ermöglicht eine direkte Georeferenzierung des Bildes.

Häufig werden an UAVs kardanische Halterungen verwendet, um den Montagewinkel der Kamera zum Boden unabhängig von der Bewegung in der UAV-Plattform zu stabilisieren. Theoretisch bedeutet dies, dass das UAV zwar rollen, neigen oder gieren kann, die Kamera jedoch auf gleicher Höhe mit dem Boden bleiben sollte. Die kardanische Aufhängung berücksichtigt nicht die dynamischen Höhenänderungen oder gleichen Bewegungen auf der UAV-Plattform. Das wird sich auch auf die Position der Kamera im Raum auswirken. Eine kardanische Aufhängung negiert auch nicht die Anforderung an die INS, während der gesamten Umfrage eine bestmögliche Gesamtschätzung der Position zu berechnen. Dementsprechend liefert die Verwendung eines INS auch dann, wenn die Kamera auf einer kardanischen Aufhängung montiert ist, immer noch das beste direkt georeferenzierte Ergebnis des Kartierungsprojekts.

Lidar-Sensoren

Lidar-Systeme bringen viele Vorteile für einige Arten von Kartierungsprojekten, wie z. B. solche, die sich mit Forstwirtschaft und Bergbau befassen. Im Gegensatz zu Kamerasensoren, die Daten normalerweise passiv über die Bildrahmen hinweg erfassen, sind Lidar-Systeme aktive Systeme. Ein Lidar sammelt Daten, indem es einzelne Lichtimpulse aussendet und die Zeit berechnet, die dieser Lichtimpuls benötigt, um zum Lidarsensor zurückzukehren. Viele Tausende von Lichtimpulsen pro Sekunde werden über einen Streifen, die so genannte Scanlinie, ausgesendet. Da die Lichtgeschwindigkeit bekannt ist, kann die Entfernung jedes Impulses zu seinem Ziel (z. B. dem Boden) berechnet werden. Die Berechnung einer x-, y- und z-Koordinatenposition des Ziels erfordert auch, dass die genaue Position und Orientierung des Flugzeugs bekannt ist und jedem dieser Impulse dynamisch zugeordnet wird. Daher ist die direkte Georeferenzierung von auf UAVs montierten Lidaren unter Verwendung eines hochwertigen INS-Systems unerlässlich. Wie bei anderen Kartierungssensoren wie Luftbildkameras werden die besten Ergebnisse erzielt, wenn das INS und das Lidarsystem zusammen auf dem UAV montiert sind und Hebelarme berechnet werden, die den Montagewinkel des Lidars berücksichtigen.

Warum inertiale Navigationssysteme für UAV-basierte Kartierungsoperationen unerlässlich sind

Sie sind zwar kleiner, können mit geringeren Anfangskapitalkosten implementiert werden und werden in der Regel über kleinere Gebiete betrieben als bemannte Systeme, aber UAV-basierte Kartierungsoperationen müssen auch noch effizient arbeiten, um die Vorteile einer kostengünstigeren Plattform besser nutzen zu können. In der Regel wird ein UAV-basiertes Kartierungsprojekt zu einem niedrigeren Preis als ein bemannter Einsatz bereitgestellt. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen UAV-Betreiber die Kosten für die Zeit, die vor Ort für die Durchführung von Vermessungsarbeiten aufgewendet wird, berücksichtigen. Traditionelle Georeferenzierungsaufgaben unter Verwendung von GCPs sind bekanntermaßen manuell sehr intensiv. Unabhängig vom verwendeten Sensor bietet die direkte Georeferenzierung mit einem INS, ähnlich wie bei der bemannten Luftvermessung, eine Möglichkeit zur genauen Erfassung von Kartendaten von einem UAV und ist für den Einsatz moderner Sensoren wie LiDAR unerlässlich.

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