Umgebungen ohne GNSS: wie eine Drohne weiß, wo sie ist, wenn die Satelliten verschwinden

Im Freien nutzt eine Drohne GNSS (GPS, QZSS, Galileo und andere), um ihre Position auf Dezimeter oder Meter genau zu kennen und im Wind die Position zu halten. Wenn Beton oder Stahl den Himmel verdeckt, sind weniger Satelliten sichtbar, und an Wänden reflektierte Signale (Mehrwegeeffekt) lassen die Position springen. In Innenräumen und unter Tage kommt das Signal schlicht nie an.

Statt GNSS beobachtet das Fluggerät seine Umgebung mit Bordsensoren und integriert seine eigene Bewegung. Die beiden Hauptansätze sind visuell-inertiale Odometrie (VIO), die Kameras mit einer inertialen Messeinheit (IMU) kombiniert, und LiDAR-SLAM, das die Form der Umgebung per Laserentfernungsmessung erfasst. SLAM schätzt die Position und baut gleichzeitig eine Karte auf; beim Wiedererkennen eines Ortes kann es den aufgelaufenen Fehler korrigieren (Loop Closure).

Fehlendes GNSS steckt im Kern der Inspektion: unter Brücken, in Tunneln, in Kontrollgängen und Auslassbauwerken von Talsperren, in Kanalisationen, Versorgungstunneln, im Inneren von Schornsteinen und Kesseln, Lagertanks, Ballasttanks von Schiffen und Strecken in Bergwerken. Je gefährlicher ein Ort für Menschen ist, desto weniger Himmel hat er in der Regel.

• Empfang vor dem Einstieg vorhersagen: prüfen Sie auf Zeichnungen, wie viel Himmel sichtbar ist, und teilen Sie den Flugplan in GNSS-abhängige und GNSS-freie Abschnitte.
• Positionierung zur Aufgabe passend wählen: visuell positionierte, selbst ausweichende Fluggeräte unter Brücken; LiDAR-SLAM plus Beleuchtung in dunklen Innenräumen; Marker oder UWB für wiederholte feste Routen.
• Manuelle Fähigkeiten erhalten: schulen Sie Piloten darin, im Attitude-Modus (ohne Positionshaltung) sicher herauszufliegen, wenn die automatische Positionierung ausfällt.
• Verbindungsabbruch einplanen: auch der Funk hat unter Tage und in Metallkästen Schwierigkeiten. Legen Sie Relais, Kabel und das Verhalten des Fluggeräts bei Verbindungsabbruch (Schweben oder Rückweg) im Voraus fest.
• Positionierungsmethode dokumentieren: ein per GNSS georeferenziertes Bild und ein per SLAM positioniertes tragen unterschiedliche Genauigkeit. Halten Sie das für diejenigen fest, die später vergleichen.

In vielen Ländern fallen Flüge in Innenräumen und unter Tage nicht unter die Luftfahrtregeln oder werden anders behandelt; in Japan liegen Innenraumflüge außerhalb der Luftfahrt-Flugregeln, und Räume, die klar vom Außenbereich getrennt sind, gelten auch mit offenen Zugängen als Innenraum (zum Beispiel das Innere von Tunneln oder Unterführungen). Das heißt nicht, dass alles erlaubt ist. Kanalisationen und Tanks bergen Gefahren durch Sauerstoffmangel und toxische Gase, die dem Arbeitsschutzrecht unterliegen, und Anlagen haben eine Einteilung in explosionsgefährdete Bereiche. Prüfen Sie das Luftfahrtverfahren und das Sicherheitsverfahren vor Ort getrennt.

Verwandt: Sauerstoffmangel & toxische Gase, explosionsgefährdete Bereiche, enge Räume, Vorschriften weltweit.

• Wasser, Spiegel und Glas: Kameras und LiDAR schätzen Entfernungen durch Reflexion und Transmission falsch ein.
• Dichter Staub, Dampf und Rauch: Kameras erblinden und LiDAR streut; radarbasierte Navigation ist ein aktives Forschungsfeld.
• Lange strukturlose Rohre: geometrische Degeneration. Autonome Hin- und Rückflüge durch Kilometer von Abwasserkanälen bleiben weitgehend im Forschungsstadium.
• Garantierte Genauigkeit: der SLAM-Fehler wächst mit der Entfernung, und die Branche hat keine gemeinsame Art, „genau auf N cm“ für Inspektionsaufzeichnungen anzugeben.

Jedes Bauwerk hat eine „Inspektionskarte“. Beim Einflug gleicht eine Drohne ihre Sensoren mit dieser Karte ab und weiß, wo sie ist; sie kehrt auf Zentimeter genau zu den Standpunkten vom letzten Mal zurück und nimmt aus denselben Winkeln auf. Die Satellitensicht bestimmt den Inspektionsplan nicht mehr; unter Brücken und in Rohren werden zu Routinestrecken wie unter freiem Himmel. Das ist der Ausblick der Redaktion.