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Im Rahmen meiner Teilzeitanstellung in der Glaziologie der ETH Zürich zwischen 2012 und 2018 hatte ich die einmalige Chance, an einem UAV-Projekt mitzuarbeiten. Zusammen mit meinem damaligen Arbeitskollegen Guillaume Jouvet entwickelten wir ein UAV-System, das für sehr grossen Flugdistanzen von bis zu 180 km ausgelegt ist.
Der Expedition 2017 mit dem Bau und der Anwendung der Langdistanz-UAV ging eine mehrjährige, sehr intensive Arbeit voraus. Während zwei Expeditionen 2015 und 2016 mussten wir uns zuerst das gesamte Rüstzeug erarbeiten. Dass dies nicht immer einfach war, ist in der SRF-Reportage Expedition in die bedrohte Arktis von 2015 dokumentiert. Guillaume Jouvet hat zudem über den ersten Einsatz unseres UAV-Eigenbaus 2016 einen schönen Kurzfilm gedreht. Eine ausführliche Präsentation gibt einen zusätzlichen Gesamteindruck des Projektes.
Grundsätzlich arbeitet das Messsystem von MovingSensors mit der
Lokalisierung der Sensoren über GPS-Daten. In verschiedenen Situationen kann
aber keine zuverlässige Positionierung über das GPS-Signal garantiert werden.
Zum Beispiel bei grossen Gebäudefronten, wie die der Werfthallen des Flughafen
Zürich, liefert es zu wenig genaue und zuverlässige GPS-Daten.
Es musste eine alternative, respektive ergänzende, Methode zur
bisherigen Positionierung mit GPS entwickelt werden – ohne aber die
Erfassungsgeschwindigkeit von rund 2m/s des Messfahrzeuges zu beeinflussen.
Für die grossen und offenen Flächen des Flughafen Zürichs wurde ein
kombiniertes Verfahren GPS-Tachymetrie entwickelt. Zusätzlich zum GPS-Empfänger
wird direkt unterhalb der GPS-Antenne ein 360-Grad Reflektor montiert. Mit
dieser Konstellation kann die Referenzposition des Systems entweder mit GPS
oder mit Tachymetrie oder mit beidem erfasst werden.
Um die Messungen weiterhin mit 2m/s durchführen zu können, wurde die
Möglichkeit der Roboter-Tachymetrie, respektive der automatischen
Zielverfolgung von Leica-Tachymetern getestet. Dabei durchfuhr das Messfahrzeug
einen Kurs auf einer Schleuderkurs-Anlage des TCS in Frick. Die Distanz
zwischen Tachymeter und Messfahrzeug betrug dabei zwischen 5 und 100m. Trotz
der verhältnismässig hohen Winkelgeschwindigkeit des Messfahrzeuges zum
Tachymeter konnte dieser den 360-Grad Reflektor zuverlässig verfolgen. Auch
kurze Abschattungen des Reflektors konnte der Tachymeter überbrücken.
Mit
diesem Test konnte das Messkonzept von MovingSensors soweit ergänzt werden,
dass auch in GPS-technisch schwierigen oder unmöglichen Situation Messungen
erfolgreich durchgeführt werden können.
Flughäfen müssen bei der Ausleuchtung von Flugzeugstandflächen die Richtlinien des Bundesamts für Zivilluftfahrt (BAZL) einhalten. Für die Nutzung dieser Standflächen muss regelmässig beim BAZL eine neue Bewilligung eingeholt werden. Am Flughafen Zürich wurde die dafür nötige Messung bislang manuell durchgeführt.
GeoIdee entwickelte im Verbund mit MovingSensors massgeschneiderte Messelektronik und -software zur gleichzeitigen Messung von Beleuchtungs- und Blendwerten. Mit einem ferngesteuerten Fahrzeug wurden die Ausleuchtungswerte in fünf Richtungen auf grossen Flächen innerhalb kurzer Zeit erfasst (1 ha/15 min). Die Rohdaten werden im Anschluss an die Messfahrt automatisch über eine Datenbank ausgewertet und grafisch sowie tabellarisch für die weiteren Arbeitsschritte aufbereitet.
Beschreibung
Der eigens für diese Anwendung entwickelte Messkopf misst in Kombination mit einem real-time-kinematischem GPS (RTK-GPS) und einer Frequenz von 10 Hz simultan das einfallende Licht von fünf Seiten (vorne, hinten, rechts, links und nach oben in Fahrrichtung des Fahrzeuges).
Die Daten des nach oben blickenden Sensors werden für die Ausleuchtung der Gesamtfläche verwendet. Die seitlich blickenden Sensoren werden für die Bewertung der möglichen Blendung der Piloten verwendet.
Zudem wird mit zwei Kameras, welche nach vorne und nach oben blicken, die Situation erfasst. So können nachträglich detaillierte Beurteilungen von Hindernissen oder Artefakten durchgeführt werden.
Mit dem Fahrzeug und dem auf 2 m Höhe montierten Messkopf wird der vorgegebene Messraster von 5 x 5 m mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 2 m/s abgefahren. Dies entspricht einer Messung alle 20 cm in den fünf Richtungen sowie zwei Kontrollbildern in zwei Richtungen. Mit der gegebenen Geschwindigkeit und Rasterweite kann in rund 15 Minuten eine Fläche von einem Hektar erfasst werden.
Die Daten werden im Messkopf und in einer Datenbank auf einem Laptop gespeichert, wo sie im geografischen Raum dargestellt werden und der Navigation des Fahrers dienen. Die Darstellung der Messwerte erlaubt zusätzlich auch eine direkte Kontrolle der Daten während der Messfahrt.
Die erfassten Rohdaten werden im Anschluss an die Messfahrt automatisch über die Datenbank ausgewertet und grafisch sowie tabellarisch für die weiteren Arbeitsschritte zu Verfügung gestellt.
Mitte Februar 2018 nutzte das Team von MovingSensors das stabile und
trockene Wetter, um die Lichtmenge und -verteilung weitere Flugzeug-Standplätze
am Flughafen Zürich-Kloten zu messen.
Diesmal musste neben der üblichen Messkonfiguration – Messsensor auf dem
Autodach und kontinuierliche Befahrung der grossflächigen Flugzeug-Standflächen
– auch die Lichtmenge des REGA-Helipads ausgemessen werden. Statt der üblichen
Rasterweite der einzelnen Messpunkte von 5m war hier ein Raster von 2.5m gefragt.
Die kleine Rasterweite und die engen Platzverhältnisse forderten eine
kreative, wendige Lösung für die Montage des Messsensors. Der Schritt von vier
zu zwei Rädern lag nahe… Also konstruierten wir eigens eine Vorrichtung, um
den Sensor auf einem Veloanhänger in 2m Höhe zu montieren. Um die Messungen
möglichst effizient durchzuführen, wurden die einzelnen Messpunkte dann direkt mit
dem Velo angefahren.
Zur
Navigation nutzten wir wie üblich die Messkonfiguration QGIS als
Navigationssoftware. Das verwendete Tablet wurde mit einer Halterung am
Velolenker montiert – so konnte der Operateur die geforderten Messpunkte genau
anfahren.
Was eignet sich besser für einen Praxistest eines Indoor-Navigationssystems als eine Tunnelbaustelle? Sie bietet eine staubige, dunkle und oftmals wenig übersichtliche Situation, in der sich neben der eigentlichen Applikation des Indoor-Navigationssystems auch dessen Praxistauglichkeit sofort testen lässt. Und mit dem ausgedehnten 3D-Passpunktnetz der Vermessung steht auch eine optimale Testumgebung für die Genauigkeit des Systems zur Verfügung.
Die ständig zirkulierenden Lastwagen und Mannschaftswagen führten immer
wieder zu Abdeckungen der Positionssender. Damit wurde auch die Stabilität der
gemessenen Position getestet: Mit dem verwendeten System und der zusätzlich
programmierten Applikationen konnten in der Lage eine Genauigkeit von unter
20cm erreicht werden. Die Höhengenauigkeit war zwar wesentlich schlechter, doch
das war auf die nicht optimale vertikale Verteilung der Sender zurückzuführen.
Fazit:
Grundsätzlich ein erfolgreicher Test, der für weitere Entwicklungsschritte
motiviert!