Datenverbindung und Flugmodi

Das Modul Allgemeine UAS-Kunde 3 beleuchtet die Datenverbindung und geht auf verschiedene Flugmodi ein. Es werden dementsprechend folgende Themenbereiche besprochen:

  • Funkwellenausbreitung
  • Datenverbindung
  • Steuerungsmodi
  • Flugmodi

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Funkwellenausbreitung

Bei der Funkkommunikation werden Informationen anhand von elektromagnetischen Funkwellen über die Luft übertragen. Dieses Prinzip wird bei den meisten alltäglichen drahtlosen Kommunikationen verwendet, wie beispielsweise Radio, Mobiltelefonen, Fernsehen oder WIFI- und auch UAS-Steuersignale.

Die Funkwelle kann man sich wie eine tatsächliche Wellenbewegung vorstellen. Die Wellenlänge ist dabei die Stecke in Ausbreitungsrichtung, nach der sich eine vollständige Schwingung (mit positivem und negativem Ausschlag) wiederholt.

Die Amplitude ist die maximale Auslenkung der Schwingung vom Nullpunkt aus gesehen.

Die Frequenz schließlich beschreibt die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. Die Angaben der Frequenz erfolgen in der Einheit Hertz (Hz), was genau einer Schwingung pro Sekunde entspricht. In der Funktechnik sind sehr hohe Frequenzen üblich, eine Standard-WIFI-Frequenz ist zum Beispiel 2,4 GHz, was 2.400.000.000 Schwingungen oder Wellen pro Sekunde entspricht. Diese hohe Frequenz ist erforderlich, um die große Anzahl von Informationen weitergeben zu können.

Die Beziehung zwischen der Frequenz und der Wellenlänge ist umgekehrt proportional. Je höher die Frequenz, desto kleiner die Wellenlänge und je niedriger die Frequenz, desto größer die Wellenlänge.

Damit der Empfänger einer Welle Informationen aus dieser lesen kann, müssen der Welle auf eine bekannte Art Informationen aufgeprägt sein. Dies geschieht durch das Verändern von Welleneigenschaften, der so genannten Modulation. Die meist verwendeten Modulationsarten sind Frequenz- und Amplitudenmodulation. Bei der Frequenzmodulation wird die Frequenz geringfügig verändert, bei der Amplitudenmodulation die Amplitude.

Funkwellen breiten sich ab einer Frequenz von etwa 30 MHz als so genannte „direkte Wellen“ (auch quasioptische Wellen genannt) aus. Das bedeutet, dass sie sich geradlinig von Sender ausbreiten und weder von der Erdkrümmung gebeugt noch von Atmosphärenschichten reflektiert werden.

Der größte Störfaktor dieser Funkwellen sind Hindernisse, welche die Funkwelle unterbrechen und einen Empfang hinter den Hindernissen dementsprechend unmöglich machen. Achten Sie also immer darauf, dass zwischen Sender und Empfänger, also der Fernsteuerung und dem UAS, stetig eine direkte Sichtverbindung besteht.

Datenverbindung (data link)

Die Funkkommunikationssignale, die zur Steuerung des UAS und zur Live-Rückmeldung von der Nutzlast (also beispielsweise einer Kamera) gesendet werden, verwenden üblicherweise eine WIFI-Frequenz von 2,4 GHz und 5,8 GHz.

Meist werden die Signale mit einer Kombination aus Amplituden- und Frequenzmodulation gesendet. Die Verwendung von Wi-Fi in unbemannten Luftfahrzeugen hat klare Vorteile. Jedoch arbeitet Wi-Fi im hochfrequenten UHF-Bereich (Ultra High Frequency), wodurch die Reichweite auf etwa 600 Meter begrenzt ist. Einige UAS verwenden alternativ die niedrigeren Frequenzen von 433 MHz und 868 MHz. Der Vorteil dieser Frequenzen ist, dass die eine höhere Reichweite haben, jedoch können hier weniger Informationen übertragen werden. Außerdem braucht man für niedrigere Frequenzen größere Antennen als für höhere Frequenzen.

Um zu vermeiden, dass Ihr UAS versehentlich auf den Controller einer anderen Person reagiert, werden Sender und Empfänger mit Hilfe eines Identifizierungscodes, des so genannten RFID Codes (Radio Frequency IDentification) gekoppelt. Bei der Sendung eines Signals wird diesem ein RFID-Präfix hinzugefügt. Durch die Kopplung mit diesem Präfix kann das Funksignal eindeutig identifiziert werden.

Steuerungsmodi

So wie jedes Auto sind auch unbemannte Luftfahrzeuge in ihrer Steuerung standardisiert worden, sodass Fernpilot*innen ein neues UAS ebenso steuern können wie das vorherige. Die Steuerung erfolgt dabei über zwei Joysticks, die in unterschiedlichen Modi betrieben werden können.

Modus 1 und 2 sind die bei weitem gebräuchlichsten, wobei Modus 2 dem Industriestandard für kommerzielle UAS-Betreiber entspricht und Modus 1 gelegentlich von Hobbyfernpilot*innen genutzt wird. Das Wechseln zwischen Modus 1 und Modus 2 ist anspruchsvoll und sollte nur von erfahrenen Fernpilot*innen ausgeführt werden. Daher ist es ratsam, sich auf einen Modus zu konzentrieren, vorzugsweise auf den Modus 2, da dieser den Werkseinstellungen vieler UAS entspricht. Die außerdem noch möglichen Modi 3 und 4 werden in dieser UAS-Klasse kaum verwendet.

Das UAS kann über die folgenden vier Kanäle gesteuert werden:

  • Gas / Drehzahl auf allen Rotoren: lässt das UAS steigen oder sinken
  • Gieren: lässt das UAS im oder gegen den Uhrzeigersinn drehen
  • Rollen: kippt das UAS nach rechts oder links, wodurch der Seitwärtsflug eingeleitet wird
  • Nicken: kippt das UAS nach vorne oder hinten, wodurch ein Vorwärts- bzw. Rückwärtsflug eingeleitet wird

Flugmodi

Es gibt vier Hauptflugmodi, in welchen das unbemannte Luftfahrzeug geflogen werden kann:

Im manuellen Flugmodus hält sich das UAS gerade und richtungsstabil. Die Position wird jedoch einerseits vom Wind beeinflusst, welcher eine Drift verursacht, und andererseits von der Schwerkraft, die sie nach unten zieht. Die manuelle Steuerung in alle Richtungen zu beherrschen, auch bei starken Winden, ist wichtig und sollte regelmäßig geübt werden. Wenn Sensoren ausfallen, die im stabilisierten oder vorprogrammierten Modus benötigt werden, ist dieses Können gefordert, um den Flug sicher beenden zu können.

Der stabilisierte Flugmodus beinhaltet zwei verschiedene Modi: den Höhenmodus (Altitude- oder Atti-Modus) und den GNSS-Modus.

Im Höhenmodus behält das UAS seine aktuelle Höhe bei, sofern der Fernpilot / die Fernpilotin nichts anderes anweist. Aufgrund des Windes driftet es ab, sodass die Position nicht exakt beigehalten werden kann.

Der GNSS (GPS)-Modus ist hingegen ein vollständig stabilisierter Modus; das UAS hält dabei seine Position und Höhe, sofern nichts anderes angewiesen wird. Gehalten werden kann die Position durch das automatische Überwachen der GNSS-Position. Es ist zu beachten, dass dieser Modus nur funktioniert, wenn ausreichend viele Navigationssatelliten verfügbar sind und diese auch nicht durch Hindernisse abgeschirmt werden. In diesem Fall kann nur der Höhenmodus genutzt werden.

Im vorprogrammierten Modus fliegt das UAS vorgegebene Wegpunkte oder Koordinaten ab. Dieser Modus wird beispielsweise für eine topografische Vermessung verwendet. Dabei muss das UAS Bilder an genau vordefinierten Positionen aufnehmen, damit sich diese mit einem festen Prozentsatz überlappen. Eine solche Positionsgenauigkeit kann üblicherweise nicht händisch erflogen werden. Ein weiteres Beispiel wäre der Flug in einem optimalen Kreis um einen Turm herum, während die Kamera auf den Turm gerichtet bleibt.

Im automatischen Flugmodus wird ein vorprogrammierter Flug durch einen automatischen Start und eine automatische Landung ergänzt. In diesem Flugmodus muss der Fernpilot / die Fernpilotin das UAS nur im Flug überwachen. Damit dies rechtlich zulässig ist, muss der Fernpilot / die Fernpilotin jederzeit eingreifen können, indem die Kontrolle übernommen oder das RTH Manöver eingeleitet wird.

Ein vollkommen autonomer Modus würde bedeuten, dass der Fernpilot / die Fernpilotin nicht eingreifen kann, sondern das UAS vielmehr autonom fliegt und Entscheidungen trifft. Dies ist derzeit nicht zulässig; Fernpilot*innen müssen jederzeit eingreifen können.

Übungsaufgaben

Nach dem Durcharbeiten eines vollständigen Moduls können Sie ihr Wissen mit Hilfe von Übungsaufgaben testen. Mit einem Klick auf die unten stehende Schaltfläche werden Sie auf die Übungsseite weitergeleitet. Die Übungsaufgaben können ohne Beschränkungen wiederholt werden.

Übungsaufgaben

Zusammenfassung – Shortcut

Zusammenfassung Modul 4 – UAS-Kunde

Weiterlesen & Referenzen

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