GEONADZÓR » Jak sprawdzić GPS w dronie

W związku z pojawiającymi się informacjami, iż "sygnały GPS" mogą być zakłócane ze względu na wojnę na Ukrainie przedstawiam propozycję procedury przedstartowej, by sprawdzić, czy sygnał faktycznie jest fałszowany / zakłócany / zagłuszany. Procedura jest banalnie prosta, ale trzeba mieć świadomość podstaw działania systemu GPS i jego roli podczas lotów. UWAGA. Na dzień dzisiejszy należy zakładać, że rosyjski GLONASS nie działa, bądź działa wadliwie, choć mój geodezyjny odbiornik nie potwierdza zakłóceń.

Po pierwsze: podstawy: jak działa każdy odbiornik GPS?

"Odbiornik GPS" (a właściwie GNSS, czyli GPS+GLONASS+GALILEO+BEIDOU) jest urządzeniem, które odbiera wiadomości, zwane "depeszami" wysyłane przez będące w nieustannym ruchu satelity nawigacyjne.

Nadawanie/odbieranie depesz odbywa się w odstępach sekundowych. W największym skrócie - depesza zawiera informacje o nazwie satelity oraz jego pozycji w globalnym układzie współrzędnych w danej sekundzie. Odbiornik na podstawie analizy depeszy określa odległość (znowu to jest mocne uproszczenie) do danego satelity. Posiadanie współrzędnych i odległości do kilku satelit umożliwia matematyczne obliczenie pozycji odbiornika (geodezyjne przestrzenne wcięcie wstecz).

WAŻNE: Odbiornik ma podstawie informacji z depesz określa swoją pozycję w trzech wymiarach co sekundę, taką chwilową jedno-sekundową pozycję nazwijmy "pojedynczą pozycją". W minucie lotu będziemy mieć zatem 60 niezależnie obliczonych "pojedynczych pozycji", niezależnie od tego, czy dron jest w zawisie, czy w ruchu. Im więcej widocznych dla odbiornika satelit w danej sekundzie, tym lepsza "pojedyncza pozycja". Do zapamiętania: przy poprawnie działającym systemie dron pozycjonuje się co sekundę.

Jeśli system działałby idealnie, to każde kolejne obliczone "pojedyncze pozycje" dla nieruchomego odbiornika byłyby takie same, ale w wyniku różnych czynników (głównie wpływ jonosfery) sąsiednie pozycje, pomimo tego, że odbiornik się nie rusza, będą nieco różne. Może to spowodować mylne przekonanie, że skoro współrzędne się co sekundę zmieniają, to obiekt musi być w ruchu.

WAŻNE: Dokładność "pojedynczej pozycji" odbiorników GPS w dronach nie-geodezyjnych to około kilka-kilkanaście metrów. Ale różnica pomiędzy sąsiednimi "pojedynczymi pozycjami" w normalnie działającym systemie to nie kilka metrów, a co najwyżej kilkadziesiąt centymetrów.

Wniosek: dron w zawisie będzie się pozycjonował do ostatniej obliczonej pozycji, czyli tej obliczonej z poprzedniej sekundy. Jest to ważne, gdyż wiemy już, że absolutna dokładność sięga kilku metrów, a różnica pomiędzy sąsiednimi "pojedynczymi pozycjami" jest dużo mniejsza. Stąd widzimy jedynie delikatne ruchy drona w zawisie nawet przy bezwietrznej pogodzie - dron koryguje się do ostatniej "pojedynczej pozycji" pozyskanej z GPS a ruchy wynikają w błędów/różnic pomiędzy obliczeniami "pojedynczych pozycji" z sąsiednich sekund.

Na marginesie: system pozycjonowania w dronie jest dużo bardziej skomplikowany, gdyż bierze dane również z barometru, kompasu i IMU a komputer pokładowy koryguje swoją pozycję w wyniku kompilacji odczytów z tych sensorów i GPS, nie zaś jedynie z GPS.

WAŻNE : Jakość "pojedynczej pozycji" uzależniona jest od konstelacji satelit widocznych bezpośrednio przez drona! Satelity są w ciągłym ruchu, ich konstelacja zależy od pory dnia - nawet nie ruszając się z miejsca na ziemi konstelacja względem odbiornika się zmienia, gdyż to satelity są w ruchu. By dron mógł wykorzystać danego satelitę musi go widzieć bezpośrednio - wszelkie stałe przeszkody (np. budynki, drzewa) uniemożliwiają wykorzystanie satelity do określenia pozycji. Co za tym idzie: odcięcie połowy horyzontu, nawet przy dużej ilości satelit może spowodować błędne określenie pozycji! Pozycja "pozioma", czyli XY zawsze jest większej dokładności niż wysokość - Z, na co ma wpływ atmosfera, wszelkie satelity wiszące poniżej 10 stopni nad horyzontem powinny być systemowo odcięte.

Błędy w rozumieniu działania GPS w dronach

Często droniarze myślą, że coś jest nie tak z sygnałem GPS, a to po prostu efekt raptownego pogorszenia obliczenia własnej pozycji w wyniku wlotu w przestrzeń, gdzie kiepska konstelacja nie pozwala na określenie prawidłowej pozycji. Dron wlatuje z otwartej przestrzeni o dobrej konstelacji (dobra każda sąsiednia "pojedyncza pozycja") w rejon o kiepskiej konstelacji (pomiędzy budynki, które dodatkowo odbijają sygnały), gdzie sąsiednie "pojedyncze pozycje" będą mocno się różniły, pomimo tego, że dron będzie w zawisie. Komputer pokładowy w tym przypadku będzie miał sprzeczne informacje. Przykładowo: GPS będzie twierdził, że dron jest w ruchu (sąsiednie "pojedyncze pozycje" będą bardzo się różnić sugerując ruch), natomiast dane z IMU i barometru będą twierdzić, że dron jest w zawisie. Czyli dron dostanie choroby lokomocyjnej (tak jak podczas jazdy samochodem: oczy mówią, że ciało jest w ruchu, a bębenki będą twierdzić, że ciało jest nieruchome i mózg szaleje myśląc, że organizm jest zatruty). Dodać do tego wiatr i dron zwariuje i być może odetnie GPS, czyli przełączy się w tryb Atti. To z kolei wyeliminuje RTH, gdyż do przeprowadzenia powrotu do domu musi być sprawny GPS. Czyli dzwon o budynek.

Innym strachem jest wysoki indeks kP, czyli wpływ słońca na jonosferę, co może zniekształcać depesze. Wysoki indeks kP w moim odczuciu jest zbyt mocno demonizowany przez droniarzy. Aby skutecznie zakłócić pracę każdego z systemów nawigacyjnych indeks musi być naprawdę ogromny. W moim odczuciu indeks 4-5 jest bezpieczny, nigdy przy takich indeksach nie widziałem zakłóceń w działaniu GPS. Tak czy inaczej wygodnie jest mieć zainstalowaną apkę SpaceWeather.

Zagłuszanie i spoofing

"GPS" w dronie, tak jak każdy odbiornik GNSS, jedynie ODBIERA dane, nic nie wysyła. Tak więc fałszowanie lub zakłócanie sygnału będzie miało związek z ingerencją w depesze.

Zagłuszanie jest dość oczywiste - na częstotliwości depesz emituje się szum, tak, by depesza po prostu nie dotarła do odbiornika. W takiej sytuacji po prostu nie uzyskamy FIXa, gdyż nie będziemy widzieć dostatecznej liczby satelit, bądź będą one pojawiać się i znikać. Niektóre apki pozwalają podejrzeć konstelację widocznych satelit. Rozłożenie powinno być mniej więcej równomierne. Konstelacja samego systemu GPS (bez pozostałych) jest tak dobrana, że na każdym miejscu kuli ziemskiej, o każdej porze są widoczne co najmniej 4 satelity. Obecnie samych satelitów GPS jest 31, więc powinniśmy widzieć dużo więcej niż 4. Wniosek ogólny: brak FIX lub mało widocznych satelit przy dobrym horyzoncie nasuwa podejrzenie o zagłuszaniu.

Fałszowanie depesz ("spoofing") jest bardziej subtelne oraz trudne do wykonania i wymaga zaawansowanej wiedzy na temat działania każdego z systemów nawigacyjnych, częstotliwości, składu depesz, itp. oraz odpowiedniego sprzętu. W największym skrócie do odbiornika trafia depesza udająca depeszę nawigacyjną, ale z fałszywymi informacjami. Odbiornik myśli, że depesze są "zdrowe" i oblicza błędnie swoją pozycję w oparciu o fałszywe dane.

By zminimalizować ryzyko wczesnego wykrycia początkowo fałszywe depesze są tożsame o oryginalnymi, by stopniowo je podmieniać, a w końcu zdominować. W takim przypadku będziemy mieli do czynienia z fałszywym FIXem, czyli błędnie obliczoną pozycją i tego należy się bać bardziej niż zagłuszania.

Spoofing jest łatwo zweryfikować, gdy mamy materiał porównawczy - na przykład obliczoną przez odbiornik pozycję konfrontujemy z jej pozycją na mapie. W skrajnym przypadku nawigacja samochodowa wskaże, że jedziemy pół kilometra obok drogi, więc od razu zauważymy, że coś jest nie tak. Gdy zaś materiału porównawczego nie ma (samoloty, statki morskie nie mają punktów odniesień, tak jak my jadąc samochodem i porównując swoją fizyczną pozycję z jadącą ikoną na mapie) spoofing ciężko jest wykryć i dość łatwo w taki sposób zmienić kurs statku, który bazuje wyłącznie na nawigacji satelitarnej.

WSTĘPNA PROCEDURA SPRAWDZAJĄCA bez użycia drona:

Wstępna procedura może być przeprowadzona z użyciem telefonu, jest banalnie prosta i daje dość spore pojęcie o jakości określanej pozycji. GPS w komórce działa na identycznej zasadzie co w dronie, więc nie ma potrzeby angażowania drona, by wstępnie sprawdzić stan systemu GPS.

Kroki do wykonania:

ogólnie dobrać miejsce z maksymalnie odkrytym horyzontem, by wyeliminować wpływ złej konstelacji i odbijania sygnału od przeszkód
w dowolnej apce mapowej, np. google maps, odpalić podkład mapy satelitarnej
na mapie wybrać szczegół łatwo identyfikowalny oraz taki, który nie zmienił się w terenie - idealnym miejscem jest okrągły obiekt - na przykład rondo
stajemy na środku ronda o promieniu mniej więcej 5-10 metrów i trzymając telefon na wysokości głowy (nie zasłaniając ciałem połowy horyzontu) sprawdzamy swoją pozycję na mapie, odczekując kilkanaście sekund na umożliwienie odszukania wszystkich satelit
jeśli system GPS działa prawidłowo, po ustabilizowaniu się pozycji powinny równocześnie zaistnieć dwa warunki:
- nasza pozycja na mapie powinna być w środku obrysu ronda - jeśli fizycznie w terenie stoimy na środku ronda a na mapie jesteśmy na jego skraju, to błąd wyznaczenia naszej pozycji nie przekracza długości promienia ronda (zakładając, że mapa jest wykonana dość dokładnie), dlatego okrągłe obiekty są wdzięczne do tego typu testów
- po pierwotnym ustabilizowaniu (kilkanaście sekund) pozycja nie powinna się zmieniać w czasie (sąsiednie "pojedyncze pozycje" powinny być bardzo zbliżone, co wyeliminuje podejrzenia fałszowania).
zamiast ronda możemy użyć dowolnego innego elementu, który jest dobrze widoczny na mapie i nie zmienił się w terenie, na przykład narożnik chodnika

PROCEDURA STARTOWA:

przeprowadzić to samo co z telefonem przy użyciu drona w miejscu startu
ustawić drona w tryb GPS, po fixie poczekać jeszcze kilkanaście sekund, aż liczba satelit nie będzie przyrastać, co ustabilizuje obliczenia pozycji
podczas startu nie zmieniać pozycji, jednie wznieść się na kilkanaście metrów (ponad wysokości przeszkód), co poprawi dostęp do horyzontu, czyli poprawi konstelację/wyznaczanie sąsiednich "pojedynczych pozycji"
pozostawić dron w zawisie i odczekać kilkanaście sekund sprawdzając, czy pozycja drona na mapie jest stabilna i nie zmieniła się względem punktu startowego o więcej niż kilka metrów
odlecieć na jakiś dystans i uruchomić RTH (oczywiście prawidłowo skonfigurowane na powrót do miejsca startu) i obserwować, czy dron spozycjonuje się nad miejscem startu
jeśli wszystko poszło poprawnie to nie ma podstaw, by sądzić, że sygnał jest zły

Dlaczego zatem zostały wydane ostrzeżenia NOTAM dla statków powietrznych? Prawdopodobnie dlatego, że jak wspomniałem wcześniej, samolot na nie może sprawdzić poprawności działania systemu nawigacyjnego w oparciu o elementy naziemne, tak jak my to zrobiliśmy. Po prostu nie jest w stanie do czego się odnieść (bo dookoła nic nie ma), dodatkowo lecąc 800km/h. W związku z tym pilot nie jest w stanie zweryfikować poprawności wyznaczenia swojej pozycji w oparciu wyłącznie o GNSS. Podobna sytuacja dotyczy statków morskich, bądź mniejszych jednostek, które korzystają wyłącznie z nawigacji satelitarnej.

PROCEDURA AWARYJNA, czyli utrata GPS podczas lotu

Awaria lub odcięcie GPS podczas lotu równa się z niemożliwością uruchomienia RTH, o czym większość droniarzy po prostu nie wie. W momencie awarii GPS, utraty kontaktu wzrokowego z dronem i braku obrazu na kontrolerze dron praktycznie jest stracony i poleci razem z wiatrem do wyczerpania baterii utrzymując stałą wysokość. Jedyną opcją ratunkową jest samoistny powrót sprawności GPS, po czym powinna włączyć się procedura RTH. W zależności od stanu baterii i ustawień RTH dron wróci bądź wyląduje w miejscu, w którym się znajduje.

Jedyną procedurą awaryjną jest zakładanie przy każdym locie awarii GPS i stałe ćwiczenie lotów i lądowań w trybie Atti . Pozwoli to zachować zimną krew w sytuacji stresowej, a samo latanie w ATTI w sterylnych warunkach już jest stresujące. Ćwiczyć należy na dwa sposoby i zawsze z obserwatorem: początkowo obserwując wyłącznie drona nie patrząc w aparaturę, następnie patrząc jedynie w ekran, bez obserwacji drona (dlatego potrzebny obserwator). Idealnym do tego jest seria Phantom, która przełącznik GPS/Atti ma wyciągnięty bezpośrednio na aparaturze - w razie paniki jeden pstryk i wracamy do GPS a dron zawisa. We wszelakiej maści mavickach trzeba pokombinować, bo nie ma tego wprost wyciągniętego.

Brak sprawnego GPS jest jednym z trudniejszych zagadnień, którego sam doświadczyłem podczas rutynowego nalotu geodezyjnego, dodatkowo na mocnym wietrze, o czym napiszę oddzielny artykuł. Uratowałem drona tylko dzięki wiedzy, co dokładnie dzieje się z dronem i treningowi lotów w ATTI. Najtrudniejsze było zachowanie zimnej krwi (w pierwszym odruchu chciałem dać komendę do zatrzymania śmigieł w locie), następnie diagnoza problemu. Po opanowaniu sytuacji było dużo lepiej.

Tak więc trenujmy ATTI kiedy tylko się da.

Bezpiecznych lotów,

Przemek Zalewski