Использование аэрофотограмметрического комплекса Geobox FIXAR-005 для выполнения геодезических аэрофотосъёмочных работ (АФС) на Кольском полуострове. Отзыв пользователя. 


Летом 2019 года наша компания выполняла геодезические изыскания на Кольском полуострове с целью создания картографического материала масштаба 1:500. Исходя из большого объема работ, было принято решение использовать в качестве основного рабочего инструмента беспилотные летательные аппараты (БПЛА), а именно геодезические квадрокоптеры.
При выполнении работ с помощью таких квадрокоптеров, компания столкнулась с рядом технических трудностей в процессе их эксплуатации, которые привели к потере двух БПЛА. В поисках более эффективной замены, мы познакомились с беспилотным комплексом – Geobox FIXAR-005FIXAR-005 – гибридный аппарат, похожий на конвертоплан, то есть самолет с вертикальным взлетом и посадкой. Данный вид летательного аппарата мало известен пользователям, поэтому данный практический обзор будет полезен геодезистам, работающим или планирующими работы в сфере АФС. 

Основная проблема, с которой столкнулись мы, это повышенная электромагнитная обстановка в области работ. Это связано с несколькими причинами:
  • Высокая широта – чем выше широта, тем более ненадежны показания магнитного компаса.
  • Обилие сложных антенных систем дальней связи в местах проведения работ.
  • Железорудные месторождения.

Все это в итоге приводило к сбоям одного из основных датчиков навигации геодезического квадрокоптера – магнитометра (магнитный компас).

Квадрокоптер производства DJI Phantom 4 PRO, используемый нами ранее, из-за сбоев компаса постоянно уходил с обозначенного маршрута, и его приходилось возвращать на базу вручную. Калибровка компаса непосредственно перед работой и размагничивание БПЛА улучшало ситуацию, но кардинально не меняло. Отпускать БПЛА за пределы видимости было страшно, и, как следствие, работы приходилось выполнять вручную, в режиме визуального контроля. 
В итоге этот геодезический квадрокоптер компании упал и разбился из-за ошибки магнитометра.

  


Это стало поводом для смены квадрокоптера на геодезический беспилотный комплекс - Geobox FIXAR-005.
Выгодное отличие FIXAR-005 от большинства геодезических квадрокоптеров - это отсутствие магнитометра в самом аппарате, поэтому FIXAR-005 можно эксплуатировать в условиях крайнего севера, над железорудными карьерами и прочими территориями с магнитными аномалиями.

Положение дрона в пространстве полностью определяется следующими элементами:
  • GNSS-приемником;
  • Барометром (датчиком высоты);
  • Инерциальными датчиками;
  • Датчиком давления воздушного потока;

Geobox FIXAR-005 – гибридный аппарат, похожий на конвертоплан. Основной рабочий цикл для него - полет в режиме самолета со значительной скоростью, поэтому курс определяется на основе показаний инерциальных датчиков и GNSS-приемника. 
Geobox FIXAR-005 прибыл на место работы в кейсе, где он лежал в полуразобранном виде – от корпуса БПЛА отсоединены крылья и задний стабилизатор. 

Помимо БПЛА в кейсе находятся дополнительные аксессуары, такие как:
  • запасной аккумулятор;
  • зарядное устройство;
  • модем для подключения к ноутбуку;
  • веха для установки антенны радиомодема.

По приезду на место мы первым делом обеспечили через инвертор электропитание для зарядного устройства и ноутбука. Ноутбук через USB порт питает модем и поэтому его внутреннего аккумулятора хватает максимум на 20 минут. 
Программа, устанавливаемая на ноутбук, называется Наземной Станцией Управления (НСУ) или X Ground Control. 

Основные функции НСУ Geobox FIXAR-005: 
  • Планирование полетного задания;
  • Предстартовая подготовка БПЛА;
  • Контроль процесса полета;
  • Послеполетная обработка фотографий – создания паспортов с предварительным позиционированием.

Сборка и подготовка БПЛА.
Сборка БПЛА занимает не более 5 минут. 
Фюзеляж аппарата состоит из композитного модуля, в котором размещена электроника, аккумулятор, антенны и камера. Фюзеляж закрепляется на несущей раме, к которой в свою очередь крепятся два крыла и задний стабилизатор с рулем высоты. 
Качество элементов, из которых выполнен Geobox FIXAR-005 впечатляет, прежде всего, легкостью и в то же время необыкновенной прочностью. Ощущение прочности возникает от того, что, не смотря на своеобразный стиль исполнения и достаточно большой размер, в конструкции полностью отсутствует даже намек на какой-либо люфт или деформационную упругость. 

Несмотря на простоту и быстроту сборки, один раз собрав аппарат, мы его уже не разбирали на протяжении всей работы. Впрочем, это повседневная практика в работе с БПЛА. Как подсказывает опыт, лучше не перегружать конструкцию БПЛА сборкой и разборкой, особенно во время ответственных работ. 

В передней части аппарата FIXAR находится свободное место, которое занимает модуль полезной нагрузки. В нашем случае это доработанный фотоаппарат Sony Alpha A6000 с матрицей 24,7 Мп. Фотоаппарат имеет кабель, при помощи которого он подключается к полетному контроллеру БПЛА, для автоматического управления затвором камеры. Камера уложена в упругий ложемент, который надежно фиксирует фотоаппарат в корпусе дрона.

Камера при подключении питания помнит свои изначальные установки – выдержка 1/1000, фокусировка – бесконечность (для любой оптической системы 100 фокусных расстояний это бесконечность). 

Перед началом работ первым делом мы проверили, что встроенный GNSS-приемник пишет RINEX файл для последующей PPK обработки. PPK (Post Processing Kinematic) – тип точного расчета позиции приемника при котором используются два файла «сырых» измерений (RINEX файлы). Один файл с носителя (БПЛА), другой с базового приемника, который стоит во время измерений на точке с известными координатами.

Координаты точки местоположения базового приемника мы определили в режиме RTK. Заодно мы определили координаты наземного опознака Geobox OZ-100, на котором собирался БПЛА перед полетом. Опознак Geobox OZ-100 размером 1м на 1м – удобная площадка для сборки и старта БПЛА. 

    

   


Аккумулятор и зарядное устройство. 
Зарядное устройство и аккумулятор произвели очень хорошее впечатление. Время полной зарядки разряженного на 70% аккумулятора всего 40 минут. В нашем комплекте было два аккумулятора и поэтому мы могли летать практически непрерывно. 
Зарядку производили от автомобиля при помощи штатного блока питания и инвертора. 

Перед началом работ.
За день до полета, в гостинице, узнали прогноз погоды – он был благополучный, хотя и не идеальный - облачность и возможные осадки. Для этого воспользовались программой UAV Forecast – прогноз погоды для БПЛА. Программа доступна для Андроид и iOS. В бесплатном варианте программы, прогноз доступен на ближайшие 24 часа. 


Затем мы загрузили картографическую подложку на область полетов. Это легко сделать, так как НСУ FIXAR понимает формат KML. Загружать подложку лучше заранее, так как наличие интернета в поле — это лотерея, которая может окончиться неудачно. НСУ позволяет загрузить несколько областей полетов. Это удобно, так как уменьшает время загрузки и экономит место на компьютере.

Этапы работы с планировщиком полетов Geobox FIXAR-005 (день полетов) 
  1. Загружаем предполагаемую область полетов в формате KML (сделали заранее)
  2. Загружаем картографическую подложку (сделали заранее)
  3. По приезду на место старта смотрим на погоду, а также на силу и направление ветра. Строим маршрут по возможности таким образом, чтобы ветер был с траверза БПЛА (90 градусов от курса). Правильная ориентация БПЛА относительно ветра дает существенный прирост времени полета.
  4. В построении полетного задания Geobox FIXAR-005 необходимо учитывать то, что аппарат по своей сути является самолетом и имеет значительный, по сравнению «классическим» квадрокоптером, радиус поворота. Поэтому планируя полет на высоте в 250 метров, будьте готовы увидеть широкие дуги, которые аппарат будет делать, заходя на галс для съемки. Вместе с этим, радует качество камеры – материалы для съемки масштаба 1:500 можно собрать при полете на высоте 350 метров.Учитывая большой радиус разворота, высокую линейную скорость и качество камеры, наиболее оптимальным маршрутом будет полет с минимальным количеством поворотов и высотой полета 300-400 метров.
  5. При полетах над местностью с перепадами высот, НСУ Geobox FIXAR-005 позволяет планировать полет с учетом рельефа. Оператору достаточно указать программе необходимость учитывать высоту рельефа, и каждый рабочий галс будет иметь указанную высоту полета от высшей точки рельефа на карте. Эту особенность также надо учитывать, планируя маршрут, – высота на галсе одинаковая, но галсы между собой по высоте могут отличаться.
  6. Завершение миссии и посадка аппарата FIXAR-005 - это ответственный момент при планировании маршрута, так как БПЛА после выполнения задания обычно прилетает с разряженным аккумулятором. Хотя FIXAR-005 может произвести полностью вертикальную посадку в «коптерном» режиме, для сохранения энергии будет правильно запланировать снижение высоты полета в самолетном режиме, то есть заход на глиссаду против ветра и постепенное понижение высоты до 100 метров, откуда он уже произведет вертикальную посадку.

Подготовка к полету.
По завершении планирования маршрута, задание на полет загружается в память полетного контроллера БПЛА. 

Перед взлетом, НСУ в обязательном порядке запускает модуль предполетной подготовки БПЛА. Данный модуль состоит из 9 последовательных тестов оборудования БПЛА. Часть пунктов не требуют вмешательства со стороны оператора и проходят полностью в автоматическом режиме, а часть требуют действий, к примеру, при тесте датчика давления, программа просит перекрыть входное отверстие трубки воздушного давления. 

  

  

При благополучном завершении предполётного теста, оператор БПЛА получает возможность отправить воздушное судно на задание. 

Перед взлетом аппарат рекомендуется ставить против ветра, то есть таким образом, чтобы ветер дул в «нос» аппарата.

Взлет.
Geobox FIXAR-005 – аппарат, в котором взлет и посадка происходят просто и быстро. Скорость подъема после мгновенного взлета и перехода в «самолетный» режим такая, что буквально через 30 секунд после старта аппарат становится невидим, и его состояние можно оценить только в интерфейсе наземной станции управления.

Работа с интерфейсом НСУ во время полета.
Напомню, что НСУ (наземная станция управления) – это ноутбук с запущенной программой планировщика полета и с подсоединенным к нему модемом связи с воздушным судном. 

Выбирая место для взлета, следует ориентироваться на два фактора:
  1. Наличие свободного пространства для взлета и посадки. Geobox FIXAR-005 совершает взлет и посадку в вертикальном режиме, однако из-за своего размера и наличия крыльев со стабилизатором, он обладает парусностью. При посадке рекомендуется иметь свободное пространство диаметром около 10-15 метров на всякий случай.
  2. Место расположения НСУ во время полета должно быть на возвышенности с целью обеспечения наилучшей радиосвязи с бортом. Если нет возможности расположить ноутбук с НСУ на естественном возвышении, то антенну радиомодема для улучшения радиовидимости можно поднять при помощи вехи. Крепление радиомодема на стандартную для фотооборудования резьбу позволяет использовать фото-аксессуары для организации такого решения.
  3. Время полета БПЛА FIXAR-005 достигает часа и оператор непрерывно наблюдает за состоянием аппарата и процессом выполнения работ. Для этого оператору рекомендуется обеспечить достаточный уровень комфорта. Стол, раскладной стул, например. В нашем случае, для расположения ноутбука рабочей станции, мы использовали откидной борт пикапа.
  4. Основные параметры, доступные для контроля пользователю НСУ:
  • Статус батареи. Пользователю НСУ Geobox FIXAR-005 во время полета доступны следующие параметры батареи: напряжение, количество отдаваемой энергии и процент оставшегося заряда. Во время полета следует обращать внимание на все эти параметры. Напряжение батареи может значительно меняться в зависимости от курса БПЛА. Обращайте внимание на те пролеты БПЛА, где падение напряжения максимально. Как правило, это свидетельствует о сильных потоках ветра, мешающих свободному полету. Когда постоянное напряжение батареи достигает 17,5 вольт, рекомендуется отправлять борт на посадку. Одновременно с этим также можно контролировать параметр отдачи энергии: при полном разряде аккумулятора это значение достигает около 12 000 мА. Помимо этого, также можно видеть процент оставшегося заряда в батарее, как только он становится красного цвета – рекомендуется отправить борт на посадку. Таким образом, контролируя все три эти параметра, можно рассчитывать оставшееся время полета аппарата.
  • Траектория движения БПЛА, текущая скорость, углы по крену и тангажу. По этим параметрам можно оценить состояние воздушного судна и погодных условий, на него влияющих.
  • Количество видимых спутников. Критичное количество спутников – 6. При снижении количества видимых спутников до 9, есть смысл задуматься о прекращении полета. Как правило, это происходит в определенных местах, и может быть связано с рельефом местности или с источниками радиопомех. Внешний пилот по этим признакам может прогнозировать возможную потерю спутников заранее и прервать миссию, не допуская потери связи с бортом. 
  • Качество связи. Мощность модема НСУ - 0,1 Вт. Использование современных методов кодирования сигналов и передачи данных пакетами с многократными повторами позволяет при такой мощности эффективно работать на расстояниях до 20 км, а в случае прямой видимости и отсутствия помех - и на больших расстояниях. Оценить качество связи можно по специальному значению, которое находится рядом со значком количества спутников. Если такое значение при взлете отображается желтым цветом – это говорит о сомнительном качестве сигнала.


Посадка Geobox Fixar-005.
Как и говорилось ранее, Geobox FIXAR-005 осуществляет вертикальную посадку, сложностей с которой у нас не возникало.

Завершение работы и извлечение из БПЛА материалов съемки.

По завершении миссии из БПЛА извлекаются результаты полета:
Фотографии. 
Они находятся на SD карте в фотоаппарате. SD карта извлекается из фотоаппарата и подсоединяется к компьютеру с НСУ. Это нужно делать для создания так называемых паспортов фотографий. В паспорте фотографии указываются координаты места фотографии, полученные от полетного контроллера БПЛА. Точности этих координат достаточно для того, чтобы программа фотограмметрической обработки выстроила их в правильном порядке для обработки. Это очень удобная функция, которая позволяет существенно уменьшить время обработки фотографий.

RINEX файл. 
Файл «сырых» измерений с геодезического приемника БПЛА необходим для получения точных координат камеры методами PPK. Файл извлекается с SD карты приемника или скачивается через доступное подключение (Wi-Fi или проводное). 
В нашем БПЛА был установлен модуль Reach M+ c WEB интерфейсом, и скачивание было доступно при подключении к приемнику как к точке доступа. Приёмник Emlid Reach M+ при подключении доступен по адресу 192.168.42.1, или при использовании смартфона, через приложение Reach View. 

По результатам работ хочется поблагодарить создателей Geobox FIXAR-005 за удобный интерфейс НСУ и множество полезных деталей практического плана в конструкции геодезического беспилотного комплекса. 

Достоинства Geobox Fixar-005: 
  • Производительность. Сочетание камеры (24 Мп), скорости полета (55 км/ч), времени полета (от 40 минут до 1 часа) позволяет выполнять большой объем аэрофотосъёмочных работ (до 400 Га за один полет).
  • Надежность БПЛА в полете. Geobox FIXAR-005 в рабочем режиме – самолет с большой устойчивостью, что позволяет безопасно эксплуатировать его в условиях очень сильного ветра.
  • Нет магнитометра. Магнитометр – самая уязвимая часть геодезических БПЛА, и 80% потерь таких беспилотников происходит из-за проблем с магнитным компасом. Geobox FIXAR-005 не использует в работе магнитометр. Как следствие, пользователь получает воздушное судно, которое гарантированно возвращается после выполненного задания. Также пользователям Geobox FIXAR-005 доступны полеты над зонами магнитных аномалий.
  • Комфортный и производительный планировщик полета. Программа НСУ Geobox FIXAR-005 обладает очень комфортным и удобным интерфейсом общения с БПЛА, который поддерживает пользователя на всех этапах выполнения работ.
  • Вертикальный взлет и посадка. Geobox FIXAR-005 – самолет с вертикальным взлетом и посадкой, поэтому его взлет и посадка могут быть проведены в самых ограниченных условиях.
  • Малое время зарядки аккумулятора. Разряженный на 70% аккумулятор полностью заряжается за 40 минут.