sUAS Swarm Navigation using Inertial, Range Radios and Partial GNSS

Small Unmanned Aerial Systems (sUAS) operations are increasing in demand and complexity. Using multiple cooperative sUAS (i.e. a swarm) can be beneficial and is sometimes necessary to perform certain tasks (e.g., precision agriculture, mapping, surveillance) either independent or collaboratively. However, controlling the flight of multiple sUAS autonomously and in real-time in a challenging environment in terms of obstacles and navigation requires highly accurate absolute and relative position and velocity information for all platforms in the swarm. This information is also necessary to effectively and efficiently resolve possible collision encounters between the sUAS. In our swarm, each platform is equipped with a Global Navigation Satellite System (GNSS) sensor, an inertial measurement unit (IMU), a baro-altimeter and a relative range sensor (range radio). When GNSS is available, its measurements are tightly integrated with IMU, baro-altimeter and range-radio measurements to obtain the platform’s absolute and relative position. When GNSS is not available due to external factors (e.g., obstructions, interference), the position and velocity estimators switch to an integrated solution based on IMU, baro and relative range meas-urements. This solution enables the system to maintain an accurate relative position estimate, and reduce the drift in the swarm’s absolute position estimate as is typical of an IMU-based system. Multiple multi-copter data collection platforms have been developed and equipped with GNSS, inertial sensors and range radios, which were developed at Ohio University. This paper outlines the underlying methodology, the platform hardware components (three multi-copters and one ground station) and analyzes and discusses the performance using both simulation and sUAS flight test data

Gesicherte Multi-Mode-Navigation für den städtischen Betrieb von kleinen unbemannten Luftfahrtsystemen

The paper discusses the preliminary analysis of an urban availability tool required for preflight flight planning. In this tool, areas in an urban environment are assessed with respect to GNSS availability, separation to traffic and obstacles, impact of UAS noise, and various other criteria. GNSS availability will drive the necessity to include alterna-tive navigation sensors such as laser scanners, vision sensors and altimeters in the navigation mechanization to meet the required navigation performance necessary for urban operations. This paper shows the initial results of the GNSS availability tool and discusses the sensor integration strategy when GNSS-only availability is not sufficient.Das Paper diskutiert die Ergebnisse einer ersten städtischen GNSS-Verfügbarkeitsanalyse, die für die Flugvorbereitung von Missionen unbemannter Luftfahrtsysteme (UAS) benötigt wird. In diesem Tool werden Gebiete in einer städtischen Umgebung hinsichtlich der GNSS-Verfügbarkeit, der Trennung von Verkehr und Hindernissen, der Auswirkungen von UAS-Lärm und verschiedener anderer Kriterien bewertet. Die GNSS-Verfügbarkeit zeigt die Notwendigkeit auf, alternative Navigationssensoren wie Laserscanner und Höhenmesser in die Navigationsmechanisierung einzubeziehen, um die für den städtischen Betrieb erforderliche Navigationsleistung zu erreichen. Dieses Paper zeigt die ersten Ergebnisse des GNSS-Verfügbarkeits-Tools und diskutiert die Strategie der Sensorintegration, wenn die reine GNSS-Verfügbarkeit während der Mission nicht ausreichend ist

Präzise Relativnavigation und Abstandssicherung von unbemannten und bemannten Luftfahrzeugen beim Betrieb in niedriger Höhe im Flugplatznahbereich

This paper discusses the flight test setup and preliminary results of a precise relative navigation and separation assurance system to support safe simultaneous operation of general aviation aircraft and UAS at low altitudes in the vicinity of an uncontrolled airfield. With an increased use of UAS for a wide variety of applications, such as law enforcement, search and rescue, agriculture, infrastructure inspection, maintenance, mapping, filming and journalism, it is expected that UAS will be taking off, landing or otherwise operating at airfields at the same time as manned aircraft. In that case, it will be required that the UAS not only has precise knowledge of its location and velocity to enable an automatic flight at lower altitudes with sufficient accuracy, integrity, availability and continuity to support its operation (e.g. take-off, landing, flight patterns), but also to support broadcasting its position and velocity to the other aircraft in the vicinity, for improved awareness of the UAS location and to achieve separation assurance.In dieser Publikation werden der Flugversuchsaufbau und die vorläufigen Ergebnisse eines präzisen, relativen Navigations- und Abstandssicherungssystems zur Unterstützung des sicheren, gleichzeitigen Betriebs von Flugzeugen der allgemeinen Luftfahrt und unbemannten Flugsystemen (UAS) in niedriger Höhe im Nahbereich eines unkontrollierten Flugplatzes erörtert. Mit dem verstärkten Einsatz von UAS für eine Vielzahl von Anwendungen wie Strafverfolgung, Search & Rescue, Landwirtschaft, Infrastrukturinspektion, Wartung, Kartierung, Filmaufnahmen und Journalismus wird erwartet, dass UAS gleichzeitig mit bemannten Luftfahrzeugen auf Flugplätzen starten, landen oder anderweitig operieren. In diesem Fall wird es erforderlich sein, dass UAS nicht nur über genaue Kenntnisse ihrer Position und Geschwindigkeit verfügen, um einen automatischen Flug in geringerer Höhe mit ausreichender Genauigkeit, Integrität, Verfügbarkeit und Kontinuität zur Unterstützung ihres Betriebs (z.B. Start, Landung, Flugmuster) zu ermöglichen, sondern auch die Übertragung ihrer Position und Geschwindigkeit an andere Luftfahrzeuge in der Umgebung zu unterstützen. Dies verbessert die Kenntnis der Position der UAS und garantiert die Abstandssicherung