Flight tracks of homing pigeons measured with GPS

Flight paths of homing pigeons were measured with a newly developed recorder based on GPS. The device consists of a GPS receiver board, a logging facility, an antenna, a power supply, a DCDC converter and a casing. It has a weight of 33g and works reliably with a sampling rate of 1/s with an operation time of about 3 h, providing timeindexed data on geographic positions, ground speed and altitude. The data are downloaded when the bird is recaptured. The devices are fixed to the birds with a harness. The measured complete flight paths show many details: e.g. initial loops flown immediately after release and large detours flown by some pigeons. We are here presenting 3 examples of flight paths from a release site 17.3 km Northeast of the home loft in Frankfurt. Mean speed in flight, duration of breaks and length of the flight path were calculated. The pigeons chose different routes and have different individual tendencies to fly loops over the village close to the release site

The GPS flight recorder for homing pigeons works : design and first results

This paper describes a first version of the GPS flight recorder for homing pigeons. The GPS recorder consists of a hybrid GPS board, a patch antenna 19*19 mm, a 3 V Lithium battery as power supply, a DCDC converter, a logging facility and an additional microprocessor. It has a weight of 33g. Prototypes were tested and worked reliably with a sampling rate of 1/sec and with an operation time of about 3 h. In first tests on homing pigeons 9 flight paths were recorded, showing details like loops flown immediately after the release, complete routes over 30 km including detours, rest periods and speed

Timing and Navigation in UAVs: Synchronization of UAV Swarms and Testing GPS Error Effects on GNSS Reception

Precise timing and precise location information are provided by Global Navigation Satellite Systems (GNSS) and play a crucial role in the positioning, navigation and data acquisition of most Unmanned Aerial Vehicles (UAV). GNSS functions include the following applications in UAVs: time-stamping and geo-referencing of collected data and images, synchronization of swarm flying and follow-me flights, determination of position and attitude in-flight, flight trajectory by following a pre-defined number of waypoints, mission planning, return home automatically without external control, avoidance of obstacles and geo-fencing.  Some of these critical operations have implications for the safety of the UAV, the surrounding environment and health and safety of people, for example UAVs threatening to bring down aircrafts  at airports, which are no-fly zones for UAVs. The appropriate GNSS based function to avoid this is geo-fencing. Another example is obstacle avoidance to prevent collisions and damages both for the UAV and the obstacle, e.g. anything from a window pane, tree, human being, to a power line. In order to ensure health and safety it is thus important to ensure correct function of the navigation and the timing, under a wide variety of circumstances, and in different signal environments. There can be signal disturbances, such as obscurations by buildings or reflected GNSS signals, called multipath. The performance of timing and navigation based on GPS/GNSS can be tested and verified in a controlled and repeatable way in the laboratory with different types of test equipment. We will give an introduction to a wide range of potential threats to GNSS Positioning, navigation and timing and an overview of different test methods. In addition, we are presenting a method for time synchronization of drones to enable safe swarm and follow flights in UAVs

Entwicklung des GPS-Flugschreibers für Brieftauben (Columba livia) und Versuche auf Tauben

Das Gerät: Es wurde eine neue Methodik entwickelt zum Messen und Speichern der Flugwege von Brieftauben, die viele Nachteile vorher verwendeter Flugwegeaufzeichnungssysteme vermeidet. Diese Nachteile sind hauptsächlich die begrenzten Reichweite, der hohe Arbeitsaufwand beim Messen, die geringe zeitliche und räumliche Auflösung und die Unmöglichkeit viele vollständige Flugwege zu erhalten. Die gängigen Navigationssysteme wurden auf ihre Eignung zum Messen von Flugwegen bei Brieftauben geprüft. Die Wahl fiel auf das Satellitennavigationssystem GPS, Global Positioning System wegen seiner weltweiten Verfügbarkeit, der unter freiem Himmel unbegrenzten Reichweite, der Meßrate von 1 Position / Sekunde und der räumlichen Genauigkeit von 10-30 m in der horizontalen Position. Die Hauptaufgabe bei der Entwicklung bestand in der Miniaturisierung von GPS, damit die Tauben mit dem Gerät fliegen konnten. Es gelang, ein kleines, funktionsfähiges Gerät von 8,5*4*1.5 cm Größe mit einem Gewicht von 33g zu bauen, das aus einer Hybrid-GPS-Empfängerplatine mit Positionsspeicherung, einer Patchantenne, einer Stromversorgung, einem DC-DC-Konverter und einer Hülle besteht. Die Betriebszeit beträgt 3 - 3,5 Stunden, begrenzt durch die Batteriekapazität. Es können bis zu 90.000 Positionen, jede mit sekundengenauer Zeitangabe und Geschwindigkeit, gespeichert werden. Bei Stromausfall bleiben die Daten erhalten. Das Gerät hat ein Restmagnetfeld von 1500 nT. Nach Flug und Wiederfang der Tiere werden die Daten vom Flugschreiber auf einen Rechner übertragen. Das Tragegeschirr einer anderen Arbeitsgruppe wurde für Tauben abgewandelt, weiterentwickelt und getestet. Die theoretische Genauigkeit der GPS-Positionsbestimmungen konnte in eigenen Tests bei Autofahrten und mit Tauben bestätigt werden. Auswertung: Zur Beschreibung der Flugwege wird ein Satz von Auswerteparametern theoretisch beschrieben. Zu den Parametern werden Berechnungsverfahren angegeben. Es wurde eine Datenkonvertierungs- und eine Auswertesoftware entwickelt, die die Original-NMEA-Nachrichten verwendet. Die Auswertesoftware berechnet die Länge der Flugwege mit unterschiedlicher räumlicher und zeitlicher Schrittweite, die mittlere Geschwindigkeit, Anzahl und Länge der Nichtflugphasen, Verschwinderichtungen und Landeanflugsrichtungen, Abstände von definierten Punkten des Flugwegs zur Luftlinie, Flugwegpunkte in der Nähe der Luftlinie und der Punkt im Flugweg, an dem der Release Site Bias kompensiert ist. Versuchsergebnisse Der Flugschreiber wurde am Boden und auf alten, erfahrenen Brieftauben getestet. Es wurden 125 Flugwege von Brieftauben mit 12 Flugschreibern an 2 Auflaßorten aufgezeichnet und ausgewertet. In den Tests funktionierten die Flugschreiber zuverlässig und erwiesen sich in der Handhabung als robust. Der personelle Aufwand beim Flugwegeaufzeichnen ist klein gegenüber anderen Verfahren. Es wurde ein hoher Anteil von über 90% von vollständigen Flugwegen aufgezeichnet. Die erzielten Flugwege haben eine sehr gute räumliche und zeitliche Auflösung und liefern eine Fülle von Details. Die Menge und Qualität der erzielten Daten ist deutlich besser als die von bisher verwendeten Verfahren. Die Brieftauben konnten das Gerät tragen und mit ihm heimkehren. Die Leistungen der Tauben, die den GPS-Flugschreiber trugen, wurden mit den Leistungen von Kontrolltieren, die entweder nichts oder ein Plastikgewicht trugen, verglichen. Obwohl die Heimkehrzeiten der GPS-Tauben im Bereich der Werte der Kontrolltiere lagen, gab es Beeinträchtigungen bei der Heimkehrleistung und der Heimkehrzeit. Die Heimkehrzeit war zum Teil bei den GPS-Tauben und den Tauben mit Gewicht signifikant länger, wesentlich verursacht durch das Gewicht. Die mittleren Geschwindigkeiten in Flugphasen lagen zwischen 50-70 km/h und und damit im Schnitt unter den von anderen Autoren beobachteten Geschwindigkeiten über Grund für Brieftauben. An einem von zwei Auflaßorten zeigten sich kleine, aber statistisch signifikante Richtungsunterschiede in den Verschwinderichtungen zwischen den GPS-Tauben und Kontrolltauben und zwischen den Tauben mit Gewicht und den Kontrolltauben. Ein Einfluß des Restmagnetfeldes des Gerätes auf die Tauben kann nicht ausgeschlossen werden. Die Flugwege wiesen eine hohe Variabilität auf; aber es gab von beiden Auflaßorten bevorzugte Routen der Tauben. Der in den Vorjahren beobachtete Auflaßort Bias wurde an beiden Orten erneut in den Verschwinderichtungen beobachtet. In den Flugwegen gab es deutliche Entsprechungen zum Auflaßort Bias. In den Landeanflugsrichtungen in Obermörlen gab es ein Landeanflug Bias spiegelbildlich zum Bias am Auflaßort, das es bei den Landeanflugsrichtungen aus Büdesheim nicht gab. Im Verlauf beider Versuchsserien konnte eine Optimierung der Flugwege festgestellt werden, die durch eine Verkürzung der Flugweglängen erzielt wurde. Dies bedeutet, daß auch bei alten, erfahrenen, ortskundigen Tauben eine zunehmende Ortskenntnis und Erfahrung zu immer weiteren Anpassungen beim Heimflug führt. Die Ursache sehr langer Heimkehrzeiten sind längere Pausen. Mittellange Heimkehrzeiten kommen eher durch Schleifenflug und Umwege zustande. Viele Tauben flogen ausgedehnte Schleifen in den Anfangsabschnitten der Flugwege über dem nächsten Dorf oder nahe dem Auflaßort ein Stück in Richtung heim. Spiralige Schleifen um den Auflaßort gab es dagegen fast nie, die Anzahl der geflogenen Schleifen zu Beginn der Flugwege nahm im Verlauf der Versuchsserien nicht ab. Daraus läßt sich schließen, daß der Schleifenflug bei alten, erfahrenen Tauben nicht der Orientierung dient. Vielleicht dient er sozialen Bedürfnissen. Die Anfangsabschnitte der Flugwege in Obermörlen wurden durch die Topografie am Auflaßort beeinflußt. Die Tauben vermieden den Überflug eines bewaldeten Hügels. Es hat den Anschein, daß die Tauben den Überflug von Ortschaften bevorzugten

A GPS-based system for recording the flight paths of birds

The GPS recorder consists of a GPS receiver board, a logging facility, an antenna, a power supply, a DC-DC converter and a casing. Currently, it has a weight of 33 g. The recorder works reliably with a sampling rate of 1/s and with an operation time of about 3 h, providing time-indexed data on geographic positions and ground speed. The data are downloaded when the animal is recaptured. Prototypes were tested on homing pigeons. The records of complete flight paths with surprising details illustrate the potential of this new method that can be used on a variety of medium-sized and large vertebrates