Letzte Woche erlebten wir einen gewaltigen Sonnensturm der Stärke 9, Nordlichter waren in ganz Mitteleuropa zu sehen. Das untenstehende Bild hat Martin Pfeiffer in St. Gallen geschossen.
Sonnensturm und Drohnenflug
Das UAV's nur bis zu einer bestimmten Windstärke fliegen können und bei zu viel Wind nicht mehr steuerbar sind, dürfte jeder Drohnenpilot bekannt sein. Doch auch magnetische Stürme können eine Drohne negativ beeinflussen oder gar vom Kurs abbringen. GPS-Signale können gestört werden oder ganz ausfallen, Der Magnetkompass wird geomagnetischen Störungen ebenfalls unzuverlässig und im extremfall kann es zu Funkstörungen oder zu Funkausfällen kommen.
Magnetische Stürme (Teilchen-Strahlung) kennen viele unter Sonnenstürme und diese treten dann auf, wenn es auf der Sonne zu einer Eruptionen kommt. Diese finden zwar auf der Sonne ständig statt, doch in unterschiedlichen Stärken. Findet eine Eruption in Richtung Erde statt und ist die Sonnenwindenergie deutlich verstärkt, hat dies Auswirkungen auf der Erde. Dann werden Polarlichter auf der Erde sichtbar, sofern die erhöhte Sonnenstrahlung und der erhöhte Sonnenwind mit dem Magnetfeld der Erde wechselwirkt, schreibt das Drohnen Journal.
Und das Das Helmholtz-Zentrum Potsdam - Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ schreibt:
Ein magnetischer Sturm kann auftreten, wenn es aufgrund von Eruptionen auf der Sonne zu einer deutlichen Verstärkung der Sonnenwindenergie in Richtung unserer Erde kommt. Wenn die erhöhte Sonnenstrahlung und dieser erhöhte Sonnenwind mit dem Magnetfeld der Erde wechselwirkt, beobachtet man in magnetischen Registrierungen sehr starke Schwankungen. Magnetische Stürme können Auswirkungen auf unsere moderne Technik haben und z. B. zu Störungen des Funkverkehrs, Satellitenausfällen oder im Extremfall sogar zu Stromausfällen führen. Besonders während solcher magnetischen Stürme entstehen auch die bekannten Polarlichter. Wegen des Dipolcharakters des Magnetfeldes ist dieses Phänomen normalerweise nur in der Nähe der Magnetpole zu beobachten
Musk verliert 39 Satelliten wegen Sonnensturm
So titelte der Spiegel 2022, was war geschehen? hat die Elektronik versagt?
SpaceX erklärte
Ein geomagnetischer Sturm habe die Atmosphäre dichter gemacht, wodurch der Luftwiderstand zunahm und die Flugobjekte praktisch dem Untergang weihte.
Die Bodenkontrollteams versuchten die kompakten, flachen Satelliten zu retten, indem sie diese in eine Art Starre versetzten und auf einen Kurs flogen, der den Widerstand minimiert. Doch der Sog nach unten war bereits zu stark, die Satelliten ließen sich laut SpaceX nicht wieder aktivieren und in eine höhere, stabilere Umlaufbahn bringen. Die Dichte der Atmosphäre nahm bis zu 50% zu.
Genau diese Zunahme der atmosphärendichte ist es auch, welche unser "geliebtes" GPS-Signal empfindlich stören kann.
Dazu etwas Grundlagen über GPS
Der GPS-Empfänger Deiner Drohne verwendet Funksignale von bekannten Positionen mehrerer umlaufender Satelliten, um die Entfernung jedes Satelliten zu bestimmen, und aus diesen Entfernungen (Pseudoentfernungen) wird die tatsächliche Position des Empfängers bestimmt. Die in diesem Prozess verwendeten Funksignale müssen die Ionosphäre passieren, was zu einer Ausbreitungsverzögerung führt, die von der ionosphärischen Gesamtelektronenzahl (TEC) und vom Höhenwinkel des Satelliten über dem Horizont abhängt.
Was passiert bei einem Sonnensturm?
Änderungen der Elektronendichte aufgrund von Weltraumwetteraktivitäten können die Geschwindigkeit ändern, mit der sich Radiowellen durch die Ionosphäre ausbreiten, was zu einer Verzögerung des GPS-Signals führt und es somit für den Empfänger sehr schwierig macht, die Entfernung zum Satelliten und seinen Standort auf der Erdezu berechnen.
Moderne GNSS-Systeme sind intelligent; Sie versuchen, diese ionosphärische Störung mit Hilfe eines Algorithmus namens Klobuchar-Modell (1987) abzuschätzen und zu kompensieren.
In Zeiten hoher elektromagnetischer Aktivität ist die Änderungsrate jedoch so schnell, dass der vorhergesagte TEC stark vom wahren Wert des TEC abweichen kann. Dies kann zu grossen Abweichungen zur tatsächlichen Position führen.
Drei Dinge können passieren:
- Es kann länger dauern, bis das UAS genügend Satelliten findet und damit eine GPS-Position erhält
- Der Home-Point für das RTH-Prozedere ist möglicherweise nicht genau und kann bis zu 30m (100 fuss) abweichen.
- Möglicherweise verliert die Drohne das GPS vollständig und schaltet in den ATTI-Modus
Und dies hat 2 Gründe:
- Eine Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses wirkt sich auf die Trägerfrequenz aus und führt dazu, dass der Empfänger die Verbindung zu einigen Satelliten verliert. Anstelle von zum Beispiel 9 Satelliten könnte man nur etwa 6 erfassen, oder die Zahl könnte von Sekunde zu Sekunde schwanken.
- Eine Änderung der Ausbreitungsverzögerung durch die Ionosphäre, wodurch die GPS-Positionierung äußerst ungenau wird, selbst wenn der Empfänger alle Satelliten erfasst hat. Dies führt im Wesentlichen zum Verlust der genauen Positionierungsfähigkeiten.
Geomagnetischer Kp-Index
Der dreistündige geomagnetische Kp-Index (siehe Bartels, 1957) wurde 1949 von Julius Bartels eingeführt, um die solare Teilchenstrahlung über ihre magnetischen Effekte zu messen. Heute ist Kp ein wichtiges Maß für den Energieeintrag aus dem Sonnenwind in das System Erde und wird in Echtzeit für viele Weltraumwetterdienste genutzt. Kp geht zurück bis 1932 und ist damit wichtig für die Untersuchung von langfristigen Klimaänderungen in der oberen Atmosphäre, im erdnahen Weltraum, im Sonnenwind und auf der Sonne. Kp beruht auf den Daten von 13 geomagnetischen Observatorien weltweit.
Der KP-Index, oder auch die Planetarische Kennziffer, ist auch ein Index dafür, wie weit weg von den Polen die so genannte Aurelia boreliolis (die Nordlichter) zu sehen sind. Natürlich trifft das auch auf die südlichen Gebiete zu, auch dort sind die Polarlichter, wie sie genauer heissen sollten, vorhanden.
Wie interpretiere ich den KP-Index
Grün: Planetarischer K-Index 0–4 – ruhige oder kleine geomagnetische Störung
Keine Auswirkung auf Geräte oder Personen.
Gelb: Planetarischer K-Index 5 / G1 – schwacher/geringfügiger geomagnetischer Sturm
Leichte Schwankungen im Stromnetz, geringfügige Auswirkungen auf den Betrieb von Weltraumsatelliten sowie auf die Tierwanderung sind durchaus möglich. Nordlichter werden normalerweise in hohen Breiten gesehen.
Dunkelgelb: Planetarischer K-Index 6 / G2 – mäßiger geomagnetischer Sturm
Bei Stromnetzen in hohen Breiten kann es zu Notfällen kommen. Längere geomagnetische Stürme können Transformatoren beschädigen. Hochfrequente (HF) Funksignale können in höheren Breiten schwächer werden. Nordlichter werden in Breitengraden wie der nordischen Länder beobachtet.
Orange: Planetarischer K-Index 7 / G3 – starker geomagnetischer Sturm
Bei einigen elektronischen Schutzgeräten kann es zu Fehlalarmen kommen. Möglicherweise ist eine Korrektur der Satellitenausrichtung im Weltraum erforderlich. Es kann zu Problemen mit der Satellitennavigation und zu Störungen der Funkkommunikation kommen. Nordlichter werden in Norddeutschland beobachtet.
Rot: Planetarischer K-Index 8 / G4 – schwerer geomagnetischer Sturm
Es kann zu weit verbreiteten Problemen mit der Spannung im Stromnetz kommen. Die Satellitennavigation kann sich mehrere Stunden lang verschlechtern und die Funknavigation mit niedriger Frequenz (NF) kann gestört sein. Nordlichter werden in der Schweiz beobachtet.
Dunkelrot: Planetarischer K-Index 9 / G5 – extremer geomagnetischer Sturm
Bei bestimmten Stromversorgungssystemen kann es zu Transformatorschäden und einem vollständigen Zusammenbruch oder Stromausfall kommen. In vielen Gebieten kann es sein, dass der Hochfrequenzfunk für ein oder zwei Tage nicht möglich ist. Die Satellitennavigation kann mehrere Tage lang unterbrochen sein. Nordlichter können in Mittel- bis Südeuropa beobachtet werden.
Die Auswirkungen bei einem moderaten Kp-Index von bis zu 5 sind recht gering und werden möglicherweise gar nicht bemerkt.
Sobald sie jedoch etwas höher sind (7-9), können Standortfehler von bis zu 100 Fuss (30 Meter) auftreten. Es sollte jedoch beachtet werden, dass Kp-Indizes in diesem Bereich als grosser geomagnetischer Sturm gelten und sehr selten sind.
Praktischer Bezug
In den verschiedenen Foren liest man fast alles, von "Mach Dir keinen Kopf" bis "Ich fliege nie bei KP über 3". Wer hat recht?
Fazit
Du kannst drei Dinge tun, um sicherzustellen, dass sich der Kp-Index nicht negativ auf Deinen Mission auswirkt:
- Verwende eine App (wie UAV Forecast) oder die Website der GFZ (https://kp.gfz-potsdam.de/), um den Kp-Index während der Planung vor dem Flug zu überprüfen. Das GFZ bietet auch eine Kp-Vorhersage an.
- Erstelle einen Plan, wie Du auf eine verminderte GPS-Leistung reagieren wirst, und informiere Deine gesammte Crew darüber (Checklist: Abnormal Procedures).
- Übe den ATTI-Modus und sei bereit, ihn zu auch regelmässig zu verwenden!
Das Beste, was wir tun können, um einen Unfall im Zusammenhang mit dem KP-Index zu verhindern, ist, mehr vorzubeugen als zu heilen – es hilft schon, sich über den KP-Index bewusst zu werden.
Wenn Dein GPS-Signal schlechter wird oder ganz ausfällt, bist Du gezwungen, den Flug im ATTI-Modus durchzuführen – einem Flugmodus, in dem die GPS-Positionierung und andere visuelle Positionierungssysteme deaktiviert sind – im Grunde genommen fliegst Du „im manuellen Modus“.
Jeder Fernpilot, der etwas drauf hat, muss sicherstellen, dass er seine UAVs in diesem Modus problemlos steuern und landen kann, auch bei starkem Wind oder in schwierigem Gelände.
Wann hast Du das das letzte mal geübt? Anregungen findest Du im Blog "ATTI-Mode"
Wieder mal zwei spannende Beiträge, merci Wolf! 🙂
Wir haben sowieso grad die Diskussion: „Wieso sind unsere Drohnen trotz noch nie gesehenem KP-Index so stabil in der Luft? Die Theorie sagt, dass wir instabliere Fluglagen („rumeiern“) erwarten sollten.
Die Spekulationen laufen dahin, dass
durch die Interpolation von 20+ Satelliten verschiedener Systeme (GPS, Glonas, Gallieleo, Beidou) besser gemittelt wird
aber auch die Qualität der einzelnen GPS-Satellitensignale sich im Laufe der Zeit verbessert hat. Siehe dazu auch https://youtu.be/qJ7ZAUjsycY
und ausserdem die GPS-Signale durch andere Sensorik in den Drohnen (Lage-/Beschleunigungssensoren) selber zwar nicht die Positionsgenauigkeit, aber die Fluglage wesentlich mitstablilisert wird.
Eine unbestätigte (aber interessante) Aussage ist auch, dass eih hoher KP-Index nicht unbedingt genau die schmalbandigen UHF-Frequenzen der Positionssatelliten betreffen muss, sondern auch mal (fast) ausschlieesslich andere Frequenzbänder stören kann.
Weiss da jemand mehr dazu?
Danke HP für Deinen interessanten Input.
Ich könnte mir auch vorstellen, dass ein hoher KP-Index auch nicht heisst, dass die Erdoberfläche bzw. dessen Magnetfeld homogen flächendeckend verändert, sondern dass es regional grosse Unterschiede gibt.
Zudem werden ja – wie im Blog erwähnt nicht zwingend die Navigationssatelliten und dessen Funksignale gestört, sondern durch rasche Änderungen der Teilchendichte in der oberen Atmosphäre die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Funkwellen verändert, was zu diesen Ungenauigkeiten führen kann.
Die Kombination dieser beiden Aspekte- zusammen mit Deinem Hinweis auf viel mehr geloggte Satelliten könnte es ausmachen, dass eben doch genügend velässliche Signale da sind, um die Genauigkeit zu gewährleisten. Auch wenn einzelne Satellitendaten stark gestört und deswegen ungenau sind, ist der Mittelwert der Signale trotzdem noch im Rahmen. Und es könnte auch sein, dass stark abweichende Signale heute sogar „ausgefiltert“ werden.
Alles in Allem: Eine interessante Diskussion, wäre schön, wenn sich da noch einige Experten dazu äussen würden.