This thesis describes the functional principle of FARN, a novel flight controller for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) designed for mission scenarios that require highly accurate and reliable navigation. The required precision is achieved by combining low-cost inertial sensors and Ultra-Wide Band (UWB) radio ranging with raw and carrier phase observations from the Global Navigation Satellite System (GNSS). The flight controller is developed within the scope of this work regarding the mission requirements of two research projects, and successfully applied under real conditions. FARN includes a GNSS compass that allows a precise heading estimation even in environments where the conventional heading estimation based on a magnetic compass is not reliable. The GNSS compass combines the raw observations of two GNSS receivers with FARN’s real-time capable attitude determination. Thus, especially the deployment of UAVs in Arctic environments within the project for ROBEX is possible despite the weak horizontal component of the Earth’s magnetic field. Additionally, FARN allows centimeter-accurate relative positioning of multiple UAVs in real-time. This enables precise flight maneuvers within a swarm, but also the execution of cooperative tasks in which several UAVs have a common goal or are physically coupled. A drone defense system based on two cooperative drones that act in a coordinated manner and carry a commonly suspended net to capture a potentially dangerous drone in mid-air was developed in conjunction with the project MIDRAS. Within this thesis, both theoretical and practical aspects are covered regarding UAV development with an emphasis on the fields of signal processing, guidance and control, electrical engineering, robotics, computer science, and programming of embedded systems. Furthermore, this work aims to provide a condensed reference for further research in the field of UAVs. The work describes and models the utilized UAV platform, the propulsion system, the electronic design, and the utilized sensors. After establishing mathematical conventions for attitude representation, the actual core of the flight controller, namely the embedded ego-motion estimation and the principle control architecture are outlined. Subsequently, based on basic GNSS navigation algorithms, advanced carrier phase-based methods and their coupling to the ego-motion estimation framework are derived. Additionally, various implementation details and optimization steps of the system are described. The system is successfully deployed and tested within the two projects. After a critical examination and evaluation of the developed system, existing limitations and possible improvements are outlined. / Diese Arbeit beschreibt das Funktionsprinzip von FARN, einer neuartigen Flugsteuerung für unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs), die für Missionsszenarien entwickelt wurde, die eine hochgenaue und zuverlässige Navigation erfordern. Die erforderliche Präzision wird erreicht, indem kostengünstige Inertialsensoren und Ultra-Breitband (UWB) basierte Funkreichweitenmessungen mit Roh- und Trägerphasenbeobachtungen des globalen Navigationssatellitensystems (GNSS) kombiniert werden. Die Flugsteuerung wird im Rahmen dieser Arbeit unter Berücksichtigung der Missionsanforderungen zweier Forschungsprojekte entwickelt und unter realen Bedingungen erfolgreich eingesetzt. FARN verfügt über einen GNSS-Kompass, der eine präzise Schätzung des Steuerkurses auch in Umgebungen erlaubt, in denen eine konventionelle Schätzung mit Hilfe eines Magnetkompasses nicht zuverlässig ist. Der GNSS-Kompass kombiniert die Messungen von zwei GNSS-Empfängern mit der echtzeitfähigen Lagebestimmung von FARN. Damit ist insbesondere der Einsatz von UAVs in arktischen Umgebungen im Rahmen des Projektes ROBEX trotz der schwachen horizontalen Komponente des Erdmagnetfeldes möglich. Zusätzlich erlaubt FARN eine zentimetergenaue relative Positionierung mehrerer UAVs in Echtzeit. Dies ermöglicht präzise Flugmanöver innerhalb eines Schwarms, aber auch die Ausführung kooperativer Aufgaben, bei denen mehrere UAVs ein gemeinsames Ziel haben oder physikalisch gekoppelt sind. In Verbindung mit dem Projekt MIDRAS wurde ein Drohnenabwehrsystem entwickelt, das auf zwei kooperativen Drohnen basiert, die koordiniert agieren und ein gemeinsam aufgehängtes Netz tragen, um eine potenziell gefährliche Drohne in der Luft einzufangen. Im Rahmen dieser Arbeit werden sowohl theoretische als auch praktische Aspekte der UAV-Entwicklung behandelt, wobei der Schwerpunkt auf den Bereichen der Signalverarbeitung, der Navigation und der Steuerung, der Elektrotechnik, der Robotik sowie der Informatik und der Programmierung eingebetteter Systeme liegt. Darüber hinaus soll diese Arbeit eine zusammengefasste Referenz für die weitere Drohnenforschung darstellen. Die Arbeit erläutert und modelliert die verwendete UAV-Plattform, das Antriebssystem, das elektronische Design und die eingesetzten Sensoren. Nach der Ausarbeitung mathematischer Konventionen zur Lagedarstellung, wird der eigentliche Kern des Flugreglers erläutert, nämlich die eingebettete Schätzung der Eigenbewegung und die prinzipielle Regelungsarchitektur. Anschließend werden, basierend auf grundlegenden Navigationsalgorithmen, fortgeschrittene trägerphasenbasierte Methoden und deren Zusammenhang mit der Schätzung der Eigenbewegung abgeleitet. Zusätzlich werden verschiedene Implementierungsdetails und Optimierungsschritte des Systems beschrieben. Das System wird innerhalb der beiden Projekte erfolgreich verwendet und getestet. Nach einer kritischen Untersuchung und Bewertung des entwickelten Systems werden bestehende Einschränkungen und mögliche Verbesserungen aufgezeigt.

Die Herstellung von optisch realistischen und hochgenauen 3D Modellen stellt eine zentrale Frage im Bereich der geodätischen und markscheiderischen Forschung dar. Mit dem zusehenden Aufkommen unbemannter Flugsysteme haben sich photogrammetrische Messsysteme als erschwingliche und flexible Alternative etabliert, wobei zur Gewährleistung definierter Genauigkeiten und somit zur Verwendung vergleichbarer Systeme für vermessungstechnische Anwendungen eine sorgfältige Flugplanung, Durchführung und Auswertung unbedingte Erfordernisse sind. Im vorliegenden Beitrag wird einerseits auf die laufenden Forschungen zu Genauigkeit und Anwendbarkeit der UAV-basierten Vermessung im Bergbau eingegangen und andererseits werden zukünftige Forschungstendenzen aufgezeigt, wodurch in neue, bislang nicht erreichbare Anwendungsfelder, vorgedrungen werden könnte. / Creating and visualizing realistic and accurate 3D models is a central ambition of research in the field of geodesy and mine surveying. Due to the increasing affordability of un-manned aerial vehicles (UAVs) photogrammetric systems have been well established as affordable and flexible alternative. In order to ensure a certain accuracy and thus to enable the usage for surveying applications, careful flight planning, implementation and evaluation are of special importance. This paper discusses the ongoing research on accuracy and applicability of UAV-based mine surveying as well as future research tendencies, whereby new, currently not achievable fields of application could be investigated.

Kaum eine technologische Neuentwickung der letzten Jahrzehnte hatte auf Anhieb einen derart starken Einfluss auf die markscheiderische und geodätische Praxis wie das Aufkommen unbemannter Flugsysteme (unmanned aerial system, UAS). Bedingt durch Größe und Tragfähigkeit dieser Systeme, beschränkt durch die vorherrschenden rechtlichen Rahmenbedingungen, sowie aufgrund der stetigen Miniaturisierung und Weiterentwicklung moderner Digitalkameras sind ein Großteil der am Markt befindlichen Systeme heutzutage mit Kameras als „eigentliches Vermessungsinstrument“ ausgestattet. Aufgrund der bei Drohnenbefliegungen üblicherweise unregelmäßigen und ungeordneten Bildverbände erfolgt die Auswertung in der Regel mittels automatisierter Mehrbildauswertung aus dem Bereich Computer Vision (Structure from Motion, SfM), wobei trotz zahlreicher erfolgreicher Anwendungen grundlegende Untersuchungen und belastbare Aussagen zur erreichbaren Genauigkeit nach wie vor fehlen. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die markscheiderische Forschung an der Montanuniversität nun schon seit mehreren Jahren mit der Anwendung von UAS im Bergbau, wobei insbesondere hinsichtlich der Ergebnisverantwortlichkeit die Identifikation und Wechselwirkung genauigkeitsrelevanter Einflussparameter den Kern der Arbeiten bildet. Neben Befliegungen im Realmaßstab, nehmen vor allem auch modellhafte Untersuchungen einen hohen Stellenwert in der Erforschung der gesuchten Zusammenhänge ein, welche im vorliegenden Beitrag präsentiert werden. / Hardly any new technological development in recent decades has had such a strong influence on geodetic practice as the emergence of unmanned aerial systems (UAS). Due to the size and carrying capacity of these systems, limited by the current legal framework, as well as due to the constant miniaturization and further development of modern digital cameras, the majority of systems on the market today are equipped with cameras as 'actual surveying instrument'. Due to the usually irregular and disordered image blocks in drone surveys, the evaluation is usually carried out by means of automated multi image evaluation from Computer Vision (Structure from Motion, SfM), whereby despite numerous successful applications fundamental investigations and reliable statements on the achievable accuracy are still missing. Against this background, research at Montanuniversitaet Leoben has been dealing with the application of UAS in mining for several years, whereby the identification and interaction of influencing parameters relevant to accuracy forms the core of the work. In addition to real-scale aerial surveys, model-based investigations also play an important role in the research of the desired interrelationships, which are presented in this article.

The advent of unoccupied aerial systems (UAS) as disruptive technology has a lasting impact on remote sensing, geophysics and most geosciences. Small, lightweight, and low-cost UAS enable researchers and surveyors to acquire earth observation data in higher spatial and spectral resolution as compared to airborne and satellite data. UAS-based applications range from rapid topographic mapping using photogrammetric techniques to hyperspectral and geophysical measurements of surface and subsurface geology. UAS surveys contribute to identifying metal deposits, monitoring of mine sites and can reveal arising environmental issues associated with mining. Further, affordable UAS technology will boost exploration data availability and expertise in the global south. This thesis investigates the application of UAS-based multi-sensor data for mineral exploration, in particular the integration of hyperspectral imagers, magnetometers and digital cameras (covering the visible red, green, blue light spectrum). UAS-based research is maturing, however the aforementioned methods are not unified effectively. RGB-based photogrammetry is used to investigate topography and surface texture. Image spectrometers measure mineral-specific surface signatures. Magnetometers detect geomagnetic field changes caused by magnetic minerals at surface and depth. The integration of such UAS sensor-based methods in this thesis augments exploration potential with non-invasive, high-resolution, safe, rapid and practical survey methods. UAS-based surveying acquired, processed and integrated data from three distinct test sites. The sites are located in Finland (Fe-Ti-V at Otanmäki; apatite at Siilinjärvi) and Greenland (Ni-Cu-PGE at Qullissat, Disko Island) and were chosen as geologically diverse areas in subarctic to arctic environments. Restricted accessibility, unfavourable atmospheric conditions, dark rocks, debris and vegetation cover and low solar illumination were common features. While the topography in Finland was moderately flat, a steep landscape challenged the Greenland field work. These restraints meant that acquisitions varied from site to site and how data was integrated and interpreted is dependent on the commodity of interest. Iron-based spectral absorption and magnetic mineral response were detected using hyperspectral and magnetic surveying in Otanmäki. Multi-sensor-based image feature detection and classification combined with magnetic forward modelling enabled seamless geologic mapping in Siilinjärvi. Detailed magnetic inversion and multispectral photogrammetry led to the construction of a comprehensive 3D model of magmatic exploration targets in Greenland. Ground truth at different intensity was employed to verify UAS-based data interpretations during all case studies. Laboratory analysis was applied when deemed necessary to acquire geologic-mineralogic validation (e.g., X-ray diffraction and optical microscopy for mineral identification to establish lithologic domains, magnetic susceptibility measurements for subsurface modelling), for example for trace amounts of magnetite in carbonatite (Siilinjärvi) and native iron occurrence in basalt (Qullissat). Technical achievements were the integration of a multicopter-based prototype fluxgate-magnetometer data from different survey altitudes with ground truth, and a feasibility study with a high-speed multispectral image system for fixed-wing UAS. The employed case studies transfer the experiences made towards general recommendations for UAS application-based multi-sensor integration. This thesis highlights the feasibility of UAS-based surveying at target scale (1–50 km2) and solidifies versatile survey approaches for multi-sensor integration. / Ziel dieser Arbeit war es, das Potenzial einer Drohnen-basierten Mineralexploration mit Multisensor-Datenintegration unter Verwendung optisch-spektroskopischer und magnetischer Methoden zu untersuchen, um u. a. übertragbare Arbeitsabläufe zu erstellen. Die untersuchte Literatur legt nahe, dass Drohnen-basierte Bildspektroskopie und magnetische Sensoren ein ausgereiftes technologisches Niveau erreichen und erhebliches Potenzial für die Anwendungsentwicklung bieten, aber es noch keine ausreichende Synergie von hyperspektralen und magnetischen Methoden gibt. Diese Arbeit umfasste drei Fallstudien, bei denen die Drohnengestützte Vermessung von geologischen Zielen in subarktischen bis arktischen Regionen angewendet wurde. Eine Kombination von Drohnen-Technologie mit RGB, Multi- und Hyperspektralkameras und Magnetometern ist vorteilhaft und schuf die Grundlage für eine integrierte Modellierung in den Fallstudien. Die Untersuchungen wurden in einem Gelände mit flacher und zerklüfteter Topografie, verdeckten Zielen und unter oft schlechten Lichtverhältnissen durchgeführt. Unter diesen Bedingungen war es das Ziel, die Anwendbarkeit von Drohnen-basierten Multisensordaten in verschiedenen Explorationsumgebungen zu bewerten. Hochauflösende Oberflächenbilder und Untergrundinformationen aus der Magnetik wurden fusioniert und gemeinsam interpretiert, dabei war eine selektive Gesteinsprobennahme und Analyse ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit und für die Validierung notwendig. Für eine Eisenerzlagerstätte wurde eine einfache Ressourcenschätzung durchgeführt, indem Magnetik, bildspektroskopisch-basierte Indizes und 2D-Strukturinterpretation integriert wurden. Fotogrammetrische 3D-Modellierung, magnetisches forward-modelling und hyperspektrale Klassifizierungen wurden für eine Karbonatit-Intrusion angewendet, um einen kompletten Explorationsabschnitt zu erfassen. Eine Vektorinversion von magnetischen Daten von Disko Island, Grönland, wurden genutzt, um großräumige 3D-Modelle von undifferenzierten Erdrutschblöcken zu erstellen, sowie diese zu identifizieren und zu vermessen. Die integrierte spektrale und magnetische Kartierung in komplexen Gebieten verbesserte die Erkennungsrate und räumliche Auflösung von Erkundungszielen und reduzierte Zeit, Aufwand und benötigtes Probenmaterial für eine komplexe Interpretation. Der Prototyp einer Multispektralkamera, gebaut für eine Starrflügler-Drohne für die schnelle Vermessung, wurde entwickelt, erfolgreich getestet und zum Teil ausgewertet. Die vorgelegte Arbeit zeigt die Vorteile und Potenziale von Multisensor-Drohnen als praktisches, leichtes, sicheres, schnelles und komfortabel einsetzbares geowissenschaftliches Werkzeug, um digitale Modelle für präzise Rohstofferkundung und geologische Kartierung zu erstellen.