🧭 Навигация и позиционирование БПЛА

Образовательная организация: [Наименование ОО]
Учитель: [ФИО учителя]
Дата проведения: [Дата]

Модуль: 🧠 Теоретические основы
Тема урока: 🧭 Навигация и позиционирование БПЛА

Цель урока: Сформировать у обучающихся понимание принципов работы навигационных систем БПЛА и их применения для точного позиционирования и автономного движения в пространстве.

Личностные:

• Развитие пространственного мышления и навигационной культуры
• Формирование понимания роли высокоточных технологий в современном мире
• Воспитание ответственности за точность и надежность технических систем

Предметные:

• Понимание принципов работы спутниковых навигационных систем
• Знание методов определения местоположения и ориентации БПЛА
• Умение анализировать точность и надежность навигационных данных
• Понимание принципов работы альтернативных систем позиционирования

Метапредметные (УУД):

• Познавательные: анализ технических систем, работа с координатами и картами, пространственное моделирование
• Регулятивные: планирование маршрутов, контроль точности выполнения задач
• Коммуникативные: использование навигационной терминологии, интерпретация картографических данных

Задачи урока:

1. Изучить принципы работы глобальных навигационных спутниковых систем
2. Освоить методы определения положения и ориентации БПЛА в пространстве
3. Проанализировать факторы, влияющие на точность навигации
4. Изучить альтернативные методы позиционирования для сложных условий

Тип урока: Урок изучения нового материала с практическими элементами

Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:

• Навигационное оборудование: GPS-приемники, компасы, высотомеры
• Демонстрационные материалы: модель созвездия спутников, схемы систем координат
• Цифровые ресурсы: навигационные приложения, карты, программы планирования полетов
• Измерительные приборы: дальномеры, инклинометры, магнитометры

Образовательные технологии:

• Технология проблемного обучения
• Практико-ориентированное обучение
• Информационно-коммуникационные технологии
• Исследовательская деятельность

Межпредметные связи:

• Математика: координатная геометрия, тригонометрия, векторы
• Физика: радиоволны, время, скорость света
• География: системы координат, картография, ориентирование
• Информатика: алгоритмы обработки сигналов, фильтрация данных

Основные понятия:

• GNSS (GPS, ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou)
• Трилатерация, мультилатерация
• Широта, долгота, высота, система координат
• Точность, погрешность, HDOP, VDOP
• IMU (инерциальный измерительный блок)
• RTK, DGPS, PPK - методы высокоточного позиционирования
• SLAM, Visual-Inertial Navigation

| “Как дрон знает, где он?” | Демонстрирует автономный полет квадрокоптера по заданному маршруту:

🤔 Ставит вопросы:
• “Как дрон определяет свое точное местоположение?"
• “Почему он не сбивается с курса?"
• “Что произойдет в здании без GPS?"

📍 Показывает проблему: дрон теряет GPS в помещении

Проблемный вопрос: “Какие технологии позволяют роботу ориентироваться в пространстве?”* | Наблюдают автономный полет, анализируют поведение дрона при потере GPS, выдвигают гипотезы о принципах навигации | Понимание сложности задачи автономной навигации | Познавательные: формулирование проблемы, выдвижение гипотез
Регулятивные: постановка исследовательских задач |

| Моделирование GNSS | Используя модель созвездия спутников и демонстрационную установку:

🛰️ Принцип трилатерации:
• Измерение расстояний до спутников
• Пересечение сфер для определения точки
• Роль времени в измерениях

⏱️ Временная синхронизация:
• Атомные часы на спутниках
• Поправки на релятивистские эффекты
• Влияние задержки сигнала

🌍 Созвездия спутников:
• GPS (США), ГЛОНАСС (Россия)
• Galileo (ЕС), BeiDou (Китай) | Моделируют процесс трилатерации с помощью циркуля и карты, рассчитывают положение по трем точкам, анализируют влияние погрешностей измерений | Понимание принципов работы спутниковой навигации | Познавательные: геометрическое моделирование, применение математических методов |

| Анализ погрешностей навигации | Демонстрирует на реальных GPS-приемниках:

📊 Источники погрешностей:
• Атмосферные задержки (ионосфера, тропосфера)
• Отражения сигнала (мультипас)
• Геометрия спутников (HDOP/VDOP)
• Селективная доступность

📱 Практические измерения:
• Сравнение точности в разных условиях
• Влияние препятствий на качество сигнала
• Время “холодного” и “теплого” старта | Проводят измерения с GPS-приемниками в разных условиях, анализируют изменение точности, строят графики качества сигнала | Понимание факторов, влияющих на точность спутниковой навигации | Познавательные: экспериментальное исследование, анализ данных
Регулятивные: планирование измерений |

| Технологии сантиметровой точности | Объясняет современные методы повышения точности:

📡 RTK (Real-Time Kinematic):
• Принцип дифференциальных поправок
• Базовая станция и ровер
• Сантиметровая точность в реальном времени

📈 PPK (Post-Processing Kinematic):
• Обработка данных после полета
• Применение в картографии и геодезии

🌐 Сетевые решения:
• Постоянно действующие базовые станции
• Виртуальные референцные станции | Анализируют принципиальные схемы RTK-систем, сравнивают точность различных методов, изучают примеры применения в профессиональных БПЛА | Знание современных методов высокоточного позиционирования | Познавательные: сравнительный анализ технологий, понимание принципов работы |

| Навигация без GPS | Демонстрирует принципы работы альтернативных систем:

🧭 Инерциальная навигация (IMU):
• Акселерометры и гироскопы
• Интегрирование ускорений
• Накопление погрешностей

👁️ Визуальная навигация:
• Optical Flow (оптический поток)
• Visual SLAM
• Ориентиры и маркеры

📡 Другие методы:
• Магнитная навигация
• Ультразвуковое позиционирование
• LiDAR SLAM | Экспериментируют с простейшими инерциальными измерениями, наблюдают работу оптических датчиков, анализируют преимущества и ограничения каждого метода | Понимание альтернативных принципов навигации и их применимости | Познавательные: системный анализ, сравнение методов
Регулятивные: оценка применимости технологий |

| Навигационное планирование | Организует работу с программным обеспечением планирования полетов:

🗺️ Работа с картами:
• Системы координат и проекции
• Планирование waypoint-маршрутов
• Учет ограничений и препятствий

📊 Анализ точности:
• Выбор навигационных методов
• Оценка погрешностей
• Запасы безопасности | Планируют простой полетный маршрут, устанавливают контрольные точки, анализируют требования к точности для разных задач | Практические навыки навигационного планирования | Регулятивные: планирование деятельности, контроль точности
Познавательные: применение теоретических знаний |

| Обобщение знаний | Организует обсуждение: “Какие навигационные технологии наиболее перспективны? Где применимы различные методы?”

🏠 Домашнее задание: “Навигационный эксперимент” - сравнить точность навигации смартфона в разных условиях (открытая местность, город, помещение) | Систематизируют знания о навигационных технологиях, планируют практические эксперименты | Обобщение знаний о принципах навигации | Регулятивные: планирование самостоятельной работы
Познавательные: систематизация знаний |

• Макет созвездия спутников
• Демонстрация принципа трилатерации
• Эксперименты с GPS-приемниками

• Приложения для анализа GPS-сигнала
• Программы планирования полетов
• Визуализация спутниковых созвездий

• Сравнение точности различных приемников
• Влияние окружающих условий
• Анализ качества сигнала в реальном времени

Базовый уровень:

• Понимание принципов спутниковой навигации
• Умение читать GPS-координаты

Продвинутый уровень:

• Анализ факторов точности навигации
• Планирование маршрутов с учетом ограничений

Высокий уровень:

• Выбор оптимальных навигационных решений
• Интеграция различных навигационных систем

• Понимание принципов работы GNSS (30%)
• Знание факторов точности (25%)
• Навыки работы с навигационными данными (25%)
• Умение планировать навигационные решения (20%)

• Устройство БПЛА → навигационные компоненты
• Аэродинамика → влияние ветра на точность позиционирования
• Метеорология → влияние атмосферных условий на GPS

• 📡 Радиосвязь и частоты: передача навигационных данных
• 🎯 Автономные миссии: планирование и выполнение маршрутов
• ✈️ Практическое пилотирование: навигация в реальных условиях

• Техническая реализация GPS-модулей → модуль “Электроника”
• Программирование навигационных алгоритмов → модуль “Программирование”
• Применение в картографии → модуль “Специализированные применения”

🌐 Глобальный контекст: показ навигации как глобальной технологии

🔢 Количественный подход: работа с реальными числовыми данными

🛠️ Практическая направленность: использование реального оборудования

🎯 Прикладной фокус: связь с конкретными задачами БПЛА

Абстрактность спутниковых технологий → использование моделей и аналогий

Сложность математических расчетов → фокус на принципах, а не вычислениях

Быстрое развитие технологий → акцент на фундаментальных принципах

• “Почему для навигации нужны минимум 4 спутника?”
• “Как автомобильные навигаторы работают в туннелях?”
• “Можно ли создать навигационную систему без спутников?”
• “Что происходит с навигацией во время магнитных бурь?”

• Учет доступности различных GNSS в регионе
• Анализ локальных факторов, влияющих на точность
• Примеры местных применений навигационных технологий