Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat eine Möglichkeit aufgezeigt, wie weltweit erstmals unbemannte Fluggeräte aller Klassen mit konventionellen Flugzeugen und Hubschraubern in urbanen Lufträumen und darüber hinauszusammenbringt.
Paketdrohnen und fliegende Taxis Städten sind keine reine Science Fiction mehr, denn die technische Entwicklung solcher Fluggeräte schreitet rasant voran und sie werden zunehmend erschwinglich. Diese Drohnen stellen zukünftig aber das Luftverkehrsmanagement in Großstädten und allgemein im unkontrollierten Luftraum bis 762 Meter Höhe vor große Herausforderungen.
Technische Fähigkeiten des Fluggerätes entscheidet
Neue unbemannte Fluggeräte wollen in großer Vielfalt in den Luftverkehr integriert werden ohne den bisherigen bemannten Luftverkehr einzuschränken. Hier setzt das neue, vom DLR entwickelte Konzept an. Es erscheint als Blaupause für den städtischen, bodennahen Luftraum: Blueprint Concept for Urban Airspace Integration. Das Konzept fußt auf einer flexiblen Bewertung jedes einzelnen Fluggeräts nach technischer Ausstattung und Größe, so Dr. Dagi Geister, die am DLR-Institut für Flugführung die Fachgruppe Unbemannte Luftfahrzeugsysteme leitet.
Was in Bezug auf Navigationssystem, Detect and Avoid sowie Kommunikation- und Überwachungsfähigkeit technisch gut ausgestattete Drohnen angeht, so können diese in großer Zahl in einem betrachteten Luftraumsegment fliegen. Sind aber Drohnen mit weniger performanter Technik im Luftraum unterwegs, sind nur wenige Flugbewegungen in großem Abstand erlaubt. Prinzipiell dürfen im neuen Konzept aber alle Luftraumteilnehmer fliegen, unabhängig wie technisch aufwändig sie ausgerüstet sind.
Luftfahrzeug als mehrdimensionales Polygon
Die flexible Zuordnung technischer und fliegerischer Eigenschaften funktioniert im Konzept jeweils ganz plastisch über virtuelle mehrdimensionale Polygone, anhand derer jedes Luftfahrzeug individuell dargestellt wird. Je größer das Fluggerät und je schlechter die technische Ausrüstung in Bezug auf Navigation, Kommunikation und die Fähigkeit, andere Luftraumnutzer (kooperativ und unkooperativ) zu erfassen, umso größer fällt das Polygon aus. Je besser die Gesamtleistung ist, desto kleiner ist das resultierende Polygon.
So kann es beispielsweise sein, dass eine technisch schwach gerüstete Kameradrohne während ihres Einsatzes mit einem sehr großen mehrdimensionalen Polygon versehen wird, womit in der entsprechenden Luftraumzelle nur noch wenig Platz für weitere Fluggeräte verbleibt. Umgedreht werden technisch umfassend ausgestattete größere Fluggeräte mit einem sehr kleinen virtuellen Polygon versehen. Infolgedessen könnte eine Luftraumzelle innerhalb eines Zeitintervalls entweder von wenigen Luftfahrzeugen mit geringer Performance oder von mehreren Luftfahrzeugen mit hoher Performance verwendet werden.
Risikominimierte Flugbahn im U-Space
“Der Luftraum über urbanen Gebieten ist sehr sensibel”, erklärt Prof. Dr. Dirk Kügler, Leiter des DLR-Instituts für Flugführung. “Es gibt viel kritische Infrastruktur und sensible Orte, die nur eingeschränkt oder gar nicht überflogen werden dürfen, weshalb es sehr wichtig ist, allen Fluggeräten eine risikominimierte Flugbahn zuzuweisen.” Das soll im zukünftigen bodennahen Luftraum, dem sogenannten U-Space, laut Konzept über einen zentralen U-Space-Service geschehen.
Fluggeräte, die sich vor dem Flug anmelden, erhalten über diesen Service eine vorab umfassend simulierte und risikominimierte Flugbahn im Kontext der bereits fliegenden Luftverkehrsteilnehmer zugewiesen. Kritische Bereiche am Boden, beispielsweise mit großen Menschenansammlungen, werden vermieden. Daraus ergibt sich eine Flugroute mit möglichst kleinen Abweichungen zur Idealverbindung, die dem Piloten im Cockpit oder dem verantwortlichen Luftfahrzeugführer bei unbemannten Fluggeräten am Boden zugewiesen wird.
Günstige Missionsrouten, Kollisionsvermeidung
“Durch die umfassenden Berechnungen vorab sorgt die zentrale Steuerung im U-Space dafür, dass Kollisionen gar nicht erst zustande kommen”, sagt Geister. Durch die weitere Anforderung, möglichst gering bevölkerte Bereiche in Städten zu überfliegen, ergeben sich in der automatisierten Streckenplanung besonders begünstigte Missionsrouten und natürliche Knotenpunkte, etwa auf Strecken entlang von Flüssen.
Das Konzept dieses Ansatzes beruht auf einer effizienten multidimensionalen (Position, Zeit, Ausrüstungsgrad- und Performanzanforderungen) Luftraumsegmentierung, einer darauf abgestimmten strategischen Konflikterkennung und -lösung und einer spezifischen Modellierung der Performance unbemannter Fluggeräte.
Basierend auf unterschiedlichen Luftraumcharakteristika – beispielsweise Geländeklassen, Geofences, Verfügbarkeit von U-Space-Diensten, Auftreten von Sichtflug-Verkehr oder anderen nichtkooperativen Luftraumnutzern – wird der Luftraum in Zellen mit ähnlichen Anforderungen untergliedert. Dies führt zu einem Luftraummanagement, das bei geringer Dichte von Luftfahrzeugen viel Freiheit bei der Missionsplanung und Missionsdurchführung erlaubt, bei hoher Dichte jedoch wenig Freiheit.
Erprobung der Luftraumkonzpetes für Städte
Das neue DLR-Konzept zur Integration unbemannter Fluggeräte in den zukünftigen Luftraum – speziell den urbanen Luftraumgebieten – ist ein Auftakt zu weiteren Forschungsarbeiten in diesem Bereich. Anfang 2018 startet das DLR-Forschungsprojekt City-ATM, in dem das neue Konzept in den nächsten drei Jahren beispielhaft umgesetzt und bei Flugversuchen erprobt wird. Insgesamt fünf DLR-Institute bündeln im Projekt City-ATM ihre Expertise zu Luftverkehrsmanagement, Kommunikations- und Navigationstechnologien, Vehikelkonzepten, Vehikeldesign, Human Factors sowie operationeller und wirtschaftlicher Machbarkeit. Ziel ist es, die Integration von unbemannten Fluggeräten technisch und wirtschaftlich zu demonstrieren und dabei Fragen der Sicherheit und gesellschaftlichen Akzeptanz zu adressieren.
Die Forschungsarbeiten reihen sich ein in die europaweite Planung eines zukünftigen Luftraums, dem sogenannten SESAR U-Space, in dem konventionelle und unbemannte Fluggeräte nebeneinander operieren sollen.
Auf den Bildern
Virtuelle Darstellung der Sicherheitsabstände zweier Fluggeräte: Im DLR-Konzept für urbane Lufträume kann eine Luftraumzelle innerhalb eines Zeitintervalls entweder von wenigen Luftfahrzeugen mit geringer Performance oder von mehreren Luftfahrzeugen mit hoher Performance verwendet werden. Entsprechend größer oder kleiner fallen die Sicherheitsabstände aus.
Flugbewegungen im urbanen Luftraum: Zukünftig sollen unbemannte und bemannte Fluggeräte nebeneinander den urbanen Luftraum nutzen. Das DLR hat dazu Lösungen in einem wegweisenden Konzept vorgelegt.
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