Sichere und zuverlässige Positionsbestimmung und Kommunikation für UAS in Verkehrs-Managementsystemen (Akronym: PoK-UVM)

UAS (Drohnen/UAV/RPAS) werden zukünftig – ähnlich wie beim Flugverkehrsmanagement (Air Traffic Management (ATM)) – zur Sicherstellung einer sicheren und effizienten Bewegung von Verkehrsflugzeugen während allen Phasen ihres Betriebes ihren Flugbetrieb von einer unabhängigen Instanz kontrolliert und koordiniert durchführen müssen. Weltweit sind Bestrebungen im Gange Verkehrs-Managementsysteme für Drohnen, sogenannte UTM (UAS Traffic Management) – Systeme aufzubauen. In Europa werden diese Aktivitäten unter dem Begriff „U-Space“ gebündelt.

Ein entscheidender Aspekt beim Aufbau von UTM wird dabei momentan immer noch vernachlässigt: für den effizienten und gefahrlosen Betrieb muss der UTM-Betreiber ständig über die genaue Position des UAS informiert sein, was bei UAS eine große Herausforderung darstellt. Hierzu ist eine zuverlässige Positionsbestimmung und Kommunikation zwischen UAS und UTM nötig, auch unter erschwerten Bedingungen, wie beispielsweise in entlegenen Gebieten oder bei Flügen außerhalb der Sichtweite (BVLOS – beyond the visual line of sight).

Die esc Aerospace GmbH wird zusammen mit der ANavS GmbH als Verbundpartner im Rahmen des Projekts PoK-UVM unter Zuhilfenahme neuester Technologien eine zuverlässige, ausfallsichere, modulare, präzise und kostengünstige Positionierungs- und Kommunikationslösung für UAS für den gefahrlosen und effizienten Einsatz in UTM entwickeln. Auf Grund der Modularität und Flexibilität der Lösung ist diese auch beispielsweise in der Automobil-Industrie, im Luftverkehr oder im Bereich in autonome Fahrzeuge anwendbar.

Konkret sollen im Projekt PoK-UVM entwickelt, integriert, getestet und in einem UTM-System zur Anwendung gebracht werden:

  • ein Kommunikationsmodul mit Mobilfunk-, WiFi- und Satellitenkommunikations-Kanälen und voll automatisierter und optimierter Umschaltung auf den jeweils am besten geeigneten Kanal
  • ein Modul für die zentimeter-genaue und zuverlässige Positionierung mit einem vollkommen neuen Verfahren zur Kopplung von GNSS-, INS-, Barometer-, Iridium Next (STL)- und GSM/ LTE -Daten

 

Der Kommunikationsteil der von uns vorgeschlagenen Lösung baut auf den Avionik/GNC/Autopilot/ Flugkontroll-Lösungen der esc Aerospace für unbemannte Flugsysteme und unseren Erfahrungen mit der Satellitenkommunikation aus dem Raumfahrtbereich auf. Bisher setzen diese Produkte auf Kommunikation via Modellbau Fernsteuerungen (27 MHz, 35 MHz, 40,6 MHz), Mobilfunk (3G, 4G, 5G) oder WiFi (2,4 Ghz und 5 GHz). In entlegenen Gebieten, in Häuserschluchten oder in der Nähe von Störquellen wird die notwendige Kommunikationsverbindung häufig gestört oder sogar unterbrochen. PoK-UVM fügt mit der Satellitenkommunikation einen störungssicheren und überall verfügbaren Kommunikationskanal hinzu. Die Umschaltung zwischen den Kanälen erfolgt voll automatisiert zum jeweils am besten geeigneten und verfügbaren Kommunikations-Kanal.

Das Positionierungs-Modul soll in seiner Basisversion eine zentimeter-genaue Positions- und Lagebestimmung für UAS ermöglichen. Sein kombiniertes Multi-Sensor-/ Prozessierungsmodul besitzt drei Multi-GNSS Empfänger (GPS, Galileo, GLONASS) zur 3D-Lagebestimmung (heading/ pitch/ roll), einen Inertial-Sensor, einen Barometer, einen Prozessor für die Positions- und Lagebestimmung und Anschlüsse für drei externe GNSS-Antennen und die Stromversorgung beinhaltet. Neu bei PoK-UVM ist die Integration von Iridium NEXT als alternative Quelle für Signale zur Positionsbestimmung.

Die momentan verfügbaren Positionierungs- und Kommunikations- Lösungen für UAS und autonome Systeme haben Einschränkungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Masse, Dimensionen und Preis. Typischerweise werden ein oder zwei der genannten Parameter erreicht, aber niemals alle zusammen. Für eine verbesserte Kundenakzeptanz werden die Verbundpartner eine Lösung zu entwickeln, welche sämtliche genannten Punkte erheblich verbessert.

 

Stand der Arbeit

Projektstart:                                01.12.2018

Projektende:                               30.11.2021

Ko-Finanzierung:                       Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie (StMWi)

Projekt-Koordinierung:            VDI/VDE

 

Die Verbundpartner haben mit der Spezifikation, Design und Integration der Positions- und Kommunikationslösungen begonnen. Erste Versuchsmuster auf Basis von kommerziell erhältlichen Komponenten sind für die Integration und Test in unserer Testplattform bereit. Die Ergebnisse fließen in den Design-Prozess ein und führen zu einem hinsichtlich Performance, Masse und Leistung optimierten Design. Als Testplattform wird ein auf der Foxtech GAIA basierendes UAS zum Einsatz kommen. Die GAIA bietet ausreichend Raum und kann genügend Masse tragen, um alle zu testenden Komponenten an Bord zu nehmen.

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Bildnachweis Lars Weimer

Diese Arbeit ist im Rahmen des Projekts “Sichere und zuverlässige Positionsbestimmung und Kommunikation für UAS in Verkehrs-Managementsystemen” (Akronym: PoK-UVM) entstanden, das vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Energie und Technologie (StMWi) durch das Zentrum Digitalisierung.Bayern, einer Initiative der Bayerischen Staatsregierung, finanziert wird.