Das DLR hat ein Verfahren entwickelt und in Cochstedt getestet, mit dem Drohnen ohne Funkverbindung selbstständig Hindernissen und anderen Flugverkehrsteilnehmern auch im dichten Luftraum ausweichen können. Das soll die Sicherheit im urbanen Luftraum erhöhen.
Speziell ausgerüstete Forschungsdrohne DexHawk während des Starts. Foto: DLR
Was passiert eigentlich, wenn die Funkverbindung zur Steuerung und Überwachung zu einer Drohne während eines Fluges unterbrochen wird? Können Drohnen bordautonom auch im dichten Verkehr fliegen? Und wie geht das? Mit diesen und anderen Fragen hat sich das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Projekt City-ATM beschäftigt. Die Forscher konzentrierten sich in diesem Zusammenhang darauf, Verkehrsszenarien zu untersuchen, in denen eine große Anzahl unterschiedlich ausgestatteter Drohnen gemeinsam und konfliktfrei in einem Luftraum betrieben werden. Ende 2021 fanden am Nationalen Erprobungszentrum für unbemannte Luftfahrtsysteme in Cochstedt die finalen Flugversuche mit mehreren Drohnen statt, bei denen die Forschenden die entwickelten Funktionalitäten demonstrierten.
„Üblicherweise werden Drohnen vom Boden gesteuert und kontrolliert. Das funktioniert beim Hobbypiloten mit einer Funkfernbedienung und bei ständigem Sichtkontakt zur Drohne“, berichtet Dr. Alexander Kuenz vom DLR-Institut für Flugführung. „Bei komplexeren Aufgaben für Drohnen kommen Bodenkontrollstationen zum Einsatz, wie sie auch im Projekt City-ATM entwickelt werden.“ Aufgaben einer solchen Bodenkontrollstation sind die Planung, Steuerung und Überwachung der Flüge. Der daraus resultierende Flugweg wird dann zur jeweiligen Drohne geschickt. Der Pilot überwacht vom Boden die Durchführung der Mission. Dabei unterstützt ihn das System, indem es unter anderem Konfliktsituationen mit anderem Verkehr erkennt und vermeidet. Die betroffenen Drohnen erhalten dann modifizierte Flugwege. Was aber passiert bei Problemen mit Bodenkontrollstationen, zum Beispiel wenn die Funkverbindung zur Drohne abreißt?
4D-Führungssystem
Um solche Fälle künftig bewältigen zu können, haben die DLR-Forscher im City-ATM-Projekt eine Drohne exemplarisch mit neuen Funktionen ausgestattet, die den bordautonomen Flug im dichten Verkehr ermöglichen. Eine wichtige Voraussetzung dabei: die Drohne muss ihre eigene Flugbahn selbstständig berechnen und im Bedarfsfall eigenständig umplanen können. Außerdem wurde sie mit einem bisher weltweit einzigartigen 4D-Führungssystem ausgestattet. Dieses erlaubt ihr, einer Flugbahn präzise in den drei räumlichen Dimensionen sowie zeitlich (vierte Dimension) zu folgen.
Vorbereitung der City-ATM-Flugversuche am Flughafen Cochstedt. Foto: DLR
Auf diese Weise kann die Drohne im Voraus erkennen, wann sie wo sein wird – und potenziell gefährliche Annäherungen mit umgebendem Flugverkehr frühzeitig umgehen und vermeiden. Die für diese Funktion notwendigen Informationen über den gleichzeitig stattfindenden Flugverkehr, beispielsweise die zivile Luftfahrt, andere Drohnen oder Segelflieger, erhält die Drohne im City-ATM-System von einem Tracking-Server der Deutschen Flugsicherung (DFS). Der Server sammelt entsprechende Verkehrsdaten, wertet diese aus und stellt sie der Drohne zur Verfügung. „Andere Hindernisse, wie zum Beispiel Bäume, Masten oder Hügel, werden von der Drohne selbstständig über LiDAR-Sensoren detektiert, die stetig den Raum vor der Drohne mit 3D-Lasern abtasten“, erklärt Kuenz. „Ein Softwaremodul zur Konflikterkennung und -vermeidung an Bord plant dabei den Flugweg der Drohne bei Bedarf um etwaige Hindernisse herum.“
Realtest im Erprobungszentrum Cochstedt
Um die entwickelte Lösung im Betrieb zu testen, führten die Forscher im Dezember 2021 am Nationalen Erprobungszentrum in Cochstedt Flugversuche mit mehreren Drohnen durch. Mit der Experimentaldrohne DexHawk konnten dabei die neuen 4D-Führungsfunktionen erfolgreich validiert werden: die Drohne folgte der vorgesehenen Flugbahn präzise. Mit der installierten LiDAR-Sensorik tastete die Drohne im Betrieb einen Lichtmast als Beispiel für ein Hindernis ab, das Ergebnis visualisierten die Forscher zu Kontrollzwecken auf der Bodenkontrollstation. Um das City-ATM-System in einem möglichst dichten Verkehrsszenario zu testen, ergänzten die Wissenschaftler die realen Drohnen vor Ort zusätzlich mit virtuellen Drohnen. Die Forschungsdrohne sollte in diesem Szenario also in einer Mischung aus realem und virtuellem Drohnenverkehr selbstständig ihre geplante Mission abfliegen und dabei Konflikte mit dem umgebenden Verkehr erkennen und selbstständig vermeiden. Außerdem demonstrierten die Wissenschaftler des DLR-Instituts für Flugsystemtechnik mit einer weiteren Experimentaldrohne ein neues Betriebskonzept, um Flüge außerhalb der Sichtweite des Piloten unter den 2021 neu eingeführten rechtlichen Rahmenbedingungen zu ermöglichen. Dies ist eine wichtige Grundlage für den zukünftigen Betrieb von Drohnen im urbanen Umfeld.
Flugversuche mit realen und virtuellen Drohnen. Foto: DLR
Um darüber hinaus zu untersuchen, welche Menge an Drohnen mit dem entwickelten City-ATM-System realistisch möglich wäre, berechneten die Forscher im Dezember in Laborversuchen ein besonders komplexes Szenario mit schwierigen Bedingungen, in dem jede Drohne in eine andere Richtung flog und ein Mindestabstand von 20 Metern zwischen den Drohnen gefordert war. Dabei kamen im Labor zur Konflikterkennung und -vermeidung die gleichen Softwaremodule wie auch in den Flugversuchen zum Einsatz. Es zeigte sich, dass mit den entwickelten Systemen aus City-ATM Flugszenarien möglich sind, bei denen in einem Quadratkilometer auf gleicher Höhe bis zu 85 Drohnen gleichzeitig sicher und effizient operieren können. (jr)