Komponenten
Unterüberschrift
Welche UAV-Komponenten gibt es?
Flugsteuerung
Alle UAV verfügen über bestimmte Komponenten der Flugsteuerung, deren zentraler Teil der Flugsteuerungscomputer ist. Er empfängt die Signale sowohl von der Fernsteuerung (über eine Kabel- oder Funkverbindung) wie von den internen Sensoren, verarbeitet diese und gibt sie an die Steuerflächen oder Motoren weiter.
Bei Multikoptern erfolgt die Bewegungssteuerung über die Drehzahlvariation der einzelnen Rotoren, wodurch das UAV dreht oder kippt und seine Flugrichtung ändert. Bei Starrflüglern werden bewegliche Steuerflächen angesteuert, die resultierende Änderung des Auftriebs an den betroffenen Flächen erwirkt eine Änderung des Flugweges.
Für die Übertragung der Steuerbefehle der Boden- bzw. Kontrollstation an das UAV, aber auch für den Austausch von Daten ist eine Datenverbindung notwendig. Sie wird auch „C2-link“ genannt, wobei „C2“ für Command-and-Control steht. Sie ermöglicht auch die Übertragung von Telemetriedaten (bspw. Höhe, Geschwindigkeit, Akkustatu) oder Sensordaten (bspw. Bilder) von der Drohne zum Boden. Die Kommunikationsverbindung kann funkbasiert oder kabelgebunden realisiert werden und verfügt oft über eine Verschlüsselung. Wird die Datenverbindung um erweiterte Kommunikationsmöglichkeiten vom Boden zur Drohne, aber auch zu anderen UAV ergänzt, handelt es sich um einen „Command, Control and Communications“-link (C3-link).
Autopilotenfunktionen können in unterschiedlichem Ausmaß implementiert sein: Während kleinere Multikopter in der Regel über einfache Funktionen wie das automatische Halten von Höhe, Flugweg und Geschwindigkeit verfügen, können fortschrittliche Autopiloten auch vorprogrammierte Wegpunkte oder Flugmuster abfliegen. Einige Autopiloten ermöglichen sogar das automatische Ausführen einer vorprogrammierten Mission inklusive Start und Landung. Die meisten Drohnen verfügen zudem über eine „Return-to-Home“-Funktion (RTH-Funktion), eine Sicherheitsfunktion, welche die Drohne bei bestimmten sicherheitskritischen Funktionen wie niedrigem Akkustand oder Verlust der C2-Verbindung zu einem vordefinierten Startpunkt zurückfliegen lässt.
Forschungsbedarfe
Die Flugsteuerungsfunktionen von UAV müssen in der Lage sein, beim automatischen oder teilautonomen Flug in dynamischen Umgebungen sicher ihre Flugbahn anzupassen. Diese Funktionen müssen auch in unnormalen oder Notfallsituationen zuverlässig verfügbar sein und den jeweils geltenden Vorschriften genügen. Dafür müssen neue, energieeffiziente Algorithmen erforscht werden, wobei Teilfunktionen sinnvoll auf KI-Algorithmen durchgeführt werden können. Einen weiteren Forschungsbereich bildet die kooperative Steuerung von UAV im Schwarmbetrieb, wofür Steuerungsfunktionen und Kommunikationsprotokolle erforscht werden müssen. Ein wichtiges Augenmerk liegt zudem auf der Verringerung der Latenzzeiten und der Cybersicherheit des C2/C3-links.
Sensorik
Je nach Auslegung verfügen Drohnen über unterschiedliche interne und externe Sensoren. Für die grundlegende Lageregelung und Navigation sind zumindest ein Höhenmessgerät, ein Magnetkompass sowie trägheitsbasierte Beschleunigungs- und Drehratensensoren zur Bestimmung der Lage und der linearen Bewegungen vorhanden. Zusätzlich verfügen die meisten UAV über einen Empfänger für die Satellitennavigation (GNSS-Empfänger).
Um Kollisionen mit anderen Luftraumteilnehmern zu vermeiden, sind in vielen Ländern sogenannte Systeme zur Kollisionsvermeidung („Detect-and-Avoid“ – DAA) beim Betrieb von unbemannten Luftfahrtzeugen in bestimmten Zulassungskategorien oder Lufträumen vorgeschrieben. Für Europa gilt dies für den Betrieb von UAV in der „zertifizierten“ Kategorie sowie in der „spezifischen“ Kategorie, wenn das sogenannte „Luftrisiko“ (ARC) hoch ist (ARC-b oder höher), also bspw. in stark frequentierten Lufträumen und im BVLOS-Betrieb. DAA-Systeme sind somit eine wesentliche Schlüsseltechnologie für die Integration von Drohnen in den bemannten Luftraum. Das Prinzip des „Sehens und Ausweichens“ muss dabei nicht unbedingt durch technische Systeme umgesetzt werden, wo anwendbar können bspw. auch Beobachter eingesetzt werden. Häufig und insbesondere im BVLOS-Betrieb sind jedoch technische Maßnahmen unumgänglich. Diese können rein bordseitig, rein bodenseitig oder durch eine Kombination davon umgesetzt werden. Bordseitige Systeme nutzen dabei häufig die Fusion verschiedener Sensordaten wie Kamera, Radar und ADS-B-Signale, um Hindernisse zu erkennen und Ausweichmanöver zu initiieren.
Die externe Sensorik umfasst die für die Erfüllung der Mission notwendigen Komponenten. Diese können bspw. folgende Komponenten und Anwendungen umfassen:
- Kamerasysteme (RGB oder Infrarot) für Bild- und Videoaufnahmen für landwirtschaftliche Anwendungen oder Such- und Rettungsmissionen
- LiDAR-Sensorik für die Kartierung
- Multispektralsensorik für die Analyse von Pflanzen- und Bodenbedingungen
- Umweltsensoren, bspw. für die Messung von Luftpartikeln oder Luftfeuchtigkeit
Forschungsbedarfe
Insbesondere in Bezug auf Detect-and-Avoid-Systeme besteht Forschungsbedarf, da diese Systeme derzeit noch nicht leistungsfähig genug und / oder zu groß und schwer sind. Dafür sind die geeignete miniaturisierte Sensorik und die dafür notwendige energieeffiziente Datenfusion und Prozessierung zu erforschen. Die Sensortechnik muss dabei robust gegenüber Umweltbedingungen sein, d. h. auch bei Regen, Staub oder schlechter Sicht zuverlässige und präzise Daten liefern. Objekte und Hindernisse müssen dabei zuverlässig erkannt und klassifiziert werden. Insbesondere im Rahmen der Klassifizierung bieten sich dafür KI-Ansätze an. Für die Prozessierung der Sensordaten müssen geeignete Systeme zum Datenmanagement und der Prozessierung entwickelt werden. Insbesondere im Schwarmbetrieb kann der Einsatz von Edge- und Cloud-Computing erwogen werden.
Navigation
Die meisten UAV verwenden die Satellitennavigation als primäres Navigationsmittel. Diese basiert auf der Messung der Laufzeiten pseudorandomisierter Codes, die von Satelliten ausgesendet werden. Mittels Satellitennavigation werden bereits Genauigkeiten von wenigen Metern erreicht, durch verschiedene Maßnahmen wie Real-Time Kinematics (RTK) kann die Genauigkeit auf den Zentimeterbereich verbessert werden, indem eine Referenzstation mit exakt bekannter Position Korrektursignale an das UAV sendet.
Während GNSS-Navigation prinzipiell genau ist, unterliegt es natürlichen und menschgemachten Fehlerquellen. Zu den natürlichen Störfaktoren gehören atmosphärische oder elektromagnetische Störungen, in einem stark bebauten Umfeld (bspw. städtische Umgebungen) können Fehler durch Mehrwegausbreitungen und Abschattung der Signale entstehen. Zudem sind GNSS-Signale relativ schwach und unverschlüsselt und können somit leicht gestört werden. Solches GNSS-Jamming/Spoofing tritt derzeit verstärkt nahe Konfliktregionen auf, aber auch in größeren Bereichen über der Ostsee und dem östlichen Mittelmeer. Es werden somit auch andere Navigationsmöglichkeiten verwendet, die komplementär zur GNSS-Navigation eingesetzt werden können.
Die Trägheitsnavigation, welche auf der Messung von Drehraten und linearen Beschleunigungen basiert, kann als Backup oder in Kombination mit der Satellitennavigation zur Bestimmung von Lage, Position und Geschwindigkeit eingesetzt werden. Kleine Trägheitssensoren werden bereits bei vielen UAS-Typen eingesetzt. Trägheitsnavigation bietet den Vorteil, dass sie unabhängig von bodengebundenen Anlagen die autarke Navigation ermöglicht, allerdings unterliegt sie einem zeitabhängigen und kumulativen Drift und kann deshalb nicht über längere Zeiträume autonom operieren. Zudem sind die aus der konventionellen Luftfahrt bekannten Trägheitsnavigationssysteme relativ groß und schwer.
Weitere Möglichkeiten der Navigation umfassen
- WLAN-Positionierung durch Messung der Signalstärke mehrere WLAN-Router
- Funkortung unter Nutzung bodengebundener Anlagen wie VOR und DME, Mode-N und PARS (Phased Array Radio System)
- optische Verfahren (RGB-Kamera, Infrarotkamera, LiDAR)
- akustische Verfahren
- Magnetik
Forschungsbedarfe
Einige der oben genannten Verfahren sind noch relativ neu und befinden sich teilweise noch auf einem niedrigen technologischen Reifegrad, sodass hier weitere Forschung notwendig ist, um sie für den kostengünstigen Betrieb von UAV nutzbar zu machen. Insbesondere die Datenfusion verschiedener Navigationssysteme und die Miniaturisierung der Gesamtsysteme stellt derzeit noch eine Herausforderung dar. Ein besonderer Fokus sollte in diesem Kontext auf der präzisen Navigation in GNSS-freien oder störanfälligen Umgebungen wie Städten, Innenräumen, Wäldern oder unter GNSS-Jamming/Spoofing liegen. Es stellt sich die Frage, welche Systeme dafür sinnvoll GNSS-Navigation ergänzen oder ersetzen können. Im Bereich der Hinderniserkennung und -Vermeidung sind Algorithmen zu erforschen, die das zuverlässige Erkennen und sichere Ausweichmanöver gewährleisten können. In diesem Kontext ist auch der Einsatz von KI bzw. maschinellem Lernen zu erörtern. Fragen der sicheren und zuverlässigen Navigation stellen sich zudem im Hinblick auf den Schwarmbetrieb.
Drohnenabwehr
Aufgrund der steigenden Anzahl illegaler Drohnenaktivitäten wachsen auch die Anforderungen an effektive, kostengünstige und rechtssichere Maßnahmen zu Abwehr von UAV, die unabsichtlich oder bewusst das Luftrecht verletzen oder eine Gefahr für Menschen oder Infrastruktur darstellen. Die dafür nutzbaren Technologien befinden sich häufig noch in der Entwicklung und umfassen beispielsweise Netzwerfer, elektronische Maßnahmen, Abfangdrohnen, die das Zielobjekt rammen oder mit Hilfe von Netzen einfangen sowie im militärischen Bereich auch Laser- oder konventionelle Waffensysteme. Viele von diesem Systemen befinden sich derzeit noch in der Entwicklung oder Erprobung.
Generell muss bei der Drohnenabwehr stark zwischen dem jeweiligen Einsatzgebiet unterschieden werden: An oder in der Nähe von Flughäfen können elektronische Maßnahmen nur eingeschränkt zum Einsatz kommen, da sie auch den restlichen Flugverkehr stören könnten. Auch zerstörende Maßnahmen wie das Abschießen des Zielobjektes sind hier teilweise nicht nutzbar, da Trümmerteile auf dem Vorfeld, den Rollwegen oder den Start- und Landebahnen eine Gefahr darstellen. Dies gilt auch für das Abfangen von UAV über dichtbesiedelten Gebieten, wo Nicht-zerstörende Maßnahmen wie das Einfangen durch mit Netzen ausgestattete „Fangdrohnen“ besser geeignet sind. Dies birgt insbesondere im hoheitlichen / militärischen Kontext auch den Vorteil, dass das Zielobjekt nicht zerstört wird. Voraussetzung für die effektive Abwehr unrechtmäßig betriebener UAV ist jedoch die wirksame Früherkennung und Klassifizierung des Ziels, wofür leistungsstarke Radare, optische Erkennungssysteme und andere Sensoren eingesetzt werden können. Und nicht zuletzt müssen die Zuständigkeiten zwischen den Behörden bezüglich der Drohnenabwehr klar geregelt sein.
Forschungsbedarfe
Für die zuverlässige, schnelle und genaue Klassifizierung unkooperativer UAV sind leistungsstarke Algorithmen zur Sensordatenfusion und -Verarbeitung von bspw. Radardaten, akustischer oder optischer Sensorik oder Funkfrequenzerkennung notwendig. Insbesondere bei der Klassifizierung bieten sich hier KI-Algorithmen an. Technisch anspruchsvoll ist zudem die Umsetzung von kontrolliertem bzw. gerichtetem Jamming / Spoofing ohne unbeabsichtigte Störungen. Zukünftige autonom agierende Systeme könnten dabei sowohl Erkennung, Klassifizierung als auch die Abwehrmaßnahme selbstständig durchführen, wofür unter Anderem interoperable Protokolle und Datenschnittstellen zu anderen Kommunikations- und Dateninfrastrukturen zu erforschen sind.
Externe Ansprechpartner/ Informationen
Gut zu wissen:
Neuste Veröffentlichung: Positionspapier Drohnenabwehr des UAV Dach
Ansprechpartner: UAV DACH e.V. (https://uavdach.org/)
Einen Überblick zu den aktuellen Forschungsthemen im Bereich der Innovative Air Mobility finden Sie auch in den 10 Handlungsfeldern für eine zukunftsfähige Luftfahrtforschung auf der Website des Luftfahrtforschungsprogramms