Radarnetzwerk für den sicheren Flugbetrieb auf Vertiports
Bei den Olympischen Spielen 2024 können Menschen sich erstmals mit
Flugtaxis zu den Spielstätten fliegen lassen. Start und Landung von
senkrecht startenden Fluggeräten wie Drohnen, Multikoptern und Flugtaxis
werden auf sogenannten Vertiports stattfinden. Forschende am Fraunhofer
FHR entwickeln ein volldigitales Sensornetzwerk inklusive Radarsensor, das
künftig den Flugverkehr an Vertiports hochgenau überwachen und einen
sicheren Flugbetrieb gewährleisten soll. Das System umfasst dezentrale
aktive und passive Sensoren, die vollständig autonom funktionieren, sich
selbst miteinander vernetzen und gemeinsam den gesamten Start- und
Landeplatz abtasten.
Drohnen und Multikopter werden bereits heute im Katastrophenschutz, bei
der Feuerwehr oder bei der Brückeninspektion eingesetzt. Künftig werden
die unbemannten Luftfahrzeuge (Unmanned Aerial Vehicles, UAV) weitere
Aufgaben übernehmen – etwa im Logistikbereich bei der Auslieferung von
Paketen. Bei den Olympischen Spielen 2024 in Paris sollen erstmals in
Europa Passagiere mit Flugtaxis transportiert werden.
Luftfahrtunternehmen planen, die Spiele mit »Electrical Vertical Takeoff
and Landing«-Systemen, kurz eVTOL, auszustatten, um Personen vom Flughafen
zu den Spielen zu befördern. Zunächst werden die Drohnensysteme von einem
menschlichen Piloten gesteuert, je ein Passagier findet in einem Flugtaxi
Platz. In einigen Jahren sollen diese dann autonom fliegen – die
gesellschaftliche Akzeptanz vorausgesetzt. Ein wichtiger Aspekt in diesem
Zusammenhang ist die Sicherheit der Flug- und Landeplätze, der sogenannten
Vertiports, die für elektrisch angetriebene, senkrecht startende und
landende Fluggeräte, eVTOLs, vorgesehen sind, und die auf Dächern, in
Bahnhöfen, Parkplätzen oder anderen urbanen Strukturen integriert werden
sollen. Vertiports müssen höchste Sicherheitsanforderungen erfüllen. Einen
wichtigen Beitrag zur Sicherheit der neuen Drohnenstopps wollen Forschende
des Fraunhofer FHR mit einem modularen volldigitalen Sensornetzwerk samt
Radarsensor beitragen, das sich beliebig an die Größe des jeweiligen
Vertiports anpassen lässt. Es verwendet sowohl aktive als auch passive
Sensoren.
Radarnetzwerk organisiert sich unter Verwendung aktiver und passiver
Sensoren selbst
»Die Knoten sind volldigital, und jeder Sensor im Netzwerk funktioniert
vollständig autonom. Die Sensoren werden nicht über eine zentrale
Rechnereinheit koordiniert, sie vernetzen sich selbst miteinander. Sie
können sich eigenständig untereinander lokalisieren und organisieren.
Jeder Sensor verfügt im Sinne von Edge Computing über eine eigene
Recheneinheit und kennt den Standort des anderen im Netzverbund«,
erläutert Oliver Biallawons, Wissenschaftler der interdisziplinären
Kompetenzgruppe »Civil Drone Systems« am Fraunhofer FHR in Wachtberg. Die
Sende- und Empfangsaufgaben werden auf die einzelnen Sensoren verteilt,
die sich hierbei untereinander abstimmen. Die dezentralen aktiven und
passiven Sensoren, die am Boden angebracht sind, tasten gemeinsam den
gesamten Start- bzw. Landeplatz ab, sowie den darüber befindlichen
Luftraum. Je nach Bedarf entscheidet das Netzwerk, welcher Sensor aktiv
(Senden und Empfangen) und welcher in einem passiven Modus (nur Empfangen)
operiert. Je mehr Sensoren das Netz umfasst, desto größer ist der zu
überwachende Bereich. Wird ein Sensor bzw. Radarknoten entfernt oder
hinzufügt, funktioniert das Radarnetzwerk dennoch einwandfrei.
Der Schlüssel zur Selbstorganisation und dezentralen Verarbeitung des
Netzwerks ist die Verbindung der einzelnen Knoten über drahtlose
Kommunikationskanäle, die in das Radarsignal integriert werden. Durch die
integrierte Abwicklung der Netzwerkkommunikation im Radarsignal wird es
sich nahtlos in die zukünftige Telekommunikationsinfrastruktu
lassen und so einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zur Verschmelzung
von vollwertigem Radar und Telekommunikation darstellen. »Wir werden das
Kommunikationssignal in die Radarwelle integrieren und keine separaten
Kanäle für Radar und Kommunikation verwenden«, sagt der Diplom-Ingenieur.
Sensoren detektieren und klassifizieren Hindernisse
Die Besonderheit des Radarnetzwerks, das die Forschenden als Civil Drone
Systems (CDS) Network bezeichnen: Im Gegensatz zu Test-
Überwachungssystemen, die auf Mobilfunk basieren, kann das System auch
solche eVTOLs erkennen, die kein entsprechendes Kommunikationsgerät wie
einen Chip oder Tag an Bord haben. Darüber hinaus kann die
Sicherheitslösung durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz nicht nur
Hindernisse, die die Ein- und Ausflugsschneise blockieren, detektieren,
sondern diese auch klassifizieren. Das heißt, sie ist in der Lage, Objekte
wie etwa Bäume, Vögel oder Drohnen zu klassifizieren. Das Radarnetzwerk
erkennt sogar die Größe einzelner Drohnen und mit wie vielen Rotoren diese
jeweils ausgestattet sind.
Die Radarsensorik liegt als Demonstrator vor, sie muss jedoch noch
deutlich miniaturisiert werden. »Schreitet die Urbanisierung weiter voran,
ist es langfristig unausweichlich, die Transportsysteme auch in die Luft
zu verlagern. Dies gelingt nur mithilfe ausgeklügelter Sicherheitssysteme
für hindernisfreies Starten und Landen wie unser modulares, resilientes
Netzwerk aus strahlungsarmen, kommunizierenden Radarknoten«, so der
Forscher. Das System kommt nicht nur für Vertiports infrage, es könnte
künftig auch Korridore überwachen, auf denen sich Transportdrohnen durch
die Städte bewegen.
