Lufttaxis und Paketdrohnen flexibel in den urbanen Luftraum integrieren

"Kern des Konzepts ist eine flexible Bewertung jedes einzelnen Fluggeräts nach technischer Ausstattung und Größe", sagt Dr. Dagi Geister, die am DLR Institute of Flight Guidance die Fachgruppe Unbemannte Luftfahrzeugsysteme leitet. "Die in Bezug auf Navigationssystem, Detect and Avoid sowie Kommunikation-und Überwachungsfähigkeit gut technisch ausgestatteten Drohnen dürfen zahlreich in einem betrachteten Luftraumsegment fliegen. Kommen andernorts Drohnen mit weniger performanter Technik zum Einsatz, 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

"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 und natürliche Knotenpunkte

"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.

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.