Wie man Drohnen und Flugtaxis vor Kollisionen schützt

Der Luftraum ist heiß begehrt. Bereits an die 37.000 Passagierflugzeuge überfliegen an Spitzentagen Europa. Dazu kommen Fracht- und Kleinflugzeuge, Hubschrauber und seit einigen Jahren vor allem auch Drohnen. Allein in Österreich sind mittlerweile 100.000 dieser Fluggeräte im Einsatz, schätzt der ÖAMTC. Künftig sollen auch größere unbemannte Luftfahrzeuge wie selbstfliegende Lufttaxis in den Luftraum integriert werden, die Menschen in der finalen Ausbaustufe ohne Piloten von A nach B transportieren.

Zukunft der Luftfahrt

Damit es in dem Gewusel von verschiedenen Flugobjekten auf unterschiedlichen Flughöhen nicht zu kritischen Situationen oder gar folgenschweren Kollisionen kommt, sind neben der gesetzlichen Ordnung des Luftraums eine Reihe neuer Technologien notwendig. Auch in Österreich wird in diese Richtung viel geforscht, etwa am AIT Austrian Institute of Technology, das mit zehn Standorten in mehreren Bundesländern vertreten ist.

Im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms TAKE OFF werden derzeit diverse Software- und Hardware-Lösungen entwickelt, um Drohnen in ihren Flugmanövern sicherer zu gestalten und Navigationssysteme weniger störungsanfällig zu machen. „Anti-Kollisionssysteme sind ein Schlüssel für die Zukunft von unbemannten Flugobjekten. Dabei werden unterschiedliche Sensortechnologien eingesetzt und fusioniert“, erklärt Christoph Sulzbachner vom AIT im Gespräch mit der futurezone.

Kameras und Sensoren

Neben herkömmlichen Kameras, die mit ihren hochauflösenden Farbbildern quasi als künstliche Augen für die Drohne dienen, setzen die Forscher auch auf thermische Infrarotkameras. Diese messen die Wärmestrahlung eines Objekts und seiner Umgebung.

„Jeder Motor erzeugt Wärme. Mit Thermografie lassen sich auf diese Weise auch Flugobjekte entdecken, die vor einem farbengleichen Hintergrund sonst nicht oder kaum zu erkennen wären“, erklärt Sulzbachner.

Radar und Ultraschall

Darüber hinaus werden auch spezielle Radarsysteme verbaut, die eine Ortung von Objekten mittels reflektierter elektromagnetischer Wellen ermöglichen. Die verschiedenen Aufnahmen werden zusammengeführt und von der Drohne an Bord in Echtzeit ausgewertet. So kann im Ernstfall ein Ausweichmanöver augenblicklich eingeleitet werden.

Für Drohnen, die in Gebäuden und zwischen Wänden navigieren müssen – etwa um eingestürzte Gebäude nach Naturkatastrophen zu untersuchen - wird mittlerweile auch mit Ultraschall experimentiert.

Gewicht als Problem

Während einige dieser Technologien in der einen oder anderen Form in größeren Flugzeugen längst verbaut sind, lassen sich diese nicht so leicht auf kleinere Flugobjekte wie Drohnen übertragen.

„Für kleinere unbemannte Flugobjekte kommen immer drei Faktoren hinzu: Baugröße, Gewicht und Energieverbrauch. Natürlich kann kein Standcomputer in einem zehn oder 20 Kilogramm schweren Luftfahrzeug eingebaut werden, sondern es werden eingebettete Systeme eingesetzt. Jede zusätzliche Komponente hat Einfluss auf die Flugfähigkeiten und die Akkudauer“, sagt Sulzbachner.

Mehr Gewicht könne zudem dazu führen, dass andere Regularien für das Flugobjekt greifen. Die Instrumente an Bord müssen in Kombination mit der entwickelten Software folglich besonders effizient arbeiten.

Funk zu langsam

Als große Herausforderung gilt dabei die enorme Datenmenge, welche durch die präzisen Sensoren gesammelt und sofort verarbeitet werden muss. Zwar besteht im Normalfall eine Datenverbindung vom Boden zur Drohne. Eine Auswertung mittels leistungsstarken Systemen am Boden, um dem Flugobjekt schließlich von dort wieder Befehle hochzuhofunken, ist aber dennoch keine Option. „Im Ernstfall würde die Datenübertragung viel zu lange dauern, damit die Drohne auf ein Hindernis rechtzeitig reagieren kann“, erklärt Sulzbachner.

Ein Thema, dass die Forscher ebenfalls beschäftigt, ist die Navigation. Denn damit ein autonom fliegendes Objekt überhaupt so präzise und schnell auf seine Umgebung reagieren kann, muss es zu jedem Zeitpunkt genau wissen, wo es sich gerade befindet. Die meisten Systeme vertrauen derzeit auf eine satellitengestützte Positionsbestimmung. Doch diese bietet nur eine gewisse Genauigkeit und ist zudem anfällig für atmosphärische Störungen sowie Funkinterferenzen.

Alternative zu GPS

Am AIT wurde deshalb ein alternatives Navigationssystem entwickelt, das komplett unabhängig von Satelliten funktioniert. Dabei wird ein auf der Drohne angebrachtes Kamerasystem zum Boden hin ausgerichtet und schießt fortlaufend Bilder.

Diese werden in Echtzeit mit bereits georeferenziertem Bildmaterial und markanten Texturen, wie Straßen, Flüssen oder auch einem Waldstück abgeglichen. Anhand der Übereinstimmung von Live-Bild und hinterlegtem Kartenmaterial kann die Drohne ihre Position und Lage ganz genau bestimmen.

Schlecht bei Nebel

Diese Technologie hat das AIT bereits erfolgreich getestet. Einschränkungen dabei sind, dass die Drohne in einer Mindesthöhe in der Luft sein muss, um einen brauchbaren Ausschnitt aufzunehmen. Umweltbedingungen, wie etwa dichter Nebel oder Flüge über große Wasserflächen machen es für das System schwer möglich brauchbare Bilder zu generieren. Es könnte künftig aber satellitengestützte Navigationssysteme ergänzen und dadurch robuster gestalten.

Regulatorische Fragen

Viele Themen – etwa wie ein unbemanntes Flugobjekt in den zivilen Luftraum integriert wird, welche Funkfrequenzen verwendet werden oder welche Bauvorschriften anzuwenden sind, sind noch nicht restlos geklärt. Denn viele Regularien werden von Luftfahrtexperten gerade erst in internationalen Gremien erarbeitet.

Mit seiner Forschungsarbeit will auch das AIT zur sicheren Gestaltung der künftigen Luftfahrt beitragen und so einen österreichischen Beitrag für die gesetzlichen Rahmenbedingungen leisten. Denn Forschungsergebnisse wie etwa zum Thema Kollisionsvermeidung werden bei der Erstellung von Regularien berücksichtigt.

Österreich mischt mit

„Im Bereich Luftfahrt ist Österreich sicher ein globaler Player, da hier viel innovative Forschung und Entwicklung stattfindet und einige international sehr erfolgreiche Firmen tätig sind“, sagt Sulzbachner. Darüber, ob wir schon bald mit Flugtaxis durch die Luft düsen oder unbemannte Flugobjekte in nächster Zukunft hauptsächlich für Logistikanwendungen – etwa als Paketzusteller aus der Luft – oder zum Vermessen und Dokumentieren der Erdoberfläche eingesetzt werden, wollte er nicht spekulieren.

„Wenn man das so genau wüsste, hätte man wirtschaftlich für die nächsten Jahre wohl ausgesorgt.“