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Autonome Flugzeuge kommen mit erfolgreichen Radarerkennungs- und -vermeidungsversuchen voran

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Die Aussicht auf autonome Flugzeuge in unserem Himmel hat sich weiterentwickelt, nachdem Testkampagnen für radargestützte Erkennungs- und Ausweichsysteme in den USA wichtige Meilensteine erreicht haben.

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Der Einsatz künftiger autonomer Luftfahrzeuge wie Drohnen und eVTOL-Lufttaxis, manchmal auch als Advanced Air Mobility (AAM) bezeichnet, wird nur möglich sein, wenn die Fähigkeit zum Betrieb jenseits der Sichtlinie (Beyond Visual Line of Sight - BVLOS) entwickelt und den Luftfahrtbehörden als sicher nachgewiesen wird.

Ein grundlegender Bestandteil des BVLOS-Betriebs ist die autonome Erkennungs- und Vermeidungstechnologie (D&A). Die D&A-Technologie ermöglicht es Flugzeugen, unvorhergesehenen Objekten in der Luft auszuweichen, auch solchen ohne Transponder, wie z. B. Hobbydrohnen oder Flugdrachen.

Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist der Einsatz von Kameras und Computer-Vision-Algorithmen. Die Casia I und Casia X von Iris Automation, die ein 360˚-Kamerasystem verwenden, sind seit April letzten Jahres erhältlich und werden an Bord von Flugzeugen eingebaut, um D&A-Funktionen bereitzustellen.

Iris, das seine Technologie in den letzten sieben Jahren entwickelt und getestet hat, bietet auch eine bodengestützte Version namens Casia G an, die die gleiche Technologie verwendet.

Radargestützte D&A-Systeme funktionieren anders als kamerabasierte Systeme. Sie können Daten aus mehreren Quellen nutzen, darunter bodengestützte Radargeräte und an Flugzeugen angebrachte Radargeräte, um Objekte in der Luft zu erkennen und Befehle zur Vermeidung von Kollisionen zu erteilen.

Es hat sich als schwierig erwiesen, D&A-Funktionen mit Hilfe von Radar in der Luft zu realisieren. Das Radar muss aufgrund der hohen Geschwindigkeiten eine große Reichweite haben und in der Lage sein, den Luftverkehr von den Bodenhindernissen, einschließlich fahrender Autos, zu unterscheiden. Außerdem benötigen sie genaue Standortinformationen, um die Radarechos zu deuten.

Honeywell-Tests zum Erkennen und Vermeiden

Zwei verschiedene Testprogramme für radargestützte D&A-Systeme wurden kürzlich in den USA erfolgreich abgeschlossen.

Bei dem einen in Phoenix, Arizona, wurde das Radarsystem IntuVue RDR-84K von Honeywell getestet, bei dem anderen in Fort Worth, Texas, das System QuantiFLYTM von Bell. Beide Systeme änderten autonom den Kurs einer Drohne, wenn bei Testflügen ein Flugzeug auf Kollisionskurs erkannt wurde.

Laut Honeywell haben die jüngsten Tests des IntuVue RDR-84K gezeigt, dass das Radar zum ersten Mal in der Lage ist, den Luftverkehr zu erkennen und ohne menschliches Eingreifen autonom einen Kurs zu bestimmen.

Sapan Shah, Produktmanager für fortschrittliche Luftmobilität bei Honeywell Aerospace, sagte: "Wir haben das ultimative Spiel mit dem Huhn inszeniert, aber das RDR-84K hat diese Flugzeuge einfach nicht in Gefahr geraten lassen.

"Dies ist ein großer Fortschritt in Sachen Sicherheit, der weitreichende Auswirkungen auf die gesamte Luftfahrt haben könnte."

Nicht-kooperierender Verkehr

Piloten und die Flugsicherung sind darauf angewiesen, dass kooperierende Flugzeuge ihren Standort mit Hilfe von bordeigenen Transpondern übermitteln. Objekte ohne Transponder - Hobbydrohnen, Drachen, Vögel und Flugzeuge mit defekten Transpondern - werden als "nicht kooperierender" Verkehr bezeichnet.

Laut Honeywell haben die Tests in Arizona gezeigt, dass der RDR-84K nicht-kooperierenden Verkehr erkennen kann, wenn er auf Hubschraubern und Drohnen montiert ist.

Mit beiden Drohnen auf Autopilot flogen Honeywell-Ingenieure zwei Quadcopter-Drohnen auf einem Testgelände in der Wüste 300 Fuß über dem Boden direkt aufeinander zu.

Während mehrerer Testflüge erkannte die mit dem RDR-84K ausgestattete Drohne die nicht kooperierende "Eindringlingsdrohne" und bewertete deren Flugbahn. Dann berechnete sie ein Ausweichmanöver und übernahm die Navigation - sie flog nach links, rechts, oben, unten oder stoppte mitten in der Luft, je nach Wind und anderen Faktoren.

Sobald die Gefahr eines Zusammenstoßes gebannt war, gab das Radar die Kontrolle über die Drohne frei, und der Autopilot steuerte sie zurück auf ihren ursprünglichen Kurs.

Das Team forderte den RDR-84K dann mit immer schwierigeren Aufgaben heraus, z. B. Annäherung von unten, um sich im Bodengewirr zu verbergen, und aus versetzten Winkeln, um die periphere Sicht und die Fähigkeit des Radars zur Erkennung großer Winkel zu testen. Bei anderen Flügen wies das Team das Radar an, länger zu warten, bevor es agierte, und zwang es so zu aggressiveren Manövern.

"Das Radar hat alles gemeistert, was wir ihm aufgetragen haben", sagte Larry Surace, leitender Systemingenieur für das RDR-84K bei Honeywell Aerospace. "Es erkannte die Gefahr sofort und führte erfolgreich mehrere Ausweichmanöver durch."

Das kleine RDR-84K-Radar verfügt über einen Onboard-Prozessor und verwendet die Monopuls-Technologie, ein System sich überlappender Strahlen, das die Genauigkeit erhöht und Bodenstörungen eliminiert, um Ziele in einer Entfernung von bis zu 3 km zu erkennen. Das Radar steuert seine Strahlen elektronisch, hat also keine beweglichen Teile.

Bell testet bodengestütztes System

Unterdessen hat der texanische Hubschrauberhersteller Bell in Fort Worth seine bodengestützte D&A-Technologie unter Verwendung seiner Autonomous Pod Transport's (APT) auf ähnliche Weise getestet.

Die Tests waren eine Erweiterung eines NASA-Forschungsprogramms mit der Bezeichnung Systems Integration and Operationalization (SIO), das im vergangenen Jahr abgeschlossen wurde. Nach Angaben von Bell haben die jüngsten Tests die Fähigkeit der Technologie zur Integration mit bodengestützten Radarsystemen gezeigt.

Ziel der SIO-Demonstration war die Durchführung einer BVLOS-Mission in einem komplexen Luftraum unter Verwendung der D&A-Technologie zur Überwachung des Luftraums auf natürliche Eindringlinge mit dem Bell 429-Verkehrshubschrauber und dem unbemannten Flugzeug APT.

Das QuantiFLYTM-System von Bell, eine neue Kommunikationseinheit für Flugzeuge, die von Truth Data betrieben wird und eine automatische Flugdatenüberwachung (FDM) ermöglicht, wurde in der Bell 429 zur Aufzeichnung der Telemetriedaten des Flugzeugs eingesetzt.

Matt Holvey, Direktor für intelligente Systeme bei Bell, sagte: "Wir freuen uns, die Effektivität bodengestützter Überwachungslösungen als Teil der Infrastruktur für unbemannte Luftfahrtsysteme (UAS) zu demonstrieren.

"Radarüberwachung, ob luft- oder bodengestützt, kann ein wichtiger Bestandteil von Drohnenlieferungen, Lufttaxidiensten und anderen Aspekten des sich ständig erweiternden AAM-Ökosystems werden."

Lokale Partner

Ingenieure setzten Radarsysteme ein, um den komplexen Luftraum innerhalb der AllianceTexas Mobility Innovation Zone (MIZ) zu überwachen und bemannte und unbemannte Flugsysteme zu verfolgen.

Das örtliche Luftfahrtunternehmen Hillwood stellte ebenfalls mehrere Standorte für die Radaraufstellung zur Verfügung, und die Tests wurden im AllianceTexas Flight Test Center durchgeführt, das sich vier Meilen (6,4 km) nördlich des Alliance Airport Fort Worth befindet.

"Wir fühlen uns geehrt, mit Bell zusammenzuarbeiten, um die Testinitiativen zu starten, während sie mit der NASA zusammenarbeiten, um den Grundstein für die Zukunft der aufkeimenden Lufttechnologien zu legen", sagte Christopher Ash, Senior Vice President of Aviation Business Development bei Hillwood. "Die Daten, die sie aus diesen Bemühungen erhalten, werden es der Industrie ermöglichen, die Kommerzialisierung dieser Technologie über mehrere Plattformen hinweg voranzutreiben."

Darüber hinaus stellte Microsoft AirSim zur Verfügung, ein Simulationstool für das Training autonomer Systeme, mit dem Bell eine Digital Twin-Umgebung zur Verfügung gestellt wurde, um den Flug der NASA SIO Extension in der virtuellen Welt zu modellieren, bevor man durch den Korridor flog. Dies ermöglichte dem Team die Durchführung von simulierten realen Tests des APT-Flugzeugs in einem breiten Spektrum von Szenarien ohne Sicherheitsrisiken und zu einem Bruchteil der erforderlichen Kosten und Zeit.

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