Rush-hour über dem Boden

Dichter Verkehr, begrenzte Sicht, viele Hindernisse, hohes Unfall­risiko – solche Situationen, die wir aus dem Berufs­verkehr kennen, beschäftigen auch Dagi Geister. Aller­dings interessiert sich die promovierte Informatikerin nicht für verstopfte Straßen, sondern für den boden­nahen Luft­raum. Dort droht künftig ebenfalls hohes Verkehrs­aufkommen – wenn unbemannte Flug­geräte ganz neue Aufgaben über­nehmen.

Dr. Dagi Geister und ihr Team erforschen, wie sich Drohnen in den bestehenden Luftverkehr integrieren lassen.
Dr. Dagi Geister und ihr Team erforschen, wie sich Drohnen in den bestehenden Luftverkehr integrieren lassen. © DLR/Marek Kruszewski

In zehn Jahren sind Dienstleistungen mit Drohnen für uns wahrscheinlich eine Selbst­verständlichkeit. Verkehrs­über­wachung, Brand­begutachtung, Wartung von Wind­rädern oder der Transport von Blut­konserven könnten mit Drohnen künftig schneller, kosten­günstiger und vor allem sicherer ausgeführt werden. Die neue „Verordnung zur Regelung des Betriebs von unbemannten Flug­geräten“ des Bundes­verkehrs­ministeriums hat 2017 schließlich nicht nur den Luftraum, sondern auch einen großen kommerziellen Markt geöffnet. Drohnen dürfen nach dieser Verordnung zunächst nur bis zu 100 Meter hoch fliegen. Genau das macht die Sache kompliziert: „Im boden­nahen Luft­raum ist sehr wenig Platz verfügbar, vor allem im Stadt­gebiet“, erklärt Dr. Dagi Geister vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raum­fahrt (DLR).

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Während Passagier- und Frachtflugzeuge hoch oben breite Korridore nutzen, fliegen Drohnen in der Stadt innerhalb von komplexen Hindernis­kulissen. Neben Häuser­schluchten, Bäumen und Bau­kränen müssen sie auch bewegliche Objekte wie Rettungs­hub­schrauber umfliegen. Sensible Orte wie Regierungs­gebäude, Einsatz­orte von Polizei und Rettungs­kräften, Flug­häfen oder Wohn­grund­stücke dürfen über­haupt nicht angesteuert werden; auch Menschen­ansammlungen sind tabu. Mit einem Team von zehn Fach­leuten aus so unter­schiedlichen Disziplinen wie Luft- und Raum­fahrt­technik, Mathematik, Informatik, Verkehrs­ingenieur­wesen und Luftfahrt­psychologie erforscht Dagi Geister im Institut für Flug­führung des DLR in Braunschweig, wie sich Drohnen in den bestehenden Luft­verkehr integrieren lassen. Neben technischen Frage­stellungen unter­suchen die Wissen­schaftler­innen und Wissen­schaftler unter anderem sicher­heits­relevante Aspekte, wirtschaftliche Effizienz und gesellschaftliche Akzeptanz dieser zukünftigen Anwendungen.

Risiko­minimierte Flug­bahn für Drohnen

Noch fehlen allerdings europaweit harmonisierte Regeln zur Integration der neuen Flug­geräte in den urbanen Luftraum. Dies umfasst insbesondere Frage­stellungen zu Flug­regeln, Kollisions­erkennung und -vermeidung und der notwendigen technischen Ausstattung der Drohnen für einen sicheren städtischen Betrieb. Hier setzt das drei­jährige Projekt City-ATM an – ATM steht für Air Traffic Management. Damit erprobt Dagi Geister mit der Fachgruppe Unbemannte Luft­fahr­zeug­systeme, deren Leiterin sie ist, ein neues Konzept für das Luft­verkehrs­management. Es bringt Drohnen welt­weit erstmals auch bei hohen Verkehrs­dichten konflikt­frei und sicher mit konventionellen Flugzeugen und Hubschraubern im städtischen Luft­raum zusammen. „Wir weisen jedem einzelnen Fluggerät abhängig von seiner Leistungs­fähig­keit und technischen Ausstattung einen spezifischen Flug­weg und eine Art mehr­dimensionalen Sicherheits­abstand zu“, erläutert die Wissen­schaftlerin.

Dr. Dagi Geister an der DLR-Bodenkontrollstation U-FLY zur Planung, Steuerung und Überwachung von Drohnenflügen
Dr. Dagi Geister an der DLR-Bodenkontrollstation U-FLY zur Planung, Steuerung und Überwachung von Drohnenflügen © DLR/Marek Kruszewski

Für eine Drohne mit aufwendiger technischer Ausstattung, die beispiels­weise über präzise Navigations­systeme, robuste Kommunikations- und Über­wachungs­funktionen oder über eine verlässliche Umgebungs­sensorik verfügt, berechnet sie nach diesem Konzept einen relativ kleinen Sicherheits­abstand. In einer bestimmten Luft­raum­zelle könnten daher viele solcher Flug­geräte kollisions­frei fliegen. Eine technisch schwach gerüstete Drohne müsste dagegen einen großen Abstand wahren, um Unfälle zu vermeiden. Ist sie in einer Luftraumzelle im Einsatz, bleibt dort nur noch wenig Platz für weitere Verkehrs­teilnehmer. Auf dieser Grund­lage wird für jedes Flug­gerät im boden­nahen Segment eine risikoarme Route ermittelt. Bemannter Luft­verkehr – Rettungs­hubschrauber eingeschlossen – würden nach dem von der Fach­gruppe erstellten Konzept hingegen einen relativ großen Sicher­heits­abstand erhalten, um die jeweils durch­flogenen Luft­raum­zellen für diese Verkehrs­teilnehmer freizuhalten und somit deren Priorisierung in einem zukünftigen Luft­raum gerecht zu werden.

Viele Fach­bereiche sind gefragt

Für das Projekt City-ATM bündeln die DLR-Institute für Flugführung, für Flug­system­technik, für Luft- und Raum­fahrt­medizin, für Luft­transportsysteme und für Kommunikation und Navigation an den Stand­orten Braun­schweig, Hamburg und Ober­pfaffen­hofen ihre Expertise. Nur ein solcher inter­disziplinärer Ansatz wird den komplexen Anforderungen der Integration von Drohnen in den städtischen Luftraum gerecht. Die wissenschaftlichen Teams entwickeln zum Beispiel Kommunikations­technologien, Verkehrs­planungs- und Überwachungs­systeme für moderne Drohnen, errechnen optimale Flug­bahnen, erstellen betriebs­wirtschaftliche Modelle und führen Risiko­bewertungen für einzelne Drohnen­missionen durch. Sie unter­suchen die vielfältigen Auswirkungen auf den Luft­raum und erheben in Akzeptanz­studien, unter welchen Bedingungen Menschen überhaupt Drohnen­services gutheißen würden. Auch umwelt­relevante Fragen, wie etwa die mögliche Entwicklung von Lärm­emissionen, sollen Gegen­stand der Forschung in diesem Projekt sein. Als externe Partner sind neben dem vom Hamburger Zentrum für Angewandte Luft­fahrt­forschung (ZAL) geführten Netzwerk WiNDroVe („Wirtschaftliche Nutzung von Drohnen in Metropol­regionen“) auch große und mittelständische Unternehmen dabei, die schon Entwicklung und software­seitige Projekte für kommerzielle Drohnen­services betreiben.

Feldtest im Hamburger Hafen

Dagi Geister arbeitet seit über zehn Jahren an Verfahren und Technologien für unbemannte Flug­systeme, zuletzt in der Programmierung von Missions­planungs- und -anzeige­systemen für unbemannte Flug­systeme. Sie hat die fachliche Leitung über alle Forschungs­projekte, die sich am DLR-Institut für Flug­führung mit der Integration von Drohnen in den Luftraum beschäftigen. Dies umfasst auch das Projekt City-ATM, das seit Januar läuft und von Stefan Kern aus ihrem Team geleitet wird.

Das Projekt ist aus einem Workshop entstanden, zu dem Dagi Geister im letzten Jahr alle zum Erfahrungs­austausch eingeladen hatte, die im DLR an Drohnen forschen. Mit City-ATM wollen die Wissen­schaftler­innen und Wissen­schaftler die Einbindung von unbemannten Flug­geräten in den boden­nahen, städtischen Luft­raum in verschiedenen Einsatz­szenarien demonstrieren. Ende des Jahres ist die erste von vier Demonstrations­phasen geplant: Die Arbeits­gruppe plant den Aufbau eines redundanten Kommunikations- und Überwachungs­netz­werks, um mit mehreren Drohnen die Köhlbrand­brücke im Hamburger Hafen abzu­fliegen. Der Feld­test umfasst neben dem Flug der Drohnen, die den Bau­zustand der 3.618 Meter langen Brücke erfassen, auch die Absprache und Koordination von Drohnen­flügen mit dem Flughafen­betreiber und den Flug­lotsen am nahen Flughafen Finkenwerder. Ein großer Tag für das ganze Team um Dagi Geister: „Damit spielen wir einen realen Anwendungs­fall von Drohnen im städtischen Luftraum komplett durch – das ist ein Meilen­stein.“

DLR Institut für Flugführung: http://www.dlr.de/fl

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