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Drohnen – Herausforderungen der Transportdienste von morgen

| Autor / Redakteur: Chip Downing, Reiner Duwe * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Wenn Drohnen im selben Luftraum unterwegs sind wie bemannte Flugzeuge oder Hubschrauber, muss sichergestellt sein, dass von ihnen keine Gefahr für die anderen Fluggeräte ausgeht. Ein Überblick.

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Eine Drohne: ihr Einsatz birgt große Herausforderungen in Sachen Safety und Security.
Eine Drohne: ihr Einsatz birgt große Herausforderungen in Sachen Safety und Security.
(Bild: ©naypong - stock.adobe.com)

Der Ausbau des europäischen Luftverkehrs für den kommerziellen Einsatz von unbemannten Luftfahrtsystemen (UAS), bekannt als Drohnen, birgt große Herausforderungen. Unterstützung für das Erreichen von Skalierbarkeit, Sicherheit und Security für UAS-Plattformen bietet der DDS-Standard.

Unbemannte Luftfahrzeuge können, unabhängig von ihrer Masse, neben bemannten Flugzeugen oder Hubschraubern im selben einheitlichen europäischen Luftraum eingesetzt werden. Dies ist eine sehr gewagte Aussage der European Union Aviation Safety Agency (EASA) im Rahmen der Commission Implementing Regulation (EU) 2019/947, einer europäischen Verordnung für unbemannte Luftfahrtsysteme (UAS), denn sie erfordert eine starke Infrastruktur für Management und Kontrolle.

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Um solch eine Infrastruktur zu schaffen, unterteilt die Verordnung den Drohnenbetrieb in die drei Kategorien offen, spezifisch und zertifiziert. Der Drohnenbetrieb in der offenen Kategorie, welche die geringsten Risiken aufweist, benötigt keine UAS-Plattformen oder deren Betreiber, um den Standard-Zulassungsverfahren für die Luftfahrt zu entsprechen. Die spezifische Kategorie hingegen deckt den Betrieb mit einem höheren Risiko ab und erfordert daher eine gründliche Risikobewertung, in der festgelegt wird, welche Anforderungen für die Sicherheit des Betriebs erforderlich sind. Der Betrieb in der zertifizierten Kategorie stellt das höchste Risiko dar und unterliegt der Zertifizierung des Betreibers, der Lizenzierung der Fernpiloten sowie der Zertifizierung des Luftfahrzeugs – vergleichbar mit den strengen und erprobten Zertifizierungen heutiger bemannter Flugzeuge.

Die härteste und wichtigste Zertifizierung

Mit diesen Verordnungen rückt die härteste und wichtigste Zertifizierung in den Fokus – der Betrieb von Drohnen im kontrollierten Luftraum in der Nähe von bemannten Flugzeugen, sowie der Einsatz von Drohnen zur Beförderung von Menschen und zur Lieferung von Waren in dicht besiedelte Gebiete. Die potenzielle Anzahl von Drohnen in diesen Bereichen kann sehr hoch werden und die derzeitigen Management- und Kontrollmöglichkeiten von Stadt- und Flugsystemen erheblich belasten. Daher erfordert dieser Betrieb innovative Ansätze, um die nachgewiesene Expertise in der Zertifizierung bemannter Flugzeuge mit der Assimilation von künstlicher Intelligenz (KI) und leistungsstarken Sensorplattformen zu kombinieren, um eine sichere Umgebung für Mensch und Maschine zu schaffen.

Solch eine Technologie basiert auf drei grundlegenden Herausforderungen, die gelöst werden müssen, um den Nutzen von UAS-Plattformen im kommerziellen Betrieb in dicht besiedelten Gebieten erheblich zu steigern: Skalierbarkeit, funktionale Sicherheit und Security. Diese Herausforderungen zeigen, dass neue und unternehmenskritische autonome Anwendungen eine bewährte, lose gekoppelte, standardbasierte und offene Kommunikationsplattform als Grundlage für ihren Erfolg benötigen. Der Data Distribution Service (DDS) ist ein bewährter Standard, der in verteilten, unvorhersehbaren und missionskritischen Umgebungen weit verbreitet ist. Er eignet sich insbesondere für dynamische, hoch skalierbare Umgebungen mit hoher Sicherheitsstufe, wie dem Drohnenbetrieb.

Skalierbarkeit für dynamische Systeme

Eine noch robustere Infrastruktur muss sich entwickeln, um der vorhergesagten massiven Zunahme unkontrollierter und kontrollierter UAS-Teilnehmer gerecht zu werden. Diese Infrastruktur kann nicht statisch sein, sondern muss einem zuverlässigen Flugbetrieb und bemannten Privatflugzeugen nachempfunden sein. Sie muss ein hochdynamisches System abbilden, das sich leicht anpassen lässt und an Stärke und Nutzen zunehmen kann, wenn künftig immer mehr ungeplante und unvorhersehbare Systeme in den gemeinsamen Luftraum gelangen.

Herkömmliche serverbasierte Punkt-zu-Punkt-Architekturen können die schnelle Integration neuer Plattformen, die den Luftraum ohne Vorwarnung betreten und verlassen, nicht unterstützen. Sie lassen sich nicht von einem einzelnen Sicherheits-Anwendungsfall oder einer Risikoanalyse auf eine Vielzahl von Geräten skalieren, die von mehreren dynamischen Datenquellen abhängig sind. Eine Technologie, die wie RTI Connext DDS auf dem DDS-Standard basiert, bietet eine lose gekoppelte Architektur sowie Erkennungsmechanismen, mit denen sofort neue Peer-to-Peer-Netzwerke erstellt werden können. Diese ermöglichen einen hocheffizienten Informationsaustausch in Echtzeit für eine Vielzahl von Anwendungsfällen, einschließlich UAS-Management.

Bei der Ausweitung des Flugbetriebs auf neue Fluggerätetypen muss die Sicherheit oberste Priorität haben. Die Herausforderungen des Sicherheitsmanagements in einem gemischten bemannten und unbemannten Luftraum werden weitaus größer sein als das, was man heute kennt. Bestehende Sicherheitsstandards, die sich über die Jahrzehnte durch das Reduzieren von Flugunfällen bewährt haben, müssen auf den Einsatz von unbemannten Systemen in ordnungsgemäß implementierten UAS-Sicherheitsanwendungsfällen inklusive Risikoeinschätzungen ausgeweitet werden.

Die derzeitige Sicherheits-Vorschrift folgt der Strategie erfolgreicher kommerzieller bemannter Flugzeughersteller und wendet bewährte Strategien zur Zertifizierung von Flugzeugen und -systemen auf der Grundlage bestehender Sicherheitsstandards an. Solch eine Software für den Flugverkehr erfordert die Kompatibilität mit EUROCAE ED-12C, die über einen hervorragenden Sicherheitsstandard und ein umfassendes Ökosystem an Servicefirmen verfügt, die jede Art von Softwarezertifizierung unterstützen können. Kommerzielle Technologie, die auf DDS basiert, punktet hier mit ihrem COTS- Zertifizierungspaket (Commercial-Off-the-Shelf), das die höchste Sicherheitsstufe für das Design von Avionik-Software EUROCAE ED-12C DAL A vollständig unterstützt.

Security als härteste Herausforderung

Security steht bei UAS-Systemen an erster Stelle. Mit täglich neuen, kleineren und schwer zu erkennenden UAS-Plattformen wird es immer schwieriger, Bedrohungen und Vorfälle zu entdecken und zu verwalten. Über die behördliche Security-Kontrolle hinaus müssen die Systembetreiber und Endnutzer strenge Security-Anforderungen an die Daten einhalten. Zudem müssen Endnutzer gegebenenfalls ausgewählte Daten von ihren Geräten bereitstellen, um potenzielle Sicherheitsbedrohungen zu bestätigen.

Da sich die Welt von einfachen, einzelnen Drohnen-Flügen zum stark vernetzten, sich ständig ändernden und dynamischen Flugbetrieb in dicht besiedelten Gebieten wandelt, wird das Unterscheidungsmerkmal künftig eine stets wachsame und anpassungsfähige Security-Komponente sein, die den Wert und Nutzen von kommerziellen unbemannten Luftfahrtsystemen definiert. Zukünftige UAS-Plattformen und -Systeme müssen über statische Sicherheits- und Security-Anwendungsfälle hinauswachsen und sich einer ständigen Flut von Bedrohungen entziehen, die noch zu definieren sind. Bei den heutigen Bodentransportfahrzeugen handelt es sich, bildlich gesprochen, um bewegliche Tresore mit Metallverriegelungen, die mit Verschlussmechanismen funktionieren. Die künftigen Liefersysteme im Luftverkehr hingegen werden relativ leichte, ungeschützte Plattformen sein, die um Bedrohungen herum navigieren müssen, um ihre Pakete sicher in den geschützten Materialdepots abzulegen.

Um ein funktionsfähiges autonomes Liefersystem zu schaffen, mit dem sowohl Personen als auch Pakete sicher und zuverlässig auf der ganzen Welt befördert werden können, bedarf es eines enormen Aufwands, vergleichbar mit dem Aufbau des heutigen kommerziellen Airline-Systems, das Jahrzehnte gedauert hat. Die Infrastruktur muss auf vertrauenswürdigen Technologiebausteinen aufbauen und auf Langlebigkeit ausgelegt sein. Denn sie muss die künftigen Generationen an Unternehmen und Verbrauchern schützen, die bei der Beförderung ihrer Waren und Dienstleistungen auf einen zuverlässigen und sicheren Betrieb angewiesen sind.

Der DDS-Standard bietet Unterstützung

Eine große Unterstützung bietet hier der DDS-Standard, der sich in über 200 autonomen Plattformen bewährt hat. Die Software RTI Connext DDS, basierend auf dem Standard, verbessert die Leistung und Erschwinglichkeit des Systems durch eine schnelle Interoperabilität mit anderen Systemen sowie Portabilität, lose Kopplung und QoS-Funktionen (Quality of Service) in Echtzeit. Als bewährte Technologie bietet sie schnelle Einführungs-, Wartungs- und Erweiterungsmöglichkeiten sowie Erfahrung im modularen Ansatz offener Systeme (MOSA). Sie eignet sich ideal für UAS/UAV-Schwarm-Konnektivitäts-Frameworks, besitzt die Zertifizierungsnachweise COTS RTCA DO-178C und EUROCAE ED-12C DAL A und verfügt über robuste Funktionen für Sicherheit, Security, Interoperabilität und Ausfallsicherheit mit der Unterstützung von FACE und SAE AS-4UCS. Im Einsatz ist Connext DDS bereits in über 1200 missionskritischen Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungssystemen weltweit.

* Chip Downing ist Senior Market Development Director of Aerospace and Defense, Reiner Duwe ist Sales Manager EMEA, beide bei RTI.

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