Aviation Research Center Switzerland - Strategischer Partner
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Aviation Research Center Switzerland
Strategischer Partner:
ARCS Projekte Vorstellung der folgenden Projekte: • Nutzung Mobilfunk für Drohnen • Einfluss auf CNS Signalqualität durch Windkraftanlagen ARCS Aviation Research Center Switzerland
Nutzung Mobilfunk für Drohnen: Organisation
Projektorganisation
Projektleitung: Michel Guillaume, Leiter Zentrum für Aviatik der ZHAW
Projektsumme: CHF 85’000 ohne MwSt. (Finanzierung skyguide)
ARCS Aviation Research Center Switzerland
Nutzung Mobilfunk für Drohnen: Zeitplan
Zeitplan:
Phase 1: Recherche
Phase 2: Detailstudie
Phase 3: Entwicklung Roadmap mit Fazit
Meilensteine:
• Projektbeginn ab 01.09.2017 mit Auftragserteilung an ARCS
• Aufbau Projektteam mit Kickoff-Meeting am 24.08.2017
• Erstellung Zwischenbericht und Review Vorstand bis 20.12.2017 (Projektteam ARCS)
• Review Recherche mit 1. Zwischenbericht bis 09.01.2018 ( Präsentation Status im
Innovation Board Meeting)
• Review Detailstudie mit 2. Zwischenbericht bis 30.05.2018 (Vorstand)
• Review Roadmap mit Fazit bis 31.07.2018 (ARCS Review Meeting vor Sommerferien)
• Ablieferung Schlussbericht bis 30.08.2018 (Präsentation & Executive Summary
Innovation Board Meeting)
Herausforderungen:
• Mobilfunkanlagen strahlen Richtung Boden, Signalstärke sollte ausreichend sein
• Sendung an nicht genutzte Mobilfunkbasen, Beeinflussung der Bandbreite
• Konnektivität sowie Latenzzeit sind wichtig, Massnahmen bei Netzausfall
• Business-Modelle
ARCS Aviation Research Center Switzerland
Nutzung Mobilfunk für Drohnen Was heisst Unmanned Traffic Management (UTM = U-space): Es geht dabei um die Koordination des Drohnenverkehrs im gesamten Luftraum und dessen zukünftige Integration ins bestehende ATM System. ARCS Aviation Research Center Switzerland
Nutzung Mobilfunk für Drohnen Für die Anwendungen der Drohnen sind Operationen ausserhalb des sichtbaren Bereiches (BVLOS) für den Einsatz mit Fokus auf das Business von grosser Bedeutung. Hier muss auch ein Unmanned Traffic Management (UTM) entwickelt und eingeführt werden. In der EU heisst das UTM kurz und bündig U-space. ARCS Aviation Research Center Switzerland Source: European Commission
Nutzung Mobilfunk für Drohnen
EU U-space Road Map
2030+
2025
2021
2019
ARCS Aviation Research Center Switzerland
Nutzung Mobilfunk für Drohnen
Fokus mit Priorität Anwendungen von Drohnen bis ca. 250 Meter ab Boden
150 m
ARCS Aviation Research Center Switzerland Source: NASA UTM Concept
Nutzung Mobilfunk für Drohnen
Status
• Recherche bezüglich anderen Aktivitäten im Bereich der Überwachung und
Steuerung von Drohnen mit Mobilfunk wurde durchgeführt. Aufgrund der
vielen Aktivitäten in diesem Gebiet, wird die Recherche auch in den
folgenden Projektphasen aktualisiert werden.
• Ein Messsystem für Messflüge mit Drohnen, basierend auf einem
Mobilfunktelefon, wird implementiert. Der Datenaustausch basiert auf
einem Datenmodell, welches von den U-space Dienstleistungen abgeleitet
wurde.
• Kontakt zu den Mobilfunkbetreibern Sunrise und Swisscom wurde
hergestellt, beide sind bereit, uns bei Messflügen und deren Auswertung zu
unterstützen.
ARCS Aviation Research Center Switzerland
Nutzung Mobilfunk für Drohnen
Abgeschlossene Arbeiten in Phase 1
• Recherche abgeschlossen, bei verfügbaren neuen Informationen wird diese
jedoch aktualisiert.
• Ein Datenmodell wurde entwickelt, welches von den U-space Dienstleistungen
abgeleitet wurde. Das Datenmodell dient bei Messflügen zum Erzeugen von
Test-Datenverkehr.
• Ein Messsystem, basierend auf einem Mobilfunktelefon, wird für Messflüge
implementiert werden (in Arbeit).
• Kontakt zu den Mobilfunkbetreibern Sunrise und Swisscom wurde hergestellt.
ARCS Aviation Research Center SwitzerlandNutzung Mobilfunk für Drohnen
Geplante Arbeiten
• Erste Messflüge in einem ruralen Gebiet, zur Verifikation des Messsystems.
• Messflüge in ruralen und urbanen Gebieten zur Beurteilung der
Zuverlässigkeit der Vernetzung von Drohnen mit Mobilfunk,
Weiterentwicklung Datenmodell.
• Detaillierte Abklärungen zum Einsatz von Mobilfunknetzen für UTM,
basierend auf Messungen und theoretischen Abklärungen.
• Berücksichtigung der Aspekte der bemannten Luftfahrt.
• Erarbeitung von Business Modellen mit den Compliance, Policy und
möglichen Rule Making Aspekten.
Wichtig ist hier, auch über Systemgrenzen zu sprechen, was macht wo Sinn,
Service Provider, Infrastruktur, Operator, etc.
ARCS Aviation Research Center SwitzerlandNutzung Mobilfunk für Drohnen
Recherche
• Messkampagne von Qualcomm zur LTE Mobilfunkversorgung von Drohnen:
• LTE Mobilfunknetz grundsätzlich einsetzbar, Versorgungspegel sogar
besser als am Boden, aber höhere Interferenz.
• Wegen dem Interferenzproblem sind Anpassungen im Mobilfunknetz
nötig, um eine grosse Anzahl von Drohnen zu unterstützen.
Versorgungspegel von LTE für verschiedene Flughöhen,
höchster Pegel bei Flughöhe = 30m
ARCS Aviation Research Center SwitzerlandNutzung Mobilfunk für Drohnen
Recherche
• Drohnenforschungsprojekt Deutsche Flugsicherung, Deutsche Telekom,
Deutsche Post DHL Group und RWTH Aachen:
• Abklärung Einsatz von einem Mobilfunkmodul in Drohnen zur Ortung
und Implementation eines UTM, Beginn war Nov. 2016.
• Wenig Details verfügbar, das Interferenzproblem wird aber ebenfalls
festgestellt.
• Mehrere Mobilfunkoperatoren untersuchen die Vernetzung von Drohnen,
z.B. Vodafone (EU), Telstra (Australien), M1 (Singapur), KDDI (Japan), Verizon
(USA) oder Swisscom (CH).
• Im allgemeinen sehr wenig öffentlich verfügbare Informationen.
• M1: Hat ihr LTE Mobilfunknetz für die Kommunikation mit Drohnen
getestet. Ergebnis: Sichere Kommunikation mit tiefer Latenz und hohem
Throughput.
ARCS Aviation Research Center SwitzerlandNutzung Mobilfunk für Drohnen
Evaluation Wireless Technologien: Dedizierte Flugfunksysteme
• ADS-B: Könnte für E-Identifikation, Tracking und weitere U-space Use Cases
eingesetzt werden, allerdings spricht der Preis und das Gewicht gegen einen
Einsatz bei Drohnen und dynamisches Geofencing ist nicht möglich.
• Trotzdem gibt es Bestrebungen ADS-B auf Drohnen einzusetzen, Airbus
hat kürzlich in die Firma uAvionix investiert, welche miniaturisierte ADS-B
Ausrüstungen entwickelt.
• Mode S: Könnte nur E-Identifikation implementieren, Sekundärradar nötig.
• TCAS II: Könnte nur die U-space Konfliktdetektion implementieren.
• FLARM: Könnte für E-Identifikation, Tracking, Konfliktdetektion und Erhöhung
des Situationsbewusstseins eingesetzt werden.
• Der hohe Preis und das Gewicht der aktuellen FLARM Hardware macht
den Einsatz in Drohnen schwierig, dynamisches Geofencing nicht möglich.
ARCS Aviation Research Center SwitzerlandNutzung Mobilfunk für Drohnen
Evaluation Wireless Technologien: Mobilfunk / Wide Area Wireless Netze
• GSM und UMTS: Ausserbetriebnahme in den kommenden Jahren
angekündet, daher werden diese in der Studie nicht berücksichtig.
• LTE: Langfristig verfügbar, hohe Datenraten und kleine Latenzzeiten, gute
Versorgungsabdeckung. Grundsätzlich gut geeignet, aber relativ hohe
Modemkosten könnten ein Problem sein.
• NB-IoT und Cat-M1: Neue Mobilfunk-basierte Technologien für das Internet
der Dinge, Verfügbarkeit ab 2018 angekündet. Cat-1 aufgrund der
Unterstützung von Mobilität (Handover zwischen Zellen) gut geeignet,
Modemkosten sollten tiefer sein als bei LTE.
• LoRaWAN: In unlizenziertem Band, jedermann kann ein eigenes Netz
aufbauen. Grundsätzlich einsetzbar, aber beschränkte Zuverlässigkeit, weil
ein nicht lizenziertes Frequenzband verwendet wird (hohes Risiko von
Störungen).
ARCS Aviation Research Center SwitzerlandNutzung Mobilfunk für Drohnen
Evaluation Wireless Technologien: Technologien für lokale E-Identifikation
• Falls nur ¨E-Identifikation¨ im Bedarfsfall nötig ist: Abfrage E-Identifikation
durch mobiles Terminal, maximale Distanz zur Drohne einige hundert Meter.
• Technologien
• Bluetooth 5.0: bis zu 200m Distanz, tiefe Kosten.
• RFID Semi-aktiv: bis zu 100m Distanz, tiefe Kosten, grosse
Antennenbauform ist jedoch problematisch.
ARCS Aviation Research Center SwitzerlandNutzung Mobilfunk für Drohnen
Modell Datenaustausch Drohne
• Abgeleitet aus den U-space Use Cases, für welche Informationsaustausch
während dem Flug nötig sind.
• Berücksichtigt die Datenmenge und Übertragungsintervalle für eine
realistische Implementation unseres Messsystems für Messflüge.
Mobilfunknetz
ARCS Aviation Research Center SwitzerlandNutzung Mobilfunk für Drohnen
Modell Datenaustausch Drohne
Uplink (Drohne Server) Downlink (Server Drohne)
Position, Erweiterte Remote Dynamische
Meteo
Höhe und Fluginformation Konflikt- Flugverbots-
Information
Identifikation (optional) detektion zone
Datenvolumen
471 Tbd Tbd 544 Tbd
[Bytes]
1 oder Tbd (bei Typ. 1200 Tbd (bei
Intervall [s] 1
0.1 Bedarf) (bei Bedarf) Bedarf)
Kritikalität
3 2 3 3 2
(3: hoch, 1: tief)
Latenz End-to-
100 100 Tbd 1000 Tbd
End [ms]
Ohne Remote Konfliktdetektion: Intervall = 10s ausreichend
ARCS Aviation Research Center SwitzerlandNutzung Mobilfunk für Drohnen
Einbezug Mobilfunkbetreiber
• Erste Meetings mit Sunrise und Swisscom wurden durchgeführt, beide sind
interessiert, uns bei Messungen zu unterstützen.
• Unterstützung zwingend, um Uplink Interferenz-Problem zu analysieren (nur
auf Netzseite sichtbar).
• Swisscom hat bereits eigene Messungen mit Modellflugzeugen in 50, 500,
750 und 1000m über Grund für LTE 800 MHz im Herbst 2017 durchgeführt.
• Versorgungspegel war gut, Interferenz steigt mit grösserer Höhe aber an.
ARCS Aviation Research Center SwitzerlandNutzung Mobilfunk für Drohnen
Weitere Meetings/Kontakte
• Informelle Diskussion mit BAZL, 14.12.2017 (Hr. Farner in Winterthur,
anlässlich eines Einsatzes in UA-EN Vorlesung des BSc Aviatik Studiums).
• Wir sollten das BAKOM über unsere Tätigkeiten informieren.
• Austausch Drohnenaktivitäten ZHAW – skyguide, 29.11.2017
(Hr. Frefel, Hr. Scaramuzza).
• Diverse Inputs zu unserer Arbeit, Folgemeeting am 10.01.2018.
• Diverse informelle Diskussionen beim „1st Swiss UTM Forum“ an der ZHAW,
welches am 23.10.2017 durch das Zentrum für Aviatik organisiert wurde.
• Am 05.02.2018 wird an der ZHAW ein Workshop mit EPFL, HSG zum Thema
Compliance, Rule Making und Business Modell durchgeführt.
ARCS Aviation Research Center SwitzerlandNutzung Mobilfunk für Drohnen
Problempunkte
• SORA: Für Messflüge im urbanen Gebiet ist ein SORA nötig, aktuell gibt es
aber beim BAZL einen temporären Stopp für SORA Anträge.
• Zusammenarbeit Mobilfunkbetreiber/NDA: Keine vertraulichen
Informationen dürfen, z.B. via den Bericht, zwischen den zwei
Mobilfunkbetreibern fliessen, was in der Praxis schwer umzusetzen ist.
Nur mit einem Mobilfunkbetreiber zusammenarbeiten?
• Inhalt der Arbeit:
• Fokussierung auf Drohnen-Anwendungen ist ein erster Schritt, um einen
Beitrag für einen U-space in der Schweiz zu leisten.
• Die Nutzung des Mobilfunknetzes für die bemannte Luftfahrt als
Anwendung für Flugfunkersatz (Communication), Surveillance und
Navigation im untersten Luftraum, wird als zweiter Schritt betrachtet
und kann mit diesem Budget nur begrenzt bearbeitet werden.
ARCS Aviation Research Center SwitzerlandEinfluss auf CNS Signalqualität
Aufgabenbeschrieb:
• Welche Simulationstools zur Beurteilung der Störwirkung von
Windkraftanlagen auf die ATM Signalqualität sind heute verfügbar.
• Die Signalquelle, die Signalausbreitung sowie das Gelände sollen mit der
nötigen Komplexität/Genauigkeit modelliert werden.
• Der Einfluss der elektromagnetischen Streuung muss bestimmt werden
können.
• Das Tool soll eine deutlich verbesserte und genauere Beurteilung von
Windkraftprojekten möglich machen.
Wichtige Punkte für die Studie:
• Was wurde bei skyguide im Engineering Team schon erarbeitet?
• Recherche: Welche Simulationstools sind heute im Einsatz?
• Wie gehen andere Länder dieses Thema an, z.B. Deutschland, Holland, USA?
• Welche Hochschule hat in der Schweiz Simulationsfähigkeit von der Ausbreitung
und Streuung elektromagnetischer Wellen?
ARCS Aviation Research Center SwitzerlandEinfluss auf CNS Signalqualität
Status
• Mehrere Besprechungen mit skyguide (Dr. Matthias Fries) haben
stattgefunden um Status zu diskutieren.
• Skyguide hat in den letzten 2 Jahren mit Dr. Matthias Fries viele Abklärungen
durchgeführt und hat bereits zwei Simulationstools beschafft (Software Paket
FEKO mit WINPROP von Altair).
• Das Ziel ist, mit dem Simulationstool die Störwirkung von Gelände und
Objekten auf das Signal (VOR Funkfeuer) zu analysieren. Gemäss ICAO sollte
die Störung, das heisst die Abweichung vom Bearing Angle, kleiner als 3 Grad
sein. Flugversuche zeigen, dass wir in der Schweiz an einigen Stellen grössere
Abweichungen haben.
• Derzeit gibt es kein Tool das genügend genau die Abweichungen des
Geländes berücksichtigt. Daher soll zuerst diese Aufgabe angegangen
werden.
ARCS Aviation Research Center SwitzerlandEinfluss auf CNS Signalqualität
Status
• Folgende Institute und Hochschulen wurden kontaktiert:
ENAC Toulouse, TU Braunschweig, Universität Hannover, Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig,
Universität Stuttgart, TU Graz, Ohio Universität, Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik,
ETH Zürich, EPFL, FH HSR, HEIA-FR, FHNW und ZHAW.
• In der Schweiz ist das Knowhow für solche Simulationen an der HEIA-FR in
Fribourg bei Prof. Dr. J.-F. Wagen vorhanden. Jean-Frédéric Wagen hat mehr
als 30 Jahre Erfahrung in Radiowellen Ausbreitung (Funkwellenausbreitung)
und in mobilen Radio-Kommunikationssystemen (Mobilfunksystemen).
Derzeit arbeitet er im Auftrag von armasuisse (Dr. Jaquier) an der
Entwicklung der Software PointCloudUHF.
• Zusammen mit skyguide (Dr. Fries) wurde beschlossen, einen Auftrag an Prof.
Dr. Wagen zur Simulation der Störung von VOR Signalen durch das Gelände
mittels PointCloudUHF zu vergeben.
ARCS Aviation Research Center SwitzerlandEinfluss auf CNS Signalqualität
Work in Progress
• Aktivitäten Simulationstool von Prof. Dr. Wagen
- Modellierung VOR Signal durch Generierung eines Antennen-Effektes
- Vorhersage der Radiowellenausbreitung im Gelände (Einfluss Gelände)
- Modellierung VOR Empfänger durch Signal Processing
- Vergleiche Vorhersage mit Messungen (skyguide liefert die Daten)
- Diskussion und Vergleiche mit anderen Methoden
• Termine für Resultate
- Vorstellung erster Resultate im Februar 2018
- Ablieferung des wissenschaftlichen Berichtes der Studie im März 2018
- Zusammenfassung der Resultate in einem Management Summary für ARCS
- Vorstellung des Management Summary am nächsten ARCS Innovation
Board Meeting im August 2018
• Fazit
Das Projekt wird nicht im Januar abgeschlossen, sondern im Sommer 2018.
ARCS Aviation Research Center SwitzerlandEinfluss auf CNS Signalqualität
flight path
(20160428_1036_R315)
5 strongest scatterers
VOR - FRI
jean-frederic.wagen@hefr.ch
ARCS Aviation Research Center SwitzerlandInnovation für die Zukunft der Aviatik
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