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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 Switzerland
Nutzung 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 Switzerland
Nutzung 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 Switzerland
Nutzung 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 Switzerland
Nutzung 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 Switzerland
Nutzung 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 Switzerland
Nutzung 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 Switzerland
Nutzung 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 Switzerland
Nutzung 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 Switzerland
Nutzung 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 Switzerland
Nutzung 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 Switzerland
Nutzung 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 Switzerland
Einfluss 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 Switzerland
Einfluss 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 Switzerland
Einfluss 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 Switzerland
Einfluss 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 Switzerland
Einfluss auf CNS Signalqualität flight path (20160428_1036_R315) 5 strongest scatterers VOR - FRI jean-frederic.wagen@hefr.ch ARCS Aviation Research Center Switzerland
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