Durchführung einer SORA-Analyse und Erstellung eines Betriebskonzeptes anhand einer SAIL II Drohnen Operation - ELIB-DLR
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Durchführung einer SORA-Analyse und Erstellung eines Betriebskonzeptes anhand einer SAIL II Drohnen Operation Institution: Hochschule Bremen Prüfstelle: Fakultät 5, Abteilung Maschinenbau Studiengang: Aeronautical Management (M.Eng.) Art der Arbeit: Masterthesis Abgabedatum: 14.09.2021 Erstprüfer: Dettmar Dencker Zweitprüfer: Julian Oehling (M.Sc.) Autor: Name, Vorname: Ranke, Justus Karl E-Mail: justus.ranke@web.de Matrikelnummer: 411150 Page 1 of 92
Erklärung über das eigenständige Erstellen der Arbeit Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Die Stellen der Arbeit, die anderen Werken dem Wortlaut oder dem Sinn nach entnommen wurden, sind durch Angaben der Herkunft kenntlich gemacht. Diese Erklärung erstreckt sich auch auf in der Arbeit enthaltene Grafiken, Skizzen, bildliche Darstellungen sowie auf Quellen aus dem Internet. Die Arbeit habe ich in gleicher oder ähnlicher Form auch auszugsweise noch nicht als Bestandteil einer Prüfungs- oder Studienleistung vorgelegt. Ich versichere, dass die eingereichte elektronische Version der Arbeit vollständig mit der Druckversion übereinstimmt. Justus Karl Ranke 411150 Braunschweig, den 14.09.2021 Seite 4 von 92
Zusammenfassung: Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt forscht unter anderem an der Verbindung von bemannter und unbemannter Luftfahrt. Hierfür wird ein Forschungsflugbetrieb für Drohnen am nationale Erprobungszentrum für unbemannte Luftfahrtzeugsysteme Cochstedt angestrebt. Bisher betrieb das Institut für Flugführung des DLR Drohnen im Einklang mit § 21 der Luftverkehrs-Ordnung und führte damit verbunden für jeden Betrieb das Specific Operations Risk Assessment - Germany durch um nachzuweisen, dass die Drohnenoperation sicher ist. Die Zulassung von Drohnenbetrieben wird seit dem 01.01.2021 durch die Durchführungsverordnung (EU) 2019/947 der Kommission auf EU-Ebene neu geregelt. Dies zieht eine Neuzulassung aller Drohnenbetriebe unter den neuen Vorschriften nach sich. Im Zuge dieser Neuzulassung strebt das Institut für Flugführung eine Erweiterung des bisherigen Drohnenbetriebs an. Das Ziel ist eine Zertifizierung der Drohne DexHawk in der Betriebskategorie “Speziell” auf dem Specific Assurance and Integrity Level II. Im Einklang mit dieser Zielsetzung wurde in der vorliegenden Arbeit ein Specific Operations Risk Assessment nach neuem EU-Standard durchgeführt. Hierbei wurde das Risiko, welches der Betrieb der Drohne rund um den Flughafen Magdeburg-Cochstedt darstellt, analysiert. Die wichtigsten Faktoren sind das Risiko für Menschen und kritische Infrastruktur am Boden und die bemannte Luftfahrt in der Luft. Die ermittelten Risiken gepaart mit Risikominderungsmaßnahmen ergaben unter Anwendung der Easy Access Rules for Unmanned Aircraft Systems der EASA das angestrebte Specific Assurance and Integrity Level II und damit verbunden 18 Operational Safety Objectives, welche für eine sichere Operation erfüllt sein müssen. Das erarbeitete Betriebskonzept umfasst alle Punkte, welche zur ausreichenden Beschreibung der Operation, grundlegenden Durchführung der Flugbetriebs und Beantwortung der Operational Safety Objectives nötig sind. Hierbei werden unter anderem die Themenfelder Organisation, Sicherheit, Betriebsverfahren, Training, Hard- und Software ausgiebig behandelt. Während der Arbeit mit den gesetzlichen Grundlagen, Begleitmaterialien und den Analysen sind einige systematische Probleme identifiziert worden. Die daraus entstehende Kritik und Vorschläge für Lösungsansätze bilden den Abschluss dieser Masterthesis. Die geleistete Arbeit bietet eine weit fortgeschrittene Grundlage für den Antrag auf eine Betriebsgenehmigung beim Luftfahrtbundesamt. Seite 5 von 92
Executive Summary: The German Aerospace Center (DLR) is researching the possibilities of connecting manned and unmanned aviation. For this goal, a drone operation is being set up at the national proving ground for unmanned aircraft systems at Cochstedt. In the past, the Institute for Flight Guidance of the DLR has been operating drones in line with § 21 of the Air traffic regulations of Germany and thus had to perform the Specific Operations Risk Assessment - Germany to prove the safety of the different operations. Since 01.01.2021 the approval process for drone operations has been standardised in the EU by Commission Implementing Regulation (EU) 2019/94. This leads to the need for a new approval of DLR drone operations under the updated regulations. In the light of the new approval process the Institute for Flight Guidance seeks to extend the capabilities of its drone operations. The goal is to certify the DexHawk drone in the category “Specific” at a Specific Assurance and Integrity Level of II. According to this goal a Specific Operations Risk Assessment following EU-standards has been conducted in the course of this master thesis. The risks assessed were the ground risk for humans and critical infrastructure and the air risk for manned aircraft. The combination of both yielded the total risk connected to a drone operation at the Airport Magdeburg-Cochstedt. The determined risks paired with the proposed risk mitigations were analysed and amounted to a Specific Assurance and Integrity Level II according to the Easy Access Rules for Unmanned Aircraft Systems of the EASA. This level is connected to 18 Operational Safety Objectives which have to be fulfilled to prove a safe operation. The developed concept of operations comprises all information that is necessary for the description of the operation, the basic implementation of the flight operation and the answers to the Operational Safety Objectives. The master thesis touches, among other things, on the organisational structures, safety considerations, operational procedures, training aspects, hard- and software. Throughout the work with the legislative foundations, the accompanying materials and the analysis some systemic problems have been identified. The final chapter of this master's thesis is committed to pointing out these problems and proposing realistic solutions. The work performed forms a sound basis for an application for an operating license at the Federal Aviation Office. Seite 6 von 92
Inhaltsverzeichnis: Executive Summary: 6 Abkürzungsverzeichnis 10 Symbolverzeichnis 11 1. Einleitung 12 1.1. Ziel dieser Masterthesis 12 1.2. Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) 12 1.3. Institut für Flugführung 12 2. Rechtlicher Hintergrund 13 2.1. JARUS 13 2.2. SORA-GER 13 2.3. Durchführungsverordnung (EU) 2019/947 der Kommission 14 2.4. U-Space Services 14 3. UAS-Betriebskategorien 16 3.1. Offen 16 3.2. Speziell 16 3.3. Zulassungspflichtig 17 4. Specific Operations Risk Assessment (SORA) 18 4.1. EASA Definition von Risiko 18 4.2. EASA Definition von Robustheit 18 4.3. Aufbau der SORA-Analyse 19 4.3.1. Initiales Betriebskonzept 20 4.3.2. Intrinsic Ground Risk Class 20 4.3.3. Finale Ground Risk Class 22 4.3.4. Initiale Air Risk Category 22 4.3.5. Strategische Minderung der ARC 24 4.3.6. Taktische Minderung der finalen ARC 25 4.3.7. Specific Assurance and Integrity Level 25 4.3.8. Operational Safety Objectives 26 4.3.9. Angrenzende Bereiche des operationellen Volumens 26 4.3.10. Comprehensive Safety Portfolio 27 5. Betriebskonzept für Drohnenoperationen im SAIL II 28 5.1. Zusammenfassung des Betriebskonzepts 28 5.2. Organisatorischer Überblick 29 Seite 7 von 92
5.2.1. Sicherheit im DLR 30 5.2.1.1. Sicherheitskultur im UAS-Betrieb 32 5.2.2. Design und Herstellung des UAS 33 5.2.3. Crew Training 33 5.2.4. Wartung 33 5.2.5. Crew 34 5.2.6. UAS Configuration Management 37 5.3. Operationelle Informationen (operationally relevant information) 38 5.3.1. Beschreibung der Operation 38 5.3.2. Limitationen der Operation 38 5.3.3. Betriebsverfahren 41 5.3.3.1. Normal Procedures 41 5.3.3.2. Contingency Procedures 43 5.3.3.3. Emergency Procedures 45 5.3.3.3.1. Emergency Response Procedure 46 5.3.3.4. Meldeverfahren 47 5.4. Remote Crew Training 48 5.5. UAS Beschreibung 49 5.5.1. Command and Control Software 49 5.5.2. Containment System (GeoFence) 50 5.5.3. Unmanned Aerial Vehicle 50 5.5.4. UAS Regelung (Control Segment) 53 5.5.5. Ground Support Equipment (GSE) 55 5.5.6. C2 Verbindung 55 5.5.7. Radio Control Hardware 55 5.5.8. Sicherheitseigenschaften (Safety Features) 56 5.5.8.1. Fallschirmsystem 57 5.5.8.2. Automatische Flugmodi 57 5.5.8.3. Positionsübermittlung 58 6. SORA-Analyse für SAIL II 59 6.1. Betriebskonzept Beschreibung 59 6.2. Bestimmung der intrinsischen Ground Risk Class 59 6.3. Bestimmung der finalen Ground Risk Class 60 6.4. Bestimmung der initialen Air Risk Category 61 6.5. Strategische Minderung der Air Risk Category 62 6.6. TMPR Anforderungen 63 6.7. SAIL Bestimmung 64 Seite 8 von 92
6.8. Identifizierung der Operational Safety Objectives (OSOs) 64 6.9. Angrenzende Bereiche des Operationsvolumens 66 6.10. Comprehensive Safety Portfolio 67 6.10.1. Erfüllung der Ground Risk Mitigation 68 6.10.2. Erfüllung der OSOs 70 7. Kritik am SORA-Prozess 78 7.1. Energieklassen in der GRC Bestimmung 78 7.2. Starre Bindung der Zulassung an ein UAV-Typ 79 7.3. Risikobetrachtung nur für Menschen und Infrastruktur 80 7.4. Abgrenzung zur vollen Risikoanalyse 81 7.5. Sprachliche Kontinuität in Gesetzestexten 82 Quellenverzeichnis 83 Elementeverzeichnis 86 Annex 88 A1. Karte des operationellen Volumens um EDBC 88 A2. Emergency Response Procedure Checklists [28] 89 Seite 9 von 92
Abkürzungsverzeichnis AEC Airspace Encounter Category AGL Above Ground Level AMC Acceptable Means of Compliance ANSP Air Navigation Service Provider AO Airspace Observer ARC Air Risk Category ATC Air Traffic Control BVLOS Beyond Visual Line of Sight (Betrieb außerhalb direkter Sicht) BZF Beschränkt gültiges Sprechfunkzeugnis C2 Command & Control C3 Command, Control & Communication ConOps Concept of Operations CTR Kontrollzone DAA Detect and Avoid DE Design Engineer DLR Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt DWD Deutscher Wetterdienst EASA European Aviation Safety Agency ER Emergency Responder ERP Emergency Response Plan EU Europäische Union EVLOS Extended Visual Line of Sight (Betrieb in erweiterter direkter Sicht) FTL Flight Test Lead GCS Ground Control Station GCSO Ground Control Station Operator GNSS Globales Navigationssatellitensystem GRC Ground Risk Class GUI Graphical User Interface JARUS Joint Authorities for Rulemaking of Unmanned Systems LED Light-Emitting Diode LuftVO Luftverkehrs-Ordnung MT Maintenance Technician NOTAM Notice to Airmen OSO Operational Safety Objective PDRA Predefined Risk Assessment RC Radio Control SAIL Specific Assurance and Integrity Levels Seite 10 von 92
SESAR Single European Sky Air Traffic Management Research Programme SORA Specific Operations Risk Assessment SP Safety Pilot TMPR Tactical Mitigation Performance Requirement UAS Unmanned Aircraft System (unbemanntes Luftfahrzeugsystem) UAV Unmanned Aerial Vehicle (unbemanntes Luftfahrzeug) VLOS Visual Line of Sight (Betrieb in direkter Sicht) Symbolverzeichnis Masse ρ Luftdichte Gravitationskonstante Strömungswiderstandskoeffizient Angriffsfläche Geschwindigkeit Kinetische Energie Seite 11 von 92
1. Einleitung 1.1. Ziel dieser Masterthesis Das Institut für Flugführung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt strebt die Zulassung eines Drohnenbetriebs nach neuen EU-Standards an. Die Operationen sollen zu Forschungszwecken in der Umgebung des nationalen Erprobungszentrum für Unbemannte Luftfahrtsysteme Cochstedt stattfinden und Informationen über die zukünftigen Nutzungsmöglichkeiten der unbemannten Luftfahrt liefern. Das Ziel dieser Masterthesis ist, den rechtlichen Hintergrund von Betriebszulassungen für Drohnen zu beleuchten, die verschiedenen Betriebskategorien zu erklären, ein durch die EU standardisiertes Specific Operations Risk Assessment durchzuführen und ein geeignetes Betriebskonzept zu erarbeiten. Zuletzt wird Kritik an den zuvor durchgeführten Verfahren der EU geäußert. 1.2. Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Das DLR ist ein Forschungszentrum der Bundesrepublik Deutschland, das sich mit Luft- und Raumfahrt, Energie, Sicherheit, Verkehr und Digitalisierung in Grundlagenforschung und angewandter Wissenschaft befasst. Die 30 deutschen und vier ausländischen Standorte kooperieren sowohl national als auch international mit Forschungs- und Industriepartnern. Des Weiteren werden 2 Projektträger zur Betreuung von Förderprogrammen und zum Wissenstransfer bereitgestellt. Gleichzeitig ist die deutsche Raumfahrtagentur innerhalb des DLR angesiedelt und für die Leitung deutscher Raumfahrtaktivitäten zuständig. [1, 2] 1.3. Institut für Flugführung Das Institut für Flugführung des DLR arbeitet an der Entwicklung und Anwendung zukünftiger Prozesse und Technologien zur bord- und bodenseitigen Flugzeugführung. Hierbei erstreckt sich die Forschung auf die Kernbereiche Luftfahrzeug, Flughafen und Flugsicherung. Aus diesem weiten Spektrum speisen sich vier Fachbereiche in denen vor allem die Verbindung von Mensch und Maschine erforscht wird. Diese Fachbereiche sind die Lotsenassistenz, die Pilotenassistenz, die Air-Traffic-Management Simulation und die Abteilung Systemergonomie. Besondere Bedeutung wird der sich ändernden Rolle des menschlichen Bedieners und dem Aufkommen unbemannter Luftfahrzeuge beigemessen.[3] Zur besseren Erforschung dieser neuen Technologie wurde in Cochstedt (Sachsen-Anhalt) das nationale Erprobungszentrum für unbemannte Luftfahrtzeugsysteme (UAS) unter Leitung des DLR eröffnet. Diese Anlage bietet die nötigen Strukturen um die Technologieentwicklung, Zertifizierung und die Arbeit an neuen Regelwerken innerhalb der UAS-Industrie voranzutreiben. [4, 5] Seite 12 von 92
2. Rechtlicher Hintergrund 2.1. JARUS Die Joint Authorities for Rulemaking of Unmanned Systems (JARUS) setzt sich aus Experten für Regularien der Luftfahrt zusammen. Es sind Abgesandte aus 63 Ländern, die European Aviation Safety Agency (EASA) und EUROCONTROL vertreten. Das Ziel dieser Arbeitsgruppe ist es, ein weltweit normiertes Vorgehen in technischen, sicherheitsbezogenen und operationellen Anforderungen an den Betrieb von UAS zu erarbeiten. [6] Im Zuge dessen wurde 2016 mit der Arbeit an einem normierten Specific Operations Risk Assessment (SORA) begonnen. Dieses wurde 2017 in seiner ersten Fassung (SORA 1.0) veröffentlicht und bietet die Grundlage für das SORA-GER. 2019 wurde die überarbeitete Fassung (SORA 2.0) veröffentlicht und als Acceptable Means of Compliance (AMC) in die Durchführungsverordnung (EU) 2019/947 der Kommission, zur Risikoabschätzung eingeführt. [7] 2.2. SORA-GER In der Veröffentlichung 1-1163-17 in den Nachrichten für Luftfahrer wurden am 27. Oktober 2017 die “gemeinsamen Grundsätze des Bundes und der Länder für die Erteilung von Erlaubnissen und die Zulassung von Ausnahmen zum Betrieb von unbemannten Fluggeräten gemäß § 21a und § 21b Luftverkehrs-Ordnung (LuftVO)”[8] festgelegt. Dies markierte in Deutschland die Einführung zweier Verfahrensarten für die Standardisierung des Erlaubnisverfahrens nach § 21a und § 21b Absatz 2 und 3 LuftVO zum Betrieb von unbemannten Fluggeräten. Hierbei handelt es sich entweder um das “vereinfachte Verfahren”, bei dem einheitliche Nebenbestimmungen festgesetzt sind, oder um das “Verfahren in sonstigen Fällen”, in dem eine Risikobewertung nach SORA-GER durchgeführt wird. [8] In dieser Arbeit wird besonderes Augenmerk auf das “Verfahren in sonstigen Fällen” gelegt. Dies ermöglicht die Zulassung des Betriebes nach § 21a Absatz 1 LuftVO insbesondere wenn der Einsatz eines unbemannten Flugobjekts ab fünf Kilogramm außerhalb der Sichtweite (BVLOS) (§ 21b Absatz 1 Nummer 1 in Verbindung mit § 21a Absatz 1 Nummer 1 LuftVO) oder bei Nacht (§ 21a Absatz 1 Nummer 5 LuftVO) geplant ist. Gleichzeitig ermöglicht es die Zulassung einer Ausnahme vom normierten Betriebsverbot nach § 21b Absatz 1 und Absatz 2 Satz 1 LuftVO. Hierfür muss ein begründeter Fall eine Abweichung vom Verbot erforderlich machen und der Betrieb die Ausnahme rechtfertigen. Zugleich müssen die Voraussetzungen von § 21a Absatz 3 Satz 1 LuftVO erfüllt sein, welcher festlegt, dass die “Nutzung des Seite 13 von 92
Luftraums nicht zu einer Gefahr für die Sicherheit des Luftverkehrs oder die öffentliche Sicherheit oder Ordnung”[9] führen darf. Diese Herangehensweise der SORA-GER hat somit eine Einzelabwägung der Operation möglich gemacht und mit einer risikobasierten Analyse sogar die Aufhebung von normierten Betriebsverboten erlaubt. [8] Auf diesem Wege war auch das DLR in der Lage, vielfältige UAS-Operationen mit Genehmigungen der Luftfahrtbehörden mehrerer Bundesländer durchzuführen. 2.3. Durchführungsverordnung (EU) 2019/947 der Kommission Vor dem Hintergrund der Festlegung gemeinsamer Vorschriften für die zivile Luftfahrt und unter Federführung der European Union Aviation Safety Agency (EASA) beschloss die Europäische Kommission 2019 die Vereinheitlichung der Regeln zum Betrieb von Unmanned Aircraft Systems (UAS). Dies soll im angestrebten einheitlichen europäischen Luftraum den risikoarmen Simultanbetrieb von bemannter sowie unbemannter Luftfahrt ermöglichen und die unbemannte Luftfahrt an den gleichen oder gleichwertigen Sicherheitsstandards messen, wie die bemannte. [10] Diese europaweite Neuregelung betrifft auch die Operation des DLR, da Abschnitt 5a “Betrieb von unbemannten Luftfahrtsystemen und Flugmodellen” der LuftVO zum 01.01.2021 durch das neu geltende europäische Recht überschrieben wurde. Die Umwandlung von europäischem in deutsches Recht ist nicht nötig, da Durchführungsverordnungen der Europäischen Union “unmittelbar in jedem Mitgliedstaat gelten, ohne dass sie in nationales Recht umgesetzt werden müssen. Sie gelten damit in allen Mitgliedsstaaten einheitlich und vollständig und sind für alle Gemeinschaftsbürger bindend.”[11] Dies ist gegeben, da die Mitglieder der Europäischen Union ihr als supranationale internationale Organisation wichtige politische Aufgaben übertragen haben und somit auf einen Teil ihrer nationalen Souveränität verzichtet haben. Zum 18.07.2021 wurde die deutsche LuftVO aktualisiert und stimmt seitdem mit der Durchführungsverordnung (EU) 2019/947 überein. [9] Im Folgenden werden die neu geltenden Betriebskategorien und die erneuerte SORA-Analyse erläutert. 2.4. U-Space Services U-Space bezeichnet die Idee, dass neu angebotene Services den sicheren und effizienten Betrieb von großen Mengen an Drohnen, verwoben mit der bemannten Luftfahrt, ermöglichen könnten. Hierbei wird besonders auf ein hohes Level an Digitalisierung und Automatisierung der Abläufe gesetzt. Dadurch sollen der unbemannten Luftfahrt alle Lufträume und Umgebungen geöffnet und die Zusammenarbeit mit Air Traffic Control vereinfachen werden. Das System befindet sich in seinen Anfängen und beschreibt zur Zeit Seite 14 von 92
vor allem schon vorhandenen externe Dienstleistungen, die durch die Betreiber einer Drohnenoperation genutzt werden können. Hierbei ist die Datenerhebung über Wetter, Verkehrsdichte, Luftraumnutzung und Bodenbevölkerung, gepaart mit der Kommunikation mit dem Air Navigation Service Provider, die häufigste Nutzung. Die Blaupause des Single European Sky Air Traffic Management Research Programmes (SESAR), den Entwicklern hinter diesem Konzept, sieht vier Stufen des U-Space Services, mit kontinuierlich steigender Automatisierung und Vernetzung des Drohnen, vor. [12] Element 1-1 - U-Space Entwicklung [13] - U-space foundation services sehen digitale Drohnenregistrierung, Identifikation und die Nutzung von GeoFencing vor. - U-space initial services sollen das Management von Drohnen Operationen durch Flugplanung, Flugerlaubnis, Nachverfolgung und ATC Kommunikation unterstützen. - U-space advanced services sind auf komplexere Operationen in dichten Lufträumen bezogen und sollen vor allem durch externe Detect and Avoid (DAA) Funktionen die Sicherheit erhöhen. - U-space full services stellen die letztendliche volle Integration der unbemannten mit der bestehenden bemannten Luftfahrt vor. Hierzu soll der gesamte Informationsfluss automatisiert, digitalisiert und vernetzt werden. [13] Seite 15 von 92
3. UAS-Betriebskategorien Die Europäische Kommission hat den Betrieb von UAS in drei Kategorien geteilt. Hiermit wird der Tatsache Rechnung getragen, dass aufgrund der großen Kostenspanne sowohl kleine Betreiber mit simplen Absichten, als auch Betreiber mit komplexen kommerziellen Absichten in den Vorschriften aufgefangen werden müssen. Die Teilung der Kategorien orientiert sich am Risiko, welches vom Betrieb der jeweiligen Drohne für die Allgemeinheit ausgehen könnte. 3.1. Offen In der ersten Kategorie, mit dem Namen “Offen”, muss der Betreiber der Drohne folgende Voraussetzungen erfüllen. Das UAS muss unter eine der in der Delegierten Verordnung (EU) 2019/945 genannten Klassen fallen oder ist privat hergestellt oder ist vor dem 01. Juli 2022 in Verkehr gebracht worden und hat eine höchstzulässige Startmasse von weniger als 250 g (Klasse A1) oder 25 kg (Klasse A3). Der Safety Pilot muss sicherstellen, dass das unbemannte Luftfahrzeug in sicherer Entfernung von Menschen betrieben wird und keine Menschenansammlungen überflogen werden. Es muss zu jeder Zeit Sichtkontakt zum unbemannten Luftfahrzeug (UAV) bestehen, ein Follow-Me-Modus aktiv sein oder ein weiterer Beobachter mit Kontakt zum Safety Pilot eingesetzt werden. Während der Operation wird ein maximaler Abstand von 120 Metern zur Erdoberfläche gehalten und es dürfen keine gefährlichen Güter transportiert oder etwas abgeworfen werden. Der Safety Pilot muss je nach Betriebsbedingungen (A1/A3 oder A2), UAS EU-Klassifizierung und Betriebsdatum, entweder nicht geschult sein, einen EU-Kompetenznachweis oder ein EU-Fernpilotenzeugnis vorweisen können. Diese Abstufung entfällt in den weiteren Betriebskategorien, da hier das EU-Fernpilotenzeugnis verpflichtend ist. [10, 14, 15] 3.2. Speziell Kategorie zwei trägt den Namen “Speziell” und bedarf je nach Einsatzprofil der Drohne entweder eine Betriebsgenehmigung durch die zuständige Behörde oder eine Erklärung des UAS-Betreibers, dass die Operation mit einem Standardszenario übereinstimmt. Diese Betriebsgenehmigung ergeht entweder im Umfeld von Flugmodell-Vereinen und -Vereinigungen ((EU) 2019/947 Artikel 16) oder unter den Auflagepunkten des Artikel 12 ((EU) 2019/947). Hierbei prüft die zuständige Behörde “die Risikobewertung und die Robustheit der Minderungsmaßnahmen, die vom UAS-Betreiber vorgeschlagen werden”[10] um festzustellen ob der sichere Betrieb in allen Flugphasen gewährleistet ist. Zur Feststellung der zu mindernden Risiken wird die oben erwähnte SORA-Analyse durchgeführt. Von ihrem Ergebnis ist auch abhängig, ob der Betreiber nur eine Erklärung abgeben muss, dass er mit seiner Operation den einschlägigen Vorschriften der Union und der Mitgliedstaaten genügt Seite 16 von 92
oder es zu einer vollständigen Prüfung der Betriebsbedingungen, der Risikominderungsmaßnahmen, der Kompetenz des Personal und der technischen Merkmale des UAS kommt. Diese vollständige Prüfung entfällt, wenn der angestrebte Betrieb den Rahmenbedingungen eines der zwei Standardszenarien erfüllt. Diese Standardszenarien sind durch die EASA definierte Betriebsbedingungen, für die die SORA-Analyse bereits exemplarisch durchlaufen wurde und mögliche Maßnahmen zur Risikominderung bereitgestellt werden. Bei diesen Szenarien handelt es sich um Einsatzbedingungen am unteren Ende der Risikoskala, um den Einstieg in die Kategorie “Speziell” zu erleichtern. Die EASA arbeitet selbst nicht an weiteren Standard Szenarios, sondern stellt die besten Kombinationen von genehmigten Betriebsbedingungen und ihren Risikominderungen in einem Katalog zusammen. Diese Predefined Risk Assessment (PDRA) genannten Hilfestellungen bieten einen Baukastensystem, aus dem der Betreiber Risikominderungen nutzen kann, sofern die Rahmenbedingungen des PDRA und der angestrebten Operation zusammen passen. Dieser Ansatz entspricht den Verfahren zur Erarbeitung von Acceptable Means of Compliance (AMC) wie es bereits in der bemannten Luftfahrt breite Anwendung findet. [10] 3.3. Zulassungspflichtig Zuletzt stellt die Kategorie “Zulassungspflichtig” die höchsten Anforderungen an den Betrieb eines UAS. Diese Kategorie findet bei Operationen mit hohem Risiko Anwendung. Sie umfassen den Einsatz von Drohnen, die Abmessungen von über 3 Metern haben und über Menschenansammlungen betrieben werden sollen (siehe Element 4-3), die zur Beförderung von Menschen genutzt werden oder die gefährliche Güter transportieren sollen. Sollte im Verfahren der Risikobewertung (SORA) der Kategorie “Speziell” festgestellt werden, dass das Betriebsrisiko ohne eine vollständige Zertifizierung des UAS und des UAS-Betreibers nicht angemessen gemindert werden kann, fällt dieser Betrieb auch unter die Kategorie “Zulassungspflichtig”. Diese Zulassungsart lehnt sich sehr nah an die Zulassung für einen Flugbetrieb der bemannten Luftfahrt an. Aufgrund fehlender gesetzlicher Voraussetzungen ist eine Zulassung in dieser Kategorie zur Zeit nicht möglich. [10, 14, 16] Seite 17 von 92
4. Specific Operations Risk Assessment (SORA) 4.1. EASA Definition von Risiko Der Begriff Risiko ist oft vage und hängt vom subjektiven Empfinden des Betrachters ab. Die EASA bedient sich deshalb einer bereits angewandten Risikodefinition aus den “Guidelines For Development Of Civil Aircraft and Systems” (SAE ARP 4754A / EUROCAE ED-79A). Diese gibt ein Risiko als die Kombination aus der Wahrscheinlichkeit und dem Schweregrad eines Vorkommnisses an. [17] Das Ergebnis von jedem Vorkommnis wird als Schaden betitelt. Hierbei ergeben sich natürlich eine Menge verschiedener Schadensarten. Sei es Schaden an der Umwelt, finanzieller Verlust, Störung der Gesellschaft, Schaden an kritischer Infrastruktur oder im schlimmsten Falle die tödliche Verletzung eines Menschen. Die EASA hat sich entschieden, hier nur das Risiko für die tödliche Verletzung eines Menschen und Schaden an kritischer Infrastruktur zu betrachten. Hierbei wurde der Schaden an Leib und Leben noch einmal unterteilt in das Potential für tödliche Verletzungen Dritter am Boden und Dritter in der Luft. Gleichzeitig wird zur Kenntnis genommen, dass die Aufschlagenergie, welche zum Töten eines Menschen ausreicht, sehr gering ist und somit, bei den in der Kategorie “Speziell” betrachteten UAS, bei einer Kollision mit einem Menschen von einer tödlichen Verletzung ausgegangen werden muss. Aus dieser Betrachtung ergeben sich die Grundpfeiler der SORA-Analyse, die Ermittlung der Ground Risk Class (GRC) und der Air Risk Category (ARC). [18] 4.2. EASA Definition von Robustheit Sowohl in der Betrachtung der Risikominderung als auch bei den final anzuwendenden Operational Safety Objectives (OSOs) spielt die Robustheit der Maßnahmen eine zentrale Rolle. Die Robustheit ergibt sich aus dem Grad der Verbesserung der Sicherheit durch eine Maßnahme (Integrity) kombiniert mit der Art des Nachweises (Assurance), dass diese Sicherheitserhöhung erreicht wird. Die Integrity und die Assurance werden hierbei in drei Level (low, medium, high) eingeteilt. Die Integrity mit ihren dazugehörigen Leveln werden im Annex B, C, D und E des Easy Access Rules for Unmanned Aircraft Systems der EASA dargelegt. [18] Die Art der Assurance kann hingegen pauschaler umrissen werden. Bei dem Level low ist eine Erklärung, dass die Integrity erreicht wurde ausreichend. Beim Level medium muss vom Antragsteller ein Nachweis gegeben werden, dass die Integrity erreicht wurde. Dies geschieht standardmäßig durch Tests von Personal oder Technik. Für das Level high ist ein Audit durch eine dritte Partei vorzunehmen, welches die Integrity bestätigt. [18] Seite 18 von 92
Element 4-1 - Robustheit Matrix [18] Low Assurance Medium Assurance High Assurance Low Integrity Low Robustness Low Robustness Low Robustness Medium Integrity Low Robustness Medium Robustness Medium Robustness High Integrity Low Robustness Medium Robustness High Robustness 4.3. Aufbau der SORA-Analyse Die SORA-Analyse ist das von der EASA definierte Standardverfahren zur Risikoanalyse für den Betrieb von UAS unter der Zulassungskategorie “Speziell”. Es bietet sowohl den zuständigen Behörden, als auch den Betreibern einen Leitfaden um festzustellen, ob die angestrebte Drohnenoperation sicher ist. Hierbei wurde von der Erstellung genauer Voraussetzungen abgesehen und alternativ Operational Safety Objectives (OSOs) definiert, welche je nach Art der Operation mit einer festgelegten und angemessenen Robustheit erfüllt werden müssen. [18] Die SORA-Analyse besteht aus 10 Schritten [18] und endet mit der Erstellung eines umfassenden Safety-Portfolios, welches mit des SORA-Analyse, dem Betriebskonzept und dem Antrag an die zuständige Behörde übergeben wird.: 1. Die Erläuterung des initialen Betriebskonzepts (ConOps). 2. Die Bestimmung der intrinsischen Ground Risk Class (GRC). 3. Die optionale Minderung der GRC und die finale Bestimmung der GRC. 4. Die Bestimmung der initialen Air Risk Category (ARC). 5. Die optionale Anwendung von strategischen Risikominderungen und die Bestimmung der verbleibenden Air Risk Category. 6. Feststellung der geforderten taktischen Risikominderungen für die verbleibende ARC. 7. Auslesen des Specific Assurance and Integrity Levels (SAIL) 8. Auslesen der zu erfüllenden Operational Safety Objectives (OSOs) 9. Untersuchung der angrenzenden Bereiche des operationellen Volumens 10. Erstellung des umfassenden Safety-Portfolios unter Einbeziehung der abgearbeiteten Schritte Seite 19 von 92
4.3.1. Initiales Betriebskonzept Die Erstellung des initialen Betriebskonzepts für den angestrebten Drohnenbetrieb stellt die Basis für alle folgenden Analysen und Klassifizierungen dar. Im Zuge dessen sollte es so umfassend und genau wie möglich gestaltet sein. Alle für die Risikoabwägung benötigten Daten sollten hier aufgeführt werden. Dies bezieht sich im Besonderen auf technische, operationelle und systemische Informationen, kann aber aber auch weit über diese hinausgehen. Weitere geforderte Aspekte sind Informationen über die Sicherheitskultur des Betreibers und eine klare Definition, wann und wie mit den Air Navigation Service Providers (ANSP) interagiert werden soll. Sollte eine bestimmte Operation angestrebt werden, impliziert der Detailgrad der hier geforderten Informationen einen iterativen Ansatz für die Erstellung des Betriebskonzeptes, gespeist aus den Schritten, Risikominderungen und OSOs der SORA-Analyse. Sollte jedoch nur die Durchführbarkeit einer Operation unter einem gegebenen Betriebskonzept geprüft werden, kann die SORA-Analyse auch nur einmal durchlaufen werden. [18] 4.3.2. Intrinsic Ground Risk Class Wie bereits angedeutet, bezieht sich die GRC auf das Risiko, dass eine Person von einem außer Kontrolle geratenen UAV getroffen wird. Um die intrinsische GRC feststellen zu können werden sowohl physische als auch operationelle Daten benötigt. Die Wahrscheinlichkeit eines Absturzes wird für alle Operationsarten als gleich angenommen, somit betrachtet diese Analyse nur die möglichen Auswirkungen eines Absturzes. Element 4-2 - Operationsbereich [18] Seite 20 von 92
Zum einen wird das Schadenspotential des UAV miteinbezogen. Dies geschieht über die physische Dimension (größte Entfernung zwischen zwei Punkten am UAV) und die typische zu erwartende kinetische Energie, abhängig von von der Masse des UAV, der (Reisegeschwindigkeit bei Starrflüglern) oder der Fallendgeschwindigkeit (bei Multicoptern) [19]. Zum anderen wird die Wahrscheinlichkeit, bei einem Absturz auch wirklich einen Menschen oder kritischer Infrastruktur zu treffen, betrachtet. Hier spielen die Bevölkerungsdichte unter dem operationellen Volumen und der Ground Risk Buffer (siehe Element 4-2) eine entscheidende Rolle. Gleichzeitig wird bei einer Operation in Visual Line of Sight (VLOS) eine bessere Übersicht des Safety Pilot zur Vermeidung von Menschen angesetzt, als im Beyond Visual Line of Sight (BVLOS). Diese Abwägungen ergeben nun eine Tabelle, aus der die Ground Risk Class (GRC) zwischen 1 und 10 abgelesen werden kann. [18] Element 4-3 - Intrinsische Ground Risk Class [18] Intrinsische Ground Risk Class Max. physische Dimension 1m 3m 8m >8 m Typische kinetische Energie < 700 J < 34 kJ < 1 084 kJ > 1 084 kJ Operationsarten VLOS/BVLOS über 1 2 3 4 kontrolliertem Gebiet VLOS über dünn besiedeltem 2 3 4 5 Gebiet BVLOS über dünn 3 4 5 6 besiedeltem Gebiet VLOS über besiedeltem 4 5 6 8 Gebiet BVLOS über besiedeltem 5 6 8 10 Gebiet VLOS über 7 Menschenansammlungen Certified BVLOS über 8 Menschenansammlungen Seite 21 von 92
4.3.3. Finale Ground Risk Class Die ermittelte GRC kann nun durch drei Arten von Risikominderungen herabgesetzt werden. Die Absenkung des Risikos durch strategische Maßnahmen (M1) bezieht sich auf die Reduktion der Menge der Menschen im Risikobereich. Dies kann durch vorige Kontrollen der Umgebung, zeitlich beschränkte Operationen (z.B. bei Nacht) oder physische Beschränkung des operationellen Volumens (Anbinden der Drohne) geschehen. Eine weitere Möglichkeit bietet die Verringerung des Aufprallschadens (M2). Entweder muss hier die Aufprallenergie oder der Bereich des Aufpralls verkleinert werden. Ein einfaches Beispiel wäre ein Fallschirm, der sich bei Kontrollverlust selbstständig entfaltet. Zuletzt beeinflusst die Implementierung eines Emergency Response Plan (ERP) (M3) auch die Ground Risk. Hierbei sollen die Auswirkungen eines Kontrollverlustes (z.B. ein Absturz, eine Mid Air Collision oder ein Fly Away), sobald dieser absehbar ist, eingedämmt werden. Im Besonderen wird hier Bezug auf die Alarmierung der Rettungskräfte oder des ANSP genommen. [18] Element 4-4 - Minderung der Ground Risk [18] Minderung der Ground Robustheit: Robustheit: Robustheit: Risk None / Low Medium High M1 - Strategische None → 0 -2 -4 Maßnahmen Low → -1 M2 - Verringerung des 0 -1 -2 Aufprallschadens M3 - Emergency response 1 0 -1 plan (ERP) Um wieviel die GRC letztendlich geändert wird, hängt maßgeblich von der bereits erwähnten Robustheit der Risikominderungen ab. Zuletzt werden die Änderungen der GRC addiert und von der intrinsischen Ground Risk abgezogen. Hierbei ist es wichtig zu erwähnen, dass die minimale GRC nie kleiner werden darf als die kleinste Klasse der anwendbaren Spalte aus Element 4-3. Als Beispiel kann ein UAS mit physischen Dimensionen von 8 Metern niemals eine GRC von unter 3 erreichen. [18] 4.3.4. Initiale Air Risk Category Bei der initialen Ermittlung der Air Risk Category (ARC) wird von einer fatalen Folge einer Kollision in der Luft ausgegangen. Somit fließt in die Risikoermittlung nur die Wahrscheinlichkeit für eine Kollision und nicht die Dimension der Drohne ein. Hierbei wird die anzunehmende Dichte des bemannten Flugverkehrs genutzt um einem definierten Seite 22 von 92
Bereich eine ARC zwischen a und d zuzuweisen. Kategorie d stellt hierbei die größte Verkehrsdichte und somit das größte initiale Risiko dar. Für den Betreiber gibt es zwei Möglichkeiten diese initiale ARC auszulesen. Entweder bieten die zuständige Zulassungsbehörde, der ANSP oder andere U-Space Serviceanbieter eine statische oder dynamische Karte für das Kollisionsrisiko und somit die ARC an, oder sie kann aus der generalisierten Luftraumtabelle (siehe Element 4-5) der EASA abgelesen werden. In diese fließen Faktoren, wie die Flughöhe, kontrollierter gegen unkontrollierter Luftraum, Entfernung zu einem Flugplatz, Luftraum über Stadt oder Land und zuletzt ob es sich um einen öffentlichen oder gesperrten Luftraum handelt, ein. Um jedes angegebene Szenario der Flugumgebung eindeutig zu klassifizieren, wurde abhängig von Entfernung, Geometrie und Dynamik des jeweils auftretenden Luftverkehrs untereinander eine Airspace Encounter Category (AEC) vergeben. [18] Element 4-5 - Generische ARC Bestimmung [18] Operationelle Umgebung Generalisierte Zugehörige AEC Initiale ARC Verkehrsdichte Airport/Heliport Umgebung Airport/Heliport mit Luftraum 5 AEC 1 ARC-d der Klasse B, C oder D Airport/Heliport mit Luftraum 3 AEC 6 ARC-c der Klasse E, F oder G Operationen zwischen 400ft AGL und FL 600 In Mode-S Veil oder TMZ 5 AEC 2 ARC-d In controlled 5 AEC 3 ARC-d airspace In uncontrolled airspace über 3 AEC 4 ARC-c urbanem Raum In uncontrolled airspace über 2 AEC 5 ARC-c ländlichem Raum Operationen unter 400ft AGL In Mode-S Veil oder TMZ 3 AEC 7 ARC-c In controlled 3 AEC 8 ARC-c airspace Seite 23 von 92
In uncontrolled airspace über 2 AEC 9 ARC-c urbanem Raum In uncontrolled airspace über 1 AEC 10 ARC-b ländlichem Raum Weitere OPS > FL 600 1 AEC 11 ARC-b atypical/segregated Airspace 1 AEC 12 ARC-a 4.3.5. Strategische Minderung der ARC Die Minderung der ARC durch strategische Maßnahmen bietet dem Betreiber die Möglichkeit, bei einer Operation in einem generisch ermittelten Luftraum mit einer bestimmten ARC, eine geringere Verkehrsdichte nachzuweisen. Strategisch sind in diesem Fall Maßnahmen, welche die Air Risk vor dem Start der Operation bereits minimieren. Dies könnte die strikte Beschränkung des Operationsvolumens (z.B. automatische Notabschaltung), Operationszeiten außerhalb der normalen Flugzeiten der bemannten Luftfahrt, sehr kurze Flugzeiten der Drohne (time of exposure), einen quasi beschränkten Luftraum oder gemeinsame Flugregeln von bemannter und unbemannter Luftfahrt, beinhalten. Über diesen Ansatz ist es möglich die ARCs herunter zu argumentieren, indem man die jeweils niedrigere lokale Verkehrsdichte der bemannten Luftfahrt nachweist. Diese Argumentation stellt jeweils einen Prüffall dar, für den klare Beweise erbracht und der explizit von der zuständigen Behörde genehmigt werden muss. [18] Element 4-6 - ARC Reduktion [18] AEC Generalisierte Initiale ARC Argumentierte Finale ARC Verkehrsdichte Verkehrsdichte AEC 1, 2 5 ARC-d 4 oder 3 ARC-c 2 oder 1 ARC-b AEC 3 4 ARC-d 3 oder 2 ARC-c 1 ARC-b AEC 4 3 ARC-c 1 ARC-b AEC 5 2 ARC-c 1 ARC-b AEC 6, 7, 8 3 ARC-c 1 ARC-b Seite 24 von 92
AEC 9 2 ARC-c 1 ARC-b AEC10 and AEC 11 are not included in this table, as any ARC reduction would result in ARC-a. A UAS operator claiming a reduction to ARC-a should demonstrate that all the requirements that define atypical or segregated airspace have been met. 4.3.6. Taktische Minderung der finalen ARC Um nun das je nach verbleibender ARC noch vorhandene Restrisiko einer Kollision mit einem bemannten Flugobjekt weiter zu minimieren und somit die Sicherheitsziele der EASA für UAS zu erfüllen, müssen taktische Minderungen des Risikos implementiert werden. Von einer taktischen Minderung wird gesprochen, wenn ein System aktiv in den Flugverlauf der Drohne eingreift um eine Kollision mit einem weiteren Flugobjekt zu verhindern. Solange die Operation in Visual Line of Sight (VLOS) oder Extended Visual Line of Sight (EVLOS), wo ein Beobachter im Kontakt mit dem Safety Pilot steht, durchgeführt wird, ist keine weitere taktische Minderung nötig. Dies basiert auf der Annahme, dass der Safety Pilot eine Kollision durch “sehen und ausweichen” verhindern wird. Sobald die Operation Beyond Visual Line of Sight (BVLOS) stattfindet sind taktische Minderungen über ein “erkennen und ausweichen” (DAA) System anzuwenden. Eine Ausnahme stellt ARC-a dar, da hier die Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit einem bemannten Flugobjekt als verschwindend gering angenommen wird. Das jeweils zu erfüllende Level an taktischer Minderung unter BVLOS und das dazugehörige zu erfüllende Systemrisiko ist im untenstehenden Element 4-7 dargestellt. [18] Element 4-7 - TMPR Matrix [18] Finale ARC TMPR TMPR Systemrisiko Ziel ARC-d high Systemrisiko ≤ 0.1 ARC-c medium Systemrisiko ≤ 0.33 ARC-b low Systemrisiko ≤ 0.66 ARC-a None N/A 4.3.7. Specific Assurance and Integrity Level Die aus den Daten des initialen Betriebskonzepts erarbeitete GRC und ARC wird nun zusammengeführt und ergibt ein Specific Assurance and Integrity Level (SAIL). Dieses Level repräsentiert das Vertrauen darin, dass der UAS Betrieb unter Kontrolle bleiben wird. Das Specific Assurance and Integrity Level erstrecken sich von 1 bis einschließlich 6. Alle Operationen, welche einem Wert über 6 erzielen sind in der Kategorie “Speziell” nicht Seite 25 von 92
zulässig und müssen das Verfahren der Kategorie “Zulassungspflichtig” durchlaufen. Aus dem SAIL ergeben sich die anzuwendenden Operational Safety Objectives (OSOs), die jeweils zu erfüllenden Kriterien und die zu erbringende Nachweise, dass die OSOs auch erfüllt wurden. [18] Element 4-8 - SAIL Bestimmung [18] Finale ARC Finale GRC a b c d =< 2 I II IV VI 3 II II IV VI 4 III III IV VI 5 IV IV IV VI 6 V V V VI 7 VI VI VI VI >7 Kategorie certified 4.3.8. Operational Safety Objectives In diesem Schritt sind 24 Operational Safety Objectives (OSOs) dargelegt, welche für sechs SAILs die zu erreichende Sicherheitsstandards festlegen. Auch hier wird wieder die Philosophie der drei Level der Robustheit eingesetzt und durch das unterste Level "optional” ergänzt. Die OSOs bilden Gruppen, basierend auf dem Risiko, welches sie herabsetzen sollen. Somit kann es vorkommen, dass es in verschiedenen Gruppen das gleiche OSO gibt und somit eine Dopplung entsteht. [18] 4.3.9. Angrenzende Bereiche des operationellen Volumens In dieser letzten Betrachtung des Risikos, welches von einer Drohne ausgehen kann, wird noch einmal die Gefahr des Kontrollverlustes angesprochen und klare Kriterien zum Schutz von Dritten genannt. Dieses Mal wird die unmittelbare Umgebung sowohl in der Luft als auch am Boden um das Operationsvolumen in Betracht gezogen. Wichtig ist hierbei, ob sich die GRC oder ARC in diesem angrenzenden Bereich zuungunsten der Sicherheit verschlechtert. In jedem Fall darf kein voraussichtlicher Fehler im UAS oder einem externen System dazu führen, dass das Operationsvolumen verlassen wird. Sollten sich in der Umgebung Seite 26 von 92
Ansammlungen von Menschen, ARC-d Luftraum oder urbanes Gebiet befinden, stellt dies beim Eindringen einen so starken Anstieg des Risikos dar, dass Besonders scharfe Regeln gelten. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein UAV das operationelle Volumen verlässt muss in −4 diesem Fall unter 10 liegen, die Software und Hardware müssen besonders robust sein und kein einzelner Fehler darf zum Verlassen des Operationsvolumens führen. [18] 4.3.10. Comprehensive Safety Portfolio Das Safety Portfolio stellt den Abschluss der SORA-Analyse dar und ist letztendlich eine Zusammenfassung der vorangegangenen Schritte. Es zeigt die finale Methodik der Risikominderungen der Operation und unterfüttert diese mit Erklärungen oder Nachweisen, dass die geforderten Operational Safety Objectives auch wirklich erfüllt wurden. In dem Safety Portfolio sollten die Minderungen der drei angewendeten Arten (GRC Minderungen, ARC taktische und strategische Minderungen) aufgeführt sein und letztendlich alle zu erfüllenden OSOs dargelegt werden. Sollten die Minderungen und OSOs zufriedenstellend und in Einklang mit den Vorgaben der SORA-Analyse belegt sein, ist hiermit der Nachweis erbracht, dass der angestrebte Betrieb sicher durchgeführt werden kann. [18] Seite 27 von 92
5. Betriebskonzept für Drohnenoperationen im SAIL II An dieser Stelle muss erwähnt werden, dass das Betriebskonzept sowohl den Input für die SORA liefert, als auch von den Ergebnissen der SORA beeinflusst wird. Normalerweise sind das Betriebskonzept und die SORA zwei verschiedene Dokumente und müssen quasi gleichzeitig gelesen werden. Um weitere Dopplungen der Informationen in dieser Masterthesis zu verhindern, den inhaltlichen Ansprüchen der EASA zu genügen und dem Leser die SORA-Analyse verständlicher zu machen, ist das Betriebskonzept in den folgenden Seiten in Gänze gegeben. Dies stellt einen Bruch in der kontinuierlichen Beschreibung der Arbeitsabläufe der Masterthesis dar, was jedoch in Kauf genommen wird. 5.1. Zusammenfassung des Betriebskonzepts Unter Einbindung der DLR Standards für Organisation und Sicherheit wird ein Drohnenbetrieb am Institut für Flugführung angestrebt. Die Operationen sollen unter SAIL II Bedingungen über ländlichem Gebiet rund um das nationale Erprobungszentrum für unbemannte Luftfahrzeugsysteme Cochstedt im VLOS und BVLOS stattfinden. Die Zusammensetzung der Crew orientiert sich stark am DLR Standard für Crews von Fixed Wing Drones, ist jedoch für den Betrieb im SAIL II abgewandelt. Ein robustes Wartungs- und Configuration Management ist dargelegt. Die angestrebte Operation findet in der Kontrollzone am Flughafen Magdeburg-Cochstedt statt, also im Luftraum der Klasse D. Für die Flugplanung werden neben geografischen Einschränkungen, wie bebautem Gebiet und Freizeitzielen, auch ökologische Faktoren, wie das Natur- und Vogelschutzgebiet Hakel, berücksichtigt. Gleichzeitig werden Sicherheitsstandards für die Wetterbedingungen und die zulässigen Betriebszeiträume definiert und Überwachungsverfahren dargelegt. Die erstellten Betriebsverfahren in Normal Operations, Contingency Operations und Emergency Operations sind mit einer Abwägung von Umsetzbarkeit und Sicherheit erstellt. Sie sollen durch die Einbindung der automatischen Sicherheitsfunktionen der Drohne und einer klaren Multi Crew Coordination einen effizienten und sicheren Ablauf der Operation garantieren. Als zentrale Hardware kommt der batteriebetriebene Multikopter “DexHawk” zur Anwendung. Es handelt sich um einen Eigenbau des Instituts für Flugführung. Er fungiert als Forschungsdrohne und Sensorträger mit einem MTOW von 14 kg und einer maximalen Abmessung von 1620 mm. In der Drohne sind moderne Sicherheitssysteme wie GeoFencing und ein Fallschirm verbaut. Außerdem wurde auf hohe Redundanz bei der C2 Verbindung geachtet. Die Steuerung erfolgt per Fernbedienung oder durch eine Ground Control Station. Betriebsverfahren, Hard- und Software bilden zusammen eine Einheit, welche den Operational Safety Objektiven des SAIL II genügen. Seite 28 von 92
5.2. Organisatorischer Überblick Das DLR ist das nationale Forschungszentrum der Bundesrepublik Deutschland für Luft- und Raumfahrt. Es leistet Grundlagenforschung und angewandte Wissenschaft in den Feldern Luft- und Raumfahrt sowie Energie, Verkehr, Digitalisierung und Sicherheit. Vom Hauptquartier in Köln oder einer seiner weiteren 30 Standorte kooperiert das DLR mit Partnern in der Industrie und Forschung. [1] Das DLR ist ein eingetragener Verein und ist als solcher eine juristisch selbstständige Person mit einer Satzung und verschiedenen satzungsgemäßen Gremien. Der Vorstand setzt sich aus einer vom Senat bestimmten Anzahl von Mitgliedern aus verschiedenen Arbeitsfeldern zusammen. Der Senat bildet das Aufsichtsorgan des DLR und besteht aus 33 Mitgliedern, aus den Feldern der Forschung, Industrie, Wirtschaft und dem öffentlichen Sektor. Den Vorsitz des Senats hat der Staatssekretär des in der Bundesregierung für das DLR zuständigen Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie inne. Finanziert wird das DLR über die programmorientierte Förderung der Helmholtz-Gemeinschaft, wobei das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie 90% der Kosten trägt und 10% von den jeweiligen Sitzländern der 30 Standorte des DLR getragen werden. Zusätzlich werden Drittmittel aus der Industrie oder Förderprogrammen eingesetzt. [20] Das Institut für Flugführung des DLR fungiert als Betreiber der Drohnenoperation. Es ist geteilt in die Abteilungen Lotsenassistenz, Pilotenassistenz, Air-Traffic-Management Simulation und die Abteilung Systemergonomie. Die Abteilung Pilotenassistenz ist in dem hier angestrebten Betrieb federführend. [5] Element 5-1 - Organigramm der Betriebsstruktur für UAS-Operations im DLR [21] Seite 29 von 92
Der Vorstand des DLR ernennt einen verantwortlichen Betriebsleiter für alle Drohnen-Operationen im DLR. Dieser hat fachliche Weisungsbefugnis und kontrolliert oder auditiert die UAS-Operations der verschiedenen DLR Institute und Einrichtungen. Die jeweilige verantwortliche Crew der spezifischen Operation wird von der jeweiligen Institutsleitung mit der Durchführung der Operation beauftragt. [21] Das DLR ist ein beim Luftfahrt Bundesamt registrierter Betreiber von Unmanned Aircraft Systems (UAS) unter der identifikationsnummer: - e-ID DEUu3vtmt4tt9e8y [21] 5.2.1. Sicherheit im DLR Das Sicherheitsmanagement des DLR wurde in Anlehnung an ISO 9001 erarbeitet. Durch alle Führungsebenen wird die Verantwortung für die operative Sicherheit wahrgenommen und durch Pflichtenübertragung konkretisiert und dokumentiert. Gleichzeitig stellt die Abteilung DLR-Sicherheit eine eigenständige Institution dar, welche über DLR-interne Sicherheitsaudits beratend und kontrollierend auf die Institute und ihre Abläuft einwirkt. Dieser Aufbau ist im folgenden Element dargestellt. [22] Element 5-2 - Sicherheitsmanagement im DLR [22] Seite 30 von 92
Für den Betrieb von Drohnen der Kategorie “Offen” werden, seit der Vorstandsentscheidung vom 25.04.2021, DLR-weit einheitliche Vorschriften angewandt. Diese regeln den Umgang mit den folgenden Themenbereichen: - Versicherung - Piloten Qualifikation - Kennzeichnung von UAS - Dokumentationspflicht - Abgrenzung zur “Speziell” Kategorie - Flugvorbereitung Werden diese Regeln vom betreibenden Team der angestrebten Drohnenoperation angewandt, so dürfen sie Operationen der Kategorie “Offen” selbstständig durchführen. [22] Gleichzeitig gibt es einige Projekte, welche einen Drohnenbetrieb der EASA Kategorie “Speziell” betreiben. Regeln für diese Zulassungsverfahren und den Betrieb werden kontinuierlich DLR-intern erarbeitet und ergänzen das Regelwerk für die Offen Operationen. Zur Zeit gibt es noch keinen einheitlichen Standard, sodass für die in diesem Fall angestrebte Operation folgende Verteilung der sicherheitsrelevanten Aufgaben definiert ist: [22] Verantwortliche/r Betriebsleiter/in UAS-Betrieb (DLR gesamt): - Sicherheit und Erfüllung von DLR Drohnen Operationen - Durch den Vorstand bestimmte Kontaktperson für Behörden - Qualitätssicherung von Betriebsbeiträgen für DLR Operationen - Dokumentation (Drohnen im Einsatz, Flugbewegungen, Personal) - Berichterstattung über Vorfälle Verantwortliche/r UAS-Betrieb im Institut: - Überprüfung und Hilfe bei Zulassungsanträgen für UAS-Operationen - Berichterstattungs- und Dokumentationsverpflichtung gegenüber Verantwortliche/r Betriebsleiter/in UAS-Betrieb - Überwachung von Qualifikationen und Training des Personals im Institut Flight Test Lead: - Organisation und Durchführung von Flugtests - Implementierung und Einhaltung von EU, nationalen und DLR internen Regularien - Erstellung des Betriebskonzepts und Durchführung der SORA-Analyse - Koordination der Crew, Briefings und Rollenzuweisung Seite 31 von 92
Über die Angestellten hinaus, welche direkt mit der Operation betraut sind, unterstützt das DLR das Team mit weiterem sicherheitsrelevanten Personal im Institut und am Standort Cochstedt: [22] - Security Administrator: Sicherheitsüberprüfung von (externen) Angestellten, Sicherheitsmaßnahmen, Zugangskontrollen für das Gelände - Safety Engineers: Unterstützung bei operationeller Sicherheit, Bewertung von Arbeitsplatz und Aufgaben, angewandte Sicherheitsberatung - Safety Assistant: Einführung von Sicherheitsregeln in der Abteilung, Ausbildung neuer Angestellter - Paramedics: Notfallbehandlungen von Arbeitsunfällen, Gesundheitsberatung - First Aid: Nicht lebensbedrohliche und Notfallbehandlungen - Fire Safety Assistant: Umsetzung von Brandschutzregeln Weitere sicherheitsrelevante Prozesse, welche innerhalb des DLRs normiert sind und hier angewendet werden, umfassen: [22] - Safety Briefings: Ein jährliches Briefing an dem alle Angestellten teilnehmen. Bei neuen Angestellten erfolgt es am ersten Arbeitstag. - Safety Audits: Ereignisgesteuerte Safety Audits erfolgen regelmäßig und im Falle eines Vor- oder Unfalles. - Safety Assessments: Sicherheitsbewertungen für Aufgaben mit erhöhtem Risiko (z.B. Produktion oder Flugversuche) werden von einem dedizierten Safety Engineer durchgeführt. - Quality Management (QM) System: Behandelt Sicherheitsaspekte wie den Dokumentationsstandard, Nachverfolgbarkeit, Nachweisbarkeit und Transparenz. 5.2.1.1. Sicherheitskultur im UAS-Betrieb Die Sicherheitskultur des angestrebten UAS-Betriebes leitet sich aus den 5 Grundpfeiler einer Sicherheitskultur definiert von James Reason ab: Informed Culture, Reporting Culture, Just Culture, Learning Culture und Flexible Culture. [23] Das DLR im Allgemeinen und das Institut für Flugführung im Besonderen ist sich der menschlichen Fehlbarkeit bewusst. Um diese unvermeidlichen menschlichen Fehler so selten wie möglich zu halten, sie einzudämmen und aus ihnen zu lernen, wird eine Sicherheitskultur gepflegt. Im Zentrum dieser Kultur steht der einzelne Mitarbeiter, der sich der Risiken seiner Aufgaben bewusst sein sollte. Um dies zu gewährleisten, strebt das DLR eine extensive Bildung in sicherheitsrelevanten Aspekten an (Informed Culture). Dieses beinhaltet ein klares Verständnis der verschiedenen Sicherheitsnetze, welche helfen sollen die Sicherheit des Betriebes zu erhöhen. Im Falle der Seite 32 von 92
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