Hoe kan risicomodellering bijdragen aan het plannen van veilige vluchttrajecten voor UAV's?

Risicomodellering speelt een cruciale rol bij het plannen van veilige vluchttrajecten voor ongebemande luchtvaartuigen (UAV's). Het stelt ons in staat de risico’s van een crash of falen van het systeem te voorspellen en daarmee de veiligheid van de vlucht te optimaliseren. De risicoanalyse is gebaseerd op een aantal verschillende modellen die rekening houden met de verschillende factoren die de kans op een crash beïnvloeden, evenals de ernst van de gevolgen van zo'n gebeurtenis. De onderliggende principes zijn in eerdere studies, zoals die van Washington et al. (2017), uitgebreid besproken, waarbij de nadruk lag op het decomponeren van risico’s in meerdere sub-modellen. Dit maakt het mogelijk om niet alleen de kans op incidenten te berekenen, maar ook de mogelijke schade die ontstaat bij een incident.

De foutgevoeligheid van het systeem betreft de identificatie van mogelijke faalmodi van het UAV-systeem en de kans dat deze falen zich voordoen. Er wordt vaak uitgegaan van een constante faalkans voor het gehele systeem, wat in veel literatuur als uitgangspunt wordt genomen (zoals in de werken van Aalmoes et al. (2015) en Lum en Waggoner (2011)). Methodes zoals het gebruik van historische gegevens van bemande luchtvaart of simulaties zijn gangbare benaderingen om de faalkans te berekenen. Het is echter van belang te realiseren dat bij UAV’s, waarvan de technologie relatief nieuw is, er altijd een zekere mate van onzekerheid blijft bestaan over faalkansen. Zelfs bij het gebruik van geavanceerde technieken zoals Bayesiaanse netwerken of System Engineering-aanpakken, blijft er altijd enige onbekendheid in het voorspellingsmodel.

Wat verder complicerend is, is de variabiliteit van bevolkingsdichtheid en het gebruik van grond. Dit beïnvloedt de risico’s bij een crash op de grond. Gebieden met hoge bevolkingsdichtheid verhogen de kans dat een persoon of eigendom wordt geraakt. Dit maakt het essentieel om vluchttrajecten te plannen die gebieden met hoge bevolkingsdichtheid vermijden, wat in sommige gevallen kan worden bereikt door middel van algoritmes die de risicogevoeligheid van bepaalde gebieden in kaart brengen en afwegen tegen de beschikbare vluchtpaden.

Het derde aspect van de risicomodellering betreft de ernst van de impact, wat de potentiële schade of letsel beschrijft wanneer het UAV neerkomt. Dit wordt vaak uitgedrukt in termen van de waarschijnlijkheid van dodelijk letsel of letsel door impact. Het berekenen van de impacternst is complex, omdat het afhankelijk is van de kinetische energie van de UAV op het moment van impact, evenals de aanwezigheid van obstakels of beschutting die de impact kunnen verzachten. De waarschijnlijkheid van fatale verwondingen wordt vaak bepaald door de energie van de impact en de mate van blootstelling van personen in het gebied.

Wat verder van belang is in de context van risicomodellering is de invloed van regelgeving en de perceptie van risico in de samenleving. Beleidsmaatregelen en wettelijke vereisten, zoals die beschreven in het werk van Melnyk et al. (2014), kunnen de faalkansen of de geaccepteerde risico’s aanzienlijk beïnvloeden. Dit onderstreept het belang van het afstemmen van risicomodellen op bestaande normen en regelgeving, en de noodzaak om deze modellen voortdurend bij te werken naarmate er meer gegevens beschikbaar komen.

Naast de traditionele risicomodellering zijn er ook innovatieve benaderingen die meer rekening houden met de dynamiek van UAV-vluchten in complexe omgevingen. Het gebruik van Monte Carlo-simulaties en geavanceerde probabilistische modelleringstechnieken, zoals het creëren van gewogen grafieken op basis van bevolkingsdichtheid (zoals gepresenteerd door Harmsel et al. (2017)), biedt nieuwe mogelijkheden om risicovolle gebieden te identificeren en te vermijden.

Bij de planning van vluchttrajecten spelen zowel de risicoanalyse als geavanceerde algoritmes een cruciale rol. Sampling-based path planning, zoals besproken in Schopferer en Benders (2020), is een methode die gebruik maakt van willekeurige steekproeven om optimale vluchtpaden te genereren op basis van de gedefinieerde risicomodellen. Deze techniek maakt het mogelijk om vluchtpaden te plannen die zowel de verwachte risico’s minimaliseren als voldoen aan de operationele vereisten van het UAV-systeem. Het gebruik van geavanceerde path planning-algoritmes kan helpen bij het vinden van de veiligste en efficiëntste routes, rekening houdend met de risico’s van storingen en externe invloeden zoals weersomstandigheden.

Wat zijn de belangrijkste overwegingen bij de werking van onbemande vrachtvliegtuigen voor lage-altitude luchtleveringen?

Bij de beoordeling van onbemande vrachtvliegtuigen (UCA) voor transport over grote afstanden, vooral in landbouw- of humanitaire contexten, moeten verschillende factoren in overweging worden genomen. De keuze van het juiste type vliegtuig voor lage-altitude luchtleveringen is niet alleen afhankelijk van de technologische kenmerken van het voertuig, maar ook van de operationele vereisten, zoals veiligheid, kosten, en regelgeving.

In een van de onderzochte gevallen werd het transport van landbouwonderdelen over een afstand van 600 km via onbemande vliegtuigen geëvalueerd. Het belangrijkste doel was om een vliegnetwerk te ontwerpen dat verschillende Europese bestemmingen van vracht zou voorzien. Bij de planning van vliegroutes werd niet alleen rekening gehouden met topografie, maar ook met luchtvaartstations voor tankstops en de bevolkingsdichtheid van de gebieden. Dit laatste punt is bijzonder belangrijk, aangezien de drones idealiter over dunbevolkte gebieden zouden vliegen om veiligheids- en verstoringsproblemen te vermijden.

Bij het plannen van deze routes bleek het soms moeilijk om een geschikte doorgang te vinden door gebieden met een hoge bevolkingsdichtheid of door langgerekte nederzettingen. Ondanks deze uitdagingen konden redelijke routes worden gevonden voor alle bestemmingen, waarbij de omweg in het slechtste geval niet meer dan 20% van de oorspronkelijke vluchtafstand was. Bovendien bleek uit de berekeningen dat de meeste bestemmingen in meer dan één dag bereikt zouden moeten worden vanwege de vereiste dat vluchten 's nachts plaatsvinden. Dit zou de snelheid van levering ten opzichte van wegtransport aanzienlijk kunnen vertragen, wat een belangrijke factor is bij het overwegen van de kosten van het vervoer per lucht.

Naast het commerciële gebruik van onbemande vrachtvliegtuigen, werden ook humanitaire scenario’s onderzocht. Hierbij werd een systeem bedacht waarin zowel een conventioneel helikoptertype, de Mil Mi-8, als een onbemande gyrocopter worden ingezet. De helikopter zou zich richten op het transporteren van omvangrijke ladingen, zoals medische hulpmiddelen en zelfs het evacueren van gewonden, terwijl de gyrocopter, die lichter en flexibeler is, kan worden gebruikt voor het afleveren van kleinere pakketten of eerste hulp kits.

Deze combinatie van vliegtuigen kan de efficiëntie van humanitaire hulp verbeteren, vooral in noodsituaties waarin snelheid van levering van groot belang is. Toch blijven er praktische en regelgevende uitdagingen bestaan, zoals het bepalen van een geschikt systeem voor het loslaten van pakketten uit de gyrocopter. De huidige regelgeving, zoals het SORA-raamwerk, staat niet toe om deze operaties uit te voeren boven bebouwde gebieden, wat een extra complicatie vormt. Toch is het voor een succesvolle levering van pakketten essentieel dat de gyrocopter dicht bij de ontvangers opereert, wat aanvullende juridische en technische overwegingen vereist.

Wanneer men kijkt naar de verdere ontwikkeling van onbemande vrachtvliegtuigen, moet niet alleen rekening worden gehouden met de technische aspecten van het voertuig, maar ook met de operationele omgevingen waarin ze zullen opereren. Het vervoer van goederen over lange afstanden met onbemande systemen biedt onmiskenbare voordelen in termen van snelheid en kosten, maar het vereist ook een diepgaande analyse van de reguleringen en de technische haalbaarheid van het systeem.

Hoe de Veiligheid van Vervoersystemen in de Luchtvaart wordt Bedreigd door Cyberaanvallen

De integratie van nieuwe technologieën in de luchtvaart, zoals ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast) en FLARM (Flight Alarm), heeft veel voordelen gebracht, vooral op het gebied van luchtverkeersbeheer en het verbeteren van de situational awareness. Deze systemen, hoewel ontworpen om de veiligheid te vergroten, brengen echter ook nieuwe risico's met zich mee, vooral op het gebied van cyberbeveiliging. In deze context worden de kwetsbaarheden van deze systemen voor ongebemande luchtvaartuigen (UA) in zeer laagvliegend luchtruim onderzocht, waarbij de focus ligt op de mogelijke aanvallen die uitgevoerd kunnen worden door kwaadwillende actoren.

FLARM, een systeem dat vooral is ontworpen voor kleinere vliegtuigen zoals zweefvliegtuigen, heeft zichzelf bewezen in de VLL-luchtvaart (Very Low Level). Sinds de lancering in 2004 hebben meer dan 40.000 vliegtuigen FLARM-systemen geïnstalleerd. Dit systeem is echter geen ADS-B en heeft belangrijke beperkingen, zoals een beperkte actieradius van de signalen en incompatibiliteit met andere systemen zoals ADS-B. FLARM maakt gebruik van frequenties in de SRD860 of ISM-band, die niet beschermd zijn tegen interferentie, wat de betrouwbaarheid kan verminderen.

De belangrijkste bedreiging voor zowel ADS-B als FLARM is cyberveiligheid. Aangezien deze systemen draadloze communicatie gebruiken, kunnen ze kwetsbaar zijn voor verschillende soorten cyberaanvallen. Een van de eenvoudigste en meest voorkomende aanvallen is ‘reconnaissance’, waarbij aanvallers simpelweg naar onbeveiligde uitzendingen luisteren om informatie over de positie van een UA te verkrijgen. Deze informatie kan vervolgens worden gebruikt voor meer geavanceerde aanvallen, zoals het verstoren van het systeem of het creëren van valse doelen.

Een ander type aanval is 'jamming', waarbij een aanvaller een breed radiosignaal uitzendt om het originele signaal van het vliegtuig te verstoren. Dit kan ervoor zorgen dat het UA geen betrouwbare informatie ontvangt van de cooperative sensors, wat vergelijkbaar is met het blind maken van een piloot die geen visuele referentie kan gebruiken. Dit soort aanvallen kunnen bijzonder gevaarlijk zijn voor UA, aangezien er geen piloot aan boord is om de situatie te beoordelen of om andere maatregelen te nemen.

‘Ghost Target Injection’ is een bijzonder gevaarlijke aanval waarbij de aanvaller valse berichten uitzendt die andere vliegtuigen of luchtverkeersleiding verwarren. Deze nepdoelen kunnen leiden tot valse waarschuwingen voor mogelijke conflicten en zelfs tot het omleiden van vliegtuigen. Omdat een UA geen piloot heeft die visueel kan bevestigen of een doel echt is of niet, zijn ze bijzonder kwetsbaar voor deze aanvallen.

Een andere mogelijke aanval is het modificeren van de virtuele vluchttrajecten van vliegtuigen of het veroorzaken van valse alarmen door de gegevens die door de cooperative sensors worden uitgewisseld, te vervalsen. In plaats van valse doelen te injecteren, kan een aanvaller de werkelijke positie of het traject van een vliegtuig wijzigen. Dit type aanval is moeilijker te herkennen, aangezien het vliegtuig normaal blijft verschijnen, maar met een vervormd pad.

Ten slotte kan een aanval bestaan uit ‘aircraft spoofing’, waarbij een aanvaller het unieke ID van een vliegtuig vervalst, waardoor het lijkt alsof het vliegtuig een ander voertuig is, bijvoorbeeld een betrouwbaar vliegtuig. Dit kan zelfs zo ver gaan dat een aanvaller een vliegtuig in een verboden luchtruim laat binnendringen door het te laten lijken alsof het een ander vliegtuig is.

De kwetsbaarheid van deze systemen is een belangrijk punt van zorg, vooral nu er steeds meer niet-bemande luchtvaartuigen in het luchtruim opereren. De complexiteit van moderne luchtruimen, die zowel bemande als onbemande vliegtuigen omvatten, betekent dat elke cyberaanval ernstige gevolgen kan hebben voor de luchtvaartveiligheid. Hoewel er een breed scala aan technische oplossingen beschikbaar is om deze kwetsbaarheden te verminderen, moeten luchtverkeersbeheerders, vliegtuigfabrikanten en toezichthouders blijven samenwerken om deze systemen te versterken.

Om de veiligheid verder te waarborgen, is het cruciaal om de encryptie- en verificatiemechanismen van deze systemen voortdurend te evalueren en bij te werken. Het gebruik van asymmetrische encryptie kan helpen om de integriteit van de communicatie te waarborgen en de risico’s van afluisteren of manipulatie te minimaliseren. Het verbeteren van de interoperabiliteit tussen verschillende systemen kan ook bijdragen aan een robuuster en veiliger netwerk van luchtvaarttechnologieën.