In de huidige benadering van autonome luchtvaartuigen is het essentieel dat de uitvoering van procedures in geval van verlies van communicatie (C2-koppeling) automatisch plaatsvindt. Dit betekent in ieder geval dat het systeem in staat moet zijn een veilige vluchtterminatie uit te voeren wanneer operationele beperkingen worden overschreden. Vanuit het perspectief van gebruik en economie zou het echter voordeliger zijn als het luchtvaartuig in staat is om autonoom operationele risico's te mitigeren voordat een dergelijke vluchtterminatie noodzakelijk is. Aangezien een tijdelijk verlies van de C2-link een waarschijnlijke gebeurtenis is, moeten er andere manieren zijn om hiermee om te gaan.

Een hoog niveau van autonomie kan effectief de afhankelijkheid van de betrouwbaarheid van de C2-koppeling verminderen. Ook kan de werklast van het grondpersoneel en de eisen aan grondstationapparatuur aanzienlijk worden verlaagd, mits het luchtvaartuig in staat is om zijn vlucht autonoom te begeleiden, navigeren en besturen. Zelfs bij vluchten over dunbevolkte gebieden blijven er risico’s bestaan die niet volledig kunnen worden gemitigeerd. Bijvoorbeeld het overvliegen van straten of infrastructuur zoals hoogspanningslijnen wordt gezien als een operationeel risico dat niet volledig te vermijden is. Niettemin kunnen dergelijke onvermijdelijke risico's worden geminimaliseerd door bijvoorbeeld kleinere straten over te steken in plaats van drukke snelwegen, en door deze straten perpendiculair te overvliegen om de blootstellingstijd te verkorten.

In sommige gevallen kunnen resterende risico’s worden verminderd door een afweging te maken. Zo kan het bijvoorbeeld raadzaam zijn om de hoogte te verlagen bij sterke wind om te zorgen dat het luchtvaartuig binnen zijn toegewezen luchtruim blijft. Het luchtruim kan omgeven zijn door een veiligheidsbuffer die voldoende afstand garandeert tussen het luchtvaartuig en te beschermen mensen of eigendommen. In geval van ongewenst vluchtgedrag kan de onmiddellijke gronding van het luchtvaartuig of de vluchtterminatie dienen als een mitigatiemaatregel om het voertuig binnen de veiligheidsbuffer te houden. Het beëindigen van de vlucht vanaf lagere hoogtes kan echter leiden tot hogere impact snelheden, waardoor de potentiële schade of letsel toeneemt.

Peinecke et al. (2017) analyseren verder de risico's en uitdagingen die gepaard gaan met onbemande vluchten op lage hoogte, zoals voorgesteld in het ALAADy-project. In het algemeen zou alle vooraf beschikbare kennis (bijv. luchtruimstructuur, terrein, bekende obstakels, straatkaarten, enz.) in aanmerking moeten worden genomen bij de planning van de vluchttrajecten. Echter, bepaalde informatie kan pas tijdens de vlucht beschikbaar komen, en onverwachte gebeurtenissen kunnen optreden. Bijvoorbeeld een wijziging in de windomstandigheden kan noodzakelijk maken dat de veiligheidsbuffers langs het traject worden vergroot. Een ander voorbeeld is prioriteitverkeer dat de vluchtpad kruist, wat een mitigatieprocedure vereist, zoals een wijziging in het geplande traject. De mogelijkheid om het traject tijdens de vlucht online opnieuw te plannen, biedt alternatieve mogelijkheden voor mitigatie voordat men toevlucht neemt tot noodprocedures.

Het plannen en optimaliseren van trajecten is een complexe taak. Het automatiseren van deze taak vereist even complexe wiskundige modellen en databases die het luchtvaartuig en zijn omgeving beschrijven, evenals efficiënte algoritmen. In de literatuur zijn veel verschillende benaderingen beschreven om dit probleem op te lossen. In dit werk wordt de nadruk gelegd op een veelvoorkomend concept voor runtime-efficiënte bewegingsplanning: de combinatie van een wereldwijd, sampling-gebaseerd planningsalgoritme en een trajectgeneratie-algoritme dat fungeert als een lokale planner. Voor een gegeven missie plant en optimaliseert het globale planningsalgoritme waypoints langs de route naar de bestemming. Een trajectgeneratie-algoritme verbindt opeenvolgende waypoints met veilige en haalbare trajectsegmenten, gebaseerd op een luchtvaartuigprestatiemodel.

Deze zorgvuldig geplande trajectsegmenten kunnen worden beoordeeld op hun veiligheid ten opzichte van terrein en obstakels, evenals de operationele risico's die ermee gepaard gaan, met behulp van een omgevingsmodel. Het resultaat van de veiligheids- en risicobeoordeling wordt teruggekoppeld naar het globale planningsalgoritme, dat alternatieve waypoints kan vergelijken en selecteren, of nieuwe kan genereren om een optimaal pad te vinden. Een belangrijk onderdeel van de risicogebaseerde planningsprocedure is de kostfunctie die wordt gebruikt om kandidaattrajecten te beoordelen en te vergelijken. Het risicobeoordelingsalgoritme maakt het mogelijk om specifieke operationele risico's te kwantificeren. Deze risico's moeten echter tegen elkaar worden afgewogen, en er moet mogelijk een afweging worden gemaakt tussen het minimaliseren van resterende risico's en het behalen van de missie binnen de gewenste tijd.

In dit werk wordt een multi-objectieve gewogen kostfunctie gebruikt om verschillende risico’s te kunnen overwegen in de planningsprocedure. In het kader van het ALAADy-project worden slechts twee risico’s in overweging genomen: het gronddoelenrisico, wat het risico inhoudt van schade aan mensen of infrastructuur op de grond, en het luchtverkeersrisico, wat het risico inhoudt van schade aan andere luchtvaartuigen. De wiskundige definitie van de risicogebaseerde kostfunctie in dit werk is gebaseerd op de interpretatie van risico als het product van de waarschijnlijkheid dat een ongewenste gebeurtenis zich voordoet en de schade die deze gebeurtenis zou veroorzaken. Bijgevolg worden alle risicokosten geïntegreerd over de vliegtijd, aangezien de kans op systeemfouten of andere onverwachte gebeurtenissen die tot ongecontroleerd vliegen kunnen leiden, wordt verondersteld evenredig te zijn aan de vliegtijd.

Om de bovengenoemde afwegingen te kunnen ontwerpen, wordt de vliegtijd als de minimumkostwaarde gebruikt, die wordt verhoogd op basis van risicowaarden die langs het traject variëren. Deze formulering maakt het mogelijk om wegingsfactoren te ontwerpen in termen van vermenigvuldigingsfactoren van de vliegtijd. Bijvoorbeeld, door de wegingsfactor voor gronddoelenrisico in te stellen op 2, wordt de extra kost door gronddoelenrisico beperkt tot twee keer de vliegtijdkost. Dit betekent dat een omweg om gronddoelenrisico’s te vermijden de vliegtijd tot drie keer kan verlengen, maar nog steeds als optimaler wordt beschouwd volgens de risicogebaseerde kostfunctie.

In dit hoofdstuk wordt verder een overzicht gegeven van de algoritmes die nodig zijn om risico’s te beoordelen en te kwantificeren, en om veilige en haalbare trajecten te plannen die optimaal of bijna optimaal zijn volgens de risicogebaseerde kostfunctie. In sectie 3 wordt de verwerking en verstrekking van geografische datasets beschreven, die de basis vormen voor de risicobeoordelingstechnieken die in sectie 4 worden uiteengezet. Tenslotte wordt in sectie 5 een trajectplanner gepresenteerd, samen met experimentele resultaten van het plannen van risicogemaximaliseerde trajecten voor een reeks ALAADy-missiescenario’s.

Hoe voldoet het datalinkconcept voor vracht UAV's aan de normatieve eisen?

Het datalinkconcept voor vracht UAV's (Onbemande Luchtvaartuigen) moet voldoen aan verschillende eisen om de veiligheid en efficiëntie van de communicatie tussen het UAV en de op afstand bediende piloot te waarborgen. Dit betreft zowel de zending van C2-commando's als de ontvangst van statusinformatie en andere gegevens, zoals detectie-informatie van mogelijke indringers door middel van DAA (Detect and Avoid). Het moet worden opgemerkt dat een dergelijk systeem zowel technische als operationele normen moet naleven, zoals gedefinieerd in richtlijnen zoals die van JARUS (Joint Authorities for Rulemaking on Unmanned Systems).

Een belangrijk aspect is de benodigde bandbreedte voor het doorsturen van gegevens. Zoals weergegeven in Tabel 1, wordt aangenomen dat C2-commando's met een updatefrequentie van 1 Hz naar het UAV worden verzonden. Dit resulteert in een vereiste bandbreedte van ongeveer 1 kbit/s als het datapakket 128 bytes groot is. Wanneer we kijken naar typische gegevenspakketten die statusinformatie bevatten, zoals unieke identificatiecodes, positie in 4D, vluchtsituatie, luchtsnelheid, oriëntatie, GNSS-status, motortoestand en DAA-informatie, is de bandbreedtebehoefte aanzienlijk groter. De DAA-informatie alleen kan de bandbreedte van het datalinkconcept verhogen tot maximaal 116,8 kbit/s als er 50 indringende vliegtuigen worden getraceerd, afhankelijk van het update-tarief en de pakketgrootte. De totale benodigde bandbreedte voor revers C2-data, inclusief DAA-gegevens, wordt geschat op ongeveer 120 kbit/s.

Een ander belangrijk punt is dat het datalinkconcept voor een vracht UAV moet voldoen aan verschillende normatieve eisen met betrekking tot het vermogen van het systeem. Er wordt een tweerichtingsinterface vereist, die bidirectionele communicatie mogelijk maakt voor zowel commando's als statusupdates. De datafrequentie is hierbij essentieel, zowel in de voorwaartse als de achterwaartse richting, waarbij de achterwaartse richting (reverse C2) ongeveer 120 kbit/s per UAV vereist. Daarnaast moet het datalinkconcept een bereik hebben van meer dan enkele honderden kilometers om communicatie mogelijk te maken met UAV's die buiten het zicht van de operator vliegen, wat cruciaal is voor BVLOS (Beyond Visual Line of Sight)-operaties.

Verder moet het datalinkconcept de snelheid van UAV's van maximaal 200 km/u ondersteunen, evenals de vlucht in een breed bereik van hoogtes, van 0 m tot 150 m. Het systeem moet tevens voldoende bescherming bieden tegen aanvallers, met inbegrip van het vermogen om verlies van de datalink snel te detecteren. Dit kan door het monitoren van de status van de datalinkinterface door de op afstand bediende piloot, wat cruciaal is voor het waarborgen van de veiligheid van de operatie.

Vanuit een veiligheidsperspectief vereist de JARUS SORA (Specific Operations Risk Assessment) een gedetailleerde beoordeling van het benodigde niveau van robuustheid voor het datalinkconcept. In dit proces wordt een specifieke Assurance and Integrity Level (SAIL) bepaald, afhankelijk van de operationele concepten (ConOps) die voor de UAV-operaties zijn gedefinieerd. De SAIL-score is gekoppeld aan de operationele veiligheidseisen (OSO's), zoals die voor de C3-linkprestaties (de communicatie tussen UAV en operator). Een hogere SAIL-score vereist een hogere robuustheid van het systeem, wat kan variëren van lage tot hoge eisen aan de prestatie, integriteit, continuïteit en beschikbaarheid van het datalink.

De JARUS SORA specificeert verschillende niveaus van robuustheid, van SAIL I (optioneel) tot SAIL VI (hoog). Voor het datalinkconcept betekent dit dat, afhankelijk van de beoogde robuustheid van het systeem, de keuze van het gebruikte radiospectrum en de integriteit van de communicatie belangrijk zijn. In gevallen waar hogere niveaus van robuustheid vereist zijn (bijvoorbeeld SAIL V of VI), moeten de datalinkprestaties voldoen aan strenge normen, en is het noodzakelijk om alleen gelicentieerde frequentiebanden te gebruiken, zoals de mobiele netwerken (bijv. GSM, UMTS, LTE), in plaats van ongereguleerde industriële, wetenschappelijke of medische (ISM) banden zoals de 2,4 GHz-band.

Daarnaast is het belangrijk dat het systeem in staat is om de communicatieprestaties in real-time te monitoren, zodat eventuele verliezen van de datalink snel kunnen worden gedetecteerd. Dit kan worden bereikt door middel van een integraal monitoringsysteem dat de status van de datalink visueel weergeeft voor de operator, zodat snel actie kan worden ondernomen als er problemen ontstaan.

Als het datalinkconcept voldoet aan deze robuustheids- en veiligheidseisen, kan het een veilige en efficiënte werking van vracht UAV's in zowel gecontroleerde als niet-gecontroleerde luchtomgevingen garanderen. Het is van cruciaal belang voor operators om rekening te houden met de technische en normatieve vereisten bij de implementatie van dergelijke systemen, omdat elke verstoring in de datalink ernstige gevolgen kan hebben voor de veiligheid van de operatie.

Hoe Witte Identiteitspolitiek de Terrors van Trumpisme Vormt
Hoe Ferromagnetoelastische Materialen en Structuren Bewegen: Grondslagen en Vergelijkingen
Hoe kunnen we een tensor begrijpen als een multilineaire functie en als een element van een tensorproductruimte?