Het Koninklijke NLR, in samenwerking met General Atomics Aeronautical Systems (GA-ASI) en Information Systems Delft (ISD), heeft onlangs een reeks geavanceerde human-in-the-loop-simulatie-experimenten afgerond om detect-and-avoid (DAA)-technologieën en procedures te testen en te ontwikkelen voor het veilig opereren van grote drones (ook wel Remotely Piloted Aircraft Systems of RPAS genoemd) in het Europese luchtruim. Medium Altitude Long Endurance (MALE)-RPAS zijn grote drones die traditioneel voor militaire operaties worden gebruikt, maar ze zijn ook geschikt voor een breed scala aan civiele toepassingen, variërend van landmeting en infrastructuurinspectie tot zoek- en reddingsoperaties. Echter, voordat deze civiele toepassingen kunnen worden geïmplementeerd, moet worden aangetoond dat deze nieuwe categorie van vliegtuigen veilig en efficiënt kan worden geïntegreerd in het civiele luchtruim.
Combinatie van simulators De experimenten werden uitgevoerd met behulp van twee NLR-simulators, namelijk de NLR ATM Research Simulator (NARSIM), die vliegtuigen simuleert, radarbeelden en andere tools voor luchtverkeersleiders biedt om luchtverkeer te beheren, en het mogelijk maakt voor piloten om hun vliegtuigen te besturen en te communiceren met controllers, en de NLR Multi Unmanned aerial system Supervision Testbed (MUST), die fungeert als RPAS-simulator en grondstation. Deze twee simulators werden met elkaar verbonden om ervoor te zorgen dat de RPAS gesimuleerd op MUST en de resterende luchtverkeer gesimuleerd in NARSIM in hetzelfde virtuele luchtruim op hetzelfde moment vliegen, waardoor het mogelijk is om RPAS-integratieprocedures te testen met behulp van simulatie-experimenten. Voor deze studie werd de MQ-9B SkyGuardian MALE RPAS, ontworpen en gefabriceerd door GA-ASI, gebruikt als case-study.
Derde human-in-the-loop-experiment
In juni 2022 voltooide het partnership het derde experiment in deze serie. Dit experiment werd uitgevoerd door drie luchtverkeersleiders en zes piloten, waaronder een actieve MQ-9 RPAS-piloot van de Koninklijke Luchtmacht (KLu). Het experiment werd gadegeslagen door experts op het gebied van luchtruimintegratie van verschillende organisaties, waaronder Eurocontrol, de European Defence Agency (EDA), de Britse Civil Aviation Authority (CAA), QinetiQ, de Britse National Air Traffic Services (NATS) en het Noorse defensieonderzoekscentrum (FFI).
Detecteren en vermijden in de lucht Het experiment richtte zich op luchtverkeersoperaties in het luchtruim rondom Rotterdam The Hague Airport, een commerciële luchthaven in Nederland. De focus van het experiment lag op het gebruik van een airborne DAA-systeem, dat door de meeste onderzoekers als cruciaal wordt beschouwd voor de integratie van MALE RPAS. Dit komt omdat DAA-technologie het mogelijk maakt voor de RPAS-piloot op de grond om ‘elektronisch’ de verkeerssituatie rondom de RPAS in de lucht te zien – iets dat piloten van bemande vliegtuigen bereiken door simpelweg naar buiten te kijken. Dit zorgt ervoor dat de RPAS-piloot kan wegsturen van andere verkeer net zoals piloten van bemande vliegtuigen zouden doen als ze een ander vliegtuig zien naderen met gevaarlijke dichtbijheid. Daartoe biedt DAA de RPAS-piloot een display van de verkeerssituatie rondom de RPAS, evenals waarschuwingen en instructies om ervoor te zorgen dat de RPAS op een veilige afstand blijft van omringende vliegtuigen en botsingen in kritieke situaties vermijdt. Deze benaderingen laten DAA toe om het mogelijk te maken voor RPAS om naast bemande vliegtuigen te vliegen zonder de veiligheid van het luchtverkeerssysteem te beïnvloeden. In deze studie werden DAA-waarschuwingen verstrekt aan de piloot met behulp van GA-ASI’s Conflict Prediction and Display System, CPDS.
“Over het afgelopen jaar hebben we verschillende verbeteringen aangebracht aan onze simulators die realistischere simulaties mogelijk maken dan onze eerdere experimenten”, zei dr. Emmanuel Sunil, R&D-engineer en projectmanager bij NLR. “Dit omvatte windsimulatie, die de richting kan beïnvloeden die wordt gebruikt om conflicten op te lossen voor sommige geometrieën. We hebben ook een implementatie ontwikkeld van het bekende TCAS-systeem (Traffic Alerting and Collision Avoidance System) voor zowel de NARSIM- als de MUST-simulator. Als resultaat hebben we zowel het ‘blijf goed uit de buurt’- als het ‘botsingsvermijdings’-component van detect-and-avoid-systemen gesimuleerd. Deze verbeterde capaciteit zal fungeren als basis voor ons toekomstig onderzoek op dit gebied.”
Scenarios van belang
Het experiment testte zorgvuldig geselecteerde conflicten met andere luchtverkeer die de RPAS zou dwingen om van koers te veranderen om de veiligheid te waarborgen, waaronder conflicten die optreden wanneer de verbinding tussen de remote pilot ground station en de RPA is verbroken. In dergelijke situaties werd TCAS-guidance automatisch geïmplementeerd door de RPAS om ontwijkmanoeuvres uit te voeren, zelfs als de verbinding met de piloot verloren is gegaan. De scenarios omvatten ook operaties die nog nooit eerder waren getest met mens-in-de-lus-simulaties, waaronder conflicten tijdens het vliegen van area surveying-patronen en tijdens airport-aanvliegroutes met de RPAS-piloot die instructies ontvangt van ATC om een andere aircraft op een veilige afstand te volgen.
De resultaten van de simulaties en feedback van deelnemers lieten zien dat DAA de veiligheid van het luchtruim verbetert en dat zowel piloten als luchtverkeersleiders snel kunnen wennen aan RPAS-operaties met DAA. De resultaten van de recente serie simulaties zullen worden teruggekoppeld naar regelgevers en standaardisatieorganisaties aan beide zijden van de Atlantische Oceaan om de integratie van MALE RPAS in civiel luchtruim te versnellen.
Kijk ook naar de video op het YouTube-kanaal van NLR. Deze biedt een overzicht van het experiment, inclusief de faciliteiten die zijn gebruikt en de scenarios die zijn overwogen: https://youtu.be/FTaVSqhmdmM.
Deze serie projecten wordt uitgevoerd door een consortium bestaande uit NLR, GA-ASI en ISD. De projecten begonnen in 2018 en hebben als doel om de procedures te begrijpen en te ontwikkelen die nodig zijn om grote RPAS te integreren in civiel Europees luchtruim. Toekomstige experimenten worden gepland om het effect van communicatievertragingen op DAA-prestaties te bestuderen.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met dr. ir. Emmanuel Sunil, R&D-engineer en projectmanager bij Royal NLR.
