Flugführungssystem Erste vollautomatische Landung ohne Navigationshilfen am Boden

Fly-by-Wire Forschungsflugzeug DA42 der TU München bei einer automatischen Landung in Wiener Neustadt.
Fly-by-Wire Forschungsflugzeug DA42 der TU München bei einer automatischen Landung in Wiener Neustadt.

Zum ersten Mal wurde eine vollautomatische Landungen mit optisch-unterstützter Navigation demonstriert. Statt auf die Infrastruktur und Navigationshilfen am Boden, setzte das Forschungsflugzeug dabei auf Sensoren und ein bordautonomes Kamerasystem.

Fliegen ist heute eine sehr sichere Fortbewegungsmöglichkeit. Dennoch sorgt die Landung bei manchen für Nervosität – besonders wenn die Wetterbedingungen schlecht sind. Im Normalfall müssen wir uns aber keine Sorgen machen, denn sind die Sichtbedingungen zu schlecht, geht der Pilot kein Risiko ein und überlässt das Landen dem Autopiloten.

Das heißt nicht etwa, dass eine dumme Maschine die Kontrolle übernimmt: Zum Einsatz kommt eine aufwendige Bodeninfrastruktur, die den Autopiloten des Flugzeugs an die Landebahn heranführt. Allerdings funktioniert die dazugehörige Satellitennavigation nur bis zu einer Minimalhöhe von etwa 60 m. Ab dieser Höhe muss der Pilot die Relativortung, Flugzustandsbestimmung und Steuerung des Flugzeuges übernehmen und die Landung selbständig durchführen.

Automatische Landungen sind sowohl für die kommerzielle als auch für die allgemeine Luftfahrt sehr attraktiv – besonders, wenn dabei auf eine kostspielige Infrastruktur am Boden verzichtet werden kann. Doch auch wenn diese wegfällt, muss für eine präzise Ortung, Regelung und zuverlässige Integritätsüberwachung gesorgt werden. Im Rahmen des Forschungsprojektes »C2Land« haben Forscherinnen und Forscher der TU Braunschweig und der TU München ein Landesystem entwickelt, mit dem diese Anforderungen erfüllt werden können.

Bildverarbeitungsverfahren an Bord

Für das Projekt wurde die konventionelle satellitengestützte Navigation um ein optisches System erweitert. Mit Kameras, die im sichtbaren und im infraroten Bereich operieren, sowie mit speziell entwickelten Bildverarbeitungsverfahren wird die Landebahn optisch detektiert und die Relativposition des Flugzeugs bestimmt. Mithilfe optischer Ortung wird eine unabhängige bordautonome Integritätsüberwachung des satellitengestützten Navigationssystems gewährleistet – besonders unterhalb der bisher gültigen Minimalhöhe von 60 m.

»Die Optik erkennt die Landebahn schon in großer Entfernung zum Flugplatz. Das Landesystem führt das Flugzeug mit der optisch-unterstützten Navigation entlang des Anflugs und landet es präzise auf der Bahnmittellinie«, erläutert DAI-Testpilot Thomas Wimmer, der das automatische Landesystem im Fly-by-Wire-Forschungsflugzeug DA42 der TU München bei den finalen Demonstrationsflügen getestet hat. Beim Fly-by-Wire-Konzept handlet es sich um eine elektronische Flugzeugsteuerung, bei der die Steuersignale vor Ausführung durch einen Flugkontroll-Computer laufen, um dort geprüft zu werden.

Das Navigationssystem im Test

Mithilfe des institutseigenen Forschungsflugzeugs Dornier Do 128-6 wurden am Forschungsflughafen Braunschweig vom Institut für Flugführung (IFF) mehrere Flugversuchskampagnen durchgeführt. Bevor die Bildverarbeitungsalgorithmen entwickelt und validiert werden konnten, wurden bei manuellen Landeanflügen verschiedene Daten gesammelt. Mit ihrer Arbeit knüpft das IFF an die Bemühungen zur Steigerung der Sicherheit und Effektivität im Luftverkehr an.

Schon 1989 führte das Institut die weltweit erste vollautomatische Landung basierend auf Satellitennavigation durch. Es folgten Entwicklungen zur Steigerung der Ortungsgenauigkeit von satelliten- und inertial-basierter Navigationssystemen. »Mit dem aktuell entwickelten optischen System haben wir die Möglichkeit, komplexe Bildinformation automatisiert zu verarbeiten. Dadurch schaffen wir eine Redundanz in der Positionsbestimmung und tragen so zur Erhöhung des Situationsbewusstseins bei. Dies kann uns helfen, die kritischste Phase eines Fluges – die Landung – noch sicherer zu machen«, sagt Stephan Wolkow, technischer Projektleiter des Forschungsvorhabens C2Land.

Über das Forschungsprojekt C2Land

Im Rahmen des Projekts wird seit 2013 an einem neuen automatischen Landesystem für die allgemeine Luftfahrt geforscht. Gefördert wird die Forschungsarbeit vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi). Das IFF-Team, bestehend aus Dr. Ulf Bestmann, Stephan Wolkow, Maik Angermann und Andreas Dekiert, entwickelte dafür ein Navigationssystem mit optisch-unterstützter Positionierung. Die Flugführungs- und Flugregelungssysteme, die das Flugzeug während der automatischen Landung steuern, wurden am Lehrstuhl für Flugsystemdynamik (FSD) der TU München entwickelt.

Der industrielle Projektpartner f.u.n.k.e. Avionics entwarf ein Cockpit-Display, mit dem der Pilot das Landesystem bedienen und überwachen kann. Zusätzlich entwickelte der Projektpartner ein Subsystem zur Kollisionsvermeidung, das den Luftraum automatisiert überwacht und bei Kollisionsgefahr mit anderen Verkehrsteilnehmern ein Ausweichmanöver einleitet. Als weiterer Partner hat messWERK mit einem Ultraleichtflugzeug die Anwendbarkeit des Konzepts für die Flugzeugklasse der allgemeinen Luftfahrt untersucht.

Der Flugzeughersteller Diamond Aircraft Industries hat als assoziierter Projektpartner die Integration und Flugerprobung des Landesystems im Fly-by-Wire-Forschungsflugzeug der TU München unterstützt.