ERSTER AUTOPILOT MIT „AUGEN“

Automatische Landungen sind jetzt nicht mehr nur kommerziellen Maschinen und großen Airports vorbehalten. Ein gemeinsames Forscherteam der Technischen Universitäten München und Braunschweig hat erstmals vollautomatische Landungen mit einem optisch unterstützten Navigationssystem demonstriert, das unabhängig von aufwändigen und teuren bodengebundenen Systemen funktioniert.
Das modifizierte Forschungsflugzeug Diamond DA42 des Forschungsprojekts „C2Land“ der Technischen Universität München (TUM) und der Technischen Universität Braunschweig beim vollautomatischen Landeanflug
Vollautomatische Landungen bei schlechter Sicht sind in der kommerziellen Luftfahrt längst Standard. Voraussetzung: Der anzufliegende Flughafen verfügt über eine entsprechend ausgebaute Bodeninfrastruktur. Ohne die technischen Hilfsmittel für einen automatischen Landeanflug muss die Cockpitcrew die sogenannte Relativortung, Flugzustandsbestimmung und natürlich die Steuerung des Flugzeugs unterhalb einer Flughöhe von 200 Fuß, rund 60 Metern, für die Landung selbstständig übernehmen. Bis zu dieser Minimalhöhe kann der klassische Autopilot die Maschine mit Hilfe der Satellitennavigation noch an die Piste heranführen – dann müssen die Piloten das Steuerhorn selbst in die Hand nehmen.

Automatische Landungen gelten heute als ausgereift und extrem sicher – setzen aber eben kostspielige bodengebundene Systeme wie ein Instrumenten-Landesystem (ILS) voraus. Ein Forscherteam der Technischen Universitäten München und Braunschweig hat jetzt einen Autopiloten für Flugzeuge entwickelt, der auf den technischen Support vom Boden aus verzichtet und ganz auf optische Unterstützung aus der Luft baut: Mit Hilfe von Kameras „sieht“ der Autopilot die Landebahn, gleicht die so gewonnenen visuellen Informationen mit GPS-Daten des Satellitennavigations-Gerätes ab und ermöglicht eine präzise Landung.

Ein automatisches System, das ohne Daten der Bodenkontrolle landen kann, sei vor allem für kleinere Flughäfen wichtig, so Martin Kügler, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Flugsystemdynamik der TU München (TUM): „Diese haben oft nicht die technische Infrastruktur, um automatische Landungen mit gewöhnlichen Autopiloten zu ermöglichen. Außerdem sind die GPS-Signale beispielsweise bei atmosphärischen Störungen fehleranfällig.“ Für den Empfänger der GPS-Signale an Bord seien diese Messfehler nicht immer zuverlässig zu erkennen.

Das Kamerabild selektiert die Landebahn

Der von der TUM entwickelte Autopilot setzt auf ein vom Institut für Flugführung der TU Braunschweig (IFF) entwickeltes bordautonomes Kamerasystem, um die Landebahn optisch zu erfassen. Bei schlechten Sichtverhältnissen hilft eine Infrarotkamera beim „Sehen“: Eine von den Münchner Forschern programmierte Bildverarbeitungssoftware erkennt die sich ständig verändernde Lage des Flugzeuges in der Luft in Bezug auf die anzusteuernde Piste. Das System gleicht dazu das aufgenommene Bild der Landebahn mit GPS-Daten ab und errechnet permanent neu einen virtuellen Leitstrahl, dem das Flugzeug dann sicher bis zum Touchdown folgt.

Soweit die Theorie – die auch in der Praxis funktioniert. Bewiesen hat es das der TU München gehörende Forschungsflugzeug, eine zweimotorige Maschine vom Typ Diamond DA42. Das Fluggerät wurde dazu mit einem Fly-by-Wire-System ausgerüstet, das eine Steuerung sowohl manuell als auch komplett per Autopilot ermöglicht. Mit an Bord des Projektes: Die Expertise des Herstellers Diamond Aircraft Industries (DAI), des Anbieters für Navigationslösungen f.u.n.k.e. AVIONICS aus Buchloe und des Messtechnik-Dienstleisters messWERK aus Braunschweig. Gefördert wird das Forschungsvorhaben „C2Land“ zudem vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.

Am Heimatflughafen des Flugzeugbauers, Wiener Neustadt, gelangen erstmals komplett automatische Anflüge und Landungen. „Die Kameras haben die Landebahn schon in großer Entfernung zum Flugplatz erkannt“, berichtet Pilot Thomas Wimmer. Er hat das innovative Landesystem im Forschungsflugzeug bei den finalen Demonstrationen getestet. „Das System hat das Flugzeug dann vollautomatisch entlang des Anflugs geführt und präzise auf der Bahnmittellinie gelandet.“

Zuvor hatte bereits das IFF sein institutseigenes Forschungsflugzeug, eine Dornier Do 128-6, vom Flughafen Braunschweig mit seinem neuen Kamerasystem in die Luft und zurück auf den Boden geschickt. Verschiedene Landeanflüge wurden manuell geflogen, um mit den dabei aufgezeichneten Daten die Algorithmen für die Bildverarbeitung zu entwickeln und zu validieren. Damit knüpften die Braunschweiger Forscher an ihre jahrzehntelangen Bemühungen an, die Effektivität und Sicherheit im Luftverkehr weiter zu steigern.

Schon 1989, also drei Jahrzehnte vor dem jetzt laufenden Forschungsprojekt, gelang dem IFF nach eigenen Angaben die weltweit erste vollautomatische Landung auf Basis der Satellitennavigation. Es folgten verschiedenste Systeme, mit denen die Ortsgenauigkeit immer weiter verbessert werden konnte. „Mit dem nun im Rahmen des ‚C2Land‘-Vorhabens entwickelten optischen System haben wir erstmals die Möglichkeit, komplexe Bildinformationen automatisiert zu verarbeiten“, erklärt Stephan Wolkow, technischer Projektleiter des Forschungsvorhabens im IFF. „Dadurch schaffen wir eine Redundanz in der Positionsbestimmung und tragen so zur Erhöhung des Situationsbewusstseins bei.“ Das helfe, die kritischste Phase eines Fluges, die Landung, noch sicherer zu machen.

„Gerade für zukünftige Aufgaben der Luftfahrt ist eine automatische Landung essentiell“, betont TUM-Forscher Kügler den Nutzwert des Projektes: „Etwa in dem Fall, dass automatisierte Flugzeuge Fracht transportieren sollen, aber natürlich auch, wenn Passagiere automatisierte Flugtaxis nutzen.“

Text von Behrend Oldenburg
Fotos: TU München und TU Braunschweig