04.07.2019 | Presseinformationen:

Sichere Landungen ohne Navigationshilfen am Boden Forschungsflugzeug demonstriert erfolgreich automatische Landungen mit optisch-unterstützter Navigation

(See English Version Below)

Die Technische Universität Braunschweig und die Technische Universität München haben gemeinsam mit dem Flugzeughersteller Diamond Aircraft Industries GmbH (DAI) erstmals vollautomatische Landungen mit optisch-unterstützter Navigation demonstriert. Am DAI-Heimatflughafen in Wiener Neustadt flog das Fly-by-Wire-Forschungsflugzeug, eine modifizierte Diamond DA42, erfolgreich komplett automatische Anflüge und Landungen. Das Flugführungssystem der TU München verwendete dabei Sensorik der TU Braunschweig, die die primäre satelliten-basierte Positionsbestimmung des Flugzeugs mithilfe eines bordautonomen Kamerasystems online überwacht.

Vollautomatische Landungen in der kommerziellen Luftfahrt werden heutzutage nur bei sehr schlechten Sichtbedingungen und unter Einsatz aufwendiger Bodeninfrastruktur durchgeführt. Ohne solche Systeme am Boden können Flugzeuge per Autopilot mit Satellitennavigation nur bis zu einer Minimalhöhe von 200 ft (etwa 60 m) an die Landebahn herangeführt werden. Ab dieser Höhe muss der Pilot die Relativortung, Flugzustandsbestimmung und Steuerung des Flugzeuges übernehmen und die Landung selbständig durchführen.

Dennoch sind automatische Landungen sowohl für die kommerzielle als auch für die allgemeine Luftfahrt sehr attraktiv, für unbemannte Flugsysteme teilweise sogar unverzichtbar – insbesondere wenn dabei auf teuere Infrastruktur am Boden verzichtet werden kann. Eine präzise Ortung, Regelung und zuverlässige Integritätsüberwachung sind dabei unabdingbar. 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.

Dazu 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 – insbesondere unterhalb der bisher gültigen Minimalhöhe von 200 ft – sichergestellt. „Die Optik erkennt die Landebahn schon in großer Entfernung zum Flugplatz. Das Landesystem führt das Flugzeug dann mit der optisch-unterstützten Navigation entlang des Anflugs und landet es präzise auf der Bahnmittellinie“, berichtet DAI-Testpilot Thomas Wimmer, der das automatische Landesystem im Forschungsflugzeug DA42 der TU München bei den finalen Demonstrationsflügen getestet hat.

Flugerprobung des Navigationssystems mit dem Forschungsflugzeug der TU Braunschweig

Mehrere Flugversuchskampagnen wurden auch mithilfe des institutseigenen Forschungsflugzeuges Dornier Do 128-6 am Forschungsflughafen Braunschweig durch das Institut für Flugführung (IFF) vorab zur Erprobung durchgeführt. Verschiedene Landeanflüge wurden zunächst manuell geflogen, um mit den aufgezeichneten Daten anschließend die Bildverarbeitungsgorithmen zu entwickeln und zu validieren.

Damit knüpft das IFF an jahrezehntelange Bemühungen zur Steigerung der Sicherheit und Effektivität im Luftverkehr an. Denn schon im Jahre 1989 hat das Institut die weltweit erste vollautomatische Landung basierend auf Satellitennavigation durchgeführt. Es folgten Entwicklungen zur Steigerung der Ortungsgenauigkeit satelliten- und inertial-basierter Navigationssysteme. „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

Seit 2013 wird im Rahmen des Projektes „C2Land“, gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi, FKZ 50 NA 1601), an einem neuartigen automatischen Landesystem für die allgemeine Luftfahrt geforscht. Das IFF-Team, bestehend aus Dr. Ulf Bestmann, Stephan Wolkow, Maik Angermann und Andreas Dekiert, hat dafür ein Navigationssystem mit optisch-unterstützter Positionierung entwickelt. 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 GmbH hat im Rahmen des Projektes ein Cockpit-Display entworfen, mit dem der Pilot das Landesystem bedienen und überwachen kann. Außerdem hat der Projektpartner ein Subsystem zur Kollisionsvermeidung entwickelt, das den Luftraum automatisiert überwacht und bei Kollisionsgefahr mit anderen Verkehrsteilnehmern ein Ausweichmanöver einleitet. Als weiterer Partner hat die messWERK GmbH mit einem Ultraleichtflugzeug die Anwendbarkeit des Konzepts für diese Flugzeugklasse der allgemeinen Luftfahrt untersucht.

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


English:

Safe landings without navigation aids on the ground

Research aircraft successfully demonstrates automatic landings with optically assisted navigation

The Technische Universität Braunschweig and the Technische Universität München, together with the aircraft manufacturer Diamond Aircraft Industries GmbH (DAI), have for the first time demonstrated fully automatic landings with optical-assisted navigation. At the DAI home airport in Wiener Neustadt, the fly-by-wire research aircraft, a modified Diamond DA42, successfully flew fully automatic approaches and landings. The flight guidance system of the TU Munich used sensors of the TU Braunschweig, which monitors the primary satellite-based position determination of the aircraft online with the help of an on-board autonomous camera system.

Today, fully automatic landings in commercial aviation are only carried out under very poor visibility conditions and using complex ground infrastructure. Without such systems on the ground, aircraft can only be brought up to a minimum height of 200 ft to the runway by autopilot with satellite navigation. From this altitude on, the pilot must take over the relative positioning, state determination and control of the aircraft and carry out the landing independently.

Nevertheless, automatic landings are very attractive for commercial as well as for general aviation, and sometimes even indispensable for unmanned flight systems – especially if expensive infrastructure on the ground can be dispensed with. Precise positioning, control and reliable integrity monitoring are indispensable. As part of the „C2Land“ research project, researchers at Technische Universität Braunschweig and the Technische Universität München have developed a landing system that can meet these requirements.

For this purpose, the conventional satellite-based navigation was extended by an optical system. Using cameras operating in the visible and infrared ranges, as well as specially developed image processing techniques, the runway is optically detected and the relative position of the aircraft is determined. With the aid of optical positioning, independent on-board autonomous integrity monitoring of the satellite-based navigation system – especially below the previously valid minimum altitude of 200 ft – is ensured. „The optics detect the runway at a great distance from the airfield. The landing system then guides the aircraft with optical navigation along the approach and lands it precisely on the runway centerline,“ reports DAI test pilot Thomas Wimmer, who tested the automatic landing system in the DA42 research aircraft at the Technical University of Munich during the final demonstration flights.

Flight testing of the navigation system with the research aircraft of the TU Braunschweig

Several flight test campaigns were also carried out in advance by the Institute for Flight Guidance (IFF) at Braunschweig Research Airport with the help of the Institute’s own Dornier Do 128-6 research aircraft. Various landing approaches were first flown manually in order to develop and validate the image processing algorithms with the recorded data.

The IFF thus continues decades of efforts to increase safety and efficiency in air traffic. As early as 1989, the Institute carried out the world’s first fully automatic landing based on satellite navigation. This was followed by developments to increase the positioning accuracy of satellite and inertial-based navigation systems. „The optical system enables us to process complex image information automatically. In this way we create redundancy in position determination and thus contribute to increasing situational awareness. This can help us to make the most critical phase of a flight – the landing – even safer,“ says Stephan Wolkow, technical project manager of the „C2Land“ research project.

 About the C2Land research project

Since 2013, within the framework of the project „C2Land“, funded by the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (BMWi, FKZ 50 NA 1601), research has been carried out on a novel automatic landing system for general aviation. The IFF team, consisting of Dr. Ulf Bestmann, Stephan Wolkow, Maik Angermann and Andreas Dekiert, has developed a navigation system with optical-supported positioning. The flight guidance and flight control systems, which control the aircraft during automatic landing, were developed at the Institute of Flight System Dynamics (FSD) at the Technical University of Munich.

The industrial project partner f.u.n.k.e. AVIONICS GmbH has designed a cockpit display for the pilot to operate and monitor the landing system. In addition, the project partner has developed a subsystem for collision avoidance that automatically monitors the airspace and initiates an evasion maneuver if required. Another project partner messWERK GmbH evaluated automatic guidance for the class of ultralight aircraft.

The composite aircraft manufacturer Diamond Aircraft Industries GmbH supported the project as associated partner during system integration and flight tests with the Fly-by-Wire research aircraft of the Technical University of Munich.