Volledig autonome drones zullen een grote bijdrage leveren aan de maatschappij, volgens Heiko Engwerda, navigatie-ingenieur bij NLR. “Drones kunnen taken uitvoeren die voor mensen gevaarlijk of saai zijn. Het gebruik van drones kan tevens verschillende efficiënte, logistieke oplossingen bieden.”
Een van de belangrijkste voorwaarden voor autonoom vliegen is effectieve navigatie. Een drone moet weten waar hij is en van wat er in zijn omgeving gebeurt. Engwerda doet momenteel een promotieonderzoek naar de integriteit van satellietnavigatie op de maan. De afgelopen vier jaar werkte hij namens NLR aan een Europees onderzoeksproject binnen Horizon 2020 (ARAIMTOO en ARAIMFUSE) over het gebruik van satellietnavigatie voor UAV’s. “We hebben dit keer gekozen voor een ander perspectief. In plaats van het ontwikkelen van nieuwe technologie, onderzochten we technologie die momenteel al beschikbaar is en hoe we die technologie in deze situatie het beste kunnen gebruiken. Het huidige satellietnavigatiesysteem wordt al in vliegtuigen gebruikt en is daarvoor al gecertificeerd. We weten dus hoe het werkt. “Technologisch gezien is dit een solide uitgangspunt, wat ook kosten bespaart in het ontwikkelingsproces”, aldus Engwerda.
Wat is een Unmanned Aerial Vehicle (UAV)?
Een UAV bestaat uit drie hoofdcomponenten. Allereerst het onbemande luchtvaartuig zelf. Dit is een vliegtuig dat autonoom of op afstand bestuurbaar is, zonder menselijke piloot aan boord. Het tweede onderdeel is het besturingssysteem dat zich meestal op de grond, op een schip of in een ander vliegtuig bevindt. Dit systeem kan autonoom of door mensen bediend zijn. Ten slotte is er het communicatie, commando en controlesysteem (C3) dat het besturingssysteem koppelt aan het UAV.
Integriteit
Hij richt zich voornamelijk op de zogenoemde integriteit van satellietnavigatie “Integriteit heeft voornamelijk betrekking op de betrouwbaarheid van het systeem. Kun je vertrouwen op de nauwkeurigheid van een plaatsbepaling? Dat is de vraag die we onszelf continu stellen. En als de plaatsbepaling niet betrouwbaar genoeg is, dan moet het systeem het besturingssysteem waarschuwen”, vat hij samen. Om de betrouwbaarheid van een systeem te bepalen, kijken Engwerda en zijn collega’s naar die 0,001% uitzonderlijke gevallen die niet volgens het boekje verlopen. Deze moeten qua nauwkeurigheid ook binnen een bepaalde marges vallen. “Daar moeten we altijd op kunnen vertrouwen.”
Stedelijk gebied, een extra uitdaging
Nauwkeurige en betrouwbare plaatsbepaling is belangrijk omdat een UAV dit als uitgangspunt gebruikt om de te volgen route te bepalen. Bovendien is het van cruciaal belang om de veiligheid van de drones te garanderen. Uit het project bleek dat het gebruik van satellietnavigatie voor UAV’s al redelijk goed werkt, vooral bij gebruik in open gebieden. Engwerda noemt het monitoren van de gewassen van boeren als voorbeeld. “In Nederland worden drones al voor dit doel gebruikt. In stedelijke gebieden is het gebruik van satellietnavigatie complexer”, legt hij uit.
Er zitten twee kanten aan deze complexiteit. Aan de ene kant is satellietnavigatie wat minder nauwkeurig in stedelijke gebieden. Engwerda: “Satellieten sturen een soort radiosignaal naar de grond. Deze signalen worden opgepikt door een gps-ontvanger in de UAV. De signalen kunnen worden verstoord door gebouwen, bomen, radiotorens, enz., wat resulteert in een minder nauwkeurige plaatsbepaling.” Tegelijkertijd maken die obstakels het voor de drone ook lastiger om veilig te vliegen. “Zo ontstaan er tussen gebouwen vaak tochtgaten, waardoor het voor drones extra lastig is om koers te houden.” De drones moeten hier allemaal rekening mee kunnen houden. En het belangrijkste aspect van allemaal: “Er zijn veel mensen in de stad. Veiligheid van mensen staat altijd op de eerste plaats, en daarom is integriteit zo belangrijk.” Alle veiligheidsrisico’s moeten geïdentificeerd en ingeperkt worden.
“En het allerbelangrijkste aspect van allemaal, er zijn veel mensen in de stad. Veiligheid van mensen staat altijd op de eerste plaats, en daarom is integriteit zo belangrijk.”
Grotere nauwkeurigheid
De basis van de technologie is aanwezig, maar er zijn nog steeds verbeteringen nodig. Satellietnavigatie voor UAV’s in de bebouwde omgeving moet veel nauwkeurigere informatie opleveren dan voor vliegtuigen. Engwerda: “Er is altijd een aanzienlijke afstand tussen vliegtuigen in de lucht. Zelfs als de locatie van een vliegtuig tien meter afwijkt, is dat nog steeds nauwkeurig genoeg. Bij het landen van een vliegtuig moet de plaatsbepaling nauwkeuriger zijn. In de bebouwde omgeving moet die nauwkeurigheid nog veel groter zijn. Een verschil van tien meter is dan veel te groot. Daarom is het belangrijk om ook rekening te houden met andere sensoren. Dicht bij de grond kunnen alternatieve technologieën worden gebruikt om de nauwkeurigheid te garanderen. Dit vergroot echter de complexiteit van het algoritme, omdat het met alle verschillende soorten data moet omgaan en deze aan elkaar moet koppelen tot één enkel resultaat.”
Geavanceerde ontvanger autonome integriteitsbewaking (Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring – ARAIM)
Het onderzoek van Engwerda maakt deel uit van het door de Europese Unie gefinancierde ARAIMFUSE-project dat NLR samen met partners uitvoert. Dit project onderzoekt het gebruik van satellietnavigatie op andere gebieden dan de luchtvaart. Naast UAV’s, zoals drones, wordt ook het gebruik in de maritieme sector en in treinen onderzocht. De navigatiesystemen in deze sectoren zijn binnenkort aan vervanging toe en satellietnavigatie is een mogelijke vervanger.
Volgens Engwerda zijn dergelijke Europese projecten onmisbaar om innovatie vooruit te helpen. “We kunnen dit soort onderzoek niet alleen als Nederland uitvoeren. Het is een enorm project waarin verschillende perspectieven samenkomen. Dit maakt de Europese samenwerking cruciaal.
Onafhankelijk
Een voordeel van satellietnavigatie: het werkt volledig onafhankelijk. “Er zijn bijvoorbeeld ook systemen die met punten op de grond communiceren om de locatie te bepalen. Ook al werkt dit prima, je bent wel gebonden aan de locaties waar die systemen zijn geplaatst. Het idee van UAV’s in steden is dat ze overal kunnen opstijgen en landen. Dat werkt niet met dit systeem. “Uiteindelijk is een drone die volledig autonoom kan opereren uiteraard breder inzetbaar en kostenefficiënter”, betoogt hij.
Momenteel worden de eerste tests met UAV’s uitgevoerd. In Zürich vliegen bijvoorbeeld al drones tussen ziekenhuizen om organen te vervoeren en ook de ANWB doet proeven op dit gebied op het traject tussen Meppel en Zwolle. “Dit gebeurt echter allemaal onder goed gedefinieerde en gecontroleerde omstandigheden”, legt Engwerda uit. “In Europa ligt de focus op veiligheid en de regelgeving die daarop van toepassing is”, schetst hij. “In andere delen van de wereld zijn ze wat makkelijker in het toestaan van testen en het geven van demonstraties. Hier zijn we wat terughoudender. Wij willen eerst zeker zijn dat alles goed werkt en dat het veilig is. Soms lijkt het alsof de ontwikkelingen langzamer gaan, maar dat is niet het geval.”
Implementatie in de praktijk
En wat zijn dus de volgende stappen? “We hebben nu een systeem gevonden dat geschikt lijkt voor het beoogde gebruik. We gaan het systeem nu uitgebreid testen om er zeker van te zijn dat het naar behoren werkt. Hierbij gaat het er vooral om dat we ons richten op die 0,001% afwijkingen, om integriteit aan te tonen”, aldus Engwerda.
Tegelijkertijd is gestart met het opzetten van processen om de juiste regelgeving te waarborgen bij Europese en nationale overheden, zodat de technologie in de praktijk kan worden toegepast. “Vaak zijn dit langetermijnprocessen, waarbij we ook verschillende testen moeten uitvoeren.” Daarnaast zal NLR gesprekken voeren met UAV-operators om te kijken of de positioneringstechnologie kan worden ingezet voor volledig autonome navigatie in stedelijke gebieden. Al met al zal dit nog zeker tien jaar duren voordat de technologie echt in de praktijk kan worden toegepast”, voorspelt Engwerda. “Als de tijd rijp is, zullen drones een groot verschil gaan maken.”
Wat is satellietnavigatie?
Satellietnavigatie is een vorm van radionavigatie. Bij laag vermogen zenden de satellieten signalen met een hoge frequentie uit. Een apparaat op de grond, in de lucht of op het water kan zijn locatie bepalen op basis van de signalen van vier verschillende satellieten.
Deze vorm van navigatie wordt tegenwoordig zowel door militairen als door burgers gebruikt. Het meest bekende voorbeeld is Google Maps.
