Mit neuer Flugzeugkommunikationstechnologie den Himmel vernetzen
Bis zum Jahr 2050 soll der Luftverkehr auf mindestens das Doppelte ansteigen. Um diesem Bedarf nachzukommen und dem daraus resultierenden überfüllten Himmel gewachsen zu sein, braucht es erstklassige Kommunikationstechnologien - aber der Sektor ist bislang noch nicht ganz so weit. Das SANDRA-Projekt soll nun den technischen Aspekt des Fliegens mit Hilfe einer kohärenten digitalen Architektur verbessern. Auch wenn immer mehr Fluggesellschaften während des Flugs ihren Kunden den Zugang zum Internet ermöglichen, müssen die Piloten noch mit Technologien aus einer anderen Zeit vorlieb nehmen. Ein Hochgeschwindigkeitszugang zu Echtzeitinformationen ist hier Fehlanzeige: Der Pilot arbeitet wie in einer isolierten Blase, in der er auf jahrzehntealte analoge Sprachkommunikation und nicht IP-gestützte Datenverbindungen mit niedriger Bitrate angewiesen ist. Eine Folge können übermäßig komplizierte, verschiedenartige und ineffiziente Kommunikationsabläufe sein, die möglicherweise Reaktionen auf unvorhergesehene Ereignisse verzögern. Ganz abgesehen von seiner Ineffizienz kann das derzeitige System nicht die zukünftigen Herausforderungen im Luftverkehr wie beispielsweise Überlastungen, unzureichende Kapazitäten an den Flughäfen, die Notwendigkeit eines erhöhten Datenverkehrs und Forderungen nach besseren Fluggastkabinen- und Kommunikationssystemen meistern. Als Teil der Initiative zum einheitlichen europäischen Luftraum (Single European Sky) untersucht SESAR (Single European Sky ATM Research) die Weiterentwicklung der Luftfahrtkommunikation und konzentriert sich dabei auf die Flugverkehrskontrolle und Flugbetriebskommunikation (airline operational communications). Single European Sky ist eine gemeinsame Anstrengung von EU, Eurocontrol und Industrie zur Modernisierung und Bereitstellung einer hoch leistungsfähigen Flugsicherungsinfrastruktur in Europa. Das von Selex ES koordinierte und aus 30 Partnern aus Europas führender Luftfahrttechnikindustrie sowie Forschungseinrichtungen zusammengesetzte SANDRA-Konsortium verfolgt stattdessen einen radikaleren Ansatz, mit dem die Kommunikation während des Fluges zu revolutionieren ist. Die neu entwickelte Technologie beinhaltet die Verknüpfung sämtlicher Flugzeuganwendungen und -dienste zu einem einheitlichen integrierten Luftfahrtkommunikationssystem auf Basis von Netzwerken, Funkübertragungen und Satellitenverbindungen auf globale, digitale und sichere Weise. Die SANDRA-Technologie wurde auf Testflügen in Deutschland mit Erfolg erprobt, was die Europäische Kommission dazu veranlasste, das Flaggschiff-Projekt für die Kommunikation rund um das neue Forschungsprogramm Horizont 2020 auszuwählen. Massimiliano Amirfeiz als Mitglied des Projektkoordinationsteams beschreibt die im Rahmen von SANDRA eingesetzten Technologien sowie die zu erwartenden Auswirkungen auf die Zukunft der Luftfahrt. Welche Hauptziele verfolgt das Projekt? Innerhalb des SANDRA-Projekts untersuchte, implementierte und demonstrierte man im Flugbetrieb ein neues System, dass Pilotinnen und Piloten in die digitale Welt des 21. Jahrhunderts führen wird. Als einheitliches System auf Basis von Internet-Protokoll-Technologie ist es zur Übertragung von Daten über mehrere Datenverbindungen, direkt zum Boden und über Satellit, digital und mit Hochgeschwindigkeit geeignet und bietet somit Kommunikationsdienstleistungen für sämtliche Anforderungen im Flugzeug, wobei jede davon mit ihrer eigenen erforderlichen Servicequalität und auf nahtlose Weise daherkommt. Zwischen Tower und Flugzeug können detaillierte Informationen über die Wetter- oder Verkehrslage auf eine schnelle und zuverlässige Art und Weise ausgetauscht werden, wodurch die Flugverkehrssicherheit erhöht wird. Das SANDRA-Projekt demonstrierte außerdem erstmalig in Europa im Zusammenhang mit existierenden Datenverknüpfungstechnologien wie beispielsweise VHF Data Link Mode 2 und Swift Broad Band Satcom die AeroMACS-Technologie, die erste der drei neuen IP-basierten Breitbanddatenverbindungen (neben L-DACS und IRIS Satcom), die von der Internationalen Zivilluftfahrtorganisation (International Civil Aviation Organization, ICAO) für den zukünftigen Bedarf der Luftfahrt bestimmt wurden. AeroMACS wurde zum Zweck der Bereitstellung einer drahtlosen Breitbanddatenkonnektivität an den Flughäfen konzipiert, um Flugbetrieb, Flugsicherungsorganisation und Anwendungen der Fluggesellschaften zu unterstützen. Obgleich die neuen Kommunikationssysteme letztlich die heute üblichen ersetzen werden, werden wir wahrscheinlich Zeugen eines langen Zeitraums sein, in dem man Flugzeuge zum Zweck der globalen Interoperabilität mit allen Systemen ausstatten wird. In diesem Sinne lautet die Prognose von SESAR, wobei die während dieser Übergangsphase erforderliche zusätzliche Ausrüstung des Flugzeugs erhebliche Gefahren für die Realisierung der Vision einer zukünftigen Kommunikation birgt. Hier droht eine beträchtliche zusätzliche Belastung in Hinsicht auf Größe, Gewicht, Komplexität und Kosten in der Luftfahrtelektronik, wenn die neuen Funkverbindungen in Einzelgeräte implementiert werden, wie es traditionell in der Kommunikationsavionik der Fall ist. Um dieses Problem zu lösen, untersuchte SANDRA auch die mögliche Nutzung softwaregesteuerter Funkanlagen, d. h. des Konzepts "Software Defined Radio", demgemäß Funkkommunikationssystemkomponenten, die typischerweise in Hardware implementiert sind (z. B. Mischer, Filter, Verstärker, Modulatoren/Demodulatoren, Detektoren usw.), mit Hilfe von Software auf einem Computer implementiert werden, was den parallelen Betrieb verschiedener Funkgeräte über gemeinsame Prozessoren als unabhängige Bits von Software (Wellenformen) ermöglicht. Dies wäre ein wirklich großer Schritt nach vorn. In ähnlicher Weise konnte bereits die Luftfahrtelektronik durch "integrierte modulare Avionik" revolutioniert werden. Was ist neu bzw. innovativ an dem Projekt und der Art und Weise, wie es sich diesem Thema annähert? Studien konnten das Konzept bestätigen, dass Flugzeuge über mehrere gleichzeitig aktive Datenverbindungen verfügen sollten, die für sämtliche Kommunikationsbedürfnisse, begonnen bei der Verkehrsüberwachung bis hin zum Flugbetrieb und Dienstleistungen für Passagiere, zum Einsatz kommen können. So gewährleistet man die bestmögliche Qualität der Dienstleistungen sowie Sicherheit und Priorisierung. Alles basiert auf der Internetprotokoll-Version 6, dem modernsten IP-Protokoll, das in den kommenden Jahren in den Bodennetzwerken in Dienst gehen wird und bereits von der ICAO als eine Säule der zukünftigen Luftfahrtkommunikation festgelegt wurde. Anhand von Versuchen konnte die Realisierbarkeit des "integrierten Modularfunks" (integrated modular radio, IMR) validiert werden. Bei dieser innovativen Avionikkommunikationsarchitektur kann jedes einzelne Funkelement auf unabhängige Weise neu konfiguriert werden, um eine spezielle Funkverbindung in Abhängigkeit von der Flugphase und der geografischen Lage bei Bedarf zu bedienen. IMR wird zum Eckpfeiler des SANDRA-Geschäftsmodells werden und eine Fülle von Vorteilen in Hinsicht auf Gewicht, Kosten der Funkkomponenten und reduzierter Arbeitsbelastung für die Piloten mit sich bringen. Es soll einen weniger schmerzhaften Übergang zwischen dem technischen Erbe und den Grundlagen der zukünftigen Kommunikation ermöglichen, da damit beides unterstützt werden kann. Dabei muss beachtet werden, dass die Konfigurierbarkeit von Funksoftware entscheidende Bedeutung für die Realisierung der zukünftigen Einbeziehung der Datenverbindungen der Zukunft wie L-DACS und IRIS Satcom hat. AeroMACS konnte überdies zum ersten Mal in einem integrierten nahtlosen End-zu-End-Netzwerk demonstriert werden, das eine Vielzahl von Dienstleistungen von digitaler Kommunikation zwischen Flugzeugführer und Lotsen bis hin zu Telemedizin und privater Kommunikation für Fluggäste zu bieten hat. Wie wird der Sektor von der Umstellung auf digitale Kommunikation in der Luftfahrt profitieren? SANDRA trägt mit der Unterstützung des SESAR-Konzepts für eine zukünftige datenzentrierte Cockpitkommunikation zum effizienteren und sichereren Fliegen bei, was angesichts des zunehmenden Luftverkehrsaufkommens besonders wichtig ist. Das SANDRA-System vereint die modernste Multilink-Kommunikation, wobei L-Band und Ku-Band-Satellitenverbindungen sowie AeroMACS-Bodenverbindungen und die derzeitige VHF-Datenverbindung (VDL2) integriert werden. Hier werden Industriestandards wie IP, IEEE 802.16 (für AeroMACS), DVB-S2 und Inmarsat SwiftBroadBand eingesetzt. Das System kann derart eingerichtet werden, dass die beste verfügbare Funkverbindung ausgewählt werden kann, oder die Besatzung kann die Verbindung manuell auswählen. Mit dem Einsatz von Industriestandards können wir gleichermaßen die Cockpit- und Kabinenkommunikation einbinden. So sind die Cockpit- und Kabinensysteme aus Sicherheitsgründen zwar getrennt, nutzen aber die Verbindung gemeinsam. Auf diese Weise verschafft man den Fluggesellschaften eine kostengünstige Möglichkeit, sowohl den Passagieren als auch den Piloten eine Konnektivität während des Flugs bereitstellen zu können. Auf welche Probleme sind Sie gestoßen und wie haben Sie sie gelöst? Das neue System wurde unter Einsatz des ATRA-Testflugzeugs (Advanced Technology Research Aircraft) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (German Aerospace Center), eines modifizierten Airbus 320, erstmalig unter realen Flugbedingungen erprobt. Die größte Herausforderung war die Integration eines derartig breiten Spektrums verschiedenartiger Systeme, die Luftfahrtanwendungen, neue Luftfahrtelektronik sowie Kommunikationsnetze an Bord von Flugzeugen umfassen. Das SANDRA-System beinhaltet allerdings auch die entsprechende Kommunikationstechnologie am Boden, welche die Forscher am Standort des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen und am Flughafen Toulouse-Blagnac installiert haben. Man integrierte externe Entitäten wie Inmarsat Satcom und SITA-Bodennetzwerke. So konnten wir Flugversuche zum reibungslosen Austausch von Daten während eines Übergangs von einer Datenverbindungstechnologie zu einer anderen durchführen. All diese Herausforderungen konnte das SANDRA-Konsortium dank des sich gegenseitig ergänzenden Expertenwissens und der Motivation der Forschergruppe überwinden, wie der EK-Projektleiter und unabhängige Gutachter bestätigten. Wie wird SANDRA die Routine und die Arbeitsbedingungen der Piloten beeinflussen? Steht die neue Technologie erst einmal zur Verfügung, so wird der Pilot oder die Pilotin sämtliche Informationen über das Wetter, den Flugverkehr und anstehende Entscheidungen zur gleichen Zeit wie seine/ihre für die Flugsicherung zuständigen Kollegen am Boden zu sehen bekommen. Automatische Flugkorrekturen zur Vermeidung von kritischen Situationen und Missverständnissen werden dann viel einfacher sein. Beispielsweise verfügt das SANDRA-System zur Landung in Flughäfen über eine schnelle Datenverbindung, die über AeroMACS funktioniert und dem Piloten auf indirektem Wege über das lokale WLAN-Netz Zugang zu allen erforderlichen Daten verschafft. Und dank der Kompatibilität von SANDRA zu den Vorgängertechnologien kann das System auf jedem Flughafen der Welt zum Landen eingesetzt werden. Je nach Verfügbarkeit wird das SANDRA-System die Piloten automatisch an schnelle Breitbandverbindungen oder technisch ältere Datenverbindungssysteme anbinden. Was sind die nächsten Schritte zur Produktvermarktung bzw. Ihre nächsten Forschungsthemen? Man hat verschiedene Technologien und Konzepte untersucht, die nicht alle die gleiche Stufe der technologischen Reife aufwiesen. AeroMACS wird voraussichtlich 2018 in den großen Flughäfen den Betrieb aufnehmen. Auch ein neuer Protokollmechanismus, der existierenden Luftfahrtnetzwerken den Betrieb über IP-basierte Breitbanddatenverbindungen zusammen mit dem nicht sicherheitsrelevanten Datenverkehr gestattet, hat bei der Industrie großes Interesse erregt. Im Rahmen von SESAR wird zu diesem Thema weiter geforscht. Diese Variante könnte in den nächsten Jahren in Betrieb gehen. Letztlich wurde unsere neue Architektur für Kommunikationsavionik auf Grundlage von softwaredefinierten Funk- und integrierten modularen Avioniktechnologien von großen Flugzeugintegratoren als ein vielversprechender Kandidat für die Einbeziehung in neue Flugzeuge im Zeitrahmen 2020 bis 2025 anerkannt. Im Rahmen der SESAR-Projekte, die sich mit Multilink- und IP-basierten Technologien beschäftigen, hat man die geleistete Arbeit anerkannt und wird man Nutzen aus den SANDRA-Resultaten in diesem Bereich ziehen. Während SANDRA die Bausteine identifizieren konnte, sind jedoch noch zwei Dinge erforderlich, um diese neue Kommunikationsarchitektur tatsächlich zu verwirklichen. Zum einen sollten die funktionalen Bausteine des Projekts in eine kohärente Gruppe von physikalischen Einheiten eingebaut werden. Dabei müssen reale Flugzeugumgebungen und neue Avionik-Frameworks Berücksichtigung finden, die in anderen EU-finanzierten Projekten definiert wurden. Zweitens sollte man im Cockpit den Übergang zur Internetprotokolltechnologie einleiten, die bei Bodennetzwerken bereits Realität ist. Diese Anforderung dürfte die schwierigste sein, da es hierbei um einen Kulturwandel geht.