Satellietnavigatie brengt autonome drones een stap dichterbij

Er zijn eindeloos veel toepassingen voor Unmanned Aerial Vehicle (UAV), ofwel drones, nu en in de toekomst. Volledig autonoom opererende drones gaan een grote bijdrage leveren aan de samenleving, zo ziet Heiko Engwerda, navigation engineer bij NLR. “Drones kunnen taken uitvoeren die gevaarlijk of eentonig zijn voor mensen. Ook kan de inzet van drones diverse efficiënte, logistieke oplossingen bieden.”

Een van de belangrijkste voorwaarden om autonoom te kunnen vliegen, is goede navigatie. Een drone moet goed weten waar die zich bevindt en wat er in de omgeving gebeurt. Engwerda is dit op moment bezig met een PhD over de integriteit van satellietnavigatie op de maan. De afgelopen vier jaar werkte hij namens NLR mee aan een Europees onderzoeksproject binnen Horizon 2020 (ARAIMTOO en ARAIMFUSE) naar de inzet van satellietnavigatie voor UAV’s. “Wij hebben het andersom bekeken. We hebben niet zo zeer nieuwe technologieën ontwikkeld, maar onderzocht wat er al is en hoe deze technologieën het beste toegepast kunnen worden in deze situatie. De huidige vorm van satellietnavigatie wordt al gebruikt in vliegtuigen en is daarom al gecertificeerd. We weten dus dat het werkt. Dat is technologisch gezien een goed uitgangspunt en het zorgt ook nog eens voor kostenbesparing in het ontwikkeltraject”, stelt Engwerda.

Wat is satellietnavigatie?

Satellietnavigatie is een vorm van radionavigatie. De satellieten zenden op laag vermogen signalen uit op hoge frequentie. Een apparaat op de grond, in de lucht of op het water kan zijn locatie bepalen aan de hand van de signalen van vier verschillende satellieten.

Deze vorm van navigatie wordt tegenwoordig zowel voor militaire als voor civiele toepassingen gebruikt. Het bekendste voorbeeld is Google Maps.

Integriteit

Hij richt zich in het bijzonder op de zogenoemde integriteit van satellietnavigatie. “Integriteit gaat over de betrouwbaarheid van het systeem. Kun je erop vertrouwen dat de locatiebepaling nauwkeurig is? Dat is de vraag die wij steeds aan onszelf stellen. En mocht je locatiebepaling niet betrouwbaar genoeg zijn, dan moet het systeem een seintje geven aan het besturingssysteem”, vat hij samen. Om de betrouwbaarheid van een systeem vast te stellen, kijken Engwerda en zijn collega’s naar de 0,001% van de gevallen die niet volgens het boekje gaan. Ook die moeten binnen een bepaalde marge qua nauwkeurigheid vallen. Daar moeten we te allen tijde op kunnen vertrouwen.”

Stedelijk gebied extra uitdagend

Een nauwkeurige en betrouwbare locatiebepaling is belangrijk omdat een UAV dat gebruikt als uitgangspunt om de vervolgroute te bepalen. Bovendien is het cruciaal om de veiligheid van de drones te kunnen waarborgen. Uit het project bleek dat het inzetten van satellietnavigatie voor UAV’s al redelijk goed werkt, voornamelijk voor toepassingen in open gebieden. Engwerda noemt het monitoren van de gewassen van boeren als voorbeeld. “In Nederland worden drones hier al voor gebruikt. Allen in stedelijk gebied is de inzet van satellietnavigatie nog wat complexer”, verklaart hij.

Die complexiteit heeft twee kanten. Aan de ene kant is de navigatie via satellieten wat minder nauwkeurig in stedelijk gebied. Engwerda: “Vanuit de satellieten worden een soort radiogolven naar de grond gestuurd. Die signalen worden opgevangen door de GPS-ontvanger in een UAV. Alleen kunnen de signalen verstoord worden door bijvoorbeeld gebouwen, bomen of zendmasten en daardoor is de locatiebepaling minder nauwkeurig.” Tegelijkertijd kunnen die obstakels er ook voor zorgen dat het voor de drone lastiger is om veilig rond te vliegen. “Tussen gebouwen ontstaan bijvoorbeeld regelmatig windstromen die het voor de drones extra moeilijk maken om koers te houden.” Daar moeten de drones allemaal rekening mee kunnen houden. En het allerbelangrijkste punt: “In steden zijn veel mensen. De veiligheid van mensen gaat altijd voorop, daarom is integriteit zo belangrijk.” Alle veiligheidsrisico’s moeten gesignaleerd en gemitigeerd worden.

Wat is een Unmanned Aerial Vehicle (UAV)

Een UAV bestaat uit drie belangrijke onderdelen. Ten eerste het onbemande luchtvaartuig. Dit is een vliegtuig dat autonoom opereert of op afstand wordt bestuurd zonder menselijke piloot aan boord. Het tweede onderdeel is het besturingssysteem, dit bevindt zich meestal op de grond, op een schip of op een ander luchtvaarttuig. Dit systeem kan autonoom opereren of door mensen worden bediend. Tot slot verbindt het communicatie-, commando- en controlesysteem (C3) het besturingssysteem met de UAV.

Hogere nauwkeurigheid

De basis van de technologie staat, maar er zijn nog wel verbeteringen nodig. Satellietnavigatie voor UAV’s in de bebouwde omgeving moet veel nauwkeurigere informatie afgeven dan voor vliegtuigen. Engwerda: “Er is altijd een flinke afstand tussen vliegtuigen in de lucht. Als de locatie van een vliegtuig tien meter afwijkt, is dat nauwkeurig genoeg. Als een vliegtuig landt, moet de locatie echter nauwkeuriger zijn. In de bebouwde omgeving moet de nauwkeurigheid nog veel hoger zijn. Een verschil van tien meter is dan te groot. Daarom is het belangrijk om ook naar andere sensoren te kijken. Dicht bij de grond kun je dan alternatieve technologieën inzetten om de nauwkeurigheid te garanderen. Het algoritme wordt dan wel complexer omdat het met alle verschillende soorten data om moet gaan en deze aan elkaar moet verbinden tot één resultaat.”

Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring (ARAIM)

Onafhankelijk

Een voordeel van satellietnavigatie: het werkt volledig zelfstandig. “Je hebt ook systemen die bijvoorbeeld communiceren met punten op de grond om de locatie te bepalen. Dat werkt op zich goed, maar je bent dan gebonden aan bepaalde locaties waar dergelijke systemen zijn geïnstalleerd. Het idee van UAV’s in steden is dat de drones overal kunnen opstijgen en landen. Dat werkt niet met dit systeem. Uiteindelijk is een drone die compleet autonoom kan opereren uiteraard breder inzetbaar en kostenefficiënter”, stelt hij.

De eerste tests met UAV’s worden op dit moment al uitgevoerd. Zo vliegen in Zürich al drones tussen ziekenhuizen om organen te vervoeren. Ook de ANWB is bezig met dergelijke testen in Nederland, tussen Meppel en Zwolle. “Dat gebeurt wel allemaal afgebakend en onder geconditioneerde omstandigheden”, legt Engwerda uit. In Europa ligt de focus op de veiligheid en de regelgeving die daarbij van toepassing is, zo schetst hij. “In andere werelddelen zie je dat er veel eerder tests worden gedaan en demonstraties worden gegeven. Hier zijn we wat terughoudender. We willen eerst zeker weten dat het allemaal goed werkt en dat het veilig is. Daardoor lijkt de ontwikkeling soms langzamer te gaan, maar dat is niet het geval.”

Implementatie in de praktijk

En wat zijn nu de volgende stappen? “We hebben nu een systeem gevonden dat passend lijkt voor de beoogde toepassing. Nu gaan we heel veel testen en data verzamelen om er zeker van te zijn dat het goed werkt. We kijken dan vooral naar die 0,001% afwijkende gevallen om de integriteit aan te tonen”, aldus Engwerda.

Parallel hieraan beginnen ook de trajecten om met Europese en landelijke overheden te zorgen voor de juiste regelgeving om de technologie in de praktijk te gebruiken. “Dit zijn vaak langdurige trajecten waarin we ook verschillende testen moeten uitvoeren.” Daarnaast gaat NLR in gesprek met de UAV-operators om te kijken of de positioneringstechnologie kan worden ingebouwd om volledig autonoom te navigeren in stedelijke gebieden. Al met al gaat er nog wel een jaar of tien overheen voordat de technologie echt in de praktijk kan worden toegepast, voorspelt Engwerda. “Als het eenmaal zo ver is, dan gaan de drones een groot verschil maken.”

Arun is testpiloot bij NLR. ‘Het mooiste aan mijn werk? Als ik innovaties die ik heb getest, terugzie in lijnvluchten’

In de serie ‘De mensen van NLR’ (NLR People) laten we zien wie de experts zijn van het NLR. In deze aflevering: Arun Karwal.