Ein Team aus Leichtwerk Research GmbH, Unisphere GmbH, der DFS Deutsche Flugsicherung GmbH, dem Deutschen Wetterdienst und der TU Braunschweig, Institut für Flugführung hat sich im Projekt OBeLiSk zum Ziel gesetzt, erstmals ein operationelles Betriebskonzept zur sicheren und effizienten Luftraumintegration von HAPS (High Altitude Pseudo Satellites) zu entwickeln und zu validieren. Damit soll der Einsatz zur flächendeckenden Versorgung mit Informationen aus großen Höhen ermöglicht werden. Das Projekt OBeLiSk wird im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

Unter HAPS verstehen Experten ein unbemanntes Luftfahrzeug, das in der Stratosphäre unterwegs ist. HAPS sind vollautomatische Systeme und sind – vereinfacht gesagt – Satelliten, die sich deutlich näher an der Erde bewegen. Aufgrund ihrer hohen örtlichen Verweilfähigkeit als auch der Nähe zur Erde können HAPS zu Beobachtungszwecken oder für Telekommunikationsanwendungen eingesetzt werden. So liefern diese Tag und Nacht wichtige Erkenntnisse – zum Beispiel für Such- und Rettungseinsätze, für die Katastrophenhilfe, zur Überwachung von umweltrelevanten Ereignissen oder für die Landwirtschaft. HAPS können außerdem einen flexiblen und effizienten Beitrag zur flächendeckenden Versorgung des 5G-Mobilfunknetzes leisten.  

Die besonderen Flugleistungen der HAPS hinsichtlich Geschwindigkeit, Steig- und Sinkraten sowie die lange Flugdauer erfordern eine sorgfältige und gründliche Flugplanung. Besondere Herausforderung sind jedoch wechselnde Wetterbedingungen, die eine kontinuierliche und effiziente Optimierung der Routenplanung während des Fluges erfordern. Für diese Aufgabenstellung wollen die Projektpartner Konzepte, Verfahren und Regeln für den dynamischen Betrieb von HAPS entwickeln. Besondere Berücksichtigungen finden dabei die Anforderungen des Betreibers an die Routenplanung und -optimierung, sowie die Optimierung am Arbeitsplatz der Fluglotsen. Diese sogenannten „Mensch-Maschine-Schnittstellen“ verbessern die Zusammenarbeit zwischen digitaler Technik und dem Flugsicherungspersonal. 

„Mit dem Projekt OBeLiSK wollen wir eine Möglichkeit der Flugplanung, die einerseits den Anforderungen an Stabilität und Verlässlichkeit Rechnung trägt, aufzeigen. Zum anderen ermöglichen wir erstmals die automatische Verhandlung von Flugplänen von HAPS mit der Flugsicherung“ So Thomas Krüger, von Leichtwerk Research in Braunschweig. „Diese Entwicklungen sind elementar für den wirtschaftlichen und sicheren Betrieb von HAPS in der Zukunft“ so Krüger weiter. 

Die DFS Deutsche Flugsicherung GmbH ist ein bundeseigenes, privatrechtlich organisiertes Unternehmen mit rund 5.600 Mitarbeitern (Stand 30.06.2020). Die DFS sorgt für einen sicheren und pünktlichen Flugverlauf. Die rund 2.200 Fluglotsen leiten täglich bis zu 10.000 Flüge durch den deutschen Luftraum, im Jahr mehr als drei Millionen. Deutschland ist damit das verkehrsreichste Land in Europa. Ziel der Aktivitäten im Projekt OBeLiSk ist die Erstellung eines Betriebskonzepts zur reibungslosen Integration von HAPS in den deutschen Luftraum. Dieses wird mittels Realzeitsimulation am Ende des Projekts validiert. 

Die Leichtwerk Research GmbH mit Sitz in Braunschweig ist ein Dienstleister für anspruchsvolle Forschungs- und Entwicklungsprojekte auf dem Gebiet der Luft- und Raumfahrttechnik. Das Spektrum der Themen umfasst dabei die Entwicklung und den Bau von bemannten und unbemannten Luftfahrzeugsystemen, innovativen Leichtbaustrukturen, sowie die Erarbeitung von Flugbetriebsverfahren und Mensch-Maschine-Schnittstellen. Das Ziel im Projekt OBeLiSk ist die Entwicklung und Validierung eines Kontrollzentrums für HAPS zur Planung, Verhandlung und Überwachung von abgestimmten Flugplänen.  

Der Deutsche Wetterdienst ist eine Bundesbehörde und dem Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) nachgeordnet. Im Bereich der Luftfahrt obliegt dem DWD die meteorologische Sicherung des Flugverkehrs in Deutschland. Innerhalb dieses komplexen Aufgabengebiets werden meteorologische Vorgänge erfasst, analysiert und vorhergesagt. Dazu betreibt der DWD ein umfangreiches meteorologisches Beobachtungssystem und ein Rechenzentrum zum Betrieb seiner numerischen Wettervorhersagemodellkette. Diese Infrastruktur ermöglicht es dem DWD auf die Anforderungen der verschiedenen Luftfahrtnutzer zugeschnittene Produkte anzubieten. Zur Erweiterung des Produktportfolios für Drohnennutzer soll u.a. dieses Projekt dienen. 

Die Unisphere GmbH hat sich auf Flugwegvorhersagen für HAPS, Lufttaxis und Drohnen spezialisiert. Das Team von Unisphere unterstützte Solar Impulse bei der ersten erfolgreichen Weltumrundung mit einem Solarflugzeug. Das Ziel von Unisphere ist eine Flight Management Platform zur Flugwegoptimierung von HAPS. Dazu werden aktuelles Wetter, Wettervorhersagen, Luftraumstruktur sowie detaillierte Flugleistungsmodelle für unbemannte Systeme integriert. Mittels simulierter 4D-Trajektorien und in der Software abgebildeten Pilotenwissen lassen sich HAPS hochautomatisiert und wirtschaftlich betreiben. 

Das Institut für Flugführung (IFF) der Technischen Universität Braunschweig (TUBS) beschäftigt sich mit der Forschung und Lehre in den Bereichen Navigation, Luftverkehrsmanagement, Flugmesstechnik, Flugführungssysteme und -regelung. Das übergeordnete Ziel der Forschung am IFF ist die Entwicklung von Methoden und technischen Mitteln zur Unterstützung des Menschen bei der sicheren Abwicklung von Flugführungsaufgaben. Dies spiegelt sich in den Zielen des IFFs als Projektpartner beim OBeLiSk Vorhaben, die Interoperabilität zwischen HAPS und zukünftigen Flugsicherungskonzepten zu ermöglichen. Dazu werden Anforderungen an Flugsicherungskonzepte und HAPS formuliert, die einen sicheren und effektiven Betrieb von HAPS ermöglichen sollen. Im weiteren Projektverlauf werden entsprechende Konzepte und die dazu notwendigem Mensch-Maschine-Schnittstellen prototypisch implementiert und anhand von Demonstratoren validiert. 

English version:

OBeLiSk optimizes the use of high-flying pseudo-satellites

One of the first operational concepts for the safe and efficient integration of high-altitude pseudo-satellites (HAPS) into airspace is being developed and validated as part of the OBeLiSk project. The team behind the project brings together organisations from the private sector (Leichtwerk Research and Unisphere), State-owned entities (the German air navigation service provider (DFS) and the German Meteorological Service (DWD)) and the university sector (TU Braunschweig, Institute of Flight Guidance). The project aims to enable the provision of information from high altitudes across Germany. Funding for the project is being provided by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (BMWi) as part of its aeronautics research programme. 

A high-altitude pseudo-satellite, also known as HAPS, is an unmanned aerial vehicle that travels in the stratosphere. They are fully automated systems and are, simply put, satellites that travel much closer to the earth than conventional satellites. Due to their high local loitering capability and their proximity to the earth, they can be used for observation purposes and telecommunication applications. They can provide important intelligence day and night and could be used, for example, for search and rescue missions, disaster relief, monitoring of environmentally relevant events, or in agriculture. HAPS can also make a flexible and efficient contribution to extending the coverage of the 5G cellular network across Germany.  

The special flight performance of high-altitude pseudo-satellites in terms of speed, climb and descent rates, and long flight duration require careful and thorough flight planning. Changing weather conditions, however, pose a particular challenge, requiring continuous and efficient optimisation of route planning during the flight. For this task, the project partners want to develop concepts, procedures and rules for the dynamic operation of HAPS.  Special consideration will be given to the requirements of operators for route planning and optimisation, as well as the optimisation of the controller’s working position. These human-machine interfaces improve working relationship between digital technology and air traffic control personnel. 

„With the OBeLiSK project, we want to demonstrate a flight planning option that takes into account the requirements for stability and reliability. For the first time, we are enabling an automatic negotiation of flight plans between the HAPS and air traffic control,“ said Thomas Krüger from Leichtwerk Research in Braunschweig, Germany. „These developments are fundamental for the economic and safe operation of HAPS in the future,“ continued Krüger. 

DFS Deutsche Flugsicherung GmbH, the German air navigation service provider, is a State-owned company under private law with 5,600 employees as at 30 June 2020. DFS ensures the safe and punctual flow of air traffic over Germany. Around 2,200 air traffic controllers guide up to 10,000 flights in German airspace every day, more than three million movements every year. This makes Germany the country with the highest traffic volume in Europe. The goal of the activities in the OBeLiSk project is to create an operational concept for the smooth integration of high-altitude pseudo-satellites (HAPS) into German airspace. This will be validated by means of real-time simulation at the end of the project. 

Leichtwerk Research GmbH, based in Braunschweig, Germany, is a service provider for high-end research and development projects in the field of aerospace technology. Its service spectrum encompasses the development and construction of manned and unmanned aircraft systems, innovative lightweight structures, as well as the development of flight operation procedures and human-machine interfaces. The goal of the OBeLiSk project is to develop and validate a control centre for HAPS to plan, negotiate and monitor coordinated flight plans.  

The German Meteorological Service (DWD) is a federal authority and reports to the German Federal Ministry of Transport and Digital Infrastructure (BMVI). It is responsible for the safety of air traffic in Germany as regards meteorology. Within this complex area of responsibility, meteorological processes are recorded, analysed and forecast. The DWD operates an extensive meteorological observation system and a computer centre to run its numerical weather prediction model. Thanks to this infrastructure, the DWD can offer products tailored to the requirements of a range of aviation users. One of the purposes of this project is to expand the product portfolio for drone users. 

Unisphere GmbH specialises in flight path forecasting for HAPS, air taxis and drones. Unisphere supported Solar Impulse in its first successful round-the-world flight in a solar-powered aircraft. Unisphere’s objective is to create a flight management platform for the flight path optimisation of HAPS. It integrates the current weather, weather forecasts, the airspace structure and detailed flight performance models for unmanned systems. HAPS can be operated in a highly automated and economic manner by using simulated 4D trajectories and the pilot knowledge embedded in the software. 

The Institute of Flight Guidance (IFF) is part of the TU Braunschweig (Technical University Braunschweig). The institute is engaged in research and teaching in the fields of navigation, air traffic management, flight measuring technology as well as flight guidance systems and control. The overall goal of research at the IFF is the development of the methods and technical means to support people in the safe execution of flight guidance tasks. This is reflected in the IFF’s goals as a project partner in the OBeLiSk project, namely to enable interoperability between HAPS and future air traffic control concepts. The requirements for air traffic control concepts and HAPS will be formulated to enable safe and effective operation of HAPS. In the further course of the project, the required concepts and human-machine interfaces will be implemented using prototypes and validated using demonstrators.