Fraunhofer: Mobilfunksystem für Drohnen

Autonome Drohnen, die über Mobilfunk kommunizieren, haben häufig keine stabile Verbindung. Ein möglicher Grund für Ausfälle: die fehlende Netzabdeckung. Zudem kann es zum Verbindungsabbruch kommen, wenn Drohnen in großer Höhe Zugriff auf zu viele Mobilfunkmasten gleichzeitig haben und immer wieder zwischen den Funkzellen wechseln.

Das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI fand heraus, dass auch die Kommunikationsprotokolle, mit denen Drohnen arbeiten und die den Datenfluss zwischen der Drohne und der Steuerung regeln, Probleme bereiten können. Dem HHI zufolge sind diese nicht robust genug für schwankende Datenraten, manche Datenpakete kämen langsamer an, einige ging ganz verloren.

Im Rahmen des Kooperationsprojekts Sucom wollten die Forschenden gemeinsam mit dem Drohnenhersteller Wingcopter, der Emqopter GmbH und der CiS GmbH neue Kommunikationsprotokolle entwickeln, die gegenüber ruckelnden Datenströmen unempfindlich sind.

Ein neu entwickeltes Mobilfunkmodul soll nun den Forschenden zufolge die Verbindung zur Drohne selbst bei schwankender Datenrate halten. Zudem ließen sich sicherheitskritische Informationen für die Erstellung von Luftlagebildern wie Position, Flughöhe, Flugrichtung, Geschwindigkeit und andere Daten unterbrechungsfrei übertragen, was als wichtige Voraussetzung für die hohen Sicherheitsanforderungen der Luftfahrt gelte.

Verglichen wurde nach Angaben von Tom Piechotta, Wissenschaftler am Fraunhofer HHI, eine Drohne mit kommerziell verfügbarem LTE-System und eine mit neuem Sucom-Modul: „Während die Verbindung über das herkömmliche Modul immer wieder abbrach, arbeitete das Sucom-Modul stabil. Dank unserer neuen Protokolle ist die Kommunikation so stabil, dass es nicht zu Unterbrechungen kommt“, so Piechotta. Dies sei dem Forscher zufolge ein klares Indiz dafür, dass Störungen bei Drohnen nicht allein auf fehlende Netzabdeckung zurückzuführen sind.

Überregionale Einsatzgebiete

Das Sucom-Mobilfunk-Modul soll sich auch in Drohnen einbauen lassen, die bereits im Einsatz sind. In Malawi finden beispielsweise derartig ausgestattete Drohnen zur Regenzeit Verwendung, um die Bevölkerung mit Medikamenten, Blutkonserven und anderem lebenswichtigen Material zu versorgen.

Die Drohnen legen dort nach Angaben des HHI Distanzen von bis zu 40 Kilometern zurück. Sie starten von vier Flugfeldern, an jedem arbeite ein Fernpilot. Dieser gebe die aktuelle Route in den Computer ein und definiere die Wegpunkte, an denen sich die Drohne orientieren soll. Dann werde die Mission mit einem Klick auf die Drohne geladen.

Zu diesem Zweck fließen die Daten zu einem Server in Kapstadt, dann weiter zum Sucom-Modul und schließlich zum angeschlossenen Flight-Controller auf der Drohne, so die Forscher. Die Fernpiloten seien dafür zuständig, während des Flugs den Zustand der Drohne kontinuierlich und in Echtzeit zu überwachen.

Sollte die LTE-Verbindung ausfallen, sei die Drohne zusätzlich mit Satelliten-Technik ausgestattet. Und bei Bedarf lasse sich die Drohne über eine VPN-Verbindung auch vom Smartphone aus steuern.

Schneller Datenfluss

Für einen schnellen Datentransport zwischen dem Server in Kapstadt und der Drohne mussten Server-Hardware und -Software angepasst werden, so das HHI. Die Verbindung sei nun so schnell, dass die Drohnen in Malawi mit dem Fraunhofer HHI in Deutschland in Echtzeit kommunizieren können. Nur 170 Millisekunden bräuchte ein Datenpaket via Mobilfunk von der Drohne über den Server in Kapstadt bis nach Berlin.

Funklöcher überwinden

Auch in Deutschland könnten abgelegene Orte mit dem neu entwickelten Modul besser versorgt werden. Zu Demonstrationszwecke hat das Projekt-Team ein Waldgebiet im Norden Brandenburgs überflogen – es handle sich um eines der größten Funklöcher Deutschlands mit einem Durchmesser von 14 Kilometern. Ein Drohnen-Flug mit unterbrechungsfreier Kommunikation konnte absolviert werden, zeigen sich die Forschenden zufrieden.