Eine Drohne hat bei einem Versuch der US-Marine ohne GPS und ohne unmittelbare Pilotensteuerung auf einem bewegten Schiff aufgesetzt. Die autonome Landung verlangt mehr als das Ansteuern eines festen Punktes. Das Fluggerät muss mit einer Fläche zurechtkommen, die sich unter ihm ständig verändert. Die erprobte Technik könnte den Betrieb unbemannter Fluggeräte auf See erleichtern.
Eine Drohne der US-Marine hat Flugaufgaben erledigt und ist anschließend selbstständig auf ein auf See stampfendes Schiff zurückgekehrt. Entwickelt wurde die dafür erforderliche Technik beim Naval Air Warfare Center Aircraft Division, kurz NAWCAD, in Patuxent River im US-Bundesstaat Maryland. Der offizielle Bericht über die autonome Schiffslandung beschreibt eine Demonstration, bei der das Fluggerät ohne Satellitennavigation und unmittelbare Pilotensteuerung auskam. Seine wesentlichen Hilfsmittel trug es selbst mit: Kameras, Bewegungssensoren und Elektronik, wie sie kommerziell verfügbar sind. Diese Ausstattung wurde mit eigens entwickelter Software für Navigation und Flugsteuerung verbunden. Das Ziel ist eine Landefähigkeit, die sich mit dem Fluggerät auf unterschiedliche geeignete Schiffe bringen lässt. Damit verbindet das Projekt zwei Aufgaben, die für den Betrieb auf See eng zusammengehören: die Orientierung ohne GPS und die Rückkehr auf ein Schiffsdeck, dessen Lage sich während des Anflugs verändert.
Für die Marine ist diese Verbindung aus einem konkreten Grund wichtig. GPS liefert Positionsinformationen auf Grundlage von Funksignalen aus dem All, und GPS-Störungen können sowohl unbeabsichtigt als auch gezielt entstehen. In einem umkämpften Gebiet steht die Satellitennavigation deshalb möglicherweise gerade dann nicht zur Verfügung, wenn ein unbemanntes Fluggerät sicher zurückkehren muss. Davon zu unterscheiden ist die Verbindung zu einem Bediener: Auch ohne GPS könnte grundsätzlich noch ein Pilot vom Schiff aus steuern, sofern die dafür erforderliche Verbindung funktioniert. Ein Ausfall beider Hilfen verlangt dagegen, dass das Fluggerät die notwendigen Beobachtungen und Korrekturen selbst übernimmt. Bei bisherigen Verfahren können außerdem besondere Radaranlagen und zusätzliche Ausstattung an Bord des Schiffes erforderlich sein. Die Entwickler wollen diese Abhängigkeiten verringern. Ihr Ansatz verlagert wichtige Fähigkeiten in das Fluggerät, das mit eigenen Sensoren seine Umgebung erfasst und daraus die notwendigen Steuerinformationen gewinnt.
Die Kameras erfüllen dabei eine Aufgabe, die über das bloße Aufzeichnen eines Videos hinausgeht. Ihre Bilder werden unmittelbar für die Flugführung ausgewertet. Die Bildverarbeitung erkennt nach Darstellung der Entwickler die Form des Schiffes und sichtbare Merkmale, an denen sich der Anflug ausrichten lässt. Damit wird das Schiff selbst zur Orientierungshilfe. Bewegungssensoren und Bordrechner ergänzen diese Beobachtung zu einem System, das auf dem Fluggerät arbeitet. Die Navy vergleicht den visuellen Teil mit der Orientierung eines menschlichen Piloten, der ebenfalls Formen und Bezugspunkte für seine Flugführung nutzt. Entscheidend ist die Verbindung zwischen Erkennung und Steuerung: Ein erkanntes Schiff muss in eine Flugbahn übersetzt werden, die das Luftfahrzeug tatsächlich ausführen kann. Diese Aufgaben bündelt das Maritime Autonomous Guidance-Navigation-Control Intelligent Coupled Systems Lab. Der Name beschreibt die enge Kopplung von Flugführung, Navigation und Regelung, die bei der selbstständigen Rückkehr zusammenwirken müssen.
Zur visuellen Orientierung kommt die Vorhersage der Schiffsbewegung. Die Algorithmen berücksichtigen nach Angaben von NAWCAD in Echtzeit, wie sich das Deck hebt und senkt, damit das Fluggerät seinen Anflug darauf abstimmen kann. Die Bedeutung dieser Vorhersage lässt sich am bevorstehenden Bodenkontakt erklären. Eine Kamera erfasst zunächst die augenblickliche Lage des Schiffes. Bis das Fluggerät diese Fläche erreicht, vergeht jedoch Zeit, in der sich beide weiterbewegen. Ein ansteigendes Deck und eine sinkende Drohne nähern sich anders an als ein Deck, das sich gerade nach unten bewegt. Für das Aufsetzen sind deshalb die relative Lage und die Bewegung zueinander relevant. Eine feste Koordinate auf einer Landkarte würde diesen Vorgang nicht vollständig beschreiben. Aus dieser Sicht besteht der technische Fortschritt darin, sichtbare Merkmale des Schiffes und seine vorausberechnete Bewegung in die laufende Flugsteuerung einzubeziehen. Beobachtung und Korrektur bilden gemeinsam die Grundlage für die autonome Landung.
Vor Versuchen auf See können Ingenieure einzelne Funktionen in einer kontrollierten Umgebung prüfen. Die Dokumentation des aktuellen Projekts beschreibt einen kleinen unbemannten Versuchsträger, der in einer Halle mit Kameras und Bewegungssensoren ausgestattet wird. Einen eigenständigen, bereits länger genutzten Aufbau betreibt dieselbe Forschungseinrichtung in Lakehurst. Die dortige Ship Motion Platform für Drohnenversuche kann das Stampfen, Rollen sowie Heben und Senken eines Schiffes nachbilden und eine feste Neigung halten. Beim Stampfen neigt sich das Deck in Längsrichtung, beim Rollen zur Seite. Das Heben und Senken verändert dagegen seine Höhe. In einer realen Schiffsbewegung können diese Anteile zusammenkommen und die Lage der Landefläche gleichzeitig in mehreren Richtungen verändern. Solche Bewegungen lassen sich am Prüfstand gezielt einstellen und wiederholen. Dadurch können Entwickler vergleichen, wie ein Fluggerät unter denselben Bedingungen reagiert, und Veränderungen an der Steuerung untersuchen. Die Anlage dient inzwischen auch als Ausgangspunkt für längere Testmissionen innerhalb des örtlichen Luftraums. Bei einem Versuch flog ein dort gestartetes Fluggerät zu einer anderen Testlandebahn. In weiteren Erprobungen ergänzten Ingenieure die Plattform außerdem durch kontrollierte Windböen, um zusätzliche Einflüsse auf den Flug untersuchen zu können.
Die praktische Bedeutung des neuen Ansatzes liegt auch im Aufwand für seine Einführung. Nach Darstellung von NAWCAD können herkömmliche Verfahren für unbemannte Schiffslandungen Radarsysteme im Wert mehrerer Millionen US-Dollar, besondere Bergeausrüstung auf dem Flugdeck und monatelange Umbauten voraussetzen. Jede zusätzliche Anlage beansprucht außerdem einen Teil des begrenzten Raums an Bord. Die Entwickler setzen deshalb auf die Verbindung vorhandener Missionssensoren mit ihrer Software. Eine Kamera, die das Fluggerät bereits mitführt, wird so zu einem Bestandteil seiner Navigationsausstattung. Die Schiffe sollen dadurch weniger zusätzliche Geräte benötigen, um unbemannte Flugzeuge wieder aufnehmen zu können. Aus Sicht einer Flotte könnte dies die Zahl der geeigneten Start- und Rückkehrplattformen vergrößern. Zugleich ließen sich Verbesserungen der Flugführung stärker über Anpassungen am Luftfahrzeug umsetzen. Der modulare Aufbau soll die Technik an unterschiedliche Bordrechner anbinden und damit vermeiden, dass ihre Nutzung von einer einzigen speziell dafür entwickelten Rechnerausstattung abhängt.
Nach den ersten Flugdemonstrationen plant NAWCAD die Anpassung an größere unbemannte Systeme. Ausdrücklich genannt werden taktische Versorgungsdrohnen. Bei ihnen ist die Rückkehr eng mit dem Nutzen des gesamten Fluges verbunden: Eine Ladung zu transportieren, ist nur ein Teil der Aufgabe. Anschließend muss das Fahrzeug wieder aufgenommen werden, damit es für einen weiteren Einsatz bereitgemacht werden kann. Die Entwickler arbeiten deshalb mit Verantwortlichen mehrerer Programme zusammen, um die Fähigkeit in weitere Entwicklungsvorhaben und Beschaffungsprozesse einzubringen. Die angestrebte Bandbreite reicht von kleinen Quadrocoptern bis zu größeren unbemannten Flugzeugen. Dahinter steht die Idee, zentrale Funktionen der Navigation weiterzuverwenden und an die jeweilige Plattform anzupassen. Finanziert wurde das Projekt durch das Naval Innovative Science and Engineering Program und das Office of Naval Research. Damit ist die Entwicklung in die Forschungsarbeit der Marine eingebettet, die unbemannte Luftfahrzeuge unter anderem auf ihre Eignung für verteilte Operationen auf See untersucht.
Die Software steht laut NAWCAD nun für einsatznahe Tests auf Plattformen der Flotte bereit. Diese nächste Stufe muss zeigen, wie zuverlässig Erkennung, Vorhersage und Steuerung bei unterschiedlichen Fluggeräten und Schiffsbewegungen zusammenarbeiten. Dazu gehören die Bedingungen, unter denen die Kameras das Schiff ausreichend gut erfassen, ebenso wie die Bewegungen, denen ein Luftfahrzeug sicher folgen kann. Die bisherige Demonstration liefert dafür einen Ausgangspunkt, aber noch keine vollständige Beschreibung des nutzbaren Betriebsbereichs. Veröffentlicht sind weder eine Erfolgsquote über eine längere Versuchsreihe noch konkrete Grenzen für Sicht, Wind und Seegang. Diese Fragen werden besonders wichtig, wenn größere Fluggeräte mit anderen Flugeigenschaften die Technik übernehmen. Der erprobte Grundgedanke bleibt dabei anschaulich: Das Schiff liefert selbst sichtbare Bezugspunkte, während das Luftfahrzeug seine Rückkehr mit den eigenen Sensoren und Rechnern organisiert. Die weitere Erprobung soll daraus eine Fähigkeit machen, die sich unter klar bestimmten Bedingungen wiederholt und verlässlich einsetzen lässt.