Drohnenshows sollen auch weiterhin begeistern. Das rasante Wachstum der Branche hat dazu geführt, dass manche Anbieter den Profit über die Sicherheit stellen – mit weithin bekannten Konsequenzen.

Verge Aeros Engagement für Sicherheit: Durch die Anwendung von Best Practices aus der etablierten Luftfahrt entwickelt Verge Aero seine Systeme von Grund auf mit Redundanz und Sicherheit im Fokus – und aktualisiert sie kontinuierlich, um neue Technologien voll auszuschöpfen.

Maximale Sicherheit bei Drohnenshows durch Best Practices aus der Luftfahrt

Von Nils Thorjussen, Chris Franzwa, Anthony Merlino und Tony Samaritano

Was Macht Ein Sicheres Drohnenshow-System Aus?

Verge Aero ist überzeugt, dass ein sicheres Drohnenshow-System diese fünf zentralen Elemente zwingend beinhalten muss:

1. Redundante Navigation

2. Geeignete und Aktuelle Software

3. Mehrere Unabhängige Geofencing-Systeme

4. Zuverlässige Langstrecken-Kommunikation

5. Training und Sicherheitsmanagement

1. Redundante Navigation

Dies ist zweifelsohne das wichtigste Sicherheitsmerkmal für Drohnen und Drohnenflotten.

Redundanz ist in der gesamten Luftfahrt unerlässlich. Bemannte Luftfahrzeuge verfügen über mehrere Sätze an Avionik (elektronische Navigationssysteme), die Redundanz gewährleisten. Jede Drohne, die in der Nähe von Menschen operiert, sollte über dasselbe verfügen.

Die meisten Drohnen verwenden zur präzisen Navigation einen sogenannten EKF-Schätzer (Extended Kalman Filter). Dieser Algorithmus berechnet Position, Geschwindigkeit und Ausrichtung, indem er Daten von Sensoren wie GPS (Global Positioning System) und IMU (Inertial Measurement Unit) kombiniert.

Leider verfügen viele heute im Einsatz befindliche Drohnenshow-Systeme nur über einen einzigen Schätzer, manche nutzen sogar noch einfachere Implementierungen. Dies hat wiederholt dazu geführt, dass Drohnen aus dem vorgesehenen Flugbereich ausbrachen und mehrere spektakuläre Unfälle verursachten.

Schätzer können bei Kollisionen oder Sensorausfällen ihre Funktion verlieren, was zu unkontrollierten Drohnen führt, die den Sicherheitsperimeter einer Show durchbrechen und sich schnell über weite Strecken entfernen können. Drohnen mit nur einem Schätzer sind daher nicht redundant und grundsätzlich weniger sicher.

Es ist entscheidend, den Unterschied zwischen Schätzern und Sensoren zu verstehen und warum es wichtig ist, mehrere von beidem zu haben. Ein Sensor-Array liefert Messwerte zu Position, Geschwindigkeit und Ausrichtung der Drohne. EKF-Schätzer sind darauf ausgelegt, diese Messwerte zu bewerten (einschließlich nichtlinearer, realer Faktoren wie Windböen), fehlerhafte Daten zu verwerfen und die genauesten Werte für Position, Geschwindigkeit und Ausrichtung der Drohne zu berechnen. Der offizielle Leitfaden zur weltweit führenden Drohnen-Autopilot-Software PX4 besagt, dass mehrere EKF-Schätzer "Schutz vor einer größeren Bandbreite an Sensorfehlern" bieten.

Viele Systeme behaupten, über ausreichende Redundanz zu verfügen, weil sie mehrere Sensoren verwenden – jedoch ohne mehrere Schätzer. Eine solche Konfiguration erzeugt ein falsches Sicherheitsgefühl. Diese Systeme sind problematisch, da laut dem PX4-Leitfaden ein einzelner Schätzer nur "eine begrenzte Anzahl von Sensorfehlern" kompensieren kann und ungenaue Sensordaten nicht erkennen kann, was das größere Problem darstellt. Ein System mit redundanten Sensoren, aber ohne redundante Schätzer, schützt lediglich vor dem Ausfall von Sensordaten – nicht jedoch vor deren Ungenauigkeit, was weitaus häufiger und bedeutsamer ist.

Die Verge Aero®-Drohnenshow-Plattform setzt von Anfang an auf redundante Navigation. Die X7™-Flaggschiff-Drohne verfügt über zwei unabhängige Sätze an Navigationssensoren, die vier Schätzer ermöglichen. Die X1™-Arbeitspferd-Drohne verfügt über drei Sätze an Navigationssensoren, die sechs Schätzer ermöglichen. Die zusätzliche Redundanz der X1 macht sie ideal für anspruchsvollere Einsätze, wie etwa den Einsatz pyrotechnischer Effekte.

2. Geeignete und Aktuelle Software

Damit die Schätzer einer Drohne einwandfrei funktionieren, benötigen sie eine geeignete Autopilot-Software. Die meisten Drohnen verwenden PX4, dessen Sicherheitsfunktionen über die Jahre umfassend weiterentwickelt wurden. Erst neuere Versionen (ab 1.15) nutzen mehrere Schätzer vollständig aus. Ebenso wie es wichtig ist, Computer durch Betriebssystem-Updates sicher zu halten, ist es unerlässlich, die neuesten Sicherheitsverbesserungen des Autopiloten auf Drohnen zu übertragen.

Ebenso ist eine einheitliche, speziell für Drohnenshows entwickelte Design- und Steuerungssoftware in der Regel sicherer als ein Flickenteppich aus verschiedenen Softwareanwendungen, der anfällig für Inkompatibilitäten und unbeabsichtigte Fehler ist. Geeignete Drohnenshow-Software berechnet automatisch die Flugbahnen jeder Drohne für die gesamte Flugsequenz und validiert diese mathematisch, um Kollisionen zu verhindern.

Geeignete Software hilft auch dabei, menschliche Fehler zu vermeiden. In der bemannten Luftfahrt konzentriert sich der Pilot auf das Fliegen des Flugzeugs und nicht auf Aufgaben, die sich leicht automatisieren lassen. Moderne Avionik hat Abläufe optimiert, um fehleranfällige Prozesse zu automatisieren und dadurch die Sicherheit zu erhöhen. Die FAA erkennt seit langem die Vorteile der Automatisierung zur Reduzierung der Pilotenbelastung und des Unfallrisikos an.

Für Drohnenshows gilt dasselbe. Der Pilot muss darauf vertrauen können, dass das System die Show sicher durchführt, damit er sich auf seine Sicherheitsrolle konzentrieren kann. Kritische Sicherheitslücken – wie die Kollisionsvermeidung von Flugbahnen – dürfen nicht manuell oder mit Software von Drittanbietern gehandhabt werden. Bei der Validierung, ob eine Drohnenshow sicher fliegen kann, darf es keinen Raum für menschliches Versagen geben.

Verge Aero investiert kontinuierlich in Forschung und Entwicklung, um modernste Technologie einzusetzen. Automatisierung ist eine zentrale Komponente des Verge Aero-Systems. Unsere zugrunde liegende Software berechnet die Flugbahnen für die gesamte Flugsequenz – vom Anlauf der Rotoren bis zur Landung – und validiert diese mathematisch, um sicherzustellen, dass sie sich nicht überschneiden, bevor die Show überhaupt geflogen wird. Diese vollständig integrierte Technologie maximiert sowohl Sicherheit als auch Effizienz und macht den Prozess der Show-Erstellung zugleich einfach und benutzerfreundlich.

3. Mehrere, Unabhängige Geofencing-Systeme

Ein Geofence ist eine virtuelle Grenze rund um den Aufführungsbereich einer Drohnenshow. Bei korrekter Funktion verhindert er, dass Drohnen den vorgesehenen Flugbereich verlassen. Mehrere, von unabhängigen Prozessoren gesteuerte Geofences erhöhen die Redundanz und Sicherheit.

Die meisten Drohnenshow-Systeme verwenden sowohl einen "weichen" als auch einen "harten" Geofence:

• Ein weicher Geofence ist eine virtuelle Grenze, die bei Überschreitung durch eine Drohne einen "Rückflug zum Startpunkt" oder einen "Landebefehl" auslöst.

• Ein harter Geofence umfasst den gesamten Luftraum der Show und führt bei einer Überschreitung (nachdem der weiche Geofence bereits ignoriert wurde) dazu, dass die Motoren der Drohne sofort abgeschaltet werden und sie im freien Fall zu Boden geht.

Die Drohnenshow-Plattform von Verge Aero nutzt ein dreifach redundantes Geofence-System, das aus einem weichen "Dynamic Bubble"-Geofence, einem harten Geofence und einem harten Geofence mit "prädiktiver Trajektorie" besteht. Diese drei Geofences stellen sicher, dass Drohnen innerhalb des sicheren Einsatzbereichs bleiben und verhindern Unfälle durch außer Kontrolle geratene Drohnen. (Für eine zusätzliche Redundanzebene werden zwei der drei Geofences von unabhängigen Bordcomputern gesteuert.)

Weiche Geofences im Vergleich zum "Dynamic Bubble"-Geofencing

Ein standardmäßiger weicher Geofence liegt innerhalb des harten Geofence und fungiert im Wesentlichen als sekundärer harter Geofence. Eine Drohne sollte ihre Mission sofort beenden, sobald sie diese Grenze erreicht, und dabei eine "Rückflug zum Startpunkt"- oder kontrollierte Landefunktion ausführen.

Der weiche Geofence von Verge Aero besteht einzigartigerweise aus mehreren "dynamischen Blasen", die jeder Drohne ihren eigenen, unabhängigen und sich bewegenden Geofence zuweisen. Siehe Abbildung 1 für eine Darstellung des Dynamic-Bubble-Geofence im Vergleich zum standardmäßigen weichen Geofence-Konzept.

Der Dynamic-Bubble-Geofence von Verge Aero hält eine Drohne innerhalb wenigen Metern ihrer Zielposition, statt ihr zu erlauben, deutlich von ihrem Kurs abzuweichen, bevor eine Mission beendet wird. Weicht eine einzelne Drohne so weit von ihrer Flugbahn ab, dass sie den Radius ihrer "Blase" durchbricht, landet sie sofort durch einen kontrollierten, vertikalen Abstieg, bis sie den Boden erreicht und die Motoren abschalten.

Standardmäßige weiche Geofences hingegen lösen erst bei Erreichen einer Grenze, die im Wesentlichen nur geringfügig kleiner ist als der gesamte Luftraum der Show, einen "Rückflug zum Startpunkt"-Befehl aus. Bis zu diesem Punkt kann sich die Drohne bereits erheblich von ihrer vorgesehenen Flugbahn entfernt haben. Verge Aero hat festgestellt, dass der "Dynamic Bubble"-Ansatz eine deutlich effektivere Methode ist, eine Drohnenshow sicher zu halten, als ein standardmäßiger weicher Geofence.

Harte Geofences und "Prädiktives Trajektorie"-Geofencing

In vielerlei Hinsicht sind herkömmliche Geofences für Drohnenshows nicht ideal. Anders als bei anderen Formen der Luftfahrt, bei denen Luftfahrzeuge frei innerhalb eines bestimmten Bereichs fliegen können, sind Drohnenshows präzise choreografiert. Drohnen sind darauf programmiert, eine spezifische, vorbestimmte Route zu fliegen. Das Steuerungssystem weiß jederzeit, wo sich eine Drohne befindet und wo sie sein sollte. Andernfalls sollte der Flug sofort abgebrochen werden.

In der Regel wird lange bevor eine Drohne den harten Geofence erreicht deutlich, dass etwas nicht stimmt. Deshalb hat sich für Verge Aero ein prädiktiver Trajektorie-Geofence als äußerst nützlich erwiesen. Erreicht eine außer Kontrolle geratene Drohne den harten Geofence, treibt sie ihre Trägheit über diese Grenze hinaus, selbst wenn die Motoren sofort abgeschaltet werden. Es ist besser, eine Drohne zu erden, sobald Anomalien erkannt werden, um jegliche Überschreitung des harten Geofence zu verhindern – genau dies ist das Konzept hinter dem "prädiktiven Trajektorie"-Geofence von Verge Aero. Dieses System sagt voraus, ob eine Drohne den harten Geofence in Zukunft überschreiten wird, indem es ihre Trägheit berücksichtigt, und schaltet die Motoren der Drohne rechtzeitig ab, damit sie innerhalb des harten Geofence landet, wie in Abbildung 2 unten dargestellt.

4. Zuverlässige Langstrecken-Kommunikation

Stellen Sie sich vor, Sie sind Pilot einer Drohnenshow und wurden gerade darüber informiert, dass sich ein bemanntes Luftfahrzeug schnell nähert. Sie müssen die Show sofort abbrechen, doch die Flotte befindet sich mehrere hundert Meter von der Startrampe entfernt. Dank der zuverlässigen Langstrecken-Kommunikationsverbindung zu jeder Drohne können Sie die Flotte sofort und sicher landen.

Zuverlässige Notfallkommunikation über weite Strecken ist ein weiteres entscheidendes Sicherheitselement eines Drohnenshow-Systems. Das Konzept ist einfach: Wenn Sie nicht jederzeit mit jeder Drohne kommunizieren können, können Sie Ihre Flotte im Notfall nicht sicher landen. Ist die Kommunikation nicht gewährleistet, steigt das Unfallrisiko.

Viele Drohnenshow-Systeme nutzen WiFi als primäre Kommunikationsart. WiFi ist jedoch beim Fliegen in urbanen oder stark frequentierten Umgebungen nicht immer zuverlässig, da es zahlreiche mögliche Störquellen und Frequenzüberlastungen gibt. Außerdem bietet WiFi ohne die Installation zusätzlicher Bodenhardware zur Signalverstärkung – was einen weiteren potenziellen Fehlerpunkt darstellt – keine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation über weite Strecken.

Ohne eine zuverlässige Langstrecken-Kommunikationsverbindung zu jeder Drohne kann nicht garantiert werden, dass Sicherheitsverfahren funktionieren. Je robuster die Kommunikation des Bedieners, desto mehr Informationen stehen ihm zur Verfügung, um den Zustand des gesamten Systems zu überwachen und bei Bedarf schnell vorbeugende Maßnahmen zu ergreifen.

Der Ansatz von Verge Aero für die Notfallkommunikation über weite Strecken setzt auf Zuverlässigkeit und Redundanz. Unser System nutzt drei Kommunikationsverbindungen (alle für die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation über weite Strecken ausgelegt), die in zwei Frequenzbändern arbeiten. Es verfügt sowohl über ein Dual-Band-Telemetriefunksystem als auch über eine Langstreckenfunkverbindung:

• Das Telemetriefunksystem ist ein Dual-Band-Funksystem mit mittlerer Reichweite (über 500 Meter) und höherer Bandbreite (2,4 GHz und Sub-1 GHz).

• Das Langstreckenfunksystem hat eine theoretische Reichweite von 15 km und eine praktische Reichweite von 5–10 km und wird für alle sicherheitskritischen Meldungen verwendet.

5. Training und Sicherheitsmanagement

Vieles, was die kommerzielle Luftfahrt zu einer außerordentlich sicheren Branche gemacht hat, gilt gleichermaßen für Drohnen. Konsequentes Training, Sicherheitsmanagementsysteme und Leitlinien zur luftfahrttechnischen Entscheidungsfindung sind allesamt Bestandteile sicherer Luftfahrt – ob bemannt oder unbemannt. Scheinbar unbedeutende Details haben oft einen dramatischen Einfluss auf die Durchführung einer Show, weshalb es unerlässlich ist, stets auf höchstem professionellem Niveau zu arbeiten.

Drohnenpiloten müssen sich denselben Erst- und Wiederholungsschulungsprogrammen unterziehen, die für andere Berufspiloten üblich sind. Mit zunehmender Erfahrung sind sie in der Lage, immer komplexere Shows zu übernehmen. Es ist entscheidend, dass Gerätehersteller Piloten mit umfassenden und kontinuierlichen Schulungsprogrammen unterstützen, um ihre Kompetenz auszubauen. Piloten müssen ihre Technik in- und auswendig kennen, um schnell auf unvorhergesehene Ereignisse reagieren zu können. Training und praktische Erfahrung sind unerlässlich, um erstklassige Piloten auszubilden.

Darüber hinaus müssen Piloten von Betriebsabläufen unterstützt werden, die sich auf Qualitätskontrolle konzentrieren, um gut gewartete Drohnen zu gewährleisten. Unternehmen mit einem umfassenden Sicherheitsmanagementsystem sind am besten in der Lage, Risiken in allen Bereichen ihres Geschäfts zu bewerten und zu mindern. Eine gesunde Sicherheitskultur sollte gepflegt werden, um sicherzustellen, dass potenzielle Probleme erkannt und behoben werden.

Schließlich müssen Piloten gut ausgeruht sein und klar denken können, um gute Entscheidungen zu treffen. Piloten drücken nicht einfach auf Start und lehnen sich dann zurück! Sie müssen zu 100 % engagiert sein und mit voller Kraft arbeiten. Ermüdung, Nachlässigkeit und Stress beeinträchtigen die Fähigkeit eines Piloten, Risiken zu managen und die Situationswahrnehmung aufrechtzuerhalten. Die Einhaltung etablierter Grundsätze der luftfahrttechnischen Entscheidungsfindung trägt dazu bei, Drohnenshows sicher zu halten.

Verge Aeros Engagement für Sicherheit

Jeder Passagier einer kommerziellen Fluggesellschaft erwartet zu Recht, dass Flugreisen sicher und ereignislos verlaufen. Ein Jahrhundert bemannter Luftfahrt hat zu einer Branche mit einer beeindruckenden Sicherheitsbilanz geführt. Weniger als einer von einer Million Flügen ist von einem Unfall betroffen; solche mit Todesfällen sind noch deutlich seltener. Diese außergewöhnliche Bilanz ist das Ergebnis jahrzehntelanger strenger Vorschriften, technologischer Fortschritte, redundanter Sicherheitssysteme, umfassender Schulungen und eines kontinuierlichen Engagements, die Sicherheit der Zukunft durch das Lernen aus den Fehlern der Vergangenheit zu verbessern.

Drohnen sind Luftfahrzeuge und müssen genauso professionell und verantwortungsbewusst betrieben werden wie jedes andere Luftfahrzeug.

Die Erfahrung eines Zuschauers bei einer Drohnenshow sollte nicht anders sein. Durch die Anwendung von Best Practices aus der etablierten Luftfahrt können Drohnenshows ebenso sicher gestaltet werden. Verge Aero verfolgt diesen Ansatz seit seiner Gründung und entwickelt Systeme von Grund auf mit Redundanz und Sicherheit im Fokus – während sie kontinuierlich aktualisiert werden, um neue Technologien voll auszuschöpfen.

Für die Zukunft ermutigen wir die Branche, Best Practices zu übernehmen, um Sicherheit zu maximieren und zu priorisieren. Ein einziger Ausfall kann zu Reputationsschäden, finanziellen Verlusten und – am wichtigsten – potenziellem Schaden für Zuschauer führen. Drohnenshows haben so viel Potenzial. Lassen Sie es uns nicht durch Sicherheitsmängel verspielen.

Wichtige Fragen bei der Bewertung eines Drohnenshow-Systems

Verfügt das System durch mehrere Schätzer über echte redundante Navigation?

• Mehrere unabhängige Schätzer und Sensoren sind erforderlich. Ein ordnungsgemäß redundantes System verfügt über mindestens zwei Sätze an IMUs (Sensoren), die vier unabhängige EKFs (Schätzer) betreiben.

Ist die Steuerungssoftware aktuell?

• Falls die Drohnen den PX4-Autopiloten verwenden: Ist es Version 1.15 oder neuer? Diese Version des PX4-Autopiloten bringt mehrere Sicherheitsverbesserungen mit.

Wie funktioniert das Geofencing-System?

• Mehrere Geofences maximieren Sicherheit und Redundanz. Werden diese von separaten Prozessoren gesteuert?

Wie viele Langstrecken-Notfallkommunikationsverbindungen werden genutzt? Sind sie Dual- oder Single-Band? Ist WiFi die primäre Verbindung?

• Ideal sind drei Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsverbindungen, einschließlich eines Dual-Band-Funksystems.

• WiFi ist in stark frequentierten Gebieten wahrscheinlich unzuverlässig.

Welche Software wird zur Erstellung und Durchführung der Show verwendet? Ist sie vollständig integriert?

• Idealerweise wird die Startsequenz automatisch von derselben Software generiert, die auch den Rest der Show steuert.

Wie sieht die Sicherheitsbilanz des Unternehmens und der Piloten aus, die die Show durchführen?

• Wie werden die Piloten geschult? Wie sieht ihr Sicherheitsmanagementsystem aus?

• Wie oft kam es bei ihnen zu ausgebrochenen bzw. außer Kontrolle geratenen Drohnen?

Wie sieht die Sicherheitsbilanz der in der Show verwendeten Drohnentechnologie aus?

• War derselbe Drohnentyp bereits in Unfälle mit anderen Betreibern verwickelt?

Wie viel Erfahrung hat der Pilot?

• Wie viele Shows hat er bereits geflogen? Wie viel Training hat er erhalten? Ist er fest angestellt?

Über die Autoren

Nils Thorjussen, Anthony Merlino, Christopher Franzwa und Tony Samaritano verfügen zusammen über vierzig Jahre Erfahrung in der Entwicklung und Weiterentwicklung von Drohnenshow-Technologien. Sie haben mit der Entwicklung des schlüsselfertigen Drohnenshow-Systems von Verge Aero maßgeblich zur Etablierung des Drohnenshow-Entertainments beigetragen. Ihre Arbeit hat gemeinsam mit der des gesamten Verge Aero-Teams seit der Gründung im Jahr 2016 Drohnenshows in den Mainstream globaler Veranstaltungen gebracht und dieses Medium als festen Bestandteil der Live-Entertainment-Branche etabliert.

Heute wird das Verge Aero-System von professionellen Produktionsteams weltweit eingesetzt. Es wurde bereits für hochkarätige Veranstaltungen genutzt, darunter die Siegesfeier von Präsident-Elect Biden, America's Got Talent: Extreme, die Feierlichkeiten zum 4. Juli von Macy's in New York City, Festivals wie Lollapalooza sowie die feierliche Sprengung des Tropicana Hotel and Casino in Las Vegas – und viele weitere.

Verge Aero wird von Luftraumbehörden weltweit anerkannt, darunter die US-amerikanische Federal Aviation Administration (FAA) und die Europäische Agentur für Flugsicherheit (EASA). Erfahren Sie hier mehr über den Sicherheitsvorteil von Verge Aero.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an media@vergeaero.com.