TREND REPORT

Tecnologie per la sicurezza dei droni negli impieghi civili

Prof. Dr. Horst Schmidt-Bischoffshausen

COLOPHON Editore: IDM Alto Adige Ecosystem Sports & Alpine Safety Autore: Prof. Dr. Horst Schmidt-Bischoffshausen STIB Strategie-, Technologie- & InnovationsBeratung Tizianstrasse 38/ D – 85579 Neubiberg Foto copertina: EURAC/Abraham Mejia, PhD Edizione: marzo 2018 Il contenuto della presente pubblicazione è stato analizzato e documentato con grande accuratezza da STIB Strategie-, Technologie- & InnovationsBeratung. Tuttavia, non viene fornita alcune garanzia in termini di correttezza, completezza e attualità delle informazioni. Gli autori non si assumono alcuna responsabilità e si riservano d’integrare le nozioni riportate.

Indice dei contenuti

Introduzione – droni in Alto Adige ....................................................................................................................... 4 Sull’autore .............................................................................................................................................................. 5 Tecnologie per la sicurezza dei droni negli impieghi civili .................................................................................. 6 TREND di mercato e di utilizzo ............................................................................................................................. 8 Applicazioni e modalità d’impiego di droni/RPAS ............................................................................................... 8 Struttura di base dei velivoli senza pilota/droni con dotazione (moduli) ........................................................ 11 Integrazione di velivoli senza pilota nello spazio aereo europeo ..................................................................... 12 Creazione di standard industriali/standard di sicurezza unitari per la dotazione dei droni ........................... 13 Tecnologie di sicurezza per droni ....................................................................................................................... 14 Rilevamenti meteo ............................................................................................................................................... 16 Prevenzione di collisioni/incidenti di droni in situazioni di volo importanti ................................................... 17 Le autorità abilitanti (ICAO, EASA) e la loro concezione attuale ..................................................................... 20 Prospettiva per i prossimi 5–10 anni .................................................................................................................. 22

Introduzione – droni in Alto Adige L’utilizzo di droni in impieghi civili e il costante sviluppo di questo settore sono al centro degli studi del gruppo di lavoro che è stato costituto all’interno di IDM Alto Adige. Aziende e start-up, in collaborazione con EURAC Research, Libera Università di Bolzano, Agenzia per la Protezione Civile, Ente Nazionale per l'Aviazione Civile (ENAC) e una rete di partner estesa all’area alpina, si adoperano per sviluppare applicazioni di questa nuova tecnologia. IDM, acronimo di Innovation, Development e Marketing, funge da facilitatore dello sviluppo economico in Alto Adige. L’azienda fornisce servizi con l’obiettivo di favorire uno sviluppo sostenibile dell’economia e aumentare di conseguenza la competitività delle aziende locali. IDM offre servizi per l’innovazione e l’export, è responsabile per lo sviluppo del territorio, il marketing agricolo e il marketing turistico dell’Alto Adige e lavora costantemente per far diventare il territorio altoaltesino l’ambiente economico e di vita più ambito d’Europa. In particolare, l’Ecosystem Sports & Alpine Safety sostiene le imprese nello sviluppo di nuovi prodotti e servizi, con l’obiettivo di incrementarne il successo di mercato, e fornisce inoltre un appoggio significativo nella fase di applicazione delle misure innovative all’interno delle aziende. Forti del loro “DNA alpino”, leader di mercato e innovativi fornitori di nicchia si sono affermati nei più disparati settori delle tecnologie alpine, distinguendosi per la loro creatività e spirito d’innovazione. Attraverso il Trend Report informiamo le imprese su sviluppi e risultati del gruppo di lavoro SAPR|RPAS Alto Adige nel settore dei droni. Scopo del gruppo è quello di instaurare contatti tra imprese e ricercatori, gettando le basi per collaborazioni di successo. I componenti del nostro gruppo di lavoro cooperano per lo sviluppo di nuove tecnologie, puntando alla conquista del mercato alpino. Punto focale del nostro lavoro è il potenziamento dell’utilizzo di droni in zone estreme, un vuoto di mercato che vorremmo colmare. Monitoriamo in maniera costante lo sviluppo delle attività e dei progetti di R&S per verificare quali opportunità economiche offrano queste nuove tecnologie e come lo sviluppo di tale settore possa essere sostenuto nel modo più efficiente e sostenibile possibile. Un importante ruolo nello sviluppo tecnologico sarà svolto da terraXcube, che dal 2018 troverà spazio presso il NOI Techpark Alto Adige di Bolzano. terraXcube è un’infrastruttura di Eurac Research che simula le condizioni climatiche più estreme del pianeta Terra, con la possibilità di studiare le reazioni dell’uomo e della natura stessa di fronte a fattori di stress ambientale. Sarà inoltre possibile studiare gli effetti che le condizioni climatiche estreme hanno su materiali e prodotti, tra cui anche i droni. Il principale contributo che i droni potranno dare sarà infatti legato al loro impiego in condizioni ambientali difficili: la possibilità di testare il volo di droni in condizioni controllate che simulino gli ambienti ostili rappresenta un importante aiuto al progresso del settore.

Contatto Sebastian Mayrgündter Ecosystem Sports & Alpine Safety Coordinator IDM Alto Adige NOI Techpark, Via A. Volta, 13A I-39100 Bolzano T +39 0471 094241 safety@idm-suedtirol.com

Sull’autore Nato a Vienna nel 1940, si è laureato in fisica all’Università di Vienna. Nel 1971, Schmidt-Bischoffshausen ha lasciato il centro di ricerca nucleare Jülich per approdare nel settore industriale, dove ha successivamente operato presso il reparto ricerca e sviluppo tecnologico di Daimler Chrysler AG. Dal 2012, è membro del consiglio di amministrazione di Unmanned Vehicle Systems International (UVSI) con sede a Parigi/L’Aia, che si occupa dell’armonizzazione delle norme di aviazione e dello sviluppo sul mercato europeo di velivoli senza pilota.

FORMAZIONE E CARRIERA SCIENTIFICA Dal 9/1959 al 7/1965, studi in fisica (con specializzazione in fisica dello stato solido) e dottorato presso l’Università di Vienna. Dal 8/1965 al 11/1967, attività di ricerca presso l’Università del Wisconsin/USA (collaboratore nella ricerca e assistente). Dal 2/1968 al 9/1971, rientro in Germania presso il Centro di Ricerca nucleare KFA Jülich/Renania Settentrionale-Vestfalia: 4 anni di attività di ricerca presso l’Institut für Festkörperphysik (Istituto di fisica dello stato solido).

CARRIERA NEL SETTORE INDUSTRIALE (RICERCA, SVILUPPO, MANAGEMENT PROGETTUALE, SVILUPPO STRATEGICO E IMPRENDITORIALE) Dal 10/1971 al 5/1989, impiegato presso Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH (MBB): attività nelle aree operative cibernetica, tecnologie di automazione, elicotteri, progettazione aeronautica e satelliti come senior manager e dal 1980 come vicepresidente. Dal 6/1989 al 6/2000, in seguito al rilevamento di MBB da parte di Daimler-Benz, mansioni dirigenziali esecutive presso Daimler-Benz Aerospace AG/ DaimlerChrysler AG nel dipartimento di ricerca e sviluppo del gruppo, operante in tutte le aree aziendali (Mercedes-Benz, AEG, telefonia, TEMIC, DASA: auto, tecnologie ferroviarie, elettronica ed elettrotecnica, aviazione e astronautica). Tra gli altri, sviluppo di microsistemi innovativi per svariati prodotti Aerospace. Dal 7/2000 al 9/2005: vicedirettore dell’attività di ricerca e tecnologica del gruppo EADS e direttore del sistema brevetti di EADS Deutschland (sviluppo di innovativi progetti strategici come nuovi concept di velivoli, aerei senza pilota, sviluppo e collaudo rispetto a diversi scenari, conformemente alle disposizioni EASA in materia di idoneità al volo, nuovi studi tecnologici per voli elettrici).

Contatto Prof. Dr. Horst Schmidt-Bischoffshausen STIB Strategie-, Technologie- & InnovationsBeratung Tizianstrasse 38/ D – 85579 Neubiberg E-mail: horst.schmidt-bischoffshausen@t-online.de Tel: +49-89-6013658 Fax: +49-89-60190824 Cell: +49-171-3723155

Tecnologie per la sicurezza dei droni negli impieghi civili Il Trend Report intende proporre una sintesi delle tecnologie di sicurezza per droni già in uso, così come di quelle attese per i prossimi 3-5 anni in ambito civile. Al centro della discussione si collocano apparecchi e sistemi quali FLARM, transponder attivi/passivi, luci segnaletiche, geofencing e l’interazione con le reti 4G/5G. Un ruolo fondamentale per un’integrazione sicura dei droni nello spazio aereo nazionale e transfrontaliero europeo viene svolto dallo sviluppo di un quadro normativo per il trasporto aereo (ordinamento sulla navigazione aerea). In tal senso, si rende necessario anche un esame delle attese disposizioni sui droni da parte delle autorità di sicurezza aerea internazionale (ICAO, EASA, FAA), con l’intento di prepararsi in maniera tempestiva allo sviluppo del potenziale e delle chance operative. In termini di spazio aereo europeo e nazionale, sono rilevanti soprattutto le categorie di rischio definite da EASA per l’esercizio dei droni (open, specific, certified). In un confronto aperto tra autorità e industria (JARUS, Euro Control, autorità nazionali CAA/ Civil Aviation Authorities, ecc.) vengono discussi approcci risolutivi da armonizzare e quindi includere nelle prescrizioni in materia di autorizzazione per i sistemi di droni e i loro equipaggiamenti (dotazione di sicurezza inclusa). In virtù della topografia montuosa dell’Alto Adige, l’impiego di droni nella visuale diretta del pilota di terra è auspicata e/o necessaria.

Figura 1: Octocopter per lavoro fotografico Fonte: Ascending Technologies/Germania

Figura 3: drone con ali basculanti / Tilt Wing per trasporto aereo in montagna Fonte: DHL – Paketkopter 3.0

Figura 21: S100 Camcopter per mansioni di sorveglianza Fonte: azienda Schiebel/Austria

Figura 4: Quadrocopter per trasporto di medicinali all’isola di Juist Fonte: DHL – Paketkopter 2.0

Lo sfruttamento del vasto potenziale di mercato, in ambito civile, dei sistemi di aviazione senza equipaggio (designati anche come droni, RPAS, UAV, UAS) in Europa e non solo, è possibile solo se trovano applicazione anche standard unitari di sicurezza e autorizzazione per questi sistemi e componenti, per i loro gestori, piloti e servizi. Attualmente i droni (micro, mini) sfruttano molteplici possibilità di applicazione della modalità VLOS. Il fabbisogno di mercato per impieghi al di fuori dell’orizzonte visivo del pilota (BLOVS) è, tuttavia, vastissimo.

Figura 2: il nuovo ordinamento sui droni con rappresentazione delle limitazioni e delle zone di divieto di volo Fonte: Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (Ministero dei Trasporti e delle Infrastrutture digitali), aprile 2017

Nella maggior parte dei Paesi europei, l’esercizio di apparecchi senza pilota è soggetto ad autorizzazione. Inoltre l’utilizzo di tali velivoli, ai sensi delle direttive di navigazione in area germaniche (LuftVO), al di fuori della visuale del pilota a terra o con un peso complessivo RPAS > 25 kg è, di norma, proibito. Il volo o un utilizzo prolungato del velivolo senza pilota necessita di autorizzazione specifica (una cosiddetta autorizzazione al volo) da parte delle autorità nazionali (autorità di aviazione). A tale scopo, le autorità devono aver preventivamente verificato e accertato che il previsto utilizzo degli apparecchi senza equipaggio non rappresenti un pericolo per la sicurezza del traffico aereo o per la sicurezza e l’ordine pubblico (in Germania ai sensi dell’art.16, paragrafo 4 di LuftVO1 del 01.10.2017). Le attuali prescrizioni relative al decollo e all’esercizio, per motivi di sicurezza, sono limitate a pesi al decollo contenuti (sino a 25 kg), ridotte altezze di volo (< 500 ft) e orizzonte visivo (VLOS) tra il pilota e il velivolo, lontano da aeroporti civili e aree densamente popolate, come i centri urbani. Allo stato attuale, sono idonei allo scopo e in parte ammessi solo spazi di volo nei pressi di campi di aviazione militari e civili appositamente comprovati (autorizzati), i cosiddetti segregated airspace, per cui si rende necessario un permesso generale apposito.

Sintesi informativa sull’utilizzo dei sistemi di trasporto aereo senza pilota di BMVBS 2013 (Ministero dei Trasporti, dell’edilizia e dello sviluppo urbano // oggi BMVI (Ministero dei Trasporti e delle Infrastrutture digitali). 1

TREND di mercato e di utilizzo › Connessione e comunicazione sicura e stabile dei miliardi di utenti (dispositivi) connessi alla rete in tutto il mondo: messa a disposizione delle tecnologie necessarie (ad es. WLAN, protocollo radio con portata corta/media) in quantità sufficiente e in un campo di azione limitato con elevati standard di sicurezza (smart connected solutions in restricted areas). Ciò significa che i dispositivi, al di fuori della loro area, non funzionano (una sorta di geofencing). Tale tendenza non si applica solo agli individui, ma in senso molto più ampio allo sviluppo futuro dell’internet delle cose (internet of things/IoT). › Automazione progressiva crescente sino all’autonomia parziale e completa di apparecchi, macchine e impianti: l’internet delle cose presuppone tale comunicazione automatizzata integrata. In particolare i produttori americani sono all’avanguardia nello sviluppo e nella realizzazione dei relativi componenti, di servizi di ingegneria e di software per l’automazione. › Rapido progresso dell’automazione in tutto il comparto industriale (industria 4.0) con catene logistiche globali: l’impetuoso sviluppo delle tecnologie dell’informazione e della comunicazione, di software e chip elettronici in grande quantità per tutti i comparti industriali (compresa l’elettronica di consumo), apporta benefici anche all’aviazione, in particolare agli apparecchi senza pilota. Sensori miniaturizzati di nuova generazione (radar, IR, UV – sensore con radiazione ultravioletta, laser), tecnologie di rete con nuovi standard, pacchetti software convenienti (app) e servizi. Tale trend supporta la crescente collaborazione tra start-up altamente specializzate (know-how speciale) e grandi aziende operanti a ritmi ridotti nello sviluppo di prodotti innovativi (ad es. “Vans and drones” tra Daimler e Matternet). › Sviluppo a breve e medio termine di kit d’autonomia per droni e sistemi aerei/taxi aerei per il trasporto passeggeri (ad es. Airbus/VAHANA, KIT/EVOLO, VOLOCOPTER/D, China/EHANG) per: 

prevenzione di collisioni midair (velivoli e droni)



esercizio dei droni a livello del suolo (evitare collisioni di droni con elicotteri/ostacoli/alberi)



decollo e atterraggio automatici dei droni sino all’autorizzazione delle autorità.

Applicazioni e modalità d’impiego di droni/RPAS Osservazione: ICAO non parla di UAV/Unmanned Aerial Vehicles, UAS/Unmanned Aircraft Systems o di droni, ma solo di RPAS (Remotely Piloted Airborne Systems). Sono molteplici le applicazioni civili per droni, così come le modalità d’impiego e i gestori/le organizzazioni. Le successive 3 chart di UVS International, un’organizzazione che si occupa dell’armonizzazione delle norme sul traffico aereo in Europa e non solo, dell’accesso al mercato, della standardizzazione e della collaborazione transfrontaliera nel settore dei droni, mostrano le molteplici possibilità operative (si veda www.rpas-civops-com).

Figura 6: rappresentazione dei diversi segmenti di mercato per diverse tipologie di droni, modalitĂ dâ&#x20AC;&#x2122;impiego e gestori commerciali e non commerciali nei vari settori economici Fonte: intervento di P. van Blyenburgh/UVS International alla RPAS Conference di Pechino nel marzo 2017

Struttura di base dei velivoli senza pilota/droni con dotazione (moduli) Il grafico mostra la struttura componentistica di base di un velivolo senza pilota come da usuali capitoli ATA nellâ&#x20AC;&#x2122;ingegneria aeronautica, definendo anche i sistemi parziali in cui in futuro sono possibili dei miglioramenti.

Figura 7: struttura modulare/componentistica di un sistema drone Fonte: relazione progettuale UcM, pag.6 di Austrian Aerospace Industries/Vienna e FH Joanneum Graz, marzo 2015

Integrazione di velivoli senza pilota nello spazio aereo europeo L’integrazione di velivoli senza pilota nello spazio aereo monitorato/non monitorato (classi/struttura di spazio aereo) in Europa continua a progredire. Al fine di una migliore gestione del traffico aereo, destinato a crescere in modo sostanziale nei prossimi anni e decenni, l’Unione Europea, nel 2004, ha deciso di creare uno spazio aereo europeo comune (single european sky). L’aspetto operativo di tale iniziativa gestionale viene implementato dall’impresa comune “Single European Sky Air Traffic Management Research – SE-SAR” (Joint Undertaking SESAR). La discussione attuale si focalizza sullo spazio aereo inferiore di classe G ed E, in cui il classico controllo del traffico aereo ATC deve essere adeguato ai velivoli senza pilota. Una rapida soluzione viene auspicata soprattutto alla luce dell’attuale lavoro di sviluppo e dei test di volo effettuati sui droni da trasporto per la consegna di pacchetti (ad es. Amazon, Google, Microsoft, DHL).

Figura 8: raffigurazione della struttura dello spazio aereo in Germania come da DFS Fonte: Deutsche Flugsicherung GmbH

Lo sviluppo di tutte le tecnologie di sicurezza rilevanti, tra cui misure e dotazioni conformi per droni, è funzionale a un impiego aeronautico nei dintorni immune da sinistri, così come alla prevenzione di utilizzi non autorizzati (ad es. spazi aerei chiusi, spionaggio e terrorismo). Allo scopo, occorre assicurare che: 1. i droni vengano registrati ufficialmente (importante per la ricostruzione degli incidenti) 2. vi sia una comunicazione dati reciproca, immune da interferenze, tra il pilota/navigatore a terra e il drone 3. i dati preservino la loro integrità (ovvero i dati/file devono conservarsi tali e nella loro completezza per un determinato lasso di tempo, anche in caso di inoltro = sicurezza dei dati) (connettività intelligente n. 2 e n. 3) 4. la sfera privata venga tutelata (protezione dei dati, nessun volo su aree non autorizzate, nessuno spionaggio dall’alto). I pacchetti dati non devono essere necessariamente cifrati nella trasmissione. Tali misure devono essere contenute in un piano integrato di sicurezza operativa (Security by Design), che includa anche la stipula di un’adeguata assicurazione contro la responsabilità civile per possibili incidenti.

Per i droni con un peso al decollo massimo inferiore a 25/50 kg (micro, mini), oltre agli standard dei moduli rilevanti per la missione, giocano un ruolo importante anche peso, dimensioni e consumo energetico. Ecco quindi che, per tali classi di droni civili, moduli di dotazione leggeri, compatti e a risparmio energetico diventano essenziali. Analoga considerazione vale anche per tutti i moduli di comunicazione, navigazione e controllo determinanti ai fini della sicurezza. STANDARD GENERALI PER UN IMPIEGO SICURO DEI DRONI

Gli standard di sicurezza comprendono il tempestivo riconoscimento di ostacoli, avvertimenti e indicazioni di ostacoli (ad es. campanili, alberi, elicotteri e velivoli), così come i dispositivi automatici e controllati dai piloti per manovre atte a evitare ostacoli. Le limitazioni alla navigazione aerea sono esplicitamente definite nel nuovo ordinamento tedesco in materia di traffico aereo (ad es. ospedali, centrali, idrovie) e si evincono dagli standard di terra.

Creazione di standard industriali/standard di sicurezza unitari per la dotazione dei droni Ad oggi, non esistono standard industriali/norme nazionali ed europee per la dotazione dei droni. Per il loro sviluppo, si rende necessaria la seguente modalità procedurale: 1. Definizione armoniosa di standard per i gestori di droni, produttori/industria (national industrial community) 2. Elaborazione di proposte industriali per gli standard (rispetto alla sicurezza operativa e di prodotto, così come alla realizzabilità) 3. Presentazione di tali proposte industriali presso le organizzazioni di standardizzazione in Europa:  ASD STAN (per la categoria open, in cui rientrano anche tecnologie di geofencing e identificazione elettronica rilevanti in termini di sicurezza)  EUROCAE (per le categorie specific e certified)  event. ISO per l’applicazione internazionale 4. Presentazione delle proposte (n.3) presso l’autorità abilitante NAA o, a livello europeo, presso la European Aviation Safety Agency/EASA e approvazione da parte di NAA o EASA (come da A-NPA). La strada dello sviluppo e dell’approvazione ufficiale di standard unitari per i droni, per la loro dotazione e per i servizi è assolutamente necessaria, sebbene molto complessa, in termini di rischi per la sicurezza (potenziale di rischio nello spazio aereo e a terra). Per questo, al fine di una definizione, dello sviluppo e della garanzia di standard di dotazione tecnologicamente fattibili e accettati in termini di sicurezza, è essenziale un’intensa collaborazione tra gestori di droni, produttori di dotazioni e autorità regionali per il collaudo pratico nei cosiddetti drone test center, dove sono presenti campi di aviazione abbandonati con infrastrutture in parte ancora presenti. Per gli standard di sicurezza da definire, occorre soddisfare le elevate aspettative del pubblico, chiarire le competenze ufficiali, definire le condizioni finanziarie in caso di responsabilità e operare nel solco della fattibilità tecnologica e dell’adeguatezza giuridica. I centri di collaudo dei droni sono funzionali a un concreto lavoro di ricerca e sviluppo, nonché alla dimostrazione di concept di volo tecnici, dotazioni e software (si veda struttura modulare dei droni nella figura 7), in termini di soddisfacimento di funzionalità pianificata, affidabilità, sicurezza e maneggevolezza, così come di regolare addestramento del personale che utilizza il centro. Alcune mansioni potrebbero essere voli di prova in modalità VLOS e BVLOS, manovre di volo in prossimità di edifici e in diversi scenari sense & avoid.

Al fine di una gestione sicura ed economicamente efficiente di un centro di collaudo per droni, è necessaria un’intensa collaborazione con i possibili gruppi di utenti, che includono: › › › › ›

service provider/operatori (civili, ma anche militari in virtù degli effetti sinergici) produttori/allestitori piloti/scuole di volo aziende di manutenzione per droni e dotazioni enti di ricerca e sviluppo

Inoltre, in veste di partner, dovrebbero essere coinvolti: › autorità (autorità di controllo del traffico, uffici aeronautici, organismi di approvazione, gestori aeroportuali) › gestori e fornitori di infrastrutture › comuni › associazioni industriali e di trasporto aereo › compagnie assicurative

Tecnologie di sicurezza per droni Sono numerosi gli approcci in sede di pianificazione, sebbene il loro numero decresca in fase di sviluppo: parte di essi sono già in fase di collaudo, ma ad oggi, solo un numero esiguo è autorizzato alla navigazione aerea. › Pilota automatico “intelligente”: oltre al controllo automatico dell’assetto di volo (3 direzioni spaziali), della velocità e dell’itinerario stabilito, è in fase di sviluppo anche l’integrazione di informazioni sugli ostacoli nei piloti automatici esistenti, senza l’impiego di appositi sensori aggiuntivi. › Registrazione ufficiale e contrassegno identificativo permanente ID sul/nell’apparecchio (ottico ed elettronico): in tale ambito, l’azienda NXP (ex Philips ad Amburgo), in collaborazione con l’industria automobilistica germanica, sta lavorando allo sviluppo di chip elettronici. Soluzioni economiche per droni sono in fase di progettazione. › Geofencing automatico: il drone riconosce la propria posizione rispetto agli spazi aerei limitati, evitandoli autonomamente. Tale modulo impedisce l’ingresso del drone in spazi critici come le aree di controllo. Annotazione: il geofencing è un componente standard nei droni dell’azienda cinese DJI. › Luci segnaletiche on board: per una netta riconoscibilità dei droni in presenza di eventi atmosferici diffusi o nelle ore notturne, si rendono necessarie luci di segnalazione anticollisione e di posizione come da regolamento di esecuzione UE (SERA 923/2012, punto 3215). › Installazione di chip elettronici e di una funzione software per il ritorno automatico del drone al punto di partenza, attivata in determinate condizioni (ad es. in caso di disturbo del link dati o di azionamento da parte del pilota/navigatore). › Link dati BVLOS immune da interferenza: in caso di guasto parziale o totale del link dati C2, occorre garantire che il drone (hardware/software di controllo) passi:  automaticamente a un collegamento via satellite o  a un esercizio autonomo con funzione ritorno › FLARM (produttore FLARM Technology/Svizzera)  Un sistema garantito e ampiamente introdotto di informazioni sul traffico aereo e prevenzione delle collisioni per il trasporto aereo generale, per i velivoli leggeri e i droni. Allarme di collisione anche per ostacoli fissi (ad es. torri di trasmissione, alberi, opere > 100 m, funivie).  Singole soluzioni economiche, autorizzate e affermate sul mercato, in alternativa al costoso sistema TCAS,

 



 

  

che trova pressoché esclusivamente impiego sugli aerei di linea. Portata tipica: 3-5 km. Invia automaticamente posizione e traiettoria di volo (droni e velivoli) all’ambiente circostante, realizza un’immagine sintetica dello spazio aereo sullo schermo del pilota a terra, azionando anche allarme e comandi (come nel caso di TACS). L’immagine aerea è visibile in internet! Mediante lo sviluppo FLARM, possono essere conseguiti netti vantaggi in termini di sicurezza, standard per gli apparecchi e prezzi contenuti. I droni e i velivoli muniti di FLARM comunicano automaticamente tra di loro. Il vantaggio è principalmente riconducibile al fatto che molti apparecchi (ad es. droni) vengono rappresentati sullo schermo in uno spazio aereo limitato (1-2 km³) (vantaggio di sicurezza), sebbene si siano spinti sino ai confini. Il pilota automatico (pilota automatico intelligente) rileva informazioni dall’ambiente circostante, senza dover essere dotato di appositi sensori a bordo. Ulteriore sviluppo in direzione Power FLARM: modulo più compatto, maggiore efficienza di invio e ricezione, tecnologia a doppia antenna opzionale, miglior protezione dalle interferenze, maggiore potenza di calcolo e memoria, certificato EASA. Oltre alle funzioni FLARM, funge anche da TCAS passivo. Avviso di traffico aereo per velivoli/apparecchi dotati di trasponder (mode S, mode A/C, così come abilitati ADS-B). Alcuni prodotti PowerFLARM contengono anche un ricevitore ADS-B, per riconoscere velivoli terzi. Il micropilota (FLARM + pilota automatico) consente una manovra automatica per evitare l’ostacolo. Specifiche di prodotti e componenti consultabili in internet (fonte: PowerFLARM apparecchi anticollisione).

› ADS-B (Automatic Dependent Surveillance – Broadcast) è un sistema di sicurezza di volo per l’indicazione di movimenti di volo nello spazio aereo.  I velivoli determinano autonomamente la loro posizione (ad es. mediante un sistema di navigazione satellitare GPS). Posizione e altri dati di volo (numero di volo, tipologia di velivolo, validazione temporale, velocità, altezza di volo e direzione pianificata) vengono normalmente trasmessi adirezionalmente una volta al secondo a 1090 MHz. Il controllo riceve i dati di tutti gli utenti (come ADS-B out) e li rielabora graficamente.  Raggio di azione sino a 5 km: indicazione di oggetti nelle vicinanze senza supporto da terra.  A partire dal 2018, negli USA, viene prescritto in modo vincolante, affinché ogni pilota riceva automaticamente un’immagine sintetica dello spazio aereo.  Nella misura in cui i dati complessivi vengono comunicati ai velivoli mediante ADS-B in (in per input), piloti e controllori di volo dispongono della medesima panoramica sul traffico aereo, il cosiddetto cockpit display of traffic information (CDTI).  Produttori di primo piano sono Sagetech e uAvionix negli USA.  Sagetech/USA realizza una gamma di piccoli trasponder XP (compatti, peso contenuto, consumo ridotto, mode C), anche integrati in dispositivi ADS-B (mode S/ADS-B out e certified mode S/ADS-B in/out) per droni. Dati tecnici consultabili sul sito www.sagetech.com.  uAvionix/USA sviluppa e realizza apparecchi compatti come ADS-B con SkyBeacon (luce di navigazione), ADS-B transceiver, Sky Echo (ADS-B in e out con GPS integrato, altimetro e batterie). Dati tecnici consultabili sul sito www.uavionix.com. › Transponder passivo/attivo (richiede batteria/alimentazione elettrica propria): riconoscimento e tracciabilità di velivoli e droni. In caso di trasponder attivo, sono possibili una maggior portata di comunicazione, una più consistente archiviazione dati e l’utilizzo di sensorica integrata. uAvionix/USA è produttore all’avanguardia nella comunicazione di droni, navigazione e sistemi di sorveglianza. Dati tecnici consultabili sul sito www.uavionix.com. › Camere compatte ad alta risoluzione vengono impiegate come ampliamento della vista del pilota, in presenza di normali condizioni di visibilità (modalità VLOS). La qualità delle riprese video e fotografiche è rilevante ed è determinata dalla stabilizzazione delle immagini (Gimbal/ IMU), dalla qualità e dalla risoluzione dell’apparecchio utilizzato (ad es. reflex). Sono disponibili sistemi multicopter (telecamere volanti) per l’impiego professionale e commerciale. Segmento di prezzo (€ 1.500 - 5.000). Anche, i sistemi multicamera sono in uso. Produttore leader è l’azienda AutonomouStuff (www.autonomoustuff.com), che fornisce anche LIDAR, GPS-IMU e RADAR per portate limitate (200 - 300 m). Prezzi per l’industria automobilistica 200 - 300 €, altrimenti 3.000 - 10.000 €.

› Imaging radar compatti: sensore per il telerilevamento e il riconoscimento di ostacoli. Il vantaggio è riconducibile al fatto che gli ostacoli possono essere visti in pressoché qualsiasi condizione (nuvole, nebbia, neve e fumo). Produttori leader sono Echodyne, Goleta Star e AutonomouStuff. I prezzi sono tuttavia ancora molto alti (ca. 300.000 €). Goleta Star sviluppa e realizza sistemi radar leggeri e compatti.  I prodotti hanno un radar video e fasce con apertura sintetica (SAR), indicatori di target in movimento (moving target indication), modalità di riconoscimento coerente delle modifiche e operatività con uno spettro di lunghezza d’onda in millimetro banda Ka e W.  AutonomouStuff (tipologia: Hokuyo PBS-03JN). Dati tecnici consultabili sul sito www.autonomoustuff.com/products. › LIDAR/radar laser compatto per la localizzazione degli ostacoli. Produttore leader è AutonomouStuff, che offre una gamma di sistemi compatti per il riconoscimento degli ostacoli in un’area di prossimità (3-50 m). Esempio: Hokuyo PBS-03JN (sensore compatto che scannerizza e riconosce ostacoli a 180° con un sensore IR-LED, portata = 3 m, 0,5 kg). Per le schede tecniche in consultare il sito www.autonomoustuff.com. › Utilizzo delle esistenti reti radiomobili 3G/ 4G/ 5G di svariate tecnologie (3G/ 4G/ 5G) per un esercizio sicuro dei droni. La rete esistente (3G/ 4G) per la telefonia mobile è la più sviluppata a livello globale. Inoltre, esistono delle app che inviano la loro posizione. Considerando come la creazione di una rete di comunicazione specifica sarebbe troppo costosa, appare opportuno rendere tale rete utilizzabile per la comunicazione con i droni (handy volanti). Qui, si schiudono nuovi progressi basati sulle tecnologie di rete radiomobile 3G/4G esistenti (celle), che consentono un link dati sicuro e, se applicati ai droni, garantiscono al pilota una precisa immagine aerea locale sullo schermo della stazione a terra e in internet. Attualmente, tuttavia, non esistono ancora standard di navigazione aerea in tal senso. Dai collaudi con i droni si evince come la comunicazione funzioni bene sulle aree rurali, mentre sui centri urbani ci siano ancora delle problematiche, in quanto sono stati interessati svariati trasmettitori e i voli non hanno funzionato in modo ineccepibile. La radiomobile per velivoli non è ancora utilizzabile. In relazione al geofencing (spazio aereo limitato) sarebbero però possibili voli sicuri. Sono quindi necessarie modifiche alle reti mobili per il traffico aereo e, allo scopo, occorre uno sforzo da parte delle grandi aziende di telecomunicazione. Un esempio applicativo con sfruttamento della rete mobile sarebbe l’ispezione visiva dei ponti: oggi, questo pericoloso lavoro viene svolto da un team di tre persone, talvolta con cadute fatali, e potrebbe essere eseguito in modo sicuro ed economico grazie ai droni (sensori di distanza integrati, geofencing e pianificazione degli itinerari di volo). › Radar primario e secondario: non idonei all’utilizzo a scopo civile di piccoli droni (troppo pesanti e costosi)

Rilevamenti meteo Anche le condizioni atmosferiche svolgono un ruolo essenziale nell’utilizzo sicuro dei droni. Il tema dei rilevamenti meteo automatici per l’esercizio dei droni non è ancora stato adeguatamente riconosciuto. In tutte le fasi di volo (partenza – decollo – crociera/missione – rientro – discesa – atterraggio) è essenziale l’osservazione delle condizioni meteorologiche (bel tempo, nuvole, celle temporalesche, pioggia, nebbia, folate di vento, turbolenze, grandine, ghiaccio). A ciò si aggiunge il fatto che, ad oggi, i dati meteorologici per l’esercizio dei droni non sono ancora leggibili in digitale (formato compatibile). Anche se i dati fossero integralmente leggibili, questi, per motivi di responsabilità, verrebbero in un primo momento utilizzati solo in un sistema di assistenza on board, per poi passare all’automazione completa (sistema di informazione meteorologica completamente automatizzato collegato ai piloti automatici). Anche le soluzioni di rilevamento meteorologico non sono semplici: attualmente, non esistono sensori per il riconoscimento dei temporali (turbolenze, ghiaccio, ecc.).

Il pilota può partire per un volo nello spazio aereo superiore (spazio aereo C per funzionamento IFR), ma l’Air Traffic Control ATC gli vieta il decollo se le condizioni meteo non sono favorevoli nell’area di navigazione prevista. I voli (di collaudo), in questo spazio, rientrano nella categoria “certified” e attualmente sono ammessi solo nell’ambito di una disciplina speciale. La modalità VFR richiede l’autorizzazione al decollo da parte dell’ATC (principio di sicurezza: evitare condizioni sfavorevoli) o l’impostazione del trasponder su una determinata/data frequenza radio (nel caso in cui il tempo peggiori dopo la partenza). Nello spazio aereo inferiore (settori E e G) sono necessari, per la modalità BVLOS, un link dati sicuro e un nuovo sistema gestionale di navigazione. Ad oggi, siamo molto lontani dall’obiettivo. Anche lo sviluppo di moduli di dotazione più compatti, leggeri (2-5 kg) ed economici per il rilevamento temporali è solo all’inizio. Per il sense & avoid, la situazione di volo che vede apparecchi/velivoli dirigersi direttamente l’uno verso l’altro (heaf of collision) è il caso più critico. Sensori e software di controllo sono da impostare in modo tale da ovviare a tale circostanza, prevenendola in modo sicuro (calcolo analitico e simulazioni di varianti). La scelta dei sensori e la regolamentazione sono correlati all’applicazione.

Prevenzione di collisioni/incidenti di droni in situazioni di volo importanti A. DOTAZIONE PER NEAR MID AIR COLLISION AVOIDANCE (SPAZI AEREO C): PER LO PIÙ VOLO IN ROTTA

a. b. c. d.

Radar di prossimità (ancora troppo pesante e costoso) Camera e fotocamera stereoscopica Transponder passivo/attivo (necessario un approvvigionamento energetico dedicato) ADS-B

B. DOTAZIONE PER ESERCIZIO A LIVELLO DEL SUOLO (SPAZIO AEREO G ED E):

Gli ostacoli in prossimità del suolo sono, da un lato, campanili, pali dell’alta tensione, alberi, ecc., dall’altro anche spazi aerei per voli a vela, aeromobili motorizzati ed elicotteri, così come lo spazio aereo sovrastante (sino a 1.000 ft) per l’addestramento nelle procedure di atterraggio di emergenza (ad es. autorotazione elicottero). L’esercizio dei droni è attualmente consentito solo a vista (VLOS). Attualmente vi sono accese discussioni sull’UTM (Unmanned Air Traffic Management) con i droni. Una disciplina, in tal senso, non esiste ancora. Per la risoluzione dei problemi correnti, sono in corso svariati progetti di ricerca e sviluppo/test (ad es. DFS con Telekom, progetto UE PODIUM). Il progetto PODIUM indaga l’esercizio nell’U-space con il collaudo di regole UTM e verrà avviato a gennaio 2018 in 3 Paesi (Olanda, Francia, Danimarca). Le dotazioni esistenti sono singoli apparecchi di ripresa ottici, svariate telecamere (monoculari) e telecamere laser. Prezzo orientativo: 500 - 1.000 € oppure 400 € per il dispositivo e 200 - 400 € per l’obiettivo. Esempio: 6 telecamere mini (4 rivolte in diverse direzioni anteriormente, una posteriore e una verso l’alto). a. FLARM e ADS-B b. Telecamere elettro-ottiche ad alta risoluzione c. Geofencing d. Radar

C. DOTAZIONE PER UN ATTERRAGGIO SICURO

Per i droni Multicopter, l’atterraggio è nettamente più semplice rispetto ai droni Fixed Wing. Un atterraggio automatico sicuro richiede una sensorica adeguata (radar attivo, radar laser, telecamera elettro-ottica o IR) o almeno tre stazioni di riferimento (ad es. stazioni GSM) al suolo per la triangolazione. L’atterraggio automatico con i droni è attualmente consentito solo a vista (VLSO), in modo tale che il pilota a terra possa individuare direttamente gli ostacoli nel punto di atterraggio previsto (runway con punto touch down). a. Telecamere ad alta risoluzione

AUSILI INFRASTRUTTURALI E SERVIZI CHE RENDONO PIÙ SICURI I VOLI CON I DRONI

Geospatial Environment Online (GEO) di DJI: › Banca dati aggiornata ogni 28 giorni › Contiene, oltre alla struttura dello spazio aereo, anche carceri, centrali e altre aree sensibili › Può essere temporaneamente creato uno spazio aereo chiuso (ad es. per grandi manifestazioni) › Gli UAV evitano automaticamente tali aree chiuse o negano il decollo › Alcuni blocchi possono essere rimossi dagli utenti registrati con account online presso DJI › Uno spazio aereo chiuso può essere bloccato solo su richiesta da DJI o esibendo un’autorizzazione conforme a NfL 1-437-15 (clearance consideration for control zones).

ESEMPI POSITIVI CON DRONI CON FUNZIONAMENTO IN MODALITÀ IMBVLOS/ VFR

Ciò è particolarmente interessante per le aree scarsamente popolate del territorio altoatesino; di seguito le sfide affrontate: › voli in rotta completamente automatizzati (12 km) sul mare, incl. decollo e atterraggio (progetto pilota 1) con Quadrocopter (produttore: Microdrones MD4-1000, sebbene adattato e ottimizzato per il funzionamento completamente automatico) › operazioni di volo completamente automatizzate su una tratta di 8 km a fronte di un dislivello di 500 m, incl. decollo e atterraggio (progetto pilota 2) › procedure di decollo e discesa per un apparecchio Tilt Wing in un’area di sicurezza delimitata (progetto 2) › atterraggio di precisione sulla stazione pacchi › spostamento, carico e scarico automatico › caricamento automatico dell’accumulatore nei box di carico utile

PROGETTO PILOTA 1

Progetto di DHL Group, Telekom e DFS per il trasporto di medicinali sull’isola Juist del Mare del Nord distante 12 km › Al di fuori dell’orizzonte visivo, quindi in modalità BVLOS › Funzionamento in VFR a ottobre 2014 › Periodo di fornitura: 3 mesi › Dai trasmettitori circostanti (GPS, ADS-B), le coordinate dei velivoli/apparecchi (vehicles) sono state automaticamente inviate ai piloti automatici dei droni, mentre la traiettoria di volo è stata attualizzata in virtù dei velivoli presenti (ostacoli) sino alla destinazione.

Dai test si evince un funzionamento sicuro anche in caso di nebbia e nelle ore notturne.

Figura 9: traiettoria di volo del Paketkopter 2.0 di DHL dalla terraferma all’isola di Juist

PROGETTO PILOTA 2

Il progetto è stato implementato con successo nell’ambito di una campagna di ricerca nell’inverno 2015/2016 dall’Institut für Flugsystemdynamik IKT di RWTH Acquisgrana, su incarico di Deutsche Post/DHL Group per voli senza pilota con l’apparecchio DHL Paketkopter 3.0 (max. TOW = 14 kg, di cui 2 kg di carico utile) tra Reit im Winkl e Winklmoosalm. Sono stati coinvolti anche il Ministero degli Interni bavarese, il Ministero dei Trasporti e delle Infrastrutture digitali BMVI, Luftamt Bayern Süd, DFS e il Comune Reit im Winkl. (I dettagli sono consultabili nelle relazioni di RWTH Acquisgrana, mentre le informazioni sul Paketkopter di DHL sono visualizzabili sul web).

GEOPOST

Un’affiliata delle Poste francesi ha nel frattempo svolto con successo test analoghi con un Hexocopter (GéoDrone) per il trasporto in montagna di pacchetti sino a 4 kg (peso utile) per tratte oltre i 20 km. Ogni test ha richiesto una speciale approvazione da parte delle autorità di sicurezza aerea regionali. Al fine di evitare il caos derivante dal rapido incremento dei droni, in un lasso di tempo di 3-6 anni, deve essere sviluppato un sistema di sorveglianza dello spazio aereo, che includa anche i piccoli Multicopter.

Le autorità abilitanti (ICAO, EASA) e la loro concezione attuale Stadio della discussione sull’esercizio futuro di RPAS/UAV/droni ICAO

› RPAS si focalizza sui Remotely Piloted Aircraft System (nessun sistema autonomo) › Esistono 5 gruppi di lavoro per:  airworthiness  command and control  sense and avoid  pilot licence and medical  air traffic management › Attualmente 110 membri da 35 Paesi › Esiti attesi (output)  RPAS manual incl. annexes  Proposed Air Navigation System (PANS) Manual on ATM › Le disposizioni relative all’autorizzazione si rifanno in parte alle norme per i sistemi di trasporto di individui, ma spesso vengono profondamente modificate › Ultimo simposio RPAS: 09/2017 a Montreal

EASA

Tre categorie di rischio pianificate con requisiti di esercizio sono in fase di accordo/autorizzazione con la Commissione e il Parlamento Europeo 1. Open category: open sino a un max. di 25 kg, suddiviso nelle categorie A0 - A4 2. Specific category: profilo missione fisso/itinerario di volo (ad es. per i droni di trasporto pacchetti) e da principio altezza di volo ridotta (< 500 ft) 3. Certified category (grandi UAV sulla base di velivoli certificati con equipaggio) non rilevante prima del 2019

REQUISITI EASA (STATO DELLA DISCUSSIONE)

› Requisiti nella open category  Geofencing: RPAS conosce la sua posizione in relazione ai limiti degli spazi aerei e li evita autonomamente (automaticamente) › Requisiti nella specific category  Light Unmanned Aircraft Operator Certificate  La SORA (Specific Operational Risk Assessment) deve essere definita e approvata dalle autorità › Requisti nella certified category  Non ancora definiti, il processo è iniziato nel primo trimestre del 2017 e dovrebbe concludersi nell’ultimo trimestre del 2018  Ampliamento della regolamentazione esistente per il trasporto di individui o definizione di prescrizioni indipendenti Le bozze delle disposizioni sono disponibili su www.easa.eu/easa-and-you/civil-drones-rpas. I punti che devono essere immediatamente chiariti per l’esercizio dei droni (micro, mini) nello spazio aereo inferiore (very low level < 500 ft AGL), il cosiddetto “U-Space”)

Figura 10: raffigurazione dei nodi da sciogliere urgentemente per lo spazio aereo inferiore (VLL = Very Low Level) per i microdroni (fonte: intervento di H. Schmidt-Bischoffshausen alla conferenza UAVDACH del 04.-05.04.2017 a Friedrichshafen)

Prospettiva per i prossimi 5–10 anni I futuri punti focali nel campo dell’innovazione di droni/UAV si inseriscono nello sviluppo della nuova sensorica, della miniaturizzazione dei componenti, dell’utilizzo e dell’ulteriore sviluppo di tecnologie dell’informazione, della comunicazione, di rete e di automazione, così come nei concept di velivoli dalla struttura estremamente leggera per missioni di lungo periodo.

Figura 11: fasi dell’automazione (mansioni di automazione da espletare) di droni nello spazio aereo europeo Fonte: A. Bülte/ Airbus Defence & Space (UVS Internat. RPAS Conference Brussels, 24 giugno 2014)

IDM Alto Adige Piazza della Parrocchia, 11 I-39100 Bolzano T +39 0471 094 000 info@idm-suedtirol.com www.idm-suedtirol.com