Unmanned Aircrafts in All Future Airspace

UAAFA-prosjektet har prosjektet har vært svært vellykket vitenskapelig og det har gitt svært gode resultater i de mange feltforsøkene som er gjennomført. Prosjektet hadde som hovedmål i prosjektet å øke sikkerheten for i operasjoner utenfor frisikt. I slike operasjoner er man helt avhengig av navigasjonsmidler, og i særdeleshet GNSS (GPS). Vi har demonstrert at det er mulig å lage et alternativt navigasjonssystem med samme presisjon og samme pålitelighet som GNSS (GPS) ved bruk av nye algoritmer og signalbehandling på array-antenner. Prosjektet har hatt et todelt fokus; gjennomføring av initial datainnsamling og videreutvikling av navigasjonsalgoritmer. Det er gjennomført Felttestene har vist at det vitenskapelige arbeidet i prosjektet fungerer i et reelt operativt miljø. Datainnsamlingen har foregått med bruk av både fixed-wing UAV og rotary-wing gjennom forsøk som er gjort i prosjektet. Det er benyttet et system, PARS, for datainnsamlingen som er tatt fram av NTNU, og det er gjort flyging for å teste nye posisjoneringsalgoritmer som er tatt fram av Radionor. Det er samlet inn viktige data for et GPS-uavhengig navigasjonssystem med flere bakkeantenner i bruk samtidig. Algoritmene gjør det mulig å navigere i globale koordinater (ECEF), som vil legge grunnlaget for å inkludere flere bakkeantenner på en naturlig måte. I tillegg har vi utvidet med orientering av koordinatsystemer for å kunne operere med referanser også fra mobile plattformer. Radionavigasjonssystemet er utvidet slik at det vil gjennomføre en kalibrering opp mot RTK-GNSS når det er tilgjengelig, for å øke nøyaktigheten. Det er også lagt til rette for å fly i større områder, ved å formulere navigasjonsløsningen i en global ramme. En viktig del av prosjektet har vært å benytte ulike sensorer for å filtrere bort feilmålinger i tillegg til algoritmer som ekstraherer dybdeinformasjon fra radiosystemet for å estimere kovarians og fjerne feilmålinger som skyldes reflekser fra radiomålingene. Prosjektet har også gjort et omfattende arbeid med å fly i et ad hoc nettverk organisert som et mesh-nettverk. Det er gjort forsøksflyvinger på Andøya for innsamling av data fra multiple landstasjoner for posisjonering av en drone som fly innafor sektor til hver landstasjon. Det er også gjort feltforsøk på Andøya der GPS har vært forstyrret eller «jammet» og det har vært gjennomført lange flyginger på flere hundre kilometer over et stort område i Nord-Norge. Det er utført integrasjon av utstyr for logging av posisjoner under flyginger i tillegg til utstyr for radio kommunikasjon. I denne sammenheng ble det delt telemetri-logger fra tidligere flyvinger, slik at bearbeidelsen av datastrømmen kunne fungere som planlagt. I samarbeid med Diamond Special Mission Aircraft er det utført integreringsarbeid av CRE179 UAV radio på Andøya Space sin Diamond DA62 MPP flymaskin. Integrasjonen er utført på flymaskinene for å kunne sikre datafangst på en trygg og sikker måte etter at vår UAV plattformen som var planlagt i prosjektet havarert under en UAAFA operasjon i 2020. Integrasjonen er utført på en EASA sertifisert bemannet flymaskinen, og er godkjent med radioen uten restriksjoner som en «experimental» platform ville ha gitt, i forbindelse med integrasjon har det vært utført testing og verifikasjon både EMC, kjøling og optimal plassering på flykroppen før dokumentasjonsarbeidet er utført. Under integrasjonsarbeidet har det også vært utført arbeid for å få på plass alle operasjonstillatelser for å kunne utførte fremtidige datafangst flygninger, samt verifikasjons flygninger, det er muligheter å hente ut alternativ posisjonerings data gjennom integrerte systemer i flymaskinen for å utføre valideringer av radio posisjonering. Etter integrasjonen er det utført flere tester for å sikre godt dataflyt og linking opp mot bakkebaserte radioer. Kostnader for integrasjons arbeidet utført av Diamond Special Mission Aircraft har Andøya Space dekket i total anskaffelsen av flymaskinen. I samarbeid med Andøya er det installert en navigasjonsplattform fra Radionor om bord i flyet DA62 der man har brukt denne navigasjonsplattformen testet ulike algoritmer for posisjonering og navigering i såkalt «GNSS denied areas», i flymaskinen som videre vil kun gi gode datasett for validering under flygninger. Man lyktes også i prosjektet med å gjennomføre flyginger med UAV’er det man «låste sløyfa» som betyr at navigasjonsdataene ble brukt direkte for styring av UAV’en. I tillegg til at det oppfyller hovedmålet i prosjektet på en overbevisende måte så har vi fått verdifulle data som vi også kan ta med oss videre fra dette fra prosjektet.

We have during the field trials in the project also disemminated the scientific results to potential customers in the market that has confirmed their interest in the phased array technology by inviting to commercial discussion of delivery of pilot products that will follow after the project has been finalised. We already see an interest in the market for the results of the project that is expected to generate revenue for the industrial partners for 2024 and the following years. The project has through the research achieved increased the precision and reliability of GNSS/GPS independent navigation systems by using sensor fusion. The scientific work has resulted in new algorithms tested in a real operative environment and has proved viability for further implementation in emerging products following the project. The project has shown significant advances in the characterization of covariance estimation and nagivation precission estimation which is a central factor for using navigation data for other systems. We have through the project demonstrated that complete UAV missions without any use of GNSS/GPS will be possible. We have also demonstrated this in cooperation with potential customers of the industrial partners, and the positive outcome from the project has resulted in several opportunities for commercial exploitation of the project results that will follow as a result of this project. The combination of partners have been very successfull and has provided for a very good outcome of the project. NTNU that has conducted scientific research and academic disemmination of results, Radionor Communications that has conducted scientific research and has clear plans for industrial exploitation of the results that has been confirmed by customers, and Andøya has through their research built and expanded their capacities for experimental UAV services and test field services that will follow after the project. In the project, NTNU has been a center of excellence for unmanned technology and done research in the field of navigation with sensor fusion while Radionor Communications has been a center of excellence for advanced wireless communication and done reserach using phased array wireless technology for communicaiton and navigation. Andøya has been a center of excellence for adcanced unmanned aerial operations and conducted research in platforms and operations. The combination of partners with complementary capacities has been the key to achieving the success in the project.

The project will conduct research and innovation that would increase the safety of unmanned aircraft operations to a higher level than the current state of the art technology. Today, there exist regulations and procedures to permit BLOS operations with certain restrictions. The regulations are not fully harmonized across all countries, and hence, countries like Norway with large, unpopulated areas have more opportunities to allow BLOS operations than countries with dense, populated areas. However, even in Norway with one of the most liberal regulations of unmanned systems operations, BLOS operations are only allowed when flying in uncontrolled airspace no higher than 120 meters above ground and BLOS flying in controlled airspace may only be performed in active danger areas or restricted areas with special permission from case to case to be granted from the air control service. Based on these challenges, this project will by research and demonstrate navigation and data link systems for unmanned aircrafts with another level of reliability, redundancy and level of integrity than the state of the art systems available today. The goal is to achieve a level of safety that the aviation authorities and aircraft traffic control would accept as sufficient to allow operations of medium and large sized unmanned aircrafts in BLOS operations in controlled airspace in populated areas together with other air traffic with normal separation distances and IFR operational procedures.