HAPS vs. Satelliten: Die wichtigsten technischen Unterschiede

High-Altitude Platforms (HAPS) operieren in der Stratosphäre in etwa 20 Kilometern Höhe über der Erde und bieten eine deutlich geringere Latenz, eine einfachere Wartung und einen kosteneffizienteren Einsatz als Satelliten. Im Gegensatz zu LEO-Satelliten (Low Earth Orbit), die sich in 500 Kilometern Entfernung mit hohen Orbitalgeschwindigkeiten bewegen, nutzen HAPs den atmosphärischen Auftrieb, um in festen Positionen zu verharren, und bieten so eine dauerhafte, lokalisierte Abdeckung für Kommunikation und Sensorik.

Die Low-Altitude Economy (LAE) expandiert rasant als eine milliardenschwere Grenze, die alles von Logistikdrohnen und Infrastrukturinspektionen bis hin zur aufstrebenden Ära der elektrischen senkrechtstartenden und -landenden Flugzeuge (eVTOL) umfasst. Forschungen unter der Leitung von Mohamed-Slim Alouini, Bang Huang und Eddine Youcef Belmekki verdeutlichen, dass die bestehenden terrestrischen Netzwerke nicht ausreichen, um den hochdichten Flugverkehr zu bewältigen, während der städtische Luftraum immer voller wird. Der Übergang von experimentellen Drohnenflügen zu einem voll realisierten Lufttransportsystem erfordert eine robuste, dreidimensionale Netzwerkarchitektur. Diese Forscher argumentieren, dass HAPs das „fehlende Bindeglied“ sind, das die Lücke zwischen bodengestützten 5G/6G-Masten und weltraumgestützten Satellitenkonstellationen schließt und so sicherstellt, dass die nächste Generation des autonomen Fliegens sowohl sicher als auch skalierbar ist.

Was ist der Unterschied zwischen High-Altitude Platforms und Satelliten?

High-Altitude Platforms (HAPs) unterscheiden sich von Satelliten in erster Linie durch ihre Positionierung in der Stratosphäre in 20 km Höhe, was Latenzzeiten im Millisekundenbereich und eine einfachere Wartung ohne Raketenstarts ermöglicht. Während Satelliten eine globale Abdeckung aus dem Weltraum bieten, ermöglichen HAPs eine stationäre, hochauflösende regionale Überwachung und können für Upgrades der Nutzlast oder Reparaturen gelandet werden, was sie flexibler für die Anforderungen des städtischen Luftverkehrs macht.

Die stationäre Positionierung ist ein wesentlicher Vorteil von HAPs gegenüber LEO-Satelliten, da sie eine dauerhafte Abdeckung über einem bestimmten Ballungsraum ermöglicht. Satelliten im LEO müssen sich mit mehreren Kilometern pro Sekunde bewegen, um in der Umlaufbahn zu bleiben, was komplexe Übergaben (Handovers) zwischen verschiedenen Satelliten erfordert, um eine einzige Verbindung am Boden aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz dazu kann eine HAP fest über einer Stadt verharren und als permanente stratosphärische Basisstation dienen. Diese Stabilität ist entscheidend für sicherheitskritische Operationen wie die eVTOL-Navigation, bei der ein Signalverlust von nur wenigen Sekunden katastrophale Folgen haben könnte. Darüber hinaus ermöglicht die Nähe der HAPs zum Boden – etwa 25-mal näher als der nächste Satellit – die ultra-zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz (URLLC), die für die Fernsteuerung in Echtzeit und autonome Entscheidungsfindung erforderlich ist.

Wie ermöglichen High-Altitude Platforms (HAPS) autonome Drohnenschwärme?

High-Altitude Platforms (HAPS) ermöglichen autonome Drohnenschwärme, indem sie als zentralisierte stratosphärische „Gehirne“ fungieren, welche die Rechenauslagerung (Computational Offloading) und die Konnektivität mit geringer Latenz bieten, die für die Koordination im Schwarmmaßstab erforderlich sind. Indem sie als luftgestützte Edge-Computing-Knotenpunkte dienen, verwalten HAPs die komplexen Datenverarbeitungsaufgaben, für welche die individuellen Drohnen nicht über die nötige Bordenergie verfügen, und gewährleisten so synchronisierte Flugwege und Kollisionsvermeidung.

Die Koordinierung von Tausenden von autonomen Luftfahrzeugen erfordert eine massive Echtzeit-Datenverarbeitung – eine Herausforderung, die HAPs durch stratosphärisches Edge Computing bewältigen. Kleine Lieferdrohnen sind oft durch Gewicht und Batterielebensdauer eingeschränkt, was ihre Rechenleistung an Bord limitiert. Laut der Forschung von Alouini und seinen Kollegen können HAPs diese Lücke schließen, indem sie leistungsstarke Rechen- und Caching-Ressourcen an Bord bereitstellen. Dies ermöglicht es Drohnen, Pfadfindungsalgorithmen und Umgebungssensordaten an die HAP auszulagern, die dann koordinierte Anweisungen an den Schwarm zurücksendet. Zu den wichtigsten Vorteilen dieser Architektur gehören:

• Reduzierter Bordstromverbrauch: Drohnen können länger in der Luft bleiben, indem sie rechenintensive Aufgaben an die darüber liegende Plattform delegieren.
• Verbesserte Schwarmintelligenz: Zentralisierte Koordination verhindert das „chaotische“ Verhalten, das oft in dezentralen Netzwerken mit hoher Latenz zu beobachten ist.
• Echtzeit-Daten-Caching: HAPs können hochauflösende 3D-Karten von städtischen Umgebungen speichern und diese sofort an Drohnen liefern, während diese durch komplexe Stadtlandschaften navigieren.

Welche Rolle spielen HAPs beim Luftverkehrsmanagement für eVTOLs?

HAPs fungieren als stratosphärische „digitale Tower“ für das Luftverkehrsmanagement und bieten weitreichende Sensorik und Navigationsintegrität für eVTOL-Flugzeuge, wo GPS- oder Bodensignale behindert sein könnten. Ihr hochgelegener Standort ermöglicht eine umfassende Überwachung des Luftraums in niedrigen Höhen, was eine feingliedrige regulatorische Aufsicht erleichtert und Zusammenstöße in der Luft in dichten städtischen Umgebungen verhindert.

Die Gewährleistung der Navigationsintegrität ist die größte Hürde für die breite Einführung von Flugtaxis, insbesondere in „urbanen Schluchten“, wo hohe Gebäude Satellitensignale blockieren. HAPs mildern dies ab, indem sie eine sekundäre, stratosphärische Quelle für Positionierungs-, Navigations- und Zeitdaten (PNT) bereitstellen. Indem sie als zuverlässiges Backup für GPS fungieren, stellen HAPs sicher, dass eVTOL-Flugzeuge jederzeit ihre genaue Position kennen. Dieses Maß an Aufsicht ist für Regulierungsbehörden unerlässlich, um Lizenzen für groß angelegte autonome Operationen zu erteilen. Die Forschung schlägt vor, dass sich HAPs letztendlich zu intelligenten Hubs entwickeln werden, die nicht nur die Kommunikation, sondern auch die Rechts- und Sicherheitsprotokolle des Luftraums verwalten können und so effektiv als automatisierte Fluglotsen fungieren, die niemals schlafen.

Die Integration von 6G-Netzwerken wird die Fähigkeiten von HAPs weiter verbessern und die nächste Phase der Low-Altitude Economy unterstützen. Es wird erwartet, dass künftige 6G-Standards nicht-terrestrische Netzwerke (NTN) als Kernkomponente enthalten werden, wobei HAPs eine führende Rolle bei der globalen Standardisierung spielen. Diese Konnektivität wird Datenraten und Zuverlässigkeitsniveaus unterstützen, die derzeit mit 4G oder 5G unmöglich sind, und ein nahtloses „Edge-Air-Cloud“-System mit geschlossenem Regelkreis ermöglichen. In diesem zukünftigen Zustand werden HAPs, Satelliten und Bodenstationen eine dreistufige Architektur (global-regional-lokal) bilden, die einen „Teppich“ aus Konnektivität von der Erdoberfläche bis zum Rand des Weltraums bietet.

Der evolutionäre Fahrplan für High-Altitude Platforms (HAPS), wie er von Mohamed-Slim Alouini, Bang Huang und Eddine Youcef Belmekki skizziert wurde, umfasst fünf verschiedene Entwicklungsstadien:

• Stufe 1: Luftgestützte Infrastrukturbasen, die grundlegende Konnektivität bieten.
• Stufe 2: Super-Backends für UAVs, die umfangreiche Datenrelais übernehmen.
• Stufe 3: Frontline-Unterstützung für Bodennutzer, die das terrestrische 6G ergänzen.
• Stufe 4: UAV-Koordination auf Schwarmbasis und Vernetzung mehrerer Plattformen.
• Stufe 5: Edge-Air-Cloud-Autonomie mit geschlossenem Regelkreis für vollständig selbstverwaltete Luftökosysteme.

Mit Blick auf die 2030er Jahre sind HAPs bereit, die zentralen Knotenpunkte der Low-Altitude Economy zu werden. Sie stellen einen nachhaltigen und skalierbaren Weg dar, um den Übergang von sporadischen Drohnenflügen zu einem konstanten, geschäftigen Luftlogistik- und Transportnetz zu bewältigen. Durch die Kombination von Konnektivität mit geringer Latenz, leistungsstarkem Edge Computing und weitreichender Sensorik werden diese stratosphärischen Plattformen das Vertrauen und die Sicherheit schaffen, die notwendig sind, damit die Öffentlichkeit eine Welt akzeptiert, in der der Himmel nur eine weitere Ebene unserer globalen Verkehrsinfrastruktur ist.