Störsystem und Erkennungssystem für Drohnen

Das Drohnenstörsystem und -erkennungssystem ist ein multifunktionales Anti-Drohnen-Gerät, das aus zwei Komponenten besteht: einer zur Erkennung der Drohne und einer zur Blockierung der Drohne, Unterbrechung des Drohnensignals sowie sicheren Landung der Drohne. Drohnen weisen breite Marktperspektiven auf. Kleine unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) finden breite Anwendung in Bereichen wie Luftaufnahmen, landwirtschaftliche Sprühverfahren, Katastrophenvorsorge und -minderung, Such- und Rettungsaktionen, Verkehrsüberwachung, Ressourcenexploration, Luftvermessung, Grenzpatrouillen, meteorologische Messungen und anderen Feldern. Allerdings hat die veraltete Steuerungstechnik für UAVs zahlreiche Vorfälle sogenannter “schwarzer Flüge” verursacht, bei denen eine Überwachung unmöglich und eine rechtliche Verantwortlichkeit nicht durchsetzbar ist; daher besteht dringender Bedarf an Systemen zur Drohnen-Erkennung und -Störung. Insbesondere in militärischen und zivilen Flughäfen, bei Großveranstaltungen, kritischer Infrastruktur, großen Veranstaltungsorten, Gefängnissen sowie im Grenzschutz besteht ein starker Bedarf an Anti-Drohnen-Systemen. Dennoch bestehen nach wie vor zahlreiche Herausforderungen bei der Überwachung und Kontrolle von Drohnen, und es werden zukünftig weitere Probleme auftreten, die eingehend erforscht und bewältigt werden müssen.

1. Technische Schwierigkeiten bei Drohnen-Erkennung und -Abwehr.

1. Schwierigkeiten bei der UAV-Erkennungstechnologie

Drohnen-Erkennungsradar: Radar ist das gängigste Verfahren zur Erfassung luftgestützter Ziele. UAVs sind jedoch typische niedrigfliegende, langsame und kleine Ziele (kurz als “niedrig-langsam-klein” bezeichnet). Der Begriff “niedrig-langsam-klein” umfasst allgemein kleine Luftfahrzeuge und luftgestützte Objekte mit den Merkmalen niedriger Flughöhe, langsamer Fluggeschwindigkeit sowie geringer Erkennbarkeit und Auffindbarkeit. Solche “niedrig-langsam-kleinen” UAVs sind kostengünstig, einfach zu steuern, leicht transportabel und leicht beschaffbar. Sie besitzen zudem hohe Startfähigkeit und sind schwer zu entdecken bzw. zu neutralisieren. Daher eignen sie sich leicht als Trägermittel für Sprengstoffe, biologisch-chemische Kampfstoffe oder zur Verteilung von Flugblättern.

Die Eigenschaften “niedrig-langsam-klein” führen zu folgenden Schwierigkeiten bei der Drohnerkennung: Erstens verursachen die “niedrigen” Flughöhen starke Störungen durch Hintergrundklutter wie Bodenklutter; zweitens erfordert die “langsame” Fluggeschwindigkeit vom Radar eine besonders gute Leistung bei der Erkennung langsam bewegter Objekte; drittens erfordern die “kleinen” Abmessungen eine höhere Detektionsempfindlichkeit und -stabilität des Radars. Daher ist herkömmliches Radar bei der UAV-Bekämpfung unzureichend und erfüllt oft nicht einmal die praktischen Anforderungen. Es ist daher notwendig, speziell auf UAV-Erkennung ausgelegte Radarsysteme zu entwickeln.

Radiosignalüberwachung, elektro-optische Identifikation und Verfolgung sowie Schallüberwachung stellen ebenfalls ergänzende Methoden zur Drohnen-Erkennung und -Verfolgung dar. Diese Erkennungsverfahren stehen jedoch ebenfalls vor enormen Herausforderungen.

1.2 Technische Schwierigkeiten bei Drohnen-Störsystemen

Nachdem eine Drohne erkannt und identifiziert wurde, bestehen bei der Drohnenabwehr weiterhin zahlreiche technische Schwierigkeiten. Bei elektromagnetischer Störung sind die Umgebungsanforderungen relativ hoch, und es kann zu ungewollten Störungen der umgebenden elektromagnetischen Umgebung kommen; bei Zerstörungsmethoden wie Laserstrahlen entstehen sekundäre Sicherheitsrisiken für den Bodenbereich, weshalb diese Verfahren in städtischen Umgebungen ungeeignet sind; bei Methoden wie Funk-Signal-Hijacking sind diese nur auf bestimmte Drohnen anwendbar, deren Kommunikationsprotokolle bereits geknackt wurden. Die sachgerechte Neutralisierung einer entdeckten Drohne stellt daher ebenfalls eine enorme Herausforderung dar.

2. Schlüsseltechnologien und Analyse der Drohnen-Erkennung.

2.1 Schlüsseltechnologien für die UAV-Erkennung
Die Erkennung und Identifizierung von unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) ist eine umfassende, interdisziplinäre Anwendungstechnologie, bei der mittels einer oder mehrerer Technologien – wie Radarerfassung, Funk­signalüberwachung, elektro-optische Identifikation und Verfolgung sowie Schallüberwachung – die Erkennung, Verfolgung und Identifizierung von UAVs realisiert wird. Derzeit existieren zahlreiche Technologien, die eine Erkennung und Identifizierung von UAVs ermöglichen. Die im In- und Ausland bekannten technischen Verfahren sind nachfolgend aufgeführt.

2.1.1 Radarerfassung
Bei der Radarerfassung erfolgt die Detektion und Positionsbestimmung des UAVs durch ein Radarsystem, das elektromagnetische Wellen aussendet und das Prinzip der Reflexion dieser Wellen am UAV-Körper nutzt [4]. Durch Empfang und Analyse der reflektierten Radarwellen können Entfernung, Flughöhe, Azimut und Geschwindigkeit des Ziels ermittelt werden. Aufgrund der “niedrigen, langsamen und kleinen” Eigenschaften von UAVs weisen herkömmliche Radarsysteme eine eingeschränkte Detektionsleistung auf. In den letzten Jahren wurden jedoch neue, speziell für die UAV-Erkennung entwickelte Radarsysteme konzipiert, die in Bezug auf Radarsignaldesign, Signalverarbeitungsalgorithmen sowie Unterdrückung von Bodenstörungen signifikante Fortschritte erzielt haben und dadurch die Leistungsfähigkeit von Radarsystemen zur UAV-Erkennung zumindest teilweise verbessert haben. Diese Systeme besitzen somit einen praktischen Nutzen.

2.1.2 Funk­signalüberwachung
Während des Flugs senden sowohl das Flugsteuerungssystem als auch das Video-Datenübertragungssystem der Drohne typischerweise Funksignale aus. Bei der Funk­signalüberwachung werden die spektralen Merkmale der Flugsteuerungs- und Videotransmissionssignale analysiert, um die Erkennung und Identifizierung von UAVs zu ermöglichen. Dabei kann die Einzelstation-Verfahren zur Richtungsbestimmung (“direction-finding”) sowohl die Azimutinformation des UAVs erfassen als auch anhand der empfangenen Signalstärke dessen ungefähre Entfernung abschätzen; die Mehrstation-Verfahren zur Zeitdifferenzortung („time-difference of arrival“, TDOA) hingegen berechnen anhand der Signallaufzeitverzögerung des Ziels relativ zu mehreren Empfangsstationen die genaue Position des Ziels. Darüber hinaus lässt sich mithilfe der individuellen Funk-„Fingerabdruckinformation“ von UAVs eine schwarze bzw. weiße Liste erstellen, um so die Verwaltung und Kontrolle von UAVs zu ermöglichen sowie deren präzise Identifizierung und frühzeitige Warnung sicherzustellen.

2.1.3 Elektro-optische Identifikation und Verfolgung
Es gibt zwei Hauptarten elektro-optischer Identifikations- und Verfolgungstechnologien: sichtbare Lichtidentifikation und -verfolgung sowie Infrarot-Identifikation und -verfolgung.

Die Identifikation und Verfolgung im sichtbaren Licht erfolgt mittels Kameras für sichtbares Licht, die das Videobild der Ziel-Drohne erfassen, um diese zu identifizieren, zu bestätigen und zu verfolgen. Diese Technik eignet sich vorwiegend für den Einsatz tagsüber, zeichnet sich durch geringe Gerätekosten aus und ist daher besonders verbreitet.

Die Infrarot-Identifikation und -verfolgung nutzt eine Infrarotkamera zur Erfassung des Infrarotbildes der Ziel-Drohne, um diese anschließend zu identifizieren und zu verfolgen. Tatsächlich strahlen alle Objekte mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts Infrarotstrahlung ab; während des Flugs erwärmen sich insbesondere Akku und Motor der Drohne, was die Anwendung der Infrarot-Identifikations- und -verfolgungstechnik begünstigt. Diese Technik ist rund um die Uhr einsetzbar, allerdings ist ihr Einsatz aufgrund der hohen Gerätekosten eingeschränkt.

Elektro-optische Identifikation und Verfolgung setzt in der Regel eine vorherige Detektion und Entdeckung voraus. Als Bestätigungsverfahren für die Verfolgung ermöglicht sie eine visuelle Zielverfolgung und damit eine intuitive Beobachtung durch den Benutzer. Zudem kann die elektro-optische Identifikation und Verfolgung das Ziel automatisch mittels bildbasierter Verfahren identifizieren, wodurch auch eine videobasierte Beweissicherung möglich ist.

2.1.4 Schallüberwachung
Während der Drohne fliegt, erzeugt die Hochgeschwindigkeitsrotation der Propeller ein gewisses Maß an Geräusch, wobei verschiedene Drohnen unterschiedliche akustische Merkmale aufweisen. Bei der Schallüberwachung werden diese Geräusche empfangen, gesammelt und analysiert; durch intelligente Abgleichung mit den Informationen in einer bestehenden Datenbank akustischer Merkmale erfolgt so die Überwachung, Erkennung und Modellidentifikation von UAVs. Als passive Überwachungsmethode bietet diese Technologie eine hohe Tarnung. Gleichzeitig ist der technische Aufwand kostengünstig und damit durchaus wettbewerbsfähig.

2.2 Analyse der UAV-Erkennungstechnologien

2.2.1 Vergleich der Erkennungstechnologien

Die oben beschriebenen Haupterkennungstechnologien beruhen auf unterschiedlichen Prinzipien und weisen zudem Unterschiede hinsichtlich Reifegrad, Erkennungseffektivität, Einsatzszenarien und Kosten auf. Tabelle 1 enthält eine umfassende Analyse der Vor- und Nachteile der wichtigsten UAV-Erkennungstechnologien.

2.2.2 Anwendung der Erkennungstechnologien
Radarerkennung und Funksignalmessung sind die am weitesten verbreiteten und ausgereiftesten Erkennungsmethoden auf dem Markt. Der Reifegrad anderer Erkennungsmethoden (z. B. Schallüberwachung) muss noch verbessert werden.

Aus technischer Sicht können herkömmliche Einzelverfahren nicht vollständig unabhängig alle Situationen bewältigen und Zielobjekte weder effizient noch präzise erkennen. Derzeit stellt daher der Einsatz kombinierter Mehrfachmethoden den Mainstream dar; einige Systeme auf dem Markt integrieren bereits verschiedene Erkennungsmethoden, um die Erkennungsleistung zu steigern. So nutzt beispielsweise ein System Radar zur Erkennung: Sobald ein verdächtiges UAV-Ziel erkannt wird, aktiviert das System optoelektronische Geräte zur weiteren Suche und Bestätigung; gleichzeitig werden die Informationen von Radar und optoelektronischen Geräten fusioniert, sodass das System eine hochpräzise Echtzeit-Positionsbestimmung des Ziels durchführen kann. Gemäß dem Analysebericht über Anti-UAV-Hersteller des UAV-Forschungszentrums des Bard College in den USA [5] wurde eine statistische Auswertung der in 323 Systemen mit UAV-Erkennungsfunktion eingesetzten Techniken vorgenommen (Abbildung 2). Die Ergebnisse zeigen, dass Radarerkennung und Funksignalmessung relativ häufig eingesetzt werden, während optoelektronische Identifikations- und Verfolgungstechnik meist als ergänzende Methode zu Radarerkennung und Funksignalmessung dient; die Schallüberwachungstechnik hingegen wird aufgrund ihrer inhärenten Einschränkungen nur selten genutzt. Bei kombinierter Anwendung zweier Methoden stellt die Kombination aus Radarerkennung und optoelektronischer Identifikation sowie Verfolgung die vorherrschende Lösung dar; zudem gilt die Dreierkombination aus Radarerkennung, Funksignalmessung und optoelektronischer Identifikation sowie Verfolgung als besonders vielversprechende technische Konfiguration.

Für alle drei Arten von Drohnenerkennungs- und Störsystemen empfehlen wir die Funksignal-Erkennung, da sie kostengünstig und leistungsfähig ist. Wir bieten ein Modell dieses Produkts an – weitere Informationen finden Sie unten: ;