Sicherheit

DROHNENDETEKTION MIT MIMO-RADAR

Rund 300.000 Drohnen werden weltweit Monat für Monat verkauft. Sie sind technologisch hoch entwickelt und lassen sich für die unterschiedlichsten Anwendungsfelder einsetzen, stellen aber auch ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar. Modernste MIMO-Radarsysteme helfen Gefahren abzuwehren.

UAV der MIMO-Radar-Messkampagne.
© Fraunhofer FHR

UAV der MIMO-Radar-Messkampagne.

MIMO-Radarantenne des MIRA-CLE Ka Radarsystems.
© Fraunhofer FHR

MIMO-Radarantenne des MIRA-CLE Ka Radarsystems.

Trajektorie des detektierten UAVs mit eingebettetem MIMO-Radarbild der stationären Szene, berechnet aus denselben Radarrohdaten.
© Fraunhofer FHR

Trajektorie des detektierten UAVs mit eingebettetem MIMO-Radarbild der stationären Szene, berechnet aus denselben Radarrohdaten.

Mit der dramatisch steigenden Anzahl weltweit verkaufter Drohnen, auch UAVs (Unmanned Aerial Vehicle) genannt, werden immer mehr Anwendungsfelder erschlossen. Sie leisten Unterstützung bei Überwachungs- und Aufklärungsmissionen für das Militär und werden beispielsweise für Luftbildaufnahmen, Umweltmonitoring, polizeiliche Überwachung, Katastrophenhilfe oder im Hobbybereich eingesetzt. UAVs können hochpräzise ferngesteuert navigiert werden und das selbst ohne Sichtkontakt durch Live-Videoübertragung auf eine Datenbrille des Operateurs. Die eigene Positionsbestimmung (z. B. mittels GPS) ermöglicht UAVs auch einem vorher festgelegten Flugpfad zu folgen. Mehr noch: Durch modernste Sensorik auf den UAVs, können diese sogar eine sich zeitlich ändernde Umgebung erkennen und völlig autonom Hindernisse umfliegen, plötzlich auftauchenden Hindernissen ausweichen und situationsabhängig adaptiv agieren und so selbst komplexeste Missionen ohne menschliches Eingreifen erfüllen.

Die Kehrseite der Medaille sind jedoch neu geschaffene erhebliche Sicherheitsrisiken, die es in dieser Form bislang noch nicht gegeben hat. Durch Fehlfunktionen in der Steuerung oder Ausfälle einzelner Motoren können UAVs unkontrollierbar werden und mit Menschen, Verkehrswegen oder kritischer Infrastruktur kollidieren und so im schlimmsten Fall Katastrophen auslösen. Aber auch der vorsätzliche Einsatz von UAVs, z. B. für Spionagezwecke, oder aber als Träger von hochgiftigen Substanzen oder Sprengstoffen für terroristische Anschläge, wird durch die moderne Technologie zum Kinderspiel. Zum Schutz vor UAVs, die unabsichtlich oder absichtlich zur Gefahr werden, bedarf es andererseits Kreativität gepaart mit modernster Technologie. Sowohl zur Erkennung anfliegender UAVs als auch zu deren Abwehr werden aktuell weltweit die unterschiedlichsten Ansätze verfolgt.

Radarsensoren eigenen sich vorzüglich für die Detektion, die Zielverfolgung und die Merkmalserkennung von UAVs. Dabei arbeiten sie unabhängig von Tag und Nacht und können bei jedem Wetter eingesetzt werden. Zudem messen sie die exakte Entfernung zum UAV und können dessen Geschwindigkeit ableiten. Beides sind sehr wichtige Parameter zur Gefahrenabschätzung und für eine mögliche Intervention.

MIMO-Radarsysteme (Multiple-Input Multiple-Output) haben einige Besonderheiten gegenüber anderen Radarsystemen, was sie für die UAV-Detektion prädestiniert. Zum einen sind sie voll elektronisch, sodass der Wartungsaufwand gegenüber mechanischen Lösungen äußerst gering ist. Zum anderen ist die Anzahl der Sende- und Empfangselemente, im Vergleich zu einem vollbesetzten Phased-Array, stark reduziert, sodass erheblich Kosten gespart werden. Darüber hinaus beleuchtet ein MIMO-Radarsystem einen großen Raumwinkelbereich zur selben Zeit, sodass nahezu beliebig viele UAVs (z. B. UAV-Schwärme) gleichzeitig detektiert, verfolgt und klassifiziert werden können. Außerdem ist ein MIMO-Radarsystem auch quasi ein abbildendes System, weshalb Methoden zur Änderungsdetektion eingesetzt werden können. So sind sogar UAVs detektierbar die lediglich auf der Stelle schweben oder sich langsam entlang einer Häuserfront „anschleichen“. Mit Hilfe der Messung kleinster Eigenbewegungen der UAVs, z. B. der Rotation der einzelnen Rotoren oder der Vibrationen des Chassis, können sogar UAV-Klassen (Quad-Copter, Octo-Copter, e.tc.) aus großer Entfernung erkannt werden. Diese Information hilft ungemein bei der Gefahrenabschätzung, z. B. ob das anfliegende UAV überhaupt in der Lage ist größere Lasten, beispielsweise einen Sprengsatz, zu tragen.

Durch die Kombination unterschiedlichster Methoden der Signalprozessierung wird ein MIMO-Radarsystem zu einem mächtigen Baustein im Kampf gegen gefährliche UAVs. In ersten Proof-of-Concept Experimenten wurden im Auftrag der armasuisse, Schweiz, bereits viel versprechende Ergebnisse erzielt. UAV welche die unterschiedlichsten Manöver und Geschwindigkeiten flogen, dabei teilweise zwischen Bäumen manövrierten, sich dicht vor Gebäuden bewegten oder in einem Multi-Bewegtzielszenario einfach nur schwebten, konnten sicher detektiert werden. Zukünftige, speziell für die UAV-Detektion entwickelte, MIMO-Radarsysteme werden einen wesentlichen Beitrag für die Gefahrenabwehr gefährlicher UAVs liefern.