Drohnenabwehr

Drohnen sind nützlich, sie können aber auch gefährlich werden, wenn sie für terroristische Zwecke missbraucht werden. Fraunhofer entwickelt Technologien zur Abwehr unbemannter Flugsysteme.

Zivile Sicherheitsforschung

Drohnenabwehr – Die Gefahr auf dem Radar

Sie sind praktisch und vielseitig einsetzbar: Sie helfen Rettungskräften bei der Lageerkundung, Landwirten bei der Inspektion ihrer Felder, sind bei Extremsportlern beliebt für Selfies aus der Luft und verleihen dem Begriff »Luftpost« ganz neue Bedeutung, wenn sie uns demnächst Briefe und Pakete bringen. Sie lassen sich aber auch für kriminelle und terroristische Zwecke einsetzen, etwa zum Ausspionieren von Personen und Objekten, zum Schmuggeln von Drogen und Waffen in Gefängnisse, für Terroranschläge auf Menschen, Fahrzeuge oder Gebäude. Die Rede ist von unbemannten Flugsystemen, UAVs (Unmanned Aerial Vehicles bzw. UAS für Unmanned Aerial System), umgangssprachlich auch Drohnen genannt.

Drohnen werden immer leistungsfähiger. Die mögliche Flughöhe, Reichweite, Ausdauer, Fluggeschwindigkeit und Navigationspräzision steigerte sich in den vergangenen Jahren zusehends. Und sie können immer mehr Masse transportieren. Zudem sind Drohnen billig, leicht zu beschaffen oder als Bausatz erhältlich. Kein Wunder, dass sie im gewerblichen wie auch im privaten Bereich immer beliebter werden. Die Deutsche Flugsicherung geht davon aus, dass bis zum Jahr 2020 die Zahl der Drohnen in Deutschland auf über eine Million steigt.

Gleichzeitig steigt auch die Zahl der Zwischenfälle: Drohnen dringen in Flugverbotszonen ein, etwa am Flughafen oder bei Großereignissen wie Rock-Festivals oder Fußballspielen. Bislang geht es dabei hauptsächlich um Fahrlässigkeit oder Indiskretion, wenn Drohnen von Hobbypiloten Flugzeugen gefährlich nahe kommen oder wenn widerrechtlich Videos und Fotos von Personen oder Gebäuden aufgenommen werden. Aber auch für gezielte terroristische Zwecke lassen sich Drohnen einsetzen. Die Sicherheitsbehörden in Deutschland sind alarmiert, denn eine wirksame Abwehr gibt es bislang nicht.

Welche Gefahr von Drohnen ausgehen kann, zeigte sich 2014, als in Belgrad während des Fußball-EM-Qualifikationsspiels zwischen Albanien und Serbien plötzlich eine Drohne mit einer großalbanischen Flagge über das Spielfeld schwebte: Es kam zu Tumulten, und das Spiel musste abgebrochen werden. Doch anstelle einer harmlosen Flagge könnten Terroristen so auch Bomben in das Stadion fliegen lassen und über der Menschenmenge abwerfen. Die Abwehr von Drohnen erfolgt in drei Stufen: Als Erstes gilt es, die Drohne zu entdecken. Angesichts der hohen Geschwindigkeit der Flugobjekte und des begrenzten Erkennungsradius' der Sensortechnik ist allein das schon eine Herausforderung. Im zweiten Schritt gilt es zu erkennen, um welchen Typ Drohne es sich handelt und ob sie überhaupt eine Gefahr darstellt. Vielleicht ist das Ding, das so bedrohlich surrend über dem Starterfeld des City-Marathons schwebt, ja nur die Kameradrohne des lokalen TV-Senders.

Selbst wenn das Flugobjekt als gefährliche Drohne erkannt wurde, muss als dritte Stufe jede Gegenmaßnahme sorgfältig geplant sein. Um welches Modell handelt es sich? Wie schnell ist die Drohne? Welche Nutzlast trägt sie? Auf welcher Funkfrequenz wird sie gesteuert? All diese Analysen und Informationen müssen nahezu in Echtzeit zur Verfügung stehen, denn im Ernstfall bleiben oftmals nur wenige Sekunden, um die richtige Entscheidung zu treffen und eine geeignete Gegenmaßnahme zur Abwehr einzuleiten.

Man unterscheidet nach passiven und aktiven Maßnahmen, bei letzteren nach weichen oder harten Methoden. Passive Maßnahmen beschränken sich zum Beispiel darauf, einen Alarm auszulösen. Aktive Maßnahmen sind eine Herausforderung für Mensch und Technik, denn jeder Eingriff ist heikel und muss rechtlich genau abgewogen werden. Zu den weichen Maßnahmen gehört das sogenannte »Jammen«, bei dem Störsignale die Funkverbindung zur Drohne abreißen lassen, um sie so zur Landung zu zwingen. Das funktioniert nur, wenn sie für solch einen Fall zur Landung programmiert ist. Die Gefahr besteht, dass sie unkontrolliert weiterfliegt und abstürzt. Beim »Spoofing« hingegen wird der Drohne ein falsches GPS-Signal vorgegaukelt, um sie so von ihrem Kurs abzubringen.

Als harte Abwehr wird das physische Abfangen oder Abschießen der Drohne bezeichnet. Ein derartiger Eingriff wird nur als Ultima Ratio eingesetzt, da unbeteiligte Personen gefährdet werden könnten. Die Methodenauswahl ist groß: Abschießen mittels Laser, Wasserwerfer oder mit der Schusswaffe, Kamikazedrohnen, Einsatz eines Fangnetzes oder die Flugunfähig mittels Kleber, starkem Schall oder einer Leine stören.

Es gibt eine Vielfalt an denkbaren Bedrohungsszenarien. Die Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher und ihre Partner setzen deshalb auf verschiedene Ansätze und Technologien: bei der Detektion und Identifikation auf Sensortechnologien wie Funk, Akustik, Radar bzw. Infrarot und Elektrooptik. Im Idealfall ergänzen sich die Sensoren, denn noch gibt es keinen Sensor für alles. Jeder Sensor hat seine Stärken und Schwächen: Visuell-optische Sensoren funktionieren nachts oder bei Regen und Nebel nicht, da wäre Infrarot oder Radar besser. Wenn es um Detektionsreichweiten geht, übertrifft Radar die visuell-optischen Sensoren und die Infrarot-Sensoren.

BMBF-Förderung der zivilen Sicherheit

Zu den im Rahmen von »AMBOS« umgesetzten Detektionsmodalitäten zählt u.a. die akustische Peilung, Ortung und Klassifizierung von Drohnen miithilfe von Mikrofon-Arrays.
© Fraunhofer FKIE

Zu den im Rahmen von »AMBOS« umgesetzten Detektionsmodalitäten zählen u.a. die akustische Peilung, Ortung und Klassifizierung von Drohnen mithilfe von Mikrofon-Arrays.

Vierkanaliges MuRPS (Multi Channel Radar for Perimeter Surveillance) mit Quadcopter im Hintergrund.
© Fraunhofer FHR

Vierkanaliges MuRPS (Multi Channel Radar for Perimeter Surveillance) mit Quadcopter im Hintergrund.

Zur Prävention und Bekämpfung von Terrorismus fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit dem Programm »Forschung für die zivile Sicherheit« zehn Verbundprojekte mit über 21 Millionen Euro, darunter auch die vier Projekte AMBOS, ArGUS, ORAS und MIDRAS zur Abwehr unbemannter Flugsysteme. Die Fraunhofer-Institute für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE, für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB, für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI und für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR sind maßgeblich beteiligt und bringen ihre Kernkompetenzen ein. Insbesondere drei technische Bereiche spielen hierbei eine große Rolle: Radartechnik und Optronik zur Signal- und Bildgewinnung, Datenfusion und Bildauswertung zur Aufbereitung und Informationsgewinnung aus Bildern und Videos, Mensch-Maschine-Schnittstellen sowie die Systemtechnik zur Entwicklung komplexer Systeme.

Entscheidend für eine erfolgreiche Abwehr ist das Zusammenspiel verschiedenster Sensoren. Die Sensordatenfusion ist die Besonderheit des Deutsch-Österreichischen Verbundprojekts AMBOS des Fraunhofer FKIE. Alle Sensordaten werden in einem Algorithmus analysiert, der dann als Ergebnis den Typ und die Art des ins Visier genommenen Objekts ausgibt. Besonders stolz sind die Forscher auf die Fusion-Engine. Diese sammelt zunächst die von den einzelnen Sensoren kommenden und durch Algorithmen aufbereiteten, also gewissermaßen bereinigten Daten. Eine ausgeklügelte Software kombiniert die Daten und erkennt, ob es sich wirklich um eine Drohne handelt und wenn ja, um welchen Typ. Die detaillierten Informationen werden in einer Lagebilddarstellung anschaulich aufbereitet und visualisiert als Grundlage für das weitere Vorgehen und die je nach Situation und Grad der Bedrohung auszuwählende aktive Maßnahme der Intervention. Als Option hierfür wird das Stören von Funkfernsteuerung, Satellitennavigation oder Bordelektronik der Drohne angeboten. Parallel entwickelt AMBOS einen Netzwerfer, der bei gefährlichen Flugobjekten zum Einsatz kommen soll.

Das Fraunhofer IOSB setzt im Projekt ArGUS den Fokus auf ein ausgeklügeltes Assistenzsystem zur Entscheidungsunterstützung. Die IOSB-Entwickler konzentrieren sich dabei auf eine simulationsbasierte Prognose von Situationen, die den Nutzer bei der Entscheidung unterstützt. Denn es ist eine Frage der Aufbereitung, wie man einem Entscheidungsträger die Informationen schnell und ohne umständliches Handling präsentiert: Bei Geschwindigkeiten von 100 km/h und bei einer Reichweite von wenigen hundert Metern hat eine Drohne in wenigen Sekunden ein mögliches Ziel erreicht. Ist die Drohne eventuell mit Sprengstoff beladen, bleibt wenig Zeit, über Gegenmaßnahmen zu entscheiden. Das System soll aufzeigen, welche Aktion von einer Drohne ausgeführt werden kann, welche Gegenmaßnahmen mit welcher Wahrscheinlichkeit zu welchem Erfolg führen und welche Risiken damit verbunden sind. Aber entscheiden soll letztendlich der Mensch, nicht die Maschine.

Die meisten Drohnen sind funkgesteuert und lassen sich mit Funksensoren aufspüren. Aber es gibt auch autarke Drohnen, die per Timer automatisiert gestartet werden und deshalb nicht mit Funksensoren detektiert werden können. Abgesehen von visuell-optischer und infraroter Sensorik kann zusätzlich Radartechnik zum Einsatz kommen, wie beim Projekt ORAS des Fraunhofer FHR. Radar im Millimeterwellenbereich ist ideal für die Überwachung im direkten Umfeld. Anders als Kameras stellt Radar einen aktiven Sensor dar, der die Szene eigenständig »beleuchtet« und daher auch bei Dunkelheit, Regen, Nebel, Staub oder Rauch zuverlässig arbeitet. Das System kann fest installiert oder mobil eingesetzt werden. ORAS basiert auf einem Netzwerk von verteilten Radarsensoren und optischen Kameras, die der Geländekontur folgen. Es eignet sich somit insbesondere für den Einsatz in unübersichtlichen Umgebungen wie Veranstaltungsplätzen in Innenstädten, kritischen Infrastrukturen wie Flughäfen und Kraftwerken. ORAS bestimmt die Signatur der Drohnen und die Drehzahl der Rotorblätter. Hierdurch können Falschziele wie beispielweise Vögel zuverlässig detektiert werden und durch den Abgleich mit Datenbanken und den optischen Sensoren Rückschlüsse auf die Beladung gezogen werden. Das System ist in der Lage, mehrere Drohnen gleichzeitig zu orten und nachzuverfolgen.

Im vierten Förderprojekt MIDRAS ist das Fraunhofer HHI ein Projektpartner. Die Arbeit des Instituts konzentriert sich auf die Detektion und Abwehr von Mikrodrohnen. Die Forscher am Fraunhofer HHI nutzen sogenannte Massiv-MIMO-Antennen mit einer hohen Übertragungsqualität und Datenrate, um die Position von Mikrodrohnen präzise zu erfassen und gegebenenfalls zu stören oder zu beeinflussen.

Modulares DrohnenErfassungs- und AssistenzSystem (MODEAS)

MODEAS
© Fraunhofer IOSB

Als Eigenprojekt entwickelt das Fraunhofer IOSB unter dem Namen MODEAS ein Gesamtsystem, das von der Detektion bis zur Intervention die ganze Kette durchexerziert. Das System arbeitet mit unterschiedlichen Sensortypen. Vier hochauflösende Digitalkameras, die jeweils mit einem 25-Megapixel-Sensor ausgerüstet sind, generieren eine 360-Grad-Rundumsicht. Als Tracking-Einheit beim Verfolgen eines eindringenden Flugobjekts agieren Telezoom-Kameras, Richtmikrofone und Laserentfernungsmesser. Alle Daten werden in einem mobilen Kontrollzentrum visualisiert. Konfiguriert und bedient wird das System bequem über eine grafische Oberfläche. Jede MODEAS-Station hat eine optische Reichweite von bis zu 500 Metern. In Kombination mit Radartechnik vergrößert sich die Reichweite auf mehrere Kilometer.

Doch alle Warnsysteme haben mit einem leidigen Problem zu kämpfen: Fehlalarm. Nicht nur Vögel, auch die Kameradrohne des regionalen TV-Senders oder eine Drohne, die von der Polizei zur Überwachung eingesetzt wird, können einen Fehlalarm auslösen. Um solche Fehlalarme soweit als möglich zu vermeiden, haben die Fraunhofer-Experten eine Datenbank entwickelt, in der die Merkmale und visuell-optischen und Infrarot-Signaturen vieler Drohnenmodelle hinterlegt sind. Wenn die Sensoren eine Drohne entdecken, gleicht das System die Sensordaten in Echtzeit mit der Datenbank ab. Im Idealfall ist das Flugobjekt sofort schnell und zuverlässig klassifiziert. Die Software zeigt dann Informationen wie Nutzlast und Geschwindigkeit des Flugobjekts an. Daraus lassen sich weitere Rückschlüsse über das Gefahrenpotenzial ziehen und Abwehrmaßnahmen einleiten.

Sensoren der Zukunft

In der Sicherheitstechnologie ist es wichtig, dass unterschiedliche Sensoren zum Einsatz kommen, um das breite technisches Spektrum der Drohnen abzudecken und in unterschiedlichen Einsatzszenarien zuverlässig zu funktionieren. Vergleichbar sind menschliche Sinnesorgane, die sich im Idealfall ergänzen, aber im Notfall auch einzeln den lebensrettenden Impuls geben können. In der Sicherheitstechnologie verschaffen viele verschiedenartige Sensoren einem Abwehrsystem eine gesteigerte Resilienz. Zukunftsfähige Drohnen-Abwehrsysteme müssen deshalb über eine offene Architektur verfügen, die so flexibel ist, dass auch neuartige Sensoren integriert werden können, zum Beispiel ein Laser-Vibrometer für die Detektion auf große Entfernungen. Dieser Sensor »tastet« die Drohne ab und erfasst Vibrationen auf der Basis des Doppler-Effekts. Weist das modulierte Frequenzspektrum charakteristische Merkmale auf, kann durch den Vergleich mit einer zuvor erstellten Datenbank die Identifikation erfolgen. Ebenfalls ist in manchen Fällen messbar, ob die Drohne eine Ladung mit sich trägt, da eine beladene Drohne ein anderes Vibrationsverhalten aufweist als eine unbeladene. Diese Erkenntnis kann ein wichtiger Faktor für die Wahl der Abwehrmaßnahme sein. Fraunhofer-Wissenschaftler arbeiten daran, Laser-Vibrometer für den Drohneneinsatz tauglich zu machen.

Auch noch Zukunftsmusik bei der Drohnenabwehr ist der sogenannte »Laser-gated-viewing-Sensor«. Dieser Sensor blendet visuelle Störungen aus. Dadurch ist es möglich, Drohnen auch bei schlechten Sichtverhältnissen zu entdecken, etwa bei Nacht oder wenn sie hinter Büschen, in Rauch oder Nebel verborgen sind. Die Funktionsweise des Sensors besteht aus dem Zusammenspiel von gepulstem Laserstrahl im Nanosekundenbereich und Kameras mit einem zeitlich genau einstellbaren Verschlussintervall (Gate). Dadurch ist es möglich, dass das angepeilte Ziel sowohl vom Hintergrund separiert als auch der Vordergrund ausgeblendet wird. 


Intelligente Schwarmdrohnen

Der Trend bei Drohnen geht zu Schwarmintelligenz. Mithilfe komplexer Steueralgorithmen lernen sie, wie ein Vogelschwarm in Formation zu fliegen, Hindernissen auszuweichen und Ziele selbstständig zu verfolgen. Zu welchen Leistungen die kleinen Flugroboter fähig sind, zeigen Versuche des US-Verteidigungsministeriums, das bereits im Oktober 2016 einen Schwarm aus 103 Mikrodrohnen in Kalifornien zur Aufklärung eines Terrains erfolgreich testete. Dabei verhielten sich die autonom agierenden Minidrohnen wie ein kollektiver Organismus, der sich selbst steuert.


Diese Beispiele zeigen, wie wichtig die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Wissenschaft, Wirtschaft und Staat auf dem Gebiet der Sicherheitsforschung ist. Nicht nur die Technik, auch rechtliche und ethische Fragen spielen eine große Rolle, wenn es darum geht, innovative Entwicklungen in anwendungsorientierte Lösungen zu überführen.
 

Projekte zur Drohnenabwehr

Abwehr von unbemannten Flugobjekten für Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (AMBOS)

Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE 

Im deutsch-österreichischen Verbundprojekt »AMBOS« erarbeiten seit Februar 2017 insgesamt zwölf Partner aus Wissenschaft und Industrie ein System, das Drohnen erkennt, ihr Gefährdungspotenzial analysiert und – sofern erforderlich – Abwehrmaßnahmen durchführt. Als künftige Anwender des Systems sind dem binationalen Forschungsvorhaben fünf deutsche Sicherheitsbehörden, darunter das Bundeskriminalamt und die Bundespolizei, als Partner assoziiert. Gefördert wird AMBOS durch das deutsche Programm »Forschung für die zivile Sicherheit« des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) und das österreichische »Förderprogramm für Sicherheitsforschung – KIRAS« des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT).

 

Assistenzsystem zur situationsbewussten Abwehr von Gefahren durch UAS (ArGUS)

Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

Das System »ArGUS« detektiert unbemannte Flugsysteme und generiert Einsatzvorschläge für rechtlich abgesicherte Gegenmaßnahmen. Verbundpartner bei ArGUS sind der Verband für Sicherheitstechnik VfS, Hamburg, das European Aviation Security Center (EASC), Schönhagen bei Berlin, die beiden Industrieunternehmen Securiton GmbH (Achern) und die Atos Deutschland, sowie die Technische Hochschule Deggendorf und die Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Assoziierte Partner aus dem Bereich der Anwendung sind der Flughafen Frankfurt, der Hamburger Sicherheitsdienstleister Power Personen-Objekt-Werkschutz GmbH, das Landeskriminalamt Bayern und das Bundeskriminalamt.

 

Sensorgestütztes Überwachungs- und Alarmierungssystem zur Detektion und Verfolgung unbemannter Flugsysteme (ORAS)

Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR

Das System »ORAS« zielt auf die Detektion unbemannter Flugsysteme im urbanen Umfeld ab. Die Intenta GmbH entwickelt dabei neuartige schwenkbare optische Sensoren, die im Verbund mit einem vom Fraunhofer FHR konzipierten Radarnetzwerk und mit einem 360° Domradar der Spinner GmbH ein engmaschiges Überwachungsnetzwerk für unbemannte Flugsysteme aufspannen. In der von der ASINCO GmbH konzipierten Leitzentrale können mehrere UAS zuverlässig geortet und verfolgt werden. ORAS ist so konzeptioniert, dass es problemlos in die Gefahreneinsatzplanung eingebunden werden kann. Ein solches System ist für vielfältige Einsatzszenarien denkbar, z. B. mobil zum Schutz von Volksfesten oder Großveranstaltungen bis hin zu fest installierten Systemen zur Überwachung kritischer Infrastrukturen wie Flughäfen oder Kraftwerken. Rechtliche Fragestellungen werden dabei durch die TH Wildau genauso beleuchtet wie das wirtschaftliche Potenzial des Systemkonzeptes. 

 

Mikro-Drohnen-Abwehr-System (MIDRAS)

Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI

Im Rahmen des Projektes »MIDRAS« übernimmt das Fraunhofer HHI die Entwicklung und Einbindung von Massiv-MIMO Antennen. Diese werden für die räumliche Detektion von Mikro-Drohnen wie auch für die gezielte Störung eingesetzt.

 

Modulares DrohnenErfassungs- und AssistenzSystem (MODEAS) 

Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

»MODEAS« besteht aus einer flexibel der Aufgabe anpassbaren Anzahl kompakter gekoppelter Sensorstationen, die je nach Bedarf über hochauflösende optische Rundumsicht-Sensoren zur Ersterkennung, Tracking-Einheiten mit optischen Tele-Zoom-Kameras, Richtmikrofonen und Laserentfernungsmessern verfügen.