Im vergangenen Jahr verzeichnete die Deutsche Flugsicherung rund einhundert Beeinträchtigungen des Flugverkehrs allein durch Drohnen – trotz des durch Covid-19 ohnehin schon deutlich reduzierten Flugaufkommens. Um möglichen Unfällen durch diese Fluggeräte vorzubeugen, musste mitunter sogar der Flugbetrieb an den Airports unterbrochen werden. Aber jede Minute Stillstand verursacht hier einen hohen wirtschaftlichen und organisatorischen Schaden. Zumal Sicherheitsverantwortliche Starts erst wieder freigeben dürfen, wenn eine weitere Gefährdung durch die Drohne ausgeschlossen ist.

Wie aber lässt sich ein teils nur handtellergroßes Flugobjekt schnell und zuverlässig erkennen und trotz Fluggeschwindigkeiten bis weit über 100 km/h beobachten? Ein Flughafenradar ist darauf nicht ausgelegt. Und selbst wenn die Drohne entdeckt wurde: Wie kann sie zügig und sicher aus dem Luftraum entfernt werden?
Im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung BMBF hat ein Team des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie das Mikro-Drohnen-Abwehr-System (MIDRAS) entwickelt. Damit lassen sich die Flugobjekte nicht nur lokalisieren und nachverfolgen, sie können auch klassifiziert werden. Und MIDRAS ist in der Lage, situationsangepasste Maßnahmen zur Entfernung der Flugkörper aus dem Luftraum einzuleiten.

Der Einsatz des Systems ist zudem nicht auf Flughäfen beschränkt: Denkbar ist auch die Überwachung des Luftraums etwa bei Open-Air-Veranstaltungen oder zur Kontrolle des Luftraums über einem Industriegelände. Denn auch eine Drohne, die in der Nähe einer größeren Menschenansammlung außer Kontrolle gerät, kann eine gefährliche Paniksituation auslösen. Außerdem könnten Kriminelle die Fluggeräte für mancherlei Aktionen verwenden. Industriespionage oder das Ausspähen kritischer Infrastrukturen sei ebenso denkbar, wie gezielte Störaktionen bei Großveranstaltungen oder Einsätzen von Sicherheits- und Rettungskräften bis hin zu terroristischen Anschlägen. »All diese Szenarien soll und muss MIDRAS beherrschen«, erklärt Dr. Lars Thiele, der das Projekt beim Fraunhofer HHI leitet. Bei ersten Tests sei es gelungen, verschiedenste durch Drohnen verursachte, simulierte Gefahrenlagen souverän zu bewältigen.

Fliegende Drohnen präzise lokalisieren

MIDRAS muss dafür einige Aufgaben bewältigen. Denn eine Mikro-Drohne ist – zumindest für das menschliche Auge – in der Regel erst über dem Gelände zu erkennen, wenn sie sich auf weniger als einhundert Meter genähert hat. Und auch dann ist sie selbst für ein hochauflösendes Kamerasystem schwer zu detektieren. Elemente der Umgebung wie Bäume, Bepflanzungen, Gebäude oder ein ergrauter Himmel können eine Beobachtung zusätzlich erschweren.

Das MIDRAS-System arbeitet deshalb in diesem, ersten Schritt nicht mit optischen Sensoren, sondern mit einer Erfassung über Funkwellen. Denn jede Drohne hält kontinuierlich Funkkontakt zu ihrer Bodenstation, oder versucht es zumindest. Zusätzlich senden viele der Geräte Videosignale an den Controller der Hobbypilot*innen, um Aufnahmen oder die aktuelle Position zu übermitteln. »Mit unserem Antennensystem erfassen wir diese Funksignale und können damit die Position der Drohne präzise bestimmen und ihre Flugbahn verfolgen«, erklärt Thiele. Dafür nutzen die MIDRAS-Entwickler*innen Massive MIMO, eine der grundlegenden Technologien der 5G-Mobilfunkkommunikation, die am Fraunhofer HHI maßgeblich mitentwickelt wurde. Für die Multiple Input Multiple Output (MIMO)-Funkkommunikation nach 5G werden mehrere aktive Antennenelemente zu Arrays gebündelt. Diese Anordnung ermöglicht nicht nur hohe Datenraten in Empfangs- und Senderichtung. Die Datenfusion über die einzelnen Antennenelemente erlaubt zusätzlich, räumlich sehr exakt zu unterscheiden, aus welcher Richtung und Entfernung die empfangenen Funksignale kommen.

Genau diese Funktion nutzen die Forscher*innen des Fraunhofer HHI nun auch zur Lokalisierung der Drohnen. Der Prototyp von MIDRAS arbeitet aktuell mit zwei dieser Antennenarrays mit jeweils 32 Einzelelementen, die am Rande eines Geländes in einem Abstand von etwa zwanzig Metern platziert werden. Durch die zeitliche Verzögerung beim Empfang der Funksignale können Test-Mikro-Drohnen auch auf Entfernungen von mehreren hundert Metern exakt geortet werden. Die Verwendung der 5G-Basistechnologie hat dabei noch einen entscheidenden Vorteil: Mittelfristig wird es nicht mehr notwendig sein, ein zu überwachendes Gelände mit Antennenarrays speziell für die Drohnendetektion auszustatten. »Überall, wo ein 5G-Mobilfunknetz mit Multibandantennenarrays in Betrieb ist, könnte dieses Netz neben dem Mobilfunk und für IoT-Datenkommunikation auch dazu genutzt werden, um Drohnen zu orten, von denen eine Gefährdung ausgehen könnte«, erklärt Thiele.

Klassifikation der erfassten Drohnen

Die Positionsbestimmung per Funksignalen ist lediglich der erste Schritt, um eine Gefährdung durch das Flugobjekt einschätzen und verhindern zu können. Dazu ist ein zweiter Schritt erforderlich, in dem die Drohne möglichst aussagekräftig erkannt wird. Diese Aufgabe erfüllt das MIDRAS-System mittels optischer Sensoren. Da die exakte Position der Drohne von der Funkortung bekannt ist, lässt sich nun ein Kamerasystem gezielt auf das Flugobjekt ausrichten und kann detaillierte Aufnahmen liefern. Die Bildauswertung des MIDRAS-Systems bestimmt aus den optischen Informationen den Typ der Drohne sowie Bauart, Hersteller, Modell. Das Kamerasystem peilt dabei vom Boden den Standort der Drohne an. Oder es ist an einer eigenen Drohne installiert, die das MIDRAS-System dann in die unmittelbare Nähe des zu untersuchenden Flugobjekts heransteuert.

Gefahren beseitigen

Im dritten Schritt versucht das MIDRAS-System nun eine weitere Gefährdung auszuschließen. Die Forscher*innen arbeiten dafür unter anderem mit Störsignalen. In einer weiteren oder der bereits zur Erkennung eingesetzten Drohne ist dafür ein Sender integriert, der je nach Drohnentyp wirkmächtige Signale an den Eindringling schickt. Dadurch wird zum Beispiel die GPS-Lokalisierungsfunktion blockiert. Oder die Störsignale verhindern die weitere Kommunikation der Drohne mit ihrem Controller. Die meisten Mikro-Drohnen sind so programmiert, dass sie bei einer Unterbrechung ihrer Funkkommunikation entweder auf kürzestem Wege landen oder in den Auto-Return-Modus wechseln und auf direktem Weg zur Basisstation zurückkehren. Ist die Störmethode nicht erfolgreich, aktiviert MIDRAS Abfangdrohnen. Zwei Drohnen, zwischen die ein Netz gespannt ist, fliegen dann in die Flugbahn des Flugkörpers und bringen ihn zu Boden.

Im Rahmen des Verbundprojekts MIDRAS haben die Forschungspartner gezeigt, wie durch die Kombination verschiedener Sensoren- und Aktorensysteme eine Detektion und Abwehr von Mikro-Drohnen möglich ist. »Die einzelnen Komponenten von der Funkerfassung bis zum Abfangen der Drohnen funktionieren und arbeiteten effizient und wirkungsvoll zusammen. Das ist eine gute Basis, um die Technologien und Konzepte zu einsatzfertigen Systemprodukten für die Akteur*innen im Bereich der zivilen Sicherheit weiterzuentwickeln«, resümiert Thiele.

(stw)