Drohnenflug überwachen Sichere Drohnenflüge mit einer bodengestützten Radarplattform

Forscher wollen künftig den unbemannten Flugverkehr mit einer bodengeschützten Radarplattform absichern. Dazu sollen unter anderem 3D-MIMO-Antennen auf Grundlage dreidimensional strukturierter Substrate zum Einsatz kommen.

Flugzeuge werden von Radar im Luftraum überwacht. Damit kennt die Flugsicherung jederzeit die exakte Position der Flugzeuge. Mit der radargestützten Technik lassen sich Kollisionen im Personen- und Frachtflugverkehr verhindern. Das soll bald auch im unbemannten Luftraum über deutschen Städten möglich sein.

Dazu erproben Forscher der Fraunhofer-Institute IZM und FHR zusammen mit den IT-Sicherheitsexperten esc Aerospace und ESG, ob sich kostengünstige FMCW-Radarkomponenten (Frequency Modulated Continuous Wave Radar) für ein bodengebundenes Radarsystem zur Detektion von Drohnen und anderen unbemannten Flugobjekten im urbanen Raum eignen. Ziel ist die zuverlässige und permanente Ortung aller kooperativen und nicht-kooperativen Flugobjekte bis zu einer Flughöhe von 100 Metern.

Kollisionen mit Drohnen verhindern

Für die Entwicklung eines an die Höhenverhältnisse einer Großstadt angepassten und flächendeckenden Radarnetzes sollen einzelne Detektionskreise mit einer lateralen Ausdehnung von jeweils 500 Metern in einem Netzwerk zusammengeschlossen installiert werden. Die geschlossenen Sensornetzwerke kommunizieren miteinander und verhindern beispielsweise Kollisionen von Drohnen. Weiterhin lassen sich Informationen über die Position von Flugobjekten über einen theoretisch unbegrenzten Raum zuverlässig austauschen und über eine Serverarchitektur effizient überwachen.

Dazu notwendig ist eine geeignete Hardware für die integrierten Radarmodule innerhalb einer Zelle. Entwickelt wird die Hardware am Fraunhofer IZM im Projekt AKIRA. Konventionelle planare Antennenstrukturen eignen sich hierfür nicht. Deshalb sollen geometriepräzise 3D-MIMO-Antennen auf Grundlage dreidimensional strukturierter Substrate zum Einsatz kommen. Sowohl Formenbau und Ausrichtung der Antennen sind technisch komplex.

Gestützt von einer speziellen MIMO-Radararchitektur, bilden die 3D-Antennen das Kernstück der Boden-Radar-Stationen mit einer Reichweite von bis zu 500 Metern. Um den unbemannten Luftraum in einer Höhe von 100 Metern vollständig abzudecken, ist die Installation an öffentlichen Gebäuden oder Funkmasten vorgesehen.

Radarsensoren detektieren und klassifizieren Objekte

Ziel des Teilprojekts des Fraunhofer FHR ist es, die Untersuchung und Bewertung von Systemkonzepten für Radarsensoren, welche sowohl die Detektion und Klassifikation von Objekten als auch den Aufbau eines Netzwerks zur Datenkommunikation erlauben (Dual Function Radar and Communication – DFRC). In diesem Rahmen sollen geeignete Methoden zur Signalkodierung und Modulationsverfahren zunächst in Simulationen untersucht und mit Hinblick auf den erreichbaren Datendurchsatz und die Detektionsleistung bewertet werden. Die sich aus den geeigneten Verfahren ergebenden Anforderungen an das Systemdesign werden untersucht und ein erster auf Evaluation Hardware basierender Funktionsdemonstrator aufgebaut.

Wesentliche Ziele beim Systemdesign sind der Einsatz möglichst frei verfügbarer COTS-Bauteile im Hochfrequenz- und Digitalteil zum Aufbau des Funktionsdemonstrators, wodurch eine spätere Miniaturisierung in ein kostengünstigeres Design in Kooperation mit dem Fraunhofer IZM vorbereitet wird. Zudem besteht beim Systemdesign ein weiteres Ziel darin, eine geeignete digitale Hardwareplattform zu entwerfen, um möglichst hochfrequente, in Echtzeit steuerbare Sendewellenformen zu erzeugen für die Kommunikation und Detektion sowie zur Auswertung des empfangenen Radarechos und der Kommunikationssignale in Echtzeit.

Der Systementwurf wird in enger Abstimmung mit dem Fraunhofer IZM erfolgen, wo der Aufbau des finalen Demonstratorsystems durchgeführt wird. Zurzeit werden erste Evaluationsplattformen entworfen und designt. Sie sollen in den nächsten Monaten aufgebaut und evaluiert werden. Die erste Plattform wird den Partnern aus der Industrie zur Verfügung gestellt, um die Sicherheit des Systems im realen Umfeld zu testen.

Gesammelte Daten von Angriffen schützen

Als produktneutraler Systemintegrator und Produktentwickler werden die Mitarbeiter der esc Aerospace in dem Projekt sämtliche Daten, die von der ESG Elektroniksystem- und Logistik im Drohnendetektionssystem fusioniert werden, gegen Cyber-Security-Angriffe absichern. Das von esc Aerospace entwickelte Security Operation Center (SOC) basiert auf den Grundprinzipien der Cybersicherheit: Vertraulichkeit, Verfügbarkeit und Integrität (C-I-A).

Das SOC wird das Gesamtsystem permanent überwachen, Alarme auslösen und Angriffe von außen effektiv abwehren. Das Projekt läuft vom 1. Januar 2022 bis 31. Dezember 2024 und wird vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie mit einer Summe von 2,8 Mio. Euro gefördert.

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