16.02.2023

Wie Drohnen sicherer fliegen

Projekt Akira entwickelt Radarsystem zur Detektion von Drohnen und anderen unbemannten Flugobjekten im urbanen Raum.

Radargestützte Verkehrs­management­systeme in der kommerziellen Luftfahrt garantieren einen störungsfreien und sicheren Flugverkehr. Im Projekt Akira entwickeln Fraunhofer-Forscher zusammen mit Industrie­partnern eine boden­gestützte Radar­plattform für die Überwachung des unbemannten Flug­verkehrs der Zukunft. So soll ein sicherer Personen- und Lieferverkehr mit automatisierten Drohnen über deutschen Großstädten Realität werden. Weiterhin laden vier Fraunhofer-Institute zum Thema „Drohnen­technik für Logistik­anwendungen“ am 28. Februar 2023 zu einem zweitägigen Workshop nach Wachtberg ein.

 

Abb.: Dank einer bodengestützten Radar­plattform soll ein sicherer Personen-...
Abb.: Dank einer bodengestützten Radar­plattform soll ein sicherer Personen- und Liefer­verkehr mit automatisierten Drohnen Realität werden. (Bild: Thanongsak, Fh.-IZM)

Flugreisende im europäischen, asiatischen und amerikanischen Luftraum fliegen heute in dem Wissen, dass die Flugsicherung an Flughäfen jederzeit die genaue Position ihrer Maschine lokalisieren kann. Diese radargestützte Technologie gewährleistet den heutigen Personen- und Fracht­flugverkehr und verhindert erfolgreich Kollisionen von bemannten Flugobjekten. Das soll bald auch im unbemannten Luftraum über deutschen Städten möglich sein.

Forscher der Fraunhofer-Institute IZM und FHR erproben zu diesem Zweck in Zusammenarbeit mit den IT-Sicherheitsexperten esc Aerospace und ESG die Eignung von kostengünstigen FMCW-Radar­komponenten für ein boden­gebundenes Radarsystem zur Detektion von Drohnen und anderen unbemannten Flugobjekten im urbanen Raum. Ziel ist die zuverlässige und permanente Ortung aller kooperativen und nicht-kooperativen Flugobjekte bis zu einer Flughöhe von 100 Metern.

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. Diese geschlossenen Sensor­netzwerke können dann miteinander kommunizieren und beispielsweise Kollisionen von Drohnen verhindern. Weiterhin lassen sich Informationen über die Position von Flugobjekten über einen theoretisch unbegrenzten Raum zuverlässig austauschen und über eine Serverarchitektur effizient überwachen.

Die Forscher am Fraunhofer IZM entwickeln im Projekt Akira eine geeignete Hardware für die integrierten Radarmodule innerhalb einer Zelle. Da konventionelle planare Antennenstrukturen hierfür nicht geeignet sind, sollen geometriepräzise 3D-MIMO-Antennen auf Grundlage dreidimensional strukturierter Substrate zum Einsatz kommen. Dabei sind der Formenbau und die Ausrichtung der Antennen eine technologische Herausforderung, die von den Forschern gelöst werden muss. Gestützt von einer innovativen 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.

Ziel des Teilprojekts des Fraunhofer FHR ist 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- bzw. 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. Diese erste Plattform wird den Partnern aus der Industrie zur Verfügung gestellt, um die Sicherheit des Systems im realen Umfeld zu testen.

Als produktneutraler System­integrator und Produkt­entwickler werden die Mitarbeiter der esc Aerospace in dem Projekt sämtliche Daten, die von der ESG Elektroniksystem- und Logistik-GmbH im Drohnen­detektions­system fusioniert werden, gegen Cyber-Angriffe absichern. Das von esc Aerospace entwickelte Security Operation Center (SOC) basiert dabei auf den Grund­prinzipien der Cyber­sicherheit: Vertraulichkeit, Verfügbarkeit und Integrität (C-I-A). Dieses SOC wird das Gesamt­system permanent überwachen, Alarme auslösen und Angriffe von außen effektiv abwehren.

Interessierte am Thema Drohnen­forschung sind herzlich eingeladen, sich für den Workshop „Drohnen­technik für Logistik­anwendungen“ anzumelden, der vom 28. Februar bis 1. März 2023 am Fraunhofer FKIE in Bonn-Bad Godesberg stattfinden wird. Mit den Teilnehmern sollen Use Cases erarbeitet sowie Kern­frage­stellungen und Parameter der Forschungs­themen festgelegt werden. Der Workshop wird von Experten der vier Fraunhofer-Institute (Fraunhofer IZM, Fraunhofer FHR, Fraunhofer IFF und Fraunhofer FKIE) durchgeführt, die sich zusammen­geschlossen haben, um auf der Basis von innovativen Logistik­konzepten neue Lösungen für Drohnen­anwendungen im Logistikbereich mithilfe von Sensor­entwicklung und -fusion zu erarbeiten. Ihr gemeinsames Ziel ist es, die Produktivität von Drohnen­anwendungen in diesem Bereich um mehr als fünfzig Prozent zu steigern. Dafür wollen die Institute mehrere europäische Partner aus der Hardware- und Sensorentwicklung, KI-Signal­verarbeitung, Sensorfusion, Drohnen­technologie sowie aus der Logistik zusammen­bringen.

Fh.-IZM / DE

 

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