Neue Systeme zur Detektion und Abwehr von Drohnen

Daniela Metz

Universität Würzburg

Drohnen sind in den letzten Jahren immer leistungsfähiger und kostengünstiger geworden – und im Bereich des Bevölkerungsschutzes zu einer neuen Herausforderung. Die Gefahr einer kriminellen Verwendung oder der Durchführung von terroristischen Anschlägen mit Drohnen ist real. Vier vom Bundesforschungsministerium geförderte Projekte entwickelten daher neue Systeme zur Detektion und Abwehr von Drohnen. Bei dem Stichwort Drohnen werden die meisten vielleicht zuerst an Hobbydrohnen denken, die es in den unterschiedlichsten Preisklassen für beinahe jeden Anspruch gibt. Oder vielleicht an Lieferdrohnen, die uns in naher Zukunft die Pakete vor die Haustür oder in den Garten liefern. Drohnen können aber bereits jetzt viel mehr und werden eine immer wichtigere Rolle in unserem alltäglichen Leben spielen.

Hauptgrund für den „Drohnen-Boom“ ist sicherlich, dass die Technik in den letzten Jahren immer ausgereifter geworden ist und es Fluggeräte für jeden Geldbeutel gibt. Auch im Selbstbau-Bereich gibt es bereits Drohnen, die mehrere Kilogramm Nutzlast tragen können. Hochwertige kommerzielle Drohnen, die in einem preislich bezahlbaren Rahmen liegen, liefern inzwischen gestochen scharfe Videos in 4K-Auflösung, haben zur Bildstabilisierung einen Gimbal eingebaut, können mit einer Akkuladung bis zu einer halben Stunde in der Luft bleiben, haben neben GPS jede Menge Sensorik wie Lage- und Kollisionsverhinderungssensoren eingebaut und können im Notfall oder bei niedrigem Akkustand selbstständig zur Steuereinheit am Boden zurück fliegen.

Vier Drohnen-Forschungsprojekte

Der „Boom“ hat aber auch eine Kehrseite. Dadurch, dass Drohnen in unterschiedlichsten Ausführungen auf dem Massenmarkt angekommen sind, gibt es auch neue Herausforderungen im Bevölkerungsschutz zur Detektion und Abwehr von jenen Fluggeräten, die unerlaubt in Sicherheitszonen eindringen. Solche von der Polizei als „sichere Zonen“ definierte Bereiche sind beispielsweise Einrichtungen wie Bundesbehörden, Flughäfen und Industrieanlagen, es können aber auch Menschenansammlungen und Einsatzorte von Polizei und Rettungskräften sein.

Eines der in Deutschland bekanntesten Beispiele, das für einen kurzen Schreckmoment sorgte, war eine kleinere Drohne, die 2013 während eines Wahlkampfauftritts nur wenige Meter vor der Bundeskanzlerin in der Luft schwebte. Im Nachhinein stellte sich heraus, dass von dem Fluggerät keinerlei Gefahr ausging. Dennoch führen solche und andere Fälle, wie z. B. die im letzten Jahr durch Drohnen verursachte Schließung des Flughafens London-Heathrow, zu einem Umdenken im Bevölkerungsschutz und zu neuen Regelungen, wie Flugverboten in sicherheitsrelevanten Zonen. Für Menschen mit kriminellen und terroristischen Absichten ist es jedoch noch immer leicht, Drohnen als Werkzeug zu missbrauchen, um beispielsweise Firmen auszuspionieren, sie gezielt als Waffe gegen einzelne Personen einzusetzen oder sie als Trägerplattform für Bomben und Gefahrenstoffe zu verwenden.

Im Jahr 2017 sind daher vier Forschungsprojekte gestartet, die sich mit der Detektion und der Auswahl von situationsangepassten Abwehrmaßnahmen gegen in sichere Zonen eindringende Drohnen beschäftigen. Alle Projekte wurden kürzlich erfolgreich abgeschlossen und sind vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Maßnahme „Aspekte und Maßnahmen der Terrorismusbekämpfung“ des Programms „Forschung für die zivile Sicherheit“ mit insgesamt rund 9,2 Millionen Euro gefördert worden. Das Spannende ist: Alle vier Projekte haben dabei unterschiedliche Herangehensweisen.

Impressionen und verschiedene Komponenten des AMBOS-Systems
Impressionen und verschiedene Komponenten des AMBOS-Systems (von
links nach rechts). Oben: Drohne, Akustiksensor, Kamerasensor,
Funksensor und Radarsensor, Präsentation im Rahmen der Demonstration,
Unten: Besuchergruppe, Jammer, HPEM, Netzwerfer, Drohne.
Quelle: Fraunhofer FKIE

AMBOS – Drohnen erkennen, verifizieren und bekämpfen

Eine Drohne fliegt mit knapp 50 Stundenkilometern über grüne Wiesen und Wälder. Die Idylle ist trügerisch, denn ihr Ziel ist das Gelände eines führenden Forschungsinstituts. Unten am Boden, auf der Grundstücksfläche des Instituts, sind die Wissenschaftler jedoch vorbereitet. Aus transportablen, silbernen Aluminiumboxen wurden verschiedene Systemkomponenten herausgeholt und aufgebaut. Um die Drohne aufzuspüren, werden mehrere unterschiedliche Sensorsysteme genutzt: Optische Sensoren in Form von speziellen Kameras, Radarsensorik und Funkaufklärung sowie akustische Sensoren. In einem mobilen Leitstand laufen die Daten zusammen und werden auf mehreren Laptopbildschirmen dargestellt.

Auf einem Bildschirm, auf dem die Daten der Überwachung des Luftraums mit den verschiedenen Sensoren dargestellt werden, erscheint plötzlich die anschwebende Drohne mit Angabe der Flugrichtung, Flughöhe und Geschwindigkeit. Gleich mehrere Sensorsysteme haben sie entdeckt. Nachdem das System die Drohne verifiziert hat, dreht sich ein Störsender bzw. „Jammer“ in die richtige Position. Die eindringende Drohne wird angepeilt und der Jammer aktiviert. Die ausgesandten elektromagnetischen Wellen stören die Frequenz, die zur Steuerung der Drohne verwendet wird. Mit einem Ruck bleibt die Drohne ohne Funksignal plötzlich mitten in der Luft schwebend stehen. Der Drohnenangriff wurde erfolgreich abgewehrt.

Dieses Szenario war ein Praxistest, den der bilaterale Projektverbund „Abwehr von unbemannten Flugobjekten für Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (AMBOS)“ mit zwölf Partnern aus Deutschland und Österreich im Frühjahr 2019 erfolgreich abgeschlossen hat. „Der Fokus von AMBOS liegt auf dem gesamtheitlichen Ansatz zur Drohnenabwehr mit Schwerpunkt auf einer für polizeiliche Einsätze optimierten Lagedarstellung und Entscheidungsunterstützung“, erklärt der Verbundkoordinator Hans Peter Stuch vom Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie (FKIE).

Im Rahmen der drei aufeinanderfolgenden Stufen Detektion, Verifikation und Intervention hält AMBOS eine ganze Palette an Maßnahmen für den an die jeweilige Situation angepassten Umgang mit Drohnenangriffen bereit. Die Daten der detektierenden Sensoren werden im System dabei miteinander fusioniert und an eine Lagedarstellung übergeben. Die mit ihr eng gekoppelte Entscheidungsunterstützung erlaubt dem Nutzer aus dem Sicherheitsbereich schnellstmöglich zu intervenieren, sprich Abwehrmaßnahmen gegen anfliegende Drohnen einzuleiten.

 „Mit dem Jammer steht ein Störsender gegen die Funkverbindung von der Fernbedienung zur Drohne und gegen die Signale der Satellitennavigation zur Verfügung. Mit der HPEM-Komponente (High Power Electromagnetic) können wir die Bordelektronik der Drohne stören und mit dem Netzwerfer ein Fangnetz verschießen“ so Stuch.

Zwei Abfangdrohnen haben eine Drohne im Netz gefangen.
Zwei Abfangdrohnen haben eine Drohne im Netz gefangen.
Quelle: Universität Würzburg

MIDRAS – ein guter Fang

Auch im Projekt „Mikro-Drohnen-Abwehr-System (MIDRAS)“ haben die sechs Projektpartner ein System zur Detektion, Verfolgung und Abwehr von Drohnen entwickelt. Um die kleinen und wendigen Drohnen zu detektieren, nutzt MIDRAS ebenfalls unterschiedliche, miteinander gekoppelte Sensorsysteme. Mit Hilfe von Sensordatenfusion und Auswertungsalgorithmen werden genaue Positions- und Kursdaten der Flugobjekte geliefert. Zur Detektion werden Kameras eingesetzt, die besonders für eine verbesserte Sicht bei Dunkelheit und wetterbedingten Störungen wie Nebel, Regen oder Schnee entwickelt wurden sowie Wärmebildkameras. Als akustische Sensoren werden spezielle Schall­emissionssensoren verwendet. Ein SONAR-System ortet die Drohne mittels ausgesandter Schallimpulse.

Doch für welche kriminellen Handlungen könnten Drohnen eingesetzt werden? Hier hat der MIDRAS-Verbund die breite Palette von Szenarien wie Schmuggel von Waffen, Drogen oder Mobilfunkgeräten in Gefängnisse, Industriespionage und Sabotage von kritischen Infrastrukturen sowie terroristische Anschläge mit selbst hergestellten Bomben (unkonventionelle Spreng- und Brandvorrichtungen) betrachtet. Dabei wurde der individuelle Bedarf der unterschiedlichen Anwender mitbedacht – so hat beispielsweise das Sicherheitspersonal an Flughäfen einen anderen Anforderungsbedarf als Polizisten, die das System mobil bei Großveranstaltungen einsetzen wollen. Dafür wurde eine Grundkonfiguration entwickelt, die durch einzelne Module im Sinne eines Baukastensystems flexibel erweitert werden kann.

Besonders innovativ und einmalig ist hier jedoch die Entwicklung einer ganz speziellen Abwehrmaßnahme: Zwei miteinander gekoppelte Drohnen fangen die in die Sicherheitszone eingedrungene Drohne mit einem Fangnetz ab. Die beiden Drohnen, zwischen denen das Netz aufgespannt ist, müssen absolut synchron aufeinander abgestimmt sein. Sie starten und fliegen mit dem Fangnetz im Schlepptau nach einmaligem Knopfdruck autonom, was bedeutet, sie müssen die anfliegende Drohne zweifelsfrei erkennen, zu ihr hinüberfliegen und sie im Flug mit dem Netz selbstständig abfangen. Auf einer Projektdemonstration im Sommer 2020 hat das gut funktioniert, dennoch muss das System für einen zuverlässigen Einsatz in der Praxis noch weiterentwickelt werden. Der Vorteil liegt jedoch auf der Hand: Im Netz gefangen stürzt die Drohne nicht ab, sondern kann von den beiden Abfangdrohnen gezielt zu Boden gebracht werden. So bleibt sie intakt und kann von der Polizei untersucht werden.

ArGUS – Zeit ist relativ

Die Zeit spielt im Projekt „Assistenzsystem zur situationsbewussten Abwehr von Gefahren durch UAS (ArGUS)“ die Hauptrolle. Hier sollen unautorisierte Drohnen besonders frühzeitig ausgemacht werden.

UAS zeitliche Aspekte bei geplanten Anschlägen
Zeitlicher Aspekt bei geplanten Anschlägen durch UAS
Quelle: IOSB

 „Das primäre Ziel war die zeitliche und örtliche Vorverlegung des Detektionszeitpunkts in einen Bereich, in dem noch eine angemessene Reaktion erfolgen kann. Angemessen bedeutet in diesem Kontext: mit guten Chancen auf Erfolg, mit geringen Risiken für Beteiligte und Unbeteiligte als auch mit möglichst geringen Kosten“, erklärt Projektkoordinator Dr. ­Gunther Grasemann vom Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB). Das System soll es den Einsatzkräften ermöglichen, eine Bedrohung schnell zu erkennen, die Auswirkungen korrekt abzuschätzen und zügig eine optimale Entscheidung für geeignete Gegenmaßnahmen treffen zu können. „Wir haben nur einen Versuch“, erklärt Herr Grasemann. „Wir fliegen zwar zum Mond, aber fangen immer noch keine Mücke, wenn sie einmal im Zimmer ist.“ Das soll sich ändern.

Dafür werden im Projekt verschiedene optische, akustische, funk- und radarbasierte Techniken zur Detektion von Drohnen analysiert, um die geeignetste Sensor-Kombination für das Gesamtsystem zu finden. Zusätzlich wird die Hochfrequenz-Kommunikation zwischen Drohne und Basisstation analysiert. So haben die Sicherheitskräfte einen richtungsweisenden Anhaltspunkt, wo sie nach der Basisstation und dem Drohnenpiloten suchen sollten und können nach dem Abgleich mit einer im Projekt entwickelten Datenbank den Drohnentyp abschätzen. Mit Hilfe von Authentifizierungsverfahren von Flugregistern wird dann bestätigt, ob es sich dabei um eine autorisierte oder nicht autorisierte Drohne handelt. Nach einer Situationsanalyse und Risikobewertung gibt das Assistenzsystem anschließend eine Bewertung und einen Vorschlag für Abwehrmaßnahmen aus.

Da die Entscheidung über einzuleitende Gegenmaßnahmen immer noch von Menschen getroffen wird, wurden in ArGUS passende Konzepte zur Aus-, Fort- und Weiterbildung des Sicherheitspersonals erarbeitet. Zudem sind auch noch viele Rechtsfragen im Bereich der Drohnenabwehr ungeklärt, so dass eine rechtswissenschaftliche Begleitung die Arbeiten des Verbundes als wichtigen Projektinhalt abrundet.

Mobile Radarsensoren und Kamerasysteme
Miteinander gekoppelte, mobile Radarsensoren und Kamerasysteme
spannen ein Netz über einen Sicherheitsbereich in einer Stadt.
Quelle: Fraunhofer FHR / Andreas Schoeps

ORAS – das unsichtbare Sensornetz

Das Projekt „Sensorgestütztes Überwachungs- und Alarmierungssystem zur Detektion und Verfolgung unbemannter Flugsysteme (ORAS)“ konzentriert sich auf die Detektion von Drohnen in Städten. Diese können sich in den tiefen Straßenschluchten – im wortwörtlichen Sinne – unter dem Radar einem Sicherheitsbereich nähern. Das bringt bei der Überwachung von Großveranstaltungen im Ernstfall extrem kurze Reaktionszeiten mit sich. „Aus diesem Grunde haben wir im ORAS-Projekt an neuen Radarsystemen und optischen Sensoren gearbeitet, die ein Sensornetz über ein Stadtgebiet aufspannen. Damit können wir einfliegende Drohnen frühzeitig detektieren“, erklärt Projektkoordinator Dr. Dirk Nüßler vom Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR).

Für den schnellen und mobilen Einsatz – zwei Personen sollen das System innerhalb weniger Stunden aufbauen und bedienen können – nutzen die Wissenschaftler kleine, kostengünstige Radar- und optische Sensoren. Diese können flexibel aufgestellt sowie an Sicherheitszäunen, Absperrungen oder Hauswänden angebracht werden. Mit Hilfe der Radarsensorik kann der Bereich bei allen Wetterbedingungen überwacht werden. Unterstützt werden die Radarsensoren von optischen Sensoren wie Infrarotkameras, die zu jeder Tageszeit eingesetzt werden können. Auch sogenannte Falschziele wie Vögel und andere zugelassene Drohnen sollen durch das System erkannt werden. Projektübergreifend wurden dabei auch die rechtlichen Rahmenbedingungen bewertet, unter denen Detektions- und Abwehrsysteme eingesetzt werden dürfen. Neben den rechtlichen Rahmenbedingungen eines Einsatzes umfasste die Analyse auch Fragestellungen bezüglich der gesellschaftlichen Akzeptanz, sowie ökonomische und ökologische Fragestellungen.

„Ein wichtiger Punkt war die Übergabe der Detektion einer Drohne zwischen den einzelnen Sensoren“, weist Herr Nüßler auf die Innovation im Projekt hin. „So müssen die optischen Sensoren die Position einer Drohne, die durch ein Radarsystem detektiert wird, schnell und zuverlässig erfassen und dabei berücksichtigen, dass die Drohne sich in der Zwischenzeit weiterbewegt hat. Dieses ist insbesondere in Szenarien wichtig, in denen mehrere Drohnen gleichzeitig in der Luft sind. So muss zum Beispiel das optische System in der Lage sein, im Nahbereich die Drohne selbstständig zu suchen und zu erfassen. Anderseits muss das System auch in größerer Entfernung die Drohne möglichst hochauflösend abbilden können.“

Leistungsschau und Weiterentwicklung

Anfang September 2020 haben sich alle Partner der vier Drohnenprojekte zu einer Leistungsschau im baden-württembergischen Mosbach getroffen. Vor ausgewählten Vertretern, z. B. aus Polizei, Justizvollzugsanstalt und Deutscher Flugsicherung, zeigten die Demonstratoren der Projekte, was bereits alles technisch und wissenschaftlich möglich ist. Als Nächstes sollen die Projekthighlights mit gemeinsamer Expertise weiterentwickelt werden, damit die innovativen Komponenten und Systeme für staatliche und private Akteure aus dem Sicherheitsbereich zügig auf den Markt kommen.

Dass es in Zukunft im Bereich der Drohnenabwehr dennoch viel zu tun gibt, wissen die 30 Partner aus den Projekten AMBOS, ArGUS, MIDRAS und ORAS nur zu gut. 

"Zukünftig sehen wir dabei immer mehr kommerzielle Dienstleistungen, die durch Drohnen erbracht werden. Insoweit werden gerade in Städten eine Vielzahl von Drohnen gleichzeitig in der Luft sein, um z. B. Medikamente oder Pizzas auszuliefern oder den Verkehrsfluss zu überwachen. Die Entwicklung von Sicherheitskonzepten zur Drohnenabwehr muss diesen Trend heute schon berücksichtigen“, erklärt Herr Nüßler aus dem ORAS-Verbund. „Die Fortschritte im Bereich der Mikroelektronik führen zu einem kontinuierlichen Anstieg der Fähigkeiten von Drohnen“, fügt Herr Stuch vom AMBOS-Projekt hinzu. „Mit diesen Eigenschaften müssen die Abwehrsysteme möglichst Schritt halten, um den Sicherheitskräften wirksame Einsatzmittel zur Verfügung zu stellen. In diesem Kontext liegen künftige Herausforderungen in der Bekämpfung von Drohnenschwärmen, sehr schnell fliegenden Drohnen und für das Radar unsichtbare Stealth-Drohnen.“ „Wesentlich für die Bewältigung der kommenden Drohnenflut wird eine zuverlässige Freund-­Feind-Erkennung sein, damit man sich auf die wenigen wirklich gefährlichen Exemplare konzentrieren und hier frühzeitig die beste Lösung für eine Reaktion finden kann“, so die Einschätzung von Grasemann. „Leider ist auch hier mit einem gewaltigen Täuschungspotenzial zu rechnen, so dass dieses 'Hase-Igel-Spiel' noch auf unbestimmte Zeit weitergehen und immer neue Lösungsansätze erfordern wird.“

Mehr Informationen zu den Projekten AMBOS, ArGUS, MIDRAS, ORAS sowie dem BMBF-Förderprogramm „Forschung für die zivile Sicherheit“ finden Sie unter www.sifo.de 

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