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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bekämpfung eines gegnerischen Flugobjektes.
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Aus der
DE 10 2015 008 296 B4 ist ein Verfahren zur Bekämpfung einer gegnerischen Drohne bekannt. Das Verfahren verwendet zunächst eine Bekämpfungsanordnung mit einem Effektor, der eine HPEM-Einrichtung ist. Ferner verwendet das Verfahren eine Erkennungseinrichtung. Beschrieben ist, dass zweckmäßig mehrere Erkennungseinrichtungen für optische, thermische, akustische und/oder Radarsignale kombiniert werden, um eine Genauigkeit der Zielerfassung und der Berechnung der Flugbahn und Geschwindigkeit einer gegnerischen Kleindrohne zu erhöhen. In der Druckschrift wird nicht darauf eingegangen, ob und wie eine Evaluierung der Bekämpfung stattfindet.
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Aus der
EP 3 715 901 A1 ist zur Überwachung des Luftraumes eines Flughafens ein automatisiertes Verfahren zur Detektion und Klassifikation einer Drohne bekannt. Anstatt spezialisierte Mikro-Doppler-Radare zu verwenden, werden konventionelle Radare, wie ein Dauerstrichradar, ein Phased-Array-Radar oder ein Impulsradar zur Drohnen-Erkennung und -Klassifizierung verwendet. Denn Drohnen werden auf der Grundlage einer Radarplotebene aus digitalen Radarbildern erkannt und klassifiziert, indem ein Ausschnitt eines solchen digitalen Radarbilds an ein Deep-Learning-Modell gesendet wird, das in einer elektronischen Verarbeitungseinheit implementiert ist.
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Aus der
US 2020/0182967 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung einer Maschine bekannt. Ein auf die Maschine gerichtetes Radar erfasst und analysiert Mikro-Doppler-Signale und leitet daraus Überwachungsparameter ab. Alarm wird gegeben, wenn Werte eines Überwachungsparameters überschritten werden. Überwachungsparameter können eine Rotationsfrequenz oder eine Translationsfrequenz bewegter Teile der Maschine sein.
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Aus einem Aufsatz (Klaer, P., Huang, A., Sevigny, P., Rajan, S., Pant, S., Patnaik, P., & Balaji, B. (2020). An Investigation of Rotary Drone HERM Line Spectrum under Manoeuvering Conditions. Sensors (Basel, Switzerland), 20(20), 5940) ist bekannt, dass eine Mikro-Doppler-Analyse eine Möglichkeit bietet, Drohnen voneinander zu unterscheiden. HERM steht in diesem Aufsatz für eine Abkürzung von „Helicopter Rotor Modulation“. Eine Modulation der Dopplerfrequenz wird verursacht durch Bewegungen von Flügeln oder rotierenden Propellern. Mikro-Doppler-Radarsignaturen werden erfasst durch eine Kurzzeit-Fourier-Transformation. Abhängig von einer STFT(Short Time Fourier Transform)-Fensterlänge erhält man zwei unterschiedliche Arten von Spektrogrammen. Wenn die Fensterlänge kürzer ist als die Drehung, ist die Periode des Propellers und die Pulswiederholfrequenz (PRF) des Radars ausreichend hoch. Dann ist es möglich, das periodische Verhalten der einzelnen rotierenden Schaufeln als Schaufelblitze zu erfassen. Das Spektrogramm kann Auskunft über die Anzahl der rotierenden Rotorblätter und deren relative Bewegungsrichtung geben. Wendet man eine lange Fensterlänge bei der STFT an (Integration über mehrere Zyklen der Rotorblattrotation), sinkt die Zeitauflösung und die Frequenzauflösung erhöht sich. Das Spektrogramm zeigt die HERM-Linien. HERM-Linien sind Spektrallinien, die eher periodisch in der Dopplerfrequenz als in der Zeit sind. HERM-Linien ermöglichen es, eine Drohne zu klassifizieren, ob beispielsweise eine Ein-Propeller- oder Multi-Propeller-Drohne vorliegt.
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Aus der
DE 10 2017 108 733 B4 sind Verfahren zur Bestimmung von Parametern von Drohnen bekannt, bei denen ein Laser-Doppler-Vibrometer zum Einsatz kommt. Die Parameter können die Drehgeschwindigkeiten der einzelnen Rotoren sein.
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Aus der
US 2020 / 0 158 822 A1 ist ein Verfahren zur Bekämpfung einer gegnerischen Drohne mit Rotoren oder Propellern bekannt. Das Verfahren verwendet eine eigene Drohne mit einer Bekämpfungsanordnung mit einem Fangnetz und einem Radar und eine hieran angeschlossene Rechneranordnung. Die Rechneranordnung klassifiziert das gegnerische Flugobjekt aus vom Radar erhaltenen Mikro-Doppler-Echo-Signalen und zusätzlich aus vom Radar erhaltenen Makro-Doppler-Echo-Signalen.
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Aus der
CN 1 10 133 573 A 1 ist ein Verfahren zur Bekämpfung einer gegnerischen Drohne mit Rotoren oder Propellern bekannt. Das Verfahren dient zum Schutz einer Infrastruktureinrichtung und verwendet einen ortsfesten Jammer und ein ortsfestes Radar und eine hieran angeschlossene Rechneranordnung. Der Jammer bekämpft das gegnerische Flugobjekt. Die Rechneranordnung evaluiert die Bekämpfung unter Auswertung der Radarsignale.
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Aus einem Aufsatz (P. Wellig et al.: „Radar Systems and Challenges for C-UAV" 2018. 19th International Radar Symposium (IRS). Bonn. Germany. 2018. Seiten 1-8. IEEE https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8448071 [abgerufen am 12.06.2023]) ist ein Verfahren zur Klassifizierung einer gegnerischen Drohne mit Rotoren oder Propellern bekannt. Das Verfahren verwendet ein Radar und eine hieran angeschlossene Rechneranordnung. Die Klassifizierung erfolgt unter Auswertung von Mikro-Doppler-Echo-Signalen und Makro-Doppler-Echo-Signalen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Bekämpfung einer gegnerischen Drohne mit Rotoren oder Propellern so weiterzubilden, dass schnell und zuverlässig berechnet werden kann, ob die gegnerische Drohne erfolgreich bekämpft wurde oder nicht. Erfolgreich bekämpft bedeutet so viel wie eliminiert, abgewehrt oder ausgeschaltet in dem Sinne, dass das gegnerische Flugobjekt unschädlich gemacht wurde, seiner Funktion beraubt wurde oder so beschädigt wurde, dass es seinen Auftrag nicht mehr ausführen kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Die Vorteile der Erfindung resultieren daraus, dass bei einer Bekämpfung einer gegnerischen Drohne mit Rotoren oder Propellern ohne Zeitverzug berechnet wird, ob die Drohne erfolgreich bekämpft wurde oder nicht Es wird nicht gewartet, bis eine gegnerische Drohne sichtbar zu Boden stürzt. Vielmehr gelingt eine Evaluierung, ob eine Drohne ausgeschaltet ist, sogar in Echtzeit, weil Radardaten eines Radars verwendet werden.
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Das Radar erfasst Mikro-Doppler-Echo-Signale der Rotoren oder des Propellers des gegnerischen Flugobjektes und Makro-Doppler-Echo-Signale der Flugbahn der gegnerischen Drohne.
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Die Rechneranordnung berechnet mindestens aus den Mikro-Doppler-Echo-Signalen und zusätzlich aus den Makro-Doppler-Echo-Signalen Werte von Evaluierungsparametern. Werte der Evaluierungsparameter, die zeitlich vor einem Start der Bekämpfung erfasst wurden, werden verglichen mit Werten der Evaluierungsparameter, die zeitlich nach einem Start der Bekämpfung erfasst wurden, um zu evaluieren, ob die Drohne erfolgreich bekämpft wurde oder nicht.
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Eine frühzeitige Evaluierung, ob die gegnerische Drohne erfolgreich bekämpft wurde oder nicht, bietet vielfältige Vorteile. Die unmittelbar in Echtzeit erfolgende Evaluierung reduziert den Energiebedarf des Effektors, weil der Effektor nur so lange wie nötig zum Bekämpfen eingesetzt werden braucht. Sobald feststeht, dass eine erfolgreiche Bekämpfung einer gegnerischen Drohne berechnet wurde, kann die Bekämpfungsanordnung sich neuen Bekämpfungsaufgaben widmen.
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Das Radar ist der Sensor der Erkennung, ob das Flugobjekt erfolgreich bekämpft wurde. Daher arbeitet der Sensor wetter- und tageszeitunabhängig bei hoher Zuverlässigkeit. Wegen der geringen Baugröße findet der Sensor auch Platz in kleinen Bekämpfungseinrichtungen.
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Ferner weisen viele Bekämpfungsanordnungen ohnehin ein Radar zur Zielverfolgung auf. Überraschend wird dieses Radar nun auch für die zusätzliche Funktion verwendet, einen Bekämpfungserfolg mit Hilfe von Mikro-Doppler-Echo-Signalen zu evaluieren.
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Die aus Mikro-Doppler-Echo-Signalen berechneten Evaluierungsparameter der Rotoren oder der Propeller sind mindestens
- • eine Anzahl der Rotoren oder der Propeller, und
- • eine Drehgeschwindigkeit jedes Rotors oder Propellers,
weil diese Evaluierungsparameter aussagekräftig sind.
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Ein aus Makro-Doppler-Echo-Signalen berechneter Evaluierungsparameter der Flugbahn der gegnerischen Drohne ist mindestens
- • eine Vertikalgeschwindigkeit oder eine Horizontalgeschwindigkeit.
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Dies bietet sich zur Verfeinerung der Evaluierung an.
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Die gegnerische Drohne kann beispielsweise ein Quadrocopter sein. Die Drohne kann auch ein Starrflügler-UAV sein.
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Gegnerische Drohnen agieren häufig in einem Schwarmverband. Wenn die Evaluierung ergibt, dass die Bekämpfung nicht erfolgreich war, die Bekämpfung der gegnerischen Drohne fortgeführt wird, und wenn die Evaluierung ergibt, dass die Bekämpfung erfolgreich war, eine Einstellung der Bekämpfung der Drohne erfolgt, und falls weitere zu bekämpfende Drohnen vorhanden sind, der Effektor eine der weiteren Drohnen bekämpft.
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Der Effektor ist eine bewährte HPEM-Einrichtung.
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Die Bekämpfungsanordnung ist in einer eigenen Drohne integriert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 benutzt die Rechneranordnung zur Evaluierung einen Algorithmus. Alternativ oder ergänzend greift die Rechneranordnung auf eine Datenbank mit Daten zuvor getesteter Drohnen zu, wobei die Datenbank
- • zum einen Werte von Evaluierungsparametern aufweist, die vor einer Testbekämpfung erfasst wurden,
- • zum anderen Werte von Evaluierungsparametern aufweist, die nach einer Testbekämpfung erfasst wurden, und
- • zusätzlich Bekämpfungserfolgswerte aufweist, die den Evaluierungsparametern zugeordnet sind, die nach einer jeweiligen Testbekämpfung ermittelt wurden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen jeweils als Prinzipskizzen:
- 1a eine Bekämpfungsanordnung, eine gegnerische Drohne und ermittelte Vordaten aus Mikro-Doppler-Echo-Signalen;
- 1b eine Bekämpfungsanordnung und eine gegnerische Drohne im Moment einer HPEM-Bekämpfung;
- 1c eine Bekämpfungsanordnung, eine gegnerische Drohne und ermittelte Nachdaten aus Mikro-Doppler-Echo-Signalen;
- 1d-i eine Evaluierung mittels Algorithmus;
- 1d-ii eine Evaluierung mittels einer Datenbank mit Vergleichsdaten zuvor getesteter Drohnen.
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Bevor auf die Zeichnungen eingegangen wird, wird ein Verfahren zur Bekämpfung eines gegnerischen Flugobjektes mit Rotoren oder Propellern in seiner Gesamtheit vorgestellt:
- Das vorliegende Verfahren zur Bekämpfung eines gegnerischen Flugobjektes mit Rotoren oder Propellern verwendet eine Bekämpfungsanordnung mit einem Effektor und einem Radar und eine hieran angeschlossene Rechneranordnung. Die Schritte sind:
- a) der Effektor bekämpft das gegnerische Flugobjekt,
- b) die Rechneranordnung evaluiert die Bekämpfung, derart,
- c) dass die Rechneranordnung mindestens aus vom Radar erhaltenen Mikro-Doppler-Echo-Signalen und fakultativ zusätzlich aus vom Radar erhaltenen Makro-Doppler-Echo-Signalen Werte von Evaluierungsparametern berechnet, derart,
- d) dass zur Evaluierung, ob das Flugobjekt erfolgreich bekämpft wurde oder nicht, die Rechneranordnung
- • Werte der Evaluierungsparameter, die zeitlich vor einem Start der Bekämpfung erfasst wurden, und
- • Werte der Evaluierungsparameter, die zeitlich nach einem Start der Bekämpfung erfasst wurden,
auswertet.
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Das gegnerische Flugobjekt weist Rotoren auf. Abweichend hierzu könnte das Flugobjekt auch Propeller aufweisen.
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Das gegnerische Flugobjekt ist eine gegnerische Drohne.
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Der Effektor ist eine HPEM-Einrichtung.
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Die Bekämpfungseinrichtung ist in einer eigenen Drohne integriert.
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Auf die 1a, 1b und 1c eingehend, zeigen diese jeweils eine Bekämpfungsanordnung mit einer HPEM-Einrichtung 20 und einem Radar 30 und eine hieran angeschlossene Rechneranordnung 40. Ferner ist die bekämpfende Drohne 60 eingezeichnet.
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Die Evaluierungsparameter aus den Mikro-Doppler-Echo-Signalen der gegnerischen Drohne 60, die die Rechneranordnung 40 verwendet, sind:
- • eine Anzahl der Rotoren,
- • eine Drehgeschwindigkeit jedes Rotors.
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Zusätzlich wird eine Vertikalgeschwindigkeit als weiterer Evaluierungsparameter von der Rechneranordnung verwendet. Die Vertikalgeschwindigkeit ergibt sich aus Makro-Doppler-Echo-Signalen der Flugbahn der gegnerischen Drohne 60.
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Auf den Evaluierungsparameter der Anzahl der Rotoren eingehend, weist die gegnerische Drohne vier Rotoren auf.
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Auf die Evaluierungsparameter der Drehgeschwindigkeit eines jeweiligen Rotors eingehend, sind in 1a die Bezugszeichen N1, N2, N3 und N4 eingezeichnet: N1 ist die Drehgeschwindigkeit eines ersten Rotors, N2 die eines zweiten Rotors, N3 die eines dritten Rotors, und N4 die eines vierten Rotors.
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Die in 1a gezeigten Werte der Vordaten und die in 1c gezeigten Werte der Nachdaten stellen lediglich beispielhafte, stark vereinfachte, normierte, dimensionslose Größen dar.
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Nachfolgend werden Einzelheiten des Verfahrens beschrieben.
- 1a illustriert, dass zur Evaluierung, ob die Drohne 60 erfolgreich bekämpft wurde oder nicht, die Rechneranordnung 40 Werte der Evaluierungsparameter zeitlich vor einem Start der Bekämpfung erfasst.
- 1b illustriert, dass die HPEM-Einrichtung 20 die gegnerische Drohne 60 bekämpft.
- 1c illustriert, dass zur Evaluierung, ob die Drohne 60 erfolgreich bekämpft wurde oder nicht, die Rechneranordnung 40 Werte der Evaluierungsparameter zeitlich nach einem Start der Bekämpfung erfasst.
- 1d-i illustriert, dass zur Evaluierung, ob die gegnerische Drohne 60 erfolgreich bekämpft wurde oder nicht, die Rechneranordnung 40
- • Werte der Evaluierungsparameter, die zeitlich vor einem Start der Bekämpfung erfasst wurden, und
- • Werte der Evaluierungsparameter, die zeitlich nach einem Start der Bekämpfung erfasst wurden,
auswertet.
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Zur Evaluierung, ob die Drohne 60 erfolgreich bekämpft wurde oder nicht, benutzt die Rechneranordnung 40 einen Algorithmus. Die Werte für N1, N2, N3 und N4 der Vordaten und der Nachdaten werden erhalten, in dem die jeweilig empfangenen Mikro-Doppler-Echo-Signale einer Fourier-Transformation unterworfen werden. Aus den jeweilig erhaltenen Frequenzsignalen werden die Werte für N1, N2, N3 und N4 der Vordaten und der Nachdaten erhalten. Liegen die Werte der Vordaten und der Nachdaten für N1, N2, N3 und N4 vor, kommt ein Computerprogramm zum Vergleich dieser Daten zum Einsatz. In Worte gefasst besagt der Algorithmus, dass eine erfolgreiche Bekämpfung vorliegt, wenn mindestens 2 der 4 Rotoren eine Drehzahlminderung von mehr als 25 % aufweisen. Dies ist der Fall im vorgestellten Beispiel. Der Algorithmus hat festgestellt, dass die Drohne 60 erfolgreich bekämpft wurde.
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Eine Alternative zur Evaluierung mittels Algorithmus oder eine Ergänzung der Evaluierung mittels Algorithmus stellt eine Evaluierung mittels einer Datenbank mit Vergleichsdaten zuvor getesteter Drohnen dar.
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Dies illustriert 1d-ii. Zur Evaluierung, ob die Drohne 60 erfolgreich bekämpft wurde oder nicht, greift die Rechneranordnung 40 auf eine Datenbank mit Daten zuvor getesteter Drohnen zu, wobei
- • die Datenbank Werte von Evaluierungsparametern aufweist, die vor einer Testbekämpfung erfasst wurden,
- • die Datenbank Werte von Evaluierungsparametern aufweist, die nach einer Testbekämpfung erfasst wurden,
- • die Datenbank Bekämpfungserfolgswerte aufweist, die den Evaluierungsparametern zugeordnet sind, die nach einer jeweiligen Testbekämpfung ermittelt wurden.
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Wenn die Evaluierung ergibt, dass die Bekämpfung nicht erfolgreich war, wird die HPEM-Bekämpfung der gegnerischen Drohne 60 fortgeführt. Wenn die Evaluierung ergibt, dass die Bekämpfung erfolgreich war, dann erfolgt eine Einstellung der HPEM-Bekämpfung der Drohne 60. Falls weitere, zu bekämpfende Drohnen vorhanden sind, weil ein zu bekämpfender Drohnenschwarm vorliegt, bekämpft die HPEM-Einrichtung eine der weiteren Drohnen.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- HPEM-Einrichtung
- 30
- Radar
- 40
- Rechneranordnung
- 60
- gegnerische Drohne
- N1
- Drehgeschwindigkeit des ersten Rotors
- N2
- Drehgeschwindigkeit des zweiten Rotors
- N3
- Drehgeschwindigkeit des dritten Rotors
- N4
- Drehgeschwindigkeit des vierten Rotors
