Sichere Drohnenflüge über deutschen Metropolen

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. Forschende 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.

Drohnen kommunizieren künftig so sicher wie bisher Flugzeuge

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 Forschenden 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 Forschenden 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 Mitarbeitenden der esc Aerospace in dem Projekt sämtliche Daten, die von der ESG Elektroniksystem- und Logistik-GmbH im Drohnendetektionssystem fusioniert werden, gegen Cyber Security 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. Das Projekt läuft vom 01.01.2022 bis 31.12.2024 und wird vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie mit einer Summe von 2,8 Mio. Euro gefördert.

Workshop »Drohnentechnik für Logistikanwendungen«

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 Teilnehmenden sollen Use Cases erarbeitet sowie Kernfragestellungen und Parameter der Forschungsthemen festgelegt werden. Der Workshop wird von Expertinnen und 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 50 Prozent zu steigern. Dafür wollen die Institute mehrere europäische Partner aus der Hardware- und Sensorentwicklung, KI-Signalverarbeitung, Sensorfusion, Drohnentechnologie sowie aus der Logistik zusammenbringen.

Das Programm sowie weitere Informationen zu dem Vorhaben und den Anmeldelink finden Sie hier: https://www.fkie.fraunhofer.de/de/Veranstaltungen/workshop-drones-logistics.html.

(Text: Niklas Goll)