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1-2018

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik

Messtechnik Drohnen-Alarm! Die für zahlreiche Anwendungen – vor allem im Bereich der Überwachung und Sicherheit – in immer größerem Umfang eingesetzten, preiswerten und leicht zu fliegenden Drohnen werfen leider auch eine Reihe von Sicherheitsproblemen auf. Das Erfassungssystem R&S ARDRONIS hilft Behörden, Wirtschaft und Betreibern kritischer Infrastrukturen beim Schutz von Personen und Gütern. Megatrend Mikrodrohne Vorfälle mit kommerziell erhältlichen Drohnen erscheinen beinahe täglich in den Medien: Drohnen in Flughafennähe gesichtet, über Kraftwerken, Regierungsgebäuden, politischen Veranstaltungen oder auch über Autoteststrecken. Mehr als 300.000 Drohnen gehen derzeit weltweit pro Monat über die echte oder virtuelle Ladentheke. Es wird geschätzt, dass der kommerzielle Drohnenmarkt bis zum Jahr 2025 ein Volumen von mehr als 8,5 Milliarden Euro erreicht. Diese erschreckende Zahl relativ preiswerter und leicht benutzbarer Flugdrohnen bedeutet eine neuartige Herausforderung für den Schutz öffentlicher und privater Räume, da sich die einfach zu beschaffenden und zu fliegenden Geräte leicht für missbräuchliche Ziele zweckentfremden lassen. Als schwer zu entdeckende Flugspione und Träger von Nutzlasten bis in den Kilogramm-Bereich stellen sie eine aus vielen Gründen wachsende Bedrohung dar, gegen die technische Unterstützung erforderlich ist. Zunächst gilt es, die kleinen Flugkörper überhaupt zu entdecken. Sodann ist zu erwägen und zu entscheiden, ob Abwehrmaßnahmen gegen den Eindringling ergriffen werden sollen. Statt auf optische Erfassung oder Radarüberwachung setzt die Rohde & Schwarz-Lösung auf die Identifizierung, Peilung und Unterbrechung der Funksignale von und zur Drohne. R&S ARDRONIS (Automatic Radio-controlled Drone Identification Solution) hat sich dafür bereits bei Einsätzen der höchsten Sicherheitsstufe bewährt. Einige Fakten über Drohnen Kleine Drohnen, auch Mini- oder Mikro-UAVs genannt (Unmanned Aerial Vehicles), werden grundsätzlich vom Boden aus ferngesteuert, verfügen in höherwertigen Modellen oft aber auch über Navigationstechnik, die sie dazu befähigt, eigenständig vorgegebene Routen abzufliegen. UAVs im Allgemeinen lassen sich in folgende Verwendungsgruppen einteilen: • Drohnen für die private Nutzung (Spielzeug, Hobby) • kommerziell genutzte Drohnen (Luftbild, Logistik u.ä.) • militärische Drohnen (künstliche Ziele, Aufklärung, Kampf). R&S ARDRONIS bedient ausschließlich den zivilen Bereich. Die rasch zunehmende Intelligenz der hier eingesetzten Modelle (z.B. die automatische YingSin Phuan Rohde & Schwarz www.rohde-schwarz.de Proprietäre FHSS/DHSS-Steuersysteme WLAN Bluetooth Größte Verbreitung (> 80 %) Reichweite: < 1 km bis 100 mW, Sendeleistung 3 km mit Leistungsverstärker, manche Standards beinhalten Telemetriedaten im Downlink (z.B. Jeti, Graupner) Bild 1: Gebräuchliche Drohnen-Fernsteuersysteme Reichweite: bis 100 m (Standard), bis 2 km mit Leistungsverstärker, manche Modelle lassen sich über FPV (First Persion View) und/oder GPS-Navigation steuern Low-Cost-Modelle Reichweite bis 60 m 22 hf-praxis 1/2018

Messtechnik Bild 2: R&S ARDRONIS deckt als komplette Systemlösung den Bedarf professioneller Nutzer ab Zielerkennung bei Logistikdrohnen), die Kostenersparnis durch den Drohneneinsatz an sich sowie das große Interesse von privater Seite lassen die Stückzahlen ziviler Drohnen exponentiell in die Höhe schnellen. Zwei Bauartgruppen sind zu unterscheiden: Multikopter und Festflügler (Flugzeuge). Letztere fallen mengenmäßig nicht ins Gewicht. Sie kommen aufgrund ihrer größeren Reichweite und Flughöhe in erster Linie für Spezialaufgaben wie Kartografie oder Bodenerkundung in Betracht. Bei der öffentlichen Berichterstattung über Drohnen sind fast immer die Multikopter gemeint. Weitere Klassifizierungskriterien für Drohnen sind: • Größe und Nutzlast • Geschwindigkeit • Flugdauer, Reichweite, Flughöhe • die Art der Steuerung. Letztere ist von besonderem Interesse, da R&S ARDRONIS auf der Erfassung der Steuersignale basiert. Bild 1 gibt eine Übersicht über die am Markt anzutreffenden Steuerungsalternativen. Mehr als 90% aller Drohnen kommunizieren in den lizenzfreien ISM-Bändern (Industrial, Science, Medical), die nicht nur in den begriffsbildenden Einsatzbereichen genutzt werden, sondern auch für Telekommunikationszwecke, z.B. für die Funksysteme WLAN und Bluetooth. Vorwiegend werden die Bänder bei 2,4 GHz und 5,8 GHz verwendet, selten das 433-MHz-Band. Die mit Abstand (> 80%) meistgenutzten Funktechnologien zur Drohnen-Fernsteuerung sind Frequency-Hopping Spread Spectrum (FHSS) und Direct- Sequence Spread Spectrum (DSSS) in herstellerspezifischer Ausprägung. Beide Verfahren nutzen, um die Störsicherheit zu erhöhen, ein breiteres Spektrum, als zur Übertragung des Nutzsignals eigentlich erforderlich wäre. FHSS wechselt dazu die Trägerfrequenz in einer pseudozufälligen Sprungfolge. Sender und Empfänger müssen synchronisiert sein und natürlich nach demselben Algorithmus springen, um die Verbindung halten zu können. DSSS im Vergleich dazu belegt eine feste, sehr große Bandbreite, senkt dafür aber die spektrale Leistungsdichte so weit, dass sich das Nutzsignal nur schwach vom Rauschgrund abhebt und nur mit einem passgenauen Demodulator wieder gewonnen werden kann. Beide Verfahren, die man auch kombiniert findet, sind prädestiniert für die Verwendung in den stark frequentierten ISM- Bändern, in denen viele Nutzer und Funktechnologien koexistieren müssen. FHSS/DSSS ist daher bei Drohnensteuerungen ein Quasistandard, den die meisten Hersteller verwenden. Das Versteckspiel von FHSS/DSSS- Funkverbindungen im Spektrum bringt es jedoch mit sich, dass sie schwer aufzuklären und zu stören sind. R&S ARDRONIS ist mit seiner leistungsfähigen Online-Hopper-Analyse dazu in der Lage. Es analysiert die technischen Funkparameter wie Sprunglänge, Symbolrate oder Modulationsart und gelangt so zu einer eindeutigen Klassifizierung des Übertragungssystems. Vorzüge einer Funkerfassungslösung Die Erfassung der Drohnen- Steuersignale hat gegenüber Verfahren wie Radar, optischer und akustischer Detektion einige Vorteile. Sichere Detektion ohne Falschalarme Das System lässt sich nicht durch andere Flugobjekte wie Vögel, Ballone oder Drachen irritieren. Frühestmögliche Erkennung R&S ARDRONIS gibt bereits Alarm, sobald eine Fernsteuerung auf Sendung geht, also noch bevor die Drohne in der Luft ist. Gegenmaßnahmen können deshalb frühzeitig in die Wege geleitet werden. Peilung/Ortung von Drohnenbesitzern Da R&S ARDRONIS sowohl die Drohne selbst über ihre Downlink-Signale, als auch die Fernsteuerung über ihre Uplink- Signale erfasst, kann sofort die Richtung ermittelt werden, in der sich die Person befindet, die die Drohne fliegt. Bei Einsatz mehrerer Peiler ist sogar die exakte Position ermittelbar (in Vorbereitung). Komplettes Bild Es erfasst nicht nur sämtliche Drohnen in einem großen Überwachungsbereich, sondern kann durch Analyse der Funksignaturen in vielen Fällen sogar deren Typ angeben. Darüber hinaus werden die Downlink-Aktivitäten der Drohnen registriert, etwa ob Videoübertragungen stattfinden. Möglichkeiten zur Signalunterbrechung Das System lässt sich um einen Störsender erweitern, der den Funkkontakt zu einer Drohne effektiv unterbinden kann, um sie in den Fail-Safe-Modus zu zwingen, also etwa zu landen oder zum Startpunkt zurück- Bild 3: Im Ernstfall muss es schnell gehen. Die Standard- Bedieneroberfläche bietet deshalb nur die wichtigsten Informationen und Bedienknöpfe hf-praxis 1/2018 23

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