Drohnenabwehr durch High Power Electromagnetics (HPEM)

Abb. 1: Testaufbau im Labor des Fraunhofer INT

Abb. 2: Untersuchung eines mobilen Wirksystems hoher Reichweite unter Freifeldbedingungen am WIS (Quelle: Wehrwissenschaftlichen Institut für Schutztechnologien - ABC-Schutz (WIS))

Abb. 3: Wechselwirkungsergebnisse aller UAS für höchste Fehlerklasse

Durch ihre Aufklärungs- und Zuladungsfähigkeit (z. B. Explosivkörper) stellen unbemannte Flugsysteme (UAS - Unmanned Aircraft System) eine Bedrohung für militärische und zivile Einrichtungen dar. Effektoren auf Basis von Quellen starker elektromagnetischer Strahlung (HPEM) könnten sich angesichts einer zunehmenden Autonomie der UAS als eine vielversprechende Alternative zu anderen Abwehrmaßnahmen erweisen. Die Elektronik der vorwiegend für den zivilen Markt entwickelten Systeme ist nur für die im öffentlichen Raum zulässige elektromagnetische Hintergrundbelastung ausgelegt. Technische Wirksysteme, welche elektromagnetische Felder weit oberhalb dieses gesetzlichen Schutzrahmens erzeugen, können direkt auf Prozesse innerhalb der Bordelektronik störend einwirken.

 

Der Markt für unbemannte Fluggeräte mit mehreren Rotoren (z. B. Quadrokopter) hat in den letzten Jahren einen massiven Aufschwung erfahren. Gerade Produkte in der Gewichtsklasse unter zwanzig Kilogramm Fluggewicht haben Einzug in den Massenmarkt gefunden. Zudem hat die Beherrschbarkeit für den ungeübten Benutzer in den letzten Jahren stetig zugenommen. Automatiken übernehmen die Einhaltung von Flughöhe und Position sowie die Kollisionsvermeidung. Zunehmend werden auch Assistenzsysteme zur automatischen Durchführung von Flugmanövern implementiert, wodurch der Funkkontakt zur Fernbedienung nicht mehr zwingend erforderlich ist.

Die Kombination aus hoher Zugänglichkeit für den Laien, Transportfähigkeit größerer Lasten sowie hoher Bewegungsfreiheit durch Erschließung des Luftraums ermöglicht den Einsatz von UAS in diversen Bedrohungsszenarien. Im Rahmen eines vom Wehrwissenschaftlichen Institut für Schutztechnologien - ABC-Schutz (WIS) initiierten Forschungsvorhabens wurde am Fraunhofer INT eine Auswahl von 14 verschiedenen UAS im Labor hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit gegen elektromagnetische Störsignale untersucht (Abb.1), um geeignete Ansätze für Gegenmaßnahmen auf Basis von HPEM zu finden. Zusätzlich erfolgten Untersuchungen am WIS unter Freifeldbedingungen mit gepulsten Hochleistungs-Magnetronquellen, die eine Basis für Effektoren mit realistischen Einsatzreichweiten bilden können (Abb. 2).

Für die Untersuchungen im Labor zur Empfindlichkeit der UAS gegenüber HPEM wurden ein Prüfstand mit Videoüberwachung sowie ein System zur Auswertung der Rotordrehzahlen entwickelt. Dabei wurden die Testgeräte entweder im Bereitschaftsmodus mechanisch fixiert oder, durch Halteseile und Fangnetz gesichert, im Flugbetrieb untersucht. So konnten im Rahmen der Tests Störungen in den Betriebsabläufen der Flugsysteme über einen weiten Bereich an einzeln angesteuerten Störfrequenzen akkurat erfasst werden.

Die ausgewählten UAS zeigten Verwundbarkeiten gegenüber gepulsten oder kontinuierlichen Mikrowellensignalen im gesamten untersuchten Frequenzbereich, wie in Abb. 3 ersichtlich. Die ermittelten Empfindlichkeitsschwellen, also diejenigen elektrischen Feldstärkewerte, bei denen es unter Flugbedingungen zu einem Absturz des UAV kommen würde, hingen von der Polarisation der Wellen, Signalparametern wie dem Puls-Pause-Verhältnis sowie der Frequenz ab. In Freifeldversuchen am WIS konnte die Wirkung von HPEM durch Einbrüche in der Flugstabilität bis hin zu Abstürzen nachgewiesen werden. Auf dieser Grundlage können erste Ansätze für die Auslegung eines Wirksystems erarbeitet werden. Die niedrigsten Störschwellen wurden bei den Tests mit Dauerstrichsignalen ermittelt, für ein mobiles Wirkmittel mit hoher Reichweite sind jedoch gepulste Mikrowellensignale aufgrund der höheren Ausgangsleistung bei gleichem Energiebedarf interessanter.