Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Aufklärungssystem
mit mechanisch einfach und robust aufgebauten Aufklärungsgeräten zu schaffen, die
im wesentlichen unbeschadet und in einer geeigneten Ausrichtung
in freiem Fall oder durch schiefen Wurf in dem zu beobachtenden
Gebiet platziert werden können.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Aufklärungssystem
durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 bzw.
3 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Ein geeignetes selbstorganisierendes
drahtloses Netz beschreibt R. D. Poor in seiner Dissertation "Hyphos: A Self-Organizing,
Wireless Network", Massachusetts
Institute of Technology, 1997 (http://www.media.mit.edu/~r/academics/masters/). Selbstorganisation
bedeutet, dass sich das Netz automatisch an Topografieänderungen
anpasst. Kommt ein neuer Knoten in das Netz, so wird dieser spontan und
selbstständig
Netzteilnehmer. Verschwindet ein Knoten aus dem Netz, zum Beispiel
durch Ausfall, so wird das Netz nicht zerstört, sondern es passt sich von
selbst an die neue Situation an. Man benötigt keine feste Netzinfrastruktur.
Die Funkverbindungen zwischen den Knoten haben relativ geringe Reichweiten.
Insbesondere kommuniziert jeder Knoten nur mit seinen unmittelbaren
Nachbarn. Dies ermöglicht hohe Übertragungsbandbreiten
bzw. Übertragungsgeschwindigkeiten.
Die Knoten können
stationär oder
mobil sein, und sie können
als sehr kompakte und preiswerte Einheiten hergestellt werden.
Die Kommunikation über ein
selbstorganisierendes Netz, auch Ad-hoc-Netz genannt, ermöglicht es
bei dem erfindungsgemäßen Aufklärungssystem, die
Aufklärungsgeräte im wesentlichen
ungeordnet in dem Beobachtungsgebiet zu verteilen. In einer Ausführungsform
werden die Aufklärungsgeräte in freiem Fall
(z.B. aus dem Flugzeug) oder durch schiefen Wurf (z.B. aus einer
Luftdruckkanone) in dem zu beobachtenden Gebiet platziert. Das heißt, die
Aufklärungsgeräte nehmen
mehr oder weniger ungeordnete und zufällige Positionen ein. Man muss
sich lediglich bemühen,
dass möglichst
jedes Aufklärungsgerät mit wenigstens
einem Nachbarn in Funkverbindung steht, wobei jedes Aufklärungsgerät im Durchschnitt
mit mehreren Nachbarn in Funkverbindung steht. Das heißt, die
Dichte der Aufklärungsgeräte muss
so hoch sein, dass der mittlere Abstand zwischen den Geräten kleiner
als die Reichweite der Funkverbindung ist. Die Reichweite muss aber
nicht wesentlich größer als
der mittlere Abstand sein.
In einer weiteren Ausführungsform
werden die Aufklärungsgeräte in dem
Beobachtungsgebiet verteilt, indem sie von Hand ausgebracht werden,
bei militärischer
Aufklärung
zum Beispiel von Aufklärern oder
Pionieren, oder indem sie von Soldaten ständig mitgeführt werden. Weiterhin kann
man unbemannte Transportgeräte
in das zu beobachtende Gebiet eindringen lassen, zum Beispiel ferngesteuerte
Fahrzeuge oder Fluggeräte,
welche die Aufklärungsgeräte dort
aussetzen.
Aufklärungsgeräte zur Realisierung der Erfindung
können
mit wenig Aufwand hergestellt werden, so dass die Anzahl der insgesamt
eingesetzten Aufklärungsgeräte sehr
hoch sein kann. Dadurch ist ein flächenmäßig großes und dennoch engmaschiges
Netz von Aufklärungsgeräten möglich, bei
dem die Gesamtzahl der Aufklärungsgeräte um ein
Vielfaches höher
ist als die Anzahl der Aufklärungsgeräte, mit
denen ein einzelnes Aufklärungsgerät im Mittel
in Verbindung steht.
Ein Ausfall von einzelnen Aufklärungsgeräten ist
nicht nur technisch unproblematisch, da sich das Netz entsprechend
neu organisiert, sondern wegen des geringen Aufwan des für die einzelnen
Aufklärungsgeräte auch
wirtschaftlich akzeptabel. Wenn man von vornherein erwartet, dass
eine größere Anzahl
von Aufklärungsgeräten ausfällt, sei
es von selbst oder durch Fremdeinwirkung, so kann man vorausschauend
eine größere Anzahl
von Geräten
platzieren als notwendig. Alternativ kann man Aufklärungsgeräte nachinstallieren,
zum Beispiel durch Abwurf aus der Luft oder durch eine Art Schleuder
oder Kanone mit genügender
Reichweite.
Die Transceiver, das heißt die Sende-/Empfangsgeräte, mit
deren Hilfe die Aufklärungsgeräte drahtlos
kommunizieren, sind vorzugsweise Funkgeräte. Man kann aber auch Transceiver
verwenden, die andere elektromagnetische Wellen als Radiowellen
verwenden, zum Beispiel Licht (Laserstrahlen), oder andere Wellen
wie zum Beispiel Schall oder Ultraschall, da die zu überwindenden
Entfernungen relativ klein sind.
Die Sensordaten und Positionsdaten,
die jedes einzelne Aufklärungsgerät gewinnt,
werden von Aufklärungsgerät zu Aufklärungsgerät bis zu
einem Ziel-Aufklärungsgerät geleitet,
wo sie zur Weiterverarbeitung und Analyse gespeichert bzw. entnommen werden
können.
Insbesondere im Falle von militärischer
Aufklärung
kann es vorkommen, dass das Beobachtungsgebiet eine Art Insel innerhalb
des feindlichen Gebietes bildet. In so einem Fall muss mindestens
eines der Aufklärungsgeräte dafür eingerichtet sein,
eine Relaisstation zu einer Kommunikationseinrichtung zu bilden,
die sich außerhalb
des feindlichen Gebietes befindet. So eine Relaisstation ist zwar
aufwendiger als die übrigen
Aufklärungsgeräte, kann aber
bei Bedarf nachinstalliert werden. Alternativ kann man eine Art
Teppich aus Aufklärungsgeräten mit
geringer Reichweite bilden, der aus dem Beobachtungsgebiet in ein
Gebiet führt,
mit dem Funkverbindung möglich
ist. Die Erfindung ermöglich
eine Aufklärung
ohne Gefährdung
von Personen, die zudem wesentlich gezielter und detaillierter sein
kann als zum Beispiel Satellitenaufklärung.
Die Erfindung ist nicht nur für militärische Aufklärung, zum
Beispiel zur Vorbereitung von humanitären Einsätzen zur Wahrung von Menschenrechten
oder zur Eindämmung
von Kriegsfolgen, etwa durch Beobachtung des Ausbringens von Minen, sondern
auch für
polizeiliche oder zivile Zwecke geeignet. Polizeiliche Anwendungsmöglichkeiten
sind zum Beispiel bei Großdemonstrationen,
Unruhen, Aufständen
und Geiselnahmen gegeben. Zivile Anwendungsmöglichkeiten gibt es für das Katastrophenmanagement
bei Naturkatastrophen wie Erdbeben oder Tornados sowie im Umweltschutz,
wenn eine Gefährdung
von direkten Beobachtern bestehen würde.
Des weiteren kann zu den Sensoren
mindestens ein Bildsensor gehören,
ein Sensor, der ein zwei- oder mehrdimensionales Bild der Umgebung
in einem oder mehreren Frequenzbereichen des elektromagnetischen
Spektrums erzeugt. Ein geeigneter Bildsensor ist zum Beispiel eine
elektronische Kamera. So eine Kamera kann im sichtbaren Bereich,
aber z.B. auch im Infraroten und/oder mit Restlichtverstärker arbeiten,
um auch des Nachts ein Bild der Umgebung zu erhalten. Zusätzlich zu
Bildsensoren oder alternativ kann man viele andere Sensoren verwenden,
die nützliche
Informationen liefern. Außerdem sind
die Aufklärungsgeräte nicht
auf passive Wahrnehmung der Umgebung beschränkt, sondern sie können die
Umgebung auch aktiv abtasten, zum Beispiel mit Radargeräten oder
Entfernungsmessern.
Die Ortungseinrichtung ist vorzugsweise
ein Satellitenortungssystem oder ein anderes Ortungssystem, das
nach dem Triangulationsprinzip arbeitet.
Die Aufklärungsgeräte können entweder mobil oder nicht
mobil sein. Letztere kann man leicht so robust herstellen, so dass
sie einen freien Fall auf den Erdboden normalerweise unbeschadet überstehen.
Mobile Aufklärungsgeräte kann man mit relativ wenig
Aufwand pro Gerät
zum Beispiel als Mikro-Flugkörper
oder als sich am Boden bewegende, insektenähnliche Geräte realisieren, die sich entweder
zufällig
oder nach bestimmten Kriterien bewegen. Bei mobilen Aufklärungsgeräten ist
der Aufwand pro Gerät
zwar höher
als bei stationären,
jedoch wird dieser Nachteil dadurch wettgemacht, dass man insgesamt
weniger Geräte
benötigt,
besonders wenn die Geräte
fernsteuerbar sind.
Der höheren mechanischen Empfindlichkeit von
am Boden beweglichen Aufklärungsgeräten, die im
freien Fall oder schiefen Wurf im Beobachtungsgebiet platziert werden,
kann man zum Beispiel dadurch Rechnung tragen, dass man die Geräte mit Fallschirmen,
Prallsäcken
oder dergleichen ausstattet.
Im Falle von beweglichen Aufklärungsgeräten kann
man auch mehrere Geräte
gemeinsam vorsichtig im Beobachtungsgebiet oder in dessen Nähe aussetzen,
zum Beispiel aus dem Hubschrauber, wobei sie sich selbst im Beobachtungsgebiet
verteilen können.
Flugkörper
als Aufklärungsgeräte können auch
direkt in der Luft ausgesetzt werden und kleinere oder größere Strecken
bis in das Beobachtungsgebiet selbst überwinden. Die mobilen Aufklärungsgeräte können bereits
vor Erreichen des Beobachtungsgebietes aktiviert werden, das selbstorganisierende
drahtlose Netz aufzubauen, so dass dieses für eine Fern- oder Selbststeuerung
bei der Überwindung
der letzten Teilstrecken zur Verfügung steht.
Neben oder anstelle von Aufklärungsgeräten, die
sich an Land oder in der Luft bewegen, kann das System auch Schwimm-
oder Tauchgeräte
umfassen, die sich auf dem bzw. im Wasser bewegen.
Weitere vorteilhafte Merkmale und
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
mehrerer Ausführungsbeispiele
und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. Die einzige
Figur der Zeichnung zeigt schematisch ein Aufklärungsgerät in einem der Ausführungsbeispiele.
In einem ersten Ausführungsbeispiel
hat ein Aufklärungsgerät die Form
einer Kugel, die einen oder mehrere Sensoren in Form von elektronischen Kameras,
einen GPS-Empfänger,
einen Transceiver (ein Sende-/Empfangsgerät) zur Funkverbindung mit benachbarten
Aufklärungsgeräten, einen
Prozessor oder Controller zur Steuerung der vorgenannten Komponenten
und zur Datenein- und -ausgabe in die bzw. aus den Komponenten,
und eine Stromversorgungseinrichtung wie zum Beispiel eine Batterie
enthält.
Die Aufklärungsgeräte werden so stabil konstruiert,
dass sie einen Fall auf den Boden aus großer Höhe unbeschadet überstehen,
zumindest wenn sie auf Erdreich fallen. Eine sehr robuste Ausführung ist zum
Beispiel dadurch möglich,
dass ein Vergussmaterial alle elektronischen Bauteile in der Kugel
einkapselt. Als elektronische Kamera eignen sich zum Beispiel CCD-Elemente,
wobei ein Vergussmaterial auch den Raum zwischen den CCD-Elementen
und einer zugehörigen
Abbildungsoptik einnehmen kann, wenn es transparent ist. Die nötige Abbildungsoptik kann
auch durch geeignete Formgebung des Vergussmaterials selbst hergestellt
werden.
Eine Vielzahl dieser Kugeln werden
aus der Luft relativ ungeordnet in einem zu beob achtenden geografischen
Gebiet abgeworfen, so dass sie mehr oder weniger zufällig darin
verteilt sind. Wenn der Schwerpunkt der Kugeln nicht in deren Mitte
liegt, werden die Kugeln überwiegend
in einer bestimmten Orientierung auf dem Boden zu liegen kommen. Dementsprechend
werden z.B. Kameras in der Kugel so angeordnet, dass sie in Richtung
des Horizontes blicken, wenn die Kugel in der gewünschten
Orientierung gelandet ist.
Die Vielzahl von Aufklärungsgeräten, die nach
dem Abwurf noch funktionsfähig
sind, bilden ein drahtloses Netz, das sich selbst organisiert, ohne eine
vorgegebene Netzinfrastruktur zu benötigen. Die Transceiver haben
jeweils nur eine geringe Reichweite, so dass sie auch bei großer Übertragungsbandbreite
bzw. Übertragungsgeschwindigkeit wenig
Energie benötigen
(im Bereich Mikrowatt bis Milliwatt), ebenso wie die Prozessoren/Controller
und Bildsensoren, die es ebenfalls in sehr energiesparenden Ausführungen
gibt. Die Reichweite wird normalerweise so gewählt, das sie etwas größer ist
als der mittlere Abstand der Aufklärungsgeräte in dem Beobachtungsgebiet,
welcher durch die gewünschte Dichte
von Beobachtungsposten gegeben ist.
Der Prozessor oder Controller jedes
Aufklärungsgerätes steuert
dessen Komponenten so, dass die Informationen, die die Sensoren
gewinnen, zum Beispiel Bilder der Umgebung, und die Positionsdaten über den
Transceiver zum Beispiel in Datenpaketen an benachbarte Aufklärungsgeräte übermittelt werden.
Die Datenpakete tragen die Adresse mindestens eines Ziel-Aufklärungsgerätes, das
sich in großer
Entfernung vom ursprünglichen
Aufklärungsgerät befinden
kann und das selbst keine Sensoren aufweisen muss. Vorzugsweise
werden mehrere Ziel-Aufklärungsgeräte verwendet,
nicht nur aus Sicherheitsgründen,
sondern auch, da die Informationen so auf vielen Wegen verbreitet
und dem Netz entnommen werden können,
wodurch das Übertragungsvolumen
erhöht
wird.
Mit Hilfe des mindestens einen Ziel-Aufklärungsgerätes kann
auch die Aktivierung der Aufklärungsgeräte und/oder
die Datenübermittlung
initiiert werden.
Die Daten werden jeweils an kommunikationsbereite
Aufklärungsgeräte weitergeleitet,
die nach Möglichkeit
näher am
Ziel-Aufklärungsgerät liegen,
ohne dass die Route, die die Datenpakete am Ende nehmen werden,
vorher vollständig
definiert werden muss.
So eine Technik zur Streckenführung nennt man
Contour-Routing. Contour-Routing setzt voraus, dass alle Knoten
die Datenpakete nach dem gleichen Algorithmus weiterleiten. Im übrigen können die
Aufklärungsgeräte eines
Systems identisch sein, müssen
es aber nicht. Außerdem
muss es wenigstens einen Weg zwischen jedem Paar Knoten geben, die am
Netz teilnehmen sollen.
Fällt
ein Aufklärungsgerät versehentlich
an eine Stelle auf dem Boden, an der es keinen Kontakt mit dem übrigen Netz
aufnehmen kann, so steht dieses natürlich nicht für die Beobachtung
zur Verfügung,
ebenso wenn es defekt wird oder entdeckt und außer Betrieb gesetzt wird. Solange
die Dichte des Netzes nicht wesentlich abnimmt, wird seine Funktion
dadurch nicht oder nur wenig beeinträchtigt. Nötigenfalls kann man weitere
Aufklärungsgeräte nachinstallieren,
zum Beispiel durch nochmaligen Abwurf.
Das Durchreichen der Datenpakete
von Aufklärungsgerät zu Aufklärungsgerät bis zu
dem Zielknoten über
ein selbstorganisierendes drahtloses Netz, Hyphos-Netz genannt,
ermöglicht
es, die einzelnen Knoten mit sehr geringen Kosten und sehr geringem
Stromverbrauch herzustellen. Die Streckenführungs-Algorithmen, nach denen
jeder Knoten arbeitet, sind relativ einfach und benötigen nur
wenig Rechenleistung, so dass ein sehr kleiner, kostengünstiger
und stromsparender Controller mit internem oder externem Speicher
verwendet werden kann, entweder frei programmierbar oder als anwenderspezifische
Schaltung. Dennoch ist ein hoher Datendurchsatz möglich, der
die Übertragung
von Bildern erleichtert. Per Funk ist leicht ein Datendurchsatz
von 2 MBit/s oder mehr möglich,
was sogar eine flüssige Übertragung
von Videobildern ermöglicht.
Die Anpassungsfähigkeit eines Hyphos-Netzes
ist so gut, dass die Aufklärungsgeräte auch
mobil sein können.
Ausführungsbeispiele
für mobile
Aufklärungsgeräte werden
weiter unten beschrieben.
Aus den oben genannten Gründen ist
das von R. D. Poor beschriebene Hyphos-Netz für die Verwendung bei dem hier
beschriebenen Aufklärungssystem
besonders geeignet. Andere drahtlose Ad-hoc-Netze können aber
ebenfalls geeignet sein. Für
die im Stand der Technik vorgesehenen Anwendungen eines Hyphos-Netzes
wird übrigens
eine Knotendichte als optimal erachtet, bei der jeder Knoten mit
ca. 10 bis 16 Nachbarn Funkkontakt hat. Andere Netz-Topologien können andere
Knotenzahlen haben.
In der hier vorgesehenen Anwendung
für ein Aufklärungssystem
genügt
eine geringere Knotendichte als normalerweise gewünscht, da
es für
Aufklärungszwecke
nicht unbedingt erforderlich ist, dass sämtliche Daten, die die Aufklärungsgeräte gewonnen
haben, auch übertragen
werden können.
Das heißt,
Einbußen
bei der Zuverlässigkeit
und Datenübertragungsgeschwindigkeit
können
hingenommen werden, solange das Netz als solches funktioniert.
Das Ziel-Aufklärungsgerät oder – für höhere Übertragungsvolumen und zur
Sicherheit – mehrere Ziel-Aufklärungsgeräte können entweder
vor Abwurf der Aufklärungsgeräte definiert
werden, oder man nimmt von außen
mit einem der Aufklärungsgeräte Funkkontakt
auf, mit dem dies am besten möglich
ist, und lässt
die Information, dass dieses Aufklärungsgerät das Ziel sein soll, automatisch über das
Netz verbreiten, während
es sich konfiguriert.
Der Funkkontakt mit dem Ziel-Aufklärungsgerät kann entweder
auf die gleiche Weise wie zwischen den benachbarten Aufklärungsgeräten erfolgen,
d.h. über
dessen Transceiver, oder man baut einen besonderen Transceiver mit
höherer
Reichweite in das Ziel-Aufklärungsgerät ein, welcher
eine Funkverbindung zum Beispiel mit einem Weltraumsatelliten, einem
Aufklärungsflugzeug
oder direkt mit mindestens einer Zentrale am Boden aufnehmen kann. Um
die Kommunikationssicherheit zu verbessern bzw. das Datenübertragungsvolumen
zu erhöhen, kann
man mehrere Zentralen und/oder Relaisstationen verwenden. Jede Zentrale
empfängt
die Bild- und Positionsdaten mindestens eines Aufklärungsgerätes, einer
Gruppe von Aufklärungsgeräten oder aller
Aufklärungsgeräte. Da die
Datenübermittlung
innerhalb des Netzes in jeder beliebigen Richtung stattfinden kann,
können
die Aufklärungsgeräte und Sensoren
auch von einer Zentrale aus ferngesteuert werden, was für die weiter
unten beschriebenen Ausführungsbeispiele
von Bedeutung ist.
Für
eine Steuerung der Aufklärungsgeräte von einer
oder mehreren Zentralen aus arbeiten die Transceiver vorzugsweise über mehrere
alternative Kommunikationskanäle. Übertragungs-
und Abhörsicherheit
wird durch Frequenzsprünge
und/oder direkte Folge sowie Verschlüsselung ermöglicht. Ein Wechsel von Kommunikationskanälen kann nicht
nur innerhalb derselben Kommunikationsart, sondern auch von einer
Kommunikationsart zur anderen erfolgen, zum Beispiel zwischen den
Kommunikationsarten Funk, Ultraschall und Infrarotlicht. Dies erschwert die
Ortung durch den Gegner im Beobachtungsgebiet, verbessert die Abhörsicherheit
und gibt Ausweichmöglichkeiten.
Die Transceiverantenne kann dafür eingerichtet
sein, sich auf die gewünschte
Ausbreitungsrichtung einzustellen, vorzugsweise in Richtung auf ein
Ziel-Aufklärungsgerät. Die Richtungseinstellung kann
nicht nur mechanisch erfolgen, sondern auch elektronisch, indem
der Controller unter mehreren vorausschauend eingebauten Antennen
die günstigste
auswählt
und diese mit dem Transceiver verbindet.
Anstelle eines GPS-Empfängers kann
man auch irgendein anderes Satellitenortungssystem (z.B. GLONASS
oder GNSS) und auch andere Selbstortungseinrichtungen verwenden,
vorzugsweise solche, die nach dem Triangulationsprinzip arbeiten. Falls
man z.B. aus Gründen
der Ortungsgenauigkeit Satellitennavigation bevorzugt, aber nicht
jedes Aufklärungsgerät mit einem
GPS-Empfänger
oder dergleichen ausstatten möchte,
genügt
es, wenn nur einige der Aufklärungsgeräte über GPS
verfügen,
wobei die anderen Aufklärungsgeräte ihre
Position durch Funktriangulation mittels der vorhandenen Transceiver
relativ zu den bekannten Positionen ermitteln. Als Referenz-Funkbaken mit genau
bekannter Position können
unter Umständen
auch irgendwelche Funkeinrichtungen dienen, die in dem zu beobachtenden
Gebiet bereits vorhanden sind, zum Beispiel Relaisstationen für Mobilfunk.
Als Stromversorgungseinrichtung kommen neben
Batterien eine Vielzahl von Energielieferanten in Betracht, zum
Beispiel Solarzellen, Brennstoffzellen, Thermo-Elektrizität, Chemo-Elektrizität oder Empfang
von Mikrowellenenergie von entfernten Bodenstationen oder von Flugzeugen
oder Satelliten.
Wie erwähnt, wird die Stromversorgung
der Aufklärungsgeräte durch
Verwendung von elektronischen Komponenten mit besonders niedrigem Stromverbrauch
bei hohem Wirkungsgrad erleichtert. Zusätzlich kann man Schlummer-
oder Ruhezustands-Betriebsweisen vorsehen, in denen die erzeugte
oder empfangene Energie in einem geeigneten Energiespeicher gespeichert
werden kann, bis sie benötigt
wird. Die Aufklärungsgeräte können von außen einzeln
oder in Gruppen in den Energiesparmodus versetzt werden, um Energie
zu sparen oder deren Entdeckung z.B. durch Funkpeilung zu verhindern.
Übrigens
wird eine ungewollte Entdeckung der Aufklärungsgeräte durch Funkpeilung oder dergleichen
durch den Umstand erschwert, dass die Reichweite der Funkverbindungen
oder anderen Kommunikationsarten gering ist, so dass sich die Aufklärungsgeräte nicht
leicht verraten. Die geringe Reichweite erhöht auch die Abhörsicherheit.
Selbst wenn es dem Gegner gelingt, das ein oder andere Gerät ausfindig
zu machen und abzuhören,
bekommt er nicht die gesamte Kommunikation mit, da sich diese über eine
Vielzahl von Wegen innerhalb des Netzes verteilt. Durch Verschlüsselungsverfahren
bzw. durch Streuspektrum-Modulation kann die Abhörsicherheit noch weiter verbessert
werden.
Aufklärungsgeräte, die sich in einem Energiesparmodus
befinden, können
von außen
wieder aktiviert werden, oder sie wachen selbst aus einem Energiesparmodus
auf, z.B. wenn ein einfacher Bewegungsmelder als Weckvorrichtung,
etwa eine Fotozelle mit Richtcharakteristik, schnelle Lichtstärkeänderungen
registriert. Alternativ kann eine von mehreren Kameras, vorzugsweise
eine Kamera mit Rundumblick, eingeschaltet bleiben, um Bewegungen
zu registrieren.
Zur weiteren Energieeinsparung kann
die Sendeleistung jedes Transceivers variabel sein und sich jeweils
so einstellen, dass die ideale Anzahl von Nachbarn erreicht wird.
Wenn die Aufklärungsgeräte über Transceiver
verfügen,
deren Sendeleistung nach Bedarf wesentlich stärker eingestellt werden kann
als für
die normale Funktion des Netzes erforderlich, und sie in einem Energiesparmodus
z.B. ihre Batterien aufgeladen haben, können sie die Sendeleistung
für einige
Zeit erheblich steigern, um Informationen von besonderer Relevanz
mit Überreichweiten
und dadurch mit besonderer Übertragungssicherheit
und -geschwindigkeit zu senden.
Das Datenübertragungsvolumen kann durch Kompressionsverfahren
verringert werden, wodurch die Übertragungsrate
von Informationen verbessert wird. Ferner kann man die zur Verfügung stehende Datenübertragungskapazität wesentlich
besser ausnutzen, wenn man sich auf die Übertragung von relevanten Informationen
beschränkt.
Beispielsweise können
Aufklärungsgeräte, bei
denen eine oder mehrere Kameras keine brauchbaren Bilder senden, etwa
wegen verdeckter Sicht, angewiesen werden, die Bilder dieser Kameras)
nicht zu senden bzw. die Kameras) abzuschalten, um Strom zu sparen.
Als eine weitere Möglichkeit
zur Beschränkung
auf relevante Informationen kann jedes Aufklärungsgerät eine automatische Vorauswahl
von Informationen durchführen,
zum Beispiel nur Bilder senden, die bewegte Objekte enthalten. Eine
Beschränkung
auf besonders wichtige Informationen ermöglicht eine bessere Ausnutzung
der Übertragungsbandbreite
des Netzes. Detailliertere Informationen können entweder von außen angefordert
oder auf eine autonome Entscheidung innerhalb des Netzes hin übertragen werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel
hat ein Aufklärungsgerät die Form
eines Stabes, in dem die oben beschriebenen Komponenten eingebaut sind.
Der Stab stellt sich in der Luft senkrecht und läuft an seinem unteren Ende
spitz zu, um in den Boden einzustechen. Das Einstechen in Erdreich
bewirkt ein sanfteres Abbremsen des Aufklärungsgerätes aus freiem Fall, so das
dessen mechanische Konstruktion weniger robust sein muss. Verlust
von einzelnen Aufklärungsgeräten beim
Auftreffen auf harten Boden wird hingenommen und bei der Festlegung
der Platzierungsdichte berücksichtigt.
Man kann bewegliche Abbildungsoptiken vorsehen,
zum Beispiel Drehspiegel, oder die Kamera selbst rotieren lassen,
um mit nur einer Kamera einen größeren Bereich
der Umgebung zu erfassen. Bewegliche Abbildungsoptiken ermöglichen
es, die Kameras statt mit Flächensensoren
mit noch weniger aufwendigen Zeilensensoren herzustellen. Für einen Rundumblick
ohne bewegliche Elemente benötigt man
an sich mehrere Kameras, die durch einen Multiplexer nacheinander
abgefragt oder durch Fernsteuerung ausgewählt werden. Bei genügender Auflösung der
Lichtsensoren oder zur Gewinnung von Grobinformationen kann man
einen Rundumblick jedoch auch mit feststehenden Bauelementen erzielen, zum
Beispiel mit Fischaugenobjektiven oder mit Lichtsensoren, die nach
dem Prinzip von Insektenaugen arbeiten.
In die Aufklärungsgeräte kann man Kameras für sichtbares
Licht, solche für
unsichtbares Licht wie zum Beispiel Restlicht, Infrarot, Ultraviolett
oder Wärmestrahlung,
oder kombinierte Kameras einbauen. Die Kameras können Standbild- oder Laufbildkameras
sein. Über
photogrammetrische Triangulation ist Entfernungsmessung mit zwei
koplanaren Kamerasensoren möglich.
Die Lageregelung von beweglichen Sensoren, zum Beispiel Schwenken,
Neigen und Zoom von Kameras, und nötigenfalls eine Lage regelung
der Transceiverantennen kann aktiv, passiv oder ferngesteuert von
der oder den Zentralen erfolgen.
Zusätzlich zu Kameras oder alternativ
kann man weitere nützliche
Sensoren einbauen, zum Beispiel Mikrofone, Thermometer, Druckmesser,
Gas- oder Kampfmittelsensoren, elektronische Kompasse oder Azimut-Detektoren.
Außerdem
kann man Sensoren verwenden, die auf aktiver Abtastung der Umgebung
beruhen, zum Beispiel Kameras mit Lichtquelle und Restlichtverstärker, Entfernungsmesser bzw.
Umgebungsprofilmesser, zum Beispiel mittels Laserstrahlen oder Ultraschall,
oder Radar.
Ein Azimut-Detektor ermöglicht es,
die Lage der Kameras oder anderen Sensoren im Raum genau zu erfassen
und zusammen mit dem Aufnahmezeitpunkt zu übertragen. Durch einfache Fotozellen, ggf.
mit geeigneter Richtcharakteristik des Ansprechverhaltens, kann
man die Lage der Sensoren anhand des Sonnenstandes und/oder aus
der Intensität
des Tageslichtes ableiten.
Der Zeitpunkt, in dem eine Aufnahme
entstanden ist oder irgendwelche anderen Informationen von Sensoren
gewonnen wurden, ist natürlich eine
wichtige Information für
die Aufklärung.
Außerdem
benötigt
man die genaue Uhrzeit für
die Positionsbestimmung durch Funktriangulation. Falls die Ortungseinrichtung
ein GPS-Empfänger
ist, kann man die atomuhrgenaue Zeit verwenden, die vom GPS-System
gesendet wird. Andernfalls kann man Uhren verwenden, die in die
Aufklärungsgeräte eingebaut
sind. Damit deren Zeiten nicht auseinander laufen, kann man zum
Beispiel zu bestimmten Zeiten ein starkes Synchronisationssignal
senden, z.B. aus dem Flugzeug, das von allen Aufklärungsgeräten empfangen
werden kann.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel
weist ein Aufklärungsgerät, das die
Form einer Kugel oder eines Stabes, wie oben beschrieben, oder irgendeine andere
Form haben kann, außen
eine Anzahl von Fangfäden
auf, die sich in Bäumen
verfangen können,
auf die das Aufklärungsgerät zufällig trifft.
Ein hängen
gebliebenes Aufklärungsgerät liefert
eine bessere Sicht als auf dem Boden und, wenn es sich im Wind dreht,
auch eine Rundumsicht, selbst wenn nur eine Kamera zum Horizont
blickt.
Fangfäden oder dergleichen haben
den Zusatznutzen, dass sie den freien Fall des Aufklärungsgerätes etwas
bremsen. Wenn die Gefahr der Entdeckung und Zerstörung gering
ist oder wenn sie bei Anwendungen im Umweltschutz oder Katastrophenmanagement
nicht besteht, kann man noch wirkungsvollere Abbremsvorrichtungen
verwenden, zum Beispiel kleine Fallschirme oder Prallsäcke, so dass
das Aufklärungsgerät weniger
robust gebaut sein muss.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel
hat ein Aufklärungsgerät, das in
der Figur schematisch dargestellt ist und eine Grundplatte 1,
eine elektronische Kamera 2, einen Positionsdetektor wie
z.B. einen GPS-Empfänger 3,
einen Transceiver 4, einen Controller 5 und eine
Batterie 6 enthält,
mehrere bewegliche Beine 7, auf denen es sich wie ein Insekt bewegen
kann. Preiswerte autonome "Krabbler" mit einer Grundplatte,
einer einfachen analogen Elektronik, einer Batterie oder Fotozelle
als Stromversorgung und einigen steifen Drähten als Beine, die sich koordiniert
bewegen können,
werden heute bereits hergestellt und können ohne weiteres auch die
zusätzlichen
Komponenten tragen, die man für
ein Aufklärungssystem
benötigt.
Der Mehraufwand für
die Beweglichkeit der Aufklärungsgeräte wird
dadurch wettgemacht, dass man insgesamt weniger Geräte benötigt, um
ein vorgegebenes Beobachtungsgebiet abzudecken.
So ein bewegliches Aufklärungsgerät kann programmiert
sein, vorgegebene Aufgaben durchzuführen, etwa sich zum Licht oder
zu Wärmequellen hin
zu bewegen, ohne Kontakt mit mindestens einem weiteren Aufklärungsgerät zu verlieren.
Ein Aufklärungsgerät kann sich
auch aus der Reichweite der übrigen
Aufklärungsgeräte heraus
bewegen, autonom einige Bilder oder andere Informationen gewinnen
und speichern und, wenn es keinen Funkkontakt zu irgendeinem anderen
Aufklärungsgerät bekommt, zu
dem Aufklärungsgerät laufen,
mit dem es zuletzt Kontakt hatte, um die Bilddaten an das Netz zu übergeben.
Die vorübergehende
Selbstständigkeit
ermöglicht
es, Ziele zu verfolgen, die im ständigem Kontakt mit dem Netz
nicht möglich
wären.
Es gibt kleine und kostengünstige
Prozessoren, die leistungsfähig
genug sind, um die Aufklärungsgeräte mit gewissen
Selbstlernfähigkeiten
auszustatten, so dass sie nicht aufwendig vorprogrammiert werden müssen, um
aus einem Bereich ohne Funkkontakt den Rückweg zu einem Aufklärungsgerät zu suchen, mit
dem der Kontakt zum Netz wiederhergestellt werden kann.
Autonome Aktionen, d.h. ohne Kontakt
zum Netz, zur Durchführung
von bestimmten Aufgaben, können
auch von Gruppen von Aufklärungsgeräten organisiert
durchgeführt
werden, um ein größeres Gebiet
zu erkunden, das außer
Reichweite liegt. Die zu erfüllenden
Aufgaben können
von einer oder mehreren Zentralen als Handlungsprogramme übermittelt und
in den Aufklärungsgeräten gespeichert
werden.
Bewegliche Aufklärungsgeräte können nicht nur zur Aufklärung dienen,
sondern außerdem
dafür eingerichtet
sein, irgendwelche nützlichen
Aktionen durchzuführen.
Zum Beispiel können
die Aufklärungsgeräte mit Einrichtungen
ausgestattet sein, um entdeckte Minen auszulösen, zum Beispiel durch Berühren, Schall,
Vibrationen, Wärme,
Bohren, Sprengsätze,
Schusseinrichtungen oder anderes, was Minen zur Explosion bringt.
Aufgrund der geringen Kosten der einzelnen Aufklärungsgeräte und der Unempfindlichkeit
des Netzes gegenüber
Ausfall von einzelnen Aufklärungsgeräten kann
eine Zerstörung
von Geräten
beim Auslösen
von Minen in Kauf genommen werden. Neben reinen Aufklärungsgeräten kann es
auch Spezialgeräte
für Minenräumung geben,
die über
das selbstorganisierende Netz von anderen Geräten herbeigerufen werden, wenn
sie eine Mine entdecken, oder von außen an den Ort der Mine gesteuert
werden. Individuelle oder kollektive Handlungsmuster für den Fall
einer Minenentdeckung können entweder
vorprogrammiert sein oder ein fallweise von außen nachgeladenes Handlungsprogramm sein.
Spezialgeräte
und/oder vorprogrammierte bzw. nachgeladene Handlungsmuster sind
auch für
andere Aktionen möglich,
die je nach Anwendungsfall gewünscht
sein können,
zum Beispiel Dekontaminierungsaktionen oder andere gefährliche
Arbeiten.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel
sind die Aufklärungsgeräte Flugkörper, zum
Beispiel Drohnen, die Transceiver aufweisen, über die sie ein selbstorganisierendes
drahtloses Netz miteinander knüpfen. Ähnlich wie
bei den in der Beschreibungseinleitung erwähnten U-Booten, ist die Steuerung von
konventionellen Drohnen sehr kompliziert, und um die gewünschten
Daten zu erhalten, benötigt
man entweder aufwendige Funkeinrichtungen mit hoher Reichweite,
oder man muss die Drohnen sicher zurückholen. Wie sich aus dem Obigen
ergibt, gibt es diese Probleme nicht, wenn man ein selbstorganisierendes
drahtloses Netz verwendet, und da die benötigte Elektronik sehr klein
und leicht ist, können
die Drohnen sehr viel kleiner und leichter konstruiert werden als
bisher. Dies kann so weit gehen, dass als Drohnen Mikro-Flug körper verwendet
werden, wenige Zentimeter große
Flugkörper
mit eigenem Antrieb, die man bereits erfolgreich hergestellt hat.
An die Zuverlässigkeit
müssen
keine hohen Anforderungen gestellt werden, da die Kosten pro Einheit
einen Bruchteil derjenigen von konventionellen Drohnen betragen
und ein Ausfall einzelner Aufklärungsgeräte unkritisch
ist, wie weiter oben erläutert
wurde.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel
sind die Aufklärungsgeräte Flugkörper ohne
eigenen Antrieb, zum Beispiel Segler, die nach Ausbringung aus dem
Flugzeug selbst- oder
ferngesteuert in das Zielgebiet schweben. Vom Zielort aus können sie
sich weiter bewegen, wenn sie mit einem entsprechenden Antrieb ausgerüstet sind,
zum Beispiel den beweglichen Beinen aus dem früheren Ausführungsbeispiel. Für den Flug
nötige
Teile wie Flügel
oder Lenkfallschirme können
nach der Landung automatisch abgetrennt werden, um nicht weiter
hinderlich zu sein.
Mobile Aufklärungsgeräte brauchen nicht von vornherein
breit gestreut verteilt werden, sondern sie können in größeren Gruppen abgesetzt werden,
wonach sie sich von selbst verteilen. Dadurch trägt man dem Umstand Rechnung,
dass man mobile Aufklärungsgeräte im allgemeinen
nicht so robust auslegen kann wie die zuerst beschriebenen stationären Aufklärungsgeräte. Bei
einem Abwurf in Gruppen aus einem Flugzeug verringert man außerdem eine
Gefährdung
des Flugzeugs selbst. Flugkörper als
Aufklärungsgeräte können natürlich unmittelbar aus
dem Flugzeug abgeworfen werden. Werden mehrere bodengestützte mobile
Aufklärungsgeräte gemeinsam
ausgesetzt, wird der Aufwand für
ein behutsames Absetzen im Beobachtungsgebiet geringer. Auch ist
es unschädlich,
wenn z.B. ein Fallschirm, an dem die Aufklärungsgeräte zu Boden geschwebt sind,
entdeckt wird, da sich die Aufklärungsgeräte inzwischen
verteilt haben.
Bei Anwendungen im zivilen Bereich
kann die Ausbringung der Aufklärungsgeräte häufig auf sehr
einfache Weise erfolgen. Zum Beispiel bei einer Geiselnahme können unbemerkt
eine Reihe von Aufklärungsgeräten abgesetzt
und sodann aus der Ferne benutzt werden.
Das Aufklärungssystem kann verschiedene Typen
von Aufklärungsgeräten umfassen,
zum Beispiel stationäre
und mobile, wenn sie sich in eine homogene Netzstruktur einfügen. Das
heißt,
nur die Bauteile bzw. die Software zum Aufbau des selbstorganisie renden
drahtlosen Netzes müssen
bei allen im System aktiven Aufklärungsgeräten übereinstimmen. Die im Einzelfall
verwendeten Typen von Aufklärungsgeräten können auf
die jeweilige Überwachungsaufgabe
abgestimmt werden, so dass das Aufklärungssystem sehr flexibel ist.
Das Aufklärungssystem arbeitet wie ein
sehr großer "virtueller Informations-Multiplexer", zum Beispiel als "virtueller Video-Multiplexer" mit simultaner oder
sequenzieller Bildfolge über
alle, einige oder per Kommando auf einzelne Sensoren zur Überwachung des
zu beobachtenden Gebietes. Aufgrund des geringen Aufwandes pro Aufklärungsgerät kann die Platzierungsdichte
sehr hoch sein, beispielsweise in Abständen von 50 Meter. In dem Beispiel
militärische Aufklärung bedeutet
dies, das Täuschungen
wie z.B. falsche Brücken
oder Panzer zuverlässig
erkannt und Opfer vermieden werden können.
Bei ausreichender lokaler Intelligenz,
zum Beispiel zur Ton- oder Bildauswertung, können die Aufklärungsgeräte bestimmten
Beobachtungsdaten einen Prioritätsstatus
geben, anhand dessen die anderen Geräte erkennen können, dass
diese Daten vorrangig zu befördern
sind.