DE102012002067A1

DE102012002067A1 - Luft-Boden-Überwachungs- und/oder Wirksystem und Verfahren zur luftgestützten Inspektion und/oder Bekämpfung von auf dem Land oder auf See befindlichen Objekten

Info

Publication number: DE102012002067A1
Application number: DE102012002067A
Authority: DE
Inventors: Hans Wolfgang Pongratz; Manfred Hiebl
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2013-08-08
Also published as: US9193458B2; US20130200207A1; CN103241380A

Abstract

Es wird ein Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem mit zumindest einem Basisluftfahrzeug (1) und zumindest einem vom Basisluftfahrzeug (1) abkoppelbaren und an dieses wieder ankoppelbaren unbemannten Tochterluftfahrzeug (2) beschrieben, wozu das Basisluftfahrzeug (1) und das Tochterluftfahrzeug (2) mit Kopplungsmitteln (52) versehen sind, die zum gegenseitigen Zusammenwirken ausgebildet sind, – wobei das Basisluftfahrzeug (1) mit Überwachungs- und Beobachtungsmitteln (312; 412, 414; 510, 520; 610, 614) versehen ist, – wobei das Tochterluftfahrzeug (2) mit Beobachtungs- (240) und/oder Wirkmitteln (250, 254) versehen ist, und – wobei das zumindest eine Tochterluftfahrzeug (2) über eine Datenlinkverbindung mit einer Kontrollstation (350) zum Datenaustausch verbindbar und von dieser steuerbar sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luft-Boden-Überwachungs- und/oder Wirksystem mit einem Basisluftfahrzeug und zumindest einem vom Basisluftfahrzeug abkoppelbaren und an dieses wieder ankoppelbaren unbemannten Tochterluftfahrzeug. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur luftgestützten Inspektion und/oder Bekämpfung von auf dem Land oder auf See befindlichen Objekten mittels eines solchen Systems.
Ein derartiges System, das aus einer Mehrzahl von miteinander kooperierenden, unbemannten Langzeit-Überwachungsfluggeräten besteht, eignet sich besonders für den Anti-Terror-Einsatz über Land und zum Schutz von Schiffen vor Piratenüberfällen auf See. Mittels dieses erfindungsgemäßen Verbundes von Fluggeräten lassen sich, insbesondere dann, wenn die Fluggeräte mit Solarantrieben versehen sind, Landwege und Seeschifffahrtsrouten effizient überwachen. Fahrzeugen und Personen, die diese Landwege und Seeschifffahrtsrouten nutzen, kann durch das erfindungsgemäße System zudem ein bewaffneter Schutz vor Überfällen auf den Landwegen und vor Piratenüberfällen auf den Seeschifffahrtsrouten geboten werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Um beispielsweise unbewaffnete Handelsschiffe vor Übergriffen durch Piraten schützen zu können, muss zunächst die Gefahr eines bevorstehenden Piratenangriffs rechtzeitig erkannt werden. Dann müssen Hilfskräfte, die mit geeigneten Wirkmitteln ausgestattet und in der Lage sind, rechtzeitig am Überfallort einzugreifen, erfolgreich zum Einsatz gebracht werden und den Überfall abwehren, bevor die Piraten das bedrohte Schiff entern und die Besatzung als Geisel nehmen können.
Um beispielsweise einen bevorstehenden Piratenangriff rechtzeitig zu erkennen, ist es zunächst erforderlich, die gefährdeten und zu schützenden Schiffe und die Schifffahrtsroute zu beobachten und zu überwachen. Dabei ist zwischen zwei möglichen Einsatzszenarien zu unterscheiden, nämlich einem ersten Einsatzszenario, bei welchem ein sich auf einer Schifffahrtsroute bewegender Geleitzug von Schiffen überwacht wird, wobei die Überwachungseinrichtungen mit dem Geleitzug mitwandern, und einem zweiten Einsatzszenario, bei welchem eine gesamte Schifffahrtsroute durch eine Vielzahl von quasi-stationären Überwachungseinrichtungen überwacht wird und die sich auf der Schifffahrtsroute bewegenden Schiffe von einem Überwachungsbereich in den nächsten Überwachungsbereich fahren.
Zur Abwehr eines im Zuge der Überwachung erkannten Piratenangriffs auf ein zu schützendes Schiff sollten ortsnah zum jeweiligen Überwachungsbereich Bekämpfungsmittel zur Verfügung stehen, die unmittelbar nach Erkennen des Piratenangriffs einsatzfähig sind und die den Piratenangriff noch vor dem Entern eines zu schützenden Schiffes vereiteln können.
STAND DER TECHNIK
Nach dem derzeitigen Stand der Technik wird die Aufgabe der Piratenabwehr mit großem Aufwand durch Kriegsschiffe in Größe einer Fregatte oder eines Zerstörers mit Bordhubschraubern und mit Hilfe landgestützter Seefernaufklärungsflugzeuge ausgeführt. Wegen der begrenzten Reichweite der Bordsensoren der Schiffe und der begrenzten Standzeit der Seefernaufklärungsflugzeuge und Bordhubschrauber und der sehr komplizierten, restriktiven Einsatzregeln können selbst mit einer Flotte von 50 Schiffen und einigen Seefernaufklärungsflugzeugen die Seewege um das Horn von Afrika nur punktuell überwacht werden und damit Piratenüberfälle nicht ausreichend verhindert werden.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Überwachungs- und/oder Wirksystem sowie ein Verfahren zur Inspektion und/oder Bekämpfung von auf dem Land oder auf See befindlichen Objekten mittels eines solchen Systems zu schaffen, welches einerseits eine großflächige Überwachung von Landwegen oder Seeschifffahrtsrouten ermöglicht und welches andererseits eine schnelle Reaktion im Falle einer erkannten Gefährdung gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch das Luft-Boden-Überwachungs- und/oder Wirksystem gemäß Patentanspruch 1 sowie durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 18 gelöst.
Das Luft-Boden-Überwachungs- und/oder Wirksystem gemäß Patentanspruch 1 umfasst zumindest ein Basisluftfahrzeug und zumindest ein vom Basisluftfahrzeug abkoppelbares und an dieses wieder ankoppelbares unbemanntes Tochterluftfahrzeug. Dazu sind das Basisluftfahrzeug und das Tochterluftfahrzeug mit Kopplungsmitteln versehen, die zum gegenseitigen Zusammenwirken ausgebildet sind. Zudem ist das Basisluftfahrzeug mit Überwachungs- und Beobachtungsmitteln ausgestattet und das Tochterluftfahrzeug ist mit Beobachtungs- und/oder Wirkmitteln versehen. Das Tochterluftfahrzeug ist über eine Datenlinkverbindung mit einer beispielsweise am Boden befindlichen Kontrollstation zum Datenaustausch verbindbar und von dieser steuerbar.
VORTEILE
Das erfindungsgemäße Luft-Boden-Überwachungs- und/oder Wirksystem ermöglicht es auf besonders vorteilhafte Weise, Verkehrswege auf See und auf dem Land zu überwachen und zu sichern, auch wenn keine Bodenstationen entlang der Verkehrswege oder in deren Nähe zur Verfügung stehen.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale des erfindungsgemäßen Systems sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 18.
Vorzugsweise ist auch das Basisluftfahrzeug unbemannt und über eine weitere Datenlinkverbindung mit der Kontrollstation verbindbar und von dieser steuerbar. Dadurch sind sowohl das Basisluftfahrzeug, als auch die Tochterluftfahrzeuge von der Kontrollstation in bekannter Weise fernsteuerbar.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Basisluftfahrzeug und/oder das Tochterluftfahrzeug mit einem Rumpf und mit zumindest einem aerodynamischen Auftrieb erzeugenden Tragflügel versehen ist und dass der jeweilige Tragflügel eine Mehrzahl von sich in einer Richtung quer, vorzugsweise rechtwinklig, zur Rumpflängsachse erstreckenden Flügelholmen und Schläuchen aufweist, die von einer eine Flügelbespannung bildenden Haut umgeben sind, welche die Querschnittskontur des Tragflügels bestimmt, wobei die Querschnittskontur ein Laminarprofil bildet, das bei geringem Strömungswiderstand einen hohen Auftrieb erzeugt. Dieser Tragflügel zeichnet sich durch sein extrem niedriges Gewicht aus, da er seine Steifigkeit in Spannweitenrichtung von dem mit Druckgas befüllten Schlauch oder mehreren mit Druckgas befüllten Schläuchen erhält. So können beispielsweise mehrere mit Druckgas befüllte Schläuche in Spannweitenrichtung verlaufen, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen und die miteinander verbunden und von einer gemeinsamen äußeren Hülle umgeben sind, so dass sich aus diesem Aufbau ein Flügel mit einem aerodynamischen Auftrieb erzeugenden Profil ergibt. Wird als Druckgas zur Befüllung der Schläuche ein Gas eingesetzt, das leichter als Luft ist, beispielsweise Wasserstoff oder Helium, so besitzt der Tragflügel sowohl eine aerostatische Auftriebskomponente, als auch bei entsprechender Anströmung eine aerodynamische Auftriebskomponente.
Eine bevorzugterweise vorgesehene Verspannung der freien Enden des Tragflügels gegen den Rumpf und/oder gegen eine unter dem Rumpf vorgesehene Gondel sorgt dafür, dass der Tragflügel unter der Last der an ihm angreifenden Auftriebskräfte nicht nach oben abknickt. Zusätzlich zu den an den freien Enden des Tragflügels vorgesehenen Spannseilen können am Tragflügel weitere Spannseile zwischen dem jeweiligen freien Ende des Tragflügels und dessen Anbringung am Rumpf befestigt sein, die dann ebenfalls gegen den Rumpf und/oder gegen eine unter dem Rumpf vorgesehene Gondel verspannt sind.
Dabei ist es von Vorteil, wenn zumindest ein Teil der Schläuche im Tragflügel mit Wasserstoff befüllbar ist und wenn zumindest ein Teil der Schläuche im Tragflügel mit Sauerstoff befüllbar ist. Dadurch dienen die Schläuche nicht nur der Versteifung der Tragflügel, sondern zudem als Speicher für die Treibstoffkomponenten Wasserstoff und Sauerstoff.
Vorteilhafterweise weist der Rumpf des Basisluftfahrzeugs und/oder des Tochterluftfahrzeugs eine zumindest teilweise mit einem von Luft verschiedenen Traggas, das leichter als Luft ist, insbesondere Wasserstoff, gefüllte Hülle auf. Hierdurch kann der Rumpf als Auftriebskörper wirken.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Basisluftfahrzeug und das Tochterluftfahrzeug, jeweils zumindest einen mit einem Propeller versehenen Antrieb mit einem vorzugsweise elektrisch angetriebenen Antriebsmotor aufweisen, der vorzugsweise in einer unter dem Rumpf oder am Tragflügel vorgesehenen Antriebsgondel angeordnet ist.
Diese Antriebsgondel ist beispielsweise durch Tragelemente, die zum Beispiel von Spannseilen gebildet sein können, mit dem Rumpf und gegebenenfalls auch mit der Nutzlastgondel verbunden. Diese gesonderte Anordnung des Antriebs in einer eigenständigen Antriebsgondel sorgt dafür, dass vom Antrieb ausgehende Schwingungen nicht auf den Rumpf des Luftfahrzeugs und gegebenenfalls auf die Nutzlastgondel übertragen werden, so dass beispielsweise in der Nutzlastgondel vorhandene Instrumente keinen vom Antrieb ausgehenden Erschütterungen ausgesetzt sind. Als besonders geeignet hat sich dabei ein elektrischer Antriebsmotor erwiesen.
Von Vorteil ist es auch, wenn die Haut der Tragflügelbespannung des Basisluftfahrzeugs und/oder des Tochterluftfahrzeugs an der Oberseite des Tragflügels transparent ist und wenn die Oberseite des Tragflügels mit Solarzellen eines Solargenerators versehen ist, die zwischen der transparenten Haut und den Schläuchen angeordnet sind.
Bei diesem in extremer Leichtbauweise ausgeführten Flügel ist es besonders von Vorteil, wenn der Tragflügel eine im Längsschnitt aerodynamisch geformte Hülle aus einer dünnen, durchsichtigen Folie, vorzugsweise einer durchsichtigen Polyesterfolie, auf der Oberseite und einer gegen die UV-Strahlung mit Aluminium bedampften hochfesten Aramidfolie auf der Flügelunterseite, aufweist. Eine wegen ihrer Festigkeit besonders geeignete durchsichtige Polyesterfolie ist eine biaxial orientierte Polyesterfolie, wie sie beispielsweise unter dem Handelsnamen „MYLAR^®” auf dem Markt verfügbar ist. Unter der durchsichtigen Polyesterfolie werden vorteilhaft über die ganze Flügeloberseite und Höhenleitwerksoberseite Dünnschichtsolarzellen des Typs CIGS (Copper Indium Gallium Selenide) angebracht, die vorteilhaft auf einer dünnen Polyimid-Folie (z. B. KAPTON^®-Folie) aufgebracht und mit einer weiteren Folie abgedeckt werden, wobei der gesamte Aufbau vorteilhaft nur ungefähr 50 μm dick und damit sehr leicht ist und einen Wirkungsgrad bis zu 16% erreicht. Derartige CIGS-Dünnschicht-Solarzellen weisen ein sehr geringes Gewicht auf und arbeiten auch bei erhöhter Temperatur, wie sie in großen Höhen auftreten kann, noch gut ohne separate Kühleinrichtungen, so dass in Verbindung mit dem aus einer dünnen Folie gebildeten Trägerelement ein sehr leichter Solargenerator gebildet ist.
Besonders effizient ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems, bei der im Basisluftfahrzeug zur Erzeugung der Antriebsenergie eine photovoltaische Energieversorgungseinrichtung vorgesehen ist mit zumindest einem photovoltaischen Solargenerator, der auftreffende solare Strahlungsenergie in elektrische Energie wandelt; zumindest einem Wasserstoffgenerator zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser; zumindest einem Wasservorratsbehälter, der mit dem Wasserstoffgenerator über eine erste Wasserleitung verbunden ist; zumindest einem, vorzugsweise von der ersten Kammer gebildeten, Wasserstoffvorratsbehälter, der über eine erste Wasserstoffleitung mit dem Wasserstoffgenerator verbunden ist; zumindest einer Brennstoffzelle, die über eine zweite Wasserstoffleitung mit dem Wasserstoffvorratsbehälter verbunden ist und die über eine zweite Wasserleitung mit dem Wasservorratsbehälter verbunden ist, und einer Steuerungseinrichtung, die mit dem Solargenerator, dem Wasserstoffgenerator und der Brennstoffzelle elektrisch verbunden ist. Die Bereitstellung der Antriebsenergie für den elektrischen Antriebsmotor und auch für andere elektrische Verbraucher des Luftfahrzeugs und seiner Nutzlast erfolgt somit bevorzugt mittels dieser photovoltaischen Energieversorgungseinrichtung.
Das parallele Vorsehen eines photovoltaischen Solargenerators, eines Wasserstoffgenerators und einer Brennstoffzelle bei dieser Energieversorgungseinrichtung ermöglicht es, tagsüber, wenn ausreichend solare Strahlungsenergie zur Verfügung steht, einen Teil der vom Solargenerator erzeugten elektrischen Energie zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser zu verwenden, der dann, wenn nachts keine solare Strahlungsenergie mehr zur Verfügung steht oder wenn nicht ausreichend solare Strahlungsenergie zur Verfügung steht, in der Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels der Brennstoffzelle mit Umgebungssauerstoff zu Wasser rekombiniert wird. Auf diese Weise steht stets elektrische Energie zur Verfügung.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Steuerungseinrichtung so ausgestaltet ist, dass sie bei Vorhandensein von solarer Strahlungsenergie die vom Solargenerator erzeugte elektrische Energie einem elektrischen Verbraucheranschluss der Energieversorgungseinrichtung zuführt und dass sie bei Nicht-Vorhandensein von solarer Strahlungsenergie oder wenn die vom Solargenerator erzeugte elektrische Energie für einen vorgegebenen Energiebedarf nicht ausreicht, die Brennstoffzelle aktiviert, um elektrische Energie an den Verbraucheranschluss zu liefern. Diese Steuerungseinrichtung sorgt somit dafür, dass die Brennstoffzelle automatisch aktiviert wird, wenn nicht ausreichend oder keine solare Strahlungsenergie zur Verfügung steht.
Auch vorteilhaft ist es, wenn die Steuerungseinrichtung so ausgestaltet ist, dass sie bei Vorhandensein von solarer Strahlungsenergie einen Teil der vom Solargenerator erzeugten elektrischen Energie dem Wasserstoffgenerator zuführt, und dass sie dem Wasserstoffgenerator Wasser aus dem Wasservorratsbehälter zuführt, sodass der Wasserstoffgenerator aktiviert wird, um aus dem ihm zugeführten Wasser Wasserstoff zu erzeugen, der im Wasserstoffvorratsbehälter gespeichert wird. Bei dieser Ausführungsform wird von der vom Solargenerator erzeugten elektrischen Energie stets ein Teil dazu verwendet, den Wasserstoffgenerator zu betreiben, um den Wasserstoff zu erzeugen, der von der Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie benötigt wird, wenn der Solargenerator keine oder nicht ausreichende elektrische Energie liefert. Dabei kann die Steuerungseinrichtung die Menge an elektrischer Energie, die dem Wasserstoffgenerator zugeführt wird, oder auch die Einschaltzeiten des Wasserstoffgenerators in Abhängigkeit vom vorhandenen Wasserstoffvorrat steuern.
Bevorzugt weisen die Kopplungsmittel Betankungsverbindungsmittel auf, mit denen Treibstoff vom Basisluftfahrzeug an das Tochterluftfahrzeug lieferbar ist. So kann das Tochterluftfahrzeug dann, wenn es am Basisluftfahrzeug angekoppelt ist, mit dem im Basisluftfahrzeug produzierten Treibstoff wieder für eine nächste Mission betankt werden.
Bevorzugt ist das Tochterluftfahrzeug schwebefluggeeignet und dazu mit Auftriebskörpern vorgesehen, die mit einem Gas befüllbar sind, welches leichter als Luft ist. Diese Ausführungsform verbessert die Beobachtungseigenschaften des Tochterluftfahrzeugs, da es dadurch quasi stationär über einem zu beobachtenden oder zu inspizierenden Objekt positioniert werden kann.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn dass das Gas, das leichter als Luft ist, Wasserstoff ist, der in zumindest einem Wasserstoffspeicher des Tochterluftfahrzeugs gespeichert und zugleich als Brennstoff für einen Luftfahrzeugantrieb vorgesehen ist. Der als Treibstoff benötigte Wasserstoff wird auf diese Weise zugleich als Auftriebsmedium genutzt.
Vorzugsweise weist dass das Tochterluftfahrzeug Senkrechtstart- und Senkrechtlandeeigenschaften auf. Diese Eigenschaften ermöglichen es dem Tochterluftfahrzeug beispielsweise, auf Deck eines zu inspizierenden Schiffs zu landen.
Besonders geeignet ist das System, wenn das Basisluftfahrzeug zumindest ein nach unten zur Erdoberfläche gerichtetes Beobachtungsradargerät aufweist. Dieses Beobachtungsradargerät macht das Tochterluftfahrzeug nachteinsatztauglich.
Wenn das Basisluftfahrzeug zumindest einen nach unten zur Erdoberfläche gerichteten Radarhöhenmesser aufweist, ist eine besonders gute Beobachtung der Erdoberfläche sogar bei Wolken möglich, bei der über die damit ermittelte Höhenkontur eine Objektidentifizierung erfolgen kann.
Weist das Basisluftfahrzeug zumindest eine nach unten zur Erdoberfläche gerichtete Teleskopkamera und vorzugsweise eine dieser zugeordneten Zielobjektbeleuchtungseinrichtungen auf, so kann bei Tag und sogar bei Nacht eine Beobachtung der Erdoberfläche erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur luftgestützten Inspektion und/oder Bekämpfung von auf dem Land oder auf See befindlichen Objekten, insbesondere mittels eines Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystems gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, enthält die folgenden Schritte:

– Erfassen eines Objekts mittels einer an Bord eines Basisluftfahrzeugs vorgesehenen Beobachtungseinrichtung;
– Beobachten des erfassten Objekts mit einem an Bord des Basisluftfahrzeugs vorgesehenen Teleskop im Spektrum des sichtbaren Lichts oder im Infrarotspektrum und/oder mit einer Radar-Beobachtungseinrichtung;
– Absetzen eines Tochterluftfahrzeugs vom Basisluftfahrzeug und Steuern des Tochterluftfahrzeugs in die Nähe des Objekts;
– Ausführen einer Inspektions- oder Bekämpfungsmission gegen das Objekt mittels an Bord des Tochterluftfahrzeugs vorgesehener Beobachtungsmittel oder Wirkmittel;
– Rückführen des Tochterluftfahrzeugs zum Basisluftfahrzeug; und
– Andocken des Tochterluftfahrzeugs an das Basisluftfahrzeug.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, mit einem in großer Höhe fliegenden Basisluftfahrzeug und dessen bordeigener Beobachtungseinrichtung einen Bereich auf der Erdoberfläche, beispielsweise einen Teil eines Landwegs oder Seewegs permanent zu beobachten und den Verkehr auf diesem Weg zu überwachen. Die Beobachtungseinrichtung kann dabei alternativ oder kumulativ optische bildgebende Einrichtungen, Radargeräte, laseroptische Beobachtungsgeräte oder andere geeignete Sensoren aufweisen.
Beispielsweise können derartige Sensoren zu einem automatischen Schiffsidentifikationssystem (AIS) gehören, mit dem es möglich ist, Schiffe anhand einer Transponderkennung zu identifizieren. Das Basisluftfahrzeug wird auf diese Weise zu einer AIS-Basisstation. Dadurch kann das bereits in Küstennähe funktionierende internationale AIS-System auch auf die hohe See ausgedehnt werden. Damit ist es möglich, von einer an Bord des Basisluftfahrzeugs befindlichen AIS-Basisstation die Daten der von dieser Basisstation erfassten Schiffe auf der überwachten Schifffahrtsroute abzufragen und zum Abgleich an eine AIS-Datenzentrale sowie an die Kontrollstation zu senden und so die erfassten Schiffe zu identifizieren. Dadurch können auch außerhalb der Küstengewässer großräumige Trackfiles für Schiffe erstellt werden.
In Bezug auf den Einsatz über Schifffahrtsrouten ist mit dem erfindungsgemäßen System und dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Möglichkeit geschaffen, in einem großräumigen überwachten Seegebiet alle bewegten hochseetüchtigen Seefahrzeuge bei Tag und bei Nacht sowie bei schlechtem Wetter, beispielsweise mit Dopplerradar, unabhängig von ihrer Fahrtrichtung zu erfassen und ihren Kurs langfristig zu verfolgen. Die ermittelten Schiffspositionen können mit übermittelten AIS-Positionsdaten abgeglichen und verifiziert werden.
Werden mit einem bordeigenen Radargerät des Basisluftfahrzeugs Schiffe erfasst, die keine AIS-Identifizierung ermöglichen oder bei denen Zweifel an der Identität einer aufgefassten AIS-Identifizierung besteht, kann das Basisluftfahrzeug das Zielschiff in großer Höhe direkt überfliegen und mit einem abbildenden Präzisionsradarhöhenmesser eine spezifische Höhensignatur des Zielschiffes vermessen. Diese Höhensignatur kann dann mit in einer Datenbasis gespeicherten Referenzsignaturen mittels automatischer Bilderkennungsverfahren verglichen werden, um das Schiff auf diese Weise zu identifizieren.
Falls die Identifizierung eines Schiffes auch mit einem derartigen Radargerät nicht möglich ist, so kann das Luftfahrzeug das Zielschiff in großer Höhe (beispielsweise bis auf maximal 40 km Entfernung) anfliegen und mit einer an Bord des Basisluftfahrzeugs vorgesehenen abbildenden und hochauflösenden Multispektral-Teleskopkamera, die im nahen Infrarotbereich (NIR) arbeitet, eine spezifische Multispektralbildsignatur des Zielschiffes aufnehmen. Diese Multispektralbildsignatur kann dann mit einem Datenbestand von in einer Datenbasis vorgehaltenen Referenzsignaturen mit einem automatischen Bilderkennungsverfahren verglichen werden und auf diese Weise identifiziert werden.
Schiffe, die durch ihr Verhalten oder durch Unklarheiten bei der Identifizierung Anlass zu Misstrauen geben, können auch mit hochauflösenden optischen Sensoren, die an Bord des Basisluftfahrzeugs vorgesehen sind, bei ihren Aktivitäten kontinuierlich und kurzen Abständen bei Tag und Nacht beobachtet werden, so dass deren Absichten besser eingeschätzt werden können. In einem weitergehenden Schritt können nicht als ungefährlich identifizierte Schiffe, die in einen definierten Schutzbereich des überwachten Seegebietes einfahren, mittels des Tochterluftfahrzeugs identifiziert werden. Dieses löst sich dann vom Basisluftfahrzeug und geht in den Tiefflug über, um das fragliche Schiff zu inspizieren oder akustisch mit der Schiffsbesatzung Kontakt aufzunehmen. Das Tochterluftfahrzeug ist dazu vorzugsweise schwebetauglich und kann so über dem zu inspizierenden Schiff eine quasi-stationäre Position einnehmen. Wird dabei eine Gefahrenlage für andere Schiffe auf der Seeschifffahrtsroute erkannt, weil das inspizierte Schiff beispielsweise als Piratenschiff identifiziert worden ist, so kann das Tochterluftfahrzeug mit seinen bordeigenen Wirkmitteln dieses Piratenschiff bekämpfen. Nach dem Einsatz kann das Tochterluftfahrzeug wieder zum Basisluftfahrzeug zurückkehren und an dieses ankoppeln und bei Bedarf vom Basisluftfahrzeug auch wieder betankt werden.
Mittels des vom Basisluftfahrzeug abkoppelbaren und an dieses wieder ankoppelbaren Tochterluftfahrzeugs ist es auch möglich, besonders gefährdeten Schiffen auf der Seeschifffahrtsroute eine bewaffnete Eskorte zu stellen, um eventuelle Piraten kurzfristig von Übergriffen abzuhalten.
Die Positionierung des Basisluftfahrzeugs oberhalb der zu überwachenden Seeschifffahrtsroute und die relativ kurzen Wege des Tochterluftfahrzeugs vom Basisluftfahrzeug hinab zur Seeschifffahrtsstraße (oder zum überwachten Landweg) ermöglichen es, insbesondere bei Nacht oder bei schlechten Sichtverhältnissen überraschend anlaufende Überfälle mittels der Sensorik des Basisluftfahrzeug rechtzeitig zu erkennen und durch das schnell an den Einsatzort verbringbare Tochterluftfahrzeug die angreifenden Piraten (beziehungsweise Terroristen) zu bekämpfen. Dazu können zunächst nicht-letale Wirkmittel gegen die Angreifer eingesetzt werden, zum Beispiel Schallkanonen, und falls diese nicht ausreichen, kann Waffengewalt von an Bord des Tochterluftfahrzeugs befindlichen automatischen Waffen gegen die Angreifer eingesetzt werden, so dass diese gestoppt und der Überfall abgewehrt werden kann, bevor beispielsweise die Piraten ein zu schützendes Schiff entern und dessen Besatzung als Geisel nehmen können.
Vorteilhafterweise können mehrere Einsatzgruppen, die jeweils aus einem Basisluftfahrzeug und einem daran ankoppelbaren Tochterluftfahrzeug bestehen, zur Sicherung der Landwege beziehungsweise Seewege eingesetzt werden. Die einzelnen Einsatzgruppen stehen dabei über ein eigenes Datenlinksystem untereinander und mit der bemannten Kontrollstation, die sich beispielsweise am Boden befinden kann, in Verbindung. Die einzelnen Basisluftfahrzeuge und Tochterluftfahrzeuge können von der Kontrollstation aus ferngesteuert werden und die von den an Bord der Luftfahrzeuge befindlichen Sensoren erfassten Daten werden zur weiteren Auswertung an die Kontrollstation über das Datenlinksystem übermittelt.
Es können eine oder mehrere Kontrollstationen vorgesehen sein, die neben Personal zur Auswertung der übermittelten Daten, welche zum Teil auch automatisch erfolgen kann, auch mit Flugführungspersonal, Fernlenkpiloten sowie weiterem Sensorbedienpersonal und Waffenbedienpersonal ausgerüstet sind.
Die großflächige Überwachung des zu überwachenden Beobachtungsgebiets (auf Land oder auf See) erfolgt beispielsweise von einer Gruppe von spezialisierten Basisluftfahrzeugen, die zum Beispiel jeweils ein Pulsdoppler-Radargerät an Bord haben und miteinander kooperieren. Dieses System aus kooperierenden Pulsdoppler-Radaren, insbesondere für den Marineeinsatz, gewährleistet bei Tag, bei Nacht und auch bei schlechten Wetter- und Sichtbedingungen eine Großraumüberwachung.
Bei Sichtbehinderung durch Bewölkung werden die Pulsdoppler-Radargeräte unterstützt durch weitere Basisluftfahrzeuge, die mit Präzisionsradarhöhenmessern mit Monopulsantennengruppen ausgerüstet sind. Mit diesen Geräten ist es möglich, eine spezifische Höhensignatur über der Oberfläche, beispielsweise der Meeresoberfläche, und die relative horizontale Anordnung der Höhenelemente von Schiffen zueinander messen zu können, die sich direkt unter dem jeweiligen Basisluftfahrzeug befinden, welches beispielsweise in einer Höhe von 15 km fliegt. Eine automatische Bilderkennungssoftware kann diese ermittelte Höhensignatur mit in einer Datenbank gespeicherten Referenzsignaturen vergleichen und das so erfasste Schiff täuschungssicher identifizieren, auch wenn keine Bodensicht besteht. Weiterhin können mit dem Präzisionsradarhöhenmesser auch bei schlechtem Wetter ohne Bodensicht verdächtige Schiffe beobachtet werden und es kann insbesondere festgestellt werden, wenn beispielsweise Beiboote ausgesetzt werden, die zu Piratenangriffen benutzt werden können. Auf diese Weise ist es auch bei schlechter Sicht möglich, zuverlässig einen Alarm auszulösen.
Bei ausreichender Bodensicht kann mittels optischer Überwachungsgeräte eine großflächige und kontinuierliche bildgebende optische Beobachtung durchgeführt werden, die eine zusätzliche, unabhängige und fälschungssichere Identifizierung aller durch das Radar aufgefassten Schiffe bei Tag und Nacht ermöglicht. Dazu sind eine Mehrzahl von Basisluftfahrzeugen mit Nahinfrarot-Multispektral-Teleskopkameras ausgestattet, die für den Betrieb bei Nacht und bei schlechten Sichtverhältnissen, die durch Dunst, Staub oder leichten Regen verursacht sind, von einer künstlichen Fernbeleuchtungseinrichtung an Bord des jeweiligen Basisluftfahrzeugs unterstützt werden. Diese Gruppe von mit den NIR-Multispektral-Teleskopkameras ausgerüsteten Basisluftfahrzeugen bildet eine großflächige Multispektralsensoranordnung. Damit es auch durch optische Beobachtung bei suboptimalen Sichtbedingungen möglich, Schiffe aufgrund ihrer Multispektral-Signatur anhand von in einer Datenbank gespeicherten Referenzbildern mittels einer automatischen Bilderkennungssoftware zu identifizieren.
Die Tochterluftfahrzeuge sind ausgerüstet mit rundum schwenkbaren Multispektralkameras mit Suchobjektiven und eigener Beleuchtungseinheit für den Allwetterbetrieb sowie mit einem koaxialen Laserentfernungsmesser. Richtlautsprecher und Richtmikrofone ermöglichen die akustische Kommunikation mit inspizierten Schiffsbesatzungen bei der Durchführung von Nahinspektionen fahrender Schiffe. Zudem sind die Tochterluftfahrzeuge ausgestattet mit einer Lärmkanone zur Warnung von Angreifern sowie einem mehrschüssigen Raketenwerfer, der Fuel-Air-Druckwellengranaten mittels einer ferngesteuerten Feuerleitanlage auf Entfernungen von über einem Kilometer genau gezielt verschießen kann. Diese nicht-letalen Wirkmittel dienen dazu, potentielle Angreifer abzuwehren und von ihrem Vorhaben abzubringen. Für den Fall, dass diese nicht-letalen Wirkmittel nicht ausreichen sollten, sind die Tochterluftfahrzeuge auch mit geeigneten Waffen ausgestattet, die zum gezielten Angriff gegen ein Schiff oder gegen Personen einsetzbar sind.
Die Luftfahrzeuge des erfindungsgemäßen Systems können durch den Antrieb von Solarenergie mit nahezu unbegrenzter Einsatzdauer Überwachungs-, Inspektions- und Schutzaufgaben über Land und über See ausführen. Es sind dabei eine oder vorzugsweise mehrere Einsatzgruppen jeweils bestehend aus einem Basisluftfahrzeug und einem Tochterluftfahrzeug, also von miteinander kooperierenden, ferngesteuerten und unbemannten Fluggeräten, vorgesehen, die mit speziellen Sensoren und Wirkmitteln ausgerüstet sind und über ein eigenes Datenlinksystem untereinander und mit einer bemannten und am Boden befindlichen Kontrolleinrichtung verbunden sind. Die Luftfahrzeuge werden von dieser Bodenkontrolleinrichtung aus kontrolliert und ferngesteuert. Die Bodenkontrolleinrichtung besteht aus einer oder mehreren Kommando-, Kontroll- und Bodenstationen, in denen Flugführungspersonal, Fernlenkpiloten sowie Sensor- und Waffenbedienpersonal vorgesehen ist, um die einzelnen Luftfahrzeuge des Systems zu steuern und ihre Ausrüstung zu bedienen. Des Weiteren weisen die Bodenstationen Auswerteeinrichtungen auf, auf denen entsprechende Computerprogramme laufen, mit denen die über die Datenlinkverbindungen von den Luftfahrzeugen empfangenen und von deren Sensoren aufgenommenen Daten ausgewertet werden.
In einer solchen Einsatzgruppe können die Basisluftfahrzeuge jeweils eine AIS-Basisstation eines automatischen Schiffsidentifikationssystems AIS (Automatic Identification System) mitführen, die dadurch zu fliegenden AIS-Basisstationen werden. Auf diese Weise kann das bislang mit an Land vorgesehenen AIS-Basisstationen versehene automatische Schiffsidentifikationssystem von den Küstengewässern auf die hohe See ausgedehnt werden. Künftig können damit großräumig (auf Distanzen bis zu 500 km) im überwachten Bereich alle Schiffe, die einen AIS-Transponder mitführen, nach ihrer Identität und ihren Schiffspassagedaten mittels der fliegenden AIS-Basisstationen abgefragt werden. Diese Daten können dann zum Abgleich mit dem als Breitbanddatenlink ausgebildeten Datenlink von den Basisluftfahrzeugen an die am Boden befindliche Kontrollstation übersandt werden, die diese Daten dann weiter an eine AIS-Zentrale leitet. Auf diese Weise lassen sich auch von auf See befindlichen Schiffen Bewegungsprofile (Trackfiles) erstellen, so dass sich feststellen lässt, ob ein Schiff seine geplante Route verlässt, was möglicherweise auf eine Entführung durch Piraten schließen lässt.
Die besondere Sensorausrüstung für die großflächige und allwettertaugliche aktive Überwachung des äußeren Seeschutzgebiets wird von speziell dazu ausgerüsteten Basisluftfahrzeugen getragen und umfasst ein System aus miteinander kooperierenden Pulsdopplerradaren (PD-Radar) für den Marineeinsatz für die Großraumüberwachung bei Nacht und bei schlechten Wetter- und Sichtbedingungen. Dieses System kann die Positionsdaten und den Kurs aller Schiffe bestimmen und ihre Position mit den übermittelten AIS-Positionsdaten abgleichen und verifizieren.
Bei Sichtbehinderung durch Bewölkung werden die PD-Radargeräte durch weitere Basisluftfahrzeuge unterstützt die mit Präzisionsradarhöhenmessern mit Monopulsantennengruppen ausgerüstet sind. Mittels dieser Höhenmesser ist es möglich, eine Höhensignatur über der Meeresoberfläche und die Anordnung von Höhenelementen von Schiffen relativ zueinander messen zu können, wenn die Schiffe direkt unter dem beispielsweise in einer Höhe von 15 km fliegenden Basisluftfahrzeug fahren.
Bei nur mit Radar aufgefassten Schiffen ohne AIS-Identifizierung und bei Schiffen, bei denen noch Zweifel an der Identität bestehen, kann mit einem solchen abbildenden Präzisionsradarhöhenmesser die spezifische Höhensignatur des Schiffes vermessen werden und diese Höhensignatur kann mit in einer Datenbank gespeicherten Referenzsignaturen mittels eines automatischen Bilderkennungsverfahrens verglichen werden. Falls die Daten des betreffenden Schiffs in der Datenbank gespeichert sind, kann auf diese Weise auch eine eindeutige und täuschungssichere automatische Schiffsidentifizierung erfolgen. Die Referenzdatenbank enthält zu jedem in dem überwachten Seegebiet verkehrenden Schiff mit AIS-Transponder und AIS-Kennung eine Radarhöhenmessersignatur. Diese Radarhöhenmessersignatur wird von jedem Schiff aufgenommen und abgespeichert, das erstmals in den Überwachungsbereich einfährt. Schiffe ohne AIS-Kennung werden in einer separaten Referenzdatei abgelegt und verarbeitet. Durch den Radarhöhenmesser kann unter Anderem auch die Freibordhöhe des Zielschiffes gemessen werden und mit den durch AIS gewonnenen Daten zum Tiefgang des Schiffes verglichen werden. So kann auch der Ladezustand des Schiffes direkt und fälschungssicher gemessen werden.
Weiterhin können verdächtige Schiffe mittels des Präzisionshöhenmessers auch bei schlechtem Wetter ohne Bodensicht beobachtet werden und es kann insbesondere festgestellt werden, wenn Beiboote von diesen Schiffen ausgesetzt werden, die zu Piratenangriffen benutzt werden könnten. So kann auch bei schlechter Sicht oder fehlender Bodensicht zuverlässig ein Piratenangriffalarm ausgelöst werden.
Des Weiteren sind einige der Basisluftfahrzeuge des erfindungsgemäßen Systems, die über einem zu überwachenden Einsatzgebiet verkehren, mit Nahinfrarot-Multispektral-Electron-Multiplied-CCD-Teleskopkameras ausgestattet, die zusätzlich mit einer künstlichen Fernbeleuchtungseinrichtung für den Betrieb bei Nacht und bei schlechtem Wetter versehen sind. Auf diese Weise ist eine großflächige und kontinuierliche bildgebende optische Beobachtung und Identifizierung aller durch das Radar aufgefassten Schiffe bei Tag und Nacht und auch bei schlechten Sichtbedingungen, die durch Dunst, Staub oder leichten Regen verursacht sind, in dem überwachten Gebiet möglich. Wenn eine dichte Wolkendecke aus z. B. Cumuluswolken mit bis zu 5 km Dicke die Bodensicht normalerweise blockiert, können in einem besonderen Betriebsmodus der EMCCD-Kamera mit hoher Lichtverstärkung (300 bis 1000) und besonders starker Beleuchtung (bis 5 kW Lichtstrom) aus 20 km Höhe direkt über dem Zielschiff noch hochauflösende Multispektralbilder des Zielschiffes aufgenommen werden, die zur automatischen Auswertung geeignet sind. In diesem Betriebsmodus kann die EMCCD-Kamera den Präzisionshöhenmesser bei 95% aller Wetterbedingungen bei der Zielsignaturmessung ersetzen.
Bei ausreichender Bodensicht kann diese spezielle optische Sensorausrüstung für die großflächige und kontinuierliche bildgebende optische Beobachtung zur zusätzlichen, unabhängigen und fälschungssicheren Identifizierung aller durch das Radar aufgefassten Schiffe bei Tag und Nacht durch Vergleich der Zielbilder mit in einer weiteren Datenbank gespeicherten Referenzbildern durchgeführt werden, wobei der Vergleich der aufgenommenen Bilder mit den Referenzbildern mittels eines automatischen Multispektralbilderkennungssystems durchgeführt wird. Diese Referenzbilddatenbank enthält zu jedem in dem überwachten Seegebiet verkehrenden Schiff mit AIS-Transponder und AIS-Kennung eine Multispektralbildsignatur. Diese Multispektralbildsignatur wird von jedem Schiff aufgenommen und abgespeichert, das in den Überwachungsbereich erstmals einfährt. Schiffe ohne AIS-Kennung werden in einer separaten Referenzbilddatei abgelegt und verarbeitet.
Weiterhin sind die Basisluftfahrzeuge mit einer Sende- und Empfangsausrüstung für eine großflächige Breitbanddatenlinkverbindung der Luftfahrzeuge untereinander und mit der am Boden befindlichen Kontrollstation ausgestattet. Bevorzugt ist diese Sende- und Empfangsausrüstung in jenen Basisluftfahrzeugen vorgesehen, die als AIS-Basisstation mit entsprechender Sende- und Empfangselektronik ausgestattet sind und sich in großer Höhe (15 km bis 20 km) bewegen. Diese speziellen Basisluftfahrzeuge bilden somit Relaisstationen für den Datenlinkverkehr.
Die Tochterluftfahrzeuge übernehmen die Ausführung der Inspektions- und Schutzaufgaben in geringer Flughöhe und in der Nähe der zu schützenden Schiffe. Diese kleinen, wendigen und schwebeflugfähigen Tochterluftfahrzeuge können an eine am jeweiligen Basisluftfahrzeug vorgesehene Andockeinrichtung mittels Kopplungsmitteln andocken und auch von dort gestartet werden.
Die Ausrüstung der Tochterluftfahrzeuge umfasst rundum schwenkbare Multispektralkameras mit Zoomobjektiven und eigener Beleuchtungseinrichtung für den Allwetterbetrieb sowie einen koaxialen Laserentfernungsmesser, Richtlautsprecher und Richtmikrofone für die Ausführung von Nahinspektionen und für die akustische Kommunikation mit Besatzungen von zu inspizierenden Schiffen. Die Ausrüstung für die Ausführung der Schutzaufgaben beziehungsweise die Abwehr von Piratenangriffen umfasst eine Lärmkanone für die Warnung von Angreifern und einen mehrschüssigen Raketenwerfer, der beispielsweise Fuel-Air-Druckwellengranaten mittels einer ferngesteuerten Feuerleitanlage auf Entfernungen von über einem Kilometer genau gezielt verschießen kann.
Das erfindungsgemäße System umfasst eine oder mehrere Einsatzgruppen, die bevorzugt aus mehreren miteinander kooperierenden und auf bestimmte Aufgaben spezialisierten Basisluftfahrzeugen besteht, die im Verbund alle für die Einsatzaufgabe benötigten Fähigkeiten in sich vereinen. Für die Überwachung großer Seegebiete kann die Einrichtung auf mehrere kooperierende Einsatzgruppen und Bodenkontrolleinrichtungen ausgebaut werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigt:
1 eine rückwärtige Ansicht eines erfindungsgemäßen, als Höhenluftfahrzeug ausgebildeten Basisluftfahrzeugs in Flugrichtung;
2 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Basisluftfahrzeugs nach 1;
3 einen Querschnitt durch einen Tragflügel entlang der Linie III-III in 1;
4 einen Querschnitt durch einen verstärkten röhrenförmigen Holm;
5 einen Verband aus einem Basisluftfahrzeug und einem daran angekoppelten Tochterluftfahrzeug;
6 eine schematische Darstellung der Energieversorgungseinrichtung des erfindungsgemäßen Höhenluftfahrzeugs;
7 eine perspektivische Darstellung eines Tochterluftfahrzeugs;
8 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems ausgestattet mit einem Puls-Doppler-Radarsystem;
9 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems als Basisstation für ein AIS (Automatic-Identification-System) für Schiffe;
10 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems ausgestattet mit einer Multispektralteleskopkamera mit Nachtscheinwerfer;
11 eine schematische Darstellung der Einsatztaktik eines Verbandes mit Luftfahrzeugen des erfindungsgemäßen Systems;
12 eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines Puls-Doppler-Marine-Radars;
13 eine schematische Darstellung eines beim System der Erfindung eingesetzten abbildenden Präzisionsradarhöhenmessers;
14 eine schematische Darstellung der Funktionsweise des Präzisionsradarhöhenmessers aus 13;
15 eine schematische Darstellung eines beim System der Erfindung eingesetzten abbildenden Monopuls-FMCW-Präzisionsradarhöhenmessers;
16 eine schematische Darstellung einer beim System der Erfindung eingesetzten multispektralen Bilderkennung;
17 eine schematische Darstellung einer beim System der Erfindung eingesetzten multispektralen Bildaufbereitung durch Filterung.
DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Basisluftfahrzeug 1, das als Höhenluftfahrzeug ausgebildet ist, in einer rückwärtigen Ansicht in Flugrichtung dargestellt. Ein derartiges Höhenluftfahrzeug ist in der DE 10 2011 116 841 beschrieben, deren Offenbarung vollumfänglich in die Offenbarung dieser Anmeldung einbezogen wird.
An einem rohrförmigen Rumpf 10 (2), der an der Rumpfnase mit einer ballonartigen Spitze 12 versehen ist, sind seitlich zwei Tragflügel 13, 14 angebracht. An den freien Enden eines jeweiligen Tragflügels 13, 14 ist ein sich im Wesentlichen vertikal erstreckendes Winglet 13', 14' vorgesehen. An jedem Tragflügel 13, 14 ist auf etwa 2/3 seiner Länge vom Rumpf beabstandet eine Antriebsgondel 15, 16 angebracht, in der jeweils ein Antriebsmotor 15'', 16'' angeordnet ist, der jeweils einen zugeordneten Propeller 15', 16' antreibt. In der ballonartigen Rumpfnase 12, die als Radom ausgebildet ist, können beispielsweise ein Radargerät und/oder andere Sensorik zur Bodenbeobachtung vorgesehen sein.
Eine dritte Antriebsgondel 17 ist auf der Spitze eines von dem Tragflügel nach oben hervorstehenden Abspannmastes 11 angebracht. Auch die dritte Antriebsgondel 17 weist einen Antriebsmotor 17'' auf, der einen zugeordneten Propeller 17' antreibt.
Obwohl in den 1 und 2 die Propeller 15', 16', 17' als Druckpropeller dargestellt sind, können die Antriebseinrichtungen selbstverständlich auch mit Zugpropellern ausgestattet sein.
Der Abspannmast 11 erstreckt sich nicht nur vom Rumpf 10 nach oben, sondern ebenso nach unten über den Rumpf hinaus. Von der oberen Spitze des Abspannmastes 11 erstreckt sich ein linkes oberes Abspannseil 18 zu jenem Bereich des linken Tragflügels 13, an welchem die Antriebsgondel 15 befestigt ist. Auf die gleiche Weise erstreckt sich von der oberen Spitze des Abspannmastes 11 ein rechtes oberes Spannseile 18' zu jenem Bereich des rechten Tragflügels 14, an dem die rechte Antriebsgondel 16 angebracht ist. Ein linkes unteres Spannseil 19 erstreckt sich vom unteren Ende des Abspannmastes 11 zu dem Bereich des linken Tragflügels 13, an welchem die linke Antriebsgondel 15 angebracht ist und ein rechtes unteres Spannseil 19' erstreckt sich von der unteren Spitze des Abspannmastes 11 zu jenem Bereich des rechten Tragflügels 14, an welchem die rechte Antriebsgondel 16 angebracht ist.
Die Verspannung der freien Enden des Tragflügels gegen den Rumpf und/oder gegen den Abspannmast sorgt dafür, dass der Tragflügel unter der Last der an ihm angreifenden Auftriebskräfte nicht nach oben abknickt. Zusätzlich zu den an den freien Enden des Tragflügels und den an den Antriebsgondeln vorgesehenen Spannseilen können am Tragflügel weitere Spannseile zwischen dem Tragflügel und dem Abspannmast angebracht werden.
Am Heck des rohrförmigen Rumpfs 10 sind hintereinander zunächst ein sich vertikal erstreckendes Seitenleitwerk 20 und ein sich horizontal erstreckendes Höhenleitwerk 21 vorgesehen. Das Seitenleitwerk 20 besteht aus einem oberhalb des Rumpfes vorgesehenen Seitenleitwerksabschnitt 20' und einem unterhalb des Rumpfes 10 vorgesehenen unteren Seitenleitwerksabschnitt 20''. Sowohl der obere Seitenleitwerksabschnitt 20' als auch der untere Seitenleitwerksabschnitt 20'' sind synchron um eine gemeinsame rechtwinklig zur Rumpfachse Z und im Horizontalflug vertikal verlaufende Seitenleitwerksschwenkachse X schwenkbar am Rumpf 10 gelagert und bilden so Seitenruder.
Auch das Höhenleitwerk 21 ist zweigeteilt und besteht aus einem links vom Rumpf 10 gelegenen linken Höhenleitwerksabschnitt 21' und einem rechts vom Rumpf gelegenen rechten Höhenleitwerksabschnitt 21''. Beide Höhenleitwerksabschnitte 21', 21'' sind gemeinsam synchron um eine rechtwinklig zur Rumpflängsachse Z und im Horizontalflug waagerecht verlaufende Schwenkachse Y schwenkbar am Rumpf 10 gelagert und bilden so Höhenruder.
Sowohl am unteren Ende des Abspannmastes 11 als auch am unteren Ende des Seitenleitwerks 20 ist jeweils ein Fahrwerk 30, 32 vorgesehen, das in den 1 und 2 symbolisch dargestellt ist. Das Fahrwerk 30, 32 ist widerstandsarm im unteren Teil des Abspannmastes 11 und im unteren Seitenruder 20'' ausfahrbar eingebaut. Auch (nicht gezeigte) Nutzlastgondeln können unter dem Rumpf oder unter den Tragflügeln vorgesehen sein.
In 2 ist auch zu erkennen, dass die Tragflügel 13, 14 an ihrer Oberseite unterhalb der im oberen Bereich des Tragflügels transparent ausgebildeten Haut 45 kleinflächig unterteilte Solarzellenpaneele 34, 35, 36, 37 aufweisen. Auch das Höhenleitwerk 21 kann in gleicher Weise mit Solarzellen versehen sein. Die Solarzellenpaneele sind mit der Außenhaut mit einem thermisch gut leitenden Kleber so elastisch verbunden, dass keine Lasten auf die Solarzellen übertragen werden.
Aus dem in 3 dargestellten Tragflügelquerschnitt ist zu erkennen, dass im Inneren des jeweiligen Tragflügels 13, 14 Schläuche 40, 41, 42, 43 und 44 vorgesehen sind, die Längsrichtung des jeweiligen Tragflügels 13, 14, also rechtwinklig zur Rumpflängsachse Z, verlaufen und derart nebeneinander angeordnet sind, dass sie eine die Tragflügelbespannung bildende Hülle 45 abstützen. Die Zwischenräume zwischen den Schläuchen 40, 41, 42, 43 und 44 sowie der Hülle 45 werden mittels eines (nicht gezeigten) Lüfters mit Umgebungsluft gekühlt, so dass in den als Tanks ausgebildeten Schläuchen 40, 41, 42, 43, 44 eventuelle entstehende Wärme an die Umgebung abgeführt wird.
Des Weiteren ist in 3 zu erkennen, dass zwei der Schläuche 41, 42 als röhrenförmige gasdichte und gegen Beulen und Einknicken verstärkte Flügelholme 46 und 47 ausgebildet sind. Die aus den beiden Flügelholmen gebildeten Profile zur Versteifung des jeweiligen Tragflügels sind miteinander und mit dem Rumpf 10 verbunden und stützen den Abspannmast 11.
4 zeigt einen Querschnitt durch einen verstärkten röhrenförmigen Flügelholm 46, der – wie der Flügelholm 47 – aus einem Innenrohr 46' und einem in Längsrichtung gewellten Außenrohr 46'' besteht. Das Innenrohr 46' und das längsgewellte Außenrohr 46'' sind an ihren Klebestellen 46''' bildenden Berührungsflächen durchgehend miteinander verklebt, so dass ein einheitliches Tragelement gebildet ist. Das gasdichte Innenrohr 46' übernimmt dabei die Aufgabe des Schlauchs 41 und dient somit als Aufnahmeraum für Wasserstoffgas oder Sauerstoffgas.
Das Innenrohr 46' ist beispielsweise als Schlauch aus Kevlar^®-Folie oder Gewebe aus kohlenfaserverstärktem Kunststoff gebildet und weist beispielsweise bei einer Spannweite des Luftfahrzeugs von 50 m einen Durchmesser von 0,9 m auf. Die Wandstärke sowohl des Innenrohrs als auch des Außenrohrs beträgt beispielsweise 0,1 mm. Die Teilung T des Außenrohrs 46'' beträgt in Umfangsrichtung gemessen beispielsweise 5 mm.
Durch das geschlossene Profil, das aus dem Außen- und Innenrohr gebildet ist, ist der so gebildete röhrenförmige Holm derart gegen Beulen verstärkt, dass er die volle rechnerische Biegemomentfestigkeit und Knickfestigkeit des Gesamtprofils ausnutzen kann. Zusätzlich ist der röhrenförmige Holm auf der Innenseite in regelmäßigen Abständen durch Ringe mit geschlossenem Profil verstärkt, die die Holmquerschnitte bis zur vollen Biege- und Knickfestigkeit eben und rund erhalten.
Der röhrenförmige Flügelholm übernimmt damit zwei Funktionen, einmal die eines lasttragenden Elements und zum zweiten die als Druckspeicher für Wasserstoff- oder Sauerstoffgas. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass bei den gewählten Lasten und Betriebsdrücken die Materialstärken für den Drucktank annähernd gleich groß sind wie für den tragenden Holm, aber die Belastungen in unterschiedlichen Richtungen anfallen, so dass praktisch das Gewicht einer sonst zusätzlich vorzusehenden Komponente voll eingespart wird.
Die einzelnen Schläuche 40, 41, 42, 43 und 44 und die röhrenförmigen Flügelholme 46 und 47 bilden Kammern zur Speicherung von Wasserstoffgas beziehungsweise Sauerstoffgas. Zumindest einer der Schläuche kann auch eine Kammer zur Speicherung von bei der Energieerzeugung in einer Brennstoffzelle entstehendem Wasser ausgestaltet sein. Beim erfindungsgemäßen Höhenluftfahrzeug, das einen sehr großen Flügel aufweist und hohe Geschwindigkeiten erreichen kann, sind also das Wasserstoffgas und das Sauerstoffgas platzsparend in den Tragflügeln mit dickem Profil in druckfesten Schläuchen untergebracht, so dass kein zusätzlicher Widerstand entsteht.
Die aus den beiden Tragflügeln 13, 14 bestehende Tragfläche ist an beiden Enden mit den Winglets 13', 14' versehen, die so bemessen sind, dass sie die effektive Flügelstreckung um 60% von 10 auf 16 erhöhen, ohne das Fluggewicht wesentlich zu erhöhen. Die Winglets 13', 14' sind bevorzugt mit Rudern 13'', 14'' ausgestattet, so dass das Höhenluftfahrzeug bei entsprechender Ruderansteuerung eine direkte Seitenkraft erzeugen kann, die einen schiebefreien Schrägflug mit geringem Widerstand mit z. B. 40° Schräglage erlaubt. Wenn die Flugrichtung quer zur Sonneneinstrahlung gewählt wird kann dadurch der Auftreffwinkel der Sonnenstrahlen auf die Solarzellen 34, 35, 36, 37 um 40° steiler gemacht werden. Bei einem Sonnenstand von 15° über dem Horizont kann damit der Auftreffwinkel auf 55° erhöht werden. Das bewirkt dass die Solarzellen statt 25% der eintreffenden Sonnenenergie mit dem Manöver 80% der Sonnenenergie nutzen können, also das 3,2-fache. Damit kann in den Tropen in den Morgen- und Abendstunden für 6 Stunden und in mittleren Breiten während des ganzen Tages die Energieausbeute während eines Tages nahezu verdoppelt werden und im Tagesmittelwert auf über 85% des maximal möglichen Wertes angehoben werden.
5 zeigt das Basisluftfahrzeug 1 mit einem angekoppelten Tochterluftfahrzeug 2, das weiter unten noch beschrieben wird. Mit Hilfe der nur schematisch gezeigten Kopplungseinrichtungen 52 (2) kann das Tochterluftfahrzeug 2 vom Basisluftfahrzeug 1 während des Fluges abgekoppelt und auch daran wieder angekoppelt werden. Zudem kann das Tochterluftfahrzeug 2 über die Kopplungseinrichtungen vom Basisluftfahrzeug 1 betankt werden. Das Basisluftfahrzeug 1 ist dazu an seiner Unterseite, vorzugsweise an der Unterseite des Rumpfs 10, mit einer Ankopplungsvorrichtung 50 versehen, an der die Kopplungseinrichtungen 52 angeordnet sind. Die Ankopplungsvorrichtung 50 für das Tochterluftfahrzeug 2 kann zum Starten des Tochterluftfahrzeugs 2 nach unten vom Rumpf weggeschwenkt werden. Bei der Landung des Tochterluftfahrzeugs 2 am Basisluftfahrzeug 1 befindet sich die Ankopplungsvorrichtung 50 ebenfalls in der nach unten weggeschwenkten Position. Dort kann das Tochterluftfahrzeug 2 dann eingefangen und in die Kopplungseinrichtungen 52 eingeklinkt werden, wobei gleichzeitig der Betankungsanschluss zwischen Basisluftfahrzeug 1 und Tochterluftfahrzeug 2 hergestellt wird. Für den Reiseflug kann das Tochterluftfahrzeug 2 durch Schwenken der Ankopplungsvorrichtung 50 nach oben an die Unterseite des Rumpfs 10 hochgezogen werden.
Diese Paarung aus Basisluftfahrzeug 1 und Tochterluftfahrzeug 2 ist die kleinste Einheit im erfindungsgemäßen Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem.
Als für den jeweiligen Propellerantrieb des Basisluftfahrzeugs 1 und auch des Tochterluftfahrzeugs 2 besonders geeignet hat sich ein elektrischer Antriebsmotor erwiesen. Die Antriebsenergie für den elektrischen Antriebsmotor und auch für andere elektrische Verbraucher des jeweiligen Luftfahrzeugs und seiner Nutzlast wird bevorzugt mittels einer in 6 gezeigten photovoltaischen Energieversorgungseinrichtung gewonnen, die versehen ist mit zumindest einem photovoltaischen Solargenerator 101, der auftreffende solare Strahlungsenergie S in elektrische Energie wandelt, einem Regelgerät für den Solargenerator 101 und zumindest einem Wasserelektrolysegerät (nur im Basisluftfahrzeug) zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser.
Die Energieversorgungseinrichtung umfasst weiterhin zumindest einen Wasservorratsbehälter 106, der mit dem Wasserelektrolysegerät (Wasserstoffgenerator 104), das bei konstantem Bodendruck arbeitet, über eine erste Wasserleitung verbunden ist. Aus dem Wasserelektrolysegerät werden die erzeugten Gase in dem Basisluftfahrzeug vom Bodendruck durch Pumpen auf den Speicherdruck der Flügeltanks von 1,2 bar bis zu 2,2 bar gebracht. Die Flügeltanks umfassen zumindest einen vorzugsweise von der ersten Kammer gebildeten Wasserstoffvorratsbehälter 107 und einen von der zweiten Kammer gebildeten Sauerstoffvorratsbehälter 108, der über eine erste Wasserstoffleitung und eine erste Sauerstoffleitung mit dem Wasserelektrolysegerät verbunden ist.
Die Energieversorgungseinrichtung umfasst weiterhin zumindest einen Wasserstoffzuführungsbehälter und einen Sauerstoffzuführungsbehälter, die aus den Flügeltanks versorgt werden, und die auf konstantem Bodendruck gehalten werden und zumindest mit einer Brennstoffzelle, die über eine zweite Wasserstoffleitung mit dem Wasserstoffvorratsbehälter und eine zweite Sauerstoffleitung mit dem Sauerstoffvorratsbehälter verbunden ist.
Die Brennstoffzelle erzeugt aus den beiden im jeweiligen Tank des Basisluftfahrzeugs beziehungsweise des Tochterluftfahrzeugs gespeicherten Gasen Wasserstoff und Sauerstoff Wasser und elektrische Energie und ist über eine zweite Wasserleitung mit dem Wasservorratsbehälter verbunden, der ebenfalls unter Bodendruck arbeitet. Die Energieversorgungseinrichtung verfügt über eine Steuerungseinrichtung 103, die mit dem Solargenerator, dem Wasserelektrolysegerät und der Brennstoffzelle elektrisch verbunden ist und die Energieversorgungseinrichtung so steuert, dass die Nutzlast, das Elektrolysegerät, die Motoren und die Gerätesteuerung ausreichend mit Energie versorgt werden.
In 6 ist der gesamte Solarantrieb mit der Energiespeicherung in Form von Wasserstoffgas und dem geschlossenen Wasser und Wasserstoffgas-Sauerstoffgas-Stoffkreislauf dargestellt. Alle Geräte und die Motoren arbeiten bei einem konstanten Druckniveau von 1,2 bar in einer Wasserstoffatmosphäre. Dieses Druckniveau wird auch in den Wasserstoff- und Sauerstoffzuführtanks aufrechterhalten.
In 6 ist ein den Solargenerator 101 bildender Stromgenerator gezeigt, der von solarer Strahlungsenergie S beaufschlagt wird. Der Solargenerator 101 ist auf seiner zur Sonne Q gerichteten Oberfläche mit Solarzellen 101 versehen, die auf einem Trägerelement 112 angebracht sind. Obwohl in der Figur nur beispielhaft ein mit Solarzellen 110 versehenes Trägerelement 112 gezeigt ist, kann der Solargenerator 101 selbstverständlich eine Vielzahl großflächiger mit Solarzellen 101 versehener Trägerelemente 112 aufweisen. Auch kann der Solargenerator andere Technologien als Solarzellen aufweisen, mit denen es möglich ist, aus solarer Strahlungsenergie elektrische Energie zu erzeugen.
Die im Solargenerator 101 erzeugte elektrische Energie wird durch eine erste Stromleitung 113 einer Stromverteilereinrichtung 114 zugeführt. Die Stromverteilereinrichtung 114 wird von einer zentralen Steuerungseinrichtung 103 derart gesteuert, dass ein Teil der über die erste Stromleitung 113 zugeführten elektrischen Energie an den Wasserstoffgenerator 104 weitergeleitet wird, der als Wasserstoffelektrolyseeinrichtung ausgestaltet ist.
Ein weiterer Teil der in die Stromverteilereinrichtung 114 eingeleiteten elektrischen Energie wird an einen Energiespeicher 105, beispielsweise einen Akkumulator, geleitet, um diesen aufzuladen, falls der elektrische Energiespeicher 105 nicht ausreichend geladen sein sollte. Der Rest der der Stromverteilereinrichtung 114 zugeführten elektrischen Energie wird an einen Verbraucheranschluss 102 geleitet, von wo die von der photovoltaische Energieversorgungseinrichtung bereitgestellte elektrische Nutzenergie an elektrische Verbraucher 120 abgegeben werden kann.
Der elektrische Energiespeicher bildet einen Pufferspeicher, der kurzfristig elektrische Energie abgeben kann, wenn der Solargenerator über einen kurzen Zeitraum nicht mit ausreichend solarer Strahlungsenergie beaufschlagt wird. Dieser elektrische Energiespeicher dient daher zur Überbrückung der Zeit, die benötigt wird, um die Brennstoffzelle zu aktivieren oder, falls die Brennstoffzelle nicht aktiviert wird, zur Überbrückung jener Zeit, die beispielsweise bei einer kurzfristigen Abschattung des Sonnenlichts, wie sie bei Flugmanövern auftreten kann, zu überbrücken ist, bis das Sonnenlicht wieder voll auf den Solargenerator auftrifft.
Der als Wasserstoffelektrolyseeinrichtung ausgebildete Wasserstoffgenerator 104 wird aus einem Wasservorratsbehälter 106, der von einer ersten Kammer des Höhenluftfahrzeugs (z. B. dem Schlauch 40 im Tragflügel 13) gebildet ist, über eine erste Wasserleitung 160 mit Wasser gespeist. In der ersten Wasserleitung 160 ist ein elektrisch betätigbares Ventil 162 vorgesehen, das von der Steuerungseinrichtung 103 über eine erste Steuerleitung 130 steuerbar ist, um den Wasserzufluss vom Wasservorratsbehälter 106 zur Wasserelektrolyseeinrichtung 104 zu steuern.
Das in die Wasserelektrolyseeinrichtung 104 eingeleitete Wasser wird mittels der von der Stromverteilereinrichtung 114 über eine zweite elektrische Leitung 140 zugeführten elektrischen Energie in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. Der Wasserstoff wird durch eine erste Wasserstoffleitung 144 in einen Wasserstoffzuführvorratsbehälter 107 eingeleitet, der durch Ablassen von Wasserstoff in die von einem ersten Teil der verbleibenden Schläuche 41, 42, 43, 44 gebildeten Wasserstoffflügeltanks 154 auf einem konstanten Druck von 1,2 bar gehalten wird. Der Sauerstoff wird durch eine erste Sauerstoffleitung 145 in einen Sauerstoffzuführvorratsbehälter 107a geleitet, der durch Ablassen von Sauerstoff in die von einem zweiten Teil der verbleibenden Schläuche 41, 42, 43, 44 gebildeten Sauerstoffflügeltanks 155 auf einem konstanten Druck von 1,2 bar gehalten wird. Wenn der Druck in den Zuführtanks unter 1,2 bar sinkt, wird durch Nachpumpen von Gas aus den Flügeltanks mit einer Gaspumpe der Druck aufrechterhalten.
In der ersten Wasserstoffleitung 144 ist ein elektrisch betätigbares Ventil 146 vorgesehen, das von der Steuerungseinrichtung 103 über eine zweite Steuerleitung 132 steuerbar ist, um den Volumenstrom des durch die erste Wasserstoffleitung 144 geförderten Wasserstoffs zu regulieren und um ein Zurückströmen von Wasserstoff aus dem Wasserstoffzuführvorratsbehälter 107 in den Wasserstoffgenerator 104 zu unterbinden.
Analog wird bei der Sauerstoffleitung 145 verfahren, die dazu ein ebenfalls von der Steuerungseinrichtung 103 gesteuertes elektrisch betätigbares Ventil 147 aufweist.
Des Weiteren ist in 6 eine Brennstoffzelle 108 schematisch dargestellt, der durch eine zweite Wasserstoffleitung 180 Wasserstoff aus dem Wasserstoffzuführvorratsbehälter 107 zugeführt wird und der durch eine zweite Sauerstoffleitung 180a Sauerstoff aus dem Sauerstoffzuführvorratsbehälter 107a zugeführt wird.
Wenn ein hohes Leistungsgewicht gefordert wird, kann an Stelle der Brennstoffzelle ein bevorzugt mit Abgasturbolader und Hochdruckwasserstoffgaseinblasung ausgerüsteter Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungsmotor mit einem nachgeschalteten zweiten Stromgenerator vorgesehen sein.
Auch in der zweiten Wasserstoffleitung 180 ist ein elektrisch betätigbares Ventil 182 vorgesehen, das über eine dritte Steuerleitung 133 von der Steuerungseinrichtung 103 gesteuert wird, um den Volumenstrom des Wasserstoffs durch die zweite Wasserstoffleitung 180 zu steuern. Analog wird bei der zweiten Sauerstoffleitung 180a verfahren, die dazu ein ebenfalls von der Steuerungseinrichtung 103 gesteuertes elektrisch betätigbares Ventil 181 aufweist.
Die Brennstoffzelle 108 (beziehungsweise der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungsmotor) weist eine Ansaugöffnung 184 auf, durch die Sauerstoff aus dem Sauerstoffzuführvorratsbehälter 107a eintreten kann. In der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle 108 (beziehungsweise dem Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungsmotor mit Stromgenerator) wird auf an sich bekannte Weise aus dem zugeführten Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie erzeugt, die über eine vierte Stromleitung 186 zur Stromverteilereinrichtung 114 geleitet wird.
Das in der Brennstoffzelle 108 (beziehungsweise dem Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungsmotor) bei der Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff entstehende Wasser wird durch eine zweite Wasserleitung 164 in den Wasservorratsbehälter 106 eingeleitet. Auch in der zweiten Wasserleitung 164 ist ein elektrisch betätigbares Ventil 166 vorgesehen, welches über eine vierte Steuerungsleitung 134 von der Steuerungseinrichtung 103 steuerbar ist.
Die Steuerungseinrichtung 103 ist über eine (in 6 unterbrochen dargestellte) fünfte Steuerungsleitung 135 mit der Stromverteilereinrichtung 114 verbunden, um die Stromverteilereinrichtung 114 und damit die Verteilung des in die Stromverteilereinrichtung 114 über die erste Stromleitung 113 und die vierte Stromleitung 186 eingeleiteten elektrischen Energie zu steuern.
Des Weiteren ist die Steuerungseinrichtung 103 über eine sechste Steuerungsleitung 136 mit dem Wasserelektrolysegerät 104 verbunden, um dieses zu steuern. Eine siebte Steuerungsleitung 137 verbindet die Steuerungseinrichtung 103 mit der Brennstoffzelle 108 (beziehungsweise dem Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungsmotor mit Generator), um diese(n) zu steuern.
Wie in 6 zu erkennen ist, ist zwischen dem Wasserelektrolysegerät 104 und der Brennstoffzelle 108 (beziehungsweise dem Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungsmotor) ein den Wasservorratsbehälter 106 und den Wasserstoffzuführvorratsbehälter 107 und den Sauerstoffzuführvorratsbehälter 107a einschließender geschlossener Kreislauf von Wasserstoffgas (H₂), Sauerstoffgas (O₂) und Wasser (H₂O) gebildet, wie durch die Pfeile symbolisiert ist. Durch den geschlossenen Kreislauf können keine Verunreinigungen in den Kreislauf eindringen und der Arbeitsdruck des Systems kann unabhängig von der Flughöhe konstant auf einem günstigen Wert gehalten werden.
Diese im gezeigten Basisluftfahrzeug – und ohne den Wasserstoffgenerator auch im Tochterluftfahrzeug – vorgesehene photovoltaische Energieversorgungseinrichtung wird somit von außen nur durch die solare Strahlungsenergie S gespeist, wobei die gewonnene elektrische Energie zum Teil dazu genutzt wird, Pufferspeicher (Akkumulator-Energiespeicher 105 und Wasserstoffzuführvorratsbehälter 107) zu füllen, aus denen dann gespeicherte Energie abgerufen und als elektrische Energie an die Verbraucher abgegeben werden kann, wenn Spitzenlasten dies fordern oder wenn keine oder nicht ausreichend solare Strahlungsenergie S zur Verfügung steht.
Die so gewonnene elektrische Energie treibt auch die Rudermaschinen an, die in der beschriebenen Form die Querruder 13'', 14'' für die Rollsteuerung, das Seitenruder 20 für die Giersteuerung und das Höhenruder 21 für die Nicksteuerung betätigen.
Der in den Flügeltanks gespeicherte Wasserstoff erfüllt gleichzeitig die Aufgaben eines Auftriebsgases und des Brennstoffs für die Brennstoffzelle. Alternativ kann das Fluggerät (Basisluftfahrzeug oder Tochterluftfahrzeug) durch einen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungsmotor nach dem Dieselprinzip mit nachgeschaltetem Abgasturbolader und Hochdruckwasserstoffeinblasung betrieben werden, der ungefähr denselben Wirkungsgrad erreicht wie der Elektromotor mit der Brennstoffzelle, aber leichter baut. Dafür erzeugt der Verbrennungsmotor mehr Vibrationen als der Elektromotor, ist lauter und verbraucht mehr Energie zur Kühlung.
Das parallele Vorsehen eines photovoltaischen Solargenerators, eines Wasserelektrolysegerätes und einer Brennstoffzelle bei dieser Energieversorgungseinrichtung ermöglicht es, tagsüber, wenn ausreichend solare Strahlungsenergie zur Verfügung steht, einen Teil der vom Solargenerator erzeugten elektrischen Energie zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser zu verwenden, der dann, wenn nachts keine solare Strahlungsenergie mehr zur Verfügung steht oder wenn nicht ausreichend solare Strahlungsenergie zur Verfügung steht, in der Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels der Brennstoffzelle mit Sauerstoff zu Wasser rekombinert wird.
Die photovoltaische Energieversorgungseinrichtung ist dazu mit der Steuerungseinrichtung 103 versehen, welche so ausgestaltet ist, dass sie bei Vorhandensein von solarer Strahlungsenergie die vom Solargenerator erzeugte elektrische Energie einem elektrischen Verbraucheranschluss der Energieversorgungseinrichtung zuführt wird und dass sie bei Nicht-Vorhandensein von solarer Strahlungsenergie oder wenn die vom Solargenerator erzeugte elektrische Energie für einen vorgegebenen Energiebedarf nicht ausreicht, die Brennstoffzelle aktiviert, um elektrische Energie an den Verbraucheranschluss zu liefern. Diese Steuerungseinrichtung sorgt somit dafür, dass die Brennstoffzelle automatisch aktiviert wird, wenn nicht ausreichend oder keine solare Strahlungsenergie zur Verfügung steht.
Die Steuerungseinrichtung 103 führt bei Vorhandensein von solarer Strahlungsenergie einen Teil der vom Solargenerator erzeugten elektrischen Energie dem Wasserelektrolysegerät zu, und sie führt dem Wasserelektrolysegerät Wasser aus dem Wasservorratsbehälter zu, so dass das Wasserelektrolysegerät aktiviert wird, um aus dem ihm zugeführten Wasser Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen, der im Wasserstoff- beziehungsweise Sauerstoffzuführvorratsbehälter gespeichert wird. Dabei wird von der vom Solargenerator erzeugten elektrischen Energie stets ein Teil dazu verwendet, das Wasserelektrolysegerät zu betreiben, um den Wasserstoff zu erzeugen, der von der Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie benötigt wird, wenn der Solargenerator keine oder nicht ausreichende elektrische Energie liefert. Dabei kann die Steuerungseinrichtung die Menge an elektrischer Energie, die dem Wasserelektrolysegerät zugeführt wird, oder auch die Einschaltzeiten des Wasserelektrolysegeräts in Abhängigkeit vom vorhandenen Wasserstoffvorrat steuern.
Auf diese Weise steht stets elektrische Energie zur Verfügung, die entweder direkt vom Solargenerator geliefert wird, oder indirekt über die Brennstoffzelle erzeugt wird. Einzige Eingangsenergie für dieses System ist die solare Strahlungsenergie, da Wasser, Wasserstoff und Sauerstoff einen Kreislauf bilden, der Vorratsbehälter für Wasser, für Wasserstoff und für Sauerstoff aufweist. Der geschlossene Kreislauf hat den Vorteil, dass keine Verunreinigungen den Betrieb bereinträchtigen können. Außerdem wird unabhängig von der Flughöhe immer ein konstanter Betriebsumgebungsdruck aufrechterhalten, und es muss in großer Höhe keine Kompressorarbeit für die Komprimierung der Brennstoffgase aufgebracht werden.
Ist das Luftfahrzeug mit voll beweglichen Höhenrudern 21', 21'' und Seitenrudern 20', 20'' versehen, die vorzugsweise am Rumpf 10 mit einem langen Leitwerkshebelarm angebracht sind, so wird die Manövrierbarkeit des Basisluftfahrzeugs weiter verbessert. Auch diese Höhen- und Seitenruder können auf die gleiche Weise konstruiert sein wie die Tragflügel, so dass bei geringstem Gewicht eine besonders wirksame Manövrierbarkeit des Luftfahrzeugs erzielt wird.
Die vorstehend beschriebene bordeigene Energieversorgung des Basisluftfahrzeugs und die Betankungsmöglichkeit des Tochterluftfahrzeugs ermöglichen besonders lange Einsatzzeiten des erfindungsgemäßen Systems.
Bei der beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Basisluftfahrzeugs, das auch als Mutterflugzeug bezeichnet werden kann, erfolgt somit die direkte Gewinnung von elektrischer Energie aus Sonnenenergie mit Hilfe der Dünnschichtsolarzellen, die nahezu die gesamte Oberseite des Luftfahrzeugs, also Flügel, Leitwerk und Rumpf bedecken, kombiniert mit einer günstigen Ausrichtung der Solarzellen zur Sonne durch entsprechende Flugmanöver zur Erhöhung der Energieausbeute. Da während des Tages genügend Energie gesammelt werden muss, um eine ausreichende Menge speicherbare und wiedergewinnbare Energie in Form von Wasserstoffgas für den Nachtflug bereitzustellen, muss die Solargeneratorfläche im Vergleich zur Flügelfläche groß genug sein. Bei kleineren Fluggeräten mit einer Flügelspannweite von zum Beispiel 25 m und einer Flächenbelastung über zum Beispiel 4 kg/m² muss die Solargeneratorfläche beispielsweise 50% bis 70% größer sein als die Auftrieb erzeugende Flügelfläche um genug Energie für den Nachtflug sammeln zu können.
Für andere Auslegungsparameter kann die erforderliche Solargeneratorfläche erfindungsgemäß durch Aufstellen einer entsprechenden Energiebilanz für den Tag- und Nachtflug mit Energiespeicherung und Energiewiedergewinnung vermittelt werden. Dazu wird ein ausreichend großer Rumpf verwendet, der auf seiner Oberseite die zusätzliche Solargeneratorfläche trägt und der zusätzlich Platz zur Speicherung des Wasserstoffgases für den Nachtbetrieb bietet. Der Rumpf wird, um eine optimale Speicherfähigkeit mit minimalem Luftwiderstand zu verbinden, mit einem Verhältnis aus Länge zu Durchmesser von 6 bis 8 und mit einer Dickenrücklage von 50% bis 60% ausgeführt und mit einer sehr glatten strömungsgünstigen Oberfläche versehen, sodass über dem Rumpf bis zur größten Dicke Laminarströmung erhalten bleibt und der Rumpf einen sehr geringen Luftwiderstand aufweist. Im Bereich der größten Dicke wird die Rumpfoberfläche zusätzlich mit fein längsgerillten Oberflächen, sogenannten Riblets ausgerüstet, die den Umgschlagpunkt von der laminaren zur turbulenten Strömung noch weiter nach hinten verschieben und damit den Strömungswiderstand weiter verringern. Um das Gewicht des Wasserstoffspeichers möglichst gering zu halten, wird der Rumpf erfindungsgemäß als Ballon aus dünnwendiger Kevlar^®-Folie, zum Beispiel 200 μm dick bei 1 m Durchmesser auf 10 bar Betriebsdruck, ausgelegt und kann so zum Beispiel etwa 6 kg Wasserstoff in einem Druckbehälter mit nur 8 kg Gewicht unterbringen.
Die Nutzung des Solarstromes zur Gewinnung speicherbarer Energie in Form von Wasserstoff erfolgt in dem Wasserelektrolysegerät mittels der Elektrolyse von Wasser, das aus einem Reservebehälter entnommen wird.
Das Basisluftfahrzeug kann zusätzlich von einem Tankflugzeug aus mit Wasserstoffgas bedankt werden, falls der Bedarf an Energie größer ist als ihn die bordeigene Solaranlage decken kann. Die Speicherung des Wasserstoffgases erfolgt im Rumpf des Flugzeugs, der dazu nach Art eines Prallluftschiffs mit einer Hülle ausgestaltet ist, die das Wasserstoffgas aufnimmt. Des Weiteren kann der Wasserstoff auch in den überdruckfesten Schläuchen des Tragflügels gespeichert werden. Mindestens zwei dieser Holmenschläuche des Tragflügels sind im Inneren mit Gitterrohrträgern in Leichtbauweise aus Carbonfaser zur Aufnahme von Druckspannungen verstärkt und fest miteinander verbunden. Der Tragflügel wird durch Abspannungen verstärkt und die senkrechte Drucklast vom Fußpunkt der Abspannungen wird über weitere Druckstäbe wieder zur Flügelholmverstärkung zurückgeführt, wie dies bereits vorstehend beschrieben worden ist. Der Flügelholm und die Druckstäbe sind fest mit dem als Gitterrohrträger ausgeführten Rumpfrückenholm zu einer Einheit verbunden. Der Flügel ist mit Kevlar^®-Folie mit UV-Schutz bespannt. Durch diese Bauweise wird ein extremer Leichtbau des Flügels mit hoher Oberflächengüte möglich.
Die beschriebenen sehr leichten Wasserstoffvorratsbehälter dienen als Auftriebskörper, die in Bodennähe einen erheblichen Teil des Fluggewichtes tragen und so die erforderliche Antriebsleistung herabsetzen.
Der Rumpf kann zudem als Radom genutzt werden und weist dazu einen großen Durchmesser zur Aufnahme eines oder mehre Radargeräte sowie der Datenlinkanlagen auf. Auch diese Radargeräte und Datenlinkanlagen werden mit Solarenergie betrieben.
Zum Antrieb des Luftfahrzeugs können Wasserstoffverbrennungsmotoren eingesetzt werden, die unmittelbar vom gespeicherten Wasserstoff als Treibstoff gespeist werden. Diese Wasserstoffverbrennungsmotoren erreichen einen besonders hohen Wirkungsgrad bei einer Kompressoraufladung und bei Wasserstoffeinblasung unter hohem Druck.
Vorteilhaft ist auch, wenn ein sehr großer zusammenklappbarer Propeller mit einem Schlaggelenk an der Rotorachse verwendet wird, der für Manöver, bei denen der große Propeller eine Gefahr darstellen würde, vom Antrieb abgekoppelt werden kann. Dieser Propeller mit Schlaggelenk gestattet es, dass das Basisluftfahrzeug mit geringem Energieverbrauch sehr erschütterungsfrei fliegt, was den Einsatz langbrennweitiger Teleskopkameras an Bord ermöglicht, die ebenfalls von der Solarenergie angetrieben werden.
Ist der Tragflügel in der beschriebenen Weise mit hoher Streckung und mit einem Rohrgitterholm und Rohgitterspanten sowie mit den beschriebenen Abspannungen zur Biegeentlastung ausgebildet und mit vor UV-Strahlung schützender Kevlar^®-Folie bespannt, die unter leichtem Innendruck steht, entsteht ein besonders leistungsfähiger, wellenfreier und faltenfreier Tragflügel mit sehr hoher Oberflächengüte, der es gestattet, Laminarprofile zu verwenden, die einen sehr geringen Luftwiderstand aufweisen und damit zu einem geringen Energieverbrauch im Flug führen, der dann durch Solarenergie gedeckt werden kann.
Im Einzelnen weisen die Basisluftfahrzeuge folgende weitere Vorteile auf:

• der bodennahe Luftraum und der Boden können durch Nutzung der Solarenergie mit praktisch unbegrenzter Flugdauer überwacht werden;
• der solargetriebene Höhenflug kann bei Tag und bei Nacht, im Sommer und im Winter mit nahezu unbegrenzter Standzeit und mit einem hohen Nutzlastanteil (z. B. 50%) am Fluggewicht aufrechterhalten werden;
• Mitglieder einer Gruppe von Basisluftfahrzeugen mit guter Energieversorgung und geringem Eigenverbrauch können Mitglieder mit hohem Energiebedarf in der Luft mit Wasserstoffgas betanken;
• alle Basisluftfahrzeuge können wendige, schnelle, kleine Tochterluftfahrzeuge mit Schwebeflugfähigkeiten und speziellen Wirkmitteln in einen Einsatzraum tragen und in der Luft starten und landen lassen und auftanken;
• die Basisluftfahrzeuge können durch ihre Bauart als Radom für Sensoren und Datenlinkanlagen grolle leichte Antennen tragen, die den Bau solcher Anlagen mit geringem Gewicht und geringem Energieverbrauch ermöglichen;
• die Basisluftfahrzeuge können durch den Einsatz eines speziellen großen Propellers mit geringem Energieverbrauch fliegen, und sie können mit einem Schlaggelenk an der Rotorachse des Propellers gleichzeitig sehr erschütterungsfrei fliegen, was den Einsatz langbrennweitiger Teleskopkameras an Bord ermöglicht;
• die Basisluftfahrzeuge können durch den Einsatz eines Laminarflügels der vorstehend beschriebenen speziellen Bauart und durch die Nutzung des statischen Auftriebs des Wasserstoffvorratsbehälters mit sehr geringem Energieverbrauch unbegrenzt lange mit Solarantrieb fliegen.

Die Tochterluftfahrzeuge sind wesentlich kleiner und in ihren Flugleistungen wesentlich schneller als die Basisluftfahrzeuge und fliegen sehr leise durch die Verwendung schallgedämpfter Motoren und durch die Verwendung niedrig belasteter und ummantelter Propeller, wie es in 7 gezeigt ist.
Das Tochterluftfahrzeug 2 weist einen Rumpf 200 mit daran angebrachter Tragfläche 202 sowie eine im Heckbereich vorgesehene aerodynamisch wirksame Antriebseinheit 204 auf. Die Antriebseinheit 204 ist mittels eines rohrförmigen Längsholms 206 mit dem Rumpf verbunden.
Die Antriebseinheit 204 besteht aus einer aerodynamischen Struktur aus drei übereinander angeordneten Tragflächen, einer unteren Tragfläche 208, einer mittleren Tragfläche 210 und einer oberen Tragfläche 212. Diese Dreidecker-Tragflächenanordnung ist mit seitlichen, die Tragflächenenden miteinander verbindenden und um eine Längsache gekrümmten Seitenwänden 214, 216 versehen, die zusammen mit den Tragflächen 208, 210, 212, eine kastenartige, seitlich geschlossene Dreideckerkonstruktion bilden, die in Längsrichtung von Luft durchströmt werden kann. Diese kastenartige Konstruktion ist im Inneren mit vier in Längsrichtung von vorne nach hinten verlaufenden rohrförmigen Kammern 218, 220, 222, 224 versehen, die jeweils ebenfalls an ihrer Vorderseite und Rückseite offen sind, sodass Luft von vorne nach hinten durch die Kammern strömen kann. An der Vorderseite einer jeden Kammer ist eine jeweilige Antriebseinrichtung 226, 228, 230, 232 vorgesehen, die jeweils einen Propeller 226', 228' 230', 232' und eine den jeweiligen Propeller antreibende elektrische Antriebseinrichtung 226'', 228'', 230'', 232'' aufweist.
Durch die Verwendung dieses Dreideckgitterflügels mit den vier horizontalen Kammern, wobei jede Kammer von einem ummantelten Propeller angeblasen wird, ist das Tochterluftfahrzeug hoch manövrierfähig. Die hinteren Tragflügel, 208, 210, 212 sind an ihrem rückwärtigen Ende jeweils mit horizontalen Ruderklappen (Höhenruder) 208', 210', 212' und mit vertikalen Rudern (Seitenruder) 213 versehen, die unabhängig voneinander angesteuert werden können. Da diese Höhen- und Seitenruder vom Luftstrom der Propeller angeströmt werden, kann eine sehr wirksame Schubvektorsteuerung des Tochterluftfahrzeugs um die Hochachse und um die Nickachse realisiert werden. Bei geeigneter Ansteuerung durch eine Flugsteuereinheit 201 kann das Tochterluftfahrzeug damit auch senkrecht auf dem Propellerstrahl balancieren und damit einen Schwebeflug oder eine Senkrechtlandung oder einen Senkrechtstart ausführen.
Dieses Tochterluftfahrzeug gemäß der Erfindung verfügt weiterhin über Schwebeflugfähigkeiten auch bei erheblichen Seitenwinden und kann auch auf nicht für eine Luftfahrzeuglandung vorbereiteten Schiffen senkrecht starten und landen und sich dort verankern. Diese Eigenschaften ermöglichen es, das Tochterluftfahrzeug bei Bedarf an einer Stelle an Bord eines Schiffes zu landen und für einen längeren Aufenthalt zu verankern, die ein gutes Sichtfeld auf die Schiffsumgebung bietet und die Start- und Landemanöver auf dem zu schützenden Schiff zulässt.
Das erfindungsgemäße Tochterluftfahrzeug ist weiterhin mit rundum schwenkbaren, abbildenden Tag- und Nachtsensoren in Form einer Nahinfrarot-Zoom-Videokamera 240 ausgerüstet, die in einem an der Bugnase des Rumpfes 200 angeordneten allseits schwenkbaren Gehäuse 242 untergebracht ist. Die Kamera 240 ist über ein GPS-INS-Gerät als Inertialreferenz sichtlinienstabilisiert. Zudem ist ein Telescheinwerfer vorgesehen, der sich an das Bildfeld der Kamera anpasst. In dem Gehäuse 242 können zudem Richtmikrofone und Lautsprecher zur Kommunikation mit Schiffsbesatzungen auffahrenden Schiffen ausgestattet sein, die es gestatten, im Langsam- oder Schwebeflug in der Nähe der Schiffsbrücke eine Kommunikation über Entfernungen von bis zu 50 m durchzuführen.
Des Weiteren ist das Tochterluftfahrzeug an seinem Heck mit einem Geräteausleger 250 versehen, der ebenfalls in beliebige Richtungen koaxial mit der Kamera 240 schwenkbar ist und ein Gehäuse 252 aufweist, in welchem ein Raketenwerfer und eine Feuerleitanlage zum gezielten Verschuss von Fuel-Air-Druckwellengranaten vorgesehen ist. Die Wirkung derartiger Druckwellengranaten, von denen in 7 beispielhaft eine Druckwellengrante 260 gezeigt ist, kann durch die beliebige Wahl des Einschlagpunktes von einem Warnschuss bis zur Zerstörung des Zieles frei gewählt werden.
An dem hinteren Geräteausleger 250 ist zudem eine Lärmkanone beispielsweise eine Ultraschall-Lärmkanone 254 vorgesehen, mittels der anvisierte Ziele auch auf größere Entfernung mir hohem Schalldruck beaufschlagt werden können.
Eine ebenfalls an Bord des Tochterluftfahrzeugs 2, beispielsweise im Rumpf 200, vorgesehene Kommunikationsanlage 270 ermöglicht über eine Datenlinkverbindung 272 die Kommunikation zum zugeordneten Basisluftfahrzeug 1.
Mittels der in den Koppelungseinrichtungen vorgesehenen Betankungsvorrichtung kann das Tochterluftfahrzeug 2 während des Fluges vom Basisluftfahrzeug 1 Wasserstoff und Sauerstoff aufnehmen. Das Tochterluftfahrzeug 2 kann das bei der Verbrennung in der Brennstoffzelle entstandene Wasser durch die Betankungsvorrichtung an das Basisluftfahrzeug 1 zurück abgeben.
Im Einzelnen weisen die Tochterluftfahrzeuge folgende weitere Vorteile auf:

• Die Tochterfluggeräte sind vorteilhaft viel weniger verwundbar als die großen, langsamen Mutterfluggeräte und zudem vorteilhaft mit nichttödlichen und tödlichen Wirkmitteln bewaffnet und mit Mitteln zur Nahkommunikation ausgerüstet. Sie können daher vorteilhaft – zur Nahinspektion von Schiffen eingesetzt werden, – mit Lautsprechern und Fernrichtmikrofonen zur akustischen Kommunikation mit Schiffen, mit denen keine Funkverbindung besteht, eingesetzt werden, wobei sie in Nähe der Brücke des Schiffes mit dem kommuniziert werden soll im Schwebeflug verharren; – im bewaffneten Einsatz mit einem Raketenwerfer, der Fuel-Air-Druckwellengranaten genau gezielt verschießt, zur Abgabe von Warnschüssen und zur gewaltsamen Piratenabwehr eingesetzt werden; – als bewaffnete Eskorte auf besonders zu schützenden Schiffen, wie Passagierschiffen oder Tankschiffen, landen und sich dort für die Fahrt durch das gefährdete Seegebiet fest verankern und dabei mit der Bodenkontrollstation über Datenlink in Verbindung bleiben; – mit der Besatzung des Schiffes Informationen austauschen und Warnungen abgeben oder empfohlene Ausweichmanöver von der Bodenkontrollstation an das zu schützende Schiff abgeben – die Umgebung des zu schützenden Schiffes mit den bordeigenen Tag- und Nachtsensoren nach Piraten absuchen und rechtzeitig vor Überfällen warnen; – Piratenangriffe mit der bordeigenen Bewaffnung auf genügend große Entfernung unter Kontrolle der Bodenstation abwehren, so dass das zu schützende Schiff nicht von Piraten beschossen werden kann;
• sie können vorteilhaft bei einem Piratenangriff Verstärkung durch Tochterluftfahrzeuge, die an den nächstgelegenen Mutterflugzeugen angedockt sind, herbeirufen und kurzfristig erhalten;
• sie können vorteilhaft bei Treibstoffmangel von dem zu schützenden Schiff senkrecht starten und das nächste Mutterflugzeug anfliegen und sich von diesem im Flug mit Solarwasserstoffgas auftanken lassen und dieses in dem- als Druckspeicher aus UV-geschützter Kevlar^®-Folie aufgebauten Rumpf in ausreichender Menge speichern und sind damit vorteilhaft mit kurzen Tankpausen so lange einsetzbar, bis ihre Wirkmittelvorräte aufgebraucht sind und nachgeladen werden müssen;
• die Tochterluftfahrzeuge können sich nach Beendigung eines Schutzeinsatzes an das nächstgelegene Basisluftfahrzeug andocken, an dessen Schlepp- und Betankungseinrichtung in der Luft auftanken und sich über größere Entfernungen zum nächsten Einsatzort tragen lassen.

In Fällen, in denen Schiffe einen besonderen Schutz brauchen, oder aus anderen Gründen kein aus der Luft gestartetes Tochterluftfahrzeug zur Verfügung steht, kann dem zu schützenden Schiff auch ein Deckscontainer mitgegeben werden, der eine Startanlage und ein oder mehrere Tochterflugzeuge enthält, die bei Gefahr eines Piratenüberfalls hochgehoben werden, so dass sie mit ihren Sensoren die Umgebung des Schiffes überwachen können und im Falle eines Piratenangriffs starten und die Piraten mit Waffengewalt vertreiben können. Dabei wird das auf dem Schiff stationierte Tochterluftfahrzeug über einen Datenlink über ein hochfliegendes Relaisfluggerät (zum Beispiel ein Basisluftfahrzeug) mit einer Bodenkontrollstation verbunden, von der aus das Tochterflugzeug ferngelenkt und fernbedient wird. Nach dem Einsatz kann das Tochterflugzeug wieder automatisch oder ferngelenkt auf dem Container landen und wird dort automatisch aufgetankt und aufmunitioniert.
In einem Einsatzverband eines erfindungsgemäßen Systems sind eine Mehrzahl von jeweils mit einem Tochterluftfahrzeug 2 versehenen aber mit unterschiedlicher Sensorausrüstung versehenen Basisluftfahrzeugen 1 vorgesehen, nämlich:

• PD-Marine-Radar-Basisluftfahrzeuge 300 (8), die mit einem Puls-Doppler-Marine-Radargerät 310 ausgestattet sind und jeweils eine 2 m Radarsende- und -Empfangsantenne 312 aufweisen, die um 360° in der horizontalen Ebene schwenkbar ist, wobei die Radarantenne 312 in dem als Radom 314 ausgestalteten Rumpf untergebracht ist. Die Radarantenne hat so ein 360° freies Sichtfeld vom Horizont bis 30° unter den Horizont mit einem kleinen toten Winkel beim heckseitigen Antriebsmotor. Zudem ist das PD-Marine-Radar-Basisluftfahrzeug 300 mit einer 0,5 m Datalink-Antenne 316 ausgestattet, über die der Datenaustausch mit den Tochterluftfahrzeugen und einem als Relaisstation dienendem Datalink-Basisluftfahrzeug 540 zu einer Bodenkontrollstation 350 erfolgt.
• Präzisions-Radar-Höhenmesser-Basisluftfahrzeuge 400 (11 und 13), die mit je einer signaltechnisch getrennten 2 m Radarsende- und Empfangsantenne versehen sind, welche vorzugsweise für den 35 GHz FMCW-Betrieb mit 350 MHz Bandbreite und mit einer sehr schmalen Sendekeule von 0,4°, die senkrecht nach unten zeigen und horizontal stabilisiert sind, versehen ist. Dazu kommt eine schwenkbare 0,5 m Datenlinkantenne für den Datenaustausch mit den Tochterluftfahrzeugen und einem als Relaisstation dienenden Datalink-Basisluftfahrzeug.
• Datalink-Basisluftfahrzeuge 500 (9), die jeweils mit zwei Sende- und Empfangsantennen 510, 512 mit 2 m Durchmesser ausgestattet sind, welche im Rumpf gelegen und um 360° in der horizontalen Ebene schwenkbar sind, wie beim PD-Marine-Basisluftfahrzeug 300. Zudem weisen auch die Datalink-Basisluftfahrzeuge eine 0,5 m Durchmesser aufweisende Datalinkantenne für den Datenaustausch mit den Tochterluftfahrzeugen und anderen Basisluftfahrzeugen auf. Jedes Datalink-Basisluftfahrzeug 500, das sich bevorzugt in einer Höhe von 15 km bis 20 km aufhält, hat zudem eine AIS-Basisstation 520 an Bord. Das AIS-Schiffsidentifikationssystem arbeitet im UKW-Bereich mit Frequenzen von 161 MHz und 162 MHz. Das System besteht aus einem Abfragesender in einer Basisstation, der mit einer YAGI-Richtantenne 522 mit einer Länge von vier Mal der Wellenlänge von 1,85 m, also 7,4 m ausgerüstet ist, die durch Ausrichten des Luftfahrzeugs 500 auf das Zielgebiet gerichtet werden kann und damit entlang des Horizonts rundum schwenkbar ist. Diese YAGI-Antenne kann im Inneren des Rumpfes, beispielsweise in dem dort vorgesehenen Wasserstoffbehälter, in Flugrichtung eingebaut sein. An der Rückseite wird die Antenne durch einen Reflektor aus Drahtgitter abgeschlossen, um eine geringe Backlobe zu erhalten. Die Antennenkeule nach vorne ist ungefähr 40° breit und hat ein Antennengewinn von 15 dB. Außerdem hat die AIS-Basisstation 520 einen Empfänger, der alle Transponderantworten empfängt und aufzeichnet, um diese dann zur Schiffsverfolgung gegebenenfalls über weiter Relais-Luftfahrzeuge 540 an eine AIS-Zentrale 550 weiterzusenden. Auf den abzufragenden Zielschiffen 530, 532, 534, 536 ist je ein Transpondersender angebracht, der auf Abfrage die Schiffspositions- und die Schiffspassagedaten, wie zum Beispiel die Ladung, die Mannschaftsstärke, den Tiefgang und den Herkunfts- und Zielhafen an den Abfragesender zurückfunkt. Die Transponderantwort wird mit einer Rundumantenne abgestrahlt und kann von allen mit AIS ausgerüsteten Schiffen in Horizontweite (etwas 20 bis 30 Seemeilen) empfangen werden und nach Auswertung auf einem Bildschirm ähnlich einem Radarschirm zur Kollisionsvermeidung eingesetzt werden.
• Multispektralsensor-Basisluftfahrzeuge 600 (10) tragen jeweils eine 2 m Datenlink-Sende- und -Empfangsantenne 610, die um 360° in der Horizontalen schwenkbar ist und die ebenfalls im Rumpf vorgesehen ist, der bevorzugt aus KEVLAR^®-Folie ausgestaltet ist. Diese Antenne besitzt damit ein freies Sichtfeld vom Horizont bis 30° unter den Horizont mit einem kleinen toten Winkel beim Teleskop im Rumpf. Die Datenlinkantenne 610 dient dem Datenaustausch mit einem als Relaisstation arbeitenden Datenlink-Basisluftfahrzeug 540. Eine weitere 0,5 m Datenlinkantenne 612 ist für den Datenaustausch mit den Tochterluftfahrzeugen 620, 622 vorgesehen. Diese Multispektralsensor-Basisluftfahrzeuge 600 sind jeweils mit zumindest einer Nahinfrarot-Telekamera 614 ausgestaltet, mit der Multispektralbildaufnahmen von Schiffen 630 gemacht werden können. Eine Besonderheit bei diesen Multispektralsensor-Basisluftfahrzeugen ist die spezielle Propellerkonstruktion mit großen Propellern 616, 617, 618, die mit Schlaggelenken versehen sind, wodurch diese Multispektralsensor-Basisluftfahrzeuge 600 sehr erschütterungsfrei fliegen.

Eine komplette Einsatzgruppe umfasst somit folgende Fluggeräte und wird folgendermaßen im Einsatz betrieben und geführt:

• 12 Basisluftfahrzeuge der vier Typen Radar-Basisluftfahrzeug, Datalink-Basisluftfahrzeug, Multispektralsensor-Basisluftfahrzeug, Präzisions-Radar-Höhenmesser-Basisluftfahrzeug,
• 12 mitgeführte bewaffnete, schwebeflugtaugliche Tochterluftfahrzeuge,
• Die Basisluftfahrzeuge können sich durch Solarenergiegewinnung und Energiespeicherung in Form von Solarwasserstoff während des Fluges und gegenseitige Luft-zu-Luft-Betankung praktisch unbegrenzt in der Luft halten.
• Mehrere Einsatzgruppen werden von einer oder mehreren Kommando- und Kontrollbodenstationen im Einsatz geführt und von den Fernsteuerpiloten und den Senso- und Waffenoperateuren der Bodenstation geflogen und bedient. Damit ist jedes einzelne Luftfahrzeug jederzeit und unter allen Bedingungen unter Kontrolle der Piloten und Operateure der Bodenstation.
• Bei einer Unterbrechung der Datenlinkverbindung tritt ein Sicherheitsprogramm in Funktion und zieht das betroffene Luftfahrzeug hoch und führt es in einen sicheren Flugzustand, bis wieder eine Datenlinkverbindung hergestellt werden kann. Falls diese nicht wiederhergestellt werden kann, versucht die Sicherheitssteuerung über Satellitenfunk eine schmalbandige Verbindung zur Bodenkontrollstation aufzunehmen und von dort weitere Anweisungen einzuholen. Falls auch diese dauerhaft defekt ist, kann das Luftfahrzeug unter Abgabe von Notsignalen automatisch zu einer in Reichweite befindlichen Notlandestation zurückkehren, wenn die GPS-INS-Navigationsanlage noch arbeitet. Falls dies nicht möglich ist, wird das Luftfahrzeug über unbewohntem Gebiet kontrolliert zum Absturz gebracht und zerstört.
• Die Bodenstation 350 ist über eine eigene Breitbanddatenlinkverbindung über die Datenlink-Basisluftfahrzeuge mit allen Luftfahrzeugen für den Kommando- und Datenaustausch in Echtzeit verbunden. Dabei kann mit einem Relaisflugzeug mit dem erfindungsgemäßen Datenlink bei hoher Datenübertragungsgeschwindigkeit nach jeder Seite in Richtung der Antennenblickrichtung eine Entfernung von 300 km bis 400 km überbrückt werden. In Sonderfällen kann die Verbindung bei entsprechender Flughöhe und stark reduzierter Datenrate bis zu 800 km in einem Zug überbrücken.
• Zur Überwachung größerer Seegebiete können mehrere Einsatzgruppen koordiniert eingesetzt werden und dann große Gebiete überwachen. Die Küste um das ganze Horn von Afrika von Dschibuti bis Mombasa könnte zum Beispiel mit 15 Einsatzgruppen komplett abgesichert werden. Diese 15 Einsatzgruppen würden nicht mehr kosten als ein einziges Seeüberwachungsflugzeug und könnten von zwei Fregatten mit Bodenkontrollstationen an Bord geführt werden.

Eine Einsatzgruppe nimmt im normalen Einsatz die in 11 gezeigte taktische Formation ein, um über dem inneren geschützten Gebiet ein sicheres Gebiet zu erzeugen.
Das Vorfeld der Schutzzonen wird durch mindestens zwei hochfliegende Datalink-Basisluftfahrzeuge 500 als AIS-Basisstationen 520 mit Interrogator-Sendern überwacht, die die Funktion des AIS-Systems auf die hohe See hinaus bis in eine Entfernung von 500 km von dem Geleitzug ausdehnen und alle Schiffe 330 mit eingeschalteten AIS-Transpondern abfragen und ihre Position, Kurs und Geschwindigkeit sowie ihre Schiffspassagedaten an die Bodenkontrollstation 350 weiterleiten und in der Bodenkontrollstation einen großräumigen Trackfile mit allen bekannten Schiffen und Schiffspassagedaten anlegen.
Durch mindestens drei von PD-Marine-Radar-Basisluftfahrzeugen 300 gebildete PD-Radarstationen in großer Höhe wird darin eine äußere Schutzzone von 500 km Länge und 280 km Breite errichtet, in der jedes Schiffziel aus zwei verschiedenen Richtungen mit Pulsdopplerradar angepeilt wird, so dass jedes mit einer geringen Mindestgeschwindigkeit bewegte Objekt unabhängig von der Fahrtrichtung entdeckt wird auch unter Allwetterbedingungen.
An der Vorderfront der Radarschutzzone A bewegen sich mindestens zwei hochfliegende Basisluftfahrzeuge 400 mit abbildenden Monopuls-Präzisionsradarhöhenmessern und fliegen über jedes nicht zweifelsfrei identifizierte Schiff, das in die äußere Schutzzone B einfährt und messen seine Radarhöhensignatur über Grund aus. Diese wird mit einem automatischen Bilderkennungssystem mit einer in einer Identifizierungsdatenbank vorgehaltenen Referenzsignatur verglichen, mit der jedes bekannte größere Schiff täuschungssicher identifiziert werden kann.
Durch mindestens drei hochfliegende Basisluftfahrzeuge 600 mit Multispektral-Teleskopkameras 614 wird eine innere Schutzzone C von zum Beispiel 280 km Länge mal 100 km Breite errichtet,

• die an der Peripherie bei ausreichenden Sichtverhältnissen optisch auf das Eindringen von kleinen Booten mit geringer Radarsichtbarkeit kontinuierlich abgesucht wird und
• in der alle in die innere Zone einfahrenden Schiffe optisch mit ihrer Multispektralbildsignatur durch ein automatisches Bilderkennungssystem durch Vergleich mit einer vorgehaltenen Referenzsignatur täuschungssicher identifiziert werden und deren Verhalten kontinuierlich beobachtet wird und
• die bei schlechten Sichtverhältnissen per Radarhöhenmesser auf das Eindringen von kleinen Booten mit geringer Radarsichtbarkeit kontinuierlich abgesucht wird und
• in der alle in die innere Zone einfahrenden Schiffe per Radarhöhenmesser identifiziert werden und deren Verhalten beobachtet wird und
• in der alle Schiffe innerhalb der inneren Schutzzone kontinuierlich optisch oder per Radarhöhenmesser auf verdächtiges oder bedrohliches Verhalten beobachtet werden, so dass sich anbahnende Piratenangriffe frühzeitig erkannt werden können und
• in der nicht identifizierbare oder verdächtige Schiffe von einer bewaffneten Eskorte beschattet werden und
• in der kurzfristig in weniger als 10 Minuten bewaffnete Tochterluftfahrzeuge angegriffenen oder bedrohten Schiffen zu Hilfe kommen können,
• unter Kontrolle einer bemannten Bodenstation über dem gesamten Schutzbereich einen kompletten Trackfile und einen kompletten Identifizierungsfile aller erfassten Seefahrzeuge anzulegen und mit AIS-Daten abzugleichen und zu erhalten und alle Schiffe zu beobachten und zu identifizieren oder ihre Absichten zu klären, so dass sich anbahnende Piratenüberfälle rechtzeitig erkannt und verhindert werden können.

Mit diesem erfindungsgemäßen Seeüberwachungssystem ist es vorteilhaft möglich, im gesamten Schutzbereich des zu überwachenden Gebietes alle ferngesteuerten unbemannten Luftfahrzeuge zeitlich unbegrenzt und kostengünstig mit Solarwasserstoffgas zu betreiben, der durch die Solaranlagen der Basisluftfahrzeuge erzeugt wird. Der Solarwasserstoff kann durch Luft zu Luft Betankung der Basisluftfahrzeuge untereinander und zum Auftanken auf die Tochterluftfahrzeuge übertragen werden.
Dazu können die Basisluftfahrzeuge der Einsatzgruppe vorteilhaft folgende Einzelmissionen ausführen:

• Ausdehnen des AIS-Betriebsbereiches von den Küstengewässern auf hohe See hinaus
• Langzeittragen von Tochterluftfahrzeug im und in den Einsatzraum während deren einsatzfreien Zeiten.
• Sammeln von Energie in Form von Wasserstoffgas im Energie sparenden Langsamflug in geringer Höhe und
• Luft zu Luft Betankung der Basisluftfahrzeuge und der Tochterluftfahrzeuge, die einen größeren Energiebedarf haben als ihre bordeigene Solaranlage liefern kann.
• Radarseeüberwachung aus über 13 km Höhe bis zu 150 km Entfernung im Umkreis
• Automatische Identifizierung von Schiffen aus AIS- oder Radarkontakten durch eine geschlossene Wolkendecke mit dem Präzisionsradarhöhenmesser und einem automatischem Auswertesystem
• Optische abbildende Multispektralseeüberwachung, Beobachtung und automatische Identifizierung von Schiffen bis zu 40 km Entfernung im Umkreis bei Bodensicht
• Datalinkverknüpfung aller Teilnehmer der Einsatzgruppe und der Bodenkontrollstationen und der AIS-Zentrale
• Möglichkeit der Nahinspektion und Kontaktaufnahme mit der Besatzung von unbekannten Schiffen und abgestufte bewaffnete Abwehr von Piratenüberfallen mit den Tochterluftfahrzeugen.

Mit diesem erfindungsgemäßen Seeüberwachungssystem ist es auch möglich, ein System von erfindungsgemäßen Luftfahrzeugen bereitzustellen, die mit einem geeigneten erfindungsgemäßen Einsatzverfahren die Langzeitüberwachung der zu schützenden Schifffahrtsrouten ausführen können und die Piratenüberfälle mit geeigneten Mitteln abwehren können. Dazu ist vorzugsweise ein Verbund von Luftfahrzeugen unter der Kontrolle einer oder mehrerer Kommandobodenstationen bereit zu stellen, der im Einzelnen folgende weitere Vorteile aufweist:

• der bodennahe Luftraum und der Boden können durch Nutzung der Solarenergie mit praktisch unbegrenzter Flugdauer überwacht werden und
• der solargetriebene Höhenflug kann bei Tag und bei Nacht, im Sommer und im Winter mit praktisch unbegrenzter Standzeit und mit einem hohen Nutzlastanteil (zum Beispiel 30%) am Fluggewicht aufrecht erhalten werden
• Mitglieder der Gruppe mit guter Energieversorgung und geringem Eigenverbrauch können Mitglieder mit hohem Energiebedarf in der Luft mit Wasserstoffgas betanken
• Es ist als Radar-Basisluftfahrzeug geeignet und in der Lage pro Einsatzgruppe drei erfindungsgemäße Puls-Doppler-Radar-Sensorausrüstungen mit zum Beispiel einer 2 m Antenne pro Luftfahrzeug im Dauereinsatz zu tragen und im vollen Datenverbund mit der Bodenstation zu betreiben, es ist in der Lage im Verbund auch kleinere Schiffsziele, zum Beispiel Fischkutter oder hölzerne Daus mit kleiner Radarrückstrahlfläche über große Entfernungen zum Beispiel 150 km, aufzuspüren, zu lokalisieren und deren Kurs zu verfolgen.
• Es ist als Radarhöhenmesser-Basisluftfahrzeug geeignet und in der Lage pro Einsatzgruppe drei erfindungsgemäße Radarhöhenmesser-Sensorausrüstungen mit zum Beispiel je einer 2 m Sende- und Empfangs-Antenne pro Luftfahrzeug im Dauereinsatz zu tragen und im vollen Datenverbund mit der Bodenstation und mit AIS zu betreiben, es ist in der Lage im Verbund auch kleinere Schiffsziele, zum Beispiel Fischkutter oder hölzerne Daus mit kleiner Radarrückstrahlfläche aus großer Höhe über den Wolken aufzuspüren, zu lokalisieren, bei Vorliegen einer Referenzsignatur zu identifizieren, und deren Kurs zu verfolgen, auch bei schlechtem Wetter ohne Bodensicht. Es ist ferner in der Lage von allen in den Überwachungsbereich einfahrenden Schiffen Referenzsignaturen anzufertigen und sie an die Bodenstation weiterzugeben zur Ergänzung des Trackfiles.
• Es ist geeignet und in der Lage durch einen Bordcomputer den Sensoreinsatz in Abstimmung mit der Bodenstation zu kontrollieren und eine automatische Vorauswertung an Bord durchzuführen im Verbund mit den anderen Sensoren der Einsatzgruppe, so dass die Belastung des Datenlinks minimiert wird.
• Es ist als Kamera-Basisluftfahrzeug geeignet und in der Lage pro Einsatzgruppe drei erfindungsgemäße optische Multispektralsensorausrüstungen mit zum Beispiel je einer 35 cm Optik und einer 2 m Datalinkantenne pro Luftfahrzeug zu tragen und zu betreiben, die in der Lage sind, auch kleine Schiffsziele, zum Beispiel Skiffs oder Schlauchboote, über große Entfernungen zum Beispiel 40 km bei Tag und 20 km bei Nacht aufzuspüren, zu lokalisieren und zu identifizieren. Es ist geeignet und in der Lage durch einen Bordcomputer den Sensoreinsatz in Abstimmung mit der Bodenstation zu kontrollieren und eine automatische Vorauswertung an Bord durchzuführen im Verbund mit den anderen Sensoren der Einsatzgruppe, so dass die Belastung des Datenlinks minimiert wird.
• Es ist ferner in der Lage von allen in den Überwachungsbereich einfahrenden Schiffen optische Multispektralreferenzsignaturen anzufertigen und sie an die Bodenstation zur Ergänzung des Trackfiles weiterzugeben.
• Es ist geeignet und in der Lage die aufgenommenen Sensorinformationen in komprimierter Form in Echtzeit über einen eigenen Datenlink mit 2 m Antenne an das nächste Datenlinkrelais oder an die Bodenstation an die Fernsteuerpiloten und Sensorbediener zur Auswertung zu übermitteln und von der Bodenstation Kommando- und Steuersignale zu empfangen und mit geringer Verzögerung in Echtzeit auszuführen.
• Es ist geeignet und in der Lage bei allen Mitgliedern der Einsatzgruppe jeweils ein mit Wirkmitteln ausgerüstetes Tochterluftfahrzeug zu tragen, durch Luftstart zum Einsatz zu bringen und nach dem Einsatz wieder in den Schlepp zu nehmen.
• Es ist als Datalink-Basisluftfahrzeug geeignet und in der Lage eine Datenlinkanlage mit zwei unabhängig rundum bewegbaren 2 m Fernrichtantennen pro Basisluftfahrzeug zu tragen und zum Einsatz zu bringen und zusätzlich über eine kleinere unabhängig bewegbare Nahrichtantenne eine Datenübertragung zu den nahegelegenen Radar-Basisluftfahrzeugen und zu den nahegelegenen Tochterluftfahrzeugen aufzubauen.
• Es ist als Tochterluftfahrzeug geeignet und in der Lage, eine erfindungsgemäße Ausstattung mit Wirkmitteln, nämlich eine Ultraschall-Lärmkanone und einen Raketenwerfer, der durch die eingebaute rundum schwenkbare Zoomvideokamera mit Laserentfernungsmesser und ein eingebautes Feuerleitsystem präzise gezielt eingesetzt werden kann, für den Anti-Terror-Einsatz und den Anti-Pirateneinsatz zur Warnung und zur Bekämpfung von angreifenden Gruppen, mit kurzer Reichweite (100 m bis 1000 m).
• Es ermöglicht durch den Einsatz von Tochterluftfahrzeugen mit besonderen Flugeigenschaften wie Langsamflug und Schwebeflug und Senkrechtstart- und -Landung den Einsatz der Wirkmittel und den Einsatz von akustischen Nahkommunikationsmitteln.
• Es ist als Tochterluftfahrzeug geeignet und in der Lage, auf Schiffen, die besonderen Schutz angefordert haben, auf vorbereiteten Flächen senkrecht zu landen und sich dort zu verankern, bis zu Wetterlagen mit Seegang 4, und die Schiffsumgebung dauernd zu überwachen und sich anbahnende Piratenüberfälle rechtzeitig erkennen.
• Es kann erkannte Piratenüberfälle durch eine geeignete Wirkmittelausrüstung auf genügend grolle Entfernung abwehren unter Kontrolle der Marinebodenkontrollstation, so dass das zu schützende Schiff vor Beschuss durch Piraten bewahrt werden kann.
• Es kann die zu schützende Schiffsbesatzung unter Kontrolle der Bodenkontrollstation vor kritischen Situationen über eine Datenlinkverbindung zu dem zu schützenden Schiff rechtzeitig warnen und beraten und, zum Beispiel in unklaren Situationen, einen Ausweichkurs empfehlen.
• Es kann als Wirkmittelträger über die Datenlinkanbindung von Piloten und Sensor- und Waffenoperateuren in der Bodenkontrollstation reaktionsschnell ferngesteuert werden.
• Es kann Sensorwerte, zum Beispiel Zielbilder oder von den Richtmikrofonen aufgenommene Geräusche oder Sprache oder vom Laserentfernungsmesser gemessene Zielentfernungen an die Bodenkontrollstation übermitteln, die dort von Bildauswertern und automatischen Auswerteeinrichtungen ausgewertet werden können und für einen wirkungsvollen Einsatz des Tochterluftfahrzeugs eingesetzt werden können.
• Es kann von den taktischen Einsatzkontrolleuren unter Verwendung der verzugsfrei übermittelten Sensorinformationen reaktionsschnell gezielt und situationsangepasst eingesetzt werden.
• Durch den Einsatz von solargetriebenen Basisluftfahrzeugen können die Kosten pro Flugzeug vorteilhaft so niedrig gehalten werden, dass auch eine größere Flotte von zum Beispiel 15 Einsatzgruppen noch bezahlbar ist, wie sie zum Schutz der Schifffahrtsrouten um das Horn von Afrika vor Piratenüberfällen erforderlich wäre. Die Kosten für die Fluggeräte der 15 Einsatzgruppen würden ungefähr den Kosten für ein einziges Seeüberwachungsflugzeug entsprechen. Die 15 Einsatzgruppen könnten aber ein viel größeres Seegebiet effektiver überwachen und vor Piratenüberfällen schützen.

Unter Bezugnahme auf 12 wird nachstehend der in dem in 8 gezeigten PD-Marine-Radar-Basisluftfahrzeug 300 eingesetzte Puls-Doppler-Radarsensor 360 beschrieben. Das Radar ist ein Medium-Puls-Repetition-Frequency Pulse-Doppler Radar System und arbeitet mit kohärenter Integration von mindestens 50 Pulsen pro Burst. Es arbeitet weiterhin mit Pulskompression um mindestens den Faktor 100. Das Radar nutzt eine Antenne 312 mit sehr großem Durchmesser und damit sehr hohem Antennengewinn. Die Antenne 312 weist ein Richtdiagramm mit sehr geringen Nebenkeulen (unter –40dB für die erste Nebenkeule) auf. Dies wird erreicht durch die Verwendung eines Antennen-Feedhorns 362 mit nach außen kosinusförmig abfallender Beleuchtungsdichte und durch die Verwendung einer Parabolhauptantennenschüssel 364, deren äußerer Rand einen Ring 366 aus radarstrahlenabsorbierendem Material trägt, dessen Wellenwiderstand so abgeglichen ist, dass ein minimaler Überlauf der Beleuchtungsenergie der Parabolhauptantennenschlüssel 364 auftritt, und die Antenne dadurch sehr geringe Sidelobes (unter –40 dB) bekommt. Die Beleuchtung des Zieles mit der Antenne 312 erfolgt von oben unter einem genügend steilen Winkel (über 5°) mit einer sehr schmalen Hauptkeule (kleiner 1.8°). Das begrenzt das Hauptkeulenwellenstörecho auf einen schmalen Geschwindigkeitsbereich und hält die empfangene Hauptkeulenwellenstörleistung auf relativ niedrigen Werten, die von konventionell ausgelegten Radaren nicht erreicht werden. Dadurch wird die Entdeckungsleistung besser als bei konventionellen Radaren.
Die niedrigen Nebenkeulen der Antenne 312 nehmen nur eine relativ geringe Nebenkeulenwellenstörleitung aus dem reflektierten Sendesignal auf, weil die erste Nebenkeule infolge des steilen Einblickwinkels nur in einem sehr schmalen Bereich am Boden aufliegt und von dort Störleistung empfängt.
Die tatsächliche Dopplergeschwindigkeitsverteilung und die Amplitude der empfangenen Wellenstörechos wird laufend gemessen und aufgezeichnet und laufend dazu verwendet die Entdeckungsschwellwerte für die Schiffszielentdeckung adaptiv an den tatsächlich vorhandenen Wellengang anzupassen, so dass die gemessenen Wellenstörechos nicht mit gemessenen echten bewegten Schiffszielechos verwechselt werden können. Dadurch wird adaptiv bei jedem Seegang die bestmögliche Entdeckungsleistung erzielt.
Es werden stets mindestens zwei derartige Radare verwendet, die das Ziel unter einem Winkel von 60° bis 120° beleuchten. Dadurch wird bewirkt, dass das Ziel bei beliebiger eigener Fahrtrichtung von mindestens einem Sensor nicht in tangentialer Richtung gesehen wird, und damit das Dopplersignal und mit ihm das Schiffsziel stets im Radar sichtbar bleibt.
Mit diesem erfindungsgemäßen Seeüberwachungssystem, das den in 12 gezeigten Puls-Doppler-Radarsensor aufweist, ist es möglich, den äußeren Schutzbereich A (11) des zu überwachenden Gebietes mit Dopplerradar aus zwei Richtungen zu beobachten und jedes Objekt zumindest aus zwei Richtungen anzupeilen, wodurch eine Ortung jedes bewegten Schiffes unabhängig von seiner Fahrtrichtung mit Dopplerradar auch bei höherem Seegang ermöglicht wird.
Die Ausrüstung des Radarflugzeuges besteht vorteilhaft aus dem in 12 dargestellten Puls-Doppler-Radar 360, das vorteilhaft mit Medium Pulse Repetition Frequency arbeitet. Die Hochfrequenzenergie mit einer Frequenz von vorteilhaft 6 GHz zur Beleuchtung des Zieles wird von einem Wellenformgenerator 370 erzeugt und über einen Hohlleiter 372 über das Hochfrequenzsende- und Empfangsteil 374 über das Feedhorn 362 an die Parabolsende- und -Empfangsantenne 312 abgegeben. Die Antenne 312 wird auf das gesuchte Ziel 380 ausgerichtet und strahlt das Ziel an, bzw. sucht das Zielgebiet rasterförmig nach Zielen ab. Für die Beleuchtung eines Feldes im Scanraster wird jeweils als Wellenform ein Pulspaket aus vorteilhaft acht Pulsfolgen mit jeweils 50 Pulsen aussendet. Die Pulswiederholfrequenz innerhalb der acht Pulsfolgen ist vorteilhaft von 8 kHz bis 17 kHz so gestaffelt, dass die eindeutige Entfernungsmessung des Radars von 40 km bis 150 km arbeitet. Die Pulse einer Pulsfolge sind jeweils kohärent, so dass bei der Auswertung vorzugsweise über die 50 Pulse einer Pulsfolge aufintegriert werden kann, was vorteilhaft zu einer entsprechenden Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses führt. Weiterhin wird eine Pulskompression vorteilhaft um den Faktor 100 durchgeführt, um bei geringer Sendeleistung möglichst viel Energie auf ein Rasterfeld zu konzentrieren. Zusätzlich wird jede Pulsfolge mit einer gegenüber der Standardsendefrequenz von vorzugsweise 6 GHz leicht veränderten Sendefrequenz abgestrahlt. Dadurch können zufällig verteilte Störechos von bewegten Wellen von echten Schiffszielechos wirkungsvoller unterschieden werden. Die erforderliche Radarstrahlsendeleistung wird vorteilhaft durch den Einsatz der sehr großen Radarsende- und Empfangsantenne 312 mit 2 m Durchmesser und in einer Ausführung mit einem Randbogen 366 aus radarabsorbierendem Material, dessen Wellenwiderstand so abgestimmt ist, dass das Antennendiagramm sehr geringe Nebenkeulen aufweist, mit der sehr geringe Nebenkeulen abgestrahlt und empfangen werden, und mit einer Verstärkung von vorteilhaft über 18000 durch den Antennendurchmesser von 2 m auf dem für diese Reichweite sehr geringen Wert von 100 W bis 500 W, abhängig vom Betriebsmodus, gehalten, die zudem noch mit Solarenergie versorgt werden kann. Vorteilhaft nutzt jedes PD-Marine-Radar-Basisluftfahrzeug seinen auch als Wasserstoffgasbehälter dienenden tropfenförmigen Rumpf 314 aus dünner Kevlar^®-Folie auch als Radom mit vorzugsweise 2,5 m Durchmesser und trägt darin aufgehängt die 2 m Durchmesser-Radarsende- und Empfangsantenne 312 im inneren des Rumpfes. Die Antenne ist vorteilhaft um 360° in der horizontalen schwenkbar, hat durch den Rumpf als Radom 360° freies Sichtfeld und hat vom Horizont bis 30° unter den Horizont freies Sichtfeld mit einem kleinen toten Winkel beim Antriebspropeller 318 (8) im Heck.
Bei der Beobachtung jedes Rasterfeldes des Scanrasters im Radarsuchfeld arbeiten vorteilhaft jeweils drei Radargeräte 360 zusammen. Diese werden so positioniert, dass mindestens zwei Radargeräte das Ziel aus unterschiedlichen Richtungen sehen. Dadurch kann sich ein bewegtes Ziel nie relativ zu allen Radargeräten in tangentialer Richtung bewegen, und damit mit verschwindender Radialgeschwindigkeit für das Radar unsichtbar werden. Weiterhin können durch die gleichzeitige Beobachtung aus mehreren Richtungen vorteilhaft einige einfache Radartarnmöglichkeiten für Schiffe, die auf einer Tarnung nur in einer Beobachtungsrichtung beruhen, aufgedeckt werden.
Vorteilhaft wird das Radarecho mit der großen Empfangsantenne 312 und den geringen Nebenkeulen aufgefangen und im Radarempfänger 374 und in der nachfolgenden Signalverarbeitung in einem Signalverarbeitungsprozessor 376 mit Hilfe eines Wellenstörechofilterprozessors 378 ausgewertet und entdeckte Ziele an einen Trackfileprozessor 379 weitergeleitet, in dem eine komplette Datei aller entdeckten Ziele mit ihrer Position und Geschwindigkeit und Fahrtrichtung angelegt und über die ganze Einsatzdauer fortgeführt wird. Dazu ist das Radar mit einer Einrichtung ausgerüstet, die es bei der gewählten Beobachtungsrichtung mit mehr als 5° Neigungswinkel und dem gewählten Antennenstrahlöffnungswinkel von vorteilhaft 1.5° erlaubt, während des Betriebes kontinuierlich für das gerade beobachtete Seegebiet eine statistische Verteilung der Stärke der Wellenstörechos über der Dopplerverschiebung, die die Wandergeschwindigkeit der Wellen anzeigt, aufzustellen. Wird diese Verteilung in der Entdeckungslogik als unterer Schwellwert für eine gültige Entdeckung eines Zieles angesetzt, dann erhält man vorteilhaft eine Filterschaltung, die sich automatisch immer optimal an den gerade herrschenden Seegang anpasst und damit vorteilhaft die bestmögliche Entdeckungsleistung des Radars unter allen Seegangsbedingungen erreicht, indem gültige Radarziele angezeigt werden und Wellenstörechos an Hand der gemessenen Wellenstörechocharakteristik erkannt und ausgeschieden werden.
An Bord des PD-Marine-Radar-Basisluftfahrzeug wird im Trackfileprozessor 379 von allen Entdeckungen ein kontinuierlich arbeitender Zielverfolgungsspeicher angelegt und es werden Zielspuren erzeugt. Die Ergebnisse des Zielverfolgungsspeichers werden über einen Nahdatenlink mit 0,5 m Antenne an das nächste Datenlink-Basisluftfahrzeug und von dort an die Bodenkontrolistation weitergeleitet. Innerhalb einer Einsatzgruppe tauschen alle Radare ihre Zieldaten über Datenlink aus und führen eine Fusion der Daten im Trackfileprozessor 379 durch, so dass vorteilhaft ein gemeinsamer Zieldatenbestand entsteht, der alle Informationen einer Einsatzgruppe enthält. Dieser Zieldatenbestand wird dann über Datenlink an die Bodenkontrollstation übermittelt.
Dazu müssen die Radarflugzeuge der Einsatzgruppe vorteilhaft folgendes Einsatzverfahren ausführen können, um die Radarsensoren vorteilhaft zum Einsatz zu bringen:

• Eine kontinuierliche Kursverfolgung größerer Schiffe (Größe ab Fischkutter oder Dau) mit drei PD-Marine-Radar-Basisluftfahrzeugen 300 pro Einsatzgruppe in einem äußeren Schutzgebiet B (11) mit 280 km Breite und 500 km Länge mit Marineradar bei allen Wetterbedingungen. Das äußere Schutzgebiet A schließt ein voll geschütztes inneres Schutzgebiet C (11) von 240 km Länge und 80 km Breite ein, in dem jedes Schiffsziel 330 (11) vorteilhaft von zwei Seiten erfasst wird, wobei die Sichtlinien minimal 60° und maximal 120° auseinander liegen. Die Seeziele sollen vorteilhaft von oben mit dem Radar erfasst werden mit einer Sichtlinienneigung von steiler als 5°, um die bessere Radarsichtbarkeit von Schiffen von oben insbesondere bei höherem Seegang, auszunutzen. Dazu ist eine Flughöhe von 13 bis 15 km bei einer maximalen Suchentfernung von 150 km erforderlich.
• Ein gegenseitiger Austausch der Suchergebnisse der Radar- und Multispektralsensoren innerhalb der Einsatzgruppe nach 11 und zur Bodenstation 350 durch die drei Datenlink-Basisluftfahrzeuge und Übermittlung der Kontroll- und Steuerbefehle an die Einsatzgruppe.

Die Ausrüstung des PD-Marine-Radar-Basisluftfahrzeugs 300 besteht vorteilhaft aus dem Puls-Doppler-Radar, das mit Medium Pulse Repetition Frequency (MPRF) arbeitet und für die Beleuchtung eines Feldes im Scanraster jeweils als Wellenform ein Pulspaket aus vorzugsweise acht Pulsfolgen mit jeweils 50 Pulsen aussendet. Die Pulswiederholfrequenz innerhalb der acht Pulsfolgen ist vorteilhaft von 8 kHz bis 17 kHz so gestaffelt, dass die eindeutige Entfernungsmessung des Radars vorteilhaft von 40 km bis 150 km arbeitet. Die Pulse einer Pulsfolge sind jeweils kohärent, so dass bei der Auswertung vorteilhaft über die 50 Pulse einer Pulsfolge aufintegriert werden kann, was zu einer entsprechenden Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses führt. Weiterhin wird eine Pulskompression um den Faktor 100 durchgeführt, um bei geringer Sendeleistung vorteilhaft möglichst viel Energie auf ein Rasterfeld zu konzentrieren.
Zusätzlich wird jede Pulsfolge mit einer gegenüber der Standardsendefrequenz von vorzugsweise 6 GHz leicht veränderten Sendefrequenz abgestrahlt. Dadurch können vorteilhaft zufällig verteilte Störechos von bewegten Wellen von echten Schiffszielechos besser unterschieden werden. Die erforderliche Radarstrahlsendeleistung wird erfindungsgemäß durch den Einsatz einer sehr großen Radarsende- und Empfangsantenne mit einer Verstärkung von vorzugsweise über 18000 auf dem für diese Reichweite sehr geringen Wert von 100 W bis 500 W, abhängig vom Betriebsmodus gehalten, die zudem noch mit Solarenergie versorgt werden kann.
Jedes Radarflugzeug benutzt seinen auch als Wasserstoffgasbehälter dienenden tropfenförmigen Rumpf aus dünner Kevlar^®-Folie vorteilhaft auch als Radom mit vorzugsweise 2,5 m Durchmesser und trägt eine 2 m Durchmesser Radarsende- und Empfangsantenne im Inneren des Rumpfes. Die Antenne ist um 360° in der horizontalen schwenkbar, hat durch den Rumpf als Radom ein 360° freies Sichtfeld und hat vorteilhaft vom Horizont bis 30° unter den Horizont ein freies Sichtfeld mit einem kleinen toten Winkel beim Antriebsmotor im Heck. Bei der Beobachtung jedes Rasterfeldes des Scanrasters arbeiten vorteilhaft jeweils drei Radargeräte zusammen. Diese werden so positioniert, dass mindestens zwei Radargeräte das Ziel aus unterschiedlichen Richtungen sehen. Dadurch kann sich ein bewegtes Ziel nie relativ zu allen Radargeräten in tangentialer Richtung bewegen, und damit mit verschwindender Radialgeschwindigkeit für das Radar unsichtbar werden. Weiterhin können durch die gleichzeitige Beobachtung aus mehreren Richtungen einige einfache Radartarnmöglichkeiten für Schiffe, die auf einer Tarnung nur in einer Beobachtungsrichtung beruhen, aufgedeckt werden.
Das Radar wird weiterhin mit einer Einrichtung ausgerüstet, die es bei der gewählten Beobachtungsrichtung mit vorteilhaft mehr als 5° Neigungswinkel und dem gewählten engen Antennenstrahlöffnungswinkel von 1.5° erlaubt, während des Betriebes kontinuierlich für das gerade beobachtete Seegebiet eine statistische Verteilung der Stärke der Wellenstörechos über der Dopplerverschiebung, die die Wandergeschwindigkeit der Wellen anzeigt, aufzustellen. Wird diese Verteilung in der Entdeckungslogik als unterer Schwellwert für eine gültige Entdeckung eines Zieles angesetzt, dann erhält man vorteilhaft eine Filterschaltung, die sich automatisch immer optimal an den gerade herrschenden Seegang anpasst und damit vorteilhaft die bestmögliche Entdeckungsleistung des Radars unter allen Seegangsbedingungen erreicht.
An Bord des PD-Marine-Radar-Basisluftfahrzeuges wird von allen Entdeckungen ein kontinuierlich arbeitender Zielverfolgungsspeicher angelegt und es werden Zielspuren erzeugt. Die Ergebnisse des Zielverfolgungsspeichers werden über einen Nahdatenlink mit 0,5 m Antenne an das nächste Datenlink-Basisluftfahrzeug weitergeleitet. Innerhalb einer Einsatzgruppe tauschen alle Radare ihre Zieldaten untereinander und mit der Bodenkontrollstation aus und führen eine Fusion der Daten durch, so dass ein gemeinsamer Zieldatenbestand entsteht, der alle Informationen einer Einsatzgruppe enthält. Dieser fusionierte Zieldatenbestand wird dann mit Hilfe der weitreichenden Datenlinkanlage an die Bodenkontrollstation übermittelt.
Der im Präzisionsradarhöhenmesser-Basisluftfahrzeug vorgesehene abbildende Monopuls-Präzisionsradarhöhenmesser und die damit durchgeführte Signaturbildung und Signaturbilderkennung werden nachstehend anhand der 13 erläutert.
Der Monopuls-Präzisionradarhöhenmesser arbeitet nach dem Frequency Modulated Continuos Wave Verfahren (FMCW) und ist mit einer Sendeantenne und einer signaltechnisch davon isolierten Monopuls-Empfangsantennengruppe ausgerüstet. Der Sender arbeitet bei mindestens 35 GHz und sendet ein Chirpsignal mit einem Frequenzhub von mindestens 350 MHz und einer Pulsdauer von mindestens 20 μsec mit einer Pulswiederholfrequenz von mindestens 1000 Hz aus. Der 4-Banal FWCM Empfänger arbeitet mit einer Dwelltime von mindestens 100 Millisekunden und kann in dieser Zeit 100 Pulse empfangen und inkohärent integrieren. Die Parabol-Sende- und -Empfangs-Antennen haben einen Durchmesser von je mindestens 1,2 m und eine Strahlkeulenbreite von maximal 0,41°. Aus einer Flughöhe von 20 km hat die Sendeantenne am Boden einen Strahldurchmesser von maximal 150 m. Aus 20 km Flughöhe hat die Monopuls-Empfangsantennengruppe eine horizontale Positionsauflösung von mindestens 7 m. Der Empfänger kann über mindestens 100 Pulse inkohärent aufintegrieren. Der Empfänger kann in jedem Monopulskanal Rangegates mit 0,3 m Länge anlegen, die von der Meeresoberfläche bis 30 m darüber reichen und jeweils das in jedem Gate empfangene Echo mit der empfangenen Intensität aufzeichnen. Der Empfänger kann für jedes Rangegate das Summen- und Differenzsignal der jeweils zusammengehörenden Monopulskanäle bilden und daraus die Position des Schwerpunkts des Echos in zwei orthogonalen Achsen in jedem Gate separat in der Horizontalebene berechnen und aufzeichnen. Der Auswerterechner kann zu jeder Position des Sendestrahls, die mindestens zwei Echos enthält, eine normierte Signatur erstellen, die als Koordinatensystem in der Horizontalebene als X-Achse die mit der Intensität gewichtete Ausgleichsgerade durch die Schwerpunkte aller Echos aus den Rangegates verwendet, die wie der Velocity-Vektor des Radarzieles gerichtet ist. Die Y-Achse bildet damit ein rechtshändiges Koordinatensystem und geht durch den Schwerpunkt aller gemessener Echos aus den Rangegates. Der Auswerterechner erstellt für jede Signatur einen Merkmalsvektor, der folgende Komponenten enthält:

a. Nummer des Rangegates
b. X-Koordinate des Echos
c. Y-Koordinate des Echos
d. Intensität des Echos.

Der Auswerterechner kann mit den Merkmalsvektoren gemessene Ziele mit in einer Datenbank vorgehaltenen Referenzzielen vergleichen durch Bildung und Auswertung des Absolutbetrages der Differenzen zwischen den Merkmalsvektoren und damit gemessene Ziele als mit einem bestimmten Referenzziel übereinstimmend erkennen, und damit das gemessene Ziel identifizieren.
Nachstehend werden die Einrichtung und das Betriebs- und Einsatzverfahren des in einem Monopuls-Präzisionsradarhöhenmesser-Basisluftfahrzeug 400 vorgesehenen Monopuls-Präzisionsradarhöhenmessers beschrieben.
Mit dem erfindungsgemäßen Seeüberwachungssystem ist es möglich, in dem äußeren Schutzbereich B des zu überwachenden Gebietes mit dem Monopuls-Präzisions-Radarhöhenmesser Zielschiffe, die mit AIS Abfrage über ihre Transponderantwort gefunden wurden und deren Position, Kurs und Geschwindigkeit mit Dopplerradar verifiziert wurden, aus großer Höhe von z. B. 20 km senkrecht von oben zu beobachten und von dem Schiff eine Radarhöhensignatur aufzunehmen, die außer der Echostärke für jede Höhenschicht (Range Gate) auch die relative Lage des Echoschwerpunktes in zwei Richtungen für jede Höhenschicht über die vier Monopulsempfangskanäle des Radarhöhenmessers ausmisst und aufzeichnet.
Diese Radarhöhensignatur wird z. B. für 100 Schichten mit z. B. je 0,3 m Höhe aufgenommen und liefert eine sehr genaue Signatur eines Schiffes, die bei Vorliegen einer Referenzsignatur des betrachteten Schiffes zur sicheren Identifizierung des betrachteten Schiffes mit einem automatischen Bilderkennungsverfahren verwendet werden kann.
Zweckmäßigerweise werden die Referenzradarschiffssignaturen in einer Datenbank zusammen mit der AIS Kennung des Schiffes abgelegt und können dann nach einer AIS Abfrage schnell gefunden werden. Die Referenzsignaturen werden zweckmäßigerweise bei der auf einem fälschungssicheren Weg angekündigten und verifizierten erstmaligen Einfahrt des betreffenden AIS Schiffes in den Wirkungsbereich des Seeüberwachungssystems aufgezeichnet.
Die Ausrüstung des Monopuls-Präzisionsradarhöhenmesser-Basisluftfahrzeugs 400 weist einen Monopuls-Präzisionsradarhöhenmesser 410 auf, der mit dem Frequency-Modulated-Continuous-Wave-Verfahren mit einer Sendeantenne und einer 4-Empfangskeulen-Monopulsempfangsanlage arbeitet. Die FMCW Hochfrequenzenergie mit einer Frequenz von 35 GHz und einem überlagerten Chirpsignal von 350 MHz Bandbreite zur Beleuchtung des Zieles wird von einem Wellenformgenerator 470 (15) erzeugt und über einen Hohlleiter 472 an eine an Bord vorgesehene Hochfrequenzsendeantenne 412 abgegeben und in Richtung auf das Ziel 450 in einer Sendekeule 474 abgestrahlt. Vom Ziel 450 wird der Radarstrahl zurück zu einer an Bord des Luftfahrzeugs 400 befindlichen Empfangsantenne 414 reflektiert. Die Empfangsantenne 414 weist vier kreuzförmig gegeneinander versetzte Empfangskeulen 416 auf, die zusammen eine 4-Kanal-Monopulsempfangsantenne bilden.
Durch Summen und Differenzbildung der vier Antennensignale in dem Empfangsteil 480 kann in jedem Rangegate (Höhenachse Z in 14) die relative Lage in zwei zueinander senkrechten Achsen X und Y der einzelnen Rangegateechos zu dem RCS-Gesamtschwerpunkt O gemessen werden. Dabei zeigt die X-Achse in Fahrtrichtung des Schiffes. Die über alle vorzugsweise 100 Rangegates, maximal 200, aufgezeichnete Radarhöhensignatur des Schiffes ergibt eine fälschungssichere Beschreibung eines Schiffes und erlaubt eine eindeutige Identifizierung eines Schiffes, von dem eine Referenzsignatur vorliegt. Für die Identifizierung muss das Monopuls-Präzisionsradarhöhenmesser-Basisluftfahrzeug 400 das Zielschiff 450 in großer Höhe direkt überfliegen. Es sucht das Zielgebiet nach den Vorgaben von AIS und Dopplerradar nach Zielen ab, die identifiziert oder beobachtet werden müssen.
Für die Beleuchtung eines Suchfeldes von vorteilhaft 150 m Durchmesser wird jeweils als Wellenform ein FWCM-Paket aus jeweils 100 Pulsen mit 350 MHz linearer Chirpfrequenzmodulation pro Sendeimpuls von 20 μsec Länge ausgesendet. Die erforderliche Radarstrahlsendeleistung wird durch den Einsatz einer sehr großen Radarsendeantenne 412 und einer sehr großen Empfangsantenne 414 mit je 1,2 m Durchmesser und in einer Ausführung mit einem Randbogen aus radarstrahlenabsorbierendem Material erzielt, dessen Wellenwiderstand so abgestimmt ist, dass das Antennendiagramm sehr geringe Nebenkeulen aufweist. Das Radarsignal kann also mit sehr geringen Nebenkeulen abgestrahlt und empfangen werden. Es können zusätzlich mit einer kosinusförmigen Amplitudenmodulation der Sende und Empfangshörner über dem Antennendurchmesser sehr geringe Nebenkeulen erreicht und mit einer Verstärkung von vorteilhaft über 100000 durch den Antennendurchmesser von 1,2 m auf dem für diese Reichweite sehr geringen Wert von vorteilhaft 5 W bis 10 W, abhängig vom Betriebsmodus, gehalten werden. Dieser Energiebedarf kann vorteilhaft mit Solarenergie einfach versorgt werden.
Jedes Monopuls-Präzisionsradarhöhenmesser-Basisluftfahrzeug 400 nutzt seinen Flügel 418 aus dünner Kevlar^®-Folie auch als Radom für die horizontal eingebauten Sende- und Empfangsantennen 412, 414. Die Antennen sind vorteilhaft um 5° in der horizontalen schwenkbar zur vertikalen Stabilisierung der Antennenachse. Vorteilhaft wird an Bord des Monopuls-Präzisionsradarhöhenmesser-Basisluftfahrzeug 400 in einem Identityfileprozessor 482 von einer automatischen Bilderkennungssoftware ein Bildvergleich aller in Frage kommenden Referenzradarhöhensignaturen aus einer Referenzradar-Höhensignatur-Datenbank 484 mit den gerade gemessenen Schiffssignaturen vorgenommen und das Schiff als der beste Match identifiziert. Die gefundenen Identitätswerte werden zusammen mit den Trackdaten und gegebenenfalls weiteren zur Identifizierung verwendbaren Daten, wie dem vorteilhaft ebenfalls messbaren Tiefgang des Schiffes, und seinen übermittelten AIS Daten verknüpft und damit von allen Entdeckungen ein kontinuierlich arbeitender Zielidentifizierungs- und Zielverfolgungsspeicher angelegt und es werden Zielspuren und Identitätsprofile erzeugt. Die Ergebnisse des Zielverfolgungsspeichers werden über einen Nahdatenlink mit einer an Bord befindlichen 0,5 m Datenlinkantenne 420 an das nächste Datenlink-Basisluftfahrzeug 460 und von dort an die Bodenkontrollstation 350 weitergeleitet.
Innerhalb einer Einsatzgruppe tauschen alle Radare, AIS-Basisluftfahrzeuge und Radar-Höhenmesserluftfahrzeuge ihre Zieldaten über Datenlink aus und führen eine Fusion der Daten im Trackfileprozessor 486 durch, so dass vorteilhaft ein gemeinsamer Zieldatenbestand entsteht, der alle Informationen einer Einsatzgruppe enthält. Dieser Zieldatenbestand wird dann über Datenlink an die Bodenkontrollstation 350 übermittelt.
Dazu müssen die Radarhöhenmesserflugzeuge der Einsatzgruppe folgendes Einsatzverfahren ausführen können, um die Radarhöhenmessersensoren zum Einsatz zu bringen:

• Eine kontinuierliche Beobachtung verdächtiger größerer Schiffe (Größe ab Fischkutter oder Dau) mit zwei bis drei Monopuls-Präzisionsradarhöhenmesser-Basisluftfahrzeugen 400 pro Einsatzgruppe in einem äußeren Schutzgebiet B mit 280 km Breite und 500 km Länge in kurzen Abständen mit dem abbildenden Präzisionsradar-Höhenmesser bei allen Wetterbedingungen, wobei insbesondere verdächtige Manipulationen an Deck eines Schiffes, die auf das Aussetzen eines Beibootes hindeuten und das Ablegen eines Beibootes von dem Schiff beobachtet werden und damit Angriffsvorbereitungen der Piraten rechtzeitig entdeckt werden können.
• Das äußere Schutzgebiet B schließt ein voll geschütztes inneres Schutzgebiet C von 240 km Länge und 80 km Breite ein, in dem jedes verdächtige Schiffsziel 330 vorteilhaft kontinuierlich beobachtet wird, so dass Angriffsvorbereitungen der Piraten sofort entdeckt und gemeldet werden können.
• Ein gegenseitiger Austausch der Suchergebnisse der Radar- und Multispektralsensoren innerhalb der Einsatzgruppe und zur Bodenstation durch die drei Datenlink-Basisluftfahrzeuge und die Übermittlung der koordinierten Kontroll- und Steuerbefehle an die Einsatzgruppe führt alle Komponenten des Systems zusammen und macht das Seeüberwachungssystem damit täuschungs- und fälschungssicher und damit sehr zuverlässig und robust.

Der Präzisionsradarhöhenmesser ist geeignet und in der Lage, im direkten Überflug auch kleinere Schiffsziele, z. B. Rettungsboote, Schlauchboote, Skiffs, Fischkutter oder hölzerne Daus mit kleiner Radarrückstrahlfläche aus großer Höhe über den Wolken

– aufzuspüren,
– zu lokalisieren,
– bei Vorliegen einer Referenzsignatur zu identifizieren, und
– deren Kurs auch bei schlechtem Wetter ohne Bodensicht zu verfolgen.

Er ist ferner in der Lage, von allen in den Überwachungsbereich einfahrenden Schiffen Referenzsignaturen anzufertigen und sie zur Ergänzung des Identitytrackfiles und der Referenzsignaturdatenbank an die Bodenstation weiterzugeben.
Dieselben Aufgaben können bei 95% aller Wetterbedingungen auch mit der Multispektral-EMCCD-Kamera statt dem Präzisionsradarhöhenmesser und in derselben Einsatzweise im direkten Überflug ausgeführt werden.
Mit dem abbildenden Präzisionsradarhöhenmesser oder der EMCCD-Kamera ist es weiterhin möglich, bei allen Wetterbedingungen insbesondere verdächtige

– Manipulationen an Deck eines Schiffes, die auf das Aussetzen eines Beibootes hindeuten und
– das tatsächliche Ablegen eines Beibootes von dem Schiff zu beobachten und damit
– Angriffsvorbereitungen der Piraten rechtzeitig unabhängig von den Sicht- und Wetterbedingungen zu entdecken.

Mit dem abbildenden Präzisionsradarhöhenmesser allein lassen sich weiterhin bei allen Wetterbedingungen direkt der Tiefgang und die Freibordhöhe des Schiffes messen und damit zusätzliche Informationen über den Ladezustand des Schiffes und seine Manövrierfähigkeit gewinnen.
Der abbildende Multispektralsensor mit künstlicher Nachtbeleuchtung und der multispektralen Bildverarbeitung und Bilderkennung wird nachstehend beschrieben.
In Bezug auf den Aufbau und die Funktion der Multispektralkamera zur Beobachtung von entfernten Objekten bei Tag und Nacht wird auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung 10 2011 010 334.1 vom 4.2.2011 verwiesen.
Mit dem abbildenden Teleskop-Multispektral-EMCCD-Kamerasystem des erfindungsgemäßen Seeüberwachungssystems ist es möglich, den inneren Schutzbereich des zu überwachenden Gebietes mit einer Multispektralsensorausrüstung mit bordeigener künstlicher Beleuchtung mit großer Reichweite (zum Beispiel über 40 km bei Tag und 20 km bei Nacht) an den Rändern des Gebietes auf das Eindringen von kleinen Booten, die nicht mit dem Radar aufgefasst werden können, zu überwachen. Mit dem Kamerasystem können im Innenbereich des inneren Schutzbereiches alle erkannten Schiffe sequentiell kontinuierlich beobachtet und identifiziert werden und sich anbahnende Piratenüberfälle, etwa durch Erkennen des Aussetzens von Beibooten, frühzeitig entdeckt werden, ohne dass das Sensorflugzeug zeitraubende lange Wege von einem Suchobjekt zum nächsten zurücklegen muss.
Dadurch ist auch bei dichtem Schiffsverkehr eine lückenlose permanente Beobachtung aller Schiffe im Schutzbereich möglich. Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn jedes der Kamerasysteme des erfindungsgemäßen Überwachungssystems zur Erfassung und Beobachtung von in großer Entfernung befindlichen bewegten Objekten am Boden oder auf See eine mit einer Kameraoptik von mindestens 0.3 m Öffnung versehene Kamera mit wählbaren Brennweiten von 2,5 m bis wahlweise 22,5 m, und eine Lagestabilisierungsvorrichtung für die Kamera und die Kameraoptik aufweist. Dabei ist die Kamera versehen mit einem ersten Bildsensor mit einem diesem zugeordneten ersten Hochgeschwindigkeitsverschluss und einem zweiten Bildsensor mit einem diesem zugeordneten zweiten Hochgeschwindigkeitsverschluss, wobei die Kameraoptik eine Einrichtung aus optischen Elementen zur Bündelung einfallender Strahlung auf einer strahlungsempfindlichen Oberfläche des ersten Bildsensors und/oder des zweiten Bildsensors mit zumindest einer Spiegelteleskopanordnung und zumindest einer Zielverfolgungsspiegelanordnung aufweist und versehen ist mit einer Antriebseinrichtung für zumindest ein bewegbares Element der Zielverfolgungsspiegelanordnung und einer Steuerungseinrichtung für die Antriebseinrichtung und wobei die Einrichtung aus optischen Elementen eine dem ersten Bildsensor zugeordnete erste Unteranordnung aus optischen Elementen mit einer ersten Brennweite und eine dem zweiten Bildsensor zugeordnete zweite Unteranordnung aus optischen Elementen mit einer zweiten Brennweite aufweist, die kürzer ist, als die erste Brennweite.
Besonders vorteilhaft ist es wenn diese lagestabilisierte Kamera in der Lage ist, mittels des über die Steuerungseinrichtung gesteuerten und von der Antriebseinrichtung bewegten Elements, zum Beispiel eines Zielverfolgungsspiegels, mit dem der kürzeren Brennweite zugeordneten Bildsensor ein Beobachtungsgebiet abzuscannen, um beispielsweise das von einem Schiff ausgesandte Licht zu detektieren. Ist eine Detektion eines Objekts erfolgt, so kann mittels des der längeren Brennweite zugeordneten ersten Bildsensors eine vergrößerte Darstellung des detektierten Objekts erhalten werden, wodurch die Identifikation des Objekts erleichtert wird.
Dazu ist der optische Strahlengang zwischen der ersten Unteranordnung und der zweiten Unteranordnung umschaltbar ausgebildet, wobei zur Umschaltung vorzugsweise ein bewegbarer, insbesondere schwenkbarer, Spiegel vorgesehen ist.
Vorzugsweise weist der EMCCD-Bildsensor ein Empfindlichkeitsmaximum im Spektralbereich zwischen 0,7 μm und 1,1 μm Wellenlänge auf. In diesem Wellenlängenbereich wird bei Tageslichtbetrieb eine mittlere Einstrahlungsleistung von 90 Watt pro m² von der Sonne empfangen. Bei dieser Beleuchtungsstärke kann der Sensor bis zu einer Entfernung von 40 km hochauflösende und kontrastreiche Bilder mit einem Signal zu Rauschverhältnis von über 1000 liefern.
Des Weiteren besitzt die Erdatmosphäre in diesem Wellenlängenbereich ein Fenster mit hoher Lichtdurchlässigkeit, so dass in diesem Spektralbereich eine große Sichtweite ermöglicht ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Bildsensor einen, elektrisch gekühlten, EMCCD-Sensorchip auf mit einer Pixelgröße von 16 Mikrometer. Ein derartiger Sensorchip ist im Spektralbereich von 0,7 μm bis 1,1 μm besonders empfindlich und besitzt eine maximale Empfindlichkeit, die nahe am theoretisch möglichen Empfindlichkeitsgrenzwert liegt. Der theoretisch mögliche Empfindlichkeitsgrenzwert kann bei Anwendung einer Lichtverstärkung durch Elektronenvervielfachung bis zum Faktor 1000 so weit angehoben werden, dass einzelne Photonen sicher gemessen werden können (photon counting mode).
Besonders vorteilhaft ist es, wenn dieser Sensorchip hochauflösend ist und eine hohe Bildfolgerate zulässt (zum Beispiel 35 Bilder pro Sekunde).
Vorzugsweise ist der jeweilige Hochgeschwindigkeitsverschluss der Kamera so ausgebildet, dass der zugeordnete Bildsensor eine Vielzahl von Einzelbildern in schneller Folge, vorzugsweise mit einer Frequenz von 35 Bildern pro Sekunde, weiter vorzugsweise von 120 Bildern pro Sekunde bei verringerter Auflösung, aufnehmen kann. Diese schnelle Einzelbildfolge ermöglicht es, mit der erfindungsgemäßen Kamera ein großes Suchvolumen, also einen großen horizontalen und vertikalen Bildwinkel, in schneller Folge abzutasten, so dass die auf diese Weise durchgeführten Kamerascans eine große Zuverlässigkeit für die Detektion von Licht aussendenden bewegten Objekten gewährleistet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zumindest eine der Unteranordnungen von optischen Elementen einen Barlow-Linsensatz aufweist. Ein derartiger Linsensatz ermöglicht es, bei großer Brennweite eine große Lichtdurchlässigkeit und damit eine hohe Empfindlichkeit zu erzielen bei gleichzeitiger kurzer Baulänge des Teleskops.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Kamera eine aus mehreren Spektralfiltern bestehende Filteranordnung auf, die jeweils bei Bedarf in den Strahlengang einkoppelbar sind, wobei die Filteranordnung vorzugsweise als Filterrad ausgebildet ist. Eine derartige Filteranordnung, insbesondere ein derartiges schnell drehendes Filterrad mit zum Beispiel drei Bandfiltern, die den gesamten Spektralbereich abdecken, kann nach Einkoppelung in den Strahlengang sequenziell Falschfarbenbilder des Licht- und Wärmeenergie abstrahlenden bewegten Objekts, beispielsweise eines Schiffes, erstellen. Bei gleichzeitig hoher Auflösung der Kamera, bei der es möglich ist, die Lichtquelle, also beispielsweise das Schiff, auf vielen Pixeln des Sensors abzubilden, enthalten die Bilder ausreichend Form-, Farb- und Spektralinformation, um eine Identifikation des Objekts durch einen Vergleich mit Musterbildern bekannter Objekte durch ein Multispektralbildauswerteverfahren vornehmen zu können. In dem gemessenen multispektralen Gesamtbild kann die Position eines gesuchten Objektes pixelgenau durch Korrelation mit einem Musterbild des gesuchten Objektes in der korrekten Drehlage bestimmt werden, und das gesuchte Objekt so in einem Suchbild entdeckt und identifiziert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Kamerasystem weiterhin für den Betrieb bei Nacht mit einer Zielbeleuchtungsvorrichtung versehen ist, die eine Strahlungsquelle, vorzugsweise eine Laserdioden-Strahlungsquelle oder eine Hochdruck-Xenon-Kurzlichtbogenlampen-Strahlungsquelle, aufweist. Mittels dieser Zielbeleuchtungsvorrichtung kann das einmal erfasste Objekt auch dann erkannt werden, wenn das Objekt selbst kein Licht beziehungsweise keine Wärmestrahlung mehr aussendet oder nur noch eine sehr geringe Strahlung aussendet, wie dies beispielsweise bei einem Schiff bei Nacht der Fall ist. Diese Zielbeleuchtungsvorrichtung, die vorzugsweise von einem Nahinfrarot-Laserdioden-Zielbeleuchtungsgerät oder einem Nahinfrarot-Hochdruck-Xenon-Kurzlichtbogenlampen-Zielbeleuchtungsgerät gebildet ist, beleuchtet das einmal erfasste sich bewegene Objekt und die Kamera empfängt die vom beleuchteten sich bewegenden Objekt reflektierte Strahlung der Zielbeleuchtungsvorrichtung.
Besonders vorteilhaft ist eine Zielbeleuchtung mit einem schmalbandigen Laserdiodenzielbeleuchtungsgerät, wenn eine vorhandene breitbandige Störbeleuchtung von Dunst, Nebel, Staub oder Regenpartikeln mit der schmalbandigen Zielbeleuchtung konkurriert. In diesem Fall können vorteilhaft Störlichtunterdrückungsfaktoren von bis zu 25 erzielt werden und damit viel kontrastreichere Bilder als mit anderen Verfahren gewonnen werden. Dadurch kann die ausnutzbare Sichtweite bedeutend vergrößert werden, zum Beispiel um das zwei bis fünffache bei entsprechenden Sichtverhältnissen.
Vorzugsweise ist die Zielbeleuchtungsvorrichtung mit der Kameraoptik derart koppelbar, dass die von der Zielbeleuchtungsvorrichtung abgegebene Zielbeleuchtungsstrahlung in den Strahlengang der Kameraoptik zur Bündelung der abgegebenen Strahlung einkoppelbar ist. Eine solche Zielbeleuchtungsvorrichtung mit langer Brennweite ermöglicht es, in der Zielentfernung, also im Bereich des sich bewegenden Objekts, einen Lichtfleck mit der Fläche des Zielobjekts zu erzeugen, der so groß ist, dass er das Zielobjekt ausleuchtet, aber noch ausreichend Licht zurück auf den Bildsensor des Kamerasystems reflektiert.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kameraoptik zur Einkoppelung der Zielbeleuchtungsstrahlung eine Spiegelanordnung aufweist, die so ausgestaltet ist, dass der Strahlengang der Kameraoptik zwischen dem ersten Bildsensor und der Zielbeleuchtungsvorrichtung zeitsynchron mit dem Aussenden des Beleuchtungsimpulses und mit dem Eintreffen von dessen Echoimpuls umschaltbar ist. Bei diesem sogenannten „gated view”-Betrieb wird ein von der Zielbeleuchtungsvorrichtung erzeugter Strahlungspuls durch die Kameraoptik auf das Ziel gesandt, während der Strahlengang zum zugeordneten Bildsensor unterbrochen ist. Der Takt dieser stroboskopartigen Zielbeleuchtung ist dabei so gewählt, dass die Dauer eines jeden auf das Ziel gesandten Beleuchtungspulses kleiner ist, als die zum Zurücklegen der Strecke vom Kamerasystem zum Zielobjekt und zurück benötigte Zeit. Vorzugsweise ist die Dauer eines jeden auf das Ziel gesandten Beleuchtungspulses mindestens 40%, insbesondere größer als 60%, der zum Zurücklegen der Strecke vom Kamerasystem zum Zielobjekt und zurück benötigten Zeit.
Vorzugsweise ist die Strahlungsquelle der Zielbeleuchtungsvorrichtung ausgebildet, um gepulste Lichtblitze, vorzugsweise im Infrarotbereich, auszusenden, wobei die Intensität der Nahinfrarotlichtblitze vorzugsweise mindestens 0.7 kW, weiter vorzugsweise 5 kW, beträgt. Die Energiebündelung zusammen mit der hohen Pulsleistung von im Idealfall etwa 5 kW sendet ausreichend Nahinfrarotlicht aus, um ein 20 km entferntes Objekt bei Nacht und durch nicht zu dicke Wolken so hell zu beleuchten, dass das dabei vom Objekt reflektierte Licht ausreichend stark ist, um vom Sensor der EMCCD-Kamera noch erfasst zu werden mit einem Signal zu Rauschverhältnis über 1000.
Nachstehend wird die Bildauswertung mit der Multispektralbildverarbeitung und der Multispektralbilderkennung beschrieben.
Die aufgenommenen Bilder werden vorteilhaft mit der in 16 gezeigten Multispektralbildverarbeitung und der in 17 dargestellten Multispektralbilderkennung bearbeitet und die erkannten Objekte werden in den Zielobjektspeicher des Trackfileprozessors 486 zur weiteren Verwendung übertragen.
Die Merkmale der Multispektralbilderkennung werden nachstehend beschrieben. Ein Bildobjekt wird nicht als Gesamtansicht gesucht, beziehungsweise korreliert, sondern es wird in Form von mehreren charakteristischen Details, die sich durch einen vergleichsweise kleinen Merkmalsvektor bereits mit hoher Trennschärfe beschreiben lassen, repräsentiert. Diese Details werden so gewählt, dass aus jeder möglichen Betrachtungsrichtung, wobei eine Stufung in 45° Intervallen ausreichend genau ist, mindestens zwei Details, normalerweise aber drei bis vier Details sicher erkannt werden können. Bei einer Aufnahme senkrecht von oben reicht es, als Signatur ein hochauflösendes Gesamtbild des Zieles, gegebenenfalls aus mehreren Teilbildern zusammengesetzt, anzulegen. Dies vereinfacht die Anlage und Auswertung der Signaturdatenbank erheblich gegenüber einer Schrägansicht des Zieles. Von allen Zielobjekten, die gesucht werden sollen, werden in einer Zielbildreferenzdatenbank Abbildungen der charakteristischen Details aus allen erforderlichen Betrachtungswinkeln angelegt und mit den nötigen Lagedaten auf dem Zielobjekt und in dem Detailreferenzbild abgespeichert. Dazu werden Daten abgespeichert, wo das Ziel aufgetreten ist oder sein könnte. Sind keine direkten Bilder des Zieles verfügbar, so können diese mit ausreichender Information über das Zielobjekt per Computergraphiksystem erzeugt werden. Die Auflösung des Suchbildes muss dabei so umgerechnet werden, dass ausreichend viele gut erkennbare charakteristische und möglichst unverwechselbare Details des Suchobjektes auf eine Bildfläche von jeweils 25×25 Pixel abgebildet werden können. Dazu können auch mehrere verschiedene Auflösungen angepasst an die jeweilige Detailgröße verwendet werden, und es kann zuerst nur nach dem Detail in der gröbsten Auflösung gesucht werden, um die Suche zu beschleunigen. Der Merkmalsvektor eines Details wird erfindungsgemäß aus den Kenndaten von kleinen Bildflächen mit jeweils 5×5 Pixeln Größe gebildet. Als Kenndaten dienen hierbei die mit der in 16 gezeigten Filtermatrix 700 gewichteten Mittelwerte der Gesamthelligkeit und die gewichteten Mittelwerte der normierten Helligkeiten der einzelnen Farbkomponenten der Bildflächen. Die einzelnen Bildflächen aus 5×5 Pixel sind so gewählt, dass ihr Merkmalsvektor rotationsinvariant ist, also in jeder Drehlage gleich ist. Das ergibt den Rechenvorteil, dass der Merkmalsvektor für alle zwölf für die Tests verwendeten Drehlagen nur einmal berechnet werden muss. Das Gesamtdetail wird nun aus einer speziellen Anordnung von neun jeweils kreisförmigen (im Rahmen der Pixelauflösung) Bildflächen 710 gebildet. Diese Anordnung wird ergänzt durch vier ringförmige Bildflächen (im Rahmen der Pixelauflösung) 720, die eine 25×25 Pixel Bildfläche 730 überdecken. Die Positionierung der Bildteilflächen muss für jede getestete Drehlage 732 des Suchbildes separat berechnet werden. Dabei reichen bei der Wahl der Teilbildflächen in dem 25×25 Pixel Bildfeld nur zwölf getestete Drehlagen aus, die durch einfache Koordinatentransformation der Teilbildflächen zu berechnen sind, um ein Suchbild in beliebiger Drehlage durch Korrelation des Referenzbildes mit dem Suchbild über die Merkmalsvektoren eindeutig zu erkennen und die Position und die Drehlage des gesuchten Objektes zu bestimmen und den Bildinhalt des Objektes durch Übereinstimmung der Merkmalsvektoren der charakteristischen Details eindeutig als Objekt vom Typ des getesteten Referenzbildes zu identifizieren.
Die Drehlage und Position und der Merkmalsvektorinhalt des Referenzbildes relativ zum Suchbild mit dem verborgenen gesuchten Objekt, die den kleinsten Absolutbetrag der Summe der einzelnen Differenzsummen zu der getesteten Stelle in dem gerade getesteten Abschnitt des Suchbildes aufweist, und damit ein deutliches lokales Minimum des Absolutsummenbetrages in dem getesteten Abschnitt bildet, wird als erkannte Drehlage und Position und als erkannter Merkmalsvektor des gesuchten Objektes im Suchbild gewertet.
Die zu einem Zeitpunkt getesteten Abschnitte des Suchbildes müssen in der Größe so gewählt werden, dass in einem Abschnitt nicht zwei Instanzen des gerade gesuchten Details enthalten sein können auf Grund geometrischer Größen und Abstandsbedingungen und bekannter Eigenschaften des Referenzzielobjektes.
Bei der Erstellung der Referenzzieldatenbank muss vorab zusätzlich an künstlich erstellten Testbildern geprüft werden, welche Tiefe das Minimum mindestens haben muss, bzw. welchen Betrag der Absolutsummenbetrag maximal haben darf, damit ein Korrelationsversuch sinnvoll ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei den von der Teleskopkamera mit künstlicher Beleuchtung erzeugten Nachtbildern mit schlechtem Signal-zu-Rausch-Verhältnis die Bildaufnahme in zwei Stufen erfolgt und nach folgendem Verfahren ausgeführt wird:

• Aufnahme der Bilder sequentiell in Teilbildern nach dem gated-view-Verfahren zum Beispiel bei 20 km Entfernung mit 13,333 μsec Beleuchtungszeit und darauffolgend 13,333 μsec Belichtungszeit jeweils als Einzelbilder einer einzigen Spektralfarbe. Durch den alternierenden Betrieb wird vorteilhaft eine Eigenblendung durch Streuobjekte wie Staub oder Regentropfen im Strahlengang in Kameranähe vermieden und eine blendungsfreie Beleuchtung über große Entfernungen von zum Beispiel 20 km ermöglicht.
• Aufsummieren der Teilbilder über 10 Millisekunden zu einem rauschärmeren Gesamtbild einer Spektralfarbe.

Die Aufbereitung dieses Gesamtbildes einer Spektralfarbe erfolgt wie nachfolgend beschrieben.
Die Teleskopeingangslinse 800 (17) erzeugt über einen Umlenkspiegel 802 ein reelles Bild eines entfernten Zieles in der Bildebene 804 einer EMCCD-NIR-Kamera 806. Diese Kamera setzt das optische Bild in ein digitales Bild um, das in Form einer Bilddatei in einem Kontrollrechner 808 gespeichert wird und das dann dort digital weiterverarbeitet wird. Dazu wird ein zweidimensionales Filter mit einer Koeffizientenmatrix 810, wie sie in Bezug auf 16 beschrieben ist, auf alle Pixel des Bildes angewendet. Dieses Filter erzielt eine Glättung, eine Kantenschärfung und eine Kontrastverbesserung und außerdem eine Helligkeitsverbesserung um den Faktor drei auf Grund der verwendeten Gewichte.
Vorteilhaft glättet dieses Filter den Helligkeitsverlauf, es entfernt und glättet Rausch-Pixel, die aus dem Hintergrund hervortreten, macht den Helligkeitsverlauf stetig und differenzierbar, verbessert den Bildkontrast und erhöht die Klarheit der Farben in einem Multispektralbild, wenn man das Filter auf alle Spektralkomponenten anwendet.
In dem geglätteten Gesamtbild einer Spektralfarbe kann die Position eines gesuchten Objektes pixelgenau durch Korrelation mit einem Musterbild des gesuchten Objektes in der korrekten Drehlage bestimmt werden, und das gesuchte Objekt kann so in einem Suchbild entdeckt und identifiziert werden. Die gemessene relative Position im Bild kann in die Nachführeinrichtung einer schnellen Autobildstabilisierungseinheit eingegeben werden, die dann über ein mechanisch schwenkbares optisches Fenster die Teleskopsichtlinienachse so nachführt, dass das gefundene Objekt seine relative Position im Bild beibehält und vorteilhaft keine Bildunschärfe durch Verwackeln oder Luftunruhe entsteht.
Vorteilhaft werden die Gesamtbilder aller weiteren Spektralfarben aufgenommen, übereinandergeschoben und zu einem Gesamtmultispektralbild des Zielobjektes zusammengefasst, das aus einem Gesamtintensitätsbild und den Bildern der normierten Spektralfarbkomponenten besteht.
Weiter ist im Kamerasystem vorteilhaft eine automatisch arbeitende Multispektralbildauswerteeinrichtung 808 vorgesehen, an die die Bilddaten der von der Kamera 806 aufgenommenen Bilder übertragen werden. In dem geglätteten Gesamtmultispektralbild das die Multispektralbildauswerteeinrichtung 808 liefert, kann mit einer Bilderkennungseinrichtung 812 (16) die Existenz und die genaue Position eines gesuchten Objektes vorteilhaft pixelgenau durch Korrelation einer Referenz- oder Muster-Repräsentation, bzw. eines Merkmalvektors des gesuchten Objekttyps, die vorteilhaft in der Einrichtung für die Speicherung einer Musterdatenbasis 814 bereitgehalten wird, mit einer Repräsentation bzw. einem Merkmalsvektor des gerade betrachteten Suchgebietes in der korrekten Drehlage, durch Austesten auf die beste Übereinstimmung die Existenz und die genaue Position eines in dem Suchbild enthaltenen Objektes bestimmt werden.
Dazu werden jeweils für eine für die Präsentation besonders geeignete Anordnung aus einem Feld von 25 mal 25 Pixeln, die sich aus einer Anordnung 730 von 25 Blöcken 700 aus je 5 mal 5 Pixeln ergibt, die Werte 702 die die Filterfunktion aus für die Mittelpixel der 5 mal 5 Pixelblöcke ermittelt, als Merkmalsvektor für den Bildinhalt des 25 mal 25 Pixelblockes verwendet.
Es werden dann die nach dem oben vorgestellten zweidimensionalen Matrixfilter 810 beziehungsweise 700 berechneten Pixelwerte berechnet, und jeweils das Suchmultispektralbild mit einem Mustermultispektralbild des gesuchten Objektes in der korrekten Drehlage verglichen, die Position mit der besten Übereinstimmung bestimmt und so das gesuchte Objekt in einem Suchbild sehr zuverlässig entdeckt und identifiziert.
Die Musterrepräsentation eines größeren Zielobjektes z. B. eines Schiffes, wird dazu vorteilhaft mehrere typische Zieldetails umfassen, die vorzugsweise aus allen Beobachtungsrichtungen von oben einsehbar sein müssen. Das Ziel gilt dann als sicher identifiziert, wenn eine ausreichende Zahl von unverwechselbaren Details erkannt worden ist. Vor Beginn der Bildauswertung wird das Suchbild in eine Pixelauflösung umgerechnet, bei der sich alle gewählten Suchdetails in einem Rasterfeld von 25 mal 25 Pixeln darstellen lassen.
Durch die volle Auswertung der Multispektralinformation und die sehr genaue Mustererkennung der erfindungsgemäßen Repräsentation der Zielobjekte wird eine viel zuverlässigere Zielerkennung als mit herkömmlichen Verfahren, z. B. mit neuronalen Netzen und Bildpyramiden erreicht.
Die Repräsentation bzw. der Merkmalsvektor des Zielbildes wird dabei vorteilhaft in der nachstehend beschriebenen Weise gebildet.
Für die multispektrale Bilderkennung werden in dem Suchbild (25×25 Pixel groß) für jede Suchpixelposition 740 folgende Kennwerte berechnet:

1) Der nach der Matrix 810 gewichtete Mittelwert der einzelnen normierten Spektralkomponenten und der Gesamthelligkeit für jeden einzelnen der neun markierten 5×5 Blöcke 710 und für alle vier Pixel 742 jeweils der Durchschnittswert der Mittelwerte für die jeweils acht in einem Ring 744 angeordneten 5×5 Blöcke.
2) Die Standardabweichung der einzelnen normierten Spektralkomponenten und der Gesamthelligkeit für jeden der neun markierten 5×5 Blöcke 710 und für alle vier Pixel 742 jeweils der Durchschnittswert der Standardabweichungen für die jeweils acht in einem Ring 744 angeordneten 5×5 Blöcke.
3) Die Werte nach 1) und 2) werden in zwölf über 360° verteilten Drehlagen berechnet.
4) Jeder Merkmalswertesatz in jeder Drehlage zu diesem Suchpixel wird durch Differenzbildung mit den Merkmalswerten für das gesuchte Referenzzielbild verglichen und der Wertesatz mit dem kleinsten Absolutbetrag der Differenzsumme, bzw. der kleinsten Abweichung, wird als Repräsentant für dieses Suchpixel registriert.
5) Das Suchbild wird nun in kleinere Teilbereiche zerlegt und das Suchpixel mit der kleinsten Differenzsumme wird in jedem Teilbereich gesucht. Der Wertesatz des Suchpixels mit der kleinsten Differenzsumme wird als erkanntes Zielbild interpretiert und an der betrachteten Suchpixelposition mit 1 Pixel Auflösung und der Drehlage als entdecktes Ziel des Referenzzieltyps registriert.

Mittels dieser Bildauswerteeinrichtung lassen sich vorteilhaft bei ausreichender Auflösung der empfangenen Bilder wie beschrieben automatisch erfasste Objekte erkennen und bei Vorhandensein eines bekannten Musters durch einen Vergleich bzw. eine Korrelation mit Musterbildern bekannter Objekte mit bekannter Identität identifizieren.
Für den bestimmungsgemäßen Einsatz der Multispektralkamera müssen die Kameraflugzeuge der Einsatzgruppe vorteilhaft folgendes Einsatzverfahren nach 11 ausführen können:

• Kontinuierliche Überwachung des Innenbereichs C mit einer Multispektralsensorausrüstung mit bordeigener künstlicher Beleuchtung mit großer Reichweite (zum Beispiel über 40 km) aus großer Höhe, von zum Beispiel 13 km mit steilem Einblickwinkel von drei Multispektralsensor-Basisluftfahrzeugen 600, die so angeordnet fliegen, dass der ganze innere Bereich mit den drei Sensoren lückenlos überdeckt wird. Das Suchgebiet kann dabei die Form einer linearen Barriere im bodennahen Raum von zum Beispiel 80 km Breite einnehmen, oder bei der Standardtaktik der Einsatzgruppe für jeden Sensor die Form eines Kreisringes einnehmen von zum Beispiel 80 km Durchmesser bei Tag beziehungsweise von 40 km Durchmesser bei Nacht mit künstlicher Beleuchtung und ausreichender Tiefe, um bei der erreichten Suchwiederholfrequenz auch passierende kleine schnelle Schlauchboote oder Fahrzeuge bei Tag und Nacht sowie bei schlechter Sicht durch Dunst, Staub oder Regen sicher zu entdecken.
• Kontinuierliche Kursverfolgung, Beobachtung und Identifizierung aller entdeckten Schiffe oder Fahrzeuge bei den genannten Sichtbedingungen in einem Gebiet mit zum Beispiel 80 km Durchmesser bei Tag und 40 km bei Nacht mittels tag- und nachttauglicher hochauflösend abbildender Nahinfrarotsensoren.
• Gegenseitiger Austausch der Suchergebnisse der Radar und Multispektralsensoren innerhalb der Einsatzgruppe und zur Bodenstation 350 durch die drei Datenlink-Basisluftfahrzeuge 500 und Übermittlung der Kontroll- und Steuerbefehle an die Einsatzgruppe.

Der abbildende Multispektralsensor und die anschließende Multispektralbilderkennung weisen weiterhin folgende Vorteile auf:

• Der Multispektralsensor erlaubt bei Tag die unbemerkte Beobachtung von Schiffen von einem Standort außerhalb der Sichtweite der Schiffsbesatzung mit hochauflösenden Farbbildern über große Entfernungen von zum Beispiel 40 km.
• Der Multispektralsensor erlaubt die gleichzeitige und permanente Überwachung eines großen Gebietes mit dichtem Schiffsverkehr, zum Beispiel mit 50 bis 100 Schiffen in 40 km Umkreis.
• Der Multispektralsensor erlaubt bei Nacht die unbemerkte Beobachtung von Schiffen mit einer für das Auge und für Nachtsichtgeräte unsichtbaren Beleuchtung von einem Standort außerhalb der Sichtweite der Schiffsbesatzung mit hochauflösenden Farbbildern über große Entfernungen von zum Beispiel 20 km.
• Der Multispektralsensor erlaubt bei Nacht die gleichzeitige und permanente Überwachung eines großen Gebietes mit dichtem Schiffsverkehr, zum Beispiel mit 30 bis 50 Schiffen in 20 km Umkreis.
• Der Multispektralsensor erlaubt bei Tag und bei schlechter Sicht mit Dunst, Staub oder Regentropfen in der Luft die unbemerkte Beobachtung von Schiffen von einem Standort außerhalb der Sichtweite der Schiffsbesatzung mit hochauflösenden Farbbildern über große Entfernungen von zum Beispiel 20 km.
• Der Multispektralsensor erlaubt bei Tag und bei schlechter Sicht mit Dunst, Staub oder Regentropfen in der Luft die gleichzeitige und permanente Überwachung eines großen Gebietes mit dichtem Schiffsverkehr, zum Beispiel mit 30 bis 50 Schiffen in 20 km Umkreis.
• Der Multispektralsensor erlaubt bei Nacht und bei schlechter Sicht mit Dunst, Staub oder Regentropfen in der Luft die unbemerkte Beobachtung von Schiffen von einem Standort außerhalb der Sichtweite der Schiffsbesatzung mit hochauflösenden Farbbildern über große Entfernungen von zum Beispiel 15 km.
• Der Multispektralsensor erlaubt bei Tag und bei schlechter Sicht mit Dunst, Staub oder Regentropfen in der Luft die gleichzeitige und permanente Überwachung eines großen Gebietes mit dichtem Schiffsverkehr, zum Beispiel mit 20 bis 40 Schiffen in 15 km Umkreis.
• Mit den oben genannten Reichweiten können bei Tag und Nacht Schiffe identifiziert und mögliche Angriffsvorbereitungen oder Überfälle von Piraten rechtzeitig erkannt werden, um eine wirksame Abwehr von Überfällen mit bewaffneten Tochterfluggeräten ausführen zu können:
• Mit den Beobachtungsdaten aller Multispektralsensoren in der Region kann vorteilhaft eine laufend aktualisierte Schiffszielreferenzdatenbasis aufgebaut werden, in der nach einiger Betriebszeit praktisch alle Schiffe, die in der zu schützenden Region verkehren, enthalten sein werden. Diese Schiffszielreferenzdatenbasis wird in den Bodenkontrollstationen angelegt und aktualisiert.
• Die Bodenkontrollstationen senden vorteilhaft ihrerseits an alle Multispektralsensorstationen die Musterbilder der Schiffe, die aktuell in ihrem Bereich erwartet werden, oder per Radar und Funk gemeldet wurden, und erleichtern damit die Bildauswertung an Bord der Luftfahrzeuge.

Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011116841 [0078]
DE 102011010334 [0194]

Claims

Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem mit zumindest einem Basisluftfahrzeug (1) und zumindest einem vom Basisluftfahrzeug (1) abkoppelbaren und an dieses wieder ankoppelbaren unbemannten Tochterluftfahrzeug (2), wozu das Basisluftfahrzeug (1) und das Tochterluftfahrzeug (2) mit Kopplungsmitteln (52) versehen sind, die zum gegenseitigen Zusammenwirken ausgebildet sind, – wobei das Basisluftfahrzeug (1) mit Überwachungs- und Beobachtungsmitteln (312; 412, 414; 510, 520; 610, 614) versehen ist, – wobei das Tochterluftfahrzeug (2) mit Beobachtungs- (240) und/oder Wirkmitteln (250, 254) versehen ist, und – wobei das zumindest eine Tochterluftfahrzeug (2) über eine Datenlinkverbindung mit einer Kontrollstation (350) zum Datenaustausch verbindbar und von dieser steuerbar sind.
Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch das Basisluftfahrzeug (1) unbemannt ist und über eine weitere Datenlinkverbindung mit der Kontrollstation (350) verbindbar und von dieser steuerbar ist.
Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass das Basisluftfahrzeug (1) und/oder das Tochterluftfahrzeug (2) mit einem Rumpf (10; 200) und mit zumindest einem aerodynamischen Auftrieb erzeugenden Tragflügel (13, 14; 202, 208, 210, 212) versehen ist und – dass der jeweilige Tragflügel (13, 14; 202, 208, 210, 212) eine Mehrzahl von sich in einer Richtung quer, vorzugsweise rechtwinklig, zur Rumpflängsachse (Z) erstreckenden Flügelholmen (46', 46'') und Schläuchen (40, 41, 42, 43, 44) aufweist, die von einer eine Flügelbespannung (45) bildenden Haut umgeben sind, welche die Querschnittskontur des Tragflügels bestimmt, wobei die Querschnittskontur ein Laminarprofil bildet, das bei geringem Strömungswiderstand einen hohen Auftrieb erzeugt.
Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Schläuche im Tragflügel (13, 14; 202, 208, 210, 212) mit Wasserstoff befüllbar ist und dass zumindest ein Teil der Schläuche im Tragflügel (13, 14; 202, 208, 210, 212) mit Sauerstoff befüllbar ist.
Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rumpf (10; 200) des Basisluftfahrzeugs (1) und/oder des Tochterluftfahrzeugs (2) eine zumindest teilweise mit einem von Luft verschiedenen Traggas, das leichter als Luft ist, insbesondere Wasserstoff, gefüllte Hülle aufweist.
Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisluftfahrzeug (1) und das Tochterluftfahrzeug (2), jeweils zumindest einen mit einem Propeller (15, 16', 17'; 226', 228', 230', 232') versehenen Antrieb (15, 16, 17; 226'', 228'', 230'', 232'') mit einem vorzugsweise elektrisch angetriebenen Antriebsmotor aufweisen, der vorzugsweise in einer unter dem Rumpf (10; 200) oder am Tragflügel (13, 14; 202, 208, 210, 212) vorgesehenen Antriebsgondel angeordnet ist.
Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haut der Tragflügelbespannung (45) des Basisluftfahrzeugs (1) und/oder des Tochterluftfahrzeugs (2) an der Oberseite des Tragflügels transparent ist und dass die Oberseite des Tragflügels mit Solarzellen (35, 37) eines Solargenerators versehen ist, die zwischen der transparenten Haut und den Schläuchen angeordnet sind.
Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, – dass im Basisluftfahrzeug (1) zur Erzeugung der Antriebsenergie eine photovoltaische Energieversorgungseinrichtung (100) vorgesehen ist mit – zumindest einem photovoltaischen Solargenerator (101), der auftreffende solare Strahlungsenergie (S) in elektrische Energie wandelt; – zumindest einem Wasserstoffgenerator (104) zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser; – zumindest einem Wasservorratsbehälter (106), der mit dem Wasserstoffgenerator (104) über eine erste Wasserleitung (160) verbunden ist; – zumindest einem, vorzugsweise von der ersten Kammer (11) gebildeten, Wasserstoffvorratsbehälter (107), der über eine erste Wasserstoffleitung (144) mit dem Wasserstoffgenerator (104) verbunden ist; – zumindest einer Brennstoffzelle (108), die über eine zweite Wasserstoffleitung (180) mit dem Wasserstoffvorratsbehälter (107) verbunden ist und die über eine zweite Wasserleitung (164) mit dem Wasservorratsbehälter (106) verbunden ist, und – einer Steuerungseinrichtung (103), die mit dem Solargenerator (101), dem Wasserstoffgenerator (104) und der Brennstoffzelle (108) elektrisch verbunden ist.
Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (103) so ausgestaltet ist, – dass sie bei Vorhandensein von solarer Strahlungsenergie die vom Solargenerator (101) erzeugte elektrische Energie einem elektrischen Verbraucheranschluss (102) der Energieversorgungseinrichtung zuführt und – dass sie bei Nicht-Vorhandensein von solarer Strahlungsenergie oder wenn die vom Solargenerator (101) erzeugte elektrische Energie für einen vorgegebenen Energiebedarf nicht ausreicht, die Brennstoffzelle (108) aktiviert, um elektrische Energie an den Verbraucheranschluss (102) zu liefern.
Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (103) so ausgestaltet ist, – dass sie bei Vorhandensein von solarer Strahlungsenergie einen Teil der vom Solargenerator (101) erzeugten elektrischen Energie dem Wasserstoffgenerator (104) zuführt, und – dass sie dem Wasserstoffgenerator (104) Wasser aus dem Wasservorratsbehälter (106) zuführt, sodass der Wasserstoffgenerator () aktiviert wird, um aus dem ihm zugeführten Wasser Wasserstoff zu erzeugen, der im Wasserstoffvorratsbehälter (107) gespeichert wird.
Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsmittel (52) Betankungsverbindungsmittel aufweisen, mit denen Treibstoff vom Basisluftfahrzeug (1) an das Tochterluftfahrzeug (2) lieferbar ist.
Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tochterluftfahrzeug (2) schwebefluggeeignet ist und dazu mit Auftriebskörpern vorgesehen ist, die mit einem Gas befüllbar sind, welches leichter als Luft ist.
Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas, das leichter als Luft ist, Wasserstoff ist, der in zumindest einem Wasserstoffspeicher des Tochterluftfahrzeugs (2) gespeichert und zugleich als Brennstoff für einen Luftfahrzeugantrieb vorgesehen ist.
Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tochterluftfahrzeug (2) Senkrechtstart- und Senkrechtlandeeigenschaften aufweist.
Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisluftfahrzeug (1) zumindest ein nach unten zur Erdoberfläche gerichtetes Beabachtungsradargerät (310) aufweist.
Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisluftfahrzeug (1) zumindest einen nach unten zur Erdoberfläche gerichteten Radarhöhenmesser (410) aufweist.
Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisluftfahrzeug (1) zumindest eine nach unten zur Erdoberfläche gerichtete Teleskopkamera (614) und vorzugsweise eine dieser zugeordnete Zielobjektbeleuchtungseinrichtung aufweist.
Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisluftfahrzeug zumindest eine nach unten zur Erdoberfläche gerichtete Teleskop-CCD-Kamera mit Elektronenmultiplikation zur Lichtverstärkung und vorzugsweise eine dieser zugeordnete Zielobjektbeleuchtungseinrichtung mit Laserdioden in Kaskadenschaltung und Auskopplung des Strahles über eine Lichtleitfaser mit kleinem Durchmesser aufweist.
Verfahren zur luftgestützten Inspektion und/oder Bekämpfung von auf dem Land oder auf See befindlichen Objekten, insbesondere mittels eines Luft-Boden-Überwachungs- und/oder -Wirksystems gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: – Erfassen eines Objekts mittels einer an Bord eines Basisluftfahrzeugs vorgesehenen Beobachtungseinrichtung; – Beobachten des erfassten Objekts mit einem an Bord des Basisluftfahrzeugs vorgesehenen Teleskop im Spektrum des sichtbaren Lichts oder im Infrarotspektrum und/oder mit einer Radar Beobachtungseinrichtung; – Absetzen eines Tochterluftfahrzeugs vom Basisluftfahrzeug und Steuern des Tochterluftfahrzeugs in die Nähe des Objekts; – Ausführen einer Inspektions- oder Bekämpfungsmission gegen das Objekt mittels an Bord des Tochterluftfahrzeugs vorgesehener Beobachtungsmittel oder Wirkmittel; – Rückführen des Tochterluftfahrzeugs zum Basisluftfahrzeug; und – Andocken des Tochterluftfahrzeugs an das Basisluftfahrzeug.