DE102022003178B3 - Method for combating an enemy flying object - Google Patents
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Abstract
In einem Verfahren zur Bekämpfung eines gegnerischen Flugobjektes mit Rotoren oder Propellern soll schnell und zuverlässig berechnet werden, ob das Flugobjekt erfolgreich bekämpft wurde oder nichtDas neue Verfahren verwendet eine Bekämpfungsanordnung mit einem Effektor und einem Radar (30) und eine hieran angeschlossene Rechneranordnung (40), wobei die Schritte sind:a) der Effektor bekämpft das gegnerische Flugobjekt,b) die Rechneranordnung (40) evaluiert die Bekämpfung, derart,c) dass die Rechneranordnung mindestens aus vom Radar (30) erhaltenen Mikro-Doppler-Echo-Signalen und fakultativ zusätzlich aus vom Radar (30) erhaltenen Makro-Doppler-Echo-Signalen Werte von Evaluierungsparametern berechnet, derart,d) dass zur Evaluierung, ob das Flugobjekt erfolgreich bekämpft wurde oder nicht, die Rechneranordnung (40)• Werte der Evaluierungsparameter, die zeitlich vor einem Start der Bekämpfung erfasst wurden, und• Werte der Evaluierungsparameter, die zeitlich nach einem Start der Bekämpfung erfasst wurden, auswertet.In a method for combating an enemy flying object with rotors or propellers, it is intended to quickly and reliably calculate whether the flying object was successfully combated or not. The new method uses a combat arrangement with an effector and a radar (30) and a computer arrangement (40) connected to it, where the steps are: a) the effector fights the enemy flying object, b) the computer arrangement (40) evaluates the combat in such a way, c) that the computer arrangement consists at least of micro-Doppler echo signals received from the radar (30) and optionally additionally Values of evaluation parameters are calculated from macro-Doppler echo signals received from the radar (30) in such a way that d) in order to evaluate whether the flying object was successfully combated or not, the computer arrangement (40) • Values of the evaluation parameters that occurred before a Start of the fight were recorded, and • values of the evaluation parameters that were recorded after the start of the fight are evaluated.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bekämpfung eines gegnerischen Flugobjektes.The invention relates to a method for combating an enemy flying object.
Aus der
Aus der
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Aus einem Aufsatz (Klaer, P., Huang, A., Sevigny, P., Rajan, S., Pant, S., Patnaik, P., & Balaji, B. (2020). An Investigation of Rotary Drone HERM Line Spectrum under Manoeuvering Conditions. Sensors (Basel, Switzerland), 20(20), 5940) ist bekannt, dass eine Mikro-Doppler-Analyse eine Möglichkeit bietet, Drohnen voneinander zu unterscheiden. HERM steht in diesem Aufsatz für eine Abkürzung von „Helicopter Rotor Modulation“. Eine Modulation der Dopplerfrequenz wird verursacht durch Bewegungen von Flügeln oder rotierenden Propellern. Mikro-Doppler-Radarsignaturen werden erfasst durch eine Kurzzeit-Fourier-Transformation. Abhängig von einer STFT(Short Time Fourier Transform)-Fensterlänge erhält man zwei unterschiedliche Arten von Spektrogrammen. Wenn die Fensterlänge kürzer ist als die Drehung, ist die Periode des Propellers und die Pulswiederholfrequenz (PRF) des Radars ausreichend hoch. Dann ist es möglich, das periodische Verhalten der einzelnen rotierenden Schaufeln als Schaufelblitze zu erfassen. Das Spektrogramm kann Auskunft über die Anzahl der rotierenden Rotorblätter und deren relative Bewegungsrichtung geben. Wendet man eine lange Fensterlänge bei der STFT an (Integration über mehrere Zyklen der Rotorblattrotation), sinkt die Zeitauflösung und die Frequenzauflösung erhöht sich. Das Spektrogramm zeigt die HERM-Linien. HERM-Linien sind Spektrallinien, die eher periodisch in der Dopplerfrequenz als in der Zeit sind. HERM-Linien ermöglichen es, eine Drohne zu klassifizieren, ob beispielsweise eine Ein-Propeller- oder Multi-Propeller-Drohne vorliegt.From an essay (Klaer, P., Huang, A., Sevigny, P., Rajan, S., Pant, S., Patnaik, P., & Balaji, B. (2020). An Investigation of Rotary Drone HERM Line Spectrum under Maneuvering Conditions. Sensors (Basel, Switzerland), 20(20), 5940) it is known that micro-Doppler analysis offers a way to distinguish drones from one another. In this article, HERM stands for an abbreviation of “Helicopter Rotor Modulation”. Modulation of the Doppler frequency is caused by movements of blades or rotating propellers. Micro-Doppler radar signatures are detected using a short-time Fourier transform. Depending on a STFT (Short Time Fourier Transform) window length, two different types of spectrograms are obtained. If the window length is shorter than the rotation, the period of the propeller and the pulse repetition frequency (PRF) of the radar are sufficiently high. It is then possible to record the periodic behavior of the individual rotating blades as blade flashes. The spectrogram can provide information about the number of rotating rotor blades and their relative direction of movement. If a long window length is used for the STFT (integration over several cycles of rotor blade rotation), the time resolution decreases and the frequency resolution increases. The spectrogram shows the HERM lines. HERM lines are spectral lines that are periodic in Doppler frequency rather than time. HERM lines make it possible to classify a drone, for example whether it is a single-propeller or multi-propeller drone.
Aus der
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Aus einem Aufsatz (
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Bekämpfung einer gegnerischen Drohne mit Rotoren oder Propellern so weiterzubilden, dass schnell und zuverlässig berechnet werden kann, ob die gegnerische Drohne erfolgreich bekämpft wurde oder nicht. Erfolgreich bekämpft bedeutet so viel wie eliminiert, abgewehrt oder ausgeschaltet in dem Sinne, dass das gegnerische Flugobjekt unschädlich gemacht wurde, seiner Funktion beraubt wurde oder so beschädigt wurde, dass es seinen Auftrag nicht mehr ausführen kann.The invention is based on the object of developing a method for combating an enemy drone with rotors or propellers in such a way that it can be calculated quickly and reliably whether the enemy drone was successfully combated or not. Successfully fought means eliminated, repelled or switched off in the sense that the enemy flying object has been rendered harmless, has been deprived of its function or has been so damaged that it can no longer carry out its mission.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.This object is achieved according to the invention by the features of
Die Vorteile der Erfindung resultieren daraus, dass bei einer Bekämpfung einer gegnerischen Drohne mit Rotoren oder Propellern ohne Zeitverzug berechnet wird, ob die Drohne erfolgreich bekämpft wurde oder nicht Es wird nicht gewartet, bis eine gegnerische Drohne sichtbar zu Boden stürzt. Vielmehr gelingt eine Evaluierung, ob eine Drohne ausgeschaltet ist, sogar in Echtzeit, weil Radardaten eines Radars verwendet werden.The advantages of the invention result from the fact that when fighting an enemy drone with rotors or propellers, it is calculated without delay whether the drone was successfully fought or not. There is no waiting until an enemy drone visibly falls to the ground. Rather, it is possible to evaluate whether a drone is switched off even in real time because radar data from a radar is used.
Das Radar erfasst Mikro-Doppler-Echo-Signale der Rotoren oder des Propellers des gegnerischen Flugobjektes und Makro-Doppler-Echo-Signale der Flugbahn der gegnerischen Drohne.The radar detects micro-Doppler echo signals from the rotors or propeller of the enemy flying object and macro-Doppler echo signals from the enemy drone's flight path.
Die Rechneranordnung berechnet mindestens aus den Mikro-Doppler-Echo-Signalen und zusätzlich aus den Makro-Doppler-Echo-Signalen Werte von Evaluierungsparametern. Werte der Evaluierungsparameter, die zeitlich vor einem Start der Bekämpfung erfasst wurden, werden verglichen mit Werten der Evaluierungsparameter, die zeitlich nach einem Start der Bekämpfung erfasst wurden, um zu evaluieren, ob die Drohne erfolgreich bekämpft wurde oder nicht.The computer arrangement calculates values of evaluation parameters at least from the micro-Doppler echo signals and additionally from the macro-Doppler echo signals. Values of the evaluation parameters that were recorded before a combat start are compared with values of the evaluation parameters that were recorded after a combat start in order to evaluate whether the drone was successfully combated or not.
Eine frühzeitige Evaluierung, ob die gegnerische Drohne erfolgreich bekämpft wurde oder nicht, bietet vielfältige Vorteile. Die unmittelbar in Echtzeit erfolgende Evaluierung reduziert den Energiebedarf des Effektors, weil der Effektor nur so lange wie nötig zum Bekämpfen eingesetzt werden braucht. Sobald feststeht, dass eine erfolgreiche Bekämpfung einer gegnerischen Drohne berechnet wurde, kann die Bekämpfungsanordnung sich neuen Bekämpfungsaufgaben widmen.An early evaluation of whether the enemy drone was successfully combated or not offers a variety of advantages. The immediate, real-time evaluation reduces the effector's energy requirements because the effector only needs to be used for as long as necessary to combat. As soon as it is clear that successful combat against an enemy drone has been calculated, the combat arrangement can devote itself to new combat tasks.
Das Radar ist der Sensor der Erkennung, ob das Flugobjekt erfolgreich bekämpft wurde. Daher arbeitet der Sensor wetter- und tageszeitunabhängig bei hoher Zuverlässigkeit. Wegen der geringen Baugröße findet der Sensor auch Platz in kleinen Bekämpfungseinrichtungen.The radar is the sensor that detects whether the flying object has been successfully combated. The sensor therefore works regardless of the weather and time of day with high reliability. Because of its small size, the sensor can also be used in small control systems.
Ferner weisen viele Bekämpfungsanordnungen ohnehin ein Radar zur Zielverfolgung auf. Überraschend wird dieses Radar nun auch für die zusätzliche Funktion verwendet, einen Bekämpfungserfolg mit Hilfe von Mikro-Doppler-Echo-Signalen zu evaluieren.Furthermore, many combat arrangements already have a radar for target tracking. Surprisingly, this radar is now also used for the additional function of evaluating combat success using micro-Doppler echo signals.
Die aus Mikro-Doppler-Echo-Signalen berechneten Evaluierungsparameter der Rotoren oder der Propeller sind mindestens
- • eine Anzahl der Rotoren oder der Propeller, und
- • eine Drehgeschwindigkeit jedes Rotors oder Propellers,
weil diese Evaluierungsparameter aussagekräftig sind.The evaluation parameters of the rotors or propellers calculated from micro-Doppler echo signals are at least
- • a number of rotors or propellers, and
- • a rotation speed of each rotor or propeller,
because these evaluation parameters are meaningful.
Ein aus Makro-Doppler-Echo-Signalen berechneter Evaluierungsparameter der Flugbahn der gegnerischen Drohne ist mindestens
- • eine Vertikalgeschwindigkeit oder eine Horizontalgeschwindigkeit.
- • a vertical speed or a horizontal speed.
Dies bietet sich zur Verfeinerung der Evaluierung an.This is useful for refining the evaluation.
Die gegnerische Drohne kann beispielsweise ein Quadrocopter sein. Die Drohne kann auch ein Starrflügler-UAV sein.The enemy drone can be, for example, a quadrocopter. The drone can also be a fixed-wing UAV.
Gegnerische Drohnen agieren häufig in einem Schwarmverband. Wenn die Evaluierung ergibt, dass die Bekämpfung nicht erfolgreich war, die Bekämpfung der gegnerischen Drohne fortgeführt wird, und wenn die Evaluierung ergibt, dass die Bekämpfung erfolgreich war, eine Einstellung der Bekämpfung der Drohne erfolgt, und falls weitere zu bekämpfende Drohnen vorhanden sind, der Effektor eine der weiteren Drohnen bekämpft.Enemy drones often operate in a swarm. If the evaluation shows that the fight was not successful, the fight against the enemy drone will continue, and if the evaluation shows that the fight was successful, the fight against the drone will be discontinued, and if there are further drones to be fought, the Effector fought one of the other drones.
Der Effektor ist eine bewährte HPEM-Einrichtung.The effector is a proven HPEM device.
Die Bekämpfungsanordnung ist in einer eigenen Drohne integriert.The combat arrangement is integrated into its own drone.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 benutzt die Rechneranordnung zur Evaluierung einen Algorithmus. Alternativ oder ergänzend greift die Rechneranordnung auf eine Datenbank mit Daten zuvor getesteter Drohnen zu, wobei die Datenbank
- • zum einen Werte von Evaluierungsparametern aufweist, die vor einer Testbekämpfung erfasst wurden,
- • zum anderen Werte von Evaluierungsparametern aufweist, die nach einer Testbekämpfung erfasst wurden, und
- • zusätzlich Bekämpfungserfolgswerte aufweist, die den Evaluierungsparametern zugeordnet sind, die nach einer jeweiligen Testbekämpfung ermittelt wurden.
- • on the one hand has values of evaluation parameters that were recorded before a test fight,
- • On the other hand, has values of evaluation parameters that were recorded after a test fight, and
- • additionally has control success values that are assigned to the evaluation parameters that were determined after each test control.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen jeweils als Prinzipskizzen:
-
1a eine Bekämpfungsanordnung, eine gegnerische Drohne und ermittelte Vordaten aus Mikro-Doppler-Echo-Signalen; -
1b eine Bekämpfungsanordnung und eine gegnerische Drohne im Moment einer HPEM-Bekämpfung; -
1c eine Bekämpfungsanordnung, eine gegnerische Drohne und ermittelte Nachdaten aus Mikro-Doppler-Echo-Signalen; -
1d-i eine Evaluierung mittels Algorithmus; -
1d -ii eine Evaluierung mittels einer Datenbank mit Vergleichsdaten zuvor getesteter Drohnen.
-
1a a combat arrangement, an enemy drone and determined preliminary data from micro-Doppler echo signals; -
1b a combat assembly and an enemy drone at the moment of an HPEM engagement; -
1c a countermeasure array, an enemy drone, and acquired follow-up data from micro-Doppler echo signals; -
1d-i an evaluation using an algorithm; -
1d -ii an evaluation using a database with comparative data from previously tested drones.
Bevor auf die Zeichnungen eingegangen wird, wird ein Verfahren zur Bekämpfung eines gegnerischen Flugobjektes mit Rotoren oder Propellern in seiner Gesamtheit vorgestellt:
- Das vorliegende Verfahren zur Bekämpfung eines gegnerischen Flugobjektes mit Rotoren oder Propellern verwendet eine Bekämpfungsanordnung mit einem Effektor und einem Radar und eine hieran angeschlossene Rechneranordnung. Die Schritte sind:
- a) der Effektor bekämpft das gegnerische Flugobjekt,
- b) die Rechneranordnung evaluiert die Bekämpfung, derart,
- c) dass die Rechneranordnung mindestens aus vom Radar erhaltenen Mikro-Doppler-Echo-Signalen und fakultativ zusätzlich aus vom Radar erhaltenen Makro-Doppler-Echo-Signalen Werte von Evaluierungsparametern berechnet, derart,
- d) dass zur Evaluierung, ob das Flugobjekt erfolgreich bekämpft wurde oder nicht, die Rechneranordnung
- • Werte der Evaluierungsparameter, die zeitlich vor einem Start der Bekämpfung erfasst wurden, und
- • Werte der Evaluierungsparameter, die zeitlich nach einem Start der Bekämpfung erfasst wurden,
- The present method for combating an enemy flying object with rotors or propellers uses a combat arrangement with an effector and a radar and a computer arrangement connected to it. The steps are:
- a) the effector fights the enemy flying object,
- b) the computer arrangement evaluates the fight in such a way,
- c) that the computer arrangement calculates values of evaluation parameters at least from micro-Doppler echo signals received from the radar and optionally additionally from macro-Doppler echo signals received from the radar, such that
- d) that the computer arrangement is used to evaluate whether the flying object was successfully combated or not
- • Values of the evaluation parameters that were recorded before the start of the fight, and
- • Values of the evaluation parameters that were recorded after the start of the fight,
Das gegnerische Flugobjekt weist Rotoren auf. Abweichend hierzu könnte das Flugobjekt auch Propeller aufweisen.The enemy flying object has rotors. Deviating from this, the flying object could also have propellers.
Das gegnerische Flugobjekt ist eine gegnerische Drohne.The enemy flying object is an enemy drone.
Der Effektor ist eine HPEM-Einrichtung.The effector is an HPEM device.
Die Bekämpfungseinrichtung ist in einer eigenen Drohne integriert.The combat device is integrated into its own drone.
Auf die
Die Evaluierungsparameter aus den Mikro-Doppler-Echo-Signalen der gegnerischen Drohne 60, die die Rechneranordnung 40 verwendet, sind:
- • eine Anzahl der Rotoren,
- • eine Drehgeschwindigkeit jedes Rotors.
- • a number of rotors,
- • a rotation speed of each rotor.
Zusätzlich wird eine Vertikalgeschwindigkeit als weiterer Evaluierungsparameter von der Rechneranordnung verwendet. Die Vertikalgeschwindigkeit ergibt sich aus Makro-Doppler-Echo-Signalen der Flugbahn der gegnerischen Drohne 60.In addition, a vertical speed is used as a further evaluation parameter by the computer arrangement. The vertical speed results from macro Doppler echo signals of the trajectory of the
Auf den Evaluierungsparameter der Anzahl der Rotoren eingehend, weist die gegnerische Drohne vier Rotoren auf.Turning to the evaluation parameter of the number of rotors, the enemy drone has four rotors.
Auf die Evaluierungsparameter der Drehgeschwindigkeit eines jeweiligen Rotors eingehend, sind in
Die in
Nachfolgend werden Einzelheiten des Verfahrens beschrieben.
-
1a illustriert, dass zur Evaluierung, ob dieDrohne 60 erfolgreich bekämpft wurde oder nicht, dieRechneranordnung 40 Werte der Evaluierungsparameter zeitlich vor einem Start der Bekämpfung erfasst. -
1b illustriert, dass die HPEM-Einrichtung 20die gegnerische Drohne 60 bekämpft. -
1c illustriert, dass zur Evaluierung, ob dieDrohne 60 erfolgreich bekämpft wurde oder nicht, dieRechneranordnung 40 Werte der Evaluierungsparameter zeitlich nach einem Start der Bekämpfung erfasst. -
1d-i illustriert, dass zur Evaluierung, ob diegegnerische Drohne 60 erfolgreich bekämpft wurde oder nicht, dieRechneranordnung 40- • Werte der Evaluierungsparameter, die zeitlich vor einem Start der Bekämpfung erfasst wurden, und
- • Werte der Evaluierungsparameter, die zeitlich nach einem Start der Bekämpfung erfasst wurden,
-
1a illustrates that to evaluate whether thedrone 60 was successfully combated or not, thecomputer arrangement 40 values of the Eva luation parameters recorded before the start of the fight. -
1b illustrates that theHPEM device 20 fights theenemy drone 60. -
1c illustrates that in order to evaluate whether thedrone 60 was successfully combated or not, thecomputer arrangement 40 records values of the evaluation parameters after the combat has started. -
1d-i illustrates that thecomputer arrangement 40 is used to evaluate whether theenemy drone 60 was successfully combated or not- • Values of the evaluation parameters that were recorded before the start of the fight, and
- • Values of the evaluation parameters that were recorded after the start of the fight,
Zur Evaluierung, ob die Drohne 60 erfolgreich bekämpft wurde oder nicht, benutzt die Rechneranordnung 40 einen Algorithmus. Die Werte für N1, N2, N3 und N4 der Vordaten und der Nachdaten werden erhalten, in dem die jeweilig empfangenen Mikro-Doppler-Echo-Signale einer Fourier-Transformation unterworfen werden. Aus den jeweilig erhaltenen Frequenzsignalen werden die Werte für N1, N2, N3 und N4 der Vordaten und der Nachdaten erhalten. Liegen die Werte der Vordaten und der Nachdaten für N1, N2, N3 und N4 vor, kommt ein Computerprogramm zum Vergleich dieser Daten zum Einsatz. In Worte gefasst besagt der Algorithmus, dass eine erfolgreiche Bekämpfung vorliegt, wenn mindestens 2 der 4 Rotoren eine Drehzahlminderung von mehr als 25 % aufweisen. Dies ist der Fall im vorgestellten Beispiel. Der Algorithmus hat festgestellt, dass die Drohne 60 erfolgreich bekämpft wurde.To evaluate whether the
Eine Alternative zur Evaluierung mittels Algorithmus oder eine Ergänzung der Evaluierung mittels Algorithmus stellt eine Evaluierung mittels einer Datenbank mit Vergleichsdaten zuvor getesteter Drohnen dar.An alternative to evaluation using an algorithm or a supplement to evaluation using an algorithm is an evaluation using a database with comparative data from previously tested drones.
Dies illustriert
- • die Datenbank Werte von Evaluierungsparametern aufweist, die vor einer Testbekämpfung erfasst wurden,
- • die Datenbank Werte von Evaluierungsparametern aufweist, die nach einer Testbekämpfung erfasst wurden,
- • die Datenbank Bekämpfungserfolgswerte aufweist, die den Evaluierungsparametern zugeordnet sind, die nach einer jeweiligen Testbekämpfung ermittelt wurden.
- • the database contains values of evaluation parameters that were recorded before a test fight,
- • the database contains values of evaluation parameters that were recorded after a test fight,
- • the database has control success values that are assigned to the evaluation parameters that were determined after a respective test control.
Wenn die Evaluierung ergibt, dass die Bekämpfung nicht erfolgreich war, wird die HPEM-Bekämpfung der gegnerischen Drohne 60 fortgeführt. Wenn die Evaluierung ergibt, dass die Bekämpfung erfolgreich war, dann erfolgt eine Einstellung der HPEM-Bekämpfung der Drohne 60. Falls weitere, zu bekämpfende Drohnen vorhanden sind, weil ein zu bekämpfender Drohnenschwarm vorliegt, bekämpft die HPEM-Einrichtung eine der weiteren Drohnen.If the evaluation shows that the fight was not successful, the HPEM fight against the
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 2020
- HPEM-EinrichtungHPEM facility
- 3030
- Radarradar
- 4040
- RechneranordnungComputer arrangement
- 6060
- gegnerische Drohneenemy drone
- N1N1
- Drehgeschwindigkeit des ersten RotorsRotation speed of the first rotor
- N2N2
- Drehgeschwindigkeit des zweiten RotorsSpeed of rotation of the second rotor
- N3N3
- Drehgeschwindigkeit des dritten RotorsRotation speed of the third rotor
- N4N4
- Drehgeschwindigkeit des vierten RotorsRotation speed of the fourth rotor
Claims (2)
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