DE19714539A1 - Aufklärungs-Drohne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufklärungs-Drohne gemäß dem Oberbegriff des An­ spruches 1.

Eine solche Drohne ist als ferngesteuertes oder programmgesteuertes unbemanntes Kleinst-Fluggerät zur Gewinnung von Positionsdaten von stationären oder mobilen und insbesondere metallischen flächigen potentiellen Zielobjekten aus Bereichen, die vom vorgeschobenen Beobachter nicht mehr selbst einsehbar sind, etwa aus dem Beitrag "KZO/BREVEL" von Oberstleutnant Dipl.-Phys. Peter Häffner in SOLDAT UND TECHNIK Nr. 1/1993 Seiten 26 bis 29 bzw. aus der EP-A-0 185 852 bekannt. Deren Aufklärungssensorik besteht regelmäßig aus einem voraus, etwas gegenüber der Horizontalen nach unten geneigt, orientierten Infrarot-Sensor in der Bauform eines Detektors aus wenigen Elementen, einer Infrarot-Kamera oder einer dagegen viel preiswerteren aber noch stärker wetterabhängigen Vi­ deo-Kamera. Die Sensorinformationen werden über eine Funkverbindung zu einer Bodenkontrollstation übertragen, in der die Aufklärungsergebnisse in eine digitale Geländedarstellung übernommen werden können, wie in der EP-B 0 148 704 näher beschrieben. Insbesondere bezieht die Erfindung sich aber auf ein gegenüber der BREVEL noch wesentlich verkleinertes derartiges Fluggerät mit vom Heckro­ tor-Antrieb betriebenem Bordgenerator, bei dem der für die Aufklärungs-Sensorik verfügbare Einbauraum entsprechend reduziert ist. Ein in die Rumpf-Nase zur Auswertung auch von Doppler-Informationen schräg voraus orientiert eingebauter Schwenk-Suchkopf, wie er von zielsuchender Munition bekannt ist, kommt schon aus Platzgründen hier nicht in Betracht; für ein kleines Fluggerät wäre er auch zu schwer, und sein Leistungsbedarf für schnelle Schwenkbewegungen könnte aus dem Bordgenerator gar nicht gedeckt werden. Für solche Kleingeräte besteht be­ sonderer Bedarf bei den Krisenreaktionskräften, die ohne lange Vorbereitungs­ möglichkeiten mit minimaler Mannschaftsstärke in nicht-voraufgeklärter Umge­ bung eingesetzt werden und deshalb besonders darauf angewiesen sind, aus unbe­ kanntem Gelände bei den gegebenen Witterungsverhältnissen rasch zuverlässige Informationen über die aktuelle Bedrohungssituation zu gewinnen.

Problematisch hinsichtlich der Aufklärungsmöglichkeiten ist grundsätzlich, daß die Abschattung, die insbesondere aus niedriger Flughöhe in Blickrichtung hinter ei­ nem gerade erfaßten potentiellen Zielobjekt auftritt und wesentliche Teile der Ziel­ kontur sowie eventuell auch der Zielsignatur selbst verfälscht, das Aufklärungser­ gebnis nicht nur hinsichtlich der Identifizierungsmöglichkeiten, sondern auch schon vorher hinsichtlich des Entdeckens des Zielobjektes stark beeinträchtigen kann. Es kommt hinzu, daß Infrarot-Sensoren überhaupt nicht allwetter-tauglich sind, weil sie insbesondere bei Nebel und Sprühregen sowie gegen schneebedeckte Zielobjek­ te versagen. Mittels entsprechender künstlicher Maßnahmen lassen sich deshalb gefährdete Objekte gegen Entdecken - oder jedenfalls gegen ein Erkennen des ent­ deckten Objektes - relativ wirkungsvoll schützen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine kleinbauende und insbe­ sondere auch für vergleichsweise geringe Operationshöhe ausgelegte Aufklärungs-Droh­ ne mit einer Aufklärungs-Sensorik auszustatten, die allwetter-tauglich sowie tags und nachts einsatzfähig ist und unabhängig davon auch höhere Aufklärungs­ leistung erbringt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die gat­ tungsgemäße Drohne mit einer multispektralen Aufklärungs-Sensorik gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 ausgestattet ist. Danach sind wenigstens ein Infrarot-Sensor und wenigstens ein Millimeterwellen-Sensor nebeneinander vorge­ sehen, die beide im wesentlichen in Richtung der Vertikalen orientiert, dieser ge­ genüber aber einander entgegengesetzt in bzw. gegen die Flugrichtung etwas an­ gestellt sind und quer zur Drohnen-Flugrichtung verschwenkt werden, so daß die Zentrallinien ihrer Richtcharakteristiken wenigstens abschnittsweise Erzeugende von Kegelmantelflächen darstellen, die das von der Drohne gerade überflogene Gelände voraus und nach achtern längs gegeneinander versetzter kreisbogenförmi­ ger Abtastspuren und dadurch in einem relativ breiten Streifen beiderseits der ak­ tuellen Drohnen-Flugrichtung erfassen. Vorzugsweise führen die Abtastspuren sogar vollständige Kreise aus, die sich längs der Flugrichtung der Drohne spiral­ förmig voreinander versetzen. Dafür kann jedem Sensor eine Nutations- oder Schleuderbewegung um einen fiktiven Aufhängepunkt an der Kreuzungsstelle der rückwärtigen Verlängerung der Richtcharakteristik mit der Drehachse eingeprägt werden; oder die Sensoren sind in einen Sensorträger eingebaut, welcher relativ zur tragenden Rumpfstruktur der Drohne von einem Antriebsmotor in konstante oder variable Drehbewegung versetzt wird.

Der Infrarot-Sensor kann durch einen Einelement- oder durch einen Mehrelement-Detektor zur Heißpunkterfassung realisiert sein. Zweckmäßigerweise ist der Sen­ sor-Rotor zusätzlich mit einer radial bezüglich der Sensor-Rotation orientierten Zeilenkamera zur Geländeaufnahme ausgestattet, die im sichtbaren oder ebenfalls im Infrarot-Spektrum arbeiten kann.

Der Charakteristik des optronischen Sensors diametral gegenüber, also entgegen­ gesetzt zur Rotationsachse geneigt, ist als Hochfrequenz-Sensor bevorzugt ein kombinierter aktiver und passiver Millimeterwellen-Detektor vorgesehen, also ein Radargerät zum Erfassen von Objektentfernungen und Kantenreflexen sowie, über die gleiche Apertur, ein Radiometer zum Erfassen von Temperaturkontrasten zwi­ schen potentiellen Zielobjekten und deren natürlicher Geländeumgebung.

Weil jeder Sensor in rascher Folge zwischen beiderseitigen Querab-Orientierungen auch immer wieder in und gegen die Flugrichtung der Drohne orientiert ist, wird ein in einem Gelände aufgefaßtes potentielles Zielobjekt in rascher Folge mehrfach in wechselnden Richtungen erfaßt, so daß sich Schattenwurferscheinungen für die Sensorsignalverarbeitung weitgehend aufleben und deshalb in jedem Sensor-Spek­ tralbereich eine konturenscharfe Objekterfassung erfolgt. Diese janusartige, von zwei entgegengesetzten Richtungen erfolgende Objekt-Erfassung hat auch zur Fol­ ge, daß Nickbewegungen des Fluggerätes sich im Ergebnis nicht besonders störend in der Sensorinformation und dem daraus abgeleiteten Aufklärungsergebnis be­ merkbar machen, also nicht gesondert kompensiert werden müssen.

Die von den Detektoren gelieferten Sensorinformationen werden, nach Signalvor­ verarbeitung und parallel zu Redundanz-Zwischenspeicherung an Bord der Droh­ ne, zur Echtzeit-Auswertung über eine Funkverbindung zur Bodenkontrollstation (in der Zeichnung nicht berücksichtigt) übertragen.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vortei­ le der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert und nicht maßstabsgerecht skizzierten bevorzugten Realisierungs­ beispiels zur erfindungsgemäßen Lösung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 die Aufklärungs-Drohne in Seitenansicht, teilweise im Axial-Längsschnitt, und,

Fig. 2 in verkleinerter Draufsicht-Prinzipskizze auf die Drohne entsprechend Fig. 1 den im Zuge des Drohnenfluges gegenseitigen Versatz der am Boden des überflogenen Geländes gezogenen Abtastspuren.

Die Drohne 11 ist im Nasenbereich 12 ihres vor einem Heckrotor 13 und dem Leitwerk 14 gelegenen Rumpfes 15 mit einer multispektralen Aufklärungssensorik 16 ausgestattet, die wenigstens je einen Infrarot-Sensor 17 und Millimeterwellen-Sensor 18 umfaßt. Die in der Zeichnung durch ihre Achsen symbolisierten Richt­ charakteristiken 19 (nämlich 19.17 bzw. 19.18 der Sensoren 17, 18) sind im we­ sentlichen von der Drohne 11 senkrecht nach unten auf das gerade überflogene Gelände 20 ausgerichtet. Sie werden dabei aber gegenüber der Vertikalen 21 durch die Aufklärungssensorik 16 um einen Winkel 22 in der Größenordnung von jeweils typisch 25° einander diametral entgegengesetzt angestellt (verkippt), um am Boden auch bei relativ niedriger Flughöhe noch einen Suchbereich innerhalb einer Abtast­ spur 24 von hinreichendem Durchmesser (in der Größenordnung von typisch min­ destens 100 Metern trotz sehr kleiner Millimeterwellen-Apertur 39) zu erfassen und ein überflogenes Objekt kurz nacheinander zweimal zu überstreichen. Eine Drehfrequenz in der Größenordnung von typisch 5 Hertz erbringt eine hinreichend dicht versetzte Folge von Abtastspuren 24 für gute Geländeauflösung. Die Dreh­ bewegung der Sensoren 17, 18 relativ zum Rumpf 15 erfährt eine gewisse Un­ wucht-Kompensation dadurch daß die beiden Sensoren 17 und 18 in entgegenge­ setzter Neigung einander diametral gegenüber angeordnet sind.

Die Aufklärungssensorik 16 führt relativ zum Rumpf 15 eine Schwenkbewegung um die Vertikale 21 aus, so daß die Richtcharakteristiken 19 die Erzeugenden von einander diametral gegenüberliegenden Kegelmantelausschnittsflächen sind. Dem­ entsprechend beschreiben die sogenannten Footprints, also die bei einem Durch­ messer von mehreren Metern leicht elliptischen Erfassungsbereiche 23 der Richt­ charakteristiken 19 in der Ebene des Geländes 20, eine bogenförmige Abtastspur 24. Diese wird zum geschlossenen Kreis bzw. zur Folge von gemäß Fig. 2 in der Flugrichtung 25 gegeneinander versetzten Abtast-Kreisspuren 24, wenn die Richt­ charakteristiken 19 jede die volle Spitzkegelmantelfläche erzeugen, wenn also die Sensoren 17, 18 sich konzentrisch um die Vertikale 21 durch die Längsachse und Flugrichtung 25 der Drohne 11 drehen. Bei nicht nur über einen beschränkten Winkelbereich bogenförmig hin- und herschwenkenden sondern um die Vertikale 21 rundumlaufenden Richtcharakteristiken 19 weist jeder Sensor 17, 18 in schnel­ ler Folge nacheinander eine Blickrichtung in und gegen Flugrichtung 25 auf, wor­ aus resultiert, daß ein voraus erfaßtes Objekt kurz danach auch in der Gegenblick­ richtung und somit im Ergebnis konturenscharf da schattenfrei, und abwechselnd in gegeneinander versetzten Spektralbereichen, erfaßt wird. Im übrigen ergibt sich bei hinreichend rascher Drehbewegung 37 relativ zur Versatzgeschwindigkeit in Flug­ richtung 25 eine dichte Folge von Abtastspuren 24 und damit für jeden Sensor 17, 18 eine hohe Abtastrate, also für die Aufklärungssensorik 16 insgesamt eine hohe Auflösung.

Für das Absuchen längs der spiralförmig ineinander übergehenden Kreisspuren 24 können die Sensoren 17, 18 in rückwärtiger Verlängerung ihrer Richtcharakteristi­ ken 19 an deren imaginärem Schnittpunkt mit der Vertikalen 21 aufgehängt sein und um diese Aufhängung herum zu einer Präzessionsbewegung angetrieben wer­ den. Das ist konstruktiv von Vorteil, weil die elektrische Übertragung vom jeweili­ gen Sensor 17, 18 zum Rumpf 15 mittels biegeweicher Kabel erfolgen kann. Grö­ ßere konstruktive Freizügigkeit - bei allerdings größerem technischem Aufwand für das Überkoppeln elektrischer Energie und Signale zwischen der rotierenden Aufklä­ rungssensorik 16 und dem dagegen stationären Rumpf 15 der Drohne 11 etwa mittels Schleifringen - ergeben sich, wenn die Sensoren 17, 18 stirnseitig in einen zur Vertikalen 21 koaxialen Rotor 26 eingebaut sind, wie für das Ausführungsbei­ spiel gemäß Fig. 1 angenommen. Dann kann der Rotor 26 an einem zentralen Achsstummel fliegend, oder stabiler noch längs seines Außenumfanges im Rumpf-Nasenbereich 12, gelagert sein und beispielsweise über einen Zahnriemen 27 von einem stationär gelagerten kleinen Motor 28 in zeitkonstante oder (für einen zeitvariablen Zirkularscan) über der Zeit gesteuerte Drehbewegung versetzt werden. Ein ebenfalls rumpfstationärer, koaxial zum Rotor 26 angeordneter (Schleifring-)Koppler 29 überträgt Strom zum Betrieb der Sensoren 17, 18 aus einer bordeigenen Leistungsquelle 30 (bei der es sich entgegen der zeichnerischen Darstellung auch um einen mit dem Heckrotor 13 angetriebenen Generator handeln kann) in den Rotor 26 hinein; und gleichzeitig aus ihm hinaus die Signalströme mit den Sensorinformationen 34. Diese gelangen über eine bordfeste Vorverarbei­ tungsschaltung 31 und über einen Sender 33 zum Speisen einer Antenne 32 in eine Bodenstation, wo sie z. B. in synthetische elektronische Geländekarten als aktuell in Echtzeit gewonnene Aufklärungsdaten eingetragen werden, wie etwa aus der Eingangs schon zitierten EP-B-0 148 704 als solches vorbekannt. Dafür erfolgt hier die Kombination (Überlagerung) der aus den einzelnen Sensorkanälen (Infrarot - Radar - Radiometer) empfangenen Informationen zur Unterdrückung von Falschzielen wie brennenden Objekten und von Scheinzielen wie Wasserlachen aufgrund ihrer typischen Unterschiede in den spektralabhängigen Signaturen.

Von Nickbewegungen während des Fluges der Drohne 11 werden die Geländeauf­ nahmen wenig beeinträchtigt, weil die ja stets aus wenigstens zwei Ansichten zu­ sammengesetzt werden, die in und gegen Nickrichtung orientiert sind. Um aber auch während einer Gierbewegung zum Kurvenflug der Drohne 11 die Drehbewe­ gungsachse 35 des Sensor-Rotors 26 stets möglichst genau mit der räumlichen Vertikalen 21 durch die Aufklärungssensorik 16 zusammenfallen zu lassen, ist der Nasenbereich 12 des Rumpfes 15, in den die Aufklärungssensorik 16 eingebaut ist, gegenüber dem rückwärtigen Bereich des Rumpfes 15 um die gemeinsame, in Flug­ richtung 25 orientierte Längsachse 41 entgegengesetzt zur aktuellen Gierung ver­ drehbar. Diese Gegenbewegung wird aus einem Lagereferenzsystem 36 gesteuert, bei dem es sich z. B. um ein Schwerkraftpendel, um ein Inertialsystem oder um ein horizont-stabilisiertes Richtsystem handeln kann. In dem Maße, wie der Rumpf 15 sich zum Durchführen eines Kurvenfluges zur Seite neigt, dreht sich also der sen­ sorbestückte Nasenbereich 12 relativ zum übrigen Rumpf 15 um die Längsachse 41 entgegengesetzt, damit die Drehbewegungsachse 35 des Rotors 26 möglichst stets lotrecht auf das zur Aufklärung gerade überflogene Gelände 20 orientiert bleibt.

Der Optronik-Sensor 17 besteht aus einem oder aus mehreren IR-Detektorele­ ment(en) zum Erfassen von Heißpunkten im Gelände 20 emittierter Strahlung, die etwa von in Betrieb befindlichen schweren Aggregaten wie Motoren von Panzer­ fahrzeugen herrühren. In der Vorverarbeitungsschaltung 31 an Bord oder erst in der Bodenstation werden für die Sensorinformationen 34 als solche bekannte Fil­ termaßnahmen realisiert, um flächenmäßig kleine, also örtlich definierte Heiß­ punkte zu erfassen, aber extrem heiße Punkte auszublenden, die mit hoher Wahr­ scheinlichkeit auf offene Feuer zurückgehen, wie sie zur Tarnung oder aufgrund von Zerstörungen im Gelände 20 auftreten und für die Zielaufklärung als solche weniger interessieren. Zusätzlich zu den einzelnen Detektorelementen kann im Rahmen des Infrarot-Sensors 17 auch noch eine Video- oder IR-Zeilenkamera ra­ dial im Rotor 26 angeordnet sein, um wie aus Fig. 1 ersichtlich einen rotierenden radialen Bildstreifen 38 zur kontinuierlich sich verschiebenden Mehrfach-Aufnahme des Geländes 20 zu erfassen.

Der Millimeterwellen- Sensor 18 arbeitet zweckmäßigerweise zweikanalig, nämlich über dieselbe Apertur in Form einer gemeinsamen kleinen Cassegrain-Spiegelan­ ordnung 39 vor einer gemeinsamen Empfangs-Einrichtung 40 im Dual-Mode-Betrieb gleichzeitig sowohl als aktives Dauerstrich-Radar, mit getrennter Fre­ quenz- und Betragsauswertung zur Abstandsmessung und zur entfernungsunab­ hängigen Aufnahme von an potentiellen Zielobjekten rückgestreuter Energie, wie auch als passives Radiometer zur Aufnahme von Temperaturkontrasten zwischen Zielobjekten und dem thermischen Hintergrundrauschen ihrer natürlichen Umge­ bung.

Zusammengefaßt ist also festzustellen, daß sich eine preiswerte aber kleinbauende, vor allem besonders leistungsfähige da allwettertaugliche Multispektral-Aufklä­ rungssensorik (16) für eine kleine Aufklärungs-Drohne (11) insbesondere dadurch ergibt, daß ein Optronik-Sensor (17) und ein Hochfrequenz-Sensor (18) beide im wesentlichen vertikal orientiert, aber der Vertikalen (21) gegenüber um ein kleinen Winkel (22) angestellt, werden und um die Vertikale (21) wenigstens um eine ge­ wisse Bogenlänge, vorzugsweise aber rundum verdrehbar sind, so daß ein im über­ flogenen Gelände (20) erfaßtes potentielles Zielobjekt in unterschiedlichen Spek­ tralbereichen und in unterschiedlichen Richtungen - vorzugsweise kurz nacheinan­ der aus einander entgegengesetzten Richtungen - erfaßt wird. Die auf diese Weise wetterunabhängig gewonnenen, konturenscharfen Sensorinformationen (34) wer­ den über Funk an die Bodenkontrollstation geliefert, wo sie in eine digitale Gelän­ dekarte eingebunden werden können. Die also vorzugsweise einander diametral entgegengesetzt orientierten Sensoren (17, 18) können für eine massearme (Nutations-)Bewegung aufgehängt oder in einen massereicheren Rotor (26) einge­ baut sein, der von einem rumpffesten Motor (28) um die Vertikale (21) in Bewe­ gung gesetzt wird, so daß die Sensor-Richtcharakteristiken (19) in der Ebene des Geländes (20) längs der Drohnen-Flugrichtung (25) einander dicht benachbart ge­ staffelte kreisförmige Abtastspuren (24) über einen Aufklärungsstreifen beiderseits der Flugrichtung (25) beschreiben, der ein Vielfaches des Durchmessers der Droh­ ne (11) selbst mißt. Während infolge des periodischen janusformigen Richtungs­ wechsels jeder Sensorcharakteristik (19) Nickbewegungen der Drohne (11) ver­ gleichsweise geringe Auswirkungen haben, wird die Rotationsachse (35) gegen Gierbewegungen zweckmäßigerweise dadurch auf die räumliche Vertikale (21) stabilisiert, daß der Drohnen-Nasenbereich (12) beim Kurvenflug um die Drohnen-Längs­ achse (41) des mit einem Heckrotor (13) und dem Leitwerk (14) versehenen übrigen Rumpfes (15) diesem gegenüber verdreht wird.

Claims (8)

1. Aufklärungs-Drohne (11) mit in den Nasenbereich (12) ihres Rumpfes (15) eingebauter, voraus nach unten orientierter Aufklärungs-Sensorik (16), dadurch gekennzeichnet, daß die Richtcharakteristiken (19) einer mehrkanalig-multispektralen Aufklä­ rungssensorik (16) mit einem optronischen und mit einem Hochfre­ quenz-Sensor (17, 18) im wesentlichen vertikal orientiert aber gegenüber der Vertikalen (21) geringfügig in bzw. gegen die Drohnen-Flugrichtung (25) an­ gestellt sind und bogenförmig um die Vertikale (21) verschwenkt werden.

2. Drohne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtcharakteristiken (19) als Erzeugende von Spitzkegelmantelflä­ chen um die Vertikale (21) rotieren.

3. Drohne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als optronischer Sensor (17) ein Einelement- oder Mehrelement-Infra­ rotdetektor und zusätzlich eine radial bezüglich der Drehbewegung der Richtcharakteristik (19) orientierte Zeilenkamera vorgesehen ist.

4. Drohne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Hochfrequenz-Sensor (18) hinter einer gemeinsamen Apertur ein Ra­ dar- und ein Radiometer-Sensor mit gemeinsamer Empfangseinrichtung (40) vorgesehen sind.

5. Drohne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Apertur eine Cassegrain-Spiegelanordnung (39) ist.

6. Drohne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß um die Vertikale (21) nutierende Sensoren (17, 18) vorgesehen sind.

7. Drohne nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (17, 18) in einen Rotor (26) eingebaut sind, der von einem rumpffesten Motor (28) um die Vertikale (21) angetrieben wird.

8. Drohne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Aufklärungssensorik (16) beinhaltende Nasenbereich (12) dem übrigen Rumpf (15) gegenüber zum Ausgleich von Gierbewegungen koaxial um die Rumpf-Längsachse (41) verdrehbar ist.