WO2018145687A1 - Vorrichtung und verfahren zum erfassen von flugkörpern mit einem stereokamerasystem und einem hochfrequenzscanner - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum erfassen von flugkörpern mit einem stereokamerasystem und einem hochfrequenzscanner Download PDF

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stereo camera
uavs
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Benny Drescher
Toni Drescher
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Definitions

  • Apparatus and method for detecting missiles with a stereo camera system and a high-frequency scanner Apparatus and method for detecting missiles with a stereo camera system and a high-frequency scanner
  • the invention relates to an apparatus and a method for detecting missiles.
  • Patents Factory Ltd Optical Drone Detection System. August 9, 2016, a stereo camera system will be introduced, which is used to calculate dimensions, distances and velocities of aviation bodies. This is for civil and military surveillance of airspace. This technology has the disadvantage that weather influences the visibility and the measurements significantly.
  • a radar system for UAVs which additionally includes a jammer unit.
  • Radar systems are active methods that emit high-energy signals and measure the reflection in comparison. This allows positions and velocities of objects to be captured.
  • a disadvantage of radar system is that the detection of small objects such as UAVs is extremely difficult. It is easy to get confused with birds or other small flying objects.
  • radar systems are highly weather dependent and have limited visibility in rain or snow.
  • a radar system as an active system affects the surrounding electronics, which is particularly disadvantageous at airports.
  • the invention is based on the task of further developing such systems.
  • the invention stands out from the prior art by a stereo camera system and a passive radio-frequency array.
  • the new technology is based on the combination of antenna array and stereo camera system. Only the combination of these different technologies could be the disadvantages of each individual solution compensate.
  • a combination is presented which fuses the position data from the stereo camera system with the position data from the radio-frequency antenna array. As a result, foreign influences can be reduced and the accuracy of the position determination of a UAVs can be increased.
  • the time signals in the frequency domain can be transmitted by means of an FFT (Fast Fourier Transformation).
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • the signals are separated on the basis of the characteristic frequency image, which can be filtered by comparison with a database for various manufacturers of UAVs and controllers. This step also allows the localization of the controller (Remote Control).
  • the antenna array is designed for 2.4 GHz. However, it should also include other typical frequency ranges for the communication of UAVs and their control. For this purpose, the possibility of switching (multiplexing) between different antenna elements and structures is proposed. As a result, optimal distances between the elements can be realized and selected for the respective frequency range.
  • the inventive approach is designed for Wideband signals.
  • the hardware should be designed for a bandwidth of at least 80 MHz, compared to the typical approaches for determining the angle of incidence of narrowband signals. It is also necessary to ensure an input-synchronous and digital processing of the signals.
  • the antenna system has several antennas between which can be switched (multiplexing). This can be an optimal signal / noise ratio can be achieved.
  • the selected distances between the elements are crucial for optimum signal-to-noise ratio.
  • the distances are chosen in such a way that they allow an optimal S / N ratio in the respective frequency range. This is typically half the wavelength of the Singnalfrequenz, but may differ due to the restrictions of the geometric structure.
  • a particular advantage over the prior art is that a system is presented which does not emit signals and only tracks a passive character (receiving, not transmitting). As a result, surrounding measuring instruments are not affected.
  • the features of the system are the use of multiple sensors and algorithms to merge the sensor data, a linear antenna array, the integration of a stereo camera system and as an add-on of an acoustic system. Also included is a directional RF jammer used for automatic mechanical alignment (add-on module).
  • the system combines three sensor principles: a high frequency (RF / HF) scanner, a camera system and additional acoustic sensors.
  • RF / HF high frequency
  • the system uses algorithms for the fusion of sensor data from RF / HF, camera and acoustics (eg Kaiman filter).
  • the heterogeneous data is collated by means of statistical models, which increases the quality of the data.
  • the merger is based among other things on algorithms for position determination such as Kalmann filters.
  • a multi-level processing of the sensor data was chosen.
  • the evaluation is carried out in the physical context of the respective sensor principle (eg camera).
  • statistical methods are chosen to merge the data. As a result, the accuracy of the localization can be increased.
  • the database is also based on multiple sensor information. There are both models for Silhouette (camera information) as well as the typical Radio Frequency pattern (eg FFT characteristics) included.
  • the RF / RF sensors rely on a linear antenna array with more than 6 antennas.
  • omnidirectional antennas for the 433 MHz, 915 MHz, 2.4 GHz or 5.8 GHz are used, which are geometrically arranged according to the wavelength (distance array elements).
  • a multiplex connection is realized.
  • the 2.4 GHz frequency is tested;
  • Extensions are planned for 433 / 915MHz and 5.8 GHz.
  • a mechanical or electrical exchange of the antenna array is provided.
  • Previous detection systems for drone defense rely either on omnidirectional single-antenna systems (no array) or on segmented or directed antennas.
  • antenna arrays over single-antenna approaches is the possibility to localize drones. It can detect the entrance angle of the video signal from the camera of the UAV. It can also receive the control signal of the pilot and its position can be determined. In comparison to segmented approaches, the advantage lies in a low noise sensitivity (interference signals), which can occur in particular in the manifold (freely) used ISM band. In contrast to directional antennas, an antenna array requires no additional mechanics (less wear).
  • a "window" function is realized, which selects the DF frequency based on the previously known typical character of the signals After identification of the signal, this is isolated by a filter (bandpass) and then the entry angle of the bearing signal of the UAVs and The determination of the entrance angle is made by calculating the phase differences of the signals between the antennas in the array.
  • the state of the art for UAV localization is based on measuring the signal strength (amplitude) of RF communication between UAV or pilot.
  • the angle can be determined for segmented antennas (eg manufacturer Aaronia), whereby the hardware development is complicated.
  • the system includes two high-resolution cameras (stereo system), which are mounted at a distance of about 1 m and aligned with a "small" optical angle to each other.
  • the angle can be set as well as set automatically by calibrating the matrices between the cameras.
  • the angle determines the sight cone to be detected UAV. This view cone results from the minimum distance of the viewing cone, in the area of which a distance measurement to the UAV can take place. Also, the view width of the maximum distance is determined.
  • the angle is typically between 0 and 25 degrees, which are sufficient for the application for UAV localization settings are created.
  • Methods for image evaluation are used, such as background subtraction to detect small moving objects in the viewing area of the cameras (such as a UAV).
  • methods for identifying the type of UAV such as Faster R-CNN for detecting characteristic features of the flying object. Due to the geometric alignment of the two cameras, methods of stereo vision can be applied. For this purpose, the video data of the two cameras are compared and the center of gravity of the UAV determined by identifying the relevant pixels in the images. Based on this, the image depth can be measured and thus the distance to the UAV can be determined.
  • the state of the art describes the image evaluation of mono cameras. These are used on the one hand as a viewfinder in the image (for example manufacturer imagesetter) and on the other hand for recording videos via the UAV (for example manufacturer Dedrone).
  • a viewfinder in the image for example manufacturer imagesetter
  • UAV for example manufacturer Dedrone
  • the use of stereo cameras allows the measurement of distances (depths) to the incoming UAV. Via the UAV a variety of information can be collected and stored. Thus, information about the 3D coordinates and trajectory of the UAV contributes to cartography in a 3D map. Certain areas can be defined in the 3D map, where UAV flights are allowed (green), prohibited with warning (yellow) or forbidden / prevented (red). In safety-critical areas, specific actions (warnings, etc.) can also be triggered.
  • the Acoustic Array is an add-on consisting of several omnidirectional microphones of up to 20 kHz (audible range). Analogous to the evaluation of the RF signals, it can be assumed that the same methods can be used to determine the entrance angle (only lower frequency). [48]
  • the state of the art eg manufacturer Drone Shield
  • directional microphones are used here.
  • the countermeasure against UAVs is provided in an add-on module, a directed RF-Jammer unit. This interferes with the control signals between pilot and UAV by means of a directional, directional RF jammer.
  • the signal sends a high-signal-strength sawtooth signal to the UAV, breaking the pilot's connection, thereby losing control of the UAV.
  • the UAV lands or flies back to the starting point automatically.
  • the advantage of the new approach is the automatic alignment of the RF-Jammer unit based on the 3D coordinates through the system. It is also a directional signal which will not disturb surrounding RF / RF based receivers of the same frequency (e.g., wifi networks). Since it is not integrated directly in the recognition / localization system, the add-on module can be installed in areas that are particularly in need of security.
  • the system is designed in such a way that several systems can be interconnected (modules). Each module also has a preferred direction for the detection of UAVs and pilots. This is about 120 ° angle with a range of about 500 m (due to the RF / HF part). A significant improvement in the quality in the localization takes place from about 200 m, as soon as UAVs can be detected by the stereo camera system.
  • a preferred embodiment is shown in the drawing and will be described in more detail below. It shows
  • Figure 1 schematically shows a first embodiment of a device according to the invention
  • Figure 2 shows schematically another embodiment of a device according to the invention.
  • the linear antenna array 1 has at least 6 and here in the exemplary embodiment, 10 elements 2 to 1 1, which are arranged at an equal distance 12 to each other. This makes it possible to switch between different combinations of elements 2 to 11.
  • An acoustic array consists of two sensors 15 and 16. The entire device is arranged in or on an outer housing 17. A device 18 for suspending the module or a mounting, for example, on a tripod is provided at one end of the module.
  • FIG. 2 shows a linear antenna array 20 with 1 1 elements 21 to 31. At least 0.5 m apart, two cameras 32 and 33 are arranged and the entire device is held at the end.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen von Flugkörpern mit einem Stereokamerasystem und einem Hochfrequenzscanner, der ein lineares Antennensystem aufweist, beschrieben.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen von Flugkörpern mit einem Stereokamerasystem und einem Hochfrequenzscanner
[01] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen von Flugkörpern.
[02] Sathyamoorthy, Dinesh. A review of security threats of unmanned aerial vehicles and mitigation Steps, The Journal of Defence and Security, 2015, 6.J9., Nr. 1, S.81 gibt einen allgemeinen Überblick über technische und organisatorische Maßnahmen zur Erkennung und Abwehr von kommerziellen UAVs (unbemanntes Luftfahrzeug). Dabei werden einzelne Technologien wie beispielsweise das akustische Messen aufgezeigt.
[03] In Patents Factory Ltd.: Optical Drone Detection System. 9. August 2016 wird ein Stereo-Camera System vorgestellt, welches zur Berechnung von Dimensionen, Entfernungen und Geschwindigkeiten von Flugköpern verwendet wird. Dies dient der zivilen und militärischen Überwachung von Flugräumen. Diese Technologie hat den Nachteil, dass Wettereinflüsse die Sichtweite und die Messungen deutlich beeinflussen.
[04] Die US 2015/ 0 370 2050 AI beschreibt ein Vorgehen für ein Interaktions- und Steuerungsverfahren von UAVs. Hier wird nur allgemein von einer Objekterkennung gesprochen. Dabei wird in den Absätzen [0026] und [0027] auf die Erkennung der Position von UAVs mittels Radio Frequency Antennen Arrays hingewiesen. In den Absätzen [0036] und [0121] wird der zusätzliche Einsatz von Computer Vision zur Objekterkennung von UAVs angedeutet.
[05] Dabei wird zwar die Möglichkeit des Einsatzes von Radio Frequency Antennen Arrays erwähnt, jedoch ein solches System für UAVs nicht vorgestellt. Für den praktischen Einsatz fehlen Ausführungen zur Signalanalyse und für die Filterung der Kommunikation zwischen UAV und Steuerung. Im besonderen fehlen Angaben zum Verfahren der Erkennung des UAV-Signals und zur Unterscheidung bzw. digitalen Filterung von Signalen des UAVs, der Remote Control (Steuerung) und des Signalrauschens. Daher hilft auch diese
|Bestätigungskopie| Veröffentlichung nicht, zwischen einem Signal von einem UAV und dessen Steuerung zu unterscheiden.
[06] In Kronberger, Rainer; et al. UHF RFID localization System based on a phased array antenna, in: Antennas and Propagation (APSURSI), 201 1 IEEE International Symposium on. IEEE, 2011. S.525-528 wird ein System zur Lokalisierung von RFID Chips beschrieben. Dieses nutzt Beamforming mittels eines Antennen-Arrays, um im Frequenzbereich von 868 und 955 MHz RFIDs zu lokalisieren. Dieser Anwendungsfall bezieht sich nicht auf UAVs. Es handelt sich dabei um ein aktives System, welches ein Aktivierungssignal an die RFID Chips aussendet.
[07] In der GB 25 36 04 3A wird ein Radar-System für UAVs vorgesellt, das zusätzlich eine Jammer-Einheit beinhaltet. Radar-Systeme sind aktive Verfahren, die hoch-energetische Signale aussenden und die Reflexion im Vergleich messen. Dadurch können Positionen und Geschwindigkeiten von Objekten erfasst werden.
[08] Nachteilig an Radar-System ist, dass die Erkennung von kleinen Objekten wie UAVs äußerst schwierig ist. Es kommt leicht zu Verwechslungen mit Vögeln oder anderen kleinen Flugobjekten. Außerdem sind Radar-Systeme stark wetterabhängig und haben eine beschränkte Sicht bei Regen oder Schneefall. Darüber hinaus beeinflusst ein Radarsystem als aktives System die umliegende Elektronik, was insbesondere an Flughäfen nachteilhaft ist.
[09] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde derartige Systeme weiterzuentwickeln.
[10] Diese Aufgabe wird einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein vorteilhaftes Verfahren ist Gegenstand des Patentanspruchs 8.
[1 1] Im Folgenden werden vorteilhafte Aspekte derartiger Vorrichtungen beschrieben, die einzeln oder miteinander in beliebigen Kombinationen verwendet werden können.
[12] Besonders vorteilhaft hebt sich die Erfindung vom Stand der Technik durch ein Stereo-Kamera-Systems und ein passives Radio-Frequency Array ab. Die neue Technologie basiert auf der Kombination von Antennen-Array und Stereo-Kamera-System. Erst die Kombination dieser unterschiedlichen Technologien konnte die Nachteile jeder Einzellösung ausgleichen. Erfmdungsgemäß wird eine Kombination vorgestellt, die die Positionsdaten aus dem Stereo-Kamera-System mit den Positionsdaten aus den Radio-Frequency Antennen Array fusioniert. Dadurch können Fremdeinflüsse verringert und die Genauigkeit der Positionsbestimmung eines UAVs erhöht werden.
[13] Um verschiedene UAVs zu unterscheiden, können die Zeitsignale in dem Frequenzbereich mittels einer FFT (Fast Fourier Transformation) übertragen werden. An dieser Stelle erfolgt die Separation der Signale aufgrund des charakteristischen Frequenzbildes, welches durch Abgleich mit einer Datenbank für verschiedene Hersteller von UAVs und Steuerungen gefiltert werden kann. Dieser Schritt ermöglicht darüber hinaus auch die Lokalisierung der Steuerung (Remote Control).
[14] Vorteilhaft ist es, wenn das Antennen-Array für 2.4 GHz ausgelegt ist. Es soll jedoch auch weitere typische Frequenzbereiche für die Kommunikation von UAVs und deren Steuerung umfassen. Hierzu wird die Möglichkeit des Umschaltens (Multiplexen) zwischen verschiedenen Antennen Elementen und Aufbauten vorgeschlagen. Dadurch können optimale Abstände zwischen den Elementen realisiert und passend für den jeweiligen Frequenzbereich ausgewählt werden.
[15] Im Vergleich zum Stand der Technik ist zu beachten, dass der erfindungsgemäße Ansatz für Wideband Signale ausgelegt ist. Im Vergleich zu den typischen Ansätzen zur Bestimmung des Einfallswinkels von Narrowband Signalen sollte die Hardware für eine Bandbreite von mindestens 80 MHz ausgelegt sein. Ebenfalls ist es notwendig, eine eingangssynchrone und digitale Verarbeitung der Signale zu gewährleisten.
[16] Die Synchronizität der Radio Frequency Signale an den Eingangs-Antennen muss zeit- und phasensynchron sein. Das bedeutet, die Signale müssen zur gleichen Zeit sowie in der gleichen Phasenlage zueinander im digitalen System ausgewertet werden. Das stellt zusätzliche hohe Anforderungen an das Design der Radio Frequency Hardware. Bisher sind keine Systeme bekannt, die mehr als 6 Antennen-Eingänge synchron verarbeiten können.
[17] Vorteilhaft ist es, wenn das Antennensystem mehrere Antennen aufweist, zwischen denen umgeschaltet werden kann (Multiplexing). Dadurch kann ein ein optimales Signal/Rausch- Verhältnis erreicht werden. Bei einem linearen Antennen-Array sind die gewählten Abstände zwischen den Elementen entscheidend für ein optimales Signal/Rausch- Verhältnis.
[18] Die Abstände sind dabei in der Art und Weise gewählt, dass sie ein optimales Singal/Rausch-Verhältnis im jeweiligen Frequenzbereich ermöglichen. Das ist typischerweise die Hälfte der Wellenlänge der Singnalfrequenz, kann jedoch abweichen aufgrund der Restriktionen durch den geometrischen Aufbau.
[19] Die Fähigkeit verschiedene Antennenaufbauten zu wechseln, ist eine Besonderheit des Systems. Dieser Wechsel ermöglicht die wesentlichen Frequenzen für UAVs abzudecken. Der Ansatz des Multiplexen erschließt auch weitere Entwicklungen. Hierbei sind auch dreiecks- oder vierecksförmige Aufbauten denkbar. Dadurch ist es beispielsweise möglich, zusätzlich einen 360 Grad Rundblick um das Modul zu bekommen.
[20] Ein besonderer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik liegt darin, dass ein System vorgestellt wird, welches keine Signale aussendet und ausschließlich einen passiven Charakter (Empfangen, nicht Senden) verfolgt. Dadurch werden umliegende Messinstrumente nicht beeinflusst.
[21] Eine vorteilhafte Ausführungsform ist im Folgenden beschrieben und wird in der Zeichnung gezeigt.
[22] Die Merkmale des Systems sind der Einsatz von multiplen Sensoren und Algorithmen zur Fusion der Sensordaten, eines linearen Antennen-Arrays, die Integration eines Stereo- Kamera-Systems und als Add-On eines Akustik-Systems. Ebenfalls ist ein gerichteter RF- Jammer enthalten, der zur automatischen, mechanischen Ausrichtung genutzt wird (Zusatzmodul).
[23] Das System kombiniert drei Sensorprinzipien miteinander: einen Hochfrequenz (RF/HF)-Scanner, ein Kamera-System und zusätzlich akustische Sensoren.
[24] Der Stand der Technik setzt auf Einzeltechnologien (z.B. Hersteller Drone Shield). Die Kombination aus RF-Scanner, Kamera-System und Akustik in einem kompakten System mit dem Ziel einer möglichst genauen Lokalisierung von Unmanned Aerial Vehicle (UAVyPilot ist bisher noch nicht beschrieben worden. [25] Durch die Kombination von Kamera/RF/Akustik ist es möglich, das Überwachungsgebiet in Zonen zu unterteilen (short, medium, long ränge). Es werden die Nachteile einer Technologie (z.B. Kamera bei optischer Behinderung) durch die Vorteile einer anderen Technologie (z.B. Einsatz von RF ist unabhängig von optischen Hindernissen) ausgeglichen. Die Überlagerung der Technologien erhöht zudem die Qualität der Lokalisierung und verringert einseitige aus dem Sensorprinzip bedingte Fehlalarme (z. B. Unterscheidung einem UAV gegenüber einem Vogel).
[26] Das System setzt Algorithmen zur Fusion der Sensor-Daten aus RF/HF, Kamera und Akustik ein (z. B. Kaiman Filter). Die heterogenen Daten werden mittels statistischen Modellen zusammengelegt, wodurch die Qualität der Daten erhöht wird.
[27] Die Zusammenführung basiert unter anderem auf Algorithmen zur Positionsbestimmung wie beispielsweise Kalmann Filter. Hierbei wurde eine mehrstufige Verarbeitung der Sensordaten gewählt. Zuerst erfolgt die Auswertung im physikalischen Rahmen des jeweiligen Sensorprinzips (z. B. Kamera). Im nachfolgenden Schritt werden statistische Verfahren gewählt, um eine Fusion der Daten vorzunehmen. In der Folge kann die Genauigkeit der Lokalisierung erhöht werden.
[28] Die bisherigen Systeme setzen auf die Auswertung einzelner Sensoren (Technologien), ohne eine geschickte Verknüpfung von Informationen aus heterogenen Datenquellen. Es werden keine statistischen Modelle genutzt werden (z. B. Hersteller Dedrone).
[29] Durch den Einsatz der Sensorfusion wird die Qualität der Lokalisierung erhöht. Dadurch wird die Grundlage für die Identifikation von UAVs gelegt.
[30] Es werden Algorithmen des Machine/Deep Learning (Artifical Neuronal Networks) genutzt, um UAV-spezifische Modelle zu entwickeln. Als Grundlage werden die fusionierten Daten der drei Sensoren verwendet. Das Modell wird aus Versuchen angelernt.
[31] Bisher nutzen die bekannten Systeme die Erkennung auf der Grundlage von Einzel- Sensoren, ohne dem Einsatz von Computer-Modellen. [32] In einer Datenbank hinterlegte Computermodelle ermöglichen die Identifikation von UAVs, welche in den Detektionsbereich eingedrungen sind. Basierend auf Merkmalen, die in einem Modell hinterlegt worden sind, kann zwischen UAV-Typen unterschieden werden. Dadurch ist ein UAV-typischer„Fußabdruck" möglich, der eine eindeutige Identifikation ermöglicht.
[33] Die Datenbank basiert ebenfalls auf multiplen Sensorinformationen. Es sind sowohl Modelle zur Silhouette (Kamera-Informationen) wie auch zum typischen Radio Frequency Muster (z. B. FFT Charakteristik) enthalten.
[34] Die RF/HF-Sensoren setzen auf ein lineares Antennen- Array mit mehr als 6 Antennen. Hierfür werden omnidirektionale Antennen für den 433 MHz, 915 MHz, 2.4 GHz oder 5.8 GHz genutzt, die entsprechend der Wellenlänge geometrisch angeordnet sind (Abstand Array- Elemente). Um zwischen den Frequenzen (Center-Frequencies) umzuschalten, wird eine Multiplex-Verbindung realisiert. Im Wesentlichen wird die 2.4 GHz Frequenz geprüft; Erweiterungen sind für 433/915MHz und 5.8 GHz vorgesehen. Hierfür sind zum einen die Antennen im Array hinzu zu schalten oder abzuschalten oder falls nicht möglich, ist ein mechanischer oder elektrischer Austausch des Antennen-Arrays vorgesehen.
[35] Bisherige Erkennungssystemene zur Drohnenabwehr setzen entweder auf omnidirektionale Ein-Antennen-Systeme (kein Array) oder auf segmentierte bzw. gerichtete Antennen.
[36] Der Vorteil von Antennen-Arrays gegenüber Ein-Antennen-Ansätzen ist die Möglichkeit der Lokalisierung von Drohnen. Es kann der Eintrittswinkel des Video-Signals von der Kamera des UAVs erkannt werden. Es können ebenfalls das Steuersignal des Piloten empfangen und dessen Position bestimmt werden. Im Vergleich zu segmentierten Ansätzen liegt der Vorteil in einer geringen Rauschempfindlichkeit (Störsignalen), die im Besonderen im vielfältig (frei) genutzten ISM-Band auftreten kann. Im Gegensatz zu gerichteten Antennen ist bei einem Antennen-Array keine zusätzliche Mechanik notwendig (geringerer Verschleiß).
[37] Für die Auswertung der Antennen-Arrays wird auf Verfahren zur Analyse aus multiplen Input-Signalen (Signal Processing) gesetzt. Es wird auf Algorithmen des Direction- of-Arrival (DOA) aufgebaut, wie die des MUltiple Signal Classification (MUSIC). Für den Anwendungsfall der Erkennung von UAVs oder Piloten wird der Algorithmus entsprechend erweitert. Der entwickelte Ansatz ist auf Steuer- und/oder Video-Signale von Pilot oder UAVs ausgerichtet, d.h. kann für Breitband-Signale mit Frequency Hopping (FHSS) von aktuell bis zu 56 MHz genutzt werden. Hierfür wird eine„Window"-Funktion realisiert, die auf Basis des zuvor bekannten typischen Charakters der Signale die Peilfrequenz auswählt. Nach der Identifikation des Signals, wird dieses durch einen Filter isoliert (Bandpass) und anschließend der Eintrittswinkel des Peil-Signals des UAVs und des Piloten auf das Antennen-Array bestimmt. Die Ermittlung des Eintrittswinkels erfolgt mittels Berechnung der Phasendifferenzen der Signale zwischen den Antennen im Array.
[38] Der Stand der Technik für die UAV-Lokalisierung basiert auf der Messung der Signalstärke (Amplitude) der RF-Kommunikation zwischen UAV oder Pilot. Der Winkel kann bei segmentierten Antennen bestimmt werden (z. B. Hersteller Aaronia), wobei die Hardware-Entwicklung hierfür aufwändig ist.
[39] Der Vorteil von software-basierten Berechungsverfahren liegt in der Flexibilität zur Anpassung an die Signal-Charakteristiken unterschiedlicher UAV-Typen (Fähigkeit zum Software-Update). Ebenfalls ist der Ansatz robust gegenüber Signal-Störungen, wodurch auch der Einsatz im innerstädtischen Bereich oder an Flughäfen (hohe Nutzung der Frequenzen) ermöglicht wird.
[40] Das System beinhaltet zwei hochauflösende Kameras (Stereo-System), die im Abstand von ca. 1 m angebracht und mit einem„geringen" optischen Winkel zueinander ausgerichtet sind.
[41] Der Winkel kann sowohl eingestellt werden wie auch automatisch durch eine Kalibirierung der Matrizen zwischen den Kameras festgelegt werden. Der Winkel bestimmt den Sichtkegel zum zu erfassenden UAV. Dieser Sichtkegel ergibt sich aus dem minimalen Abstand des Sichtkegels, in dessen Bereich eine Abstandmessung zum UAV stattfinden kann. Ebenfalls wird die Sichtbreite des maximalen Abstandes festgelegt.
[42] Der Winkel befindet sich typischerweise zwischen 0 und 25 Grad, wodurch für den Anwendungsfall zur UAV-Lokalisierung hinreichende Einstellmöglichkeiten geschaffen sind. [43] Es werden Verfahren zur Bildausauswertung genutzt, wie beispielsweise Background Subtraction zur Erkennung von kleinen bewegten Objekten im Betrachtungsbereich der Kameras (wie einem UAV). Ebenfalls sind Verfahren zur Identifikation des UAV-Typs im Einsatz, wie beispielsweise Faster R-CNN zur Erkennung von charakteristischen Merkmalen des fliegenden Objektes. Durch die geometrische Ausrichtung der beiden Kameras können Methoden der Stereo Vision angewendet werden. Hierfür werden die Video-Daten der beiden Kameras verglichen und der Schwerpunkt des UAVs bestimmt, indem die relevanten Pixel in den Bildern identifiziert werden. Aufbauend darauf kann die Bildtiefe gemessen und somit der Abstand zum UAV bestimmt werden.
[44] Im System ist ein mehrstufiger Ansatz gewählt, bei dem mehrere Verfahren (Background-Subtraction und R-CNN) kombiniert angewendet werden. Dadurch können die Ergebnisse der Positionsbestimmung ebenfalls in ihrer Präzision erhöht werden. In der Folge werden die Informationen genutzt, um mit diese mit den Radio Frequency Daten zu fusionieren.
[45] Der Stand der Technik beschreibt die Bildauswertung von Mono-Kameras. Diese werden zum einen als Sucher im Bild eingesetzt (z.B. Hersteller Belichter) und zum anderen zur Aufnahme von Videos über das UAV (z.B. Hersteller Dedrone).
[46] Der Einsatz von Stereo-Kameras ermöglicht die Messung von Abständen (Tiefen) zum einfliegenden UAV. Über das UAV können vielfältige Informationen erfasst und gespeichert werden. So tragen Informationen über die 3D-Koordinaten und die Trajektorie des UAV dazu bei, eine Kartographie in einer 3D-Map vorzunehmen. Es können bestimmte Areale in der 3D-Map festgelegt werden, in denen UAV-Flüge erlaubt (grün), verboten mit Warnung (gelb) oder verboten/verhindert (rot) werden. Ebenfalls können in sicherheitskritischen Bereichen spezifische Aktionen (Warnungen, etc.) ausgelöst werden.
[47] Das Akustik-Array ist ein Add-On und besteht aus mehreren omnidirektionalen Mikrophonen von bis zu 20 kHz (hörbarer Bereich). Analog zur Auswertung der RF-Signale kann davon ausgegangen werden, dass die gleichen Verfahren zur Bestimmung des Eintrittswinkels eingesetzt werden können (nur geringere Frequenz). [48] Der Stand der Technik (z.B. Hersteller Drone Shield) beschreibt ebenfalls akustische Erkennungsmechanismen. Im Besonderen werden hier Richtmikrophone genutzt.
[49] Der Vorteil von akustischen Arrays liegt in der Lokalisierung gegenüber einer einfachen Detektion (Geräusche der Propeller/Motoren des UAV). Ebenfalls ist eine Ausrichtung in einem weitaus geringen Maße notwendig als bei einem Einsatz von Richtmikrophonen. Darüber hinaus ist der Verschleiß geringer als bei motor-betriebenen Richtanlagen (keine beweglichen Teile).
[50] Die Gegenmaßnahme zur Abwehr gegenüber UAVs ist in einem Zusatzmodul vorgesehen, einer gerichteten RF-Jammer Einheit. Diese stört die Steuersignale zwischen Pilot und UAV mittels eines direktionalen, gerichteten RF-Störsenders. Im Signal wird ein Sägezahn mit einer hohen Signalstärke an das UAV gesendet, wodurch die Verbindung zum Piloten unterbrochen wird, wodurch dieser die Kontrolle über das UAV verliert. Typischerweise landet das UAV oder fliegt zum Ausgangspunkt automatisch zurück.
[51] Auch im Stand der Technik sind bereits RF-Jammer bekannt, die allerdings bisher omnidirektionale Signale aussenden (z.B. Hersteller Apollo Shield), bei birektionalen Ansätzen manuell ausgerichtet werden müssen (z.B. Hersteller Battie) oder unmittelbar mechanisch mit dem Sucher verbunden sind (z.B. Hersteller Blighter).
[52] Der Vorteil des neuen Ansatzes liegt in der automatischen Ausrichtung der RF- Jammer Einheit anhand der 3D-Koordinaten durch das System. Ebenfalls handelt es sich um ein gerichtetes Signal, wodurch umliegende HF/RF-basierte Empfänger der gleichen Frequenz nicht gestört werden (z.B. wifi-Netzwerke). Da es nicht direkt im Erkennungs/Lokalisierungs-System integriert ist, kann das Zusatzmodul in besonders sicherheitsbedürftigen Arealen aufgestellt werden.
[53] Das System ist in der Art und Weise aufgebaut, dass mehrere Systeme miteinander verbunden werden können (Module). Ebenfalls hat jedes Modul eine Vorzugsrichtung für die Erkennung von UAVs und Piloten. Das sind ca. 120 ° Winkel mit einer Reichweite von ca. 500 m (aufgrund des RF/HF-Parts). Eine wesentliche Verbesserung der Güte in der Lokalisierung erfolgt ab ca. 200 m, sobald UAVs durch das Stereo-Camera-System erkannt werden können. [54] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Figur 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Figur 2schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
[55] Das lineare Antennenarray 1 weist mindestens 6 und hier im Ausführungsbeispiel 10 Elemente 2 bis 1 1 auf, die in einem gleichen Abstand 12 zueinander angeordnet sind. Dies ermöglicht es, zwischen verschiedenen Kombinationen von Elementen 2 bis 11 umzuschalten. Zwei Kameras 13 und 14, die in einem Winkel zueinander ausgerichtet sind, bilden ein Stereokamerasystem. Der Abstand er Kameras 13 und 14 liegt bei mindestens 0,5 m.
[56] Ein akustisches Array besteht aus zwei Sensoren 15 und 16. Die gesamte Vorrichtung ist in bzw. an einem Außengehäuse 17 angeordnet. Eine Einrichtung 18 zur Aufhängung des Moduls oder einer Aufstellung beispielsweise auf einem Stativ ist an einem Ende des Moduls vorgesehen.
[57] Die Figur 2 zeigt ein lineares Antennenarray 20 mit 1 1 Elementen 21 bis 31. Mit mindestens 0,5 m beabstandet sind zwei Kameras 32 und 33 angeordnet und die gesamte Vorrichtung wird am Ende gehalten.

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum Erfassen von Flugkörpern mit einem Stereo-Kamera-System und einem Hochfrequenzscanner, der ein lineares Antennensystem aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das lineare Antennensystem mehr als 6 Antennen aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antennensystem mehrer Antennen aufweist, zwischen denen umgeschaltet werden kann (Multiplexing).
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei in einem Winkel zueinander angeordnete lineare Antennensysteme aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einem akustischen Sensor aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Gehäuse aufweist, in dem das Streokamerasystem und das Antennensystem angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kameras des Stereokamerasystems mindestens 0,5 m beabstandet und in einem optischen Winkel zueinander angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine gerichtete RF-Jammer Einheit aufweist.
9. Verfahren mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antennensystem und das Kamera-System gleichzeitig genutzt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennen gleichzeitig genutzt werden.
1. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangssignale an den Antennen zeit- und phasensynchron digital ausgewertet werden.
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