Evaluation eines Konzepts zur akustischen Lokalisierung von Drohnen

Abstract

In den letzten Jahren stieg die Nutzung des Luftraums durch Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) deutlich an. Durch illegale Aufstiege teils unwissender und unerfahrener Piloten von UAVs erhöht sich auch die Anzahl gefährlicher Begegnungen mit bemannten Flugobjekten. Am deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wird ein System zur Abwehr von Drohnen einwickelt, das auf der Generierung von modifizierten Navigationssignalen basiert. Dieses Abwehrsystem benötigt eine möglichst genaue Position der UAVs. Die vorliegende Arbeit untersucht Parameter eines Konzepts zur akustischen Lokalisierung von Drohnen. Da UAVs (insbesondere Multikopter-Systeme / Drohnen) Schall aussenden, ist eine Richtungsschätzung mit Mikrofonarrays möglich. Mit Hilfe räumlich verteilter Mikrofonarrays und deren Richtungsschätzungen soll die Position der Drohne bestimmt werden. Geeignete Algorithmen zur Richtungs- und Positionsschätzung sollten im Rahmen dieser Arbeit untersucht und wesentliche Parameter des Systems aufgezeigt werden. In mehreren Messkampagnen wurden Audio- und Positionsaufzeichnungen verschiedenster Bewegungen von Drohnen gesammelt. Anhand dieser realen Messdaten wurden Eigenschaften von Algorithmen zur Richtungs- und Positionsschätzung untersucht. Zur Richtungsschätzung wurden die Algorithmen Steered Response Power (SRP), SRP-Phase Transform (PHAT) und Multiple Signal Classification (MUSIC) genutzt und zur Positionsschätzung Pseudolinear Estimator (PLE) sowie zwei Ansätze zur Minimierung der kleinste-Quadrate-Methode. Analytische Untersuchungen verschiedener Parameter untermauerten Einflüsse der Beobachtungen. Die folgenden Beobachtungen ließen sich dadurch aufstellen. Positionsschätzungen der Drohnen lagen mit mittleren horizontalen Abweichungen von der tatsächlichen Position im einstelligen Meterbereich. Mit zunehmendem Abstand zu den Richtungsschätzern vergrößert sich dieser Fehler. Lokalisierungen konnten in bis zu 40 m Entfernung durchgeführt werden. Durch Veränderung des Sensoraufbaus sollten auch größere Abstände erreicht werden können. Diese Arbeit zeigte, das die Genauigkeit der Ergebnisse stark abhängig ist von der Genauigkeit der Ausrichtung und akkuraten Einmessung der Mikrofonarrays. Es konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass die Bauform des Mikrofonarrays einen entscheidenden Einfluss auf die Genauigkeit der Richtungsschätzung und damit auch der Lokalisierungsgenauigkeit ausübt. Die Nutzung des hier verwendeten Uniform Circular Array (UCA)-Arrays hat sich als nachteilig für die Lokalisierung in der Höhe herausgestellt. Mit den präsentierten Ergebnissen konnte gezeigt werden, dass mit dem Konzept eine grobe Lokalisierung von Drohnen möglich ist. Zur Nutzung als alleinige Quelle für die Täuschsignalgenerierung sind die Abweichungen jedoch zu groß. Als Fusionierung mit anderen ergänzenden Lokalisierungssystemen bietet dieses Konzept das Potential zur Positionsbestimmung beizutragen. Auch als System zur frühen Erfassung von illegalen Aufstiegen könnte dieses Konzept die Drohnenabwehr beschleunigen.