Diehl Stiftung & Co. KG, 90478 Nürnberg

Verfahren zum Sensieren einer Bedrohung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des

Hauptanspruches, wie es Gegenstand der US 5,424,744 ist.

Jenes Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass es, ohne einer räumlichem Einweisung zu bedürfen, von einem potentiell gefährdeten, auch mobilen Objekt aus den hemisphärischen Luftraum schnell auf Eindringen eines Gegenstandes überwachen läßt, von dem eine Gefährdung ausgehen könnte. Realisiert wird das nach dem Prinzip des Passiv-Radars unter Nutzung der von den verfügbaren Navigationssatteliten-Sendern abgestrahlten, hoch zeitkonstanten kohärenten Signalstrukturen, die ebenso wie die Bahndaten der nichtgeostationären Satelliten bekannt sind. Deren aktuellen Empfangssignale werden im Vergleich zu den zu erwartenden Empfangssignalen hinsichtlich Irregularitäten wie insbesondere rückstreuabhängigen Sekundärsignalen ausgewertet, wie sie vom Einfliegen eines Gegenstandes in die übertragungsstrecken von den Satelliten- Sendern zum Empfänger des Objektes hervorgerufen werden. Die radarähnlichen Eigenschaften der Satellitenfrequenzen, hinsichtlich ihrer weitgehend geradlinigen Ausbreitung, und deren korrelationsfördernden

Modulationen (Spreizspektrum und Rauschperioden) unterstützen deren Eignung zur überwachung des Luftraumes nach dem Prinzip des multistatischen Radars mit passivem Sekundärstrahler. Hinsichtlich Einzelheiten wird auf jene Vorveröffentlichung verwiesen. Das gattungsgemäße Verfahren ist wegen der schon verfügbaren

Navigationssatelliten-Systeme ohne senderseitige Investitionserfordernisse weltweit einsetzbar. Es arbeitet passiv und deshalb ohne Eigengefährdung. Allerdings gestaltet sich nach erstem Auffassen eines verdächtigen Gegenstandes dessen fortlaufende Beobachtung recht zeitaufwändig, um Infor-

mationen über vor allem Geschwindigkeit (aufgrund von Frequenzmessungen), Entfernung (aufgrund von Laufzeitmessungen) und Position (relativ zum Standort desjenigen Satelliten, dessen Sender gerade empfangen wird) zu gewinnen, die für eine Entscheidung und dann das Einleiten einer eventuell notwendig werdenden Abwehrreaktion gegen den bedrohlichen Gegenstand benötigt werden. Das kann die für eine Schutzreaktion verbleibende Zeitspanne kritisch einschränken.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, das eingangs erörterte, an sich bewährte Verfahren ohne das Erfordernis, neue Technologien entwickeln oder auch nur einführen zu müssen, also mit ohne weiteres verfügbaren technologischen Mitteln in seiner Effizienz hinsichtlich der Aussagemöglichkeiten über aktuell anstehende Bedrohungsszenarien spürbar zu erweitern, um die Reaktionszeiten zu verbessern. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die wesentlichen im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Danach wird nicht mehr - jedenfalls nicht mehr nur - bei dem einen potentiell bedrohten stationären oder mobilen Objekt, wie einem Kraftwerk oder an Bord eines relativ niedrig und langsam fliegenden Versorgungsflugzeuges bzw. in einem Fahrzeugkonvoi zu Lande oder zu Wasser, aus den dort aktuell ermittelten Irregularitäten gegenüber den jeweils zu erwarteten Empfangssignalen die Bedrohungsanalyse durchgeführt; sondern dafür wird nun - auch - eine Vielzahl von großräumig verteilt mobil und insbesondere auch stationär betriebenen Empfangsstationen abseits des potentiell bedrohten Objektes eingesetzt. Jede dieser Empfangsstationen übermittelt die, vom jeweiligen Sender in den einzelnen nacheinander gerade erfassten Navigationssatelliten, empfangenen Signale oder daraus schon abgeleitete Irregularitäten zu Vergleichsanalysen an wenigstens einige der anderen Empfangsstationen und / oder an wenigstens eine Auswertezentrale.

Diese übermittlung erfolgt vorzugsweise über das Internet, weil ein Zugang in dieses weltweit funktionierende System an praktisch allen Orten sinnvoll stationär oder mobil betreibbarer Empfangsstationen problemlos gegeben ist; und weil darüber die ebenfalls stationär oder mobil betriebenen Auswerterechner zur

Analyse der empfangsseitig auftretenden Irregularitäten unmittelbar, also ohne

Anpassungserfordernisse praktisch zeitsynchron miteinander kommunizieren können.

Bei den zahlreichen einzelnen Empfangsstationen, oder in einigen wenigen gesondert betriebenen Auswertezentralen, erfolgt eine vergleichende Gegenüberstellung der festgestellten Irregularitäten. Markante Merkmalsextraktionen werden bestimmten, etwa in einer Wissensdatenbank gepflegten, Rückstreuverhalten typischer Bedrohungs-Gegenstände sowie deren

Bedrohungsszenarien zugeordnet, und die zeitlichen änderungen solcher Vergleichsinformationen lassen das Bewegungsverhalten des gerade interessierenden Gegenstandes erkennen. Aufgrund solcher Resultate können dann etwa erforderliche Vorsorgemaßnahmen wie Notabschaltung und Evakuierung des Kraftwerkes und seiner Umgebung oder Klarmachen von

Schutz- und Abwehreinrichtungen bzw. Ausweichbewegungsmanöver von Fahrzeugen veranlasst werden.

Wenn nämlich beispielsweise bei einer mobil oder stationär betriebenen Empfangsstation aktuell der Ausfall des erwarteten Empfangssignales von einem bestimmten Sender einer Sendergruppe, nämlich eines Satellitensystemes, festgestellt wird, dann ist aus dieser momentanen Irregularität allein noch nicht unbedingt ein sicherer Rückschluss auf die Tatsache einer Bedrohung oder gar deren Eigenart möglich. Wenn aber gleichzeitig bei einer ganz anderweitig positionierten Empfangsstation von eben diesem Sender ein - wenn auch vielleicht irreguläres - Signal empfangen werden kann, dann beruht der erwähnte

Signalausfall höchst wahrscheinlich nicht auf Absorption, sondern auf Totalreflexion auf dem Wege der Funkverbindung vom Sender zur Empfangsstation. Wenn deshalb abgefragt wird, in welcher Empfangsposition momentan bezüglich gerade dieses Senders ein signifikant erhöhter Empfangspegel auftritt, was höchst wahrscheinlich auf Empfang gerade des

Spiegelstrahles etwa von einer Stealth-Konfiguration beruht, kann daraus schon in gewisser Hinsicht auf die Struktur und / oder auf die räumliche Ausdehnung des fraglichen Gegenstandes geschlossen werden, um eine Warnung auszugeben oder erforderlichenfalls eine zeitnahe Abwehrreaktion vorzubereiten, zumal wenn auch anderweitig auftretende Irregularitäten diesen Schluss stützen.

Denn eine derartige Entscheidung ist desto fundierter zu treffen, je genauer sich ein Bild über die potentielle Bedrohung aus den unterschiedlichen momentanen Irregularitäten gewinnen lässt, die an ganz verschiedenen Orten zeitgleich aber praktisch nicht untereinander korreliert erfasst werden.

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Für die Auswertung ist es insbesondere nützlich, die bei flacher Einstrahlung auftretenden Irregularitäten zeitsynchron mit denen von steilem Einfall zu vergleichen. Für letztere wird in der nördlichen Hemisphäre zweckmäßigerweise auf die im Aufbau befindliche GALILEO-Sendergruppe zurückgegriffen, weil mit deren Satellitensystem schwerpunktmäßig die Lücke abgedeckt wird, die das äquatornäher operierende GPS-Satellitensystem hinterlässt. Die Einbeziehung des GPS-Satellitensystemes in die Auswertung ist andererseits gerade deshalb vorteilhaft, weil davon auf beispielsweise der nördlichen Erdhalbkugel große Flächen flach überstrichen werden. Ergänzend kann auf die noch verfügbaren Sender des GLONASS-Satellitensystemes zurückgegriffen werden, dessen weiterer Ausbau angekündigt wurde.

Darüber hinaus ist es hilfreich, bezüglich des, die aktuelle potentielle Bedrohung darstellenden, Gegenstandes die momentan hervorgerufenen Irregularitäten unter möglichst vielen räumlichen Aspekten, also an sehr weit auseinander liegenden Orten gleichzeitig zu erfassen und zu analysieren. Hierfür kann schon eine Gesamtschau von Beobachtungen seitens an jenen Orten stationär betriebener Empfangsstationen genügen, die über einige wenige Staaten verschiedener Erdteile verstreut positioniert sind und dort möglicherweise originär für ganz andere Aufgaben betrieben werden. Weil diese sphärische Standortverteilung dann auch eine genauere

Positionsbestimmung des aktuell interessierenden Gegenstandes ermöglicht, können Empfangsstationen mit besserer Antennenausstattung als eine marktgängige Satellitennavigationsempfangseinrichtung, insbesondere Einrichtungen mit hoch bündelnden Richtantennen, präzise auf die Raumkoordinate oder wenigstens den Raumsektor mit dem interessierenden da möglicherweise bedrohlichen Gegenstand eingewiesen werden. Mindestens eine solcher Einrichtungen sollte dafür ausgelegt sein, zum Gewinnen weiterer Erkenntnisse über die Struktur und die Kinematik des kritischen Gegenstandes, etwa eines im Anflug auf das gefährdete Objekt befindlichen Projektiles, wenigstens vorübergehend als Aktivradar betrieben zu werden. Diese

Radarstation sollte weit ab von der Position des potentiell bedrohten Objektes und seiner engeren Umgebung gelegen sein, so dass der vorübergehende Radarbetrieb, also die dann nicht gegebene Eigenverratssicherheit, keinerlei Gefährdung des aktuell möglicherweise bedrohten Objektes zur Folge hat.

Empfangsstationen, die nicht selbst eine Situationsanalyse aus dem Vergleich von Irregularitäten und deren zeitlichen Veränderungen vornehmen, sondern nur die Empfangssituation weitermelden, können außerordentlich preiswert betrieben werden, nämlich praktisch in der Ausstattung kommerziell erhältlicher Satellitennavigationsempfänger mit ihrer Antenneneinrichtung für einfache

Rundumcharakteristik. Sie wirken dann gewissermaßen als Wecksensoren, wenn in deren etwa an eine Auswertezentrale mehr oder weniger unbearbeitet übermittelten Empfangssignalen Irregularitäten bezüglich des aktuell vom empfangenen Sender zu erwartenden Empfangssignales festgestellt werden. Daraufhin können bedarfsweise für die Bedrohungsanalyse noch vertiefende

Beobachtungen aufgrund von Empfangssignalen weiterer Empfangsstationen freigeschaltet bzw. berücksichtigt werden.

Wenn von den Empfangsstationen wenigstens einige mit voneinander abweichenden Antennenstrukturen arbeiten, sind aus etwa gleichen Sachverhalten durchaus auch nicht übereinstimmende Irregularitäten für die

Signaturbewertungen zu gewinnen. Dadurch kann die Aussagekraft der Bedrohungsanalyse noch erhöht werden, da die erfassten Einzeleinflüsse dann je nach den apparativen Empfangsgegebenheiten unterschiedlich zu gewichten sind. Die zu beurteilenden Irregularitäten werden vorzugsweise durch monostatische und durch multistatische Auswertungen wenigstens nach Laufzeit, Amplitude, Dopplerverschiebung und Polarisationsverschiebung im vom kritischen Gegenstand gerade beeinflussten Empfangssignal gewonnen, nämlich in Relation zu dem für den jeweils gerade empfangenen Satellitensender bekannten und abgespeicherten oder bedarfsweise lokal synthetisch generierten

Sendesignal. Für höhere Auswertestufen kommen nach einer zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung in den Zentralen auch die in der Radartechnik bewährten bildgebenden Verfahren wie etwa nach dem ISAR-Prinzip (Inverse Synthetic Aperture Radar) zur Anwendung, um aus der Gesamtheit der einzelnen Erkenntnisse zu einer möglichst rasch konvergierenden Bedrohungsbeurteilung zu gelangen.

Bei dieser sehr großflächigen überwachung des Luftraumes werden zwangsläufig auch die Einflüsse erfasst, die etwa vom Linienflugverkehr auf den

Empfang von Satellitensignalen ausgeübt werden, also von Gegenständen, von denen keine Bedrohung ausgeht. Um daraus resultierende Fehlalarme zu

erkennen und möglichst zu unterbinden, ist es zweckmäßig den Luftraum in der engeren, etwa einige hundert Meilen überspannenden Umgebung eines potentiell bedrohten Objektes hinsichtlich der Kurse von darin operierenden Gegenständen in Form von Verkehrsflugzeugen zu beobachten und auszuwerten. Weil entsprechende Radaranlagen den Objekten regelmäßig nicht zur Verfügung stehen, wird hierfür zweckmäßigerweise ein gewissermaßen virtuelles Radarbild erstellt, wie es als solches aus dem Tracken der Bewegung von Verkehrsflugzeugen mittels UHF-Empfang und Dekodierung deren Transpondersignalen bekannt ist. Mittels eines einfachen UHF-Empfängers und entsprechender, ebenfalls kommerziell verfügbarer, Software lassen sich so

Informationen insbesondere über Identität, Flugnummer, Flugbahn, Position, Flughöhe und Bewegungsraten gewinnen, womit individuelle Azimuth- und Elevationsdarstellungen möglich sind. Zum Einweisen auf bestimmte bzw. zum Verifizieren bestimmter Verkehrsflugzeuge, die keine das zu schützende Objekt gefährdenden Gegenstände sind, kann ergänzend auch auf die über das Internet verbreiteten Flugdaten des zivilen Luftverkehrs zurückgegriffen werden.

Zusätzliche Weiterbildungen und Alternativen zur erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und - auch hinsichtlich deren Vorteilen - aus nachstehender Beschreibung der Skizze eines bevorzugten Realisierungsbeispieles zur Erfindung. In dieser auf das Funktionswesentliche abstrahierten Skizze zeigt

Fig.1 ein Beispiel für eine weltumspannende Verteilung von einigen wenigen

Auswertezentralen,

Fig.2 blockschaltbildartig die Ausstattung einer solchen Auswertezentrale und Fig.3 blockschaltbildartig das Zusammenwirken einer sehr großen Anzahl überregional verteilt betriebener Empfangsstationen mit den Auswertezentralen.

Ein praktisch weltumspannendes Netz aus relativ wenigen Auswertezentralen 11 weist im Beispielsfalle der Fig.1 etwa Standorte in Alaska, an der nordamerikanischen West- und Ostküste, in Mexiko, Feuerland, Grönland,

Nordfinnland, Russland, Süditalien, ägypten, Südafrika, Indien, Japan und Nordaustralien auf. Die Auswertezentralen 11 sind gemäß Fig.2 mit Auswerterechnern 12 für tatsächliche Empfangssignale 13 von mehreren gleichzeitig erfassten Navigationssatelliten 14 (Fig.3) bestückt, deren abgestrahlten Signale bekannt sind und zum Vergleich mit den gestörten Empfangssignalen 13 zur

Verfügung stehen. Die Auswertezentralen 11 sind miteinander über das Internet 15 vernetzt, um untereinander typische Bedrohungsszenarien 16 auszutauschen. Die resultieren aus in den Empfangssignalen 13 enthaltenen Störungen, welche von potentiell gefährlichen Gegenständen 17 herrühren, bei denen es sich insbesondere um Flugkörper in Kollisionskurs zu potentiell gefährdeten Objekten

18 handeln kann.

Die Empfangssignale 13 werden an die Auswertezentralen 11 , möglichst an mehrere parallel, über das Internet oder über Funkverbindungen von Empfangsstationen 19 geliefert, die, zufällig über die Regionen der Erde verteilt, beliebig kontinuierlich oder auch nur sporadisch arbeitend stationär oder an Bord von Luft-, Land- und Seefahrzeugen betrieben werden. Auch die Auswertezentralen 11 können mit Satellitenempfängem 20 ausgestattet sein, die Objekte 18 (insbesondere Luft-, Land- oder See-Fahrzeuge) sind es typischerweise ohnehin. Sie liefern - vorzugsweise auch über das Internet, aber auch z.B. über direkte Funkverbindungen - ihre momentanen Empfangssignale

13 an wenigstens die nächsterreichbare der Auswertezentralen 11 , vorzugsweise an mehrere Auswertezentralen 11 parallel.

Empfangsstationen 19', die nicht für an sich andere Aufgaben im Einsatz sind sondern speziell für das vorliegende Warnsystem betrieben werden, sind zweckmäßigerweise mit einer Vorverarbeitung ausgestattet, die nicht die bloßen aktuellen Empfangssignale 13 an Auswertezentralen 11 liefern, sondern im Interesse einer beschleunigten Bedrohungsanalyse schon hinsichtlich der interessierenden Kriterien vorverarbeitete Empfangssignale 13'. Vorzugsweise sind solche speziell betrieben Empfangsstationen 19' auch mit unterschiedlichen Antennen ausgestattet, um divergierende Merkmale in den gestörten Satelliten-

Empfangssignalen 13 erfassen und für die Bedrohungsanalyse auswerten zu können. In Fig.3 ist angenommen, dass diese aufwändiger als bloße Satelliten- Empfänger 20 ausgestatteten Empfangsstationen 19' im Interesse einer effektiveren solchen Vorverarbeitung auch untereinander, insbesondere wiederum über das Internet, kommunizieren, um ihre Analysen zu verifizieren.

über eine auf der Bahnverfolgung der Transponder von Verkehrsflugzeugen beruhende Identifizierungseinrichtung 21 kann hinsichtlich des interessierenden Gegenstandes 17 eine Grobklassifikation vorgenommen und dann gegebenenfalls eine Kollisionskurswarnung an den Gegenstand 17 und/oder das Objekt 18 abgesetzt werden.

Wenn im Zuge der passiven (deshalb eigenverratssicheren) Bedrohungsanalyse die Identität des Gegenstandes 17 oder sein Kurs noch unklar bleiben sollte, aber auch wenn schon voraussichtlich genügend Indizien für eine tatsächlich gegebene Bedrohung des Objektes 18 aus den Empfangssignalen 13, 13' extrahiert werden konnten, ist unter Umständen noch eine ergänzende aktive

Radaraufklärung ratsam. Damit wird von den Auswertezentralen 11 wenigstens eine Radaranlage 22 beauftragt, die weit von dem Objekt 18 entfernt liegt, um dieses nicht zu gefährden, und die außerdem nicht auf dem Kurs des Gegenstandes 17 liegt, um selbst möglichst nicht gefährdet zu sein. Die Effektivität des eigenverratssicheren Verfahrens zur Bedrohungsanalyse nach dem Prinzip des Passivradars unter Verwendung der Sender in Navigationssatelliten 14 wird also ohne Einsatz wesentlichen technologischen Mehraufwandes noch außerordentlich gesteigert, wenn erfindungsgemäß etwa in über weite Regionen verteilt betriebenen Empfangsstationen 19 mit einfachen Navigationssatelliten-Empfängern 20, vorzugsweise ausgestattet mit unterschiedlichen Antennencharakteristiken, gewissermaßen als Wecksensoren ihre Empfangssignale 13 zur Auswertung auf etwaige momentane Irregularitäten im Vergleich zu den zu erwartenden Empfangssignalen an wenigstens eine Auswertezentrale 1 1 übermitteln, in der auch eine Gegenüberstellung zu anderweitig gerade festgestellten Irregularitäten stattfindet. Ergebnisabhängig können dann ohnehin verfügbare, stationär oder mobil betriebene Radaranlagen 22 mit ihren höherwertigen Antennenanlagen raumgerichtet zum Einsatz kommen, um präzisere Aussagen über den durch sein Rückstreuverhalten die Irregularitäten bewirkenden und deshalb auffallenden Gegenstand 17, etwa ein Luftfahrzeug oder ein Projektil, sowie die von ihm möglicherweise ausgehende

Bedrohung einer möglichen Zielregion bzw. eines darin befindlichen mobilen oder stationären gefährdeten Objektes 18 zu gewinnen und danach über aktuell notwendige Schutz- oder Abwehmaßnahmen entscheiden zu können.

Bezugszeichenliste

11 Auswertezentrale (mit 12)

12 Auswerterechner (in 11 )

13 Empfangssignal (von 14)

14 Navigationssatellit (liefert 13)

15 Internet 16 Bedrohungsszenario (aus 13, von11)

17 potentiell gefährlicher Gegenstand (auf Kollisionskurs mit 18, stört 13)

18 potentiell gefährdetes Objekt

19 Empfangsstation (mit 20)

20 Empfänger (für 13) 21 Identifizierungseinrichtung

22 Radaranlage