Mikrosystemtechnische mobile Aufklärungssysteme: Vernetzte Einwegsensoren für die landgestützte Lageaufklärung (in German)

By Andreas Breitfeld

Mikrosystemtechnische mobile Aufklärungssysteme: Vernetzte Einwegsensoren für die landgestützte Lageaufklärung (in German)

Im Zuge der weiteren Transformation von Streitkräften in hochtechnisierte Armeen, die zu weltweiten vernetzten Operationen befähigt sind, werden unbemannte militärische Systeme (UMS) eine zentrale und zunehmend bedeutende Rolle einnehmen. Zukünftig könnten kostengünstige mikrosystemtechnische Sensorsysteme mit bauartbedingt geringen Energie- und Materialbedarf als vernetzte Sensoren für die landgestützte Lageaufklärung eingesetzt werden um echtzeitnahe, umfassende und ebenengerecht aufbereiteten Lagebilder von Einsatzgebieten verfügbar zu machen. Einen entsprechenden Ansatz stellt das Aufklärungssystem WOERMS (Wireless Optical Electrorheological Micro-Sensorsystem) dar welches an der Universität der Bundeswehr in Hamburg entwickelt wird.

Bedeutung abstandsfähiger Lageaufklärung

Die Komplexität von militärischen Einsatzlagen und die Geschwindigkeit ihrer Änderung haben in der Vergangenheit stetig zugenommen. Reichte es noch in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts aus, operative Entscheidung ausschließlich auf Grundlage von oft mehrere Tage alten optischen Aufklärungsergebnissen, sowie veralteten Karten und ungenauen meteorologischen Daten zu treffen, so treten heute verstärkt Einflussfaktoren wie Lage der Zivilbevölkerung, Lage im Welt- und Cyberraum, eine detailliertes Luftlagebild, sowie die Lage im elektromagnetischen Spektrum hinzu. Darüber hinaus muss heute auch von Entscheidungsträgern der taktischen Führungsebenen stets davon ausgegangen werden, dass einzelne Entscheidungen nicht nur die Lage vor Ort beeinflussen, sondern bis auf die internationale politische Ebene Wirkungen entfalten können.

Für die Vorbereitung einer Entscheidung muss der Entscheidungsträger deshalb stets über ein aktuelles, umfassendes, detailliertes und für einen Bedarf angepasstes gemeinsames rollenbasiertes Einsatzlagebild (GREL) verfügen. Aufklärungsergebnisse, die als Grundlage für eine kontinuierliche Aktualisierung eines GREL dienen, werden in verschiedenen Eindringtiefen durch unterschiedliche land- und luftgestützte Mittel und Systeme gewonnen. Es entsteht ein komplexes Netz aus sich überlappenden Fähigkeiten und Kapazitäten.

Entwicklungsumfeld unbemannter Aufklärungssysteme

Unbemannte militärische Systeme (UMS) sind im Verlauf der letzten zwei Jahrzehnte in wachsendem Umfang in vielen Streitkräften eingeführt worden. In zahlreichen Einsätzen hat sich gezeigt, dass sie dazu beitragen können, die Fähigkeiten der Truppe deutlich zu steigern sowie ihre operativen Möglichkeiten zu verbessern. UMS übernehmen Aufgaben, die für das Personal besonders gefährlich sind und führen Missionen in schwer zugänglichen Gebieten durch. Als Assistenzsysteme entlasten sie den Menschen von anstrengenden Tätigkeiten oder von Routineaufgaben. Mit ihrer Hilfe können auch riskante Aufklärungsmissionen, die Suche und die Abwehr von Kampfmitteln aus sicherer Entfernung sowie der unbemannte Transport gefährlicher Güter effektiver erfolgen. Technologische Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der unbemannten Systeme verbinden sich aus der Sicht der Streitkräfte mit der Erwartung, die Soldaten bei Aufträgen mit hohem Gefährdungspotenzial noch besser zu entlasten.

UAV (Unmanned Aerial Vehicles)
Unmanned Aerial Vehicles, UAV, sind die mit Abstand wichtigste Gruppe der unbemannten Aufklärungsmittel. UAV eignen sich aufgrund ihrer Geschwindigkeit und der weniger komplexen Navigationssysteme im Allgemeinen gut zu Raumüberwachungs- und weitreichenden Aufklärungsmissionen. Sie sind lediglich mit einem erhöhten Aufwand physisch oder durch elektromagnetische Störmaßnahmen abzufangen und haben eine allgemein niedrige eigene Detektierbarkeit. Überdies besitzen größere UAV eine geringe Vorwarnzeit und ein hohe Eindringtiefe. Wesentliche Nachteile beim Einsatz von UAV sind die vergleichbar niedrigen Einsatzdauern und die Anhängigkeit von Umwelteinflüssen.

UGV (Unmanned Ground Vehicle)
Unmanned Ground Vehicle, UGV, sind bodengebundene, eigenbewegliche und mit unterschiedlichen Autonomiegraden ausgestattete Einsatzmittel. Sie sind in der Regel als Manipulatorsystem ausgelegt und werden kabelgebunden oder über eine Funksteuerung von einem Operator gelenkt.

UGV zeichnen sich vor allem durch ihre hohe Beweglichkeit und Flexibilität am Boden, die weitgehende Robustheit in Bezug auf Witterungseinflüsse und ihre gute Eignung für den Einsatz in urbanem Gelände aus. UGV sind in der Lage, auch akustische Aufklärung innerhalb von Gebäuden zu liefern und können demzufolge wertvolle Informationen über Personen und Objekte in einem urbanen Einsatzraum sammeln.

 UGS (Unmanned Ground Sensor)
UGS, Unmanned Ground Sensor, sind Systeme, die entweder als abstandsfähige, luftver-brachte nicht-mobile Sensornetzwerke oder als taktische Einsatzsysteme zur Nahbe-reichsaufklärung, wie zum Beispiel das in die Bundeswehr eingeführte System BOSA (Bo-densensorausstattung) der schwedischen Firma EXENSOR ausgeführt. UGS sind in der Lage, mit verschiedenen Sensorsystemen ausgestattet zu werden. Das System BOSA verfügt über einen passiven Infrarotsensor (PIR) und zwei Akustiksensoren, die sowohl Personen als auch Fahrzeuge in bis zu 20 m Entfernung erkennen und differenzieren können. Taktische UGS werden händisch ausgebracht und besitzen daher nur eine geringe Abstandfähigkeit.

Einsatz unbemannter Systeme in Landoperationen

Der Einsatz der Bundeswehr in friedenserhaltenden, -stabilisierenden und -erzwingenden Operationen im Rahmen von NATO, UNO oder EU erfordert für die Landstreitkräfte die Fähigkeit, Räume zu beherrschen und dadurch Entscheidungen am Boden herbeizuführen. Hierfür schafft der Verbund Aufklärung – Führung – Wirkung eine wesentliche Voraussetzung. Dazu gehört insbesondere die Verfügbarkeit eines echtzeitnahen, umfassenden und ebenengerecht aufbereiteten Lagebilds des Einsatzgebiets. Hierdurch kann Informationsüberlegenheit als Voraussetzung für Führungs- und Wirkungs-überlegenheit gewonnen werden. Das frühzeitige Identifizieren und ggf. Ausschalten von Bedrohungen auch auf weite Entfernung dient zugleich dem Schutz der eingesetzten Kräfte. Unbemannte Systeme können zur Erreichung dieser Ziele effektiv beitragen: Durch die räumliche Trennung von Mensch und Maschine kann der Schutz der eigenen Truppe erheblich erhöht werden. Die hohe Verfügbarkeit und Ausdauer der Systeme bewirken eine verbesserte Durchhaltefähigkeit der Truppe. Die Einführung fliegender unbemannter Systeme im Bereich der luftgestützten Aufklärung sowie von bodengebundenen (eigenbeweglichen und nicht eigenbeweglichen) Systemen zur Aufklärung und Kampfmittelabwehr in die Bundeswehr ist bereits erfolgt. Die Beschaffung von luftgestützten, unbemannten Systemen für den Bereich Kampf wird diskutiert. Bodengebundene unbemannte Systeme weisen gleichwohl spezifische Stärken auf, u. a., weil die Dauer ihres Einsatzes gegenüber operativer UAV in der Regel höher ist. Sie sind zudem weitgehend witterungsunabhängig einsetzbar und in der Lage, Objekte aufzuklären, die sich durch Bewuchs, Bebauung oder künstliche Tarnung der Aufklärung aus der Luft entziehen.

Vorteile mikrosystemtechnischer UMS

Die Mikrosystemtechnik nimmt eine bestimmende Rolle bei der Erarbeitung von Lösungen für eine Vielzahl von gesellschaftlichen Problemen ein. Beispielsweise trägt der Einsatz von Mikrosystemen in der Steuerungs- und Regelungstechnik wesentlich zur Umsetzung der Energiewende, der Steigerung der Sicherheit im Verkehrssektor durch Assistenzsysteme sowie zur Verbesserung von medizin-technischen Produkten bei. Wesentliche Ursachen für die Signifikanz dieser Schlüsseltechnologie sind neben dem stetig zunehmenden betriebswirtschaftlichen Kostendruck auf die Unternehmen vor allem die steigenden Ansprüche der Kunden an das technische Endprodukt und die damit verbundene Forderung nach stärkerer Miniaturisierung und höherer Integrationsdichte in nahezu allen Produktbereichen. Die Mikrosystemtechnik stellt dazu mikromechanische, -mechatronische, -optische und fluidische Sensor- und Aktorsysteme zur Verfügung, die sich durch kleine Abmessungen bei gleichzeitiger hoher Funktionsdichte auszeichnen. Diese Produkte tragen dem gestiegenen Umweltbewusstsein der Verbraucher durch einen niedrigen Ressourceneinsatz bei Herstellung und Betrieb Rechnung.

Mikrosystemtechnische Produkte besitzen gegenüber makrotechnischen Lösungen folgende prinzipielle Vorteile:

  • geringen Materialbedarf durch kleinere Bauvolumen,
  • neue Funktionalitäten (Integration elektrischer und nichtelektrischer Funktionen),
  • geringen Energie- und Leistungsverbrauch,
  • kurze Reaktionszeiten (kurze Informationswege, kleine Massen, geringe thermische Trägheit),
  • hohe Zuverlässigkeit (Wegfall von Steckern und Kabeln),
  • hohe sicherheitskostengünstige Massenfertigung (Nutzung der Technologien der Mikroelektronik).

Die Entwicklung der Mikrosystemtechnik hat ihren Ursprung in dem Ziel, die großen wirtschaftlichen Erfolge der auf den Eigenschaften der Mikroelektronik beruhenden digitalen Revolution auch auf nichtelektronische Bereiche zu übertragen. Dabei wurde versucht, unter Anwendung gleicher oder ähnlicher Entwurfskonzepte, Fertigungsverfahren zur Mikrostrukturierung und Materialien auch mechanische, optische, fluidische, chemische oder biochemische Systeme zu entwickeln, die sich ähnlich am Markt durchsetzen sollten wie mikroelektronische Produkte.

Bereits zu Beginn der 1980er-Jahre wurden vorwiegend miniaturisierte Sensoren, wie z. B. Beschleunigungssensoren in Airbag-Systemen und erste Mikroaktoren entwickelt. In der Folge wurden zunehmend komplexere mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS), bis hin zu hochintegrierten mikro-opto-elektro-mechanische Systemen (MOEMS), wie Schreib-Leseköpfe für Festplatten, Gaschromatografen, Multisensorchips zur Gebäudeüberwachung und chemische Analysesysteme vorgestellt. Das Innovationspotenzial mikromechatronischer und speziell mikroaktorischer Systeme ergibt sich aus den funktionalen, räumlichen und technologischen Integrationen von Funktionselementen und Funktionsgruppen (wie z. B. Sensoren, Aktoren, Mikrorechnern). Die technische Erzeugung von translatorischer bzw. rotatorischer Bewegung wird in Mikrosystemen durch Antriebe (Aktoren) realisiert. Mithilfe von Aktoren lassen sich Energieflüsse oder Volumenströme zielgerichtet steuern.

Konzeptionelle Betrachtung eines mikrostrukturierten UMS

Das Aufklärungssystem WOERMS (Wireless Optical Electrorheological Micro-Sensorsystem) ist ein militärischer Technologieträger, an dem Einzelkomponenten aus allen für autonome Robotik wesentlichen Technologiebereichen entwickelt und getestet werden können.

Herzstücke des mobilen Sensorsystems bildet das Antriebsmodul, welches sowohl die Bewegung der Systeme nach der Bewegungsstrategie der propulsiven Peristaltik, als auch die Positionierung der Sensoren vornimmt.

Das Aufklärungssystem ist modular gemäß dem Steckpuppenprinzip auszulegen, um den Gesamtbauraum zu minimieren und somit Reichweite und Geschwindigkeit zu maximieren. Dabei sind die Subsysteme mit differenten Sensoren auszustatten. Die Subsysteme und Komponenten des Aufklärungssystems sind möglichst als Single-Use-System auszulegen. Folglich sind die einzelnen Komponenten zwar so robust wie nötig, jedoch auch so preisgünstig wie möglich zu fertigen. Die Subsysteme werden nach ihrem Einsatz konzeptionell nicht wiederverwendet.

Durch den Einsatz von generativen sowie urformenden Fertigungsverfahren zum Erzeugen möglichst nachbearbeitungsfreier, monolithischer Endkomponenten, der Nutzung von Kunststoffen als Hauptkonstruktionswerkstoff sowie der Reduzierung der Komponentendimensionierung auf das notwendigste Maß können die Herstellungskosten der Einzelkomponenten minimiert werden.

Das Aufklärungssystem wird vor dem Hintergrund einer Fähigkeitsergänzung im Bereich der durchhalte- und abstandsfähigen Lage-, Ziel- und Wirkungsaufklärung auch im urbanen Gelände entwickelt. Durch die Kombination vorteilhafter Eigenschaften von UAV, UGS und UGV (siehe Abbildung 1) in einem System werden Innovationspotenziale ausgeschöpft. Das Aufklärungssystem ist aus verschiedenartigen Subsystemen aufzubauen, um die gegensätzlichen Forderungen bezüglich Geschwindigkeit, Reichweite und bodengebundener Geländefähigkeit optimal und möglichst innovativ zu erfüllen. Es ist in der weiteren Entwicklung zu entscheiden, welche Bewegungsstrategie die mobilen Sensorsysteme nutzen.

Abbildung 1 zeigt die konzeptionelle Verortung des Aufklärungssystems WOERMS. Als Hybridsystem kombiniert das an der Universität der Bundeswehr, Hamburg, entwickelte System die wünschenswerten Merkmale der traditionellen Systeme.

Das Aufklärungssystem WOERMS wird als mehrstufiges, abstandfähiges, modulares und mobiles Aufklärungssystem für den Einsatz in allen Operationsarten konzipiert. Speziell in Stabilisierungsoperationen geringer bis mittlerer Intensität kann es dazu beitragen, einen überdehnten Raum in Echtzeit durchhaltefähig zu überwachen, kurzfristig Aufklärungs- und Erkundungsschwerpunkte zu bilden und den Einsatz von Wirkmitteln durch Ziel- und Wirkungsaufklärung zu unterstützen.

Für die Erfüllung dieses umfassenden Anforderungsprofils muss das System in der Lage sein, nach kurzer Vorwarnzeit sehr schnell einen Einsatzraum zu erreichen und dort möglichst unerkannt eigenbeweglich geeignete Aufklärungsstellungen zu gewinnen. Um die schnelle Verbringung des Systems in den Einsatzraum einerseits und die möglichst unerkannte und zumindest teilautonome Bewegung der Einzelsysteme im Einsatzraum andererseits sicherzustellen, ist eine mehrstufige Verbringungsvariante auszuwählen. Durch die Nutzung mehrerer getrennter Bewegungssysteme wird eine bestmögliche Umsetzung der operativ-technischen Fähigkeitsforderungen an das Gesamtsystem bezüglich jeder einzelnen Phase erzielt.

Das Aufklärungssystem WOERMS wird als Sensornetzwerk mit bodengebundenen mobilen Sensorsystemen (MSS) in einem Sensornetzwerk und einer stationären Bodenkontroll- und Relaisstation (BKR) (siehe Abbildung 2) entwickelt.

 

 

Abbildung 2 zeigt ein Referenzszenario für das Aufklärungssystem WOERMS

Als Trägermittel für die Verbringung der bodengebundenen Subsysteme kann ein UAV oder ein Marschflugkörper eingesetzt werden. Nach der Landung ist die Eigenbeweglichkeit der mobilen Sensorsysteme so sicherzustellen, dass zum einen ein genügender Abstand zwischen den Landepunkten der Module und der Aufklärungsstellung hergestellt werden kann und zum anderen Aufklärungsmissionen auch in Gebäuden, Tunneln oder anderen überbauten Einrichtungen durchgeführt werden können. Die Aufklärungsergebnisse werden drahtlos von der BKR an die mobile Basisstation auf dem Gefechtstand des Aufklärungsbedarfsträgers zur vertieften Auswertung gesendet. Ein UAV kann als Relais für diese Übertragung in den Datenstrom eingebunden werden. 

Andreas Breitfeld
Offizier

Dr. Andreas Breitfeld war von 2012 - 2015 wissenschaftlicher Mitarbeiteroffizier am Laboratorium Fertigungstechnik der Helmut-Schmidt-Universität in Hamburg. Danach diente er von 2015- 2017 als Kompaniechef beim 2./ Aufklärungsbataillon 6 „Holstein“ (dabei Einsatz als Kompaniechef multinationale Aufklärungskompanie ASIFU-MINUSMA in Gao, Mali). Seit 01.04.2017 ist er Leiter des Ausbildungsteams „Aufklärungstruppen“, Gefechtsübungszentrum des Heeres in Letzlingen.