Ukraine-Krieg auf allen Frequenzen: Wie funktioniert ein Drohnenscanner?

Russland setzt täglich Tausende First-Person-View-Drohnen (FPV) gegen die Ukraine ein. Dabei werden Drohnen, die an Kameradrohnen von Hochzeiten oder Firmenfeiern erinnern, mit Bomben ausgestattet und fliegen mit mehr als 100km/h auf ihr Ziel zu. Der Pilot steuert sie meist mit einer Funkfernbedienung, die Kamera sendet ein Videobild zur Kontrolle zurück. Diese Funkwellen kann man erkennen und so vor anfliegenden Drohnen warnen. Aber im Detail ist es wesentlich komplizierter.

Ferngesteuerte Quadrokopter, also Hubschrauber mit vier gleich großen Rotorblättern, kann man seit mehr als 20 Jahren kaufen. Der Preis ist dabei in den vergangenen Jahrzehnten immer weiter gesunken. Erst gab es Modelle für Spezialanwendungen für sechsstellige Beträge, dann gab es sie für dreistellige Beträge als Weihnachtsgeschenk und nun als Bomber-Drohnen im Krieg für 500 Euro. Derzeit fliegen rund 5.000 Einwegdrohnen täglich an der ukrainischen Front in die eine oder andere Richtung. Die russische Armee jagt dabei alles, was sich bewegt. Auch Mitglieder der Berlin Story, wenn wir vor Ort sind. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Drohnen mit Störsendern („Jammern“) zu stören – jedoch wird das immer schwieriger. Die einfachere Möglichkeit ist, zuverlässig zu wissen, wann eine Drohne kommt. Dafür benutzt man einfache Funk-Scanner, welche die Funkwellen der Drohne erkennen.

Funkwellen und Frequenzen

Funkwellen kennt man im Alltag vom Autoradio, früher vom Fernseher oder vielleicht sogar noch die verschiedenen Bänder, über die WLAN funktioniert. Die Frequenz gibt dabei an, wie oft in der Sekunde die Funkwelle auf- und abschwingt. Funkwellen auf verschiedenen Frequenzen stören sich normalerweise nicht, mehrere Signale auf der gleichen Frequenz allerdings schon. Damit man sich nicht versehentlich stört, sind Frequenzen überall auf der Welt reguliert. Gängig ist z.B., dass von 88–108 MHz das (Auto-)Radio läuft, etwas darüber der Flugfunk, bei 433 MHz kommen einfache Funkgeräte, rund um 1.000 MHz Handy-Signale.

Vereinfacht gesagt sind niedrige Frequenzen einfach zu erzeugen, haben eine hohe Reichweite und können wenig Daten bewegen – sie haben eine geringe Bandbreite. Dazu zählt z.B. das Radio. Die Wellen auf 90 MHz gehen durch die ganze Stadt, aber transportieren nur Sprache und Musik. Das WLAN auf 2.400 MHz hingegen hat weniger Reichweite, kann aber mehr Daten transportieren. So kann die ganze Familie gleichzeitig ihre Streams im Internet schauen. 

Einige Frequenzen dürfen von Herstellern für Endkundengeräte benutzt werden, ohne dass diese einzeln angemeldet werden müssen. Wenn jedes Funkgerät und jede Funkklingel wie ein Radiosender angemeldet werden müsste, würde es kompliziert. Das ist auch der Grund, warum fast alle Drohnen zu Beginn des Ukrainekrieges einen dieser legalen Frequenzbereiche nutzten. Diese Drohnen waren einfach auf dem Markt verfügbar. Meist auf Frequenzen von 2.400 MHz und 5.800 MHz. Die Antennen dieser Drohnen senden in alle Richtungen gleich stark – man muss also nur innerhalb der kreisförmigen Reichweite der Antenne stehen, um das Signal zu empfangen.

Wobei es nicht immer exakt 2.400 MHz (2,4 GHz) und 5.800 MHz (5,8 GHz) sind. Damit gibt man vorwiegend den groben Bereich an. In diesem tummeln sich dann 5 bis 10 Kanäle, welche leicht oberhalb und unterhalb der genannten Frequenz liegen. Ein Beispiel: Im 5,8-GHz-Frequenzbereich gibt es Kanal 1 auf 5,705 GHz, Kanal 2 auf 5,685 GHz, Kanal 3 auf 5,665 GHz, Kanal 4 auf 5,885 GHz, und so weiter.

Aufbau und Nutzung der Scanner

Die ersten Drohnen, die im Ukrainekrieg im Einsatz waren, erhielten die Steuersignale vom Piloten oft auf 2,4 GHz und sendeten das Videosignal auf 5,8 GHz zurück. Genau für diese Videosignale gab es einfache, kleine Videoscanner für 30 Euro. Diese schaltet man ein, dann gibt es einen Suchlauf nach Signalen auf allen Kanälen im 5,8-GHz-Bereich und im besten Fall wird die Drohne sichtbar. Sieht man auf dem Monitor des Scanners das, was die Kamera der Drohne sieht, ist die russische Drohne in der Nähe. Das Problem entsteht, wenn man auf dem Monitor sich selbst sieht. Dann muss man sich verstecken, weil man im Visier der Drohne ist. Der Scanner ist dabei technisch unglaublich einfach, benötigt wenige Bauteile und ist einfach selbst zusammenzulöten. Er scannt innerhalb von etwa einer Sekunde 8 bekannte Kanäle immer wieder ab.

Das Absuchen („Scannen“) der Frequenzen kann man sich dabei vorstellen, wie das Ablaufen eines Flurs von Hotelzimmern. Jeder Kanal ist eine Hoteltür. Der Drohnenscanner „läuft“ in dem Fall also 10 „Zimmertüren“ ab und horcht, ob eine Drohne drin ist. Wenn er etwas hört, sagt er: „Hier ist etwas.“

Je mehr Frequenzen, je mehr Probleme

Allerdings wird es schnell kompliziert, denn zum einen kann man nur eine begrenzte Menge Drohnen auf einem Frequenzbereich fliegen, zum anderen ist das Ziel, dem Scanner auszuweichen. So wurden relativ schnell Drohnen genutzt, welche technisch ähnlich funktionierten wie die, die bereits im Dienst standen. Hier wurde die Anzahl der Frequenzen erweitert. Sie nutzen neben 2,4 GHz und 5,8 GHz auch 1,3 GHz und 3,3 GHz. Das Problem: Der Scan muss nun über knapp 200 Kanäle laufen, was länger dauert. Die ersten Videoscanner stammten aus dem Modellbau und waren für Hobby-Piloten gedacht. Diese standen mit ihrem Modellflugzeug mit Kamera neben dem Flugplatz, haben in Ruhe ihre Geräte eingerichtet, auf dem Monitor den richtigen Kanal eingegeben und gewartet, bis sie das Bild ihres Flugzeuges sahen. Oder sie haben ausnahmsweise den Sendersuchlauf benutzt, der dann eine Minute brauchte. Kein Problem, niemand hat es dort eilig. Aber im Krieg können Sekunden über Leben und Tod entscheiden.

Es mussten also Geräte her, die schnelle Prozessoren nutzen, um den Scan schneller durchlaufen zu lassen. Um bei der Hotel-Analogie zu bleiben: Auf der Suche nach dem Zimmer mit der Drohne müsste man jetzt mehrere Etagen ablaufen und rund 200 Zimmer. Da reicht ein normaler Mensch nicht mehr aus. Da braucht man einen Leistungssportler, um das schnell zu machen.

Heute wird das ganze Spektrum benutzt

In der Ukraine liefern sich die russische und die ukrainische Armee bei Drohnen ein Katz-und-Maus-Spiel. Schnell wurden Frequenzen von 1 GHz bis 6 GHz genutzt. Heute müssen Scanner etwa 100 MHz bis 8 GHz abdecken. Das heißt: Knapp 8.000 einzelne Frequenzen abscannen. Die einfachsten Videoscanner hatten noch Bauteile, die den Sendesuchlauf durchführen. Man konnte sie aufschrauben und mit dem Finger auf die Teile zeigen, die z.B. den 1,3-GHz-Scan machen, daneben den für 2,4 GHz und 3,3 GHz. Auch deswegen haben sie oft mehrere Antennen. Antennen, die nur einen Frequenzbereich abdecken müssen, sind auch einfacher und günstiger herzustellen. 

Scannt man einen Bereich von mehreren Gigahertz (GHz) ab, reicht das jedoch nicht mehr. Daher wurde bei den neuen Geräten auf ein SDR, ein Software Defined Radio (durch Software gesteuerter Sender oder Empfänger), gewechselt. Dabei nutzt man ein modernes Bauteil, welches mehr oder weniger alle Frequenzen erkennen kann. Das Teil wird von einem kleinen Computer gesteuert, der zum Beispiel anfragt: „Was hörst du eine Sekunde lang auf 5,8 GHz?“ Das SDR gibt den Datenblock dann an den Computer weiter, der die Daten auswertet und die nächsten Instruktionen gibt.

Ein SDR ist dabei kein Bauteil eines Herstellers, sondern bezeichnet diese Art von Technik. Es gibt also schnellere und langsamere. Optimal ist ein möglichst schnelles SDR, das ist wiederum teuer und verbraucht viel Energie. Und das SDR „sammelt“ die Daten nur. Man braucht also auch einen Mini-Computer im Gerät, welcher die Daten auswertet und in „Gefahr“ oder „keine Gefahr“ einteilt. Und das 8.000 Mal hintereinander in kurzer Zeit. Die aktuellen Geräte befinden sich also im Spannungsfeld zwischen Energieverbrauch, Preis und Leistungsfähigkeit.

Einfache Scanner suchen nicht speziell nach Drohnen

Moderne, einfache Scanner kosten 500–600 Euro und sehen aus wie kleine Funkgeräte. Sie nutzen ein SDR, um 100 MHz – 8 GHz zu scannen, und haben eine eingebaute Tabelle mit bekannten Drohnensignalen. Sie vergleichen die eingehenden Signale mit den bekannten Signalen und warnen den Nutzer entsprechend. Dazu muss der Scanner nicht mal die Details des Signals verstehen. Alltagsbeispiel: Das ist wie wenn man aus einem Hotelzimmer ein „Bonjour“ hört. Auch wenn man die Sprache nicht spricht, erkennt man: „Das ist Französisch.“ 

Die neueren Scanner nutzen ein paar Tricks, um den Scan schneller zu machen. Zum Beispiel muss man selten jeden Megahertz einzeln scannen, da das Signal der Drohne sich oft über 5–10 MHz ausbreitet. Scannt man nicht 1.001 MHz, 1.002 MHz, 1.003 MHz usw., sondern 1.000 MHz, 1.005 MHz, 1.010 MHz usw., spart man viel Zeit. Wenn ein schwaches Signal erkannt wird, kann man den Bereich noch einmal genauer scannen. Diese Scanner können oft 150–200 MHz pro Sekunde scannen, und benötigen knapp eine Minute für einen ganzen Frequenz-Durchlauf. 

Das Problem: Sie scannen nicht spezifisch nach Drohnen, sondern auch nach Radiofrequenzen, WLAN, Flugfunk und vielem mehr. Sie müssen schnell vergleichen, was für sie relevant ist und was nicht. Diese einfachen Scanner erkennen dabei immer wieder Digitalfunk oder andere Geräte als „Drohne“. Man bekommt also zu viele Warnungen. Und sie können einige moderne Protokolle nicht finden.

Um diesen Scannern und den Störsendern auszuweichen, wurden immer kompliziertere Techniken verwendet. Zum einen gibt es Drohnen, welche auf zwei Frequenzen parallel kommunizieren („Dual-Channel“). Wird eine gestört, geht es parallel auf der anderen weiter. Diese liegen dabei oft mehrere Gigahertz auseinander.

Der nächste Trick ist Frequenz-Hopping, also das schnelle Wechseln der Kanäle im Frequenzbereich. Dutzende Male pro Sekunde wechselt die Drohne den Kanal. Wenn der Scanner nicht genau in dem Moment auf genau der Frequenz vorbeikam, sieht er die Drohne nicht. Bei der Hotel-Analogie hieße das: Eine Person klettert die ganze Zeit außen über die Balkone von einem Zimmer zum anderen, während man drinnen von Tür zu Tür rennt, um sie zu finden. Mal trifft man sich, mal nicht.

Kommunikation zwischen Drohnen und Piloten ändert sich

Aber auch die Art, wie die Drohnen und die Piloten mit der Fernbedienung untereinander kommunizieren, ändert sich. Die frühen Protokolle, sozusagen die Sprache zwischen beiden Geräten, waren einfach. Man hat viele Daten ausgetauscht: Wo ist die Drohne? Was möchte der Pilot? Wo ist das Videosignal zu finden? Solange nur Modellbau-Flieger auf dem Flugplatz diese Protokolle nutzen, war das völlig in Ordnung. 

Mit der Zeit ist man darauf umgestiegen, die Menge an Daten, die hin- und hergeschickt werden, zu reduzieren. Der Pilot muss weiterhin gelegentlich Steuersignale senden, aber die Drohne antwortet nicht mehr jedes Mal mit „Ja, habe ich bekommen!“. Sondern nimmt die Signale stillschweigend an und setzt sie um. Die Drohne selbst meldet sich kaum noch – außer durch das Videosignal. Diese modernen Protokolle heißen zum Beispiel ELRS (ExpressLRS) oder TBS Crossfire. Aber auch hier wird permanent weiterentwickelt. So gibt es „Military-ELRS“, welches, wie der Name schon sagt, eine militärische Weiterentwicklung des verbreiteten ELRS ist. Das militärische Protokoll ist zum einen schwieriger zu finden, zum anderen noch resistenter gegen Störsender.

In Kombination heißt das aktuell: Die Drohne sendet weniger Signale und wenn, dann auf kontinuierlich wechselnden Frequenzen und in einer Art Geheimsprache, welche nicht sofort erkennbar ist. Ein Scanner kann sich also nicht mehr darauf verlassen, die Drohne auf einer Frequenz anzutreffen. Er muss sich Bruchstücke der Kommunikation merken und mit den auf anderen Frequenzen gefundenen Teilen zusammenbauen. 

Mehr Leistung durch teurere Scanner

Diese Probleme kann man mit mehr Leistung lösen. Teurere, moderne Geräte nutzen schnellere SDR, schnellere Prozessoren und mehr Arbeitsspeicher, um den Scan zu beschleunigen. Aber sie können die Signale oft auch genauer untersuchen und somit Fehlalarme reduzieren. Das Problem: Mit einem Akku, der dreimal so groß ist, wie beim einfachen Gerät, erreichen sie die gleiche Betriebszeit. Und sie werden warm und brauchen Lüfter. 

Eine weitere Funktion, die es bereits bei den ersten Videoscannern für 30 Euro gab und die wieder auftauchte, ist das Anzeigen der Drohnenvideos. Auf ihnen sieht man eine Liste der gefundenen Signale und kann auswählen, welches Videobild man ansehen möchte. Die Geräte können zwar einige der modernen Protokolle erkennen, aber die Zuverlässigkeit nimmt ab.

Ein großer Akku ist essenziell

Man braucht also erneut mehr Technik im Gerät und einen größeren Akku. Das hier gezeigte Gerät (SKL03-Scanner; ca. 6000 Euro) hat einen leistungsstarken Prozessor, der auch für einen durchschnittlichen Laptop reichen würde. Dadurch kann sich das Gerät mehr Daten beim Scan merken und versteckte Signale besser zusammenfügen. Um die Scanzeit zu optimieren, geht er mehrmals die wichtigsten Frequenzen durch, aber weniger oft die, die seltener benutzt werden. Beide Antennen des Scanners decken das gleiche Spektrum ab (300 MHz – 6 GHz). Sie können aber auch genutzt werden, um die Flugrichtung der Drohne zu erraten. Denn: Das Drohnensignal kommt an den Antennen unterschiedlich stark und leicht versetzt an. 

Bei wenigen Protokollen kann das Gerät sogar in das Signal zwischen dem Piloten und der Drohne schauen. Und so die Position von beiden erkennen und auf einer Karte anzeigen. Diese Funktionen sind aber so ressourcenhungrig, dass währenddessen der Scan nach weiteren Drohnen komplett stoppt. Ein ganzer Scan dauert hier nur 20 Sekunden, der riesige Akku reicht aber auch nur für drei Stunden. 

Was sehen wir nicht?

Auch wenn die modernen Scanner eine Menge finden, so bleibt weiterhin vieles im Dunkeln. Selbst bei den Funkdrohnen, welche den größten Teil der Drohnen ausmachen, werden nur 90 Prozent erkannt. Die oben genannten Techniken machen es den Scannern schwer. Zusätzlich gibt es immer mehr Glasfaser-Drohnen. Diese werden nicht per Funk, sondern per Glasfaser-„Kabel“ gesteuert. Die Faser ist dabei bis zu 75 Kilometer lang und in einem großen, oft schwarzen, Container unter der Drohne verstaut. 

Auch große Aufklärungs- oder Kamikazedrohnen werden meist nicht erkannt. Die von Russland oft benutzte Shahed-136/Geran-2 nutzt inzwischen gerichtete Antennen, welche nur in Richtung Russland zeigen. Die Drohnen fliegen oft auch einfach autonom nach einem vorgegebenen Pfad und stürzen anschließend zivile ukrainische Gebiete.

„Know your Enemy“ – wir forschen weiter!

Wir testen seit Jahren Dutzende Scanner gegen Dutzende Drohnen aus dem Kriegsgebiet. Wir können wenige finden, welche 90 Prozent der Drohnen erkennen – aber nie die gleichen 90 Prozent. Und der Wettlauf wird immer komplexer. Die Technik alleine kann einen nicht mehr retten. In unserer Kategorie „Know your Enemy“ erklären wir regelmäßig den Stand der Dinge. Die Drohnen erhalten wir regelmäßig aus der Ukraine. Die ukrainische Armee erlaubt uns die Besuche an der Front und erklärt, was sie zum Fundstück wissen. Scanner und Analysegeräte werden von uns beschafft und getestet.