Drone swarms: Teknologi mengubah permainan untuk aplikasi pertahanan

Abstrak:Swarming ialah teknologi yang mengganggu dan mengubah permainan yang melibatkan penggunaan kerjasama berbilang sistem tanpa pemandu dalam berbilang domain (darat, laut, udara, angkasa). Perkembangan dalam mikroelektronik baharu, panduan, navigasi, penderia dan teknologi kecerdasan buatan membolehkan mikro-drone kos rendah melaksanakan misi yang mencabar. Apabila digabungkan dengan proses membuat keputusan baru, penjejakan sasaran, teknologi komunikasi dan algoritma, kawanan boleh memberi impak yang besar di medan perang. Ia juga boleh digunakan untuk menyediakan keupayaan pengawasan berterusan dan tidak dapat dikesan serta keupayaan pertahanan kritikal, seperti memintas peluru berpandu jelajah. Artikel ini menerangkan aktiviti penyelidikan Eropah dalam bidang berkerumun dan menyelidiki implikasi penting yang mungkin ada untuk pertahanan.

Kata kunci: UAV, keupayaan autonomi, penjejakan sasaran, bimbingan dan kawalan, gabungan sensor

1. Gambaran keseluruhan

Kawanan UAV terdiri daripada pelbagai peralatan tanpa pemandu yang berbeza Mereka mempunyai keupayaan membuat keputusan, penjejakan sasaran, bimbingan dan kawalan, gabungan dan arahan sensor, dan boleh beroperasi sebagai sekumpulan "sistem" autonomi pintar. Setiap keupayaan dalam sistem koloni lebah juga boleh beroperasi secara bebas sebagai sistem autonomi pintar bebas

Mereka bentuk dron dengan kecerdasan yang diperlukan dan keupayaan autonomi dengan memanfaatkan perkembangan dalam peralatan tanpa pemandu, kecerdasan buatan (AI), komunikasi, bimbingan dan kawalan, gabungan sensor, aeroangkasa dan pengurusan trafik tanpa pemandu (UTM), dron ini boleh terbang dengan cara yang diselaraskan seperti kawanan lebah atau kawanan burung. Kumpulan dron sedemikian boleh membawa keupayaan mengubah permainan kepada syarikat pertahanan yang menggabungkan teknologi digital dan pintar. Kawanan dron juga boleh membantu Eropah meningkatkan keupayaan keselamatan dan mempunyai kesan mengganggu ke atas kawasan lain seperti pengangkutan bandar, pengurusan trafik tanpa pemandu, pemanduan autonomi dan peralatan tanpa pemandu

Dari segi pertahanan negara, penggunaan dron boleh mengurangkan risiko pejuang terdedah kepada persekitaran berbahaya dengan ketara. Dron mampu melakukan tugas yang membosankan dan susah payah seperti pemantauan berterusan kawasan besar (cth. Laut Mediterranean, sempadan Eropah). Dalam senario ketenteraan akan datang, dron juga boleh digunakan untuk mengelirukan dan menewaskan pihak lawan. Rajah 1 menggambarkan konsep kumpulan dron berbilang domain untuk perlindungan dan pengawasan aset bernilai tinggi seperti kem atau pemasangan tentera, yang dibangunkan pada 2016 di bawah projek perintis Agensi Pertahanan Eropah "European Swarm" (EUROWARM) yang pertama kali dicadangkan.

Rajah 1: Konsep kumpulan dron berbilang domain

2. Teknologi koloni lebah

Sekumpulan dron terdiri daripada sekumpulan dron autonomi atau separa autonomi yang boleh bekerjasama antara satu sama lain untuk mencapai matlamat bersama. Drone swarm boleh digunakan untuk pelbagai misi ketenteraan seperti peninjauan, pengawasan dan operasi mogok. Apabila ia datang kepada reka bentuk drone swarm, aplikasi ketenteraan mesti mempertimbangkan empat modul teknologi utama berikut. Daripada keupayaan penderiaan kepada protokol komunikasi dan penghalaan gerbong, setiap modul adalah penting untuk prestasi dan kestabilan drone berdengung.

1. Keupayaan persepsi: Keupayaan persepsi adalah penting untuk kumpulan dron. Keupayaan ini membolehkan kumpulan itu merasakan dan memahami persekitarannya, mengesan halangan, mengenal pasti sasaran dan mengekalkan kesedaran situasi. Keupayaan penderiaan yang berkesan membolehkan koloni lebah bekerja dalam persekitaran dinamik yang kompleks dan melaksanakan pelbagai tugas yang kompleks dengan cekap. Pembelajaran mesin dan teknologi kecerdasan buatan boleh meningkatkan keupayaan persepsi. Kawanan boleh mencapai kesedaran situasi yang tidak pernah berlaku sebelum ini melalui gabungan sensor.

2. Peruntukan tugas dan membuat keputusan: Peruntukan tugas dan membuat keputusan bebas adalah penting untuk kumpulan dron. Tugasan yang cekap memastikan setiap dron diberikan misi yang sepadan dengan keupayaannya, mengoptimumkan penggunaan sumber yang ada. Jika satu atau lebih dron gagal, kumpulan itu boleh mengisi kekosongan secara automatik, dan peruntukan tugas membantu penyebaran keputusan yang cepat, membolehkan kumpulan itu cepat menyesuaikan diri dengan persekitaran yang berubah-ubah. Pengagihan tugas juga membantu meningkatkan kebolehsuaian, kebolehskalaan dan mempercepatkan membuat keputusan, menjadikan kumpulan lebih berkesan dalam persekitaran yang dinamik dan tidak menentu. Melalui pertukaran data yang lancar antara dron dalam kumpulan itu, kumpulan itu dapat membuat keputusan yang lebih baik, yang meningkatkan penggunaan sumber yang cekap, kestabilan, toleransi kesalahan, kebolehsuaian dan kebolehskalaan.

3. Perancangan laluan dan pengelakan perlanggaran: Serombongan drone biasanya terdiri daripada sejumlah besar dron. Untuk mencapai operasi kawanan dron yang cekap dan selamat, perancangan laluan dan kaedah mengelakkan perlanggaran adalah penting. Teras perancangan laluan swarm adalah untuk mencari laluan terbaik bagi setiap dron untuk sampai ke destinasinya sambil mengelakkan halangan dan meminimumkan masa dan tenaga yang diperlukan. Pengelakan perlanggaran memastikan dron tidak akan berlanggar, membolehkan setiap dron berjaya menyelesaikan misinya. Contohnya, dalam misi pengawasan, perancangan laluan boleh mengoptimumkan laluan tindakan dron untuk meminimumkan kawasan bertindih dan meningkatkan liputan. Pada masa ini, terdapat pelbagai teknik untuk mencapai perancangan laluan dan mengelakkan perlanggaran, termasuk kaedah terpusat dan kaedah terpencar. Pendekatan berpusat melibatkan perancangan dron individu dan penyelarasan laluan semua dron dalam kumpulan itu. Pendekatan terdesentralisasi melibatkan setiap dron membuat keputusan perancangan laluan sendiri berdasarkan maklumat tempatan.

4 Komunikasi: Sekumpulan beroperasi secara optimum apabila komunikasi antara dron dalam kumpulan itu tetap terbuka dan tanpa berlengah. Melalui gabungan sensor, kawanan boleh memberikan maklumat determinisme tinggi dan resolusi tinggi. Protokol komunikasi yang berkesan membolehkan dron berkongsi maklumat seperti lokasi, status dan penugasan tugas, manakala penghalaan bertanggungjawab mencari jalan terbaik untuk penyebaran maklumat antara dron. Ini membolehkan kumpulan untuk bekerjasama, menyelaraskan tindakan dan berkongsi maklumat dalam masa nyata. Pada masa ini, terdapat pelbagai teknologi yang boleh melaksanakan protokol komunikasi dan penghalaan, seperti teknologi rangkaian ad hoc, teknologi rangkaian mesh dan teknologi penghalaan berbilang hoc. Rangkaian ad hoc membolehkan dron berkomunikasi secara langsung antara satu sama lain tanpa memerlukan infrastruktur tetap. Rangkaian mesh, sebaliknya, menggunakan dron untuk membentuk rangkaian dengan laluan berlebihan untuk komunikasi. Penghalaan berbilang hop boleh merealisasikan penghantaran geganti maklumat antara dron, dengan itu mencapai komunikasi jarak jauh.

Protokol komunikasi kumpulan dron boleh diselaraskan mengikut keperluan misi dan ciri kawanan untuk mencapai pertukaran maklumat. Pada masa ini, terdapat tiga pendekatan seni bina utama untuk mereka bentuk kumpulan dron tentera, termasuk:

1. Seni Bina Berpusat: Dalam pendekatan ini, operasi semua dron dalam kumpulan diselaraskan oleh entiti kawalan pusat, seperti stesen kawalan darat. Entiti kawalan pusat dapat berkomunikasi dengan kawanan dan mengumpul data, memproses data, dan membuat keputusan. Kaedah ini sesuai untuk koloni kecil dan tugas mudah.

2. Seni Bina Terdesentralisasi: Dalam pendekatan ini, tiada entiti kawalan pusat dan setiap dron dalam kumpulan itu dapat beroperasi secara bebas, membuat keputusan berdasarkan maklumat tempatan, dan berkomunikasi dengan komunikasi dron lain. Pendekatan ini sesuai untuk misi berkerumun berskala besar dan tugas lain yang sangat kompleks.

3.Seni Bina Hibrid:Pendekatan ini menggabungkan kelebihan seni bina terpusat dan terpencar. Dalam pendekatan ini, terdapat entiti kawalan pusat yang menyediakan navigasi peringkat tinggi untuk dron, manakala setiap dron dilengkapi dengan keupayaan membuat keputusan autonomi.

Kawanan UAV digunakan secara meluas dalam bidang ketenteraan dan boleh melakukan pelbagai tugas. Berikut ialah beberapa contoh utama jenis operasi swarm autonomi:

1. Liputan kawasan: Dalam operasi liputan kawasan, tugas kumpulan adalah mengimbas kawasan tertentu menggunakan penderia yang dilengkapi dengan dron. Dalam kebanyakan kes, liputan kawasan yang ideal ialah 100% dan dron mesti mengimbas kawasan itu sepenuhnya. Meliputi kawasan dengan berbilang dron boleh menghadapi beberapa masalah, dan cara biasa untuk menangani masalah ini termasuk menggunakan teknik penguraian untuk membahagikan kawasan fokus kepada satu set sub-kawasan dan menggunakan dron di setiap sub-kawasan. Untuk kawanan yang mengandungi pelbagai jenis dron, julat penderia, kebolehgerakan dron, dan julat mesti dipertimbangkan semasa proses penguraian kawasan untuk meningkatkan kecekapan sistem. Selepas setiap dron diberikan sub-kawasan, dron ini perlu merancang laluan mereka secara bebas dalam kawasan masing-masing. Kaedah perancangan laluan liputan termasuk liputan kawasan 2D, 3D dan berbilang dron.

2. Liputan Kawasan Komprehensif dan Berkekalan: Liputan Kawasan Komprehensif dan Berkekalan memerlukan penempatan kumpulan dron dan keupayaan mereka untuk menyediakan liputan sensor di seluruh kawasan tertentu sepanjang misi. Drone dalam kawanan harus membentuk formasi berdasarkan lokasi penderia mereka dan kemungkinan ciri persekitaran (seperti halangan atau kawasan oklusi). UAV dalam kumpulan itu digunakan secara statik atau dinamik apabila ciri serantau atau kawasan pemantauan berkembang dari semasa ke semasa. Tujuan utama adalah untuk mereka bentuk corak pembentukan yang mencapai liputan statik penuh dengan bilangan dron yang minimum.

3 Pencarian kawasan: Dalam operasi pencarian kawasan, tugas kumpulan dron biasanya mencari sasaran tertentu di kawasan utama. Dalam operasi ini, liputan lengkap kawasan tidak diperlukan. Kawanan mesti mengenal pasti sasaran di kawasan itu dalam masa yang sesingkat mungkin. Drone dalam kawanan mesti bekerjasama sepanjang misi, dan mereka akan menggunakan teknik membuat keputusan dan perancangan laluan dalam talian untuk meningkatkan prestasi sistem berdasarkan persepsi mereka sendiri terhadap alam sekitar dan tingkah laku dron lain. Algoritma carian kawasan swarm boleh digunakan untuk meramalkan kebarangkalian taburan sasaran. Algoritma kawanan bionik juga telah menarik minat saintifik dalam operasi carian kawasan.

4 Pengawasan kawasan: Operasi pengawasan kawasan memerlukan kawanan untuk terus memantau kawasan tertentu. Pengawasan kawasan biasanya digunakan untuk rondaan, pengawasan, pengesanan ancaman yang timbul atau dinamik dan keselamatan sempadan. Tindakan ini bertujuan untuk meminimumkan masa antara dua tempoh pemantauan yang panjang.

5. Penjejakan sasaran: Operasi pengesanan sasaran biasa melibatkan sasaran dan dron. Julat penjejakan dron adalah berdasarkan perancangan laluan dalam talian berdasarkan data penderia dan anggaran lokasi sasaran dan, dalam beberapa kes, gelagat ramalan sasaran atau lokasi masa hadapan. Drone mesti mengemudi sendiri supaya sentiasa mengikut sasarannya. Dengan pengenalan keupayaan kawanan, tugas pengesanan sasaran boleh diselesaikan oleh berbilang dron yang boleh menjejaki sasaran tunggal atau berbilang.

Reka bentuk kumpulan dron tentera memerlukan pertimbangan menyeluruh terhadap pelbagai faktor, termasuk keperluan misi, saiz kumpulan, keupayaan komunikasi dan sumber pengkomputeran

3 Permohonan projek koloni lebah

.

1 Sistem kenderaan udara tanpa pemandu yang rendah - "LOTUS"

.

Projek "Lotus" ialah projek European Defense Industrial Development Programme (EDIDP) yang terdiri daripada 9 syarikat dari Greece dan Cyprus dan 2 lagi syarikat dari Sepanyol dan Belanda. Projek itu, yang diketuai oleh lntracom Defense, telah dilancarkan pada Disember 2020 dan akan berlangsung selama 45 bulan. Pasukan projek Lotus telah mereka bentuk sistem udara tanpa pemandu termaju untuk misi pengintipan dan pengawasan udara taktikal. UAV mempunyai beberapa ciri utama, termasuk keupayaan senyap, keupayaan tempur stand-off, kelayakan udara, saling kendali berdasarkan piawaian NATO, dan komunikasi yang boleh dipercayai dengan mengambil kira keselamatan rangkaian. Selain itu, sistem ini secara meluas menggunakan teknologi kecerdasan buatan untuk memastikan ia dapat melaksanakan tugas yang kompleks dengan tepat. Kapal induk UAV yang direka oleh pasukan projek dilengkapi dengan pelbagai sensor inframerah, mempunyai daya pemerhatian yang rendah dan ketahanan yang lama, dan juga dilengkapi dengan sistem pertahanan diri untuk menangani ancaman musuh. Pembawa UAV boleh menggunakan empat UAV sayap lipat yang dilancarkan tiub dengan keupayaan autonomi termaju dan keupayaan untuk melaksanakan misi ISR ​​yang kompleks. Drone induk dan dron bersama-sama membentuk kumpulan dron yang berkuasa, yang boleh mencapai kerjasama tanpa kelewatan dan menyediakan data risikan dan pemantauan kritikal kepada pembuat keputusan di tapak. Dalam Rajah 2, tugasan perisikan (kiri) dan liputan kolaboratif (kanan) sasaran darat dilakukan oleh algoritma swarm yang dibangunkan di Universiti Patras.

Rajah 2: Contoh aksi drone swarm dalam projek "Lotus"

2 Autonomi, kumpulan dron boleh dikonfigurasikan semula untuk aplikasi pertahanan - "ACHILLES". Kandungan yang ditulis semula: ACHILLES ialah kumpulan dron autonomi yang boleh dikonfigurasikan semula untuk aplikasi pertahanan

Projek "Achilles" ialah projek Agensi Pertahanan Eropah yang dijalankan dengan kerjasama syarikat dan universiti di Greece dan Jerman. Projek ini dilancarkan pada Januari 2023 dan diketuai oleh Universiti Patras dan sekolah yang mengambil bahagian dalam projek itu termasuk ATOS, DroniQ, Scytalvs, Intracom Defense, Universiti Patras, Universiti Sains Gunaan Ingolstadt dan Universiti Athens. Projek ini bertujuan untuk menggalakkan pembangunan dan penggunaan kumpulan dron dalam sektor pertahanan dengan meningkatkan TRL kumpulan dron autonomi yang boleh dikonfigurasikan semula untuk misi pertahanan tertentu, dan untuk menunjukkan kumpulan dron untuk keupayaan pengawasan berterusan dan tahap kesediaan memerangi. Pasukan projek menemui pelbagai kelebihan dan aplikasi yang berpotensi untuk kumpulan dron, dan menggunakan ini sebagai inspirasi untuk mempromosikan projek Achilles. Kemajuan teknologi terkini membolehkan dron memperoleh data kritikal secara automatik untuk meningkatkan kesedaran situasi. Swarm dron autonomi dan boleh dikonfigurasikan semula boleh skala mempunyai keupayaan penyelarasan serantau yang sangat berkesan dan kebolehsuaian yang kuat untuk pelbagai acara. Hasil dan inovasi daripada projek itu dijangka merangkumi keupayaan dan kaedah pengerukan dron baharu untuk membolehkan penyepaduan dron yang selamat dan berkesan ke dalam ruang udara tentera dan awam. Keupayaan ini akan menyokong pematangan dan pengesahan sistem dan teknologi berasaskan swarm dron.

3. Operasi pengiring sistem tanpa pemandu - projek "PERINTAH". Kandungan yang ditulis semula: 3. Operasi pengiring sistem tanpa pemandu - "PERINTAH"

Projek "Command" ialah projek Dana Pertahanan Eropah (EDF) dengan penyertaan 21 syarikat dari 10 negara. Dilancarkan pada Disember 2022, projek tiga tahun itu diketuai oleh Sener Aerospace dan disokong oleh kementerian pertahanan tujuh negara. Kementerian pertahanan negara-negara ini juga menyediakan projek dengan keperluan asas untuk pembangunan projek. Matlamat projek ini adalah untuk membangunkan keupayaan kitaran hayat sistem (TLC) yang tangkas, pintar dan kolaboratif. Projek ini akan merangkumi beberapa sistem modular yang membolehkan keupayaan swarming melalui perkhidmatan berfungsi lancar dan pertukaran data. Sistem ini akan terdiri daripada kenderaan darat dan dron berawak dan tanpa pemandu. Untuk mengurangkan risiko projek, projek ini menggunakan pelbagai teknologi untuk membangunkan peta jalan kemampanan EU Defense TLC yang mampan sendiri. Akhirnya, projek itu akan menaik taraf kenderaan darat sedia ada dan diintegrasikan ke dalam kenderaan masa depan. Projek itu merancang untuk mengesahkan teknologi melalui penunjuk perasaan teknologi, yang akan dijalankan di makmal dan penunjuk perasaan mudah alih dalam senario kehidupan sebenar, dengan tumpuan untuk menyediakan pengiring bersenjata untuk konvoi yang menjalankan bekalan "last mile"

4. Pengaruh

Teknologi Swarm membolehkan sejumlah besar dron saling berhubung, merancang dan menetapkan objektif misi dengan berkesan, membuat keputusan taktikal yang diselaraskan dan bertindak balas secara kolaboratif kepada persekitaran dinamik dengan pengawasan yang minimum sambil membuat cadangan kepada pengendali. Apabila teknologi swarm semakin matang, aplikasinya dalam bidang ketenteraan juga sedang berkembang. Ramai yang percaya bahawa perkembangan kawanan boleh dibandingkan dengan pembangunan persenjataan ketepatan. Senjata yang dilengkapi ketepatan telah diuji dan diperhalusi pada 1970-an dan 1980-an, tetapi tidak muncul sehingga Perang Teluk pertama pada awal 1990-an. Penggunaan kawanan boleh menyebabkan sistem pertahanan berawak usang yang kini digunakan untuk pengawasan dan misi serangan altitud rendah dan sederhana. Dalam dekad yang akan datang, peralatan tanpa pemandu tunggal yang dikendalikan dari jauh seperti dron akan menjadi usang kerana sistem udara tanpa pemandu di udara, di darat dan di laut akan dapat menggunakan berbilang dron untuk bertarung dalam kumpulan, Ini memperluaskan jarak tempur dan jarak pengawasan , dan meningkatkan keupayaan ISTAR UAV dan keupayaan serangan untuk melaksanakan pelbagai misi.

5 Kementerian pertahanan multinasional NATO telah mengumumkan hasrat mereka untuk mengintegrasikan teknologi swarm dengan sistem senjata sedia ada, seperti jet pejuang F-35, jet pejuang generasi akan datang British Storm dan pesawat FCAS/sistem udara tanpa pemandu. Jelas bahawa teknologi swarm sedang disepadukan dengan keupayaan ketenteraan di seluruh dunia dan mula memberi kesan kepada keupayaan pertahanan negara. Swarm adalah teknologi ketenteraan utama yang secara langsung akan memudahkan pembangunan pelbagai bidang teknologi. Sebagai contoh, teknologi ini boleh mengoptimumkan teknologi kecerdasan buatan bagi kawanan tertanam dan sistem autonomi, dengan berkesan meningkatkan keselamatan, kecekapan dan keberkesanan operasi kerjasama sistem pertahanan yang beroperasi dalam persekitaran yang tidak berstruktur, berubah pantas, terhad dan konfrontasi. Seperti yang dilihat dalam perang Rusia-Ukraine dan konflik di Timur Tengah, teknologi kawanan mengubah peperangan melalui penggunaan kawanan dron dan amunisi yang berkeliaran. Oleh itu, pembangunan sistem swarm autonomi adalah penting untuk pertahanan, keselamatan dan kemakmuran Eropah.

Atas ialah kandungan terperinci Drone swarms: Teknologi mengubah permainan untuk aplikasi pertahanan. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!