ZINTEGROWANA SIEĆ SENSORÓW JAKO ELEMENT WSPOMAGAJĄCY DZIAŁANIA PKW W OPERACJACH STABILIZACYJNYCH mgr inż. Edward GOLAN, mgr inż. Adam KRAŚNIEWSKI, mjr dr inż. Janusz ROMANIK, mgr inż. Paweł SKARŻYŃSKI Wojskowy Instytut Łączności Streszczenie Artykuł jest odpowiedzią na rosnące potrzeby w zakresie zdolności rozpoznania współczesnego pola walki i identyfikacji zagrożeń. Automatyczne wykrycie, rozpoznanie i identyfikacja potencjalnych celów wymaga zastosowania wielu sensorów elektronicznych i optoelektronicznych. Przykładem systemu integrującego sensory jest Wielosensorowy System Rozpoznania i Dozorowania (WSRiD), zbudowany na bazie kołowego transportera opancerzonego Rosomak z dodatkowym opancerzeniem. W artykule przedstawiono architekturę i możliwości WSRiD, którego podstawowym przeznaczeniem jest wsparcie zadań realizowanych przez Grupy Bojowe w Polskich Kontyngentach Wojskowych (PKW). Scharakteryzowano podsystemy umożliwiające rozpoznanie i monitorowanie terenu oraz zabezpieczenie obszaru wokół rozwiniętego wozu. Przedstawiono możliwości sensorów wykorzystywanych przez WSRiD takich jak kamery (obserwacji dziennej i nocnej), radary (RRPW - radar rozpoznania pola walki i MRDR miniaturowy radar detekcji ruchu) oraz czujki akustosejsmiczne. Oceniono zdolność tych sensorów do prowadzenia działań rozpoznawczych i zabezpieczenia wyznaczonych stref ochronnych. WPROWADZENIE Zintegrowane bezprzewodowo sieci sensorów znajdują obecnie zastosowanie w wielu dziedzinach: wojskowości, medycynie, nadzorze ruchu drogowego, automatyzacji procesów przemysłowych, ochronie mienia, itp. W praktyce najczęściej wykorzystuje się czujniki ruchu, temperatury, wilgotności, dźwięków. Najważniejsze cechy sensorów to: niewielkie rozmiary fizyczne; efektywne protokoły komunikacji bezprzewodowej (routing, retransmisja); zdolność do samoorganizacji i reorganizacji w przypadku uszkodzenia węzłów; zasilanie z akumulatora (niewielki pobór mocy); łatwość maskowania. W zastosowaniach wojskowych zintegrowane sieci sensorów występują najczęściej w systemach rozpoznawczych oraz monitoringu. W kolejnych rozdziałach artykułu został opisany Wielosensorowych Systemów Rozpoznania i Dozorowania. 1.1 WIELOSENSOROWY SYSTEM ROZPOZNANIA I DOZOROWANIA JAKO REALIZACJA NOWOCZESNEJ ZINTEGROWANEJ SIECI SENSORÓW. W świetle działań PKW w operacjach stabilizacyjnych znaczącą rolę odgrywają działania rozpoznawcze. W nawiązaniu do potrzeb w 2010 roku 1
Departament Sił Zbrojnych MON ogłosił przetarg, który wyłonił dostawcę dwóch kompletów Wielosensorowych Systemów Rozpoznania i Dozorowania (Rys. 0-1). System ten zgodnie z założeniami jest przeznaczony do realizacji następujących zadań: rozpoznawczego wsparcia zadań realizowanych przez grupy bojowe w trakcie wykonywania zadań poza bazami PKW; prowadzenia rozpoznania (wykrywania i lokalizowania celów/obiektów), w tym obserwacji i przekazu obrazu z platformy powietrznej minibsp; samoosłony (praca w trybie systemu alarmowego) zgrupowania pojazdów rozpoznawczych; przekazywania zebranych danych z rozpoznania do zestawu odbioru zobrazowania (za pomocą światłowodu); wstępnej analizy i interpretacji danych obrazowych oraz akustycznych; archiwizowania danych i meldunków rozpoznawczych. Rys. 0-1 Widok WSRiD prowadzącego rozpoznanie za pomocą sensorów umieszczonych na maszcie 1.2 DZIAŁANIA ROZPOZNAWCZE I DOZOROWANIE STREF Wielosensorowy System Rozpoznania i Dozorowania wyposażony jest w sprzęt umożliwiający rozpoznanie i monitorowanie terenu wokół pojazdu bazowego. Jako pojazd bazowy został wykorzystany kołowy transporter opancerzony Rosomak z dodatkowym opancerzeniem. W skład specjalistycznego wyposażenia wchodzą cztery zasadnicze podsystemy: wielosensorowa głowica obserwacyjna (WGO) Rys. 0-2a i radar rozpoznania pola walki (RRPW) Rys. 0-2b zainstalowane na maszcie; wynośny system samoosłony (WSS) zbudowany w oparciu o miniaturowe radary detekcji ruchu, wynośne głowice obserwacyjne oraz czujki akustosejsmiczne Rys. 0-3; podsystem bezpilotowych statków powietrznych klasy mini (minibsp). 2
Radar rozpoznania pola walki i wielosensorowa głowica obserwacyjna RRPW jest lekkim radarem średniego zasięgu wykorzystywanym we WSRiD w celu zapewnienia wykrywania i rozpoznawania celów poruszających się po ziemi oraz nisko lecących helikopterów. Klasyfikuje i rozróżnia cele w oparciu o ich wielkość i charakterystykę ruchu. Jest on zamontowany na maszcie, przez co jest zintegrowany mechanicznie z drugim sensorem Wielosensorową Głowicą Obserwacyjną. Jako RRPW został wykorzystany produkt firmy Pro Patria Elektronics - PGSR-3i Beagle. (a) (b) Rys. 0-2 Widok sensorów umieszczonych na maszcie: (a) WGO, (b) RRPW Wielosensorowa Głowica Obserwacyjna umożliwia wykrycie, rozpoznanie oraz identyfikację celów (ludzi, zwierząt, pojazdów oraz nisko latających statków powietrznych). WGO składa się z kamery obserwacji dziennej, kamery nocnej i dalmierza laserowego umieszczonych na podeście ze stabilizacją dwuosiową. (a) (b) Rys. 0-3 Widok elementów WSS: (a) wynośna głowica obserwacyjna zintegrowana z MRDR, (b) czujka akustosejsmiczna Wynośny System Samoosłony WSS jest przeznaczony do pracy stacjonarnej. Umożliwia on dookólną ochronę dozorowanej strefy wokół pojazdu oraz wstępne rozpoznanie celów. System zapewnia bezprzewodową, szyfrowaną wymianę danych pomiędzy elementami wchodzącymi w jego skład a stanowiskiem operatora systemu na odległość ok. 1000m przy zapewnionej widoczności optycznej anten, Rys. 0-4, Rys. 0-5. Wynośny system samoosłony składa się z następujących elementów: a) miniaturowy radar detekcji ruchu (MRDR) 5 szt.; b) wynośna głowica obserwacyjna 5 szt.; 3
c) czujka akustosejsmiczna 9 szt. Czujki akustosejsmiczne są w pełni zintegrowanymi sensorami umożliwiającym wykrycie oraz klasyfikowanie celu. Ich zadaniem jest wykrywanie poruszających się pojedynczych osób, grup ludzi bądź też pojazdów i przekazywanie raportów do stanowiska operatora znajdującego się w pojeździe WSRiD. Podstawowe parametry czujek akustosejsmicznych [4]: praca w paśmie UHF; retransmisja alarmów w przypadku braku bezpośredniej widoczności; bezpośredni zasięg łączności do 1 km. Każda czujka jest wyposażona w moduł GPS, dzięki czemu informacje o położeniu przesyłane są do operatora na stanowisku pracy. Wykryte cele są automatycznie zobrazowane na wyświetlonej mapie. Czujki wyposażone są w akumulatory pozwalające na kilka tygodni ciągłej pracy. WSRiD E W PDB Sensor 2 Retransmisja Sensor 1 Sensor 5 alarmu Sensor 8 Sensor 7 Sensor 3 Sensor 4 Sensor 6 Alarm Detekcja Strefa monitorowana Wykryty obiekt Rys. 0-4 Zintegrowana bezprzewodowo sieć sensorów akustosejsmicznych Czujki akustosejsmiczne pracują w kanale UHF tworząc sieć radiową z retransmisją. Zapewnia to możliwość zwiększenia zasięgu radiowego poprzez wykorzystanie stacji pośredniczącej. Elementem centralnym jest stacja bazowa zamontowana na pojeździe, za pośrednictwem której sygnały alarmowe przekazywane są do stanowiska operatora. W sytuacji gdy są w systemie rozpoznawczym stosowane są zintegrowane wynośne kamery obserwacyjne zachodzi potrzeba przesyłania dużej ilości informacji, a alarm o wykryciu celu był przekazywany z jak najmniejszym opóźnieniem. Istotne jest również aby transmitowany obraz charakteryzował się jakością umożliwiającą rozpoznanie i/lub identyfikację celu. Ponieważ wraz z jakością sygnału wideo wzrasta zapotrzebowanie na pasmo, zatem nieodzowne jest w tej sytuacji wykorzystanie bezprzewodowych środków szerokopasmowych. W systemie WSRiD jest stosowanych kilka zestawów kamer obserwacyjnych (dzienna zintegrowana z nocną), co pozwala na pokrycie dozorowanego obszaru. Dla każdego zestawu kamer definiuje się odrębny sektor obserwacji. Jeśli w danym sektorze zostanie wykryty obiekt, wówczas automatycznie jest wysyłany sygnał alarmowy do operatora. Na stanowisku pracy znajdującym się w pojeździe operator może wyświetlić obraz wideo w czasie rzeczywistym. Aby dokonać analizy obrazu i identyfikacji obiektu, operator może wybierać źródło sygnału wideo, tj. wyświetlać obraz z kamery obserwacji dziennej lub nocnej. 4
Wykryty obiekt Sektor obserwacji nr 2 Sektor obserwacji nr 1 Sensor 2 Sektor obserwacji nr 3 Sensor 1 Transmisja wideo Sensor 3 E W PDB WSRiD Rys. 0-5 Szerokopasmowa bezprzewodowa transmisja wideo z głowic obserwacyjnych MiniBSP W większości rozwiązań systemów BSP klasy mini wyróżnia się dwa główne elementy, platformę powietrzną oraz naziemne stanowisko kierowania. Za pomocą pulpitu operator może kontrolować minibsp, np. zmieniać lub modyfikować zaplanowaną wcześniej trasę lotu oraz na bieżąco kontrolować obraz z kamery. Aby zapewnić wymaganą jakość obrazu stosowane są dwa rodzaje kamer o dużej rozdzielczości, dzienna i nocna, oraz szerokopasmowe łącze radiowe. MiniBSP FlyEye wykorzystuje moduły radiowe pracujące w paśmie NATO 4,4-5,0 GHz umożliwiające transmisję z szybkością maksymalną do 54Mbit/s. Zasięg łączności między platformą powietrzną i stanowiskiem naziemnym wynosi 30km. minibsp FlyEye Sterowanie lotem Transmisja wideo Wykryty cel WSRiD Rys. 0-6 Bezprzewodowa transmisja wideo z minibsp poprzez łącze szerokopasmowe 5
1.3 ZDOLNOŚĆ PROWADZENIA ROZPOZNANIA Na obecnym etapie, po badaniach zakładowych, można potwierdzić, że graniczne wymagania stawiane przed systemem są spełnione [2]. Należy dodać, że zdolność rozpoznania uzależniona jest od warunków pogodowych. Zakłada się, że powietrze jest przejrzyste i brak jest opadów, a teren jest niezalesiony. (a) (b) Rys. 0-7 Rozkład lokalizacji celów, (a) wyznaczonych z wykorzystaniem sensorów na maszcie WSRiD w odniesieniu do ich rzeczywistego położenia, (b) wyznaczonych przez minibsp [4] Kamera TV, wchodząca w skład WGO, przy widzialności optycznej od 5 km do 10 km i przy opadach 0 mm/h, zapewnia wykrycie pojedynczego człowieka (żołnierza) z odległości nie mniejszej niż 5 km i to zostało potwierdzone w badaniach. Z dotychczasowych doświadczeń wynika, że zakładana możliwość wykrycia standardowego celu NATO 2,3 m x 2,3 m (lekki pojazd) z odległości nie mniejszej niż 7 km będzie spełniona. Nie potwierdzono tego w badaniach z uwagi na niedostępność w kraju poligonu otwartego (niezalesionego) zapewniającego 8 km widzialność optyczną. Wymagania w zakresie rozpoznania obiektów są następujące: żołnierz z odległości nie mniejszej niż 2 km a samochód mniejszej niż 3 km, a w zakresie identyfikacji obiektów odpowiednio: 1200 m i 1700 m. Na rysunku Rys. 0-7 (a) pokazano rozkład lokalizacji dwóch celów oznaczonych na rysunku jako L1 i L2 wyznaczonych z wykorzystaniem sensorów na maszcie WSRiD w odniesieniu do ich rzeczywistego położenia oznaczonych na rysunku jako P1 i P2. Uzyskane wyniki potwierdzają spełnienie wymagań. Błąd pokreślenia celu jest nie większy niż 25m. Możliwości kamery IR wchodzącej w skład WGO w zakresie wykrycia celu są takie same jak dla kamery dziennej. Ze zrozumiałych względów nieco gorsze możliwości posiada ta kamera w zakresie rozpoznania i identyfikacji celów. Zakłada 6
się, że rozpoznanie pojedynczego człowieka będzie możliwe z odległości nie mniejszej niż 1500 m a pojazdu z odległości nie mniejszej niż 2500 m. Identyfikacja pojedynczego człowieka będzie możliwa z odległości nie mniejszej niż 800 m, a pojazdu z odległości nie mniejszej niż 1200 m. Możliwości radaru rozpoznania pola walki (RRPW) w zakresie wykrywania poruszających się obiektów naziemnych takich jak człowiek są zbliżone do przedstawionych powyżej zasięgów kamer. Przeprowadzone badania potwierdziły, że człowieka poruszającego się z minimalną prędkością 1 km/h można wykryć z odległości 5 km. W trakcie badań wykonano kilka prób wykrycia i każda z nich zakończyła się z sukcesem. W czasie testu trwającego około 2 godzin nie stwierdzono fałszywych wykryć w promieniu około 1 km wokół realnego celu, tzn. pojedynczej osoby poruszającej się z prędkością powyżej 1km/godz. Platforma powietrzna minibsp jest przeznaczona do wykonywania lotów rozpoznawczych, gdy nie jest możliwe pozyskanie informacji o celach (obiektach) przy użyciu naziemnych systemów obserwacyjnych lub pozyskane dane nie są wystarczająco dokładne. Celem takiej misji możliwe jest dostarczenie obrazów, z głowicy obserwacyjnej minibsp (kamery TV i/lub kamery IR), umożliwiających wykrycie, rozpoznanie, identyfikację oraz lokalizację celów (obiektów). Na rysunku Rys. 0-7 (b) pokazano rozkład lokalizacji celu przy pomocy dwóch kamer minibsp FlyEye, dziennej i nocnej. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono spełnienie wymagań. Błąd określenia położenia celu przez kamery minibsp FlyEye jest mniejszy niż 100m. W badaniach potwierdzono, że system samoosłony umożliwia dookólną ochronę dozorowanej strefy (obszaru) o wymiarach co najmniej 300 m x 300 m Oznacza to, że uniemożliwia skryte podejście osób lub pojazdów do strefy dozorowanej przez system samoosłony na odległość mniejszą niż określona jest odpowiednio dla MRDR i czujek akustosejsmicznych oraz umożliwia wstępne rozpoznanie celu/celów. Rys. 0-8 Detekcja obiektów zbliżających się do obszaru strefy chronionej [3] 7
Badania potwierdziły również, że system samoosłony zapewnia bezprzewodową, szyfrowaną wymianę danych pomiędzy czujkami akustosejsmicznymi, wynośnymi głowicami obserwacyjnymi i MRDR a stanowiskiem operatora systemu samoosłony na odległość co najmniej 1000 m. Detekcję obiektów zbliżających się do obszaru strefy chronionej obserwowaną na stanowisku operatora systemu pokazano na Rys. 0-8. W czasie badania przeprowadzono test trwający około 2 godzin. W czasie trwania testu nie stwierdzono fałszywych wykryć w promieniu około 300 m wokół realnego celu jakim był pojedynczy człowiek poruszający się z prędkością nie mniejszą niż 1 km/h. Każdorazowo po rozpoczęciu marszu następowało ponowne wykrycie celu przez radar oraz możliwe było śledzenie jego trasy poruszania się. Po zbliżeniu się śledzonego obiektu na odległość zasięgu przenośnych kamer, tj. zgodnie z wymaganiami: pojedynczy człowiek na odległość nie mniejszą niż 100 m a standardowy cel NATO 2,3 x 2,3 m na odległość nie mniejszą niż 500 m istnieje możliwość jego obserwacji za pomocą jednej z kamer. Sytuację taką pokazano na Rys. 0-9. PODSUMOWANIE Rys. 0-9 Widok z kamery wynośnej głowicy obserwacyjnej Artykuł powstał na bazie doświadczeń zdobytych podczas budowy i integracji systemu, badań zakładowych wykonanych na poligonie oraz przeprowadzonego cyklu szkoleń dla załóg. Doświadczenia autorów niniejszego artykułu oraz odczucia szkolonych żołnierzy, którzy wielokrotnie uczestniczyli w misjach zagranicznych, jednoznacznie wykazują potrzebę wdrożenia tego sprzętu do Sił Zbrojnych RP. O wysokiej jakości systemu, poziomie zaawansowania technicznego i jego nowoczesności świadczą wyniki badań, potwierdzające spełnienie wymaganych funkcji i możliwości technicznych. Warto zwrócić uwagę na fakt, że wykonawca (konsorcjum ELBIT-WIŁ) zastosował najbardziej nowoczesne i zaawansowane sensory dostępne na rynku [1]. Proces wdrożenia WSRiD został zakończony. Obydwa zamówione egzemplarze w 2012 roku zostały przekazane do JW 4226 Skład Zegrze. 8
LITERATURA: [1] Andrzej Kiński Afgański nadzorca, Nowa Technika Wojskowa 1/2012. [2] Protokół końcowy zespołu badawczego z badań wstępnych Wielosensorowego Systemu Rozpoznania i Dozorowania, Wojskowy Instytut Łączności, 2011. [3] Sprawozdanie z badań Wielosensorowego Systemu Rozpoznania i Dozorowania (WSRiD), Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia, 2011. [4] Ocena potrzeb i możliwości wykorzystania szerokopasmowych radiostacji osobistych i pokładowych na szczeblu taktycznym, Journal of KONBiN, Warsaw, 2011. [5] Wstępne Założenia Taktyczno-Techniczne na Wielosensorowy System Rozpoznania i Dozorowania, Warszawa, 2010. 9