Zaloguj
Podręcznik polowy armii Stanów Zjednoczonych definiuje świadomość sytuacyjną, jako „znajomość i zrozumienie bieżącej sytuacji, która sprzyja terminowej, odpowiedniej i dokładnej ocenie operacji sojuszniczych, wrogich i innych na polu bitwy w celu ułatwienia podejmowania decyzji”. O ile świadomość sytuacyjna jest istotna w przypadku pojedynczego żołnierza piechoty, to staje się krytyczna, gdy pomyślimy o wojskach zmechanizowanych czy pancernych.
Wczesne czołgi i pojazdy pancerne zasadniczo wyposażone były jedynie w małe szczeliny wizyjne, które zapewniały ograniczony widok obszaru bezpośrednio widzianego przez te szczelinę. Tak, więc kierowcy mogli widzieć przed sobą jedynie wąski pas przestrzeni, strzelcy mogli widzieć mały wycinek tego, co znajdowało się bezpośrednio przed ich działami itp. Aby temu zaradzić, wiele wczesnych czołgów obsługiwane było przez wiele osób, znajdujących się w wielu niezależnych sponsonach, ułożonych na obrzeżach czołgu tak, aby objąć ogniem wiele obszarów dookoła pojazdu. Dodatkowo, obecny w pojeździe dowódca obserwował otoczenie, używając specjalnej, opancerzonej kopuły lub podobnej konstrukcji ze szczelinami wizyjnymi, która np. poruszała się, aby umożliwić mu lepsze obserwowanie otoczenia.
Wczesne pojazdy opancerzone, takie jak brytyjski czołg Mark V (fotografia 1), były powolne, wyjątkowo niezgrabne i miały trudności z manewrowaniem, choć nadal diametralnie zmieniały rozkład sił na polu bitwy, przekraczając okopy i pomagając przełamać impas w wojnie pozycyjnej, po ich wprowadzeniu w czasie I Wojny Światowej.
Już podczas wojny zauważono, że prymitywne szczeliny obserwacyjne, jakie stosowano w tych pojazdach były z wielu powodów ich słabym punktem. Po pierwsze, rzadko kiedy były dostatecznie osłonięte, co powodowało, że dostawał się przez nie do środka śnieg, deszcz, popiół, dym, ale także kule przeciwnika. Te, które udawało się zamknąć, nadal stanowiły słaby punkt pancerza pojazdu. Jeśli chodzi o obserwacje dalekiego zasięgu, to we wczesnym czołgu było to generalnie realizowane po prostu przez człowieka z lornetką na ogół wyglądającego przez otwarty właz, drzwi, albo znajdującego się na specjalnej pozycji obserwacyjnej na pojeździe.
Celowniki artyleryjskie, stosowane w tych pojazdach były prymitywne, o ile w ogóle się tam znajdowały i nie były one sprzężone z systemami obserwacyjnymi w prosty sposób. W ten sposób nie tylko obserwacja terenu była utrudniona, ale także celowanie nie należało do najprostszych… Pozostawało wiele do zrobienia, jeśli chodzi o rozwój tych pojazdów i związanej z nimi technologii obserwacyjnej i nie tylko.
Świadomość sytuacyjna
W przypadku pojazdów opancerzonych świadomość sytuacyjna jest krytycznym elementem przetrwania pojazdu na polu walki. Jeśli spojrzymy na tzw. cebulkę przeżywalności czołgu (rysunek 1), to właśnie świadomość sytuacyjna decyduje o tym, czy czołg (ale to założenie rozciąga się również na inne pojazdy, jak i piechotę) nie znajdzie się w niewłaściwym miejscu, w niewłaściwym czasie. Aby ustrzec się zagrożenia na współczesnym polu bitwy, należy znać pełny obraz sytuacji, a w przypadku systemów pojazdu pancernego - konieczne są sensory obejmujące obszar dookoła kadłuba.
Przykładem systemu, który może być montowany w pojazdach opancerzonych, głównie bojowych wozach piechoty i transporterach opancerzonych, jest Chorwacko-Estoński system Vegvisir (rysunek 2).
Bazuje on na macierzy kamer i innych sensorów, rozmieszczonych na pojeździe oraz oprogramowania, które zbierając dane z tych sensorów syntezuje obraz rozszerzonej rzeczywistości, który uzupełniony jest innymi danymi pojazdu (rysunek 3).
Kierowca pojazdu opancerzonego, korzystający z systemu Vegvisir został pokazany na fotografii tytułowej. Tego rodzaju rozwiązanie jest, na obecny stan wiedzy, idealnym rozwiązaniem problemu świadomości sytuacyjnej.
Sieciocentryczność
Mówiąc o zwiększaniu świadomości sytuacyjnej na polu bitwy, szczególnie w kontekście stosowania nowoczesnego sprzętu elektronicznego, nie sposób wspomnieć o sieciocentryczności (NCW). Nawet twórca tej koncepcji uważa, że nie można w ścisły sposób jej zdefiniować. Brak jest w literaturze wojskowej definicji, która byłaby akceptowana przez większość specjalistów zajmujących się tym zagadnieniem, a wśród osób kreujących najnowsze doktryny wojskowe brak jest spójnego spojrzenia na NCW. Mimo tego, większość badaczy współczesnej myśli wojskowej uważa, że implementacja tego paradygmatu jest kluczowa w wielu rodzajach sił zbrojnych.
W erze bogactwa informacji, coraz częściej staje się ona sama w sobie wartością, porównywalną do klasycznej produkcji przemysłowej. Doskonale widoczne jest to na przykładzie naszego sektora - elektroniki - gdzie własność intelektualna, tzw. IP, jest istotnym bogactwem, eksploatowanym przez wiele firm. Nie inaczej jest na polu bitwy - informacja jest kluczowym dobrem, zaraz obok amunicji czy paliwa. Zasadniczą ideą sieciocentrycznej doktryny walki jest maksymalizacja wykorzystania informacji, jakie są zbierane, co ma na celu zwiększenie potencjału bojowego. Rozpowszechnianie zebranych informacji pełni rolę tzw. multiplikatora siły, jednostek na polu walki.
Co ta koncepcja oznacza w praktyce? Współdzielenie możliwie dużej ilości informacji z pozostałymi składnikami sił zbrojnych, w stopniu uzasadnionym potrzebami taktycznymi, operacyjnymi i strategicznymi. Najlepiej w sposób automatyczny i autonomiczny. A patrząc zupełnie technicznie, chodzi o to, żeby poszczególne jednostki (na odpowiednim szczeblu) miały dostęp do informacji zbieranych przez inne jednostki. W praktyce oznacza to, że np. piechota ma dostęp do informacji pochodzących ze zwiadu powietrznego (z pomocą BSP i pojazdów załogowych), rozpoznania radioelektronicznego itd. Mogą to być różnego rodzaju informacje, na ogół powinny one być w pewnym stopniu przetworzone i ograniczone do wymaganego w danej sytuacji zakresu. Na przykład dostarczanie żołnierzom piechoty obrazów z dronów, obserwujących znajdującego się nieopodal przeciwnika i w drugą stronę - użycie informacji zbieranych przez żołnierzy piechoty - będących na ogół najbliżej linii frontu, do namierzania artylerii, która znajduje się dużo głębiej, bezpiecznie ulokowana na kontrolowanym terenie. Osoba tzw. wysuniętego obserwatora (forward observer, FO) jest tutaj kluczowa dla powodzenia misji ogniowych.
Dotychczasowo FO musiał być specjalnie wyszkolonym i przygotowanym żołnierzem. Łatwo można sobie wyobrazić, że specjalnie skonstruowana lornetka, przekazująca dane do dowództwa sił połączonych, czy bezpośrednio do działonów, może w dużej mierze zastąpić przeszkolonego FO, maksymalizując skuteczność wykorzystania wsparcia artyleryjskiego.
Zastosowanie BSP na współczesnym polu walki
Tocząca się obecnie wojna w Ukrainie doskonale pokazała, jak krytycznym elementem uzyskiwania świadomości sytuacyjnej w czasie pełnoskalowego konfliktu symetrycznego są bezzałogowe statki powietrzne (BSP). Ze względu na swoje możliwości obserwacyjne, pojazdy te okazały się przydatne w różnych operacjach terenowych sił zbrojnych i podobnych operacjach cywilnych. Pojazdy latające są kolejną, ale niezwykle ważną platformą do instalacji systemów obserwacyjnych.
W naszym kraju konstruuje się szereg latających pojazdów bezzałogowych, przeznaczonych do obserwacji. Jednymi z szerzej znanych są produkty podwarszawskiej firmy WB Electronics, takie jak FlyeEye, pokazany na fotografii 2.
Pojazd ten mierzy aż 3,6 metra rozpiętości skrzydeł i może ważyć do 12 kg podczas startu. Jest on w stanie latać na pułapie do 3500 metrów z prędkością do 120 km/h przez czas min. 2,5 godziny. Pod pojazdem podwieszona jest głowica obserwacyjna, która transmituje obraz do operatora. Może on także komunikować się z systemem zarządzania walką TOPAZ. Głowica optyczna może być wymieniona na inny moduł misyjny - np. akustyczny detektor lokalizacji wystrzału, moduły transportowe.
Oprócz dronów obserwacyjnych na rynku pojawia się coraz więcej dronów uzbrojonych. Tego rodzaju systemy wykraczają poza zakres tego artykułu, aczkolwiek wiele z nich bazuje na takich samych platformach latających, jak pojazdy obserwacyjne.
Obrazowanie hiperspektralne
Ludzkie oko jest w stanie widzieć tylko w ograniczonej części widma elektromagnetycznego i może rozróżniać obiekty na podstawie ich różnych reakcji widmowych w wąskim zakresie widmowym. Jednak opracowano wielospektralne czujniki obrazujące, które są w stanie uzyskać obraz w podczerwieni i innych segmentach widma elektromagnetycznego (tabela 1).
Dodatkowo, czujniki półprzewodnikowe mogą być znacznie bardziej czułe niż ludzkie oko, co pozwala widzieć w warunkach bardzo niewielkiego oświetlenia.
Mówiąc o różnych pasmach promieniowania elektromagnetycznego należy wyróżnić następujące zakresy:
- światło widzialne,
- NIR - bliska podczerwień,
- SWIR - podczerwień krótkofalowa,
- MWIR - średnia podczerwień,
- LWIR - daleka podczerwień.
Obrazowanie w każdym z tych zakresów ma inne zastosowanie. Obrazowanie w zakresie widzialnym nie wymaga większego objaśnienia. Systemy pracujące w bliskiej podczerwieni stosowane są głównie do obserwacji nocnych lub w warunkach zadymienia. Z kolei obserwacje w dalszej części widma podczerwonego pozwala na rekonstrukcję obrazów termicznych, które umożliwiają wykrywanie ukrytych osób i techniki tak w nocy, jak i w dzień. Dodatkowo, jakkolwiek nie jest to ściśle element obrazujący, należy wspomnieć również o dalmierzach laserowych, jakie często integruje się z systemami obrazowania.
Obrazowanie w pasmie widzialnym
Kamery do obrazowania w pasmie widzialnym, stosowane w sprzęcie wojskowym, nie różnią się znacznie od sensorów stosowanych w sprzęcie cywilnym. Oczywiście, wojsko sięga na ogół po najwyższej klasy elementy, priorytetowo traktując ich niezawodność.
Istotnym aspektem systemów obserwacyjnych jest odporność na uszkodzenia promieniowaniem laserowym. Oprócz tego, że na polu walki lasery często są stosowane w dalmierzach, systemach namierzania itd., to istnieją specjalne promienniki laserowe, których zadaniem jest uszkadzanie urządzeń elektrooptycznych. Przykładem takiej broni jest rosyjski system PAPV, pokazany na fotografii 3. Zawiera on laser niewielkiej mocy do wyszukiwania urządzeń optycznych, a następnie wysyła w ich kierunku impuls laserowy o wyższej mocy, który ma za zadanie je oślepić.
Noktowizja
Jako systemy noktowizyjne stosuje się obecnie niemal wyłącznie systemy pasywne, gdyż systemy aktywne (takie, które w pewien sposób „oświetlają” teren) są bardzo łatwe do wykrycia. Pracowały one na ogół w zakresie bliskiej podczerwieni bądź SWIR.
Obecnie typowymi rozwiązaniami są wzmacniacze obrazu, bazujące na płytkach mikrokanalikowych (zachowują się one jak setki, jeśli nie tysiące, połączonych ze sobą fotopowielaczy). Tego rodzaju rozwiązania są jednak coraz częściej wypierane przez kamery czysto półprzewodnikowe, takie jak CCD, a zwłaszcza EMCCD czy ICCD.
Termowizja
Każdy obiekt o temperaturze powyżej zera absolutnego emituje jakieś promieniowanie. Opisuje to teoria promieniowania ciała doskonale czarnego. W przypadku temperatur, z jakimi mamy na ogół do czynienia w naszym otoczeniu, maksimum tego promieniowania przypada na okolice od kilku do kilkunastu mikrometrów - obszary MWIR i LWIR. Dlatego też, sensory optyczne, pracujące w tym zakresie spektralnym, widzą po prostu promieniowanie cieplne.
Do detekcji promieniowania w tym zakresie stosuje się szereg technologii. Jedną z nich są klasyczne fotodetektory półprzewodnikowe. Są one konstruowane z materiałów o bardzo małej przerwie energetycznej, by możliwa była absorbcja fotonów o taki niskiej energii, jaka odpowiada np. LWIR. W tym celu stosuje się m.in. antymonek indu, siarczek ołowiu czy tellurek rtęciowo-kadmowy. Detektory te muszą być chłodzone kriogenicznie, aby uzyskiwać odpowiednie parametry, zwłaszcza szumowe. Utrudnia to ich implementację w systemach wojskowych.
Inną klasą detektorów, często stosowanych w systemach militarnych, są mikrobolometry. Bolometr, to urządzenie, które mierzy promieniowanie cieplne. Składa się on z niewielkiego elementu, który pochłania padające nań promieniowanie cieplne i rozgrzewa się. Mierząc zmianę jego temperatury można oszacować temperaturę ciała, które emitowało rzeczone promieniowanie. Macierz zminiaturyzowanych sensorów tego rodzaju - mikrobolometr - posłużyć może, jako sensor do obrazowania. Macierze mikrobolometrów nie muszą być chłodzone podczas pracy.
Zastosowania
Omówione systemy obrazowania najczęściej integrowane są w specjalne głowice - wspólnie poruszające się platformy, zawierające co najmniej kilka kanałów obserwacji i inne sensory (np. dalmierze), sprzęgnięte ze sobą tak, że obserwują one ten sam cel w danym momencie. Na rynku dostępnych jest wiele głowic, które mogą być integrowane z innym sprzętem - pojazdami lądowymi, latającymi, zdalnymi punktami obserwacji, zdalnie sterowanymi stacjami uzbrojenia itp.
W ostatniej części artykułu zaprezentowano niektóre współczesne głowice obserwacyjne, z naciskiem na modele produkowane w Polsce i u naszych bezpośrednich sąsiadów. Z uwagi na trudny dostęp do danych tych urządzeń (są one w większości przypadków niejawne), opisy nie są szczegółowe a podawane wartości mogą nie być poprawne.
Etronika KOT-1
Głowica KOT-1 firmy Etronika to relatywnie proste urządzenie, które integruje w sobie dwa sensory - światła widzialnego i kamerę termalną. Jako sensor do obserwacji dziennej zastosowano macierz CMOS o rozdzielczości 1440×1080 pikseli, sprzężoną z obiektywem o kącie widzenia równym 30°. Do obserwacji termicznej (nocnej) zastosowano niechłodzoną macierz bolometryczną o rozdzielczości 640×480 pikseli i kącie widzenia takim samym, jak kamera dzienna. Moduł zamontowany jest na ruchomej głowicy. Firma Etronika dostarcza go wraz z ekranem i pilotem do sterowania (fotografia 4).
Octopus Epsilon 175
Epsilon 175 to głowica obserwacyjna firmy Octopus, przeznaczona do instalacji na pojazdach latających (fotografia 5).
Integruje ona kolorową kamerę z sensorem CMOS o rozdzielczości 1280×780 pikseli, która sprzęgnięta jest z obiektywem o regulowanym przybliżeniu (aż do 45×), co pozwala na obserwację w kącie (poziomym) od 62,9° do 2,2°. System obrazowania termicznego oparty jest na chłodzonym sensorze MWIR o rozdzielczości 640×512 pikseli, który wyposażono w obiektyw o regulowanej ogniskowej, od 18 mm do 275 mm, co przekłada się na zoom do 15×. Moduł wyposażony jest również w dalmierz laserowy o zakresie pomiarowym do 15 km i oświetlacz laserowy (830 nm), który może być wykorzystany do podświetlania celów. Najciekawszą funkcją tej głowicy obserwacyjnej jest sprzęgnięcie jej z GPS-em, co pozwala na korelację jej pozycji z mapą i dokładne oznaczanie na mapie, gdzie znajdują się obserwowane obiekty.
PCO GOD-1 IRIS i GOC-1 NIKE
Głowica GOD-1 (fotografia 6) jest jedną z głowic, umieszczonych na najnowszej polskiej konstrukcji wieżowej - ZSSW-30, przewidzianej do instalacji na nowoczesnych podwoziach bojowych wozów piechoty. Przewiduje się, że ZSSW-30 umieszczone będzie na wozach BORSUK, jakie są właśnie w ostatniej fazie opracowywania. GOD-1 to uniwersalna głowica, pozwalająca na montaż i integrację z pojazdami lądowymi, jak i latającymi. W tym tandemie przewidziana jest, jako głowica dowódcy wozu.
GOC-1 to głowica dla systemu celowniczego (fotografia 7), która jest przeznaczona do instalacji w bojowych wozach piechoty i innych systemach uzbrojenia. Wyposażona jest w stabilizację i opcję śledzenia celów.
Wydaje się, że obie głowice wyposażone są w ten sam moduł do obrazowania w świetle dziennym, który oferuje obraz CCIR PAL o szerokości 10,7°×8° lub 3,3°×2,5° (wybierana przez użytkownika). GOC-1 wyposażona jest w termowizjer obserwujący w zakresie od 3 do 5 mikrometrów za pomocą chłodzonego sensora mikrobolometrycznego o rozdzielczości 640×512 pikseli. Sensor w GOD-1 obrazuje w zakresie mniej energetycznych fotonów - od 8 do 12 mikronów, co pozwala na wykrywanie chłodniejszych obiektów, niż głowica celowniczego. Sensor termiczny w głowicy dowódcy także ma rozdzielczość 640×512 pikseli i jest aktywnie chłodzony.
Oba moduły wyposażono w monoimpulsowy dalmierz laserowy (redukuje szansę wykrycia pojazdu czy też detekcji pomiaru odległości) o zasięgu do 10 kilometrów.
Podsumowanie
Systemy obrazowania hiperspektralnego są podstawowym elementem składowym wojskowych systemów obserwacyjnych, które montowane są na pojazdach wojskowych i nie tylko. Obserwacja pola walki w wielu zakresach promieniowania elektromagnetycznego pozwala na podniesienie świadomości sytuacyjnej żołnierzy zamkniętych za pancerzem pojazdów, a łączenie tych systemów dalej, w sieci, pozwala na podniesienie świadomości sytuacyjnej na poziomie taktycznym, ale też operacyjnym czy strategicznym.
W najbliższych latach można spodziewać ekscytującego rozwoju systemów obserwacji hiperspektralnej, dzięki szybkiemu rozwojowi sensorów optycznych, zwłaszcza do obrazowania termicznego, oraz jeszcze szybszemu rozwojowi algorytmów widzenia komputerowego, które pozwalają analizować zbierane obrazy w czasie rzeczywistym, aby przyspieszyć podejmowanie decyzji, przez żołnierzy.
Nikodem Czechowski, EP
Bibliografia:
- William O. Blackwood (red.), „Tactical Display for Soldiers: Human Factors Considerations”, National Research Council, Waszyngton, 1997.
- Richard W. Pew i Anne S. Mavor (red.), „Modeling Human and Organizational Behavior: Application to Military Simulations”, National Research Council, Waszyngton, 1998.
- „Advanced Situational Awareness”, US Army Training Circular TC 3-22.69, kwiecień 2021.
- http://bit.ly/3XTVC7C
- https://www.vegvisir.ee
- Tomasz Szubrycht, „Sieciocentryczność - Mity i Rzeczywistość”, Zeszyty Naukowe Akademii Marynarki Wojennej 159 (2004).
- X. Briottet, Y. Boucher, A. Dimmeler, A. Malaplate, A. Cini, M. Diani, H. Bekman, P. Schwering, T. Skauli, I. Kasen, I. Renhorn, L. Klasén, M. Gilmore, D. Oxford, „Military applications of hyperspectral imagery”, Proc. SPIE 6239, Targets and Backgrounds XII: Characterization and Representation (2006).
- M. J. Khan, H. S. Khan, A. Yousaf, K. Khurshid and A. Abbas, „Modern Trends in Hyperspectral Image Analysis: A Review” IEEE Access 6 (2018)
