ZINTEGROWANA SIEĆ SENSORÓW JAKO ELEMENT

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
DOZOROWANIA
NOWOCZESNEJ ZINTEGROWANEJ SIECI SENSORÓW.
I
JAKO REALIZACJA
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.
a)
b)
Wynośny system samoosłony składa się z następujących elementów:
miniaturowy radar detekcji ruchu (MRDR) – 5 szt.;
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
EW
PDB
Sensor 2
Retransmisja
alarmu
Sensor 1
Sensor 8
Sensor 5
Sensor 7
Alarm
Sensor 3
Detekcja
Sensor 4
Sensor 6
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
Sektor
obserwacji nr 3
Sensor 2
Sensor 1
Transmisja
wideo
Sensor 3
EW
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.
ie
sm
an
an
Tr
ow
er
St
miniBSP
FlyEye
lo
is
w
m
te
ja
id
eo
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.
Rys. 0-9 Widok z kamery wynośnej głowicy obserwacyjnej
PODSUMOWANIE
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–