השילוב מרובה-החיישנים (multi-sensor fusion), אשר נחשב פעם כעתידני, קשה וחמקני כמו האינטליגנציה המלאכותית , מגיע עתה לבשלות בתור הגישה התקנית לעיבור אותות ממגוון רחב של חיישנים, ועורך סדר בנתוני חיישנים בלתי-שלמים ובלתי-מעובדים..מאתJohn Keller
שילוב מרובה-חיישנים, אשר נחשב פעם כאומנות שחורה בעלת אמינות מפוקפקת בין מדעני מחשבים צבאיים, מתחיל לחדור לעולם המחשוב המכובד, כאשר מספר גובר של יישומי חיישנים-שילוב נמצאים בפיתוח מתקדם או הגיעו לתפקוד צבאי בשדה, דוגמת ה-U.S. Navy Raytheon Cooperative Engagement Capability (CEC), מערכת ה-BAE Systems Guardian Angel, המערכת U.S. Army Joint Land Attack Cruise Missile Defense Elevated Netted Sensor (JLENS) והמערכת NC3S Vigilare של Boeing-Australia.
פריצת דרך טכנולוגית מרכזית מקנה למדעני המחשבים את היכולת המתפתחת להמיר נתוני חיישנים לדפוסי נתונים תקניים לשם עיבוד וחלוקה על-גבי רשתות מאובטחות ולא-מאובטחות, ולשחזר לאחר מכן נתונים אלה בצורה מהירה ואמינה בצד הקליטה כדי להיות מובנים ושימושיים לאלה הזקוקים ביותר לנתונים אלה.
מערכת החיישנים-שילוב האוסטרלית Vigilare מקבלת נתונים ממטוס ההתראה והבקרה המוטסת Wedgetail, המוצג לעיל
היכולת להמיר נתוני חיישנים לדפוס של מידע תקני לשם שליפה, עיבוד ורישות קלים אל מעבדי מחשבים מסחריים ורשתות נתונים היוותה המפתח לשילוב חיישנים חדשים וקודמים למערכת מלוכדת ומרושתת הממזגת קטעים ופיסות מידע דיגיטלי לתוך תמונת חיישנים שלמה ודינמית שהיא הרבה יותר גדולה מאשר סכום מרכיביה.
עד עתה, השימוש העיקרי בטכנולוגיית השילוב מרובה-החיישנים המתקדמת ביותר למטרות צבאיות היה לצורכי הגנה משולבת בפני טילי אוויר ושיוט, אולם המומחים אומרים שהעקרונות של הקיים כיום עשויים לשמש ליצירת מערכות שילוב חיישנים ענקיות המשלבות נתונים מחיישנים בחלל, באוויר, ביבשה ובים, כמו גם רשתות עצומות של מערכות סונאר תת-מימיות.
נכון להיום, שילוב מרובה-חיישנים צבאי שואף לתמונת אוויר משולבת הכוללת מידע ממכ”מי פיקוח אווירי אזרחיים וצבאיים, מערכות מכ”ם מוטסות, כמו גם נתונים מפקחי טיסה אזרחים ובסיסי נתונים של תכניות טיסה אודות המראות ונחיתות מדווחות של מטוסים פרטיים, מסחריים וצבאיים.
Guardian Angel
קבוצת ה-BAE של Systems Technology Solutions מ-Merrimack, N. H. צברה ניסיון בשילוב מרובה-חיישנים מתכנית ממומנת על-ידי ה-U. S. Army Research Laboratory מ-Adelphi, Md., המכונה Guardian Angel, אשר הייתה תכנית הוכחת טכנולוגיה המיועדת לגלות חפצים מתפוצצים מאולתרים (IEDs) באזורים מסוכנים בעיראק ואפגניסטן.
“Guardian Angel התמקדה ביתרונות השילוב מרובה-החיישנים בעוקבה אחר מטרות מאוד, מאוד מסוכנות”, מסביר Clark Freise, סגן נשיא ומנכ”ל של BAE Technology Solutions, אשר מוביל את המאמצים להשתמש בחיישני דימויים וקרוב-לדימויים כדי לחפש מטרות בלתי-מוגדרות. היה זה מאמץ מהיר לשלב ארכיטקטורה המרכזת יחדיו חיישנים אחדים, אלגוריתמי שילוב ואלגוריתמי זיהוי-מטרות אוטומטי שנראו מבטיחים”.
בין החיישנים המעורבים בתכנית ה- Guardian Angelהיו מכ”ם הדמיה לאור אינפרא-אדום ולאור נראה, מכ”מים חודרי-קרקע לתדרים נמוכים יותר, חיישנים רב-ספקטראליים וחיישנים מבוססי-לייזר. האתגר של ה- Guardian Angelהיה להפיק את המרב מהנתונים שהתקבלו ממעברים מוטסים של פלטפורמות-חיישנים כגון מטוסים לשם גילוי ה-IED באזורים בהם חיישני ההדמיה פעלו רק לעתים רחוקות ובמשך פרקי זמן קצרים. “רבות מהמטרות שאנחנו מחפשים אינן בקו ראייה ישיר, כך שלא ניתן להפיק הרבה פיקסלים על המטרה” מסביר Freise. “איך אפשר לעקוב אחר מטרות מאוד קשות אלה אשר הוחבאו?”
המפתח של ה-Guardian Angel היה לשלב, או בעיקר לכסות, נתוני דימויים וקרוב-לדימויים ממעברים רבים של חיישנים במשך הזמן, ולקבוע כל סטייה ממעבר חיישן אחד למשנהו אשר ירמוז על שינויים בקרקע, עקבות רכב, עצמים שנעו, חורים חדשים וחורים אשר מולאו.
“חלק ממה שאתה בוחן הוא שינוי אשר אירע”, מסביר Freise. “אתה עשוי לראות חתימה מסוימת ומחתימה זו אתה יכול לזכור כיצד משהו השתנה. היתרון הוא ביכולת לשלב מוצאי חיישנים ולסייע למנתח בתחנת קרקע או במרכז פעילות לשלב יחד את החלקים. מנתח זה מחפש דבר בלתי-שגרתי. אם אין שינוי בין החיישנים המרובים, הסיכויים הם שאין כאן מטרה מובנית. אתה מסתכל על מה שגרם לך להתראה, או החומר שאיננו הומוגני. אתה מסתכל על תנאים ומנטר שינויים”.
אלגוריתם ה-Guardian Angel רץ על מחשב נייד רגיל.
חיישני הדמיה רב-ספקטראליים, המסוגלים להפריד ולחבר אורכי-גל שונים אחדים של אור מוחזר, לדוגמה, יכולים לגלות קרקע ששונתה לאחרונה וסימנים רבים אחרים של שינויים בזירה. חיישני אור-נראה יכולים לגלות שינויים פיזיים בזירה במרוצת הזמן. חיישני אינפרא-אדום יכולים להצביע על אזורים חמים בהם שהו לאחרונה אנשים או כלי-רכב, כמו גם אדמה מופרת וגורמים אחרים.
מומחי BAE Systems גם ריכזו אלגוריתמי זיהוי מטרות לתוך תהליך העיבוד של חיישני ה-Guardian Angel כדי לסייע למנתחים להבליט שינויים במידע המובא על-ידי החיישן, ולסנן החוצה נתונים קבועים בהם אין עניין.
“על-ידי שילוב חיישנים, אתה יכול להשיג קצב גילוי גבוה יותר ביחד עם קצב אזעקות-שווא נמוך יותר, ולרכוש לעצמך חומר שניתן להפעיל, כאשר היית מוציא צוות לטפל במטרה”, אומר Freise. ” אף אחד לא מצא חיישן יחיד המסוגל לצאת החוצה ולמצוא באופן עקבי מטרות נסתרות הגורמות ליחידות בעיות, דוגמת IEDs. הן קבורות באדמה, ולכן מה שאתה רואה איננו כנראה המטרה”.
תכנית המחקר של Guardian Angel, אשר פועלת מזה 18 חודש, הולידה לא רק פתרונות לבעיות ה-IED המוחבאות, אלא התכנית גם סיפקה מין משטח ניסוי בו אפשר לזהות סוגי חיישנים חדשים ושונים, המבטיחים גילוי IED. “דבר זה עזר לנו לבחון חיישנים מבטיחים. חלקם יתפרס כבר בעתיד הקרוב”, אומר Freise.
תמונה (ע’ 3)
על אף שמערכת ה- Cooperative Engagement Capabilityשל Raytheon מיועדת כיום לפיקוח ומעקב אווירי, שינויים באלגוריתם יוכלו בנראה לאפשר למערכת לטפל בהגנה בפני טילים בליסטיים.
“התכנית עסקה בארכיטקטורה הדרושה כדי לשלב יחדיו מגוון רחב של חיישנים המסוגלים להריץ את האלגוריתמים הפרטיים שלהם, ולאחר מכן אנחנו מריצים אלגוריתמי זיהוי-מטרות ושילוב חיישנים מעל כל זה”, אומר Freise. “זו הייתה תכנית גדולה שביקשה להציג מוצרים גולמיים, להריץ אלגוריתמי שילוב וזיהוי מטרות, ולהשוות ולהצליב את הנתונים המתקבלים. השתמשנו במספר רב של מטרות, חיישנים ואלגוריתמים. אנחנו יודעים לשלב אלגוריתם A ואלגוריתם B, ולהשיג תוצאה יותר טובה מתוצאות כל אחד מהחיישנים בלבד”.
אם כי ארכיטקטורת ה-Guardian Angel נמצאת עדיין במעבדה,Freise אומר שלפחות חלקים ממנה יגיעו לשדה. “הטכנולוגיה יכלה להיות מוכנה תוך שישה חודשים לו היה לנו מסלול לעקוב אחריו. היינו מקווים להציב את הארכיטקטורה על חיישן קרקעי עם קישורים לחיישנים שונים”.
NC3S Vigilare
דוגמה אחרת של שילוב ביחד של סוגי נתונים רבים ושונים היא מערכת ההגנה האווירית האוסטרלית Network Centric Command and Control System (NC3S), המוכרת יותר כ-Vigilare. זהו מוצר של חטיבת Boeing Defence Australia בשם Network and Space Systems מ-Brisbane, אוסטרליה. מערכת ה-Vigilare משלבת מידע ממערכות מכ”ם קרקעיות אזרחיות וצבאיות, ספינות של הצי, מכ”מים להגנה אווירית צבאיים ואזרחיים כמו גם מידע בסיסי-נתונים ממטוסים צבאיים ואזרחיים אודות מידע של המראות בזמן ותכניות טיסה.
מערכת ה-Vigilare מיועדת בעיקר לפיקוח האווירי על יבשת אוסטרליה ואזורי האוקיאנוסים הסובבים אותה, אך היא כוללת גם פעולות אוויריות טקטיות על מטוסי פיקוח צבאיים, מטוסי-דלק ומטוסי קרב סילוניים לאזורים בעלי עניין כאשר יחידות הפיקוח של המערכת מזהות מטרות אפשריות או איומים גלויים.
כ-50 חיישנים מזינים כיום את מערכת ה-Vigilare, בשעה שמומחים להגנה אווירית משתמשים בתצוגות מרובות-פונקציות הניתנות לשינוי כדי לשמור על כל המטוסים הטסים מעל היבשה או מעל אזורי אוקיאנוס הסובבים אותה, ומעניקות לכל מטוס תג המצביע על כך שהמטרה היא ידידותית, בלתי-מוכרת או נחשבת לאיום.
תמונה (ע’ 4)
מערכות חיישנים-שילוב של היום מסוגלות לקבל נתונים מחיישנים קרקעיים דוגמת המכ”ם FPS-117 המוצג כאן
“זוהי מערכת עדכנית להגנה אווירית של אוסטרליה, והיא תיצור את יכולות ממוקדות-רשת של ה-Royal Australian Air Force”, אמר Steve Parker, סגן נשיא ומנכ”ל של Boeing Network and Space Systems באוסטרליה. “Vigilare היא מאוד חשובה עבור כוחות ההגנה של אוסטרליה, ומהווה אחת המערכות המתקדמות ביותר בעולם בפיקוד, בקרה ותקשורת”.
Vigilare הופך את השילוב והחלוקה של מידע על ההגנה האווירית ובקרת האוויר הטקטית לאוטומטית בזמן אמת, מסביר Parker. העוקב רב-הבקרים של פיקוח וניהול קרב אווירי מתקשר למערכות המכ”ם של התראה צבאית, דוגמת מכ”מי הגנה אווירית טקטיים מהירים וה-Jindalee Operational Radar Network (JORN) האיטי יותר, שהיא רשת מכ”מים מעבר לאופק המפקחת קבוע על אזורי האוקיאנוס והאיים בין אוסטרליה ויבשת אסיה. בתוך מערכת השילוב מרובה-חיישנים של Vigilare מקושרים גם מכ”מי בקרת תנועה אווירית אזרחית דוגמת אלה המופעלים על-ידי ה-Federal Aviation Administration בארה”ב.
Vigilare מתחבר גם למטוסים, ספינות ומערכות מכ”ם ניידות דרך הרשתות האלחוטיות הצבאיות 16 Link ו-Link 11. כלולים בפלטפורמות מכ”ם אלה גם מטוסי הסיור האוסטרלי כגון ה-Wedgetail- Boeing 737 מומר למטוס התראה אווירית מוקדמת ובקרה הדומה ל-E-3 Sentry AWACS של חיל האוויר של ארה”ב וגם ה-P-3 Orion, מטוס סיור ימי, מסביר Lee Davis, סגן מנהל תכנית ה-Vigilare ב-Boeing Defence האוסטרלי.
Vigilare מחובר גם לשלטונות התעופה האזרחית באוסטרליה כדי לשלב תכניות טיסה של מטוסים ומידע מוטס בתוך תערובת החיישנים. מידע זה אודות המראות מטוסים מעודכנות ותכניות טיסה מאפשר לבקרי ה-Vigilare לתאם זמני המראה ומסלולי טיסה עם מידע מכ”מי המוצג על צגיהם. מידע על תכניות טיסה צבאיות – גם חלק ממבואות חיישני ה-Vigilare- מכיל מידע כגון מיקום ולוגיסטיקה, ציוד מוטס, וגם פקודות משימות טיסה ונתוני משימה.
“יש לנו מספר גדול של חיישנים מסוגים שונים, כך שפיתחנו דפוס נתונים פנימי משותף לשם חלוקת מידע זה בתוך המערכת”, אומר Parker. מפתחי ה-Boeing שקלו, אך דחו את הרעיון של שרותי תרגום באתרי חיישנים וסוכנים, לא רק בשל המורכבות, אלא גם בשל הבעיה של תרגום נתונים מחיישנים הפועלים במהירויות שונות –כגון מכ”ם צבאי טקטי ומכ”מ ארוך טווח, מעבר לאופק. במקום זאת, “באתר החיישנים אנחנו ממירים כלפי מטה אל דפוס Vigilare משותף ומחלקים את הדפוס המשותף הזה על רשתות מהירות”.
כיצד מפעילים אנושיים מתקשרים עם נתוני Vigilare משולבי-חיישנים מחייב שני סוגים של תחנות עבודה למפעילים – אחת עבור צוות הפיקוח והשני עבור פעולות אוויר טקטיות. על תחנות הפיקוח , “אתה רואה תצוגת מיקום גיאוגרפי, בו אתה יכול להתמקד באזורי הפעולה שאתה רוצה”, אומר Parker. המפעיל רואה את משטח היבשת האוסטרלית ואזורי החופים שלה, עם כיסוי של נתוני עקיבה, ומסמן את הנתונים שנוצרו בתגים בעלי מידע כגון סוג המטוס, טווח, מהירות, גובה, איכות העקיבה, והחיישנים התורמים לעקיבה זו.
לתחנות העבודה של פיקוח ממשק משתמש שניתן להתאמה אישית והנראה דומה מאוד לממשק מסוג חלונות, אותו המפעילים יכולים להתאים עד למערכי סמלים, צבעים וסגנונות תגים. תחנות העבודה של פיקוח שולטים לרוב באזור גדול יותר מאשר תחנות העבודה של פעולות אוויר טקטיות, מאחר שמומחי הפיקוח צריכים לקבוע אם כל אירוע על הצג שלהם דורש חקירה נוספת, אומר Parker.
תחנות עבודה של פעולות אוויר טקטיות במערכת ה-Vigilare הן הרבה יותר ממוקדות במשימות ספציפיות מאשר צגי הפיקוח. מומחי הפעולות האוויריות יכולים להציב משימות לפטרולים צבאיים או למטוסי פיקוח באופן אוטומטי ללא פקודות קוליות דרך ערוצי הנתונים הצבאיים הטקטיים Link16 ו-Link11. בדרך זו, מערכת ה-Vigilare יכולה לנהל פעולות קרב טקטיות עד לרמה של פקודות מדומות של המערכת.
“על המסך בו מפעילי ההגנה האווירית מנהלית את הקרב, המערכת תציג את סמלי יחידות אלו בעלי הקצאת משימה – עד לפקודות וקטוריות, גיאומטריה של הקרב והזמן עד ליירוט”, אומר Parker. “אנחנו מעבירים מידע זה לתא הטייס המעורב למשך הזמן שאורכת המשימה”.
למפעילי אוויר טקטיים יש גם אופציה של הקצאת מטוס תדלוק הנמצא באוויר אל מטוס חוקר הזקוק לתדלוק, על-ידי מסירה למטוס התדלוק של מידע על הניווט ומידע אחר בשעת הטיסה. אם כי ה-Vigilare פותח במיוחד עבור אוסטרליה, הוא יכול לטפל בכל אזור בעולם, אומר Parker. “זה נראה קצת כמו Google Earth, כך שאתה יכול לפנות לכל אזור בעולם ולהתמקד בו. באזורים מרוחקים, הוא יכול להתחבר למכ”מים ניידים דרך לוויין כדי לספק מידע לפעולות של המדינה המארחת. המערכת יכולה לאכסן תאי תקשורת הנפרסים בכל מקום בעולם ולחבר אותו למערכת באוסטרליה דרך לוויין.
יתרה מזו, Vigilare נבנתה עם ציוד שרתי מחשבים COTS –commercial off-the-shelf , דוגמת השרתים המסחריים של Dell ו-Sun, ותשתית רישות IP נוסח Cisco לשם חיסכון כלכלי, אומר Parker. הבטחת המידע ב-Vigilare היא די מתקדמת. “אנחנו מקבלים מידע בתחומי אבטחה מרובים ומעבירים נתונים אלה דרך אזורי בטיחות מרובים. זוהי ארכיטקטורה מאוד בטוחה, הדוגלת באבטחה רבת-רמות של הנתונים”.
יכולת קרב משותפת
אחת ממערכות השילוב מרובות החיישנים כיום היא ה-Cooperative Engagement Capability (CEC) של Raytheon, מערכת פיקוח והגנה אווירית אשר נפרסה בספינות ומטוסים של צי ארה”ב מאז 1993. המערכת תוכננה על-ידי מהנדסים של חטיבת. Network Centric Systems של Raytheon Co. ב-St. Petersburg, Fla.. CEC היא מערכת רישות חיישנים בזמן-אמת המשלבת סוגים שונים של נתוני מכ”ם וחיישנים אחרים אל תוך תמונת אוויר מורכבת יחידה (SIAP) המרכזת נתוני עקיבה בעלי נאמנות מספקת כדי לספק פתרונות פתיחה באש לנשק המותקן בספינות, מטוסים ורכב.
ל-CEC רשת תקשורת נגד-שיבוש קניינית, ומתכנני Raytheon מקטינים עתה את ממדי האנטנות והמסופים, תוך כדי הרחבת טווח הרשת כדי לפזר את הנתונים בצורה רחבה יותר.
“CEC תוכננה כדי לטפל במידע לא-מלא ולא-מעובד, והיא עושה זאת כיום ותיטיב לעשות עוד יותר בעתיד”, מסביר Patrick Speake, מנהל רישות החיישנים המאוחרים ב-Network Centric Systems של Raytheon. ” אנחנו נוטלים את נתוני המדידות של חיישנים שונים ומאחדים אותם יחדיו כך שהעיקוב המרוכב שאתה מקבל מהנתונים המאוחדים הוא טוב יותר מאשר האות שחיישן כלשהו יכול היה לספק”.
להלן תרחיש CEC טיפוסי: המערכת עשויה להתפרס על סיירת Aegis של הצי כאשר מכ”ם הספינה נעול על עקבה של מטרה ומספק את מידע העקיבה של המכ”ם לתוך CEC. רשת ה-CEC, הקשורה למטוס התראה מוקדמת E-2C הנמצא במסלול, ויכולה להזין את נתוני העקיבה של מכ”ם הספינה אל ה-E-2C בזמן- אמת. לשניהם אותה התמונה מדויקת ומורכבת”, אומר Speake.
ה-CEC איננו רק משולב בספינות ומטוסים של הצי, אלא תופס חלק מה-Tracking Network CTN)) של הנחתים עבור מערכות מכ”ם קרקעיות הנפרסות, כמו גם עבור מערכת הJoint Land Attack Cruise Missile Defense Elevated Netted Sensor (JLENS)- של צבא ארה”ב, מכ”ם מרושת מבוסס בלון או פלטפורמה דומה שניתנת לפרוס בנקודות רגישות בעולם כדי לסייע לגילוי טילי שיוט מנמיכי-טוס.
כיום, טכנולוגיית ה-CEC מורכבת מרשת אלחוטית נגד חסימות, ציוד ותוכנת מחשוב לעיבוד שילוב-חיישנים, ואנטנת CEC המשדרת וקולטת את תמונת החיישן המשותפת CEC לכל הפלטפורמות ברשת שלה. “CEC פועלת בקו ראיה בלבד”, אומר Speake. ה-E-2 או מערכת אווירית אחרת מרחיבה את קו הראייה שלך. ערכנו מספר מחקרים אודות האפשרות להרחיב את הרשת באמצעות לוויין, אך קיימות מספר בעיות כמיסות שאנחנו צריכים עוד לטפל בהן. בעתיד, אולם, עשויה להיות כאן אופציה לתקשורת לוויינית”.
במהלך חמש השנים האחרונות, מומחי Raytheon הקטינו את הגודל, המשקל וצריכת ההספק של ציוד ה- CEC כדי לצמצם עלויות ולאפשר למערכת להתאים למגוון מתרחב של פלטפורמות. “מסוף עיבוד הנתונים שלנו היה בגודל של מקרר כפול, ועתה הוא בגודל של תנור מיקרוגל גדול עבור יישומים ימיים”, אומר Speake. “עבור היישומים המוטסים, בעבר המעבד של ה-CEC היה בגודל של ארבע תיבות ATR אשר תפסו המון מקום ב-E-2. עתה הוא צומצם לתיבת ATR אחת, ובכך הוקטן המון המשקל על המטוס”.
עבור ה-JLENS, Raytheon עובדת עם הצבא לא רק כדי לספק תמונות חיישנים מרושתות, אלא גם כדי לספק תקשורת מטוס-למטוס בין פלטפורמות של מערכת המכ”ם הנמצאת באוויר. עבור ה-CTN של הנחתים, CEC מרושתת עם מערכות המכ”ם הקרקעיות של הנחתים TPS-59.
“אין לנו את אותן היכולות נגד-שיבוש באנטנת ה-CTN”, מדגיש Speake. “הן בערך עשירית מהכמות שיש לנו במטוס תובלה; זו פשרה”.
לקראת העתיד, מהנדסי Raytheon שוקלים למזער את ציוד ה-CEC עוד יותר כדי לאפשר למערכת להתאים לפלטפורמות כגון המל”ט Global (unmanned aerial vehicle-UAV) Hawk. ”היינו מעוניינים במערכת CEC המותאמת ל-“UAV, אומר Speake, ומוסיף ש-Raytheon דנה עם חיל האוויר האמריקאי על האפשרות של התאמת CEC למטוס ה-airborne warning and control system (AWACS) מסוג E-3 Sentry.
גם לקראת העתיד, Raytheon “עובדת עם הצי כדי לפתח ארכיטקטורות רשת שונות וחדשות כדי לאפשר לנו להגיע לממדי רשת הרבה יותר גדולים עבור נכסים נוספים דוגמת ה-UAVs”, אומר Speake. “הצי שוקל להשיג זאת במישור הבינלאומי ביחד עם בני-ברית אחדים שלנו”.
כיום, CEC עוסקת בעיקר בטילי אוויר ושיוט, אך Speake אומר שהמערכת ניתנת להתאמה אפשרית לשם מעקב אחר טילים בליסטיים. “אם יהיו יישומי משימות חדשים בעתיד, אנחנו יכולים לשנות את האלגוריתמים שלנו כדי להיענות להם”, הוא אומר.
* * *
תרגם: אריה טל-אור
