Das Forschungsprogramm Aufklärung und Überwachung des Kompetenzbereiches Wissenschaft und Technologie von armasuisse bearbeitet vier fähigkeitsorientierte Kompetenzfelder in den Bereichen ISTAR (Intelligence, Surveillance, Target Acquisition and Reconnaissance) und Gegenmassnahmen. Dazu werden neue Möglichkeiten der Informationsbeschaffung, der Tarnung und Täuschung sowie der Störung demonstriert. Dies wird mit Hilfe eines multilateralen Kooperationsnetzwerkes sichergestellt. Das neu aufgebaute technisch-wissenschaftliche Fachwissen dient armasuisse W+T für Expertisen, Erprobungen, Technologiedemonstrationen und Innovationsprojekte zugunsten der Schweizer Armee.
Entscheidungsrelevante Informationen können künftig schneller, präziser, automatisiert und auch unter erschwerten Bedingungen, wie beispielsweise bei schlechter Sicht und bei Störmassnahmen, generiert werden. Die Gründe dafür sind vielfältig. Im Vergleich zu heute können durch die Weiterentwicklung intelligenter Algorithmen und der Rechenleistungen Ziele besser erkannt, verfolgt und automatisch klassifiziert werden. Dies trifft beispielsweise bei der Weiterentwicklung der Radartechnologie für die Luftraumüberwachung zu. Neueste Entwicklungen im Bereich kognitiver, multistatischer und multifunktionaler Radartechnologien ermöglichen eine verbesserte Erkennung von Luftzielen durch die Nutzung von Informationen aus der Umgebung. Intelligente Algorithmen spielen zudem eine wichtige Rolle bei der Zusammenführung von Daten aus unterschiedlichen Sensoren und von Informationen zu einem situationsgerechten Lagebild.
Das moderne Gefechtsfeld wird zunehmend zum transparenten Schlachtfeld. Aufklärung und Überwachung erfolgen in Form von Drohnen, Satelliten, Landrobotern, bemannten Aufklärungsplattformen, Soldaten und fernvernetzten Sensoren. Dabei versprechen neue Sensortechnologien eine deutliche Verbesserung in der Ausschöpfung des Informationsgehaltes. So sollen künftige kompakte Hyperspektral- und Synthetic Aperture Radar (SAR)-Geräte Tarnstellungen erkennen und Echtziele von Attrappen unterscheiden können. Darüber hinaus wird der Automatisierungsgrad und die Autonomie abgesetzter Detektoren schrittweise verbessert.
Fortschritte in der Halbleitertechnik und Elektronik ermöglichen die Miniaturisierung von Aufklärungsgeräten und neue Aufklärungsmöglichkeiten. Beispielsweise zeigen hochempfindliche Detektoren, sogenannte Quanten-Detektoren, die Fähigkeit, Objekte um Ecken herum zu erkennen. Ebenso demonstrieren rasch schaltende Spezialkamerasysteme das Potenzial, sehr schnell und in geringer Höhe fliegende Objekte zu erkennen und zu verfolgen. Selbst mit Blick in die Sonne und bei geringem visuellem Kontrast zwischen Ziel und Hintergrund ist eine Erkennung möglich.
Tarn- und Täuschmassnahmen gewinnen sowohl bei taktischen Einsätzen auf dem Gefechtsfeld als auch zur Gegenmassnahme in der strategischen Aufklärung immer mehr an Relevanz. Der Bedarf an neuen technischen Lösungen steigt, um beispielsweise neuen Bedrohungen, wie der Aufklärung durch Drohnen und Satelliten, entgegenzutreten. So wird es in Zukunft notwendig sein, Material und Truppen gegen Aufklärungssysteme mit Künstlicher Intelligenz (KI) zu tarnen. Auch wichtiger wird der Einsatz von sogenannten multispektralen Attrappen, die im visuellen, Infrarot- und Radar-Spektrum ähnliche Signaturen aufweisen wie reale Ziele.
Aus diesen Gründen wirken sich aktuelle Technologieentwicklungen auf die Leistungsgrenzen zukünftiger Aufklärungs- und Überwachungsmittel aus. Allerdings stellen sich offene Fragen zu den Leistungsgrenzen und realen Anwendungsmöglichkeiten. Deshalb sind die zentralen Aufgaben des Forschungsprogramms:
die Erfassung und Bewertung der relevanten Technologien und ihrer Trends in Bezug auf Nachrichtengewinnung (IMINT, RADINT, MASINT, ACCOUSTINT, SAR, GEOINT) sowie Gegenmassnahmen in Form von elektronischer Kriegsführung, Tarnung und Täuschung
das Aufzeigen und die Demonstration von neuen technischen Möglichkeiten
die Sicherstellung von Grundlagen und Fachkenntnissen für Beratung, Erprobung und Expertisen
Fortschritte in der Antennentechnologie, Hochfrequenztechnik, Halbleitertechnologie, den Algorithmen, integrierten Schaltkreise und Vernetzung ermöglichen, dass Radarsysteme zukünftig leistungsfähiger werden und neue Anwendungen schaffen. Forschungsthemen in diesem Kompetenzfeld betreffen kognitive, multistatische, multifunktionale und vernetzte Radarsysteme, aber auch intelligente Gegen-Gegenmassnahmen, um störende Interferenzen zu reduzieren. Solche Störeffekte können einerseits absichtlich durch andere Akteure aus der Luft und vom Boden aus verursacht werden. Andererseits, aber auch unbeabsichtigt durch Objekte am Boden wie Windraftwerke. Die Störeffekte sowie geeignete Gegenmassnahmen zu deren Bekämpfung müssen kontinuierlich bewertet werden. In Bezug auf die Multifunktionalität von zukünftigen Radargeräten ist beispielsweise von Interesse, wie Radar- und Kommunikationsfunktionalität mit einem Gerät ausgeführt werden können. Darüber hinaus erforscht das Kompetenzfeld Luftraumüberwachung, welchen Einfluss neuste Entwicklungen in der Photonik auf Radaranwendungen haben.
Eine wichtige Rolle spielt ebenfalls die Erkennung, Verfolgung und Identifizierung von Drohnen und Drohnenschwärmen in schwierigen Umgebungen, wie beispielsweise in Situationen, in denen zwischen den Drohnen und dem Hintergrund kaum unterschieden werden kann oder bei mobiler Aufklärung. Die Grundlagen hierfür werden mittels spezieller Forschungssensoren und Experimenten sowie Signaturmessungen geschaffen.
Bildgebende visuelle und elektro-optische Kameras stossen bei der Aufklärung über weite Distanzen an ihre Grenzen. Die Gründe für diese Einschränkung liegen in den Eigenschaften der Atmosphäre, beispielsweise durch die abschwächende Wirkung des vorhandenen Wasserdampfs und der Aerosole. Die sogenannten bildgebenden Radarsensoren Synthetic Aperture Radar (SAR) können hingegen auch bei Wolken, dichtem Dunst und Rauch hochauflösende Aufklärungsbilder der Erde auf weite Distanzen liefern – und dies zu jeder Tages- und Nachtzeit. Aktuelle technologische Entwicklungen zeigen die Realisierung kompakter SAR-Geräte auf Drohnen und Satelliten. Eine solche Miniaturisierung geht jedoch immer einher mit Kompromissen und Leistungsgrenzen bei der Aufklärung und Überwachung. Dies gilt es fortlaufend zu beurteilen.
Auf der anderen Seite zeigt die Forschung, dass der Einsatz von mehreren Empfangsantennen neue Anwendungen ermöglichen. Beispielsweise lassen sich bewegte Fahrzeuge gut erkennen. Auch 3D-Informationen können von SAR-Messungen abgeleitet werden. Hier gilt es die Leistungsgrenzen solcher Optionen zu beurteilen. Im Weiteren werden Methoden der elektronischen Kriegsführung gegen die SAR-Aufklärung sowie Unterstützungsmöglichkeiten in der Auswertung von SAR-Bildern untersucht. Zur Analyse dienen Forschungssensoren auf Drohnen und Flugzeugen, Satellitendaten sowie Simulationen auf der Basis von physikalischen Modellen.
Auch die Erkennung von Tarnpositionen ist von grosser Bedeutung. Hier liegt das Interesse auf Hyperspektralsensoren, die auch zunehmend in kompakter Form auf Drohnen und Satelliten eingesetzt werden. Solche Systeme messen die Materialeigenschaften mit hoher spektraler Auflösung – auch für das menschliche Auge unsichtbare Spektren. Dadurch ist es möglich, ein grün gefärbtes Tarnnetz von einer mehrheitlich grünen Hintergrundvegetation zu unterscheiden. Offene Fragen ergeben sich zur Aufklärungsleistung, wenn beispielsweise die Wetterbedingungen nicht optimal oder Schattenbereiche vorhanden sind. Ein weiteres Thema, welches in diesem Zusammenhang behandelt wird, ist die massive Datenreduktion, um Aufklärungsergebnisse gewissermassen in Echtzeit zu erhalten.
Die Überwachung grosser Gebiete erfolgt in der Regel mit Systemen aus der Luft und am Boden. Verteilte Überwachungssysteme am Boden mit hohem Automatisierungsgrad und Autonomie gewinnen dabei zunehmend an Bedeutung. In diesem Zusammenhang spielt die energie-effiziente KI-Implementierung in verteilten Überwachungseinheiten eine wichtige Rolle. Konkret spricht man von lokaler Intelligenz und sogenannten Edge- und Tiny-Edge-Technologien. Dabei geht es um optimierte integrierte Schaltkreise sowie die Integration moderner KI-Algorithmen, die wenig Rechenleistung benötigen. Solche moderne Sensorsysteme werden als Technologie-Demonstratoren realisiert und ihre Leistungsgrenzen abgeleitet.
Ausserdem wird die moderne Gefechtsfeldakustik in diesem Kompetenzfeld thematisiert. Intelligente Mikrofonsysteme gewinnen für den Selbst-, Plattform- und Infrastrukturschutz sowie für Aufklärungs- und Überwachungsaufgaben zunehmend an Bedeutung. So sind neue Ansätze zur Detektion und Lokalisierung von Knallereignissen wie beispielsweise von Schussvorgängen zu beurteilen. Etwa mit Technologie-Demonstratoren auf Fahrzeugen oder durch verteilte Sensoreinheiten im Gelände. Ein weiteres Thema betrifft die Aufklärung und Überwachung in bebauten und urbanen Gebieten, was aufgrund der eingeschränkten Sichtverhältnisse eine besondere Herausforderung darstellt. Ebenfalls herausfordernd ist der Einsatz von Radargeräten und Mikrofonen in solchen Umgegebungen, da Reflexionen die Zielerkennung erschweren. Daher gilt es die Vernetzung von Einheiten mit kleineren Erkennungsdistanzen zu untersuchen. Das heisst auch neue Möglichkeiten mit hochempfindlichen Detektoren aus der Forschung, etwa mit sogenannten Quantendetektoren und neuromorphen Kameras, zu überprüfen.
In diesem Kompetenzfeld werden zum einen technologische Lösungen zur Tarnung und Täuschung gegenüber neuen Bedrohungen, wie beispielsweise automatisierter KI-Aufklärung, bewertet. Die Tarnung gegen KI-Aufklärung erfolgt mit speziellen Tarnmustern und Methoden aus dem Forschungsfeld «Adversarial Camouflage».
Besonders im Fokus des Kompetenzfeldes Tarnung und Täuschung steht die Weiterentwicklung von multispektralen Attrappen. Solche Attrappen sollen die Signaturen realer Ziele im visuellen, infrarotbasierten und Radar-Spektrum möglichst genau imitieren. Es wird erforscht, wie sich die Signaturen durch zusätzliche Materialien an Attrappen optimieren lassen. Hierzu werden Labor- und Feldmessungen sowie Analysen mit physikalischen Modellen durchgeführt.
Eine wesentliche Voraussetzung für die Beurteilung von multispektraler Tarnmassnahmen ist eine vertiefte Kenntnis der Signaturen von Zielen, Materialien und Hintergründen. Daher ist es zwingend notwendig, eine Methodik zur Signaturmessung und Signatursimulation zu entwickeln und laufend auf die neusten Technologieentwicklungen anzupassen. Signaturmessungen werden unter kontrollierten Bedingungen im Labor oder durch Messungen in einer natürlicher Umgebung durchgeführt. Das spektrale Verhalten des Hintergrunds wird mit neuen Messmethoden über einen längeren Zeitraum festgehalten.
Der Technologiedemonstrator MIRANDA-35 liefert luftgestützte Aufnahmen des Bodens auch bei schwierigen Wetterverhältnissen, wie beispielsweise bei Wolken oder Regen. Wohingegen andere Sensoren bereits an ihre Grenzen stossen und keine brauchbaren Informationen mehr generieren, können die erzeugten Quicklook-Bilder, d.h. auf dem Flugzeug unmittelbar nach Messaufnahme generierte Fernerkundungsbilder in niedriger Auflösung, per Funk an eine Bodenstation übertragen werden. Die auf dem Flugzeug gespeicherten Messdaten werden nach einem Einsatz in Bilder mit höchster Bildpunktauflösung von 10 cm umgewandelt. Der Technologiedemonstrator umfasst fünf Empfangskanäle, womit bewegte Ziele am Boden und in der Luft, polarimetrische Eigenschaften von Bodenzielen, kleinste Veränderungen wie auch Höheninformationen des Geländes und von grossen Objekten bestimmt werden können.
Der Technologiedemonstrator umfasst einen Hexacopter, Strom- und Datenkabel zur Drohne sowie eine Bodenstation. Das Kabel hat eine Länge von 100 Meter, wobei der Betrieb typischerweise auf 80 Meter über Boden stattfindet. Das Gewicht des Kabels umfasst 1.6 Kilogramm für 100 Meter Länge – d.h. 16 Gramm pro Meter Kabellänge. Die Daten können mit einer Datenrate von 40 Megabit pro Sekunde übertragen werden. Die Drohne regelt automatisch die Rotoren, damit sie stabil an Ort und Stelle fliegen kann. Zudem ist aus Sicherheitsgründen ein Notfallschirm integriert. Aktuell ist ein Gimbal-System mit Sicht- und Wärmebildkameras als Nutzlast auf der Drohne integriert. Der Einsatz des Gesamtsystems für Aufklärungs- und Überwachungszwecke konnte beispielsweise für Drohnendetektion oder Überwachungsaufgaben der Truppe demonstriert werden. In einem zukünftigen Schritt wird die automatische Detektion und Verfolgung von Luft- und Bodenzielen betrachtet.
Vier programmierbare, sogenannte Software Defined Radio Radargeräte werden von einer zentralen Einheit angesteuert. Die Zeitsynchronisation basiert auf den GPS-Signalen. Folgende Forschungsthemen werden mit dem Demonstrator untersucht:
- Nichtlineare Radarwellenformen - Radarnetzwerke, d.h. Fusion von Radardetektionen von mehreren Radargeräten - Kognitive Radaralgorithmen - Rauschradartechnologie, d.h. Methoden zur Tarnung von Radargeräten - RADCOM-Themen, d.h. Grundlagen zur Co-Existenz Radar und Kommunikation - Multistatischer Radaransatz Drohnendetektion im urbanen Gelände
Ein einzelner Radarknoten weist folgende Kenngrössen auf:
- Antennen: Eine Sende- und zwei Empfangsantennen - Betriebsarten: Frequenzmoduliertes Dauerstrichverfahren und beliebig programmierbare Wellenformen - Radarfrequenz: 8.2 – 10.6 GHz - Bandbreite: 160 MHz für das Dauerstrichverfahren und 80 MHz für beliebig programmierbare Wellenformen - Ausgangsleistung: 2 W, bzw. 20 W
Die Akustikkamera mit 120 Mikrofonen ermöglicht die Detektion und Lokalisation von mehreren Geräuschquellen in Echtzeit, z.B. die Detektion und Lokalisation bzw. Verfolgung von Drohnengeräuschen. Die mit der Akustikkamera gemessenen Azimut- und Elevationsrichtungen der Geräuschquellen können für die Ausrichtung zusätzlicher Sensoren verwendet werden (z.B. Kamera auf einer Dreh-Neigeplattform). Insgesamt kann die Akustikkamera gleichzeitig auf sechs frei wählbaren Zielfrequenzen mit individuellen Frequenzbändern die nähere Umgebung akustisch überwachen.
Mit diesem Technologiedemonstrator, ein sogenannter aktiver Kalibrator, lässt sich der Radarrückstreuquerschnitt einer Drohne verstärken. Ein Bodenradar, welches die Drohne erkennt, interpretiert die Detektion, als ob ein viel grösseres Flugobjekt erkannt würde. Durch die Variation des Radarrückstreuquerschnittes kann zudem das Bodenradar getestet werden.
Netzwerk
Der Aufbau von Fachkompetenzen basiert auf einem breiten Netzwerk von Partnern aus Wirtschaft, Hochschulen, Universitäten und anderen Forschungsstellen im In- und Ausland. Zur Sicherstellung der Fähigkeitsorientierung findet ein enger Kontakt und Informationsaustausch mit Nutzern, Planungs-, Beschaffungs- und Erprobungsstellen des VBS statt.
