dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

Одно из весьма занятных и новых технологических направлений – создание систем, обеспечивающих невидимость (“настоящую”, в широком диапазоне частот ЭМ-излучений). Наверное, более или менее практические решения тут появятся сильно раньше, чем даже летающие автомобили. Интересно, при помощи каких устройств будут обнаруживать невидимок?

Например, подойдут специальные лазерные “стробоскопы”, выдающие сверхкороткие импульсы (пикосекунды?) и не менее быстрые сенсоры, фиксирующие отражения этих импульсов. Кстати, в конце прошлого года много обсуждали сверхбыструю “видеосъёмку” (как оказалось, вовсе она не “видео-“, но это не так важно), позволившую сгенерировать ролик, который показывал, как распространяется лазерный луч, освещающий “лабораторную” пластиковую бутылку. (Подробнее об этих экспериментах написано в блоге Игоря Иванова.) Есть довольно старая идея: если учитывать, что прикрытые плащами-невидимками объекты сами по себе никуда из пространства не исчезают, то зондирующий импульс будет проходить дополнительный путь, огибая скрытый объект. Требующееся для этого время, пусть и очень небольшое, можно измерить. Если таким образом быстро сканировать пространство вокруг короткими импульсами (что сильно повысит точность измерений), то появляется инструмент, не только определяющий наличие искажений, выдающих невидимку, но и позволяющий определить размеры скрытого объекта.

Интересный элемент снаряжения будущего – индивидуальный (персональный) помехопостановщик. Ведь самые разные системы наблюдения, и активные, и пассивные, уже сейчас используются для наблюдения за отдельными бойцами. Логичным будет не просто прятаться “на местности” от таких систем (малая заметность очень полезна), но и создать им трудности в случае, если спрятаться не удалось. Тут едва ли не идеальным решением являются разнообразные “дымы”, давно, кстати, известные. Хитрость в том, что активное электронное устройство, – например, РЛ-помехопостановщик, – потребляет энергию, требует правильной установки и сохранения чистоты излучающих элементов. При этом источник помехи является хорошим маркером для обнаружения цели, так как позволяет её локализовать. А вот “дымы”, очевидно, лучше – они размывают точку присутствия.

Хорошо сконструированный “дым” может блокировать ИК-диапазон и “размывать” сигналы РЛС. Проблема одна – дым одинаково работает против всех сторон: никто ничего не видит. Это неудобно. Поэтому в будущем, на следующем шаге, должны появиться “умные” дымы. Например, среды, сохраняющие электромагнитную прозрачность в некотором заданном (и достаточно узком) диапазоне частот. Или, скажем, такая прозрачность может наводиться при помощи облучения среды каким-то “модулирующим” сигналом – в таком случае можно в дымовой завесе открывать что-то вроде окон.

Другой интересный момент: можно ли заставить дым перемещаться в нужном направлении? Напрашиваются аналогии с затихшей темой “умной пыли”. Понятно, что двигатель на каждую частичку не установить. Но есть ведь разнообразные силы, возникающие внутри “облака” и вокруг него: электростатика, какие-то перепады давления. Возможно, некоторую комбинацию удастся приспособить для передвижения всего “облака” в целом, как большой системы частиц.

Занятный вариант, между прочим.

Если использовать технологии “дополнения реальности” с помощью специальных очков не просто так, а объединяя сведения, собираемые сетью сенсоров, компоненты которой заранее расставлены в разных точках местности, то возможности резко возрастают. Скажем, можно принимать не электромагнитные поля, а использовать вибродатчики, связав их с почвой или с конструктивными элементами строений, с трубопроводами (вариантов много). Вибрации позволяют получать информацию о перемещении техники (в некоторых случаях, о движении людей). Если у нас несколько датчиков, то сравнивая полученные данные, можно примерно определить где эта техника движется, что за техника и так далее. Метод известный, очень давно применяется разведками мира.

Очки тут вот при чём: информация от сенсоров передаётся в картинку окружающей действительности, дополняя её сообщениями типа “вот этот грузовик – везёт в кузове три тонны, другие грузовики в колонне – идут пустыми”. Всё в реальном времени. Соответствующие сенсоры можно заранее разбросать по территории. Или раздать по группе специалистов.

(На иллюстрации – датчик иного рода.)

Ещё не так давно был распространён “инфракрасный порт” в качестве инструмента для обмена данными между мобильными телефонами (и не только). Но радиоинтерфейс Bluetooth быстро вытеснил оптического собрата с рынка. При этом каналы Bluetooth – отличный проводник для утечек информации: при использовании недорогого дополнительного оборудования взаимодействовать по радио с атакуемым устройством можно с достаточно большого расстояния, и с любого направления.

А вот ИК-порт тут обладал преимуществом: для уверенной связи нужно было не только разместить два устройства рядом, но ещё и направить “вещательные окошки” друг на друга. (Да, в теории, можно принимать всякие отражения инфракрасного сигнала – но сложность реализации не сравнима с атакой через “всенаправленный” Bluetooth.)

Сейчас на борту боевых самолётов уже есть разные лазерные системы. И эти лазеры планируют использовать для создания каналов обмена информацией. При достаточной мощности и добротном приёмнике не обязательно использовать стекловолокно, луч уверенно распространяется в атмосфере. Наверное, вы уже догадались, что по сравнению с радиосвязью у лазерной системы есть то же самое преимущество, что и у ИК-порта перед Bluetooth: лазерный луч очень узкий, переносит информацию только в направлении приёмника. Чтобы подслушать сигнал нужно очень постараться: если оставить фантастику с фиксированием всяких вторичных процессов в атмосфере, то для перехвата потребуется разместить приёмник непосредственно внутри луча. Что непросто, в случае с находящимся в воздухе самолётом, который, к тому же, маневрирует. А вот радиосвязь, даже при использовании направленных антенн, всё равно работает во все стороны, просто, для разведки потребуется более чувствительный приёмник. И при этом лазерная система ещё и позволяет построить гораздо более широкий канал, в смысле объёма передаваемой информации.

В новостях DARPA пишут об экспериментальных разработках сверхминиатюрных навигационных устройств, автономных, для инерциальной навигации. В основе – “атомные гироскопы” (или ядерные – как хотите называйте). Это, если в двух словах, особым образом “настроенное” вещество: газ, где роль гироскопов выполняют отдельные атомы, с поляризованными спинами (то есть, с упорядоченными в одном направлении). Такую поляризацию проводят специальной “накачкой” среды, теория там не самая простая, судя по всему, а вообще придумали такую экзотическую схему гироскопа давно – ещё в 60-х годах прошлого века.

Интерес же тут вот в чём: сейчас подобная “спинотроника” очень популярна в прикладной физике, поэтому наработанные достижения позволяют изготовить добротные атомные гироскопы небольшого размера, в масштабах миллиметров. В принципе, схема должна быть устойчивой к ускорениям, вопрос в том, хватит ли этой устойчивости, чтобы подобную гировертикаль использовать в пуле. Размеры и энергопотребление – вполне подходящие. Датчики ускорений – отдельным элементом. Но, в случае с пулей, уже и подобная гировертикаль даёт кучу информации для системы управления.

Ну и понятно, что у миниатюрных гироскопов-на-чипе есть множество других применений, потому что автономная навигация, – скажем, для микробеспилотника, – гораздо важнее GPS-а. Автономная бортовая система эффективнее, проще и работает под землей или внутри зданий. В общем, миниатюрная навигация – это второй ключевой элемент для миниатюрных беспилотных систем. Первый- источники энергии, конечно.

Из многих футурологических новшеств среди самых вероятных кандидатов на появление в обозримом будущем – очки, позволяющие просматривать “дополненную реальность”. (Идеальные очки такого типа должны иметь хороший встроенный проектор изображения, вероятнее всего, на основе лазера, ещё потребуется фиксировать перемещение глаза.) Вполне вероятно, что подобные очки сперва, по традиции, появятся в перечне военного снаряжения, став основным индикатором. Не так давно обсуждали, что такие очки годятся для отображения самой разной информации (можно, к примеру, выводить данные от персонального сенсора запахов).

Другой вариант напрашивается: использовать мощь “дополненной реальности” и для вывода визуальной информации обо всех доступных для измерения электромагнитных полях, окружающих пехотинца. Многие “техногенные” поля не так сложно измерить с достаточной точностью. Но вот с полезным применением полученной информации возникают трудности: поле, понятно, измеряется возле самого пехотинца; при этом вычислить, какая именно конфигурация полей в окружающем пространстве (пусть в ближайшем), привела к возникновению результата измерения в данной точке – обычно невозможно. Для того, чтобы можно было что-то сказать о распределении полей и их источников требуется проделать измерения в нескольких точках, и синхронизировать результаты по времени. Да, наверное, можно было бы сделать довольно большую антенну, распределив её по обмундированию. Но это чрезвычайно сильно увеличивает заметность пехотинца для радаров, что плохо.

Можно записывать показания пассивных приёмников при перемещении бойца, а потом получать некую двумерную (для трёхмерной данных не хватит) картину полей, сводя вместе данные измерений за некоторый промежуток времени. Но тогда любые непредсказуемые изменения в характеристиках этих полей, произошедшие на протяжении временного шага измерения, круто изменят картину – сведение вообще потеряет смысл. Кроме того, возникают трудности с фильтрацией множества принимаемых сигналов.

Выходит, что “накладывание картинки” на изображение реальности, в случае с анализом электромагнитных полей, имеет очень ограниченное применение: требуется, чтобы была подробная информация о характеристиках источника поля – вот тогда можно что-то полезное вычислить в режиме онлайн. Другими словами, если сцену подсвечивает самолёт ДРЛО или, например, спутник GPS, то можно “увидеть” скрытые за стенами и кустами объекты. А если никто не подсвечивает, то и толку от электромагнитного слоя в интерфейсе “дополненной реальности” не много.

Занятно, что сильно поутихла тема “умной пыли”, очень популярная ранее. Речь о микроскопических электронных устройствах, каждое из которых автономно реализует некоторые сложные полезные функции под управлением микрокомпьютера и умеет поддерживать связь с внешним миром. Устройства действительно миниатюрные: по традиции, не более кубического миллиметра объёмом. Отсюда и название – и пыль, и умная.

Впрочем, чтобы стать настоящей пылью элементы должны быть ещё меньше, чем кубический миллиметр. Например, раз в двадцать меньше по объёму. Пыль можно использовать по всякому, это описано и у фантастов. Интересно отправить такую пыль по воздуху, вместе с облаками, исследовать вражескую территорию. Можно предположить, что кто-то наступил в “умную пыль”, она осталась на ботинках, и теперь легко отслеживать перемещение этого наступившего в пыль человека.

Понятно, что с созданием самой электроники микрокомпьютера, умещающегося в пылинку, особенных проблем сейчас быть не должно: транзисторы для “логики” давно научились делать маленькими, правильное проектирование позволит использовать разумный минимум транзисторов. Сложнее с модулем памяти, но, используя самые современные достижения, можно и достаточный объём памяти для кода и данных (мегабайты?) уместить в пылинку. Самая большая проблема – с электропитанием и источниками этого самого питания. Для пылинки нужен суперкомпактный источник. (С другой стороны, например, бактерии имеют размер много меньше подобной пылинки, но энергию накапливают.)

Вообще, подобную “умную пыль” можно реализовать в формате “пассивного автоответчика”. Такой проект даже вроде был. Идея в следующем: пылинки срабатывают при облучении их электромагнитным полем с заданной модуляцией, используя энергию этого поля измеряют заданные параметры окружающей среды, проводят свои внутренние вычисления и каким-то образом передают результат обратно (скорее всего, по оптическому каналу). То есть, подсвечивают такую пыль с борта самолёта локатором (как вариант), а специальные приёмники где-то на земле получают собранные данные. Если развить идею, то, скажем, пылинки мог ли бы работать при условии наличия любого подходящего электромагнитного поля достаточной напряжённости.

Другая трудность подобной пылинки – это оснащение её сенсорами. Можно представить, что где-то внутри пылинки разместился нанотехнологический акселерометр. Но он будет устроен очень непросто: потому что возникнет проблема с датчиками (а от гироскопа вообще придётся отказаться). Приёмник GPS, очевидно, не уместится, ни по антеннам, ни по накопительным цепям для сигнала – потому что требуется дополнительное питание. Довольно компактными могут быть световые оптические сенсоры, сенсоры температуры. И, пожалуй, всё. Не густо.

Особенно продуктивно выглядит вариант с летающим микроботом, который возит пыль с собой и рассаживает её. Микробот похож на насекомое, размеры имеет существенно большие, чем пыль, а поэтому может подзаряжаться от сетей электропитания (усы в розетку сунул). Этот же микробот служит ретранслятором данных, поступающих от пыли.

В общем, тема интересная. Но в публичности потеряла. Наверное, что-то уже сделали. Для ЦРУ, как вариант.

Снаряжение пехотинцев активно развивается. Какие технологические новинки, принципиально отличающиеся от всего, что было доступно ранее, появятся в обозримом будущем? Я как-то уже писал про динамический камуфляж – ткань, меняющую рисунок в зависимости от условий окружающей “сцены”. Но есть и другие интересные направления.

Например, высокочувствительные сенсоры запаха, оснащённые визуальным интерфейсом, показывающем и тип веществ, и примерное направление на источник запаха. Подобные сенсоры, с достаточно широким спектром обоняния, есть уже сейчас в качестве опытных образцов. Нужно учитывать, что расширить способности человеческого носа – не так уж и сложно: обоняние у людей плоховатое. Приёмники запахов размещаются в нескольких местах, например, на каске, плечах, поясе. Так как сенсоры должны быть динамическими, то есть, смогут менять интенсивность прокачивания воздуха и собственную чувствительность, появляется возможность вычислить примерное местоположение источника запаха. Компьютерная обработка вообще тут может только порадовать (как обычно): представьте, что есть память на запахи, очень точно отличающая одни записи от других и большая база данных с классификатором и автоматическим поиском – появляются новые возможности для определения опасностей.

Итак, результаты анализа “нюхателя” визуализируются. Визуальный интерфейс – это другая новинка, правда, более очевидная. У пехотинца в будущем есть специальные очки, позволяющие просматривать сгенерированные компьютером изображения в форме трёхмерного наложения на наблюдаемую реальность – это продвинутая технология “дополненной реальности”. Такие очки станут доступны уже лет через пять, может, раньше. (Очки с интеграцией виртуальной реальности с реальностью натуральной – вообще единственный кандидат на компьютерные интерфейсы ближайшего будущего, в том числе, и в гражданском варианте.) С интерфейсом, транслируемым в глаза с учётом трёхмерности пространства, более или менее понятно: карты, сведения об опасностях, направления движения, направления на угрозы – это всё показывается в удобном для восприятия формате. Понятно, что для формирования общей картины используются данные, поступающие с компьютеров других бойцов подразделения.

Кстати, особенное значение получают электронные системы опознавания “свой-чужой”. Это, в общем-то, не совсем новинка, но рост уровня компьютеризации несколько меняет ситуацию. Системы опознавания нужны автоматические, то есть, носимый компьютер должен уметь сам обозначать на тактической карте в реальном времени, где находятся дружественные части, включая отдельных пехотинцев. При этом система опознавания должна быть хорошо защищённой от подделки и перехвата, иначе всё то доверие, которое вызывает компьютерная тактическая карта поля боя, обратится во вред. А это проблема, потому что пехотинец – не самолёт, и электронный ответчик у него могут отобрать. Так что придётся этот ответчик глубоко интегрировать с биометрическими факторами “человека-носителя”. Тоже проблема.

Между прочим, камуфляжные рисунки на тканях, предназначенных для пошива военного обмундирования, тщательно исследуют. Исследуют ещё с тех пор, как впервые массово внедрили (во время Второй Мировой, хотя первые опыты были сильно раньше). Цели – понятны: определить, какой именно рисунок максимально скрывает бойца в том или ином пейзаже. Методы исследования включают, скажем, статистический анализ результатов наблюдений группами испытуемых: статиста одевают в различные “текстуры” и размещают на фоне пейзажа, на разном расстоянии от наблюдателей, “наблюдатели” же должны заметить статиста. Есть и другие исследовательские инструменты, вплоть до компьютерного анализа цифровых снимков “тестовых сцен”.

Камуфляжные рисунки по результатам исследований изменяют. В принципе, несложно проследить развитие, сравнивая полевую форму разных лет. Конечно, всё то же самое актуально и для техники (всех видов, не только наземной). Так что тема развивается. А поэтому понятно, что в будущем камуфляж останется, но будет другим. Интересно, каким именно?

Думаю, что тем, кто следит за темой, в голову первым делом приходит “плащ-невидимка”. Действительно, исследования в этом направлении ведутся. Есть уже заметное число открытых научных публикаций, рассказывающих, как можно с помощью специальных материалов добиться настоящей невидимости в том или ином диапазоне электромагнитных волн. Речь о технологиях, реализующих “огибание” прикрываемого оболочкой объекта электромагнитными волнами. Но, с другой стороны, создание практических тканей-невидимок, годных для полевого использования – дело далёкого будущего. (Хотя, опытные образцы таких тканей мы увидим уже в течение ближайших семи-девяти лет.)

В более близкой перспективе актуальны другие решения. Что это может быть? Например, динамический рисунок. “Электронные чернила”, потребляющие минимум энергии, уже есть. Их научились сопрягать с гибкими поверхностями. При использовании в качестве камуфляжа, нити, создающие рисунок, вплетаются (привариваются?) в ткань, а нужный рисунок выставляется вшитым микроконтроллером.

Камуфляжные текстуры редко обладают большим разнообразием цветов, чаще решение вообще практически “монохромное” (изменяется “насыщенность” одного, опорного, цвета). Геометрия рисунка – важнее. Поэтому, с цветопередачей как раз не должно возникнуть проблем (понятно, что непросто сделать электронные чернила на прочной ткани ещё и разноцветными). А вот геометрия рисунка на такой динамической ткани легко выставляется любая.

Рисунки находятся в памяти носимого компьютера. В простой реализации выбор узора производится либо на основе характеристик освещённости (видеокамеры, закрепляемые на касках, уже есть), либо на основе времени суток (часы в микроконтроллере), либо на основе местоположения бойца на карте (навигация работает), либо с учётом сразу всех этих параметров. Наверное, должен быть и ручной режим. Очевидное развитие, по мотивам живой природы, – динамический узор, конструируемый компьютером на основе наблюдения окружающей “текстуры”.

Такая ткань, в статусе опытного экземпляра, реализуема уже сейчас. Тем более, что в природе такие системы встречаются (кальмары, рыбы). В общем, ткань-хамелеон уже конструируют, нужно только реализовать сопряжение с системой управления.

Опять же, схема годится и для техники. Тут вместо ткани – специальная плёнка. На первый взгляд, задача с техникой проще, потому что не нужно делать гибкую ткань, постоянно работающую “под нагрузкой”. Но в реальности никакого упрощения нет: с техникой свои проблемы – нужно лучше следить за радиоэлектронной (а равно и ИК) заметностью, разные части имеют разную рабочую температуру и так далее.

Снижение заметности, кстати, это другая “камуфляжная” задача. Снижать ИК- и РЛ-заметность требуется и для пехотинцев, не только для техники. Активные элементы в ткани тут тоже помогут.

Кстати, в комментариях к предыдущей записи обсуждается необходимость навигации в будущем, нужна ли она вообще при фантастических захватнических операциях.

В реальности всё довольно просто: планирование эффективной военной операции без точных карт – невозможно. Точные карты требуют наличия точной навигации – это очевидно. Это что касается стратегии. Тактика проведения эффективной операции, опять же, требует точной информации о местоположении частей. Чем точнее и быстрее такая информация распространяется, тем эффективнее операция и больше шансов на успех. То есть, идеальное решение – распространение “навигационной информации” в режиме онлайн.

Моментальный и подробный (с “топографией”) ответ на вопросы типа “где я сейчас нахожусь?”, “где находятся другие части/подразделения?” и тому подобные – это основной предмет разрабатываемых и испытываемых сейчас перспективных военных информационных систем поля боя. Наиболее нашумевшая инициатива (имевшая, впрочем, некоторые проблемы): Future Combat Systems (FCS).

“Гибкая” автоматизированная навигация, использующая различные источники данных и “параметры” окружающей среды для “определения координат” – эта тема уже десяток лет находится среди наиболее актуальных прикладных исследований.

Другими словами, если даже сейчас автоматической навигации уделяется столько внимания, то очень странно полагать, что в фантастическом будущем, где возможны межпланетные перелёты, универсальная и точная общедоступная (“для своих”, конечно) навигационная система не является чем-то само собой разумеющимся. Ну как сейчас компьютеры и радары на корабле, примерно.

(Развиваем тему навигации. Нужно, наверное, отдельную категорию завести.)

Известно, что навигация по GPS основана на определении расстояния приёмника от нескольких “опорных точек”, чьи координаты известны (это, конечно, спутники). “Традиционная” практическая навигация также часто использует привязку к точкам с заранее известными координатами – то есть, методика стандартная и известная. Преимущества GPS: относительно несложно вычислять координаты автоматически. Но при этом навигация с использованием “радиоэлектронных автоматов”, работающих в привязке к радиопередатчикам с известными координатами – она тоже весьма и весьма старая (более 50 лет ей), хоть об этом и не многие задумываются.

Микроэлектронный прогресс нарастает. Результаты заметны в навигации. Сейчас и разнообразных передатчиков работает много и приёмники с компьютерами стали очень чувствительными, избирательными и мощными. Поэтому построить “навигационное поле”, доступное для автоматических навигационных систем, можно на базе самых разных присутствующих в интересующем районе передатчиков. GPS, опять же, не требуется. Интересно, что тут “навигационное поле” оказывается неким “паразитным” элементом.

Чтобы построить это самое “поле” достаточно тщательно исследовать обстановку в эфире, с максимальной точностью определив координаты множества подходящих передатчиков. Годятся: базовые станции систем мобильной связи, радиорелейные передатчики, телевизионные передатчики и тому подобные штуки. Понятно, что эти передатчики обычно зафиксированы на одном месте и у каждого можно выделить набор “сигнатур”, позволяющих отличать его от других (станции GSM, например, штатно “называют себя” при работе в эфире).

Теперь компьютеризированный навигационный инструмент, имеющий в локальной базе данных сведения о координатах и параметрах передатчиков, может вычислять собственное местоположение “триангулируя” на основе принимаемых сигналов. Годится для небольших беспилотников и наземных роботов, действующих в городе, ведь, GPS здесь много где совершенно недоступен: в больших зданиях, в подземных коммуникациях. А вот сигналы GSM, Wi-Fi или телевидения – вполне принимаются.

Особенно важен такой момент, который многие упускают из виду: для построения “навигационного поля” вовсе не нужно запрашивать какие-то сведения о местоположении, скажем, базовых станций GSM (типа, операторы их не выдадут). Вся информация дистанционно собирается из эфира, а координаты вычисляются с использованием других способов “привязки к местности”: хотя бы тот же самолёт-разведчик с GPS на борту.

DARPA ещё пару лет назад открыто заказало нечто подобное для военных применений. При этом описанная схема полностью рабочая и даже реализована на практике в гражданских системах (можно поискать в Google “wifi geolocation”, например). В случае с WiFi, сбор исходной информации проводится просто с борта автомобиля с GPS-приёмником (и WiFi, конечно), разъезжающего по городу.

Заметьте, уже система, работающая на WiFi, может быть весьма компактна, точна и пригодна для наведения “быстролетящих изделий”. Такие дела.