Polimorfizm funkcjonalny Modułowego Integratora

fot. WB Electronics

Niniejszy artykuł opisuje projekt budowy oraz funkcjonalność Modułowego Integratora do zarządzania systemem C4I żołnierza. W artykule zwrócono szczególną uwagę na budowę tego urządzenia oraz zbiór funkcji jakie urządzenie to realizuje w podsystemie C4I. Innowacyjny pomysł polegający na integracji w pojedynczej obudowie trzech różnych urządzeń, tj.: radiostacji osobistej, przenośnego komputera osobistego oraz systemu zasilania, realizowany na IX poziomie gotowości technologii, pozwolił określić Modułowy Integrator mianem urządzenia o „funkcjonalnej wielopostaciowości”. Kluczowym aspektem realizacji projektu było również dostosowanie urządzenia do cech psychofizycznych przyszłych użytkowników. Powyższe dostosowanie zostało zrealizowane poprzez ocenę Modułowego Integratora w aspektach ergonomii, estetyki technicznej, antropometrii i personalizacji, interakcji z użytkownikiem, siły nacisku, komfortu termicznego oraz lateralizacji. Opracowane, przebadane oraz przetestowane rozwiązanie „3in1” nie ma swojego odpowiednika na rynku krajowym jak i na rynkach zagranicznych.

Podczas działań bojowych stres podnosi w organizmie żołnierza poziom kortyzonu, tzw. hormonu stresu, który zwiększa poziom cukru we krwi i jednocześnie powoduje produkcję noradrenaliny - hormonu i neuroprzekaźnika powodującego szybsze bicie serca i większy przypływ krwi do mięśni, przygotowując jednocześnie organizm do walki. Jednak zamiast pomagać, wysoki poziom kortyzonu i noradrenaliny przeszkadza na nowoczesnym polu walki w szybkiej ocenie sytuacji i koncentracji powodując przez to kłopoty z pamięcią krótkotrwałą oraz percepcją (Wyniki badań zespołu psychiatrów z Uniwersytetu Yale i wojskowego Narodowego Centrum Leczenia Zespołu Wstrząsu Pourazowego w West Haven). Aby przeciwdziałać ww. „dysfunkcji percepcji” prowadzone są badania nad podawaniem żołnierzom dehydroepiandrosteronu (DHEA) oraz neuropeptypu Y– neuroprzekaźnika działającego między innymi przeciwlękowo. Jednocześnie trwają prace nad realizacją przezczaszkowej stymulacji magnetycznej TSM (ang. Transcranial Magnetic Stimulation), która umożliwia wyłączenie określonych części mózgu poddanych promieniowaniu magnetycznemu (Aktualne prace ekspertów z Instytutu Technologii Wojskowej w Massachusetts Institute of Technology w Bostonie). TMS pozwala na częściową blokadę mózgu na bodźce zewnętrzne lub stymulację emocji, wywoływanie sztucznych wizji lub ograniczanie bądź pobudzanie złości. Kluczowe trendy takie jak mikrowłókna (mogące zmieniać kolor, chronić przed falą uderzeniową, ekstremalnymi temperaturami, promieniowaniem oraz atakiem chemicznym i biologicznym), egzoszkielet (zwiększający siłę mięśni i wytrzymałość żołnierza a także stabilność podczas celowania) bądź broń dopasowana do indywidualnych cech żołnierza stanowić będą o podstawowych cechach Przyszłego Żołnierza na polu walki [1, 3].

Aby jednak opisywana skuteczność była maksymalna, to oprócz wyżej wymienionych, do systemu percepcji żołnierza musi być dostarczana optymalna porcja informacji, a sam interfejs obsługi powinien być na tyle prosty i intuicyjny, by w sytuacji silnego stresu nie stawał się kłopotliwy. Urządzenie, które w Indywidualnym Systemie Walki Żołnierza (ISW) scali w jednej obudowie funkcjonalności kilku innych urządzeń, stanowić będzie klucz do poprawy i rozszerzenia funkcjonalności, zwiększenia łatwości obsługi i wydajności, a tym samym ergonomii w aspekcie dostosowania zadań żołnierza do jego psychofizycznych możliwości. Takim urządzeniem jest Modułowy Integrator do zarzadzania system C4I (ang. Command, Control, Communications, Computers & Intelligence) żołnierza na polu walki.

Głównym celem projektu pt. „Modułowy Integrator do zarządzania systemem C4I żołnierza” było opracowanie i wykonanie Modułowego Integratora (M-ITG) na IX poziomie gotowości technologii. Projekt i budowa tego urządzenia okazały się zagadnieniem interdyscyplinarnym, wymagającym wiedzy oraz doświadczenia z obszarów telekomunikacji, teorii przetwarzania sygnałów, konstrukcji mechanicznych, techniki antenowej, inżynierii oprogramowania, materiałoznawstwa oraz ergonomii. Ze względu na znaczny „ciężar merytoryczny”, powyższe zadanie zostało zrealizowane w interdyscyplinarnym Konsorcjum Naukowo-Przemysłowym w składzie: WB Electronics S.A. – Lider Konsorcjum, Wojskowy Instytut Medycyny Lotniczej – członek Konsorcjum oraz PCO S.A. – członek Konsorcjum.

Moduł Komputera Osobistego

Modułowy Integrator zawiera w swojej konstrukcji wewnętrznej trzy zasadnicze bloki funkcjonalne, tj.: Moduł Komputera Osobistego (tzw. PDA – ang. Personal Digital Asistant), Moduł Radiostacji Osobistej, Moduł Systemu Zasilania oraz dodatkowy modem umożliwiający funkcjonalność telefonu komórkowego (GSM). Moduł Komputera Osobistego składa się z następujących elementów (rys. 1):

• Moduł Jednostki Centralnej z możliwością inteligentnego zarządzania energią, dysponujący mocą obliczeniową zapewniającą kompresję/dekompresję fonii i wizji w czasie rzeczywistym oraz obsługę urządzeń systemu C4I;
• Moduł Komunikacyjny, którego zadaniem jest obsługa urządzeń sensorycznych systemu C4I oraz komunikacji przewodowej z urządzeniami zewnętrznymi, tj.: Pojazd Bazowy (PB), UAV (ang. Unmanned Aerial Vehicle, bezzałogowy obiekt latający ), UGV (ang. Unmanned Ground Vehicle, bezzałogowy obiekt lądowy ), itp.;
• Moduł Zarządzania Sygnałami Wizyjnymi, którego zadaniem jest konwersja analogowych sygnałów wizyjnych na postać cyfrową zrozumiałą dla Modułu Jednostki Centralnej i odwrotnie;
• Moduł Zarządzania Sygnałami Akustycznymi, który odpowiada za konwersję analogowych sygnałów akustycznych na postać cyfrową zrozumiałą dla Modułu Jednostki Centralnej i odwrotnie;
• Moduł Zarządzania Energią, który umożliwia inteligentne sterowanie zasilaniem urządzeń elektronicznych i sensorycznych systemu C4I żołnierza;
• Bateria Podtrzymująca, która zapewnia zasilanie M-ITG na czas zaniku zasilania zewnętrznego;
• Pamięć Masowa, która umożliwia fizyczny zapis informacji awizowanych i przetwarzanych przez M-ITG z możliwością ich późniejszego odczytu lub transferu;
• Układ określania pozycji, który umożliwia wprowadzenie danych o położeniu żołnierza na elektroniczną mapę terenu oraz dystrybuowanie tej pozycji w sieci radiowej;
• Karta sieci bezprzewodowej Wi-Fi, która umożliwia bezprzewodową komunikację radiową w pojeździe bazowym, komunikację z UAV i UGV oraz z urządzeniami systemu C4I;
• Modem telefonii komórkowej umożliwiający dostęp radiowy do globalnej infrastruktury telekomunikacyjnej.

Rys. 1. Ogólny schemat blokowy Modułu Komputera Osobistego zintegrowanego w obudowie M-ITG

Dodatkowym, oddzielnym (niezintegrowanym) z M-ITG jest wyświetlacz Modułowego Integratora dołączany w sposób przewodowy i ergonomiczne umiejscowiony w systemie przenoszenia żołnierza wyposażony w mechanizm automatycznego przechodzenia w stan oszczędności energii oraz zapewniający poprawną widoczność w warunkach dużego nasłonecznienia. Urządzenie to, umożliwia zobrazowanie komunikatów tekstowych, zobrazowanie komunikatów graficznych oraz obrazów stałych i ruchomych.

Moduł Radiostacji Osobistej

Obok Modułu Komputera Osobistego, integralnym elementem M-ITG jest Moduł Radiostacji. Opracowanie tego modułu polegało na wykonaniu niewielkiego gabarytowo urządzenia łącząc jednocześnie technologię cyfrowej obróbki sygnału i związanych z nią możliwości modyfikacji użytego waveform’u (co jest nieodłączną cechą radiostacji SDR – ang. Software – Defined Radio), [10, 11] przy wykorzystaniu możliwości optymalnej obróbki sygnału metodami analogowymi.

Moduł Radiostacji Osobistej dysponuje średnią mocą wyjściową ok. 1 W oraz posiada odbiornik o liczbie szumowej nie przekraczającej 4 dB. Selektywność samego toru analogowego sięga ok. 80 dB. Zakres dynamiki odbiornika zawiera się w przedziale od -97 dBm do -5 dBm. Przełączanie z nadawania na odbiór odbywa się w czasie rzędu 10 μs i w takim samym czasie jest możliwe usypianie i wybudzanie poszczególnych komponentów radiowych. Rysunek 2 obrazuje połączenia pomiędzy poszczególnymi elementami opisywanego Modułu Radiostacji. Do podstawowych zadań układu FPGA należy połączenie interfejsów wszystkich elementów systemu oraz odciążenie procesora sygnałowego poprzez wykonywanie operacji wymagających szczególnie dużych mocy obliczeniowych.

Na potrzeby Modułu Radiostacji Osobistej zostały zrealizowane następujące bloki funkcjonalne, tj.: moduł FFT/IFFT, moduł detektora ramek (wykorzystujący metody korelacyjne), moduł interpolator, moduł decymator, moduł odzyskiwania zegara, moduł dodawania/usuwania rozszerzenia cyklicznego, moduł zarządzania slotami czasowymi, moduł automatycznej regulacji mocy oraz moduły interfejsowe. Na rysunkach 3–4 przedstawiono współpracę powyższych bloków funkcjonalnych w zakresie przetwarzania danych w torze nadawczym i odbiorczym.

Dane cyfrowe, wstępnie przetworzone w układzie DSP w dziedzinie częstotliwości, przekazywane są do dalszej odróbki poprzez moduł DMA. Następnie strumień danych podlega obróbce IFFT do postaci czasowej. Następnie do sygnału dodawane jest rozszerzenie cykliczne. Moduły „Timeslot Engine” oraz „Frame Counter” zapewniają precyzyjny mechanizm zarządzania slotami czasowymi. W ostatniej fazie, przed przekazaniem strumienia danych do dalszej obróbki analogowej, sygnał podlega interpolacji. Strumień danych wstępnie przetworzony analogowo podlega decymacji i trafia do układu detektora ramek. Następnie po obróbce FFT otrzymywany jest sygnał w dziedzinie częstotliwości, po czym strumień danych przekazywany jest do dalszej obróbki DSP. Moduły „ADC Module”, „Frame Counter” i „Timeslot Engine” realizują funkcję automatycznej regulacji wzmocnienia wymaganej do prawidłowego odbioru sygnałów radiowych od radiostacji znajdujących się w różnych odległościach od odbiornika. Modułowy Integrator wyposażony jest w interfejsy sygnałowe dające możliwość rozwoju konfiguracji.

Rys. 2. Schemat blokowy prototypu Modułu Radiostacji Osobistej

Rys. 3. Przetwarzanie danych w torze nadawczym.

Rys. 4. Przetwarzanie danych w torze odbiorczym.

Polimorfizm funkcjonalny Modułowego Integratora

Modułowy Integrator jako urządzenie scalone w jednej obudowie (rys. 5) cechuje się funkcjami, które są charakterystyczne dla telefonu komórkowego (smartfonu), indywidualnego komputera (PDA) oraz osobistej radiostacji żołnierza. Specyfikację techniczną urządzenia przedstawiono w tabeli 1. Owa wielopostaciowość funkcjonalna z powodzeniem może być nazwana polimorfizmem funkcjonalnym – poprzez występowanie pojedynczego, autonomicznego urządzenia, w którym nastąpiła integracja funkcji dedykowanych dla kilku zupełnie oddzielnych urządzeń. Wychodząc z definicji „funkcjonalności”, poprzez określenie mechanizmów, które pozwalają na użycie M-ITG na kilka różnych sposobów dochodzi się do konkluzji polys (gr. wiele) – morfe (gr. kształt), [5].

Modułowy Integrator ma za zadanie w sposób prosty i intuicyjny umożliwić użytkownikowi dołączenie sygnałów obrazowych otrzymywanych z różnych źródeł i sensorów systemu C4I. Poszczególne interfejsy przewodowe umożliwiające ww. funkcjonalność, wyprowadzone na obudowie urządzenia, zostały przedstawione na rysunku 5. Dostęp do elementów osprzętu optoelektronicznego i radioelektronicznego, czytelne zobrazowanie sytuacji taktycznej, sterowanie transmisją danych, obrazu, fonii został zrealizowany za pomocą interaktywnego wyświetlacza, który przedstawiono na rysunku 6. 

Rys. 5. Modułowy Integrator M-ITG do zarządzania systemem C4I żołnierza – oznaczenie interfejsów urządzenia

Rys. 6. Wyświetlacz Modułowego Integratora – oznaczenie interfejsów przewodowych

Urządzenie zapewnia dostęp do elementów osprzętu optoelektronicznego i radioelektronicznego systemu C4I żołnierza za pomocą jednego interaktywnego wyświetlacza, realizuje funkcje audio-wizualne, nawigacyjne, sensoryczne, czytelnie zobrazowuje sytuację taktyczną oraz steruje transmisją danych i przetwarzaniem obrazu. M-ITG realizuje również funkcjonalność telefonu komórkowego w oparciu o globalną infrastrukturę telekomunikacyjną (GSM). Scalony wewnątrz urządzenia Moduł Radiostacji automatycznie formuje i rekonfiguruje sieci MESH, zapewnia jednoczesną transmisję danych i głosu, transmituje bieżącą pozycję GPS oraz wideo z wybranej stacji. Współpraca Modułowego Integratora z dostępnymi tabletami i smartfonami (wizualizacja i konfiguracja poprzez USB lub Ethernet), wbudowana enkrypcja AES 256 oraz optymalizacja w zakresie doboru zakresu częstotliwości pracy i schematu modulacji powodują, że M-ITG staje się w pełni sieciocentrycznym rozwiązaniem [2, 4, 6, 7].

Scentralizowanie całego urządzenia w pojedynczej obudowie pozwala na ograniczenie liczby czynności, które żołnierz musiałby wykonać, gdyby miał posłużyć się każdym elementem osprzętu osobno. To w konsekwencji powoduje skrócenie czasu utraty koncentracji na polu walki i przyczynia się do poprawy bezpieczeństwa.

Dzięki temu kontrola i obsługa Modułowego Integratora jest na tyle intuicyjna i prosta, aby w sytuacji silnego stresu nie stawała się problematyczna. Dodać należy, że telefon komórkowy, szerokopasmowa osobista radiostacja żołnierza oraz osobisty komputer (PDA) wraz z modułem baterii umożliwiającym 8 godzin pracy, uzupełniają się wzajemnie, tworząc w pełni funkcjonalne urządzenie – które choć szeroko rozpowszechnione wśród użytkowników tzw. smartfonów, jednak nie znajduje dla siebie odpowiedników w ofercie sprzętu spełniającego wymagania wojskowe, zarówno na rynku polskim, jak i rynkach zagranicznych. Dodać należy, że wyżej wymienione, tj.: telefon komórkowy, radiostacja żołnierza i PDA, stanowią względem siebie swoistą konwergencję, tworząc w pełni funkcjonalne urządzenie. Sam proces integracji w pojedynczym urządzeniu kilku urządzeń, a tym samych ich funkcjonalnej synergii, wskazuje na innowacyjność opracowanego produktu.

Tab. 1. Specyfikacja techniczna Modułowego Integratora do zarządzania systemem C4I żołnierza:

Zastosowanie M-ITG a świadomość sytuacyjna żołnierza

Świadomość sytuacyjna żołnierza jest niezbędnym warunkiem ograniczenia ryzyka popełniania błędów: dostrzeganie elementów otaczającego środowiska w określonym czasie i przestrzeni, rozumienie ich znaczenia oraz ich wyobrażenie w najbliższym czasie. Większość popełnianych błędów, w tym podejmowanie niewłaściwej decyzji spowodowana jest zaburzeniami świadomości sytuacyjnej, a więc niepełnym obrazem sytuacji oraz brakiem informacji. Zgodnie z założeniem M-ITG służy do wzrostu świadomości sytuacyjnej żołnierza.

Główne zadania urządzenia to zapewnienie żołnierzowi maksymalnego bezpieczeństwa podczas wykonywania zadań bojowych, integracja wyposażenia elektronicznego i optoelektronicznego, usprawnienie dowodzenia zespołem bojowym, zapewnienie transmisji informacji głosowych, danych i obrazu, zobrazowania sytuacji taktycznej na wyświetlaczu integratora, zapewnienie komunikacji między żołnierzami w grupie (drużynie) oraz pogląd o aktualnej sytuacji na polu walki.

Scentralizowanie urządzenia pozwala na ograniczenie liczby czynności, które żołnierz musiałby wykonać, a co za tym idzie skrócenie czasu utraty koncentracji na polu walki.

Urządzenie jest proste i zgodne z zasadami ergonomii, aby nie powodowało stresu i utraty czasu na jego obsługę poprzez utratę koncentracji na zadaniach głównych. Użyteczność i funkcjonalność M-ITG została osiągnięta w pełni jedynie poprzez integrację z człowiekiem. Stąd kluczowym aspektem powodzenia całego projektu było jego dostosowanie do cech psychofizycznych przyszłych użytkowników, poprzez ocenę ergonomiczną zaproponowanego rozwiązania.

Wnioski oraz kierunki rozwoju

Analizując potencjalne obszary działań bojowych można stwierdzić, iż żołnierz realizuje swoje zadania w strefach silnie zurbanizowanych, obszarach wiejskich i zalesionych oraz wewnątrz pomieszczeń, tuneli i budynków. Wymienione obszary działań powodują, że propagująca się fala elektromagnetyczna, a tym samym parametry taktyczno-techniczne urządzeń łączności radiowych są znacznie ograniczone poprzez szereg zjawisk pejoratywnych, jakie towarzyszą tego typu propagacji [8, 9].

Uwzględniając powyższe przesłanki, opracowano nowatorskie urządzenie, które stanowi fundamentalne ogniwo systemu C4I żołnierza. Minimalizacja pasożytniczych zjawisk propagacyjnych została zrealizowana poprzez optymalny dobór zakresu częstotliwości pracy i schematu modulacji modułu radiostacji, jaką scalono w pojedynczej obudowie M-ITG. Możliwość tworzenia przez urządzenie sieci typu MANET, realizacja funkcji nawigacyjnych, sensorycznych, komunikacyjnych, audio-wizualnych i kontrolnych, duża odporność na zakłócenia naturalne i generowane przez przeciwnika oraz efektywna i szybka transmisja danych wraz z możliwością korzystania z sieci GSM/3G sprawia, że Modułowy Integrator jest pierwszym tego typu urządzeniem, jakie powstało na światowym rynku techniczno-przemysłowym.

Scalenie w jednym urządzeniu trzech zupełnie oddzielnie istniejących komponentów (radiostacji, smartfonu i PDA), stanowi względem siebie swoistą konwergencję, tworząc w pełni funkcjonalny produkt przy jednoczesnej minimalizacji masy dla całego systemu C4I, zapewniając prostotę i intuicyjność obsługi. Dodatkowym, bardzo istotnym elementem pracy, było przeprowadzenie badań ergonomicznych i optymalizacyjnych na grupie żołnierzy z Jednostek Sił Specjalnych z wykorzystaniem Modułowego Integratora. Należy dodać, że przeprowadzony cykl badań szczególnie cenny pod względem optymalizacji rozwiązania w aspektach szeroko pojętej ergonomii, stanowi istotny element projektu. Ambicją WB Electronics S.A. jest docelowa aplikacja M-ITG do działań operacyjnych prowadzonych przez żołnierzy jednostek specjalnych, wykorzystanie M-ITG w II Etapie Programu TYTAN, wykorzystanie M-ITG w projekcie EvaCopNet oraz koherencja rozwiązania z obecnie realizowanymi projektami takimi jak projekt mikrosensorycznej technologii pomiaru funkcji życiowych MICROS.

Niniejszy artykuł powstał w ramach pracy badawczo-rozwojowej współfinansowanej przez NCBR pt. „Modułowy Integrator do zarządzania system C4I żołnierza”, zgodnie z Umową DOBR/0039/R/ID1/2012/03.

Modułowy Integrator M-ITG do zarządzania systemem C4I żołnierza, w XXIII edycji Międzynarodowego Salonu Przemysłu Obronnego MSPO 2015 w kategorii „sprzęt wyposażenia indywidualnego żołnierza” otrzymał prestiżową nagrodę DEFENDER.

Literatura

[1] DUDCZYK J., Informatyczne serce systemu C4I żołnierza przyszłości, „Miesięcznik RAPORT”, vol. 9, 2011.

[2] DUDCZYK J., Kawalec A.., Optymalizacja parametrów technicznych radiostacji osobistej poprzez zastosowanie modulacji OFDM oraz pasma UHF, „Elektronika (konstrukcje, technologie, zastosowanie)”, nr 4/2014, pp. 77–80.

[3] DUDCZYK J., MIROSŁAW T., Polski program żołnierza przyszłości, „Kwartalnik Bellona”, nr 2/2012, str. 207–215.

[4] DUDCZYK J., Optymalny dobór parametrów radiostacji szerokopasmowej żołnierza, „Miesięcznik NTV”, vol 9, 2011.

[5] DUDCZYK J., Polimorfizm funkcjonalny urządzeń radioelektronicznych w aspekcie indywidualnego komunikatora dla żołnierza przyszłości, „Ewolucja wojskowych systemów teleinformatycznych oraz Lessons Learned w świetle misji pokojowych i stabilizacyjnych – II Konferencja Łączności i Informatyki”, 23–24 marca, str. 165–170.

[6] DUDCZYK J., Szerokopasmowa radiostacja osobista PERAD jako innowacyjne oblicze personalnej łączności żołnierza na miarę XXI wieku, „X Międzynarodowa Konferencja Uzbrojenia nt.: Nowe aspekty techniki uzbrojenia I bezpieczeństwa”, 15–18 września 2014, Ryn.

[7] DUDCZYK J., TYMA G., Ożarowska radiostacja osobista żołnierza scala wymagania współczesnego pola walki na sprzęt łączności, „Miesięcznik NTV, vol 2, 2014.

[8] KAISER S., OFDM-CDMA versus DS-CDMA. Performance Evaluation for Fading Channels., “EEE International Conference on Communications”, vol. 3, pp. 1722–1726, Seattle 1995.

[9] KATULSKI R.J, Propagacja fal radiowych w telekomunikacji bezprzewodowej, WKŁ, Warszawa, 2009.

[10] MITOLA J, Software Radio Architecture. Object-Oriented Approches to Wireless Systems Engineering, John Wiley & Sons Inc., New York 2000.

[11] TUTTLEBEE W, Software Defined Radio. Origins, Drivers and International Perspectives, John Wiley & Sons Inc., New York 2002.