FPV ड्रोन से बख्तरबंद वाहनों की सुरक्षा के लिए रोबोटिक काइनेटिक इंटरसेप्शन कॉम्प्लेक्स (C-UAS) की इष्टतम संरचना का शोध और तकनीकी औचित्य

आधुनिक युद्ध के मैदान की स्थितियों में, जहां सस्ते FPV ड्रोन का बड़े पैमाने पर उपयोग किया जाता है, बख्तरबंद वाहनों की सुरक्षा के पारंपरिक साधन अपर्याप्त प्रभावशीलता दिखाते हैं। यह रिपोर्ट एक व्यापक शोध है, जिसका उद्देश्य सक्रिय गतिज सुरक्षा (काउंटर-अनमैन्ड एरियल सिस्टम, C-UAS) के रोबोटिक कॉम्प्लेक्स की संरचना का विकास और तकनीकी औचित्य प्रस्तुत करना है।

रिपोर्ट क्रमिक रूप से खतरे के सामरिक संदर्भ पर विचार करती है, संभावित निशाना साधने वाले साधनों का तुलनात्मक विश्लेषण करती है, इलेक्ट्रोमैकेनिकल प्लेटफॉर्म, सेंसर कॉम्प्लेक्स और कम्प्यूटेशनल संरचना के लिए संरचनात्मक समाधानों के चयन का औचित्य सिद्ध करती है। लक्ष्य के पता लगाने, ट्रैकिंग और अवरोधन के सॉफ्टवेयर एल्गोरिदम, साथ ही प्लेटफॉर्म पर सिस्टम के एकीकरण और समाधान की आर्थिक दक्षता के मुद्दों पर विशेष ध्यान दिया गया है।

कार्य का परिणाम एक संक्षिप्त, उच्च-गति वाले स्वायत्त मॉड्यूल का विस्तृत तकनीकी-आर्थिक मॉडल है, जो संरक्षित वस्तु तक पहुंचने वाले FPV ड्रोन का वास्तविक समय में पता लगाने, ट्रैक करने और नष्ट करने में सक्षम है, चालक दल के हस्तक्षेप की आवश्यकता के बिना "पता लगाने-नष्ट करने" के चक्र को पूरा करता है।

1.1. युद्ध के मैदान का रूपांतरण और पारंपरिक सुरक्षा का संकट

आधुनिक कम तीव्रता वाला संघर्ष असममित, वितरित और रोबोटिक लड़ाई के मॉडल में परिवर्तन की विशेषता है। FPV ड्रोन, जो मूल रूप से नागरिक रेसिंग उपकरण थे, बख्तरबंद वाहनों (बीटीटी) के महत्वपूर्ण तत्वों: इंजन, टॉवर, ऑनबोर्ड इलेक्ट्रॉनिक्स, कम बख्तरबंद ऊपरी प्रक्षेपणों पर सटीक हमले करने में सक्षम उच्च-परिशुद्धता हथियार बन गए हैं।

1.2. लक्ष्य प्रोफाइल: FPV ड्रोन की गतिज और भौतिक विशेषताएं

एक प्रभावी अवरोधन कॉम्प्लेक्स के डिजाइन के लिए एक विशिष्ट लक्ष्य के प्रोफाइल का विस्तृत विश्लेषण आवश्यक है। FPV ड्रोन कई विशेषताओं के कारण निशाना लगाने के लिए एक जटिल लक्ष्य है:

• उच्च गति: 80-140 किमी/घंटा (22-39 मीटर/सेकंड)।
• अत्यधिक छोटा रडार क्रॉस-सेक्शन: आयाम 300x300x150 मिमी, कार्बन फ्रेम।
• उच्च गतिशीलता और त्वरण: गति वेक्टर में अचानक परिवर्तन करने की क्षमता।
• जटिल ध्वनिक और थर्मल प्रोफाइल: कम शक्ति वाले ब्रशलेस मोटर्स।
• अत्यधिक कम उड़ान ऊंचाई: अत्यंत कम ऊंचाई (2-10 मीटर) पर काम, इलाके की सिलवटों का उपयोग।

सिस्टम डिजाइन के लिए निष्कर्ष: एक पता लगाने वाली प्रणाली की आवश्यकता है जो एक दूरी पर कम दिखाई देने वाले लक्ष्य का पता लगा सके जो प्लेटफॉर्म को घुमाने, लक्ष्य को पकड़ने, ट्रैक करने और गोली चलाने के लिए समय की खिड़की प्रदान करे। सिस्टम की कुल प्रतिक्रिया समय (OODA चक्र) 2 सेकंड से कम होनी चाहिए।

2.1. तुलनात्मक विश्लेषण: राइफल्ड हथियार बनाम स्मूथबोर

विश्लेषण से पता चला है कि द्रव्यमान, आयाम और पीछे की ओर झटके की सीमाओं की स्थिति में मोबाइल प्लेटफॉर्म पर छोटे आकार के, अत्यधिक गतिशील लक्ष्य को निशाना बनाने के कार्य के लिए, 12 गेज कारतूस के लिए स्मूथबोर हथियार इष्टतम विकल्प है।

2.2. 12 गेज गोला-बारूद के प्रकारों का विश्लेषण

स्मूथबोर राइफलों के लिए विभिन्न प्रकार के गोला-बारूद का शोध ड्रोन को निशाना बनाने के लिए सबसे प्रभावी गोला-बारूद निर्धारित करने की अनुमति देता है।

निष्कर्ष: शॉट नंबर 1 (4.0 मिमी) के साथ 12 गेज कारतूस 80 मीटर तक की दूरी पर शॉट के घनत्व, प्रत्येक शॉट दाने की संरक्षित गतिज ऊर्जा और पत्रिका फीड के साथ स्वचालित प्रणाली में उपयोग के लिए उपयुक्तता के बीच इष्टतम संतुलन का प्रतिनिधित्व करता है।

2.3. हथियार प्लेटफॉर्म का चयन

किए गए विश्लेषण के आधार पर, एक आधार प्लेटफॉर्म के रूप में 12/76 कारतूस के लिए एक सेमी-ऑटोमैटिक कार्बाइन/शॉटगन चुना गया है जिसमें पत्रिका फीड (5-10 कारतूस के लिए ड्रम या बॉक्स पत्रिका) की संभावना है। मापदंड: विभिन्न स्थितियों में स्वचालन की विश्वसनीयता, विभिन्न प्रकार के गोला-बारूद के साथ संगतता, घूमने वाले प्लेटफॉर्म के साथ एकीकरण के लिए मानक फास्टनरों (पिकाटिनी रेल) की उपस्थिति।

3.1. ड्राइव का विश्लेषण: गति और टॉर्क की समस्या

मेकाट्रोनिक्स का मुख्य कार्य लक्ष्य की कोणीय गति से अधिक निशाना गति प्रदान करना है। 100 मीटर की दूरी से हमला करने वाले FPV ड्रोन के लिए, प्लेटफॉर्म की आवश्यक कोणीय गति 2 रेड/सेकंड (~115 डिग्री/सेकंड) तक पहुंच सकती है।

3.1.1. स्टेपर मोटर्स

स्थिति निर्धारण की सटीकता और नियंत्रण की सरलता में लाभ। कमी: उच्च गति पर टॉर्क में तेज गिरावट, अनुनाद की घटना और कदम छूटना। अत्यधिक गतिशील ट्रैकिंग के लिए अनुपयुक्त।

3.1.2. सर्वो ड्राइव और वेव गियर रिड्यूसर

रिड्यूसर के साथ वाणिज्यिक सर्वो ड्राइव (उदाहरण के लिए, हार्मोनिक ड्राइव पर आधारित) कॉम्पैक्ट आकार में उच्च टॉर्क प्रदान करते हैं। समस्या: रिड्यूसर बैकलैश पेश करता है, जो लक्ष्य को पकड़ने और ट्रैक करने की सटीकता को कम करता है, साथ ही यांत्रिक नुकसान भी।

3.1.3. प्रत्यक्ष ड्राइव (डायरेक्ट ड्राइव ब्रशलेस मोटर्स)

उच्च-सटीक और उच्च-गति निशाना लगाने के कार्यों के लिए इष्टतम समाधान। रिड्यूसर को हटाने से बैकलैश, यांत्रिक नुकसान समाप्त हो जाते हैं और विश्वसनीयता बढ़ जाती है। आधुनिक गियरलेस टॉर्क मोटर्स उच्चतम गतिशीलता, सटीकता और अधिभार क्षमता प्रदान करते हैं। उच्च टॉर्क वाले मोटर्स और परिष्कृत नियंत्रण एल्गोरिदम (एफओसी - फील्ड ओरिएंटेड कंट्रोल) के अनुप्रयोग की आवश्यकता होती है।

3.2. पीछे की ओर झटके को कम करने की प्रणाली

गोलीबारी की सटीकता को बनाए रखने और गोली चलाने के बाद तेजी से पुन: लक्ष्यीकरण की संभावना के लिए, पीछे की ओर झटके को कम करने की एक सक्रिय या निष्क्रिय प्रणाली आवश्यक है। प्रस्तावित समाधान: प्लेटफॉर्म से हथियार के फास्टनर में लोचदार-डंपिंग तत्वों का संयोजन (निष्क्रिय कमी) एक्सेलेरोमीटर के डेटा के आधार पर ड्राइव में प्रेरक मुआवजे के एल्गोरिदम के साथ (सक्रिय स्थिरीकरण)।

4.1. एज एआई का हार्डवेयर प्लेटफॉर्म

वीडियो स्ट्रीम की प्रोसेसिंग, डिटेक्शन और ट्रैकिंग के न्यूरल नेटवर्क एल्गोरिदम का निष्पादन, बैलिस्टिक गणना और ड्राइव नियंत्रण सिस्टम पर बोर्ड में वास्तविक समय में किया जाना चाहिए। पूर्णांक संचालन (INT8) में उच्च प्रदर्शन और कुशल ऊर्जा खपत वाले प्लेटफॉर्म की आवश्यकता है।

चयन: NVIDIA Jetson Orin Nano मॉड्यूल प्रदर्शन, ऊर्जा खपत, तैयार विकास उपकरणों (JetPack SDK, TensorRT, DeepStream) की उपस्थिति और पेरिफेरल समर्थन के बीच इष्टतम संतुलन का प्रतिनिधित्व करता है।

4.2. ऑप्टिकल सिस्टम

मुख्य सेंसर - दृश्य स्पेक्ट्रम की एक वाइड-एंगल (क्षैतिज रूप से ≥90 डिग्री) कैमरा है जिसमें ग्लोबल शटर (रोलिंग शटर नहीं) है ताकि आने वाले लक्ष्य का पता लगाया जा सके। कम से कम 60 FPS की आवृत्ति पर 1920x1200 का रिज़ॉल्यूशन। इसके अतिरिक्त, सटीक ट्रैकिंग और दूरी निर्धारण के लिए, एक अलग सर्वो प्लेटफॉर्म या स्टीरियो कैमरा पर एक संकीर्ण-कोण जूम कैमरा लागू किया जा सकता है।

4.3. रेडियो फ्रीक्वेंसी टार्गेटिंग

प्रतिक्रिया समय को कम करने और कैमरा के दृश्य क्षेत्र में दृश्यमान होने से पहले ड्रोन का पता लगाने के लिए, एक पैसिव रेडियो डायरेक्शन फाइंडर के उपयोग का प्रस्ताव है। यह सबसिस्टम 900 मेगाहर्ट्ज, 1.2 गीगाहर्ट्ज, 2.4 गीगाहर्ट्ज, 5.8 गीगाहर्ट्ज (FPV नियंत्रण और वीडियो ट्रांसमिशन के लिए विशिष्ट) रेंज को स्कैन करती है, स्रोत की दिशा निर्धारित करती है और प्री-एम्प्टिव रोटेशन के लिए मुख्य ऑप्टिकल सिस्टम को अज़ीमुथ और ऊंचाई के कोण प्रसारित करती है।

5.1. डिटेक्शन: YOLO न्यूरल नेटवर्क

छोटे आकार के और तेज लक्ष्य का पता लगाने के लिए, न्यूरल नेटवर्क आर्किटेक्चर YOLO (यू ओनली लुक वन्स) का एक अनुकूलित संस्करण उपयोग किया जाता है, उदाहरण के लिए YOLOv8n या विशेष रूप से प्रशिक्षित YOLO-Fastest। मॉडल को एक डेटासेट पर प्रशिक्षित किया जाता है जिसमें विभिन्न कोणों, अलग-अलग मौसम की स्थितियों और विपरीत पृष्ठभूमि पर FPV ड्रोन के हजारों छवियां होती हैं। अधिकतम गति के लिए TensorRT पर इन्फेरेंस किया जाता है (लक्ष्य > 30 FPS)।

5.2. ट्रैकिंग और भविष्यवाणी: कलमैन फिल्टर

डिटेक्शन के बाद, लक्ष्य को ट्रैकिंग एल्गोरिदम में स्थानांतरित कर दिया जाता है। एक्सटेंडेड कलमैन फिल्टर (ईकेएफ) का उपयोग लक्ष्य की स्थिति वेक्टर (पिक्सेल और कोणीय निर्देशांक में स्थिति, गति, त्वरण) का अनुमान लगाने, डिटेक्शन शोर को फ़िल्टर करने और शॉट के उड़ान समय के लिए लक्ष्य की स्थिति की भविष्यवाणी करने के लिए किया जाता है।

5.3. बैलिस्टिक कैलकुलेटर और लीड गणना

पूर्वानुमानित लक्ष्य निर्देशांक, चयनित कारतूस की ज्ञात बैलिस्टिक (शॉट की प्रारंभिक गति, बैलिस्टिक प्रतिरोध गुणांक) और वर्तमान मौसम की स्थिति (तापमान, दबाव, हवा, सिस्टम में मैन्युअल इनपुट या मौसम सेंसर द्वारा दर्ज) के आधार पर, लीड के साथ निशाना लगाने का बिंदु गणना की जाती है। गणना शॉट की गति की गैर-रैखिक गिरावट को ध्यान में रखते हुए संख्यात्मक रूप से की जाती है।

5.4. नियंत्रण: विजुअल सर्वोइंग

सटीक निशाना लगाने के लिए, विजुअल सर्वोइंग (दृश्य प्रतिक्रिया द्वारा नियंत्रण) विधि लागू की जाती है। एल्गोरिदम लगातार फ्रेम में लक्ष्य की वर्तमान स्थिति और निशान केंद्र के बीच त्रुटि की गणना करता है, इस त्रुटि को घूमने वाले प्लेटफॉर्म के ड्राइव के लिए नियंत्रण वोल्टेज में परिवर्तित करता है। यह सिस्टम को केवल लक्ष्य का "पीछा" करने की अनुमति नहीं देता है, बल्कि वास्तविक समय में इसके युद्धाभ्यास की भरपाई करता है।

6.1. बिजली आपूर्ति और प्लेसमेंट

कॉम्प्लेक्स को एक स्वायत्त मॉड्यूल के रूपिए डिज़ाइन किया गया है, जिसे बख्तरबंद वाहन के टॉवर या शरीर पर रखा जाता है। बिजली की आपूर्ति कनवर्टर के माध्यम से वाहन के ऑनबोर्ड नेटवर्क (24/28 वी) से की जाती है। लक्ष्य नमूने का द्रव्यमान चेसिस पर स्वीकार्य भार और चालक दल द्वारा माउंट करने की संभावना सुनिश्चित करने के लिए 50 किलोग्राम से अधिक नहीं होना चाहिए।

6.2. ऑपरेशन मोड

• स्वायत्त: ऑपरेटर की भागीदारी के बिना पता लगाने और नष्ट करने का पूरा चक्र। मुख्य मोड।
• मैनुअल (ओवरराइड): ऑपरेटर रिमोट या टैबलेट के माध्यम से कैमरे से वीडियो स्ट्रीम देख सकता है और लक्ष्य का चयन कर सकता है, हमले को रद्द कर सकता है या मैन्युअल रूप से गोली चला सकता है।
• ड्यूटी: सिस्टम गोलाकार पैनोरमिक निगरानी करता है, लक्ष्यों का पता लगाता है और वर्गीकृत करता है, लेकिन आदेश के बिना आग नहीं खोलता है।

6.3. युद्ध की अर्थव्यवस्था

मुख्य पहलू। एक कामीकेज FPV ड्रोन की लागत $300 से $1000 तक है। 12 गेज कारतूस की लागत लगभग $1-5 है। P_हिट = 0.7 की हिट संभावना के साथ भी, 10 ड्रोन के झुंड से हमले का आर्थिक दमन $2 मिलियन से अधिक की लागत वाले बख्तरबंद वाहन की इकाई के नुकसान की तुलना में कई गुना अधिक लाभदायक होगा। सिस्टम पहले सफलतापूर्वक रक्षित हमले से ही भुगतान कर देता है।