Це новаторське акустичне виявлення з дивовижним успіхом
Після того, як 24 лютого 2022 року розпочалося повномасштабне вторгнення Росії, перспективи України щодо захисту свого повітряного простору виглядали погано. Радіолокаційне покриття країни було нерівномірним ще до того, як її радіолокаційні станції зазнали нападу, а багато безпілотників і крилатих ракет летіли надто низько, щоб їх могли помітити станції, які все ще стояли.
Війна, однак, може стимулювати інновації. Через чотири дні після початку вторгнення група амбітних українських айтішників створила компанію “Технарі”, щоб розробити альтернативну систему, відому як eppo, для виявлення та відстеження російських повітряних атак. Геннадій Сульдін, співзасновник компанії, описує її як “людський радар”. Він складається з додатку для смартфона та моделі штучного інтелекту (ШІ), що дозволяє верифікованим громадянам України повідомляти про літаючі об’єкти, які вони бачать або чують, одним натисканням кнопки.
Він виявився напрочуд ефективним. І “Технарі” сподівається на ще більші успіхи, оскільки починає обробляти звуки потенційних повітряних загроз, які вловлюються мережею мікрофонів, розташованих по всій Україні. Робота компанії є невеликою частиною тихого, але драматичного українського експерименту з протидії повітряним атакам. Кілька інших підрозділів вже використовують мережі мікрофонів, які передають звуки українським операторам протиповітряної оборони. Ці інновації воєнного часу виявляються настільки успішними, що незабаром інші країни можуть наслідувати їхній приклад.
Мікрофонні решітки, які тріангулюють позицію стрільця, мають довгу історію використання на війні, і за останні два десятиліття вони досягли значного прогресу, особливо в захисті західних солдатів в Афганістані та Іраку. Але аналіз звукових хвиль для протиповітряної оборони довгий час вважався непрактичним. Мері “Міссі” Каммінгс, колишня американська льотчиця-винищувачка, яка є співавтором численних академічних досліджень про перспективи цієї технології, порівнює ці пошуки з “читанням чиєїсь долоні”. За її словами, багато хто хотів би вірити, що цей підхід спрацює, але поки що це не так.
Досвід України змінив ситуацію, вважає Джеймс Хеккер, який командує американськими військово-повітряними силами в Європі з авіабази Рамштайн у Німеччині. Він називає українські інновації в акустичному зондуванні “надзвичайними”.
Порівняно з радарами, українські мікрофонні мережі дешевші і не випромінюють сигналів, які можуть бути виявлені російськими силами. І в той час як розумна інженерія може різко зменшити радіолокаційну помітність літального апарату (як продемонструвала Росія, переробивши іранські безпілотники-камікадзе Shahed на більш непомітні композитні матеріали), апаратне забезпечення, що рухається в повітрі, генерує звуки. Дуже важливо, що акустичне виявлення найкраще працює на малих висотах, де літає більшість бойових дронів. Генерал Геккер вважає, що ця технологія ефективна на висоті близько 3000 метрів, а радари здатні контролювати більші висоти без перешкод, спричинених завадами біля землі.
Все це пояснює, чому мікрофонні мережі є такими привабливими. Одну з них розробив львівський стартап Zvook (“звук”), який розмістив високоякісні мікрофони поблизу фронту. Отримані записи були використані для навчання програмного забезпечення для ідентифікації акустичних сигнатур загроз, починаючи від невеликих дронів і закінчуючи ракетами, снарядами та пілотованими літаками – і все це без урахування звуків цивільного життя.
Дальність виявлення Zvook, хоч і набагато менша, ніж у радарів, але не така вже й погана, щоб принюхуватися. Наприклад, безпілотники можна виявити на відстані до 5 км. Для крилатих ракет дальність становить близько 7 км. Для цього Звоок розробив вигнуті “акустичні дзеркала” діаметром півметра. Ці тарілки концентрують звукові хвилі на мікрофонах, які вони охоплюють. Більшість станцій прослуховування мають дві такі тарілки, що забезпечують дугу покриття близько 200°. Обробка відбувається на сусідньому комп’ютері.
Станції прослуховування Zvook, кожна з яких менша за коробку з-під взуття, коштують близько 500 доларів за штуку. Для порівняння, радар, здатний виявити невеликий дрон на відстані 5 км, може коштувати 500 000 доларів. Тому мережа мікрофонів може бути відносно густою, а точність зростає разом із кількістю станцій, які чують звук. Телекомунікаційна компанія “Київстар” встановлює комплект Zvook на своїх стільникових вишках, займається технічним обслуговуванням і передає дані безкоштовно. У місцях, де немає працюючих веж, наприклад, поблизу фронту, систему часто ховають у траві без громіздких акустичних дзеркал, які можуть бути помічені. Живлення здійснюється від акумулятора або сонячної батареї. Для цих більш непомітних місць дані передаються за допомогою широкосмугових супутників.
Виявлення Zvook зазвичай займає менше 12 секунд, щоб з’явитися в армійській комп’ютерній програмі під назвою Delta. Мар’ян Сулим, сержант протиповітряної оборони і керівник Zvook, каже, що рівень помилкових спрацьовувань зараз становить близько 1,6%. Для додаткової перевірки користувачі Delta отримують дев’ятисекундний кліп із відповідним звуком. За його словами, в районах, де працюють приблизно 270 станцій Zvook, які були передані армії, радари часто вмикаються лише у відповідь на сигнали тривоги. Завдяки тому, що система Zvook допомогла запобігти авіаударам, зокрема, по Харкову, другому місту України, сержант Сулим отримав дозвіл зосередити свої зусилля на значному розширенні мережі.
Його точність також має зрости. Щоб ефективніше тріангулювати джерело звуку, Zvook розробляє спеціальний масив з чотирьох мікрофонів, які підключаються до станцій прослуховування. Це дозволить визначати напрямок походження звуку з точністю до 5°. Сержант Сулим сподівається, що цього буде достатньо для запуску перехоплювачів без необхідності попереднього огляду наземних радарів. Наступного місяця військові мають випробувати першу партію з 15 таких тріангуляційних масивів.
Набагато більшу мережу акустичного виявлення розробила таємна українська організація під назвою “Небесна фортеця”. Вона складається з кількох тисяч станцій прослуховування, і планується встановити ще тисячі. Хоча перші станції прослуховування перехоплювали та обробляли звук за допомогою смартфонів на базі Android, зараз мережа, як і Zvook, використовує спеціальні мікрофони та мікрокомп’ютери. Дані передаються в українську командно-контрольну систему, відому як “Вираж”. Як і eppo та Zvook, Sky Fortress здебільшого фінансується за рахунок пожертв, що є дивовижним розвитком для протиповітряної оборони.
Небагато зовнішніх експертів обізнані з роботою “Небесної фортеці”. Один з них – Рікі Еллісон, засновник неприбуткової організації Missile Defence Advocacy Alliance (mdaa) з Олександрії, штат Вірджинія. За його словами, система Sky Fortress стала настільки розгалуженою і “такою до біса хорошою”, що тепер вона виявляє більшість російських боєприпасів, які летять низько над територією України. Російські підрозділи почали приглушувати або іншим чином змінювати акустичні характеристики своїх безпілотників, але алгоритми виявлення швидко адаптуються. “Це ШІ в найкращому вигляді”, – каже пан Еллісон.
Досягнення в обробці даних показують, що акустичні сигнали є напрочуд багатими. Частотні спектрограми, надані українським полковником, який побажав залишитися невідомим, показують, що навіть схожі дрони мають чіткі звукові характеристики. Томас Вітінгтон, фахівець з протиповітряної оборони аналітичного центру RUSI, що базується в Лондоні, каже, що можна почути навіть напруження двигуна, спричинене важким корисним навантаженням.
Подивіться, що відбувається.
Всі дивіться, що відбувається в Росії, і Росія відповідає тим же. Конструкторське бюро “Талламхо”, фірма з Грозного в Чечні, нещодавно оголосила, що її нова мікрофонна система “Малік” може захищати російські окопи та інші позиції, виявляючи українські безпілотники на відстані близько 330 метрів. Менша за розміром система “Малік” кріпиться до уніформи солдата.
Інші країни також звертають на це увагу. Кілька тижнів тому комплект Sky Fortress був таємно продемонстрований на полігоні в Європі. Представники 11 країн НАТО побачили, як легко можна виявити і відстежити (неозброєні) крилаті ракети і безпілотники. Пан Еллісон з MDAA, організатор заходу, каже, що заплановано ще два таких заходи. За словами генерала Гекера, НАТО розглядає можливість встановлення мікрофонів для своєї протиповітряної оборони.
Кілька міністерств оборони на сході військового альянсу вже закуповують акустичне обладнання для протиповітряної оборони. Польська фірма Advanced Protection Systems, що постачає їх, кілька років тому припинила науково-дослідницьку роботу в галузі акустики. Події в Україні переконали її спробувати ще раз, каже Мацей Клемм, її керівник. Зараз фірма також продає акустичне обладнання невідомому суб’єкту в Україні.
Компанія Thales, європейський оборонний гігант, також побачила можливість. Наступного року на ринок вийде його перша мікрофонна система для виявлення безпілотників, каже Жан-Мішель Негре, продукт-менеджер, що базується поблизу Парижа. Інші великі західні компанії, без сумніву, долучаться до проекту. Їм варто було б подивитись на Україну як на джерело натхнення. За новим напрямком, деякі підприємливі українські технологи оснащують безпілотники для собачих боїв мікрофонами, які допомагають їм точно визначати номери своїх російських супротивників у повітряному бою. Здорові ідеї продовжуються.