Saab etenee vaihtoehtoisen ja passiivisesti toimivan navigointijärjestelmän kehityshankkeessa, jonka päämäärä on mahdollistaa lentotoiminnan jatkuminen ilman GPS-signaalia ja ulkoisia radionavigointilaitteistoja ainoastaan lentokoneen oman navigointijärjestelmän avulla. Uusia algoritmeja koelennetään Gripen E -koneissa ja simulaattoreissa seuraavaksi mm. talvisissa olosuhteissa. Toukokuussa 2021 esitelty vaihtoehtoinen navigointikyky on osa Saabin Suomelle jättämää HX-hankkeen BAFO-tarjousta.

Sijainnin määrittäminen on elintärkeää monissa sovelluksissa, joista yksi merkittävimmistä on navigointitarkkuus sotilastoiminnassa. Normaalioloissa GNSS-järjestelmän (Global Navigation Satellite System) erittäin tarkkaa paikkatietoa tarjoavat amerikkalainen GPS, eurooppalainen Galileo, venäläinen Glonass ja kiinalainen BeiDou. Palvelun saatavuus ei kuitenkaan ole taattu ja ilman omaa järjestelmää on muiden omistamien järjestelmien varassa.

Viimeaikaiset tapahtumat mm. Norjassa, Pohjois-Suomessa ja Korean niemimaalla ovat osoittaneet, että GNSS-signaalia häiritään myös rauhan aikana. Sotilaallisen konfliktin aikana tai sitä kohti hybridivaikutusten kautta edettäessä GPS-signaaliin perustuvaan navigointikykyyn pyritään mahdollisesti vaikuttamaan laajoilla alueilla.

Haasteita toimintaympäristössä navigointiin voivat aiheuttaa mm. erilaiset elektronisen sodankäynnin toimet, AA/AD -ympäristöt (Anti Access/Area Denial), tutkavalvonta, sekä GPS-signaalin heikkous ja häirintä sekä väärentäminen. Nämä haasteet korostuvat erityisesti matalilla lentokorkeuksilla toimittaessa.

Sijainti määrittelee monella tavalla toimintamahdollisuuksia sekä vaikutuskykyjä. Tarkka ja luotettava sisäinen navigointijärjestelmä tuo etua operointiin, mutta auttaa vähentämään myös sivullisia uhreja, kun kohteen oikeellisuus voidaan tarkastaa muillakin keinoilla, kuin vertaamalla lat/long-tietoja. Sotilasoperaatioissa tarvitaan tarkka paikka vaikka paikkatietoa pyrittäisiin häiritsemään.

“Tärkeimmät asiat sijainnin kannalta ovat oman paikan määrittäminen ympäröivään maailmaan nähden, tieto omien joukkojen paikoista sekä kohteiden ja uhkakuvien tarkat sijainnit”, avasi Saabin Gripen -hävittäjien koelentäjä Jonas Jakobsson etäyhteyden päästä Brasiliasta.

Oman ja omien joukkojen tarkan sijainnin määrittäminen on merkittävä apu toimien koordinoinnissa ja omien joukkojen yhteentörmäysten välttämisessä. Se auttaa myös keskittämään voimaa nopeasti pienelle alueelle, jolloin voidaan saavuttaa hetkellinen ylivoima taistelukentällä.

Huomionarvoista on myös hävittäjäkoneiden saatavuus kriisin aikana. Ensi-iskun jälkeen osa kiitoteistä ja navigointiin tarvittavasta infrasta on mahdollisesti tuhottu tai ei ole enää käytettävissä.

Kiinteäsiipiset hävittäjät tarvitsevat kiitoteitä tai sen omaisia maantieosuuksia. Osa hajautetun taistelutavan tarpeita on myös navigointikyvyn säilyttäminen, joka takaisi hävittäjäsaatavuuden myös huonoissa sääolosuhteissa maantietukikohdista, joissa ei ole navigointi-infraa eikä laskeutumisjärjestelmiä.

Tarkka ja varmistettu navigointikyky auttaa myös vähentämään sivullisia uhreja, kun vaikutuskykyjä käytetään oikeaan kohteeseen eikä häirinnän takia esimerkiksi satoja metrejä sivuun todellisesta kohteesta.

Uudenlaista navigointia ilman satelliitteja ja radionavigointilaitteistoja

Saab on kehittänyt uudenlaista navigointikykyä jo 1980-luvulta alkaen, jolloin ratkaisua kehitettiin ohjussovelluksiin. Ensimmäisiä versioita maastonavigoinnista on koelennetty 1990-luvulla jo Viggenissä ja 2000-luvulla SK60 -suihkuharjoituskoneissa sekä Gripen C/D -hävittäjissä.

Tuolloin GPS-signaalin todettiin olevan riittävä eikä Ruotsi ollut kiinnostunut ostamaan järjestelmää. Hankkeen kehitystä kuitenkin jatkettiin ja mukaan on tullut korkeusmittaus laserilla sekä korkean tarkkuuden 3D-maastotietokartat.

Saabin mukaan uudenlainen navigointikyky on osa hävittäjien sekä miehittämättömien järjestelmien kyvykkyyksiä ja yksi navigoinnin kulmakivistä tulevaisuudessa. Nykyinen lentokoneiden navigointijärjestelmä perustuu yksinkertaistaen GNSS-järjestelmän signaaliin, inertianavigointiin (INS) sekä perinteisiin radionavigointilaitteistoihin.

Keväällä 2021 esitelty Saabin vaihtoehtoisen navigoinnin järjestelmä yhdistää lentokoneen navigointijärjestelmään erilaisten algoritmien ja sensorifuusion avulla mm. 3D-maastotietokannan, odometrian sekä kuvantunnistuksen.

Inertianavigoinnin kiihtyvyysantureiden tarkkuuteen tulee ajan kuluessa kasvavaa epätarkkuutta, jos GPS-signaali ei voi sen puuttuessa korjata sitä tai lähettävä signaali on virheellistä. Uudessa ratkaisussa paikkatietoa täydennetään ja korjataan maastotietokantaan ja kuvantunnistukseen pohjautuvilla ratkaisuilla.

Paikkavirhettä voidaan poistaa topografian ja tutkan avulla mittaamalla tutkakorkeutta ja seuraamalla maastoa sekä vertaamalla tietoja Saabin TERNAV-algoritmien avulla maastotietokantaan. Ratkaisu soveltuu valoisan ja pimeän aikana toimimiseen, mutta tutkan käyttö aiheuttaa lähetteen, joka voidaan havaita. Tutkakorkeutta ei kuitenkaan mitata aktiivisesti vaan satunnainen lähete riittää oman paikan määrittämiseen eikä oma sijainti välttämättä paljastu.

Passiivinen vaihtoehtoinen navigointikyky – paikkatietoa voidaan jakaa datalinkein

Saabin kehityshanke tuo tarjolle erilaisia navigointitarkkuutta parantavia ratkaisuja, jotka ovat täysin passiivisia ratkaisuja. Ne ovat siis vastapuolen sensoreiden ulottumattomissa. Passiivisesti tuotettu paikkatieto voidaan tarvittaessa jakaa datalinkein esimerkiksi siipimiehille tai muille joukoille.

Passiivisista keinoista perinteisin on odometria, jossa verrataan suhteellista siirtymää pikselien seurannan avulla optisten sensoreiden keräämään kuvamateriaaliin. Toinen passiivisen vaihtoehtoisen navigoinnin osa-alue perustuu topografiaan lentokoneessa olevien elektro-optisten tai infrapunakameroiden näkemien kuvien vertaamiseen algoritmien avulla maastotietokantaan ja tarkkoihin 3D-maastotietokarttoihin.

Käytettävä 3D-malli perustuu Saabilta lähtöisin olevaan paikkatietojen ja ohjelmistojen toimittaja Vriconin luomaan maailmanlaajuisen korkeusmallinnettuun 3D-maastotietokarttaan. Se on suunnattu puolustus- ja tiedustelumarkkinoille. Saab on sittemmin myynyt Vricon-omistuksensa Maxarille, jonka kanssa on solmittu yhteistyösopimus tuotekehityksestä ja maailmanlaajuisen tietokannan käytöstä. Tarvittaessa nämä järjestelmät toimivat myös yksittäin.

"Navigointi tarkentuu erittäin nopeasti, kun kamera saa pilven takaa havainnon maan pinnasta. Järjestelmät toimivat taustalla eikä lentäjän tarvitse tehdä mitään toimenpiteitä. Datafuusio on yhdistetty navigointijärjestelmään", sanoi Saabin Gripen-hävittäjien tuotepäällikkö Tobias Jansson.

Navigointitarkkuuden säilyessä GPS-härinnästä huolimatta voivat hävittäjät operoida normaalisti alueella, jossa GPS-häirintää tai signaalin väärentämistä esiintyy. Näin vastapuoli ei saa luotua taistelukentälle alueita, jossa hävittäjät eivät kykenisi toimimaan.

Satelliittipohjaisten karttojen resoluutiotarkkuus on 0,5 metriä ja vaihtoehtoisen navigointijärjestelmän tarkkuudeksi Saab kertoo kolme metriä. Saab koelensi navigointijärjestelmää laajasti vuonna 2018 Gripen C/D -hävittäjällä, joka oli varustettu kamerasäiliöllä. Lennoilla kerättiin tietoa kameran ja 3D-mallin yhdistämisen toimivuudesta.

Syksyllä 2020 koelentoja suoritettiin Gripen E-hävittäjällä. Hävittäjän runkoon oli integroitu elektro-optinen sensori ja koneen taktiseen järjestelmään oli asennettu vaihtoehtoisen navigointijärjestelmän tarvitsemat algoritmit. Järjestelmä toimi reaaliajassa.

"Lopullinen ihmisen ja koneen välinen käyttöliittymä ei ole teknologisesti vielä valmista. Pyrimme olemaan kuormittamatta lentäjää eli tietoa ei esitetä tarkemmin ellei sitä itse valitse näkyviin. Lentäjälle esitetään ainoastaan navigointitarkkuus", kuvailee Jakobsson navigointijärjestelmän toimivuuden ilmenemistä lentäjälle.

Kyseessä on täysin passiivinen navigointikyky, sillä aktiivisia sensoreita ei käytetä. Paikkatieto saadaan päivitettyä nopeallakin maastohavainnolla pilvien lomasta. Sääolosuhteiden vaikutus on Saabin mukaan vähäinen varajärjestelmän toimintaan eikä siihen ole ollut tarvetta käyttää esimerkiksi aktiivista lähetettä käyttävää pilven läpi näkevää SAR-tutkaa (Synthetic Aperture Radar). Näillä ratkaisuilla saadaan aikaan erittäin tarkka paikkatieto mantereen tai saariston yllä lennettäessä.

Tuotekehitys jatkuu ja asiakkaalle toimitettavan navigointituotteen odotetaan olevan valmis viiden vuoden sisällä. Seuraavilla, arviolta noin vuoden sisällä toteutettavilla, koelennoilla Saab pyrkii saamaan algoritmit toimimaan entistä haastavammissa ympäristöissä kuten merialueella.

Toinen haasteellinen ympäristö on luminen talvi, joka muokkaa maisemaa. Lumi peittää alleen erilaiset muodot ja maisema pyöristyy. Elektro-optiset sensorit seuraavat maastoa kuitenkin niin laajalta alueelta ettei tämäkään ole Saabin mukaan ongelma. Optiset järjestelmät seuraavat aluetta niin laajalti ettei suurempikaan maastonmuokkaus kuten rakennetut talot tai metsän hakkaaminen ole sille ongelma.

"Teemme lisää koelentoja ja ohjelmisto tunnistaa jo lumen. Se vaikuttaa järjestelmään, mutta edelleen maisemassa on hyviä havainnointipisteitä. Aina on jotain muutoksia eikä maisema ole kokonaan valkoista. Järjestelmä toimii kokonaisuutena vaikka lumi siihen hieman vaikuttaakin", sanoi Jansson.

Eri lentokorkeuksille on käytössä erilaisia algoritmeja. Nopeus toki vaikuttaa tarkkuuteen, mutta vielä nykyisin käytettävillä nopeusalueilla ei Saabin mukaan ole rajoituksia navigointikykyyn. Tietokoneet kehittyvät siirryttäessä kohti hypersoonisia nopeuksia, jotka ovat toteutumassa jo ohjuksissa.

"En ole voinut lentää niin matalalla että TERNAV olisi pudonnut kartalta", totesi Jakobsson.

Tulevan koelento-ohjelman aikataulut vaikuttavat myös navigointijärjestelmän koelentojen aikatauluihin. Aina ei välttämättä lennetä, sillä työtä voidaan tehdä myös simulaattoreissa. Uusimmat koelentoalgoritmit ovat tarjolla myös Suomelle. Tulevaisuudessa Saabin navigointijärjestelmään on suunnitteilla uusien algoritmien lisäksi uusia sensoreita kuten SAR-tutka. Myös laskentatehoja tietokannan hallintaan kehitetään entisestään.

"Gripen E -hävittäjän perusnavigointijärjestelmä on erittäin tarkka ja navigointikyky ilman GNSS-ympäristöä on lisävaruste. Sitä ei tarvita täyttämään Suomen vaatimuksia navigointitarkkuudesta vaan kyseessä on siis lisätuote jota BAFO:ssa Suomelle tarjotaan", kertoi Jansson.

Uusi järjestelmä on herättänyt Janssonin ja Jakobssonin mukaan kiinnostusta asiakaskunnassa. Tulokset ovat varmoja ja teknologia on niin valmis, että se voitiin ottaa mukana tarjoukseen. Operatiiviseen käyttöön järjestelmän arvioidaan tulevan 3-5 vuodessa. Järjestelmä on myös jälkiasennettava, sillä se hyödyntää olemassaolevaa lentokoneinfraa. TARNAV ja odometria ovat ohjelmistoja, joiden lisääminen on helppoa.

"Ennen tällaista ei tarvittu kun rakastettiin GPS-signaalia, joka korjaa inertian virheet. Nyt on kuitenkin herätty tarpeeseen", päätti Jakobsson.

Saabin vaihtoehtoisen navigoinnin järjestelmä parantaa navigointijärjestelmän kykyjä myös silloin, kun GPS-signaali on tarjolla. Se seuraa tietojen oikeellisuutta ja havaitseee väärennetyn signaalin.

Tulevia sovelluksia ovat myös tarkat lähestymismenetelmät koneen omaa navigointijärjestelmää käyttäen mittarilento-olosuhteissa aina huonon näkyvyyden olosuhteissa toteutettaviin automaattisiin laskeutumisiin saakka. Siis ilman maalaitteita jopa maantietukikohtaan. MH

Lue myös aikaisempi uutisemme Saabin kevällä 2021 esittelemästä Suomelle tarjottavasta suorityskyvystä eli vaihtoehtoisesta navigointijärjestelmästä: