Alle vet at det er dumt å skyte spurv med kanoner. Men hva hvis du trener opp en svale til å slå ut spurven?
Små droner er vanskelige å oppdage og stoppe. FFI har utviklet en avskjæringsdrone som kan følge og stoppe fiendetlige droner. Denne ble demonstrert under teknologieksperimentet LandX22.
Da Sindre Løining Skaar og Sondre Holm Fyhn begynte som forskere ved FFI høsten 2021 fikk de et veldig konkret oppdrag: Lag en drone som kan oppdage, jage og stoppe en fiendtlig drone.
Ett år senere ble det bokstavelig talt fulltreff. Det skjedde på teknologieksperimentet LandX22 på Rena, med folk fra Hæren og forsvarsindustrien som tilskuere. Avskjæringsdronen Sindre, Sondre og kollegene hadde brukt ett år på å konstruere, styrte seg selv og krasjet inn i en «fiendedrone» som var på vei mot dem.
Bak prestasjonen ligger det mye koding og praktisk problemløsing. Men hva er vitsen med å bruke så mye tid på å få til en slik kollisjon?
Vanskelige å oppdage og stoppe
Droner, eller UAVer som forskere og forsvarsfolk kaller dem, er en relativt ny trussel i Forsvarssammenheng. UAV står for unmanned aerial vehicle. Begrepet dekker alt fra flere meter lange, fjernstyrte fly med våpen, ned til små nanodroner som bare er noen centimeter lange. Fellesnevneren – spesielt for smådroner – er at de kan være vanskelige å oppdage og treffe.
De siste årene har en gruppe FFI-forskere jobbet med å utvikle mottiltak mot droner. De har sett på hvordan man kan oppdage fiendtlige droner tidligst mulig, og ulike måter å stoppe dem på. Det er helt nødvendig, ifølge forskningsleder Halvor Bjordal.
– Mottiltak mot droner har så langt vært rettet mot kommersielle dronesystemer, eller enkle systemer satt sammen av kommersielle hobbyprodukter, forteller Bjordal.
Dette er systemer som ikke er utviklet for å tåle å bli jammet eller skutt mot. Likevel er det en utfordring å stoppe dem. Det ser vi også i Ukraina, der det i flere tilfeller er brukt relativt enkle, kommersielle droner i krigshandlinger uten at motparten har klart å oppdage eller stoppe dem.
– Frykten for såpass lite robuste systemer viser hvilken effekt mer tilpassede, fremtidige stridsdroner vil kunne ha, både som våpenbærere og til informasjonsinnhenting, påpeker Bjordal.
Funker der andre feiler
Det er potensielt mange måter å stoppe droner på. Alt fra jamming (ulike måter å slå ut navigasjon og elektronikk), til tradisjonelt luftvern.
Ideen med å bruke droner for å stoppe droner har dukket opp gjennom erfaring, analyser, prøving og feiling. Avskjæringsdroner har rett og slett noen styrker som andre motmidler mangler.
– Vi har vært med på flere nedskytingstester med prosjektiler som ikke er målsøkende – for eksempel air-burst granater. Det er i praksis veldig vanskelig å treffe en drone på denne måten når det blir en viss avstand til målet, forteller Sondre Holm Fyhn.
– Det er utfordrende å beregne hvor du skal sikte, fordi målet beveger seg uforutsigbart. Dessuten krever det at du har fri sikt til dronen du skal skyte ned. Jamming er heller ikke nødvendigvis noe fasitsvar. Forskerne forventer at jamming får redusert effekt i årene som kommer.
– Det skjer mye utvikling innen blant annet GPS-fri navigasjon. Droner får også stadig større grad autonomi, som gjør at de kan løse oppgaver uten å ha kontakt med en operatør, påpeker Sindre Løining Skaar.
– I mange tilfeller, for eksempel i nærheten av flyplasser, er det heller ikke ønskelig å jamme.
Å bruke elektromagnetisk (EMP) puls for å slå ut elektronikken i en drone har også sine svakheter. Det krever store mengder energi. Det har begrenset rekkevidde. Og man risikerer å ramme sitt eget utstyr. Dessuten krever det fri sikt for å ramme målet. En drone som gjemmer seg bak en bygning vil i de fleste tilfelle klare seg fint.
Billigere enn kuler og krutt
Pris er også et argument for å bruke avskjæringsdrone. Det blir fort dyrt skyte etter små hjemmesnekra droner med granater eller missiler. For ikke å snakke om hvis du skyter ned 20 droner med 20 missiler.
– Du vil helst ha et mottiltak som ikke er veldig mye dyrere enn det du skal skyte ned, påpeker Fyhn.
En avskjæringsdrone vil være mer robust og fleksibel enn jamming. Da har du et våpen som kan lete opp målet og som beveger seg på samme måte som målet. Avskjæringsdroner dekker ekstra områder som luftvern, prosjektiler og jamming ikke dekker.
– Når vår drone har fått øye på på målet, trenger den ikke GPS, og vi bruker ikke fjernkontroll. Den styrer bare etter målet som er valgt ut. Sånn sett vil ikke jamming funke for å stoppe avskjæringsdronen. Den fullfører oppdraget på egen hånd, sier Fyhn.
Bygget sin egen jagerdrone
Skaar studerte kybernetikk ved NTNUog jobbet et år ved Kongsberg Defence and Aerospace (KDA) før han ble kapret av FFI. Fyhn gikk rett fra kybernetikkstudier og NTNU til FFI.
Da de skulle lage avskjæringsdronen fikk de ganske frie tøyler. Oppgaven er vanskeligere enn det høres ut som.
- Du må lage programvare som finner dronen på et kamerabilde, og klarer å følge den når den flytter seg.
- Du må lage algoritmer som klarer å styre dronen slik at den treffer et bevegelig mål. Det innebærer å kutte svinger og beregne hvor dronen kommer til å være på et gitt tidspunkt.
FFI har programmert avskjæringsdroner som oppdager og krasjer inn i fiendedroner uten å fjernstyres. Slik ser det ut hos operatøren når avskjæringsdrona (blå figur) jager ned fiendedronen (rød).
Forskerne tok utgangspunkt i systemet som brukes i alle FFIs ubemannede kjøretøyer og farkoster. Systemet fusjonerer sensordata (kamerabilder, radar og lyd) slik at dronesvermer og ubemannede kjøretøyer forstår hvor de er og kan ta beslutninger for å komme seg dit de vil og løse sine oppgaver.
Aller først forsøkte forskerne å bruke en Flamingo som avskjæringsdrone. Nei, vi snakker ikke om en rosa fugl med stankelbein. Flamingo er navnet på den FFI-utviklede dronen som brukes til å forske på dronesvermer. Det er en drone med fire propeller som ligner på vanlige, kommersielle droner.
Flamingo – a UAV for autonomy research
Sindre og Sondre satte på daglyskamera på Flamingoen og begynt å kode på kollisjonsalgoritmene.
– Vi oppdaget raskt at Flamingoen ikke var bygget for oppgaven. Flamingoene er konstruert for å ha lang flytid og et relativt rolig bevegelsesmønster. Vi trengte en raskere drone med bedre manøvreringsegenskaper for å kunne treffe en måldrone som også manøvrerer, forteller Fyhn.
Dermed tok de innmaten fra flamingoen – radioen, computeren og resten av avionikken – og bygget dette inn i en racing-drone. De kjøpte propeller og ramme til racingdrone på nett. Rundt racingdronen bygget de en 3D-printet rustning av mikrokarbonfiberfylt nylon.
– Vi valgte å kalle avskjærinsgdronen for Svale. Det er en rask og smidig fugl som fanger insekter i lufta. Vi syntes det passer bedre enn Flamingo, sier Fyhn og smiler lurt.
Nærmer seg et missil
Systemet de har utviklet består av en radar på bakken som oppdager mulige droner på vei. Når et interessant objekt er oppdaget, får dronen beskjed, og begynner å lete etter objektet for å undersøke det nærmere.
Med en gang avskjæringsdronen har fått øye på objektet i sitt kamerabilde, kan operatøren trykke på en knapp – så vil dronen på egen hånd følge etter og krasje inn i objektet.
– Den må ikke nødvendigvis krasje. Den kan også observere og følge etter dronen dit den kom fra, hvis det er interessant, forteller Fyhn.
Men hva hvis fiendedronen oppdager at den er jaget, og forsøker å stikke av?
– Systemet skal fungere da også, men vi har ikke fått testet det ut når måldronen driver heftig luftakrobatikk for å slippe unna. Da trenger vi kanskje en helt annen type avskjæringsdrone, forklarer Skaar.
– Ideelt sett bør en avskjæringsdrone være enda raskere og mer manøvrerbar enn dronen vi bruker nå. Vi har også designet og eksperimentert med en større avskjæringsfarkost med vinger og rorflater. Da begynner man jo å nærme seg et missil. Her vil det være en glidende overgang, og en diskusjon om når en drone slutter å være en drone og begynner å være et missil.
Luftjeger med hagle og netting
I prinsippet kan avskjæringsdronen FFI har laget utstyres med våpen, for eksempel en hagle, for å skyte ned den fiendtlige dronen i stedet for å krasje inn i den. Eller den kan slippe ut et nett som senker fiendedronen.
Da vil samme drone kunne fortsette og jage ned flere fiendtlige droner. Men med da følger det med en del andre praktiske problemer som må løses. Dette har FFI-forskerne foreløpig ikke testet eller sett nærmere på.
– Vår oppgave har vært å finne en droneløsning som er presis nok og smidig nok til å treffe en annen drone som er i bevegelse. Når vi først har fått til det, åpner det opp for mange andre muligheter og bruksområder, sier Fyhn.
– Dette har vært en gjennomførbarhetstest. For å vise at det er mulig å jage og krasje inn i andre droner automatisk. Mottiltak mot drone er fremdeles umodent. Det er mange produsenter som lover mye. Etterspørselen etter løsninger er stor, men det er lite som er demonstrert og vist i praksis. Når Forsvaret skal kjøpe inn et system, har vi kompetanse til å vurdere hva som fungerer og hva vi bør gå for.
Skaar ser ikke bort fra at det FFI har jobbet med kan videreutvikles til et kommersielt produkt.
– Det er vår fordel som et forskningsinstitutt. At vi har tid til utvikle og teste ting som kommersielle aktører kanskje ikke har finanser til å utvikle selv.
Vil lage svalesverm som kan fly om natten
Akkurat nå sitter Skaar og Fyhn og skriver på sluttrapporten for arbeidet med avskjæringsdrone.
Det er mange i Forsvaret som er interesserte og mener temaet er viktig å prioritere, men en videreføring av prosjektet for mottiltak mot droner er foreløpig ikke finansiert.
Forskerne vil gjerne jobbe videre og forbedre avskjæringsdronen. De vil gjøre «Svale» raskere. Det vil også kreve mer ytelse av resten av systemet. Forskerne vil teste ut en drone med rorflater, som kan svinge raskere. Og de vil teste infrarødt kamera, som gjør at svalene kan fly om natten. Sist men ikke minst vil de teste ut en svalesverm som der flere avskjæringsdroner samarbeider om å stoppe en fiendesverm.
På sikt kan avskjæringsdronene brukes til å bekjempe mange krevende dronemål og det kan brukes i samspill med andre systemer.
For å få til det, vil droneforskerne samarbeide med autonomiforskere og forskere som jobber med missilteknologi på FFI.
– Mye av teknologien er felles – sensorer for å oppdage fiendtlige mål, og algoritmene for tracking – det vil si å følge og følge etter og styre inn i målet.
– Målet på sikt må være å ta steget videre fra et konseptuell demonstrator som verifiserer idéen, til et system som kan tas i bruk. Den utviklingen må skje i samarbeid med Forsvaret og en industripartner, sier Skaar.
