تحلیل فنی جنگ‌های پس از سال ۲۰۲۰ از دیدگاه مهندسی برق

به گزارش مجله خبری نگار،  تحولات نظامی پس از سال ۲۰۲۰ نشان داده است که نقش فناوری‌های مبتنی بر مهندسی برق و الکترونیک در شکل‌دهی به نتیجه میدان نبرد بیش از هر زمان دیگری پر رنگ شده است. از سامانه‌های پدافند هوایی و رادار‌های آرایه‌فازی گرفته تا پهپاد‌ها، مهمات سرگردان و جنگ الکترونیک، همگی وابسته به پیشرفت در حوزه‌هایی مانند پردازش سیگنال، مخابرات، کنترل، الکترونیک قدرت و سامانه‌های هوشمند هستند. در این میان، بررسی فنی این تحولات می‌تواند درک عمیق‌تری از الزامات طراحی، نقاط قوت و محدودیت‌های سامانه‌های نوین دفاعی و تهاجمی ارائه دهد. بر همین اساس، این نوشتار با رویکردی مهندسی، به تحلیل مهم‌ترین فناوری‌های مؤثر در جنگ‌های پس از ۲۰۲۰ با اولویت موارد قابل بررسی به‌وسیله جامعه علمی دانشگاهی در قالب موضوعات تحقیقاتی، پایان‌نامه‌های کارشناسی ارشد و رساله‌های دکتری تخصصی می‌پردازد. در این راستا، ۱۱ موضوع مستخرج از نظرات نخبگان دانشگاهی و همکاران صنایع دفاعی در قالب شش محور اصلی پدافند هوایی، سامانه‌های بدون سرنشین، جنگ الکترونیک، شبکه برق، سلاح‌های انرژی محور، پردازنده‌های خاص و استفاده از هوش مصنوعی در جنگ‌های نوین به‌صورت تیتروار مورد بررسی قرار گرفته است.

بخش اول: پدافند هوایی و رادار‌ها

۱- در درگیری‌های مدرن، سامانه‌های پدافند هوایی متکی بر رادار‌های آرایه‌فازی (AESA) هستند که توانایی اسکن الکترونیکی سریع و مقاومت در برابر جنگ الکترونیک را دارند. رادار‌های آرایه‌فازی فعال با استفاده از هزاران ماژول فرستنده/گیرنده نیمه‌هادی (GaN/GaAs) توانایی‌های زیر را دارند:

• اسکن الکترونیکی بدون حرکت مکانیکی

• رهگیری اهداف کوچک مانند پهپاد‌های انبوه

• تغییر فرکانس در میلی‌ثانیه برای مقاومت در برابر جمینگ

• تولید پرتو‌های متعدد برای ردیابی هم‌زمان چند هدف

اهمیت فنی آنها در این است که طراح باید مدیریت گرمایی، توزیع توان، الگوریتم‌های beamforming و فیوژن داده را حل کند.

بخش دوم: پهپاد‌ها و مهمات سرگردان

۲- موشک‌ها و پهپاد‌ها از لینک‌های مخابراتی باند S و Ku استفاده می‌کنند و حملات سایبری/الکترونیکی می‌توانند این لینک‌ها را مختل کنند. رادار‌های چندباندی در کنار حسگر‌های اپتیکی و IR برای مقابله با پهپاد‌های کم‌مقطع، سامانه‌های دفاعی ترکیبی از موارد زیر استفاده می‌کنند:

• رادار X-band برای دقت

• رادار L/S-band برای کشف اولیه

• حسگر‌های IR برای تشخیص امضای حرارتی

• دوربین‌های EO برای تأیید

پیاده‌سازی این فیوژن نیازمند پردازش سیگنال real time روی FPGA/ASIC است.

۳- استفاده از پهپاد‌های انبوه، اهمیت طراحی سامانه‌های هدایت مستقل ضدجمینگ (Anti-Jam Navigation) را برجسته کرده است. لینک‌های ارتباطی مقاوم در برابر جمینگ پهپاد‌های تهاجمی معمولاً از لینک‌های زیر استفاده می‌کنند:

• S-band (۲–۴ GHz)

• C-band (۴–۸ GHz)

• Ku-band (۱۲–۱۸ GHz)

چالش مهندسی، طراحی تقویت‌کننده‌های PA کم‌نویز، LNA مقاوم و سنکرون‌سازی سریع است.

در صورت اخلال GPS، پهپاد‌ها از موارد زیر استفاده می‌کنند:

• IMU‌های MEMS دقیق

• نقشه‌برداری تطبیقی تصویری (Visual Odometry)

• جهت‌یابی با میدان مغناطیسی

طراحی فیلتر کالمن و اصلاح خطای انباشت‌شونده IMU نقش کلیدی دارد.

بخش سوم: جنگ الکترونیک (EW)

۴- سامانه‌های رهگیری از فیوژن حسگر‌ها (اپتیکی، راداری، مادون‌قرمز) بهره می‌برند (جمینگ ارتباطی پهپاد‌های انبوه) که نیازمند الگوریتم‌های پردازش سیگنال بسیار سریع است. سامانه‌های EW در درگیری‌های مدرن معمولاً:

• طیف ۲–۱۸ GHz را اسکن و تحلیل می‌کنند.

• الگو‌های FHSS را تخمین می‌زنند.

• با تولید تداخل تطبیقی (Adaptive Jamming) لینک کنترل را قطع می‌کنند.

این کار نیازمند SDR‌های پر قدرت و FFT‌های چندهزار نقطه‌ای real time است.

ضمناً روش‌های معمول اسپوفینگ GPS عبارتند از:

• ارسال سیگنال قوی‌تر از ماهواره.

• تغییر تدریجی مختصات تا پهپاد منحرف شود.

چالش مهندسی، تولید سیگنال با دقت زمانی زیر ۱۰ns برای جلوگیری از آشکارشدن است.

بخش چهارم: شبکه برق، سایبری و EMP

۵- سکو‌های دفاعی از شبکه برق مستقل (Microgrid) استفاده می‌کنند تا در برابر حمله به شبکه سراسری مقاوم باشند.

زیرساخت‌های نظامی معمولاً به سمت Microgrid می‌روند تا در برابر:

قطع سراسری، حمله سایبری به SCADA و نوسانات شدید ولتاژ مقاوم باشند.

طراحی این سیستم‌ها شامل کنترل‌کننده‌های دیجیتال مبتنی بر DSP و حفاظت دیفرانسیلی سریع است.

بخش پنجم: رهگیری، دفاع و سلاح‌های انرژی‌محور

۶- انرژی مورد نیاز لیزر‌های دفاعی و رادار‌های قدرتمند، طراحی منابع تغذیه پایدار با پیک‌لود‌های بالا را ضروری می‌کند. لیزر‌های دفاعی (High Energy Laser Defense) از نوع ۳۰۰–۵۰ کیلووات است و نیازمند موارد زیر:

• خنک‌سازی مایع با ظرفیت بالا

• منابع تغذیه با پیک‌جریان‌های بسیار زیاد

• آینه‌های تطبیقی برای اصلاح آشفتگی هوا

مزیت: رهگیری ارزان.

چالش: انرژی و پایداری پرتوی.

۷- سامانه‌های موشکی زمین‌به‌هوا با جست‌وجوگر چندطیفی از ترکیب

• IR باند میانی (۳–۵ μm)

• هدایت راداری نیمه‌فعال

• اپتیک مرئی/V ایجاد می‌شوند.

طراحی این جست‌وجوگر‌ها شامل پردازش تصویر روی تراشه‌های FPGA با تأخیر کمتر از ۱ms است.

۸- پالس الکترومغناطیسی EMP طبیعی یا مصنوعی، نیاز به شیلدینگ و محافظت EMI/EMC در تجهیزات حساس را افزایش می‌دهد. EMP چه طبیعی (خورشیدی) چه انفجاری، می‌تواند میکروکنترلر‌ها را Reset کند، گیت‌های MOSFET را نابود کند و ارتباطات را مختل کند. راهکار این مسئله در شیلدینگ فلزی، فیلتر‌های خط برق و طراحی PCB با زمین‌مرجع مناسب است.

بخش ششم: پردازنده‌های خاص و هوش مصنوعی

۹- حملات سایبری به سیستم‌های کنترل صنعتی (ICS) نشان می‌دهد که امنیت شبکه برق و SCADA باید لایه‌بندی‌شده باشد.

۱۰- طراحی تراشه‌های اختصاصی (ASIC) برای پردازش سریع داده‌های راداری و مخابراتی نقش کلیدی در کارایی دفاعی دارد. استفاده از FPGA و ASIC برای پردازش راداری به این دلیل است که، چون CPU/GPU تأخیر زیاد دارد، رادار‌های مدرن از FPGA‌های سری Ultrascale/Xilinx و ASIC‌های مخصوص beamforming استفاده می‌کنند.

۱۱- نقش هوش مصنوعی در دفاع مبتنی بر استفاده از الگوریتم‌های هوش مصنوعی جهت:

• تشخیص هدف بر اساس امضای IR

• تفکیک پهپاد‌های کوچک از پرندگان

• پیش‌بینی مسیر حرکت

این تحلیل‌ها روی مدل‌های کوچک‌شده (Edge AI) در تراشه‌های ۲۰–۵ وات اجرا می‌شود.

منبع: فرهیختگان-سید محمدعلی زنجانی، عضو هیئت علمی دانشگاه آزاد اسلامی نجف‎آباد