อากาศยานบินไร้นักบิน
จาก ChulaPedia
การประมวลผลการสื่อสารและอุปกรณ์การภาพ ในอากาศยานบินไร้นักบิน (Unmanned Aerial Vehicle: UAV)
กองทัพไทย มีการจัดซื้อจัดหาระบบ UAV เพื่อนำมาใช้งานในภารกิจด้านการทหารจากต่างประเทศ แต่เนื่องจากมูลค่าของระบบ UAV แต่ละระบบสูงมากเป็นเงินหลายร้อยล้านบาท ทางกองทัพ ซึ่งมีแนวความคิดในการสนับสนุนให้มีการพัฒนาขึ้นใช้เอง จึงได้ร่วมกับ สกว.จัดสรรทุนวิจัยให้กับกลุ่มนักวิจัยจากหลายสถาบัน และหน่วยงานต่างๆ ของประเทศ เป็นงบประมาณเกือบหนึ่งร้อยล้านบาท เนื่องจากโครงการวิจัยนี้เป็นโครงการขนาดใหญ่มาก และต้องการนักวิจัยที่มีความรู้ความเชี่ยวชาญในหลากหลายสาขา จึงได้แบ่งโครงการออกเป็นโครงการย่อย 4 โครงการด้วยกัน ได้แก่ โครงการออกแบบและจัดสร้างตัวอากาศยาน, โครงการออกแบบและพัฒนาระบบนำร่อง, โครงการออกแบบและจัดสร้างระบบสื่อสารระหว่างตัวอากาศยานและภาคพื้นดิน และโครงการออกแบบและจัดสร้างระบบประมวลผลการสื่อสารและอุปกรณ์การภาพ โดยกำหนดคุณลักษณะของอากาศยานให้มีพิสัยการบิน 200 กิโลเมตร
การออกแบบและสร้างอุปกรณ์การภาพ
อุปกรณ์การภาพนี้ประกอบด้วยส่วนสำคัญ 2 ส่วนคือ ส่วนของโครงสร้างซึ่งมีลักษณะเป็นรูปทรงกลมซ้อนกันหลายวงและติดตั้งกล้องและตัวตรวจรู้เข้ากับโครงสร้าง และส่วนของโปรแกรมที่ทำหน้าที่กรองการสั่นไหวของภาพเคลื่อนไหวที่ได้ให้นิ่งและคมชัดยิ่งขึ้น และในขณะที่อากาศยานเคลื่อนที่ไปนั้นส่วนของโครงสร้างของอุปกรณ์ภาพจะมีการเคลื่อนที่ซึ่งเกิดจากการไม่สมดุลของโครงสร้างจึงทำให้เกิดแรงบิดอันเนื่องมาจากมวลที่ไม่สมดุลของโครงสร้าง ดังนั้นเราจึงต้องทำการควบคุมการเคลื่อนที่ให้โครงสร้างของอุปกรณ์ภาพนี้อยู่นิ่งในขณะที่มีการเคลื่อนที่ของอากาศยาน เพื่อที่จะได้ภาพเคลื่อนไหวที่ไม่มีการสั่น
การควบคุมและการรักษาสมดุลของระบบอุปกรณ์การภาพ
1. ส่วนโครงสร้างของอุปกรณ์การภาพซึ่งจะทำหน้าที่ควบคุมทิศทางของกล้องให้เคลื่อนที่ไปในทิศทางต่างๆ และจะต้องรับการสั่นสะเทือนอันเนื่องมาจากการเคลื่อนที่ของอากาศยาน และอีกส่วนหนึ่งคือโปรแกรมที่ทำหน้าที่กรองสัญญาณการสั่นสะเทือนอันเนื่องมาจากการสั่นของภาพ
2. ส่วนการประมวลผลการสื่อสารปลอดภัย เนื่องจากภารกิจหลักของอากาศยานไร้นักบิน (Unmanned Arial Vehicle: UAV) ได้แก่ การลาดตระเวน (Reconnaissance) การเฝ้าตรวจ (Surveillance) และ และการค้นหาเป้าหมาย (Target Acquisition) หรือ อาจเรียกโดยย่อว่า RSTA การติดต่อสื่อสารเพื่อส่งสัญญาณวีดิทัศน์ การบังคับ UAV แบบเวลาจริง เพื่อไปยังเป้าหมาย หรือ การบังคับอุปกรณ์การภาพ เพื่อให้ได้ภาพเป้าหมายที่มีคุณภาพ ระหว่าง UAV กับสถานีภาคพื้นดิน (Ground Control Station) จึงมีความจำเป็นอย่างยิ่ง
การปฏิบัติภารกิจ
ระยะห่างระหว่าง UAV กับสถานีภาคพื้นดิน (Ground Control Station) อาจไกลเกินกว่า 100 กิโลเมตร การติดต่อสื่อสารในลักษณะนี้เป็นการสื่อสารพ้นแนวสายตาเพื่อต้องการให้สามารถสื่อสารได้ไกล มีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูง การสื่อสารในแนวสายตามีอุปสรรคที่สำคัญ คือ ความโค้งของผิวโลกที่ทำให้มีสัญญาณรบกวน และสัญญาณแทรกสอดค่อนข้างสูง ทั้งจากธรรมชาติของพื้นผิวโลก ทะเล หรือ อุปกรณ์สื่อสารอื่น ๆ ระบบอากาศยานไร้นักบินที่สามารถปฏิบัติภารกิจได้ดีนั้น จึงต้องมีความสามารถในการติดต่อสื่อสารที่มีความถูกต้องสูง (Reliable Communications) โดยจักต้องคงทนต่อสัญญาณรบกวนและสัญญาณแทรกสอด นอกจากนี้ยังต้องคงทนต่อการรบกวนที่ไม่เจตนาจากอุปกรณ์สื่อสารอื่น เช่น การรับส่งวิทยุของเรือประมง อุปกรณ์มือถือ หรือ คงทนต่อการรบกวนเจตนา (Jamming)
หากขาดการติดต่อสื่อสารระหว่าง UAV กับสถานีภาคพื้นดิน UAV อาจทำงานผิดพลาด ทำให้ UAV หลงทาง หรือ สูญเสียได้ ในระบบอากาศยานไร้นักบินที่ทางกองทัพประจำการอยู่ในขณะนี้ ใช้ระบบการสื่อสารแบบแผ่สเปกตรัม (Spread Spectrum) ส่วนในระบบการประมวลผลสื่อสารปลอดภัยในที่นี้ ใช้เทคโนโลยี การมัลติเพลกซ์แบบแบ่งความถี่ตั้งฉาก (Orthogonal Frequency Division Multiplex: OFDM) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ทันสมัยกว่า และคงทนต่อสัญญาณรบกวน และ การแทรกสอด ที่ดีกว่า เนื่องจากข้อมูลการบิน และ สัญญาณวีดีทัศน์ ทั้งหมดของระบบเป็นสัญญาณดิจิทัล OFDM จึงทำหน้าที่แปลงข้อมูลดิจิทัล ในที่นี้ยังไม่มีการเสริมการเข้ารหัสช่องสัญญาณ (Channel Coding) เช่น การเข้ารหัสเทอร์โบ หรือ การเข้ารหัสแบบ Convolutional Code เพื่อให้การติดต่อสื่อสารมีความปลอดภัยมากขึ้น นอกจากนี้ทางภาครับส่งของระบบประมวลผลปลอดภัยยังต้องแยกข้อมูลควบคุมการบิน (flight Control data) และ ข้อมูลควบคุมอุปกรณ์การภาพ (Payload control data) เพื่อส่งไปยัง ระบบควบคุมการบินอัตโนมัติ (Automatic Flight Control System) หรือ อุปกรณ์การภาพ อย่างถูกต้อง
การปรับเสถียรอุปกรณ์การภาพ การประมวลผลล่วงหน้าสัญญาณวีดีทัศน์ และการเชื่อมโยงขาลง
เนื่องจากอุปกรณ์การภาพโดยปกติประกอบด้วยส่วนสำคัญ 2 ส่วนคือ ส่วนของโครงสร้างซึ่งมีลักษณะเป็นรูปทรงกลมซ้อนกันหลายวงและติดตั้งกล้องและตัวตรวจรู้เข้ากับโครงสร้าง และส่วนของโปรแกรมที่ทำหน้าที่กรองการสั่นไหวของภาพเคลื่อนไหวที่ได้ให้นิ่งและคมชัดยิ่งขึ้น สำหรับโครงการวิจัยนี้จะเน้นการสร้างความเสถียรของภาพทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำหน้าที่กรองสัญญาณการสั่นสะเทือนความถี่สูง ที่นอกเหนือจากการปรับเสถียรทางเมคานิกส์ที่ภาพมีการสั่นสะเทือนอย่างช้าๆ (อันเนื่องมาจากการที่อากาศยานเคลื่อนที่ ส่วนของโครงสร้างของอุปกรณ์ภาพจะมีการเคลื่อนที่ซึ่งเกิดจากการไม่สมดุลของโครงสร้าง จึงทำให้เกิดแรงบิดอันเนื่องมาจากมวลที่ไม่สมดุลของโครงสร้าง เราจึงต้องทำการควบคุมการเคลื่อนที่ให้โครงสร้างของอุปกรณ์ภาพนี้อยู่นิ่งในขณะที่มีการเคลื่อนที่ของอากาศยาน) เพื่อที่จะได้ภาพเคลื่อนไหวที่มีคุณภาพดีที่มีการสั่นไหวน้อยมาก สัญญาณวีดีทัศน์ที่ผ่านการปรับเสถียรแล้วจะถูกนำมาบีบอัดให้มีขนาดเล็กลงเพื่อส่งผ่านอุปกรณ์แผ่สัญญาณ COFDM หรือถูกนำมาใช้ในการติดตามเป้าหมาย (target tracking)
ส่วนการจัดเก็บและการจัดส่งสัญญาณวีดีทัศน์
เป้าหมายหลักของภารกิจของการปฏิบัติการอากาศยานไร้นักบิน เพื่อให้ได้รับสัญญาณภาพ และ สัญญาณวีดีทัศน์ เพื่อนำไปใช้ในการวิเคราะห์หาเป้าหมาย หรือ บริเวณที่ต้องสงสัย โดยทั่วไป หากปฏิบัติการในครั้งนั้นไม่สามารถจัดส่งสัญญาณวีดีทัศน์จากอากาศยานไร้นักบินมายังสถานีภาคพื้นดินได้ อาจถือได้ว่าปฏิบัติการนั้นไม่ประสบความสำเร็จ การถอดรหัส การจัดเก็บ และ การจัดส่งเพื่อให้สามารถแสดงผลเวลาจริง และ การเรียกคืนสัญญาณวีดิทัศน์ โดยให้ผู้ใช้สามารถเรียกใช้ได้พร้อมกันครั้งละหลายผู้ใช้ได้นั้นจึงมีความสำคัญในการปฏิบัติการจริง หน้าที่การทำงานอีกประการหนึ่งของ เครื่องแม่ข่ายคือ แยกข้อมูลการบิน เช่น มุมก้ม เงย ของอุปกรณ์การภาพ หรือ ตำแหน่ง GPS ของเครื่องบิน เป็นต้น ซึ่งเป็นข้อมูลทางการบิน ที่สำคัญจำเป็นสำหรับ การควบคุมการบินอัตโนมัติ การปรับทิศทางการบิน และ การหาพิกัดเป้าหมาย ข้อมูลในส่วนนี้ติดต่อสื่อสารผ่าน OFDM Receiver เช่นกัน ซึ่งทางกลุ่มวิจัยได้พัฒนาโปรแกรมแยกส่วนข้อมูลจากแพกเก็ตของ MPEG-2 TS ในชั้น transportation system
การประมวลผลสัญญาณตามหลังภาพและวีดีทัศน์
เพราะภารกิจที่สำคัญของอากาศยานไร้นักบิน (unmanned air vehicle: UAV) คือการให้ได้มาซึ่งสัญญาณภาพ หรือ สัญญาณวีดีทัศน์ของเป้าหมายที่มีความคมชัด อนึ่งเพื่อให้บรรลุซึ่งภารกิจหลักดังกล่าว ส่วนการประมวลผล ตามหลังภาพและสัญญาณวีดีทัศน์ เป็นองค์ประกอบสำคัญที่อำนวยให้นายทหารเฝ้าระวัง (intelligence officer) สามารถทำงานที่เกี่ยวข้องต่างๆได้อย่างมีประสิทธิผลมากขึ้น ตัวอย่างเช่น การค้นหาและการได้มาซึ่งเป้าหมาย (search and acquisition of target) การวิเคราะห์เป้าหมายที่ถูกกำหนดล่วงหน้า (designated target) การปรับปรุงสัญญาณวีดีทัศน์หรือภาพที่ไม่ชัดเจน การเพิ่มสมรรถนะสัญญาณวีดิทัศน์ (video enhancement) และ การจัดเก็บภาพนิ่งของเป้าหมายที่มีการตรวจแก้ (edit) ข้อมูลการบิน
ส่วนการประมวลผลตามหลังภาพและสัญญาณวีดีทัศน์
เป็นอุปกรณ์ส่วนหนึ่งของ สถานีภาคพื้นดิน (Ground Control Station: GCS) ที่ติดต่อเชื่อมโยงโดยตรงกับส่วนอื่นๆของ GCS และ UAV เช่น คอมพิวเตอร์แม่ข่าย (computer server) ที่มีการจัดเก็บสัญญาณวีดีทัศน์แบบเวลาจริงและข้อมูลการบิน ที่ส่งจากส่วนสื่อสารขาลงของอากาศยานไร้นักบิน ทั้งนี้ข้อมูลการบินที่ได้จากส่วนสื่อสารขาลงของอากาศยานไร้นักบิน ได้แก่ ข้อมูลตำแหน่งของ GPS ข้อมูล heading north ข้อมูลความสูงเหนือระดับน้ำทะเลของ UAV ที่ได้จากส่วนควบคุมการบิน และ ขนาดการซูมภาพ ข้อมูลทิศชี้และมุมกด (depression angle) ของกล้อง ที่ได้จากส่วนควบคุมอุปกรณ์การภาพ หรือ ระยะห่างจาก UAV ถึง เป้าหมาย (GCS crosshair) ซึ่งคำนวณจากข้อมูล GPS ความสูงของ UAV และ มุมกดของกล้อง เป็นต้น
การวางแผนวิเคราะห์ และควบคุมการบันทึกภาพเป้าหมาย
ภารกิจที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งของอากาศยานไร้นักบินคือการบันทึกภาพหรือวีดีโอภาคพื้นดินสำหรับงานด้านต่าง ๆ ทั้งที่เป็นงานทางด้านทางทหารและความมั่นคง เช่น การลาดตระเวนการเฝ้าตรวจพื้นที่ชายแดน การชี้เป้าและรายงานผลการยิงปืนใหญ่ การตรวจหาความเคลื่อนไหวในพื้นที่นอกประเทศ หรืองานทางด้านอื่น ๆ เช่น การตรวจสอบการบุกรุกป่า การรายงานผลการเกิดไฟป่า การติดตามสภาพการจราจร ฯลฯ
ปัจจัยภายนอกที่มีผลต่อความสำเร็จในการขึ้นบิน
1. ปัจจัยที่คาดการณ์ล่วงหน้าได้ ซึ่งอาจแบ่งได้เป็น
i. ปัจจัยทางภูมิศาสตร์ เช่น พื้นที่ที่ต้องการบันทึกภาพถูกบังด้วยภูเขาจาก Line of sight หรือไม่ หรือหาก Line of sight ไม่ถูกบังแต่พื้นที่ที่สนใจตกไปอยู่ในบริเวณเงาเขาซึ่งจะทำให้คุณภาพของภาพที่บันทึกภาพไม่ดีหรือไม่
ii. ปัจจัยทางด้านภูมิอากาศ ได้แก่ สภาพอากาศในวันเวลาที่จะขึ้นบินจะเป็นอย่างไร ควรจะขึ้นบินหรือไม่
2. ปัจจัยที่ไม่สามารถคาดการณ์ล่วงหน้าได้ เช่น กระแสลมกรรโชก สภาพอากาศแปรปรวน เป็นหน้าที่ของ Flight mission control ที่จะต้องแก้ไขสถานการณ์และตัดสินใจในขณะที่ UAV กำลังบินปฏิบัติภารกิจ อย่างไรก็ตาม ก่อนการขึ้นบินบันทึกภาพแต่ละครั้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่เป็น Critical missions โดยผลลัพธ์จะอยู่ในรูปของเส้นทางการบิน (Flight path) ที่เหมาะสม หลีกเลี่ยงปัญหาการบัง Line of sight ที่เกิดจากสภาพภูมิศาสตร์ของพื้นที่ที่ต้องการบันทึกภาพ ในขณะเดียวกัน
การวิเคราะห์ข้างต้นจำเป็นต้องอาศัยแผนที่ที่แสดงรายละเอียดภาคพื้นดินและแบบจำลองภูมิประเทศสามมิติ (Digital Elevation Model, DEM) ที่มีความถูกต้องเชิงตำแหน่งสูงสำหรับพื้นที่ภายในประเทศสามารถภาพถ่ายทางอากาศตอบสนองความต้องการนี้ได้เป็นอย่างดี อย่างไรก็ตามอาจจำเป็นต้องอาศัยภาพดาวเทียมรายละเอียดสูงเป็นแหล่งข้อมูลเพื่อนำมาดัดแก้ทางเรขาคณิตและประมวลผลให้ได้แบบจำลองภูมิประเทศ การวางแผน วิเคราะห์ และการควบคุมการบันทึกภาพของเป้าหมายจึงมีความจำเป็นที่จะต้องพัฒนาทั้งส่วนที่เป็นโปรแกรมประยุกต์และส่วนที่เป็นภาพถ่ายดัดแก้และ DEM ขึ้นเพื่อให้ได้แผนการบิน (เส้นทางบิน และเวลา) ที่ Optimum ซึ่งจะทำให้การปฏิบัติภารกิจแต่ละครั้งของอากาศยานไร้นักบินในการบันทึกภาพมีโอกาสบรรลุเป้าหมายที่ตั้งไว้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
อาจารย์ผู้ดูแลบทความ รศ. ดร.สมชาย จิตะพันธ์กุล อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า
ผู้รับผิดชอบบทความ ศูนย์การสื่อสารนานาชาติแห่งจุฬาฯ
