di Ten. Col. ing. Piergiorgio Ventura e Cap. ing. Salvatore De Mattia
ABSTRACT
Le “ElectroMagnetic Spectrum Operations” (EMSO), ovverossia le operazioni nello spettro elettromagnetico, sono ormai divenute un aspetto essenziale dei conflitti moderni. La loro peculiarità multi-dominio, nonché la capacità di governare gli eventi sul campo di battaglia per coloro che ne possiedono il controllo più della parte avversa, hanno sempre più amplificato la loro importanza. Le onde elettromagnetiche, e conseguentemente le loro innumerevoli applicazioni ed effetti, sono peraltro per loro natura difficili da visualizzare da parte dei Comandanti e dei loro staff.
Per tale ragione, il “NATO Modelling & Simulation Centre of Excellence” ha sviluppato uno strumento per riprodurre le EMSO in un ambiente sintetico denominato ELMO (Electromagnetic Layer for Multi-domain Operations).
INTRODUZIONE
Le “ElectroMagnetic Spectrum Operations” (EMSO), ovverossia le operazioni nello spettro elettromagnetico, comprendono la più nota guerra elettronica, ma coinvolgono anche l’intelligence ed altre attività, rappresentando, di fatto, un aspetto essenziale dei conflitti moderni. Nella dottrina attuale della NATO l’ambiente elettromagnetico viene considerato un “ambiente operativo”, trasversale rispetto ai domini militari attualmente riconosciuti (land, sea, air, space, cyber). Tale caratteristica, nonché il crescente potenziale operativo in un campo di battaglia sempre più tecnologico, ne hanno sempre più amplificato l’importanza.
Le onde elettromagnetiche, e conseguentemente le loro innumerevoli applicazioni ed effetti, sono peraltro per loro natura difficili da visualizzare da parte dei comandanti e dei loro staff. Lo stesso vale per i più esperti del settore, che devono spesso affidarsi alla loro conoscenza empirica passata per “scommettere” su quale possa essere l’approccio migliore nelle diverse situazioni operative. Per tale ragione, dopo un coordinamento ed una conseguente “Richiesta di Supporto” effettuata dallo Stato Maggiore della Difesa VI Reparto, il “NATO Modelling & Simulation Centre of Excellence” ha sviluppato uno strumento per riprodurre le EMSO in un ambiente sintetico denominato ELMO (Electromagnetic Layer for Multi-domain Operations). Il nome trae ispirazione anche dal senso di appartenenza di coloro che hanno progettato e sviluppato lo strumento, senza alcun supporto industriale, tutti appartenenti al Corpo degli Ingegneri dell’Esercito. Il progetto è perfettamente coerente con la visione espressa dalla “NATO Electromagnetic Spectrum Strategy (EMSS)”, MCM-0108-2020 16/12/2020)[1].
[1] Specificatamente per quanto attiene al “Goal 2, Effective Joint Electromagnetic Operations” - “Objective G203, Integrate EMO into NATO Allied live, virtual, and constructive training with realistic presentations of a congested and contested EME”, nonché a più generale supporto del “Objective G201, Develop EMO policy, concepts, and doctrine to codify NATO’s actions to integrate EM capabilities and Tactics, Techniques and Procedures within the Joint effects structure, military operations, and across NATO forces”.
DESCRIZIONE DEL PROGETTO
Tale progetto consta principalmente dell’integrazione di due tool di M&S finalizzati rispettivamente alla modellazione di sistemi elettronici militari ed alla simulazione della relativa propagazione elettromagnetica.
I citati tool sono:
- Matlab/Simulink: utilizzato per la creazione di modelli basati su algoritmi funzionali di sistemi elettronici peculiari, definendo, a seconda del livello di modellazione impostato, l’interconnessione tra i principali componenti architetturali. L’obiettivo del modello è la versatilità di impiego in funzione dei dati di ingresso e delle configurazioni tecnico-operative, al fine di astrarre una modellazione versatile ed adattabile a diversificate applicazioni;
- STK (Systems Tool Kit) – società AGI: per la simulazione della propagazione elettromagnetica in funzione sia del terreno, sia delle condizioni al contorno degli scenari implementati in ambiente sintetico. Tale tool consente di avere una rappresentazione sintetica e visiva utile per la caratterizzazione, la comprensione e l’analisi del layer elettromagnetico nelle operazioni militari.
I modelli concettuali definiti per ciascuna capacità, quali ad esempio i diversi tipi di jamming, sono stati quindi implementati in uno specifico scenario costruito in modo tale da rappresentare, con pochi elementi, tutti i domini e tutte le possibili applicazioni delle EMSO.
In particolare, è stato sviluppato il contesto operativo di seguito descritto.
Le due fazioni contrapposte, entrambe schierate in un contesto immaginario riprodotto nei dintorni della città di Orlando in Florida (USA), sono rappresentate dalla fazione blu, che rappresenta la forza dominante e con maggiori assetti a disposizione ed il controllo prevalente del territorio, e dalla fazione rossa, che si contrappone ai blu con forme di guerra ibrida.
Nello specifico, la fazione blu prevede lo spostamento di un “Comandante” su un veicolo blindato denominato “Command Post”, scortato da un veicolo destinato alla protezione, anche con apparati di guerra elettronica. La forza è contestualmente protetta da due UAV che sorvolano la città, di cui uno deputato al monitoraggio dello spettro elettromagnetico per individuare frequenze attribuibili al nemico e l’altro con capacità di Jamming di radar di scoperta nemici, tramite l’impiego di un’antenna il cui lobo di radiazione può essere modificato, in tempo reale, tramite controllo software.
Completano le forze blu una nave “Destroyer” al largo della costa, con capacità missilistica, una stazione di terra che acquisisce dati di intelligence, anche di tipo elettromagnetico (SIGINT – Signal Intelligence) e un gruppo di quattro satelliti su orbita bassa (LEO) impiegati per sorveglianza militare e dotati della capacità di misurare frequenze sospette con alta precisione.
Le forze si avvalgono anche dell’impiego di sistemi di navigazione, posizionamento e timing (PNT) satellitare sia di tipo GPS che di tipo GALILEO, le cui costellazioni sono integralmente riprodotte all’interno dello scenario.
Il Command Post è, infine, in grado di comunicare tramite un satellite Immarsat “dual use” con l’HQ che si trova a circa 1500 km di distanza nello stato di New York.
La minaccia da parte dei rossi è prevalentemente rivolta verso il Comandante, che viene visto con un “obiettivo di grande valore”. Per tale ragione un IED comandato da cellulare è stato posto lungo il percorso.
I rossi dispongono anche di un sistema missilistico antiaereo, guidato da radar, e di un’antenna fissa che prova ad inibire con Jamming le frequenze E1/L1 dei sistemi PNT.
Nel confronto tra le due fazioni risultano determinanti le rispettive azioni di guerra elettronica, che descriveremo di seguito nella sequenza temporale.
Il sistema di protezione del comandante si accerta delle condizioni di sicurezza prima di dare il via libera al movimento. La stazione di terra identifica una frequenza sospetta, che l’intelligence attribuisce ad un radar nemico asservito ad una batteria missilistica. La frequenza viene inviata ai satelliti LEO, che misurano lo “shift doppler”.
La stazione di terra, ricevuti i dati dello shift doppler, nonché relativi alla posizione alle componenti della velocità sui tre assi dei satelliti, impiega un algoritmo bastato sulla “Frequency Difference of Arrival” (FDOA) per individuare la posizione del radar.
Nota la posizione, con un certo margine di errore, la stazione di terra comunica i dati all’UAV che, a questo punto, è in grado, tramite il SW di gestione dell’antenna digitale, di orientare il lobo principale dell’antenna di Jamming verso il radar, nonché determinarne l’ampiezza, in modo tale da coprire la zona di probabile posizionamento, prendendo in considerazione anche il margine di errore calcolato.
Dopo aver evitato la minaccia missilistica, i nostri UAV continuano la missione, ma l’attività di “Electronic Support Measures” (ESM) del secondo velivolo sono ostacolate dal Jammer statico deputato ad inibire l’uso dei sistemi PNT. Confrontando le performance dei due sistemi (GPS e GALILEO) in relazione al Jamming in corso, si evince che il segnale del GPS non può essere usato efficacemente mentre quello del GALILEO si, grazie al tipo di modulazione del segnale più resiliente (Binary off carrier - BOC). Gli UAV riescono pertanto a proseguire la loro missione, ma non possono comunicare efficacemente con i veicoli di terra le frequenze sospette individuate durante le attività ESM (comunicazione 1pps). I sistemi ottici presenti a bordo individuano comunque l’antenna del jammer statico, la cui posizione viene pertanto inviata alla nave “Destroyer”. Un missile da questa lanciato, guidato dal sistema GALILEO, distrugge successivamente l’antenna ed il funzionamento del sistema GPS viene pertanto ripristinato.
Il secondo UAV può, infine, comunicare le frequenze cellulari sospette di downlink e uplink, relative alle bande 2G e 3G, e il jammer del veicolo di protezione può essere operato in modalità ibrida, ossia “reactive + active”, distribuendo la potenza in parte tra le frequenze individuate e in parte sulle restanti frequenze, già presenti in libreria.
Garantita così un’adeguata bolla di sicurezza, il Comandante può compiere il suo spostamento senza che la fazione opposta riesca ad azionare il sistema RC-IED.
Gli eventi per come descritti dipendono ovviamente dalle prestazioni dei sistemi; modificando le caratteristiche tecniche e/o le procedure d’impiego, cambiano conseguentemente gli esiti del confronto, come verificato durante numerosi test.
POSSIBILI IMPIEGHI
Lo strumento è arrivato ad una maturità tecnologia tale da aver superato la fase di dimostrazione del concetto (“proof of concept”), avviandosi verso una fase di realizzazione di uno o più prototipi, modificati anche sulla base delle esigenze dell’utilizzatore.
Il principale punto di forza dello strumento è proprio la flessibilità, ossia poter fornire uno strumento decisionale applicabile in ogni contesto.
In fase di pianificazione, possono essere verificate le linee di azione riproducendo fedelmente, con le informazioni disponibili, il contesto operativo in cui si andrà ad operare.
In fase di addestramento, potranno essere posti all’attenzione del discente degli scenari operativi sui quali porre in essere delle decisioni che potranno essere verificate.
In fase di sviluppo tecnologico o dottrinale, le nuove ipotetiche tecnologie o le innovative procedure potranno essere verificate in ambiente sintetico, ottimizzando il relativo processo di sviluppo.
Nel caso sia possibile riprodurre il “digital twin”, potranno essere verificate anche le prestazioni di differenti tecnologie per individuare, in fase di acquisto, quella più idonea a coprire il gap capacitivo identificato.
SVILUPPI FUTURI
Lo strumento è ancora in fase di sviluppo per incrementarne le capacità, come descritto di seguito.
È necessario che lo strumento consenta di condividere le informazioni elaborate con altri tool di simulazione, in particolare con quelli prettamente militari (Computer Generated Forces tool - CGF). La condivisione riguarderebbe gli effetti delle valutazioni specialistiche, non i calcoli in quanto tali. Occorre pertanto trasferire, in termini di figure geometriche geo-referenziate (shapefile) le aree di Jamming, le aree coperte da comunicazioni efficaci, il range operativo dei radar ed ogni altra informazione utile a livello operativo. La corretta identificazione delle aree consentirà, quindi, di inibire le comunicazioni o l’efficacia dei sistemi radar per le piattaforme o unità che si trovano al loro interno.
Un’altra filiera di sviluppo consentirà di impiegare lo strumento per applicazioni nel campo ottico, consentendo quindi di simulare l’uso di tecnologie infrarosse quali visori, mascheramento, sistemi di guida missilistici, puntatori laser, ecc.
Sarà anche possibile integrare il sistema con un altro SW in grado di simulare le reti, consentendo pertanto di verificare a livello cyber gli effetti di quanto avviene, a livello fisico, in termini di qualità del segnale.
Lo strumento sarà, inoltre, oggetto di approfondimento per verificare la possibilità di impiegare l’intelligenza artificiale per consentire, addestrando una rete neurale tramite la reiterazione di uno scenario con differenti linee di azione, l’eventuale supporto al processo decisionale, nel momento in cui occorra operare su uno scenario analogo.
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Fig.7: Il team del NATO MS COE in collaborazione con industria ed università. |
Fig.8: Stretta pianificazione operativa tra assetti terrestri ed aerei. |
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CONCLUSIONI
Lo strumento, nel caso divenga operativo, consentirà di aumentare la sicurezza delle operazioni tramite un’accurata pianificazione della composizione e modalità operative delle forze in campo.
Consentirà, inoltre, di risparmiare tempo e denaro per la formazione e l’addestramento degli specialisti di guerra elettronica; l’organizzazione di esercitazioni elettroniche consentirà l’approntamento delle forze in maniera più efficiente ed efficace.
Consentirà, infine, di valutare in ambiente sintetico qualsiasi evoluzione tecnica, dottrinale o capacitiva dello strumento militare.
In un mondo caratterizzato da un’evoluzione tecnologica dirompente, una grande instabilità geopolitica ed una straordinaria complessità dell’ambiente operativo, la possibilità di rendere visibile ciò che è invisibile, tramite l’implementazione di una realtà virtuale aderente alla realtà, costituirà un enorme vantaggio operativo per le forze che potranno impiegarlo.
Riferimenti:
https://www.xcdsystem.com/iitsec/proceedings/index.cfm?Year=2023&AbID=121204&CID=1001#View
Autori:
(DA NSV-TCV 1/2024)