Các phương pháp bảo đảm an ninh thông tin “tọa độ-thời gian” của UAV

Các UAV đang ngày càng trở thành một phần không thể thiếu trong nhiều hoạt động của con người nhờ vào phạm vi ứng dụng rộng rãi của chúng, từ hoạt động quân sự cho đến dân sự. Sử dụng các UAV là giải pháp hiệu quả và tiết kiệm cho nhiều nhiệm vụ khác nhau. Tuy nhiên, một thách thức lớn trong việc sử dụng chúng là việc cung cấp một sự hỗ trợ đủ tin cậy và chính xác trong chế độ “tọa độ-thời gian”. Trong bài viết này, trình bày tầm quan trọng của việc bảo đảm an ninh thông tin tọa độ-thời gian của UAV và xem xét các phương pháp khác nhau được sử dụng để đạt được điều đó.

• Phương tiện bay không người lái trong thực tế xung đột quân sự hiện nay

Tầm quan trọng của việc bảo đảm an ninh thông tin tọa độ-thời gian

Việc bảo đảm an ninh thông tin tọa độ-thời gian của UAV chính là khả năng xác định chính xác và cung cấp vị trí tức thời cũng như thời gian của một chuyển động hoặc của nhiều sự chuyển động trong cùng một khoảng thời gian. Điều này rất quan trọng, nói chung là bởi các lý do sau:

Thứ nhất, bảo đảm dẫn đường bay và điều khiển chính UAV trong quá trình bay, đảm bảo rằng UAV bay đến đích dự định và hoàn thành nhiệm vụ một cách hoàn hảo;

Thứ hai, cần thiết để điều phối và đồng bộ hóa các UAV cùng hoạt động trong cùng một vùng trời nhất định. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hoạt động quân sự hoặc trong tìm kiếm cứu hộ cứu nạn, là các hoạt động đòi hỏi phải có sự tham gia cùng lúc của nhiều UAV thì mới đạt được mục đích chung.

Các phương pháp cung cấp tọa độ-thời gian

Có một số phương pháp được sử dụng để xác định tọa độ-thời gian của UAV. Một trong những phương pháp phổ biến là sử dụng các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS), chẳng hạn như: GPS hoặc GLONASS. Chức năng chính của GNSS trong UAV là cung cấp thông tin chính xác về vị trí. Bằng cách nhận các tín hiệu từ nhiều vệ tinh, bộ thu của GNSS sẽ tính toán vị trí của UAV trong chế độ thời gian thực. Thông tin này có tầm quan trọng quyết định cho các ứng dụng khác nhau, như: lập bản đồ; khảo sát;… được thực hiện bởi UAV. Với dữ liệu về vị trí chính xác này, UAV có thể thực hiện các nhiệm vụ với độ chính xác và hiệu quả cao do đã giảm thiểu số lượng lỗi của con người và tăng được năng suất.

Một ưu điểm đáng kể nữa của GNSS trong UAV là vai trò của nó trong điều hướng bay. Các UAV, được trang bị máy thu GNSS, có thể xác định: hướng bay; tốc độ và độ cao bay của chúng, điều đó cho phép chúng thực hiện điều hướng tự động. Khả năng này đặc biệt hữu ích trong các nhiệm vụ, như giao hàng và giám sát trên không, là các nhiệm vụ đòi hỏi UAV phải bay theo đường bay xác định hoặc thực hiện những thao tác phức tạp. Hệ thống định vị vệ tính cho phép UAV bay an toàn do có thể tránh được một số chướng ngại vật trên đường bay, đảm bảo thực hiện nhiệm vụ thành công.

Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng GNSS trên UAV cũng gặp phải những thách thức nhất định. Một trong những thách thức chính là nhiễu tín hiệu. Tín hiệu từ hệ thống định vị vệ tinh có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, như: tòa nhà; cây cối; và nhiễu điện từ. Trong môi trường đô thị có nhiều nhà cao tầng hoặc khu vực có thảm thực vật dày thì độ chính xác và độ tin cậy của GNSS có thể giảm. Sự giảm đi này của tin hiệu định vị vệ tinh gây ra rủi ro đáng kể cho hoạt động bay của UAV, các rủi ro có thể là: UAV đâm vào chướng ngại vật; tự rơi xuống đất; tự đâm vào nhau; bị đối phương giành được quyền điều khiển để bắt sống (hoạt động quân sự); …

Để giảm thiểu vấn đề nhiễu tín hiệu, hiện nay các nhà nghiên cứu và kỹ sư đang tập trung phát triển một số công nghệ thay thế để định vị và điều hướng cho UAV.

Sử dụng các cảm biến bổ sung

Sử dụng các thiết bị cảm biến bổ sung, thí dụ như thiết bị đo lường quán tính (IMU) và hệ thống đo visual odometry. Các cảm biến này có thể bổ sung thêm dữ liệu cho GNSS và cung cấp thông tin về định vị và điều hướng chính xác hơn, đặc biệt trong điều kiện phức tạp. Bằng cách kết hợp nhiều cảm biến, UAV có thể tăng được tính tự chủ và độ tin cậy, đảm bảo hoạt động bay an toàn và hiệu quả.

Sử dụng các hệ thống mặt đất

Để cung cấp tọa độ – thời gian, có thể sử dụng các hệ thống mặt đất, như: radar; đèn hiệu vô tuyến. Đèn hiệu vô tuyến đảm bảo định vị chính xác UAV. Bản thân hệ thống GNSS không phải lúc nào cũng có thể cung cấp dữ liệu về vị trí, đặc biệt là ở những khu vực có phạm vi phủ sóng vệ tinh kém hoặc môi trường đô thị có nhiều nhà cao tấng. Đèn hiệu vô tuyến có thể đóng vai trò như là một điểm mốc địa lý, cho phép UAV xác định vị trí chính xác của mình so với đèn hiệu vô tuyến. Thông tin này có giá trị quyết định cho nhiệm vụ, như: chụp ảnh trên không; hoạt động tìm kiếm cứu nạn-cứu hộ; … Khi sử dụng đèn hiệu vô tuyến, UAV có thể đạt được độ chính xác đến từng xăng ti mét, đảm bảo định vị chính xác và tin cậy.

Đèn hiệu vô tuyến mở rộng khả năng điều hướng của UAV. Trong những điều kiện phức tạp, như: đô thị có nhiều nhà cao tầng; rừng rậm, thì tín hiệu của hệ thống điều hướng vệ tinh có thể bị chặn hoặc yếu hẳn. Điều này dẫn đến lỗi điều hướng và xảy ra nguy cơ va chạm rất rõ. Đèn hiệu vô tuyến có thể là phương tiện điều hướng bổ xung, cung cấp cho UAV những tín hiệu tin cậy được bổ sung vào dữ liệu của hệ thống định vị vệ tinh. Sử dụng đèn hiệu vô tuyến, UAV có thể duy trì quỹ đạo bay một cách ổn định và chính xác, né tránh tốt các chướng ngại vật và đảm bảo an toàn bay. Điều này đặc biệt quan trọng trong các tình huống mà UAV cần bay tự động theo chương trình được cài đặt trước hoặc UAV phải bay trên vùng trời có phạm vi phủ sóng của hệ thống định vị vệ tinh bị hạn chế.

Ngoài ra, đèn hiệu vô tuyến giúp phối hợp bay của nhiều hoặc của một tốp UAV. Trong trường hợp này, yêu cầu chính là phải đảm bảo sự bay của từng UAV trong một nhóm các UAV hoặc trong một tốp UAV trên cùng một không phận. Đèn hiệu vô tuyến có thể được sử dụng để thiết lập liên lạc và phối hợp bay giữa các UAV, đảm bảo chúng bay ở khoảng cách an toàn để không tự va chạm hoặc đâm vào nhau. Bằng cách chia sẻ thông tin về vị trí (tọa độ) và quỹ đạo bay, UAV có thể điều hướng một cách hiệu quả, tối đa hóa năng suất của mình. Đèn hiệu vô tuyến đảm bảo cùng hoạt động tốt của các UAV, cho phép thực hiện các nhiệm vụ phức tạp với mức độ phối hợp cao.

Cuối cùng, đèn hiệu vô tuyến cung cấp sự hỗ trợ thời gian. Sự đồng bộ hóa chính xác thời gian có ý nghĩa quyết định cho các hoạt động khác nhau của UAV, như: hoạt động thu thập dữ liệu; hoạt động xử lý ảnh; và hoạt động liên lạc. Đèn hiệu vô tuyến có thể là điểm tham chiếu thời gian, cho phép các UAV đồng bộ hóa các đồng hồ thời gian bên trong của chúng với độ chính xác cao. Điều này đảm bảo, các UAV loại khác nhau khi bay trong cùng một đội hình sẽ có các thiết bị đảm bảo bay cùng làm việc trên một trục thời gian duy nhất, cho phép cộng tác và tích hợp dữ liệu một cách đúng nhất và hiệu quả. Bằng cách sử dụng đèn hiệu vô tuyến có tính chất hỗ trợ thời gian, UAV có thể tối ưu hóa các đặc tính của chúng và nâng cao hiệu quả chung của hoạt động tập thể nhiều UAV.

Trong việc bổ sung cho GNSS bởi hệ thống mặt đất thì các UAV có thể cũng sử dụng các cảm biến trên khoang và thuật toán thích hợp để cải thiện việc xác định tọa độ-thời gian. Sự phối hợp hoạt động bay của nhiều UAV có ý nghĩa quan trọng trong các tình huống như: tìm kiếm cứu nạn-cứu hộ; giám sát; và giao hàng; hoặc “bầy đàn” trong tác chiến (hoạt động quân sự). Các cảm biến trên khoang đóng vai trò quan trọng trong việc bảo đảm sự phối hợp hoạt động bay một cách hiệu quả giữa các UAV này. Bằng cách sử dụng các cảm biến, như: GPS, ra đa, và lidar, bảo đảm cho các UAV có thể xác định chính xác: vị trí, độ cao, và tốc độ bay của chúng. Những thông tin này, ngay sau đó được truyền đến các UAV khác trong mạng, cho phép chúng hiệu chỉnh quỹ đạo bay để ngăn ngừa va chạm hoặc đâm nhau. Dữ liệu trong chế độ thời gian thực được cung cấp bởi các cảm biến này sẽ bảo toàn sự hoạt động liền mạch với nhau của các UAV và qua đó tăng tính hiệu quả chung, cũng như ngăn ngừa tai nạn.

Ngoài ra, sự cần thiết phải có các cảm biến trên khoang còn có nguyên nhân từ việc cần một hỗ trợ để có được sự đồng bộ hóa thời gian một cách chính xác giữa các UAV đang cùng bay trong một vùng trời xác định. Sự đồng bộ hóa thời gian có ý nghĩa quyết định đối với các nhiệm vụ đòi hỏi sự phối hợp bay chính xác, thí dụ như: hình thành đội hình không quân, hoặc thu thập dữ liệu một cách đồng bộ. Bằng cách sử dụng các cảm biến có tác dụng xác định chính xác các mốc thời gian, các UAV có thể giữ được các hoạt động của chúng có tính đồng bộ hóa với nhau trong cùng một mạng. Mức độ phối hợp tốt này có ý nghĩa quan trọng trong các tình huống đòi hỏi các UAV có hoạt động bay đồng thời, thí dụ như: thả hàng hóa, chụp ảnh. Nếu không có cảm biến trên khoang để hỗ trợ tính toán thời điểm chính xác thì các hành động đòi hòi đồng thời của các UAV khi bay sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng.

Ngoài chức năng nêu trên, các cảm biến trên khoang còn góp phần đảm bảo an toàn chung cho các hoạt động của các UAV. Các cảm biến trong hệ thống phát hiện và tránh chướng ngại vật, cho phép UAV tự phát hiện và tự ra quyết định phù hợp để ứng phó tốt trước các mối hiểm nguy trong khi bay, những cảm biến này sử dụng các công nghệ hồng ngoại, siêu âm, quang học, để xác định dạng chướng ngại vật một cách chính xác, thí dụ như: tòa nhà, cây cối, hoặc vật thể bay khác (có thể là máy bay truyền thống và phi truyền thống, tên lửa, bom bay,…). Bằng cách liên tục theo dõi môi trường không gian xung quanh với bán kính nhất định, các UAV có thể tự điều hướng bay theo thời gian thực với mục đích: đảm bảo an toàn khi bay. Việc tích hợp các cảm biến này cùng với các thuật toán thông minh cho phép UAV tự động điều hướng khi bay trong môi trường phức tạp để giảm nguy cơ tai nạn cho bản thân UAV, cũng như cho các phương tiện khác và con người trên mặt đất dưới vùng trời bay của UAV.

Kết luận

Tóm lại, việc bổ sung sự hỗ trợ tọa độ-thời gian là một vấn đề quan trọng nhất trong hoạt động bay của UAV. Đạt được điều này sẽ cho phép điều hướng bay kiểm soát bay phối hợp bay một cách chính xác trong quá trình bay của các UAV. Qua đó bảo đảm hoạt động bay của các UAV có tính hiệu quả cao.

Các hệ thống: hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu, hệ thống mặt đất, cảm biến trên khoang và thuật toán – tất cả các hệ thống này được sử dụng để cung cấp một sự hỗ trợ tọa độ-thời gian. Bằng cách kết hợp các giải pháp này thì người điều khiển bay cho UAV có thể đảm bảo UAV hoạt động đáng tin cậy và chính xác trong nhiều điều kiện phức tạp xảy ra đồng thời và trong nhiều ứng dụng với mục đích khác nhau.

Tài liệu tham khảo

[1]. Багров, А. В. Координатно-временное обес-печение перелетов между Землей и Луной / А. В. Багров, С. П. Кузин, В. А. Леонов. — Текст: непосредственный // Труды Института прикладной астрономии РАН. — 2019. — № 50.

[2]. Способ координатно-временного обеспечен-ия удаленных потребителей на основе мобильной радиоинтерферометрии / А. П. Алё-шкин, К. К. Зубарев, Д. В. Иванов, А. А. Мак-аров. — Текст: непосредственный // Гироскопия и навигация. — 2020. — № Том 28. № 1 (108).

[3]. На конференции в Санкт-Петербурге обсуд-или координатно-временное обеспечение в РФ. — Текст: электронный // ЕСК: [сайт]. — URL: https://www.ecert.ru/na-konferentsii-v-sankt-peterburge-obsudili-koordinatno-vremennoe-obespechenie-v-rf/ (дата обращения: 16.08.2023).

Nguyễn Tiến Dũng
Bauman Moscow State Technical University, VAA
Email: tiendung.bmstu@bk.ru