ارزیابی دقت و آسیب‌پذیری سامانه‌های هدایت موشکی: اینرسی، مبتنی بر جی‌پی‌اس و پایانی

پیش‌بینی‌های بازار تجاری اغلب ادعا می‌کنند که ناوبری مبتنی بر ماهواره مشکل دقت حمله دقیق را برای همیشه حل کرده است. Fortune Business Insights در تحلیل صنعتی خود اشاره می‌کند که «اندازه بازار جهانی سامانه‌های هدایت موشکی در سال ۲۰۲۲ معادل ۱٫۵۴ میلیارد دلار ارزش‌گذاری شده و پیش‌بینی می‌شود از ۱٫۶۴ میلیارد دلار در سال ۲۰۲۳ به ۲٫۶۸ میلیارد دلار تا سال ۲۰۳۰ رشد کند»، که عمدتاً ناشی از گسترش مهمات مبتنی بر جی‌پی‌اس است. شواهد موجود از حریم هوایی مورد مناقشه، این اتکا را رد می‌کند. هنگامی که طیف الکترومغناطیسی توسط اخلال‌گرهای زمینی انکار می‌شود، سامانه‌های مبتنی بر ماهواره به سرعت دچار افت کارایی می‌شوند و بازگشت به فیزیک انحراف اینرسی و پردازش محلی جستجوگرهای پایانی را اجباری می‌سازند.[3]

هر مهمات دقیق به یک زنجیره کشتار متکی است که استقلال را در برابر داده‌های خارجی متعادل می‌کند. سامانه‌های ناوبری اینرسی (INS) پایه و اساس مستقل را نشان می‌دهند و موقعیت را صرفاً از طریق شتاب‌سنج‌ها و ژیروسکوپ‌های داخلی و بدون دریافت سیگنال‌های خارجی محاسبه می‌کنند. از آنجا که این سامانه‌ها نه چیزی منتشر می‌کنند و نه چیزی دریافت می‌کنند، از نظر فیزیکی در برابر جنگ الکترونیک مصون هستند. Science & Global Security تشریح می‌کند که دقت این سامانه‌ها کاملاً به دقت مکانیکی یا نوری حسگرهایی بستگی دارد که شتاب و چرخش موشک را از لحظه پرتاب اندازه‌گیری می‌کنند.[1]

محدودیت هدایت صرفاً اینرسی، خطای تجمعی است. حتی پیشرفته‌ترین ژیروسکوپ‌های لیزری حلقوی نیز نرخ انحراف ذاتی را تجربه می‌کنند که معمولاً برای سامانه‌های درجه هوانوردی، تقریباً ۰٫۱ مایل دریایی خطا در هر ساعت پرواز اندازه‌گیری می‌شود. یک موشک بالستیک که مسیری ۳۰ دقیقه‌ای را طی می‌کند، ناگزیر انحراف مکانی انباشته خواهد کرد. هرچه زمان پرواز طولانی‌تر باشد، خطای احتمالی دایره‌ای (CEP) بزرگ‌تر می‌شود—شعاعی که انتظار می‌رود ۵۰ درصد مهمات در آن فرود آیند.[1]

برای اصلاح این انحراف اینرسی، ارتش‌ها سامانه‌های جهانی ناوبری ماهواره‌ای (GNSS) مانند جی‌پی‌اس آمریکایی یا گالیله اروپایی را ادغام کردند. این گیرنده‌ها به‌روزرسانی‌های موقعیت‌یابی پیوسته و بلادرنگ را فراهم می‌کنند که خطای INS را در طول پرواز تقریباً به صفر بازنشانی می‌کند. VisionSpace جزئیات می‌دهد که این ادغام به موشک‌های کروز دوربرد نیز اجازه می‌دهد تا صرف نظر از مدت زمان پرواز، CEP کمتر از ۵ متر را حفظ کنند. سیگنال خارجی به عنوان یک لنگر ثابت برای حسگرهای داخلی عمل می‌کند.

آسیب‌پذیری این معماری در قدرت سیگنال نهفته است. ماهواره‌های GNSS در ارتفاع تقریبی ۱۲,۰۰۰ مایل در مدار قرار دارند، به این معنی که انتقال سیگنال به گیرنده به طور استثنایی ضعیف است—اغلب با انرژی یک لامپ ۵۰ واتی که از آن سوی یک قاره دیده می‌شود، مقایسه می‌شود. تحقیقات VisionSpace نشان می‌دهد که یک اخلال‌گر زمینی که تنها با توان ۱۰ وات پخش می‌شود، می‌تواند بر سیگنال ماهواره‌ای در شعاع ۳۰ کیلومتری غلبه کند و گیرنده موشک را کور کرده و آن را مجبور کند تا به حسگرهای اینرسی در حال انحراف خود بازگردد.

هنگامی که هدایت میانی مسیر دچار اخلال می‌شود، دقت کاملاً به ثانیه‌های پایانی پرواز بستگی دارد. سامانه‌های هدایت پایانی با نزدیک شدن مهمات به منطقه هدف فعال می‌شوند و از حسگرهای داخلی برای شناسایی بصری یا الکترونیکی هدف استفاده می‌کنند. Notes on Missile Terminal Guidance Overview توضیح می‌دهد که این جستجوگرها—چه رادار فعال، لیزر نیمه‌فعال یا فروسرخ تصویربرداری (IIR)—معمولاً کنترل را در ۵ تا ۱۰ کیلومتر نهایی مسیر به دست می‌گیرند و بر انحراف انباشته شده INS غلبه می‌کنند تا سلاح را به نقطه برخورد دقیق هدایت کنند.[2]

جستجوگرهای پایانی آسیب‌پذیری‌های خاص خود را در برابر اقدامات متقابل محلی معرفی می‌کنند. MiGFlug مستند می‌کند که چگونه هواپیماهای هدف و تأسیسات زمینی سامانه‌های دفاعی طراحی شده برای گیج کردن یا کور کردن این حسگرها را مستقر می‌کنند. شراره‌ها در دمای بالاتری نسبت به اگزوز موتور می‌سوزند تا جستجوگرهای فروسرخ را فریب دهند، در حالی که پخش‌کننده‌های پوشال (چف) ابرهایی از مواد بازتابنده رادار را منتشر می‌کنند تا بازگشت‌های کاذب برای هدایت رادار فعال ایجاد کنند. سامانه‌های انرژی هدایت شده نیز می‌توانند لیزرهای کم‌توان را مستقیماً به جستجوگرهای نوری شلیک کنند تا آرایه‌های تصویربرداری آن‌ها را بیش از حد بارگذاری کنند.[4]

برای غلبه بر این اقدامات متقابل، معماری‌های هدایت مدرن به جستجوگرهای چندحالته متکی هستند. با ترکیب یک حسگر فروسرخ تصویربرداری با یک رادار موج میلی‌متری در یک دماغه، مهمات می‌تواند داده‌ها را متقابلاً بررسی کند. اگر هدفی پوشال مستقر کند، حسگر فروسرخ آن را نادیده می‌گیرد؛ اگر هدف شراره مستقر کند، رادار قفل را حفظ می‌کند. Notes on Missile Terminal Guidance Overview تأکید می‌کند که این پردازش دوحالته نیازمند قدرت محاسباتی داخلی قابل توجهی برای اجرای الگوریتم‌های تشخیص هدف در میلی‌ثانیه‌ها است.[2]

تقاضا برای دقت پایانی در کاربردهای دفاع موشکی به اوج خود می‌رسد. انجمن کنترل تسلیحات گزارش می‌دهد که سامانه‌هایی مانند دفاع منطقه‌ای با ارتفاع بالا (THAAD) «برای رهگیری و انهدام موشک‌های بالستیک کوتاه‌برد، میان‌برد و میان‌برد در فاز پایانی آن‌ها طراحی شده‌اند.» از آنجا که این رهگیرها به جای کلاهک‌های انفجاری از فناوری «برخورد برای کشتن» استفاده می‌کنند، جستجوگرهای پایانی آن‌ها باید به CEP اساساً صفر دست یابند، یعنی برخورد فیزیکی با هدفی که با سرعت مافوق صوت حرکت می‌کند.[5]

این رویکرد لایه‌ای—INS برای ناوبری پایه، GNSS برای تصحیح میانی مسیر، و جستجوگرهای چندحالته برای دقت پایانی—منحنی هزینه تندی ایجاد می‌کند. در حالی که یک کیت دم ساده مبتنی بر جی‌پی‌اس می‌تواند یک بمب غیرهدایت‌شونده را با تقریباً ۲۵,۰۰۰ دلار به یک سلاح دقیق تبدیل کند، افزودن یک جستجوگر فروسرخ تصویربرداری با وضوح بالا، هزینه یک مهمات واحد را به صدها هزار دلار می‌رساند. Fortune Business Insights بخش عمده‌ای از رشد پیش‌بینی شده بازار را به خرید این مدل‌های گران‌قیمت و حسگر-محور نسبت می‌دهد.[3]

گسترش اخلال‌گرهای ارزان و مؤثر GNSS، محاسبات خرید را برای ارتش‌های بزرگ تغییر داده است. از آنجا که دیگر نمی‌توان در محیط‌های مورد مناقشه، سیگنال‌های ماهواره‌ای را تضمین کرد، وزارتخانه‌های دفاع به شدت در بهبود دقت پایه حسگرهای اینرسی و کاهش هزینه جستجوگرهای پایانی سرمایه‌گذاری می‌کنند. هدف، ساخت مهماتی است که بتوانند صدها مایل را تنها با داده‌های داخلی پرواز کنند و همچنان اهداف خود را به صورت مستقل پس از رسیدن شناسایی کنند.[5][6]

دقت در درگیری‌های مدرن دیگر تابعی از اتصال ماهواره‌ای نیست، بلکه تابعی از قدرت پردازش داخلی و همجوشی حسگرها است. سامانه‌هایی که دقت را در دهه آینده حفظ خواهند کرد، آن‌هایی هستند که با این فرض مهندسی شده‌اند که طیف الکترومغناطیسی قبل از پرتاب از دست رفته است. با انتقال بار محاسباتی از شبکه‌های مستقر در فضا به خود موشک، معماری‌های هدایت به فیزیک خودکفایی بازمی‌گردند که روزهای اولیه مهندسی هوافضا را تعریف می‌کرد.[6]