Improving the performance of a dismounted Future Force Warrior by means of C4I2SR

This thesis comprises seven peer-reviewed articles and examines systems and applications suitable for increasing Future Force Warrior performance, minimizing collateral damage, improving situational awareness and Common Operational Picture. Based on a literature study, missing functionalities of Future Force Warrior were identified and new ideas, concepts and solutions were created as part of early stages of Systems of Systems creation. These introduced ideas have not yet been implemented or tested in combat and for this reason benefit analyses are excluded. The main results of this thesis include the following: A new networking concept, Wireless Polling Sensor Network, which is a swarm of a few Unmanned Aerial Vehicles forming an ad-hoc network and polling a large number of fixed sensor nodes. The system is more robust in a military environment than traditional Wireless Sensor Networks. A Business Process approach to Service Oriented Architecture in a tactical setting is a concept for scheduling and sharing limited resources. New components to military Service Oriented Architecture have been introduced in the thesis. Other results of the thesis include an investigation of the use of Free Space Optics in tactical communications, a proposal for tracking neutral forces, a system for upgrading simple collaboration tools for command, control and collaboration purposes, a three-level hierarchy of Future Force Warrior, and methods for reducing incidents of fratricide.

UAV:n käyttö operaation Iraqi Freedom aikana John Wardenin kehäteorian näkökulmasta

UAV:t (Unmanned Aerial Vehicle, miehittämätön ilma-alus) ovat maasta ohjattavia tiedustelu-, valvonta- ja pommikoneita. Vuonna 2003 alkanut operaatio Iraqi Freedom toimi erinomaisena testikenttänä Yhdysvaltojen miehittämättömille ilma-aluksille. Tutkielman näkökulma rakentuu yhdysvaltalaisen ilmasodankäynnin teoreetikon John Wardenin kehäteorian ympärille, jonka avulla pyritään havainnoimaan UAV:iden suorittamia lentotehtäviä operaation aikana. Tämä tutkielma on laadullinen eli kvalitatiivinen tutkimus. Tutkimusmenetelmänä käytetään tapaustutkimusta. Sen avulla pyritään löytämään selityksiä tutkittavalle ilmiölle arkistolähteistä sekä muusta kirjallisuudesta. John Wardenin kehäteoria koostuu viidestä sisäkkäin olevasta kehästä, jotka rakentuvat eriarvoisista kohteista. UAV:t suorittivat operaation aikana tiedustelu- ja pommituslentoja jokaisella kehällä. Pääpaino oli sisimmällä kehällä, jossa UAV:illa tiedusteltiin Irakin johtamisjärjestelmän kohteita sekä suoritettiin pommituksia tutkakeskuksiin. Omia joukkoja tuettiin UAV:iden avulla siten, että ne tiedustelivat kulkureittejä sekä paikansivat vihollisen tykistö- ja ilmatorjuntakeskittymiä. Havainnot kohteista lähetettiin miehitetyille pommikoneille, jotka suorittivat sitten vaaditut ilmaiskut. Miehittämättömät ilma-alukset kykenivät toimimaan operaation aikana kaikilla teoriamallin kehillä vihollisen ilmatorjunnasta huolimatta. UAV:iden tiedustelutietojen avulla iskettiin täsmällisesti Irakin avainkohteita vastaan. Iskut johtivat lopulta vihollisorganisaation toiminnan lamaantumiseen. UAV on erittäin tehokas ja käytännöllinen ilma-ase, jota tullaan käyttämään enenevässä määrin tulevaisuuden ilmasodankäynnissä.

Länsimaisten SAR/GMTI-tutkien suorituskyky

SAR/GMTI-tutka (Synthetic Aperture Radar/Ground Moving Target Indicator) tuottaa tiedustelutietoa johtamisen, tiedustelun, valvonnan ja maalinosoituksen tueksi. SAR/GMTI -tutka on luotettava tiedusteluväline tutkataajuusalueella tapahtuvan tiedustelutiedon tuottamisen ansiosta, jolloin tutkan käyttö ja tiedustelutiedon tuottaminen onnistuvat huonoissakin sääolosuhteissa. SAR/GMTI-tutkien käyttö on yleistynyt sotilaskäytössä viimeisen kahdenkymmenen vuoden aikana ja niillä on ollut suuri merkitys kaikissa suuremmissa konflikteissa kylmän sodan loppumisen jälkeen. SAR-tutka käyttää lavettina liikkuvaa alustaa, useimmiten lentokonetta, muodostaakseen virtuaalisen antenniryhmän ja signaaliprosessoinnin avulla, jolloin vastaanottimeen palautuvat kaiut sijoitetaan kohdilleen ja muodostetaan SAR-kuvaa. Tarkimmillaan nykyisten SARtutkien resoluutio on muutaman kymmenen senttimetrin luokkaa ja mittausetäisyydet suurimmillaan satoja kilometrejä. GMTI-tutka havaitsee liikkuvat kohteet, kun liikkuvista kohteista palautuvat kaiuilla on eri taajuus kuin ympäröivästä maastosta palautuvilla kaiuilla ja kohteet pystytään erottelemaan välkkeen seasta. GMTI-tutkan toiminta perustuu doppler-ilmiöön. SAR-tutkaa pystytään useimmiten käyttämään GMTI-moodissa. Sotilaskäytössä olevat GMTI-tutkat pystyvät havaitsemaan keskimäärin noin henkilöauton kokoisen maalin, joka liikkuu noin 5 km/h nopeudella. SAR/GMTI-tutkia on käytetty menestyksellisesti molemmissa Irakin sodissa Yhdysvaltojen toimesta, kun tasainen aavikko ei aiheuttanut juurikaan ongelmia alueen valvontaan ilmasta käsin. Sen sijaan haasteita SAR/GMTI-tutkille ovat aiheuttaneet operaatiot Balkanilla ja Afganistanissa korkean vuoriston, peitteisen maaston ja kohteiden hankalan tunnistettavuuden takia. Suoraan taistelun tukemiseen liittyen GMTI-tutkat ovat olleet hyödyllisiä, kun valvontakoneilta saadut tiedot liikkuvista vihollisosastoista on voitu lähettää datalinkkien kautta lähestulkoon reaaliajassa. SAR-tutkat ovat olleet hyödyllisiä ennen taisteluiden alkua tiedustelutiedon keräämisessä ja vaikeakulkuisessa maastossa SAR-tutkia on käytetty esimerkiksi taisteluvaikutuksen jälkiarviointiin. SAR/GMTI-tutkien suorituskyky kehittyy jatkuvasti laitteiden resoluution ja koon pienentyessä. Datalinkeillä voidaan välittää tietoa alajohtoportaille ja SAR/GMTI-tutkia on voitu sijoittaa esimerkiksi UAV-lennokkeihin (Unmanned Aerial Vehicle), joilla on voitu suorittaa tarkempaa aluevalvontaa kuin mitä isomman kokoluokan valvontakoneilla voitaisiin toteuttaa.

Remote sensing for three-dimensional modelling of hydromorphology

Successful management of rivers requires an understanding of the fluvial processes that govern them. This, in turn cannot be achieved without a means of quantifying their geomorphology and hydrology and the spatio-temporal interactions between them, that is, their hydromorphology. For a long time, it has been laborious and time-consuming to measure river topography, especially in the submerged part of the channel. The measurement of the flow field has been challenging as well, and hence, such measurements have long been sparse in natural environments. Technological advancements in the field of remote sensing in the recent years have opened up new possibilities for capturing synoptic information on river environments. This thesis presents new developments in fluvial remote sensing of both topography and water flow. A set of close-range remote sensing methods is employed to eventually construct a high-resolution unified empirical hydromorphological model, that is, river channel and floodplain topography and three-dimensional areal flow field. Empirical as well as hydraulic theory-based optical remote sensing methods are tested and evaluated using normal colour aerial photographs and sonar calibration and reference measurements on a rocky-bed sub-Arctic river. The empirical optical bathymetry model is developed further by the introduction of a deep-water radiance parameter estimation algorithm that extends the field of application of the model to shallow streams. The effect of this parameter on the model is also assessed in a study of a sandy-bed sub-Arctic river using close-range high-resolution aerial photography, presenting one of the first examples of fluvial bathymetry modelling from unmanned aerial vehicles (UAV). Further close-range remote sensing methods are added to complete the topography integrating the river bed with the floodplain to create a seamless high-resolution topography. Boat- cart- and backpack-based mobile laser scanning (MLS) are used to measure the topography of the dry part of the channel at a high resolution and accuracy. Multitemporal MLS is evaluated along with UAV-based photogrammetry against terrestrial laser scanning reference data and merged with UAV-based bathymetry to create a two-year series of seamless digital terrain models. These allow the evaluation of the methodology for conducting high-resolution change analysis of the entire channel. The remote sensing based model of hydromorphology is completed by a new methodology for mapping the flow field in 3D. An acoustic Doppler current profiler (ADCP) is deployed on a remote-controlled boat with a survey-grade global navigation satellite system (GNSS) receiver, allowing the positioning of the areally sampled 3D flow vectors in 3D space as a point cloud and its interpolation into a 3D matrix allows a quantitative volumetric flow analysis. Multitemporal areal 3D flow field data show the evolution of the flow field during a snow-melt flood event. The combination of the underwater and dry topography with the flow field yields a compete model of river hydromorphology at the reach scale.

UAV:n soveltuvuus CAS-toimintaan

Tutkimuksen tavoitteena on selvittää, miten monikäyttöinen UAV (Unmanned Aerial Vehicle) soveltuisi CAS-tehtäviin. UAV-laitteita käytetään moniin eri tehtäviin niin siviili- kuin sotilasmaailmassakin, ja niiden kehittämiseen käytetään maailmanlaajuisesti vuosi vuodelta enemmän resursseja. Kokemusta niiden käytöstä teknisesti yhtä vahvaa vihollista vastaan ei juurikaan ole, minkä vuoksi tässä tutkimuksessa painotetaan toimimista vihollisen maajoukkojen välittömässä läheisyydessä ja lähdetään siitä oletuksesta, että vihollisella on liikkuvaa ilmatorjuntaa mukana. Tämä on ratkaiseva ero UAV:eiden tähänastiseen ilmasta maahan -vaikuttamiseen nähden. Tutkimusta varten on kerätty julkisista lähteistä tietoa nykyaikaisten järjestelmien ominai-suuksista ja suorituskyvystä, minkä jälkeen niitä on tarkasteltu yleisten taktisten periaatteiden näkökulmasta. Yleisiin taktisiin periaatteisiin liittyvä teoria perustuu Mika Huttusen kirjoittamaan MPKK:n Taktiikan laitoksen julkaisuun Monimutkainen taktiikka. Eri järjestelmien ominaisuuksia tarkastelemalla on selvitetty, onko jollain niistä kannattavaa tai edes mahdollista toteuttaa tutkitun kaltaista tehtävää. Tutkimuksessa havaittiin, että ainakin esimerkkijärjestelmissä on muutamia puutteita, joiden vuoksi ne eivät ole tällä hetkellä järkeviä vaihtoehtoja CAS-toimintaan. Tulevaisuudessa tekniikan kehittyessä on kuitenkin täysin mahdollista, että perinteisen maataistelukoneen sijasta UAV:ta aletaan hyödyntää lähitulituen antamisessa.