Essaims de drones : une technologie révolutionnaire pour les applications de défense

Résumé :Swarming est une technologie révolutionnaire qui implique le déploiement collaboratif de plusieurs systèmes sans pilote dans plusieurs domaines (terre, mer, air, espace). Les développements dans les nouvelles technologies de microélectronique, de guidage, de navigation, de capteurs et d’intelligence artificielle permettent aux microdrones à faible coût d’effectuer des missions difficiles. Lorsqu’ils sont combinés à de nouveaux processus de prise de décision, au suivi des cibles, aux technologies de communication et aux algorithmes, les essaims peuvent avoir un impact énorme sur le champ de bataille. Il peut également être utilisé pour fournir des capacités de surveillance continues et indétectables ainsi que des capacités de défense critiques, telles que l’interception de missiles de croisière. Cet article décrit les activités de recherche européennes dans le domaine de l’essaimage et approfondit les implications importantes qu’elles peuvent avoir pour la défense.

Mots clés : drone, capacités autonomes, suivi de cible, guidage et contrôle, fusion de capteurs

1. Aperçu

Les essaims d'UAV sont composés d'une variété d'équipements sans pilote différents. Ils ont des capacités de prise de décision, de suivi de cibles, de guidage et de contrôle, de fusion de capteurs et de commande, et peuvent fonctionner comme un groupe de « systèmes » autonomes intelligents. Chaque capacité du système de colonie d'abeilles peut également fonctionner indépendamment en tant que système autonome intelligent et indépendant

Concevoir des drones dotés de l'intelligence et des capacités autonomes nécessaires en tirant parti des développements dans les domaines des équipements sans pilote, de l'intelligence artificielle (IA), des communications, du guidage et du contrôle, de la fusion de capteurs, de l'aérospatiale et de la gestion du trafic sans pilote (UTM). Ces drones peuvent voler de manière coordonnée comme un essaim d'abeilles ou une volée d'oiseaux. De tels essaims de drones pourraient apporter des capacités révolutionnaires aux entreprises de défense combinant technologies numériques et intelligentes. Les essaims de drones peuvent également aider l’Europe à renforcer ses capacités de sécurité et avoir un impact perturbateur sur d’autres domaines tels que les transports urbains, la gestion du trafic sans pilote, la conduite autonome et les équipements sans pilote

En termes de défense nationale, l'utilisation de drones peut réduire considérablement le risque que les combattants soient exposés à des environnements dangereux. Les drones sont capables d’effectuer des tâches ennuyeuses et laborieuses telles que la surveillance continue de vastes zones (par exemple la mer Méditerranée, les frontières européennes). Dans les futurs scénarios militaires, les drones pourront également être utilisés pour confondre et submerger les adversaires. La figure 1 illustre le concept d'essaim de drones multidomaine pour la protection et la surveillance d'actifs de grande valeur tels que des camps ou des installations militaires, développé en 2016 dans le cadre du projet pilote de l'Agence européenne de défense « European Swarm » (EUROSWARM) initialement proposé.

Figure 1 : Concept d'essaim de drones multi-domaines

2. Technologie des colonies d'abeilles

Un essaim de drones est constitué d'un groupe de drones autonomes ou semi-autonomes. Les drones de l'essaim peuvent coopérer entre eux pour atteindre un objectif commun. Les essaims de drones peuvent être utilisés pour diverses missions militaires telles que des opérations de reconnaissance, de surveillance et de frappe. Lorsqu’il s’agit de concevoir des essaims de drones, les applications militaires doivent prendre en compte les quatre modules technologiques principaux suivants. Des capacités de détection aux protocoles de communication et au routage des essaims, chaque module est important pour les performances et la stabilité des essaims de drones.

1. Capacité de perception : La capacité de perception est cruciale pour les essaims de drones. Cette capacité permet à l’essaim de détecter et de comprendre son environnement, de détecter les obstacles, d’identifier les cibles et de maintenir une conscience de la situation. Des capacités de détection efficaces permettent aux colonies d’abeilles de travailler dans des environnements dynamiques complexes et d’effectuer efficacement diverses tâches complexes. Les technologies d’apprentissage automatique et d’intelligence artificielle peuvent améliorer les capacités de perception. Les essaims peuvent atteindre une connaissance de la situation sans précédent grâce à la fusion de capteurs.

2. Répartition des tâches et prise de décision : La répartition des tâches et la prise de décision indépendante sont cruciales pour les essaims de drones. Une répartition efficace des tâches garantit que chaque drone se voit attribuer une mission correspondant à ses capacités, optimisant ainsi l'utilisation des ressources disponibles. En cas de dysfonctionnement d'un ou plusieurs drones, l'essaim peut automatiquement combler le vide, et l'attribution des tâches contribue à la diffusion rapide des décisions, permettant à l'essaim de s'adapter rapidement aux environnements changeants. La répartition des tâches contribue également à améliorer l’adaptabilité, l’évolutivité et à accélérer la prise de décision, rendant les essaims plus efficaces dans des environnements dynamiques et incertains. Grâce à un échange de données transparent entre les drones au sein de l'essaim, celui-ci est capable de prendre de meilleures décisions, ce qui améliore l'utilisation efficace des ressources, la stabilité, la tolérance aux pannes, l'adaptabilité et l'évolutivité.

3. Planification de trajectoire et évitement des collisions : Les essaims de drones sont généralement constitués d'un grand nombre de drones. Afin de parvenir à un fonctionnement efficace et sûr des essaims de drones, les méthodes de planification de trajectoire et d’évitement des collisions sont cruciales. L’essentiel de la planification de la trajectoire d’un essaim est de trouver le meilleur chemin pour que chaque drone atteigne sa destination tout en évitant les obstacles et en minimisant le temps et l’énergie nécessaires. L'évitement des collisions garantit que les drones n'entreront pas en collision, permettant à chaque drone de mener à bien sa mission. Par exemple, dans les missions de surveillance, la planification de la trajectoire peut optimiser la route d'action du drone afin de minimiser les zones de chevauchement et d'augmenter la couverture. Actuellement, il existe diverses techniques pour réaliser la planification de trajectoire et éviter les collisions, notamment des méthodes centralisées et des méthodes décentralisées. L'approche centralisée implique la planification de drones individuels et la coordination des trajectoires de tous les drones de l'essaim. L'approche décentralisée implique que chaque drone prenne ses propres décisions de planification de trajectoire sur la base des informations locales.

4. Communication : Un essaim fonctionne de manière optimale lorsque la communication entre les drones au sein de l'essaim reste ouverte et sans délai. Grâce à la fusion de capteurs, les essaims peuvent fournir des informations avec une grande certitude et une haute résolution. Des protocoles de communication efficaces permettent aux drones de partager des informations telles que l'emplacement, le statut et les attributions de tâches, tandis que le routage est chargé de trouver le meilleur chemin pour la diffusion des informations entre les drones. Cela permet aux essaims de travailler ensemble, de coordonner leurs actions et de partager des informations en temps réel. Actuellement, diverses technologies peuvent mettre en œuvre des protocoles de communication et du routage, telles que la technologie de réseau ad hoc, la technologie de réseau maillé et la technologie de routage multi-sauts. Les réseaux ad hoc permettent aux drones de communiquer directement entre eux sans avoir besoin d'infrastructure fixe. Les réseaux maillés, quant à eux, utilisent des drones pour former un réseau avec des chemins de communication redondants. Le routage multi-sauts peut réaliser la transmission par relais d'informations entre les drones, permettant ainsi une communication sur de plus longues distances.

Le protocole de communication de l'essaim de drones peut être ajusté en fonction des exigences de la mission et des caractéristiques de l'essaim pour réaliser un échange d'informations. Actuellement, il existe trois approches architecturales principales pour la conception d’essaims de drones militaires :

1. Architecture centralisée : Dans cette approche, les opérations de tous les drones au sein de l'essaim sont coordonnées par une entité de contrôle centrale, telle qu'une station de contrôle au sol. L'entité de contrôle centrale est capable de communiquer avec l'essaim et de collecter des données, de traiter les données et de prendre des décisions. Cette méthode convient aux petites colonies et aux tâches simples.

2. Architecture décentralisée : Dans cette approche, il n'y a pas d'entité de contrôle centrale et chaque drone de l'essaim est capable de fonctionner de manière indépendante, de prendre des décisions basées sur des informations locales et de communiquer avec d'autres drones. Cette approche convient aux missions d’essaimage à grande échelle et à d’autres tâches très complexes.

3.Architecture hybride :Cette approche combine les avantages des architectures centralisées et décentralisées. Dans cette approche, il existe une entité de contrôle centrale qui assure la navigation de haut niveau des drones, tandis que chaque drone est doté de capacités de décision autonomes.

Les essaims de drones sont largement utilisés dans le domaine militaire et peuvent effectuer diverses tâches. Voici quelques exemples clés de types d’opérations d’essaim autonomes :

1. Couverture de zone : Dans les opérations de couverture de zone, la tâche de l'essaim est de scanner une zone spécifique à l'aide de capteurs équipés de drones. Dans la plupart des cas, la couverture idéale de la zone est de 100 % et le drone doit scanner complètement la zone. Couvrir une zone avec plusieurs drones peut rencontrer certains problèmes, et les méthodes courantes pour résoudre ces problèmes incluent l'utilisation de techniques de décomposition pour diviser la zone ciblée en un ensemble de sous-zones et le déploiement d'un drone dans chaque sous-zone. Pour les essaims contenant différents types de drones, la portée du capteur, la maniabilité des drones et la portée doivent être prises en compte lors du processus de décomposition de zone pour améliorer l'efficacité du système. Une fois que chaque drone se voit attribuer une sous-zone, ces drones doivent planifier indépendamment leurs trajectoires dans leurs zones respectives. Les méthodes de planification des chemins de couverture incluent la couverture de zone 2D, 3D et multi-drones.

2. Couverture de zone complète et soutenue : Une couverture de zone complète et soutenue nécessite le déploiement d'essaims de drones et leur capacité à fournir une couverture de capteurs dans toute une zone donnée tout au long de la mission. Les drones au sein de l’essaim devraient former une formation basée sur l’emplacement de leurs capteurs et d’éventuelles caractéristiques environnementales (telles que des obstacles ou des zones d’occlusion). Les drones au sein de l’essaim sont déployés de manière statique ou dynamique à mesure que les caractéristiques régionales ou les zones de surveillance évoluent au fil du temps. L’objectif principal est de concevoir un modèle de formation permettant d’obtenir une couverture statique complète avec un nombre minimum de drones.

3. Recherche de zone : Dans les opérations de recherche de zone, la tâche de l'essaim de drones est généralement de rechercher des cibles spécifiques dans des zones clés. Dans cette opération, une couverture complète de la zone n’est pas requise. L'essaim doit identifier les cibles dans la zone dans les plus brefs délais. Les drones de l’essaim doivent coopérer tout au long de la mission et utiliseront des techniques de prise de décision et de planification de trajectoire en ligne pour améliorer les performances du système en fonction de leur propre perception de l’environnement et du comportement des autres drones. Un algorithme de recherche de zone d'essaim peut être utilisé pour prédire la probabilité d'une distribution cible. Les algorithmes d’essaims bioniques ont également suscité un intérêt scientifique pour les opérations de recherche de zone.

4. Surveillance de zone : L'opération de surveillance de zone nécessite que l'essaim surveille en permanence une zone spécifique. La surveillance de zone est généralement utilisée pour les patrouilles, la surveillance, la détection de menaces émergentes ou dynamiques et la sécurité des frontières. Cette action vise à minimiser le temps entre deux longues périodes de surveillance.

5. Suivi de cible : Les opérations ordinaires de suivi de cible impliquent une cible et un drone. La portée de suivi du drone est basée sur une planification de trajectoire en ligne basée sur les données de ses capteurs et les estimations de l'emplacement de la cible et, dans certains cas, du comportement prévu ou de l'emplacement futur de la cible. Le drone doit naviguer seul pour toujours suivre sa cible. Avec l’introduction des capacités en essaim, les tâches de suivi de cibles peuvent être effectuées par plusieurs drones capables de suivre une ou plusieurs cibles.

La conception d'essaims de drones militaires nécessite une prise en compte approfondie de plusieurs facteurs, notamment les exigences de la mission, la taille de l'essaim, les capacités de communication et les ressources informatiques

3. Candidature au projet de colonie d'abeilles

1. Système de drone à faible observabilité - "LOTUS"

Le projet « Lotus » est un projet du Programme européen de développement industriel de défense (EDIDP) composé de 9 entreprises de Grèce et de Chypre et de 2 autres entreprises d'Espagne et des Pays-Bas. Le projet, porté par Intracom Defence, a été lancé en décembre 2020 et durera 45 mois. L'équipe du projet Lotus a conçu un système aérien sans pilote avancé pour les missions tactiques de reconnaissance aérienne et de surveillance. Le drone possède plusieurs caractéristiques clés, notamment des capacités furtives, des capacités de combat à distance, une navigabilité, une interopérabilité basée sur les normes de l'OTAN et des communications fiables prenant en compte la sécurité des réseaux. De plus, le système utilise largement la technologie de l’intelligence artificielle pour garantir qu’il peut effectuer avec précision des tâches complexes. Le vaisseau mère UAV conçu par l'équipe du projet est équipé de plusieurs capteurs infrarouges, a une faible observabilité et une longue endurance, et est également équipé d'un système d'autodéfense pour faire face aux menaces ennemies. Le porte-UAV peut déployer quatre drones à ailes repliables lancés par tube dotés de capacités autonomes avancées et capables d'effectuer des missions ISR complexes. Le vaisseau-mère drone et les drones forment ensemble un puissant essaim de drones, qui peut permettre une collaboration sans délai et fournir des renseignements et des données de surveillance critiques aux décideurs sur place. Sur la figure 2, les tâches de renseignement (à gauche) et la couverture collaborative (à droite) des cibles au sol sont effectuées via un algorithme en essaim développé à l'Université de Patras.

Figure 2 : Exemple d'action d'essaim de drones dans le projet « Lotus »

2. Essaim de drones autonome et reconfigurable pour les applications de défense - "ACHILLES". Contenu réécrit : ACHILLES est un essaim de drones autonome et reconfigurable pour les applications de défense

Le Projet "Achilles" est un projet de l'Agence européenne de défense réalisé en collaboration entre des entreprises et des universités grecques et allemandes. Le projet a été lancé en janvier 2023 et est dirigé par l'Université de Patras. Les entreprises et écoles participant au projet comprennent ATOS, DroniQ, Scytalvs, Intracom Defence, l'Université de Patras, l'Université des sciences appliquées d'Ingolstadt et l'Université d'Athènes. Ce projet vise à promouvoir le développement et l'utilisation d'essaims de drones dans le secteur de la défense en augmentant le TRL des essaims de drones autonomes et reconfigurables pour des missions de défense spécifiques, et à démontrer des essaims de drones pour des capacités de surveillance continue et des niveaux de préparation au combat. L’équipe du projet a découvert une variété d’avantages et d’applications potentielles pour les essaims de drones et s’en est inspirée pour promouvoir le projet Achilles. Les progrès technologiques récents permettent aux drones d’acquérir automatiquement des données critiques pour améliorer la connaissance de la situation. Les essaims de drones évolutifs, autonomes et reconfigurables disposent de capacités de coordination régionale très efficaces et d’une forte adaptabilité à divers événements. Les résultats et innovations du projet devraient inclure de nouvelles capacités et méthodes d’essaimage de drones pour permettre l’intégration sûre et efficace des drones dans l’espace aérien militaire et civil. Ces capacités soutiendront la maturation et la validation des systèmes et technologies basés sur des essaims de drones.

3. Opérations d'escorte de systèmes avec et sans pilote - Projet "COMMANDS" Contenu réécrit : 3. Opérations d'escorte de système avec et sans pilote - "COMMANDES"

Le projet "Command" est un projet du Fonds Européen de Défense (FED) avec la participation de 21 entreprises de 10 pays. Lancé en décembre 2022, le projet triennal est dirigé par Sener Aerospace et soutenu par les ministères de la défense de sept pays. Les ministères de la défense de ces pays fournissent également au projet les exigences de base pour le développement du projet. L’objectif du projet est de développer des capacités de cycle de vie de systèmes (TLC) agiles, intelligentes et collaboratives, avec et sans pilote. Le projet comprendra plusieurs systèmes modulaires qui permettent des capacités d'essaimage grâce à des services fonctionnels et un échange de données transparents. Le système sera composé de véhicules terrestres et de drones avec et sans pilote. Pour réduire les risques du projet, le projet utilise une variété de technologies pour développer une feuille de route de développement durable du TLC de défense de l'UE. À terme, le projet permettra de moderniser les véhicules terrestres existants et d'être intégré aux futurs véhicules. Le projet prévoit de valider la technologie à travers des démonstrateurs technologiques, qui seront réalisés dans des laboratoires et des démonstrateurs mobiles dans des scénarios réels, en mettant l'accent sur la fourniture d'escortes armées pour les convois effectuant le ravitaillement du « dernier kilomètre »

4.Influence

La technologie Swarm permet à un grand nombre de drones d'être hautement interconnectés, de planifier et d'attribuer efficacement des objectifs de mission, de prendre des décisions tactiques coordonnées et de répondre de manière collaborative à des environnements dynamiques avec une supervision minimale tout en faisant des recommandations aux opérateurs. À mesure que la technologie des essaims mûrit, ses applications dans le domaine militaire se développent également. Beaucoup pensent que le développement des essaims peut être comparé au développement d’armes de précision. Les armes équipées de précision ont été testées et perfectionnées dans les années 1970 et 1980, mais n’ont fait leur apparition qu’à la suite de la première guerre du Golfe, au début des années 1990. L’utilisation d’essaims pourrait rendre obsolètes les systèmes de défense habités actuellement utilisés pour les missions de surveillance et de frappe à basse et moyenne altitude. Dans les décennies à venir, les équipements sans pilote télécommandés tels que les drones deviendront obsolètes, car les systèmes aériens sans pilote dans les airs, au sol et en mer pourront déployer plusieurs drones pour combattre en essaims. Cela élargit la portée de combat et la portée de surveillance. , et améliore les capacités ISTAR et les capacités d'attaque du drone pour effectuer diverses missions.

5.Résumé

Les ministères multinationaux de la Défense de l’OTAN ont annoncé leur intention d’intégrer la technologie des essaims aux systèmes d’armes existants, tels que les avions de combat F-35, les avions de combat British Storm de nouvelle génération et les avions/systèmes aériens sans pilote FCAS. Il est clair que la technologie des essaims est intégrée aux capacités militaires du monde entier et commence à avoir un impact sur les capacités de défense des pays. Les essaims constituent une technologie militaire clé qui facilitera directement le développement de multiples domaines technologiques. Par exemple, cette technologie peut optimiser la technologie d’intelligence artificielle des essaims embarqués et des systèmes autonomes, améliorant ainsi efficacement la sécurité, l’efficience et l’efficacité des opérations collaboratives des systèmes de défense opérant dans des environnements non structurés, en évolution rapide, restreints et conflictuels. Comme on l’a vu dans la guerre entre la Russie et l’Ukraine et dans les conflits au Moyen-Orient, la technologie des essaims transforme la guerre grâce à l’utilisation d’essaims de drones et de munitions errantes. Le développement de systèmes en essaim autonomes est donc vital pour la défense, la sécurité et la prospérité de l’Europe.

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