dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

В The Register пишут про не самый обычный прототип высокоскоростного (5.2 Gbps) канала связи, который японская корпорация Kyocera устроила на основе лазера. Якобы, схема подходит для подводной связи. Конечно, если бы было так, да без очевидных ограничений, то это оказалось бы прорывной технологией. К сожалению, прототип работает лишь на дистанции около метра, а тот вариант, который показали журналистам, ещё и через специально очищенную воду, без учёта возможных “турбулентностей” (ну, как говорится, это “такие себе” ограничения – пока что они сводят возможный практический эффект примерно к нулю).

Не сказать, что подобная высокоскоростная схема, начни она работать даже и на полтора метра, но через реальную морскую воду в море-океане, – совсем бесполезна. Нет. Можно использовать для того, чтобы очень быстро передать накопленные данные (видеозаписи, например) с подводного дрона, который подошёл к подводному узлу связи, установленному на дне (ну или это может быть плавучий буй, с тем же, в общем-то, эффектом). Всё же, возможность локально передать большой массив информации без необходимости кабельной стыковки – это полезно. Но, конечно, без увеличения дистанции – технология получается очень специализированная, не решающая основной проблемы связи с подводными аппаратами.

В DARPA, кстати, некоторое время назад запускали программу, в которой высокоскоростной канал связи реализуется при помощи плавучего оптического кабеля.

В публикации на Ars Technica сокрушаются, что Китай, мол, начал интенсивно выводить на околоземную орбиту спутники своей новой сети. И сеть эта – “не просто другая версия Starlink”, но имеет потенциальные приложения для наблюдения за целями на земле и в воздухе, а вот в Штатах всё ещё не готова военная низкорбитальная сеть нового поколения (MILNET), да аналогичного назначения (которое, в отличие от китайской системы, тут прямо декларируется через СМИ).

Вообще, немного странно с уверенностью утверждать, что китайская сеть – это “не версия Starlink”. Возможно, это не версия официального описания предназначения Starlink – типа, спутниковая система только для цифровой связи, для доступа к Интернету. Но кто сказал, что Starlink так же не имеет “дополнительных функций”? Никто не сказал. Зато говорили прямо обратное: и про технологическую ветку Starshield и про то, что SpaceX выводит системы, действующие в интересах NRO (это штатовское агентство технической, – в основном, космической, – разведки). Так что Starlink вполне себе может быть сильно впереди по секретным составляющим. Такой вариант, кстати, неплохо объясняет и то, почему в Штатах переносят сроки развёртывания новых слоёв систем мониторинга на базе сетей спутников – они уже есть, но на другой базе. Заметьте, что потребителям “специальных данных” даже не обязательно знать, что их приносит сеть Starlink (в том числе, наземные терминалы).

Да, орбитальные сети из тысяч спутников – это принципиально новая платформа. Например, я недавно писал про изменение возможностей наблюдения:

Низкоорбитальная спутниковая сеть связи позволяет транслировать потоки информации по кратчайшёму пути. Если один из спутников осуществляет разведку, – например, при помощи телескопа, – то получаемое изображение можно транслировать потребителям прямо через спутники сети, минуя какой бы то ни было наземный центр управления. Если бы центр управления требовался, то время доставки было бы больше, кроме того, передача данных занимала бы каналы именно к центру управления, и потребителям информации пришлось бы конкурировать, получая слоты по времени передачи.

Сравните, кстати, с первыми разведывательными спутниками, которые, например, принимаемые радиосигналы писали на магнитный носитель, а потом проигрывали запись в сторону наземной станции, пролетая над территорией, где эта станция установлена. А то и сбрасывали кассеты с записью, да так, чтобы подобраны они могли быть только своими службами.

Занятная схема “навязанной” mesh-геолокации: представьте, что устройства-наблюдатели (смартфоны, скорее всего) просто периодически записывают все доступные им в радиоэфире сигналы, вычисляют для каждого короткий идентификатор (“хеш-сумму”, полученную по особому алгоритму сжатия, учитывающему физические характеристики сигнала – это важно, см. ниже), прикрепляют метку времени, накапливают эти идентификаторы, а накопленное выдают в эфир заранее согласованным способом, тоже периодически, но относительно редко, если сранивать с прослушиванием. Например, запись – десять раз в секунду, выдача – один раз в секунду. Заметьте, что тут нигде не требовалось, чтобы устройства приписывали геолокацию к записанным идентификаторам – это как раз не обязательно.

Слушать эфир можно как каким-то одним из имеющихся радиотрактов (WiFi, Bluetooth/BLE, GNSS, GSM и т.д.) или всеми сразу. Современные радиомодули очень чувствительные и избирательные. Если использовать непосредственно функции прошивки радиомодуля, то, вообще говоря, принимать можно далеко не только “логический WiFi”, но и разнообразные другие сигналы, в том числе, сигналы радаров, спутниковых передачиков (подтверждается Starlink) и т.д., и т.п. Да, приниматься могут быть гармоники побочных утечек, но для данной задачи это не важно. Если сомневаетесь, то вспомните историю появления такого направления, как RTL-SDR – там аппаратной основной вообще послужил бюджетный ТВ-тюнер. (Замечу, в скобках, что даже если в пользовательском интерфейсе смартфона указано, что соответствующие радиомодули “отключены”, это не означает, что они реально отключены – реально отключить можно было бы только в специальной архитектуре, аппаратной кнопкой, но таким практически никто не пользуется, да и кнопка не даёт полной гарантии.)

Устройства-наблюдатели по данной теме больше ничего не делают, поэтому их активность снаружи выглядит вполне себе обычно (это, собственно, просто логика протоколов класса LTE). Однако собранные сведения из эфира принимает какое-нибудь внешнее устройство-монитор, специально предназначенное для этого. Принимает тогда, когда удалось что-то принять. Монитором может быть и другой, скомпрометированный, смартфон, и штатно подготовленный приёмник “базовой станции” с нужной прошивкой – не так важно, но возможности, конечно, различаются. Монитор знает собственное местоположение, может знать направление, с которого получен очередной блок данных (это больше относится к “базовым станциям”). Полученные от наблюдателей данные монитор передаёт на удалённый центральный сервер. Этот сервер агрегирует данные от многих мониторов.

Теперь на сервере, зная возможности приёма и принципы распространения радиоволн, можно вычислять где какие метки в эфире были видны – то есть, выполнять геолокацию идентификаторов. Устройства-наблюдатели ведь будут видеть и друг друга, и базовые станции сетей мобильной связи. Сопоставляя данные от разных мониторов, географические координаты которых известны точно, получится определить, где находились и устройства-наблюдатели, и источники радиосигналов, которые эти наблюдатели обнаружили в эфире. Метод основан на переборе конфигураций, в которых многие наблюдатели могли принимать одни и те же сигналы, чтобы в итоге получилась такая же картина, как та, что поступила с нескольких мониторов.

Да, такая задача сопоставления меток времени и возможностей приёма – вычислительно сложная, но и компьютеры сейчас мощные. Алгоритмы вычисления идентификаторов сигналов (специализированные “хеш-функции”, упомянутые в самом начале) должны быть так устроены, чтобы близкие по физическим характеристикам радиосигналы получали близкие по значению идентификаторы. Это и позволит найти следы одного и того же источника в массивах идентификаторов, полученных от разных мониторов. Результат не самый точный, но, во-первых, чем больше источников данных, тем выше точность; во-вторых, других вариантов сбора данных может и не быть, однако если они есть, то накопленный по описанной схеме массив идентификаторов позволяет эти другие данные подтвердить или опровергнуть с очень высокой степенью достоверности.

Теперь представьте, что в схеме участвует спутниковая группировка на низкой орбите, которая может принимать сигналы смартфонов, находящихся на земле. Конечно, не только принимать, но и выдавать синхроимпульсы, которые уже примут устройства-наблюдатели, чтобы вернуть через мониторы обратно, на обработку. Тут спектр возможностей становится удивительно широким.

Сети спутников связи, работающие на низкой орбите, как Starlink, имеют немало преимуществ, которые свойственны именно сетям. Понятно, даже одиночный аппарат, но на низкой орбите, это уже снижение задержки сигнала, так как аппарат может быть очень близко. Очевидный факт. Но ничуть не менее очевидно, что если такой аппарат один, то, практически, он всегда будет очень далеко, если смотреть из любой точки на земле: спутник быстро движется по орбите, и даже если непосредственно над точкой оказывается, то на очень недолгое время. А потом и вовсе уходит за горизонт. Поэтому одиночные спутники связи и развешивают на геостационарной орбите, которая очень высокая – почти 36 тыс. километров. Даже если удалось удачно расположить приёмник на земле ии поймать такой спутник в луч антенны, задержка (“пинг”) будет долгой: сигналу только лететь больше 230 мс, если в обе стороны. А на низкой орбите – нужны сети спутников.

Представьте, что наземный терминал работает на какой-то очень подвижной технике. Если это устаревшая система с геостационарным спутником и тарелкой-рефлектором на земле, то тарелку нужно как-то удерживать наведённой на спутник. Если носитель тарелки быстро перемещается, – едет по склонам и кочкам, предположим, – то нужна быстрая стабилизирующая платформа для антенны. А тут ещё и до спутника далеко, то есть, затухание само по себе сильное, поэтому каждая небольшая ошибка стабилизатора антенны существенно ухудшает доступный уровень сигнала.

Если же у нас и несколько близких спутников всегда в поле зрения, и используется суперсовременная фазированная антенная решётка с электронным управлением лучами, то задача стабилизации совсем другая: электронный переброс лучей выполняется несравнимо быстрее, да и направлений для их переброса всегда несколько, так как несколько спутников. В общем, механическое сканирование для стабилизации сигнала вообще может и не требоваться. Это как раз вариант для Starlink. Точнее, для Starshield – для военной ветки данной системы, которая разрабатывается и работает для SDA (Space Development Agency).

Другой момент. Низкоорбитальная спутниковая сеть связи позволяет транслировать потоки информации по кратчайшёму пути. Если один из спутников осуществляет разведку, – например, при помощи телескопа, – то получаемое изображение можно транслировать потребителям прямо через спутники сети, минуя какой бы то ни было наземный центр управления. Если бы центр управления требовался, то время доставки было бы больше, кроме того, передача данных занимала бы каналы именно к центру управления, и потребителям информации пришлось бы конкурировать, получая слоты по времени передачи.

Сетевая, распределённая архитектура лишена этих недостатков. Тут получается онлайн-доступ к спутниковой разведке, технология, которую раньше описывали в фантастических произведениях: видеопоток с орбитального телескопа, направленного в нужную точку поверхности Земли, поступает в режиме реального времени (ну, хорошо, что-то близкое к этому). То есть, технически, это вариант IP-сети, но на орбите – динамические маршруты передачи данных выстраиваются близкие к оптимальным, а информационный канал, – сокет, – создаётся сразу между сервером-телескопом и клиентами – то есть, наземными терминалами. Это весьма важно для автоматических систем наведения, где каждая миллисекунда задержки играет существенную роль. Вместо телескопа, работающего в видимом диапазоне, может быть спутниковый радар, с синтезированием апертуры. Да, в этом случае видеопотока не будет, но синтезировать можно на интервале в несколько секунд, и тут же отправлять готовый результат заказчику: с низкой орбиты так можно эффективно наблюдать даже небольшие ракеты.

Утечки по побочным каналам (ПЭМИН) возможны разные. Предположим, что есть некоторая портативная радиостанция (рация), которая штатно использует защищённый радиопротокол. Что-нибудь типа P25 – это тут не так важно, главное, чтобы использовался цифровой сигнал, а полезная информация передавалась в зашифрованном виде.

Внутри радиостанции – много достаточно сложной электроники. Но можно представить, что аналоговый сигнал, воспринимаемый микрофоном, даёт некоторую наводку в радиопередающем тракте. То есть, по условию задачи, сам основной радиосигнал – цифровой. Однако цифровой сигнал должен передаваться при помощи модулирования вполне себе аналоговых электромагнитных несущих сигналов. Соответственно, электрический сигнал микрофона, из-за несовершенства схем, может портить и модуляцию, и характеристики несущих, наводя “эхо”, которое коррелирует с открытым аналоговым акустическим сигналом на входе. Это могут быть и дополнительные гармоники, могут быть как бы посторонние “сверчки” – главное, чтобы канал утечки возник.

Получается, что формально передаётся цифровой зашифрованный сигнал, но тонкая обработка этого сигнала специальным приёмником позволяет извлечь наведённое “эхо”, прочитав исходную речь в открытом виде. Соответственно, схемотехника должна предусматривать защиту от такой утечки. Само по себе “внедрение AES” и прочие “цифровые решения” по защите – тут никак не помогут, а вот поспособствовать росту качества канала утечки – могут: дополнительная сложность модуляции расширяет и “бюджет” канала утечки тоже.

Можно придумать и более хитрую схему, дважды “цифровую”. Алгоритмы шифрования внутри радиостанции реализует некоторый микропроцессор (микроконтроллер), который тактируется собственным генератором частоты. Таковая частота, модулированная переключениями вычислителей внутри микропроцессора, может “протекать” в радиопередающий тракт, либо из-за схемотехнического дефекта, либо это так и задумано, поскольку образует аппаратную “недокументированную возможность”.

Соответственно, в конкретных характеристиках передаваемого радиосигнала теперь образуется “эхо” не голоса, а вычислительных операций процессора. Утечка уже полностью цифровая, но это даже лучше: во-первых, отдельные дискретные изменения проще измерять на стороне приёмника; во-вторых, теперь нужно не ловить аналоговое “эхо” речевого сигнала, а достаточно принять симметричный ключ того же AES, после чего – переходить уже к прослушиванию штатного цифрового канала, расшифровывая данные из него. Одни и те же ключи используются подолгу, и не одной радиостанцией, так что улов, обеспеченный утечкой ключа шифра, будет намного больше, чем в случае аналоговой речевой наводки, которая вот сейчас ещё прослушивается, а через минуту – уже нет, потому что мешает какое-нибудь отражение.

Впрочем, тут есть и свои особенности: аналоговый речевой сигнал с микрофона, которому достаточно и килогерца, проще укладывается в качестве нагрузки на сотни и тысячи килогерц полосы несущего сигнала; а вот “помехи” от микропроцессора, работающего на тактовой частоте в десять мегагерц, уложить непосредственно даже на один мегагерц носителя уже нсильно сложнее. Но можно ли организовать утечку битов ключа шифра через сигнал с частотой один мегагерц (условно), если реализация шифра работает на частоте десять мегагерц? Да, можно, потому что биты ключа используются многократно, а конкретный цикл использования состоит из многих команд. Соответственно, выходить биты могут медленно. Настолько медленно, что коррелятор в приёмнике сможет постепенно восстановить большую их часть, несмотря на очень малую, если сравнивать с тактированием микропроцессора, частоту носителя (остальное биты – просто подобрать). Несомненно, если задаться целью и задействовать какие-нибудь нетривиальные методы, типа кодирования символов разностями фаз сигналов, скрытно и быстро передать биты можно. Но это нужно “задаться целью”, что сразу отметает случайные схемотехнические ошибки. Впрочем, кто там будет разбираться?

(Цифровые наводки, возникшие в результате ошибки, тоже возможны, но они скорее всего будут давать слишком слабый и медленный сигнал, пригодный, скорее, для лабораторных исследований и требующий долгих часов работы специального коррелятора.)

Пишут, что после очередного обновления iOS Apple на iPhone в Штатах появилась поддержка доступа к Starlink, как к “телефонному сервису”, через идентификаторы оператора T-Mobile. Что там в обновлении – не ясно: возможно, новая прошивка для радиомодуля, возможно – нет, и прошивка была обновлена заблаговременно, а теперь включили именно конкретные параметры для данного радиоканала.

Пусть для того, чтобы принимать произвольные сигналы смартфона спутниками Starlink – обновление прошивки и какое-то участие со стороны смартфона не нужны, однако, если смартфон с новой прошивкой радиомодуля активно выполняет команды, поступающие со спутников, в кооперативном режиме участвует в радиообмене, то это заметно расширяет возможности и по доступу к смартфону, и по наблюдению. И тут не важно, поддерживаются ли пользовательские функции, доступные на уровне ОС, и какой именно оператор сотовой связи прописан в обозначениях: сигналом спутников всё равно управляет оператор спутников, а не “титульный” для пользователя провайдер. То же самое относится и к радиообмену – сама “сеть сотового оператора”, как феномен, начинается на уровень выше технических сигналов, особенно, если речь про спутниковый доступ.

Кстати, если в процессе геолокации радиопередатчика участвует сам радиопередатчик, то расширяется спектр доступных инструментов, что, понятно, повышает точность. Но прежде всего интересны возможности по сбору состояния радиоэфира приёмником смартфона: это вполне себе штатная функция, которая в так называемых “сетях 5G” получила большое развитие, и если радиомодуль смартфона активно взаимодействует с сетью спутников, то это означает, что по запросу спутниковой сети радиомодуль может передавать сведения о принимаемых им сигналах. Обратите внимание: речь тут вовсе не только о “сигналах спутников”, а, например, о сигналах локальных точек доступа/базовых станций (это, опять же, штатный механизм) и прочих устройств, которые “видит” смартфон, но не видит спутник.

В продолжение предыдущей записки, про навигацию по сигналам базовых станций GSM с высотного воздушного шара. Конечно, оператору этих самых базовых станций не слишком выгодно, чтобы сигнал принимался на пролетающем воздушном шаре с высоты в двадцать километров: радиосистема должна оптимизировать расход энергии и использование доступного диапазона частот (“бюджет радиоканала”), в том числе, с учётом трехмерной геометрии, что особенно актуально для 5G.

Поэтому всякая возможность приёма высотным шаром-зондом, гордо реющим в стратосфере, сигналов, предназначенных для ползающих по земле абонентов, это признак утечки того самого “бюджета”. С этой утечкой, вообще говоря, разработчики оборудования будут бороться. Однако полностью исключить такой приём невозможно: будут и антенны “протекать”, и отражения уходить во все стороны, где нет земли и экранов в виде строений и прочих ландшафтных объектов. Так что на шаре что-то обязательно будет принято. Но утекающий сигнал может стать очень слабым, что заметно снизит эффективность его “паразитного” использования.

На замену GPS/GNSS в авиации уже предлагают использовать “прочие”, сопутствующие, радиосигналы, в том числе, GSM, и, – что не совсем обычно, – сигналы разных других спутниковых систем (то есть, не GNSS): статья The Register. В качестве исследовательской платформы в статье по ссылке выбран шар-метеозонд, снабжённый радиоприёмным оборудованием.

Идея занимательная, но не нужно забывать, что изначально радионавигация была устроена без всяких там космических спутников, которых ещё и не было на околоземной орбите, но и даже когда спутники уже появились, но не GNSS, от наземных систем отказываться не торопились. И когда появились GNSS, то тоже от наземных систем отказываться не торопились. И это только относительно недавно “что-то пошло не так“.

Однако интересно наблюдать, как происходит переоткрытие очередных LORAN и “Тропиков”, пусть и на базе сигналов наземного GSM-оборудования. (В статье по ссылке, кстати, есть странный фрагмент, утверждающий, что в сигналах базовых станций GSM, принимаемых исследовательским оборудованием с воздушного шара, нет временных меток и синхронизирующих импульсов, что, конечно, вряд ли так. Но, возможно, изначально речь шла про конкретные слабые сигналы.)

В исходной статье рассказано об использовании спутниковых сигналов, не относящихся к GNSS: спутников, излучающих подходящие сигналы, сейчас много, – взять, хотя бы, Starlink, – но это уже не совсем замена GNSS, как подхода. Всё же, чтобы обеспечить обычную гражданскую воздушную навигацию без привязки к GPS и прочим GNSS, не нужно искать “побочные” сигналы, ни с земли, ни из космоса, а нужно бы снова построить специальную сеть наземных опорных передатчиков именно для этой задачи (такие проекты есть). А так-то – можно и по телевизионным сигналам и FM-радиостанциям определять положение, но “паразитные” навигационные системы – это несколько другая тема, не про гражданскую авиацию (хотя, времена меняются, так что нельзя исключать ни то, что самолёты полетят “по телевизору”, ни то, что соответствующие сигналы в какой-то момент исчезнут из эфира, следом за сигналами спутниковыми).

Кстати, я недавно достаточно подробно описывал различные методы “геолокации по радиосигналам” в отдельной записке.

В недавней записке про методы геолокации передатчиков при помощи сети приёмников сказано, что речь про наземные опорные станции. Но все описанные в той записке методы, с некоторыми изменениями, можно применять и с борта спутника, находящегося на околоземной орбите. Особенно, если это не один спутник, а сеть из многих аппаратов. У спутника достаточно стабильная траектория, чтобы правильно учитывать движение с опережением по времени. Особенности, которые относятся именно к спутниковым измерениям, касаются, прежде всего, доплеровского сдвига частот: практические значения скоростей в такой сети могут быть очень большими (многие километры в секунду). Зато сети спутников на низкой орбите дают высокую точность определения координат.

Собственно, именно низкоорбитальные спутники предлагают в качестве платформы для космической связи через “обычный смартфон”. Но тут можно вспомнить и другое, отдельное направление – использование космических аппаратов для определения характеристик работы космической же системы связи. Понятно, что раз находящийся на орбите аппарат может принимать сигналы не просто наземной станции, но даже “обычного смартфона”, то почему это должен быть именно аппарат штатной сети связи? Нет, не должен: сигналы могут принимать и другие спутники, которые “просто пролетают рядом” и немного зависли на подходящей орбите. Если бы речь шла о специальной наземной станции, то можно было бы что-то предложить из области скрытых сигналов (LPI/LPD – Low Probability of Interception/Detection), использующих особую модуляцию. Но к “обычному смартфону” это не применимо, поэтому детектировать и определять координаты работающих со спутниковой системой смартфонов можно из космического пространства – то есть, над любой частью поверхности Земли.

Наземная сеть радиоприёмников, – например, базовых станций мобильной связи, – может быть использована для определения координат (геолокации) передатчиков. Типовой пример передатчика – мобильный терминал. Для такой геолокации не требуется связь со спутниками GNSS (GPS, в частности), как не требуется и прямое участие самого терминала: главное, чтобы этот терминал излучал сигнал с известной модуляцией. То есть, терминал может работать с какой-то “внешней” системой, – даже со спутниковой, – но определять его местоположение может совсем другая сеть.

Задача, в общем случае, формулируется следующим образом: пусть есть набор узлов (обычно, пассивных приёмников), координаты которых в заданной системе известны с достаточной точностью; эти узлы далее называются “опорными”; кроме опорных – есть узлы, называемые “определяемыми”, для которых и требуется вычислять координаты и определять местоположение (то есть, это те самые терминалы). По условию задачи, опорные узлы принимают сигналы, излучаемые определяемыми узлами.

В этой задаче могут двигаться любые узлы, а не только определяемые, как можно подумать. Конечно, обычно опорные узлы будут неподвижны (в заданной системе координат), но, вообще-то, это не так важно: главное, чтобы траектории опорных узлов были известны с достаточной точностью. Идеальный вариант, если траектория известна ещё и с опережением по времени, но это уже детали, хоть данный аспект и позволяет использовать те же методы на базе спутниковых приёмников.

Заметьте, что в некоторых частных, но интересных, случаях данной задачи, как только координаты определяемого узла вычислены, этот узел, вне зависимости от степени участия в сети, может стать дополнительным “подсвечивающим” узлом и, тем самым, начнёт помогать в работе опорным узлам сети (этот момент отдельно рассмотрен ниже).

Узкая практическая интерпретация задачи: определение координат пользовательских терминалов, работающих с той или иной мобильной сетью. Естественно, в качестве источника сигнала может выступать не только типовой радиомодуль смартфона 4G/5G – годится и какой-нибудь WiFi-сигнал или Bluetooth. Данный технологический “сеттинг” легко переносится и на сценарии с прочими передатчиками. При этом, например, в самых современных стандартах мобильной связи, обычно называемых 5G, для непрерывной, точной геолокации терминалов, что называется, и методы определены, и специальные сигналы выделены: определение местоположения терминала имеет решающее значение для сети. Конечно, геолокация, без привязки к GNSS, доступна и в более ранних системах сотовой связи (LTE).

Методов определения координат для решения только что описанной задачи неожиданно много, а если определяемое устройство в той или иной мере “кооперативное”, то есть, помогает измерять свои координаты, то и методов становится больше. Но и для “не кооперативного” случая методов не мало.

Необходимо уточнить важный момент: предполагается, что приёмники имеют возможность точной атрибуции сигналов. То есть, принимаемый сигнал заведомо соответствует одному, – так сказать, точечному, – передатчику (антенне). Это обеспечивается разными способами, которые зависят от используемой модуляции и других характеристик сигналов (вплоть до “дрейфа фазы” и прочих нетривиальных методов “фингерпринтинга”). Но если речь идёт о системах типа современной сотовой связи, то достаточно принять во внимание один архитектурный момент: сеть, обеспечивающая передачу данных, просто должна иметь возможность точно различать передатчики – иначе возникнут трудности с диспетчеризацией и управлением доступной полосой (“бюджетом” радиоканала, как часто говорят). Поэтому протоколы в этой области и проектируются так, что можно различить передатчики на уровне радиоканала (то есть, не на уровне самого ЭМ-сигнала). Дополнительную базу для успешной селекции сигналов конкретных передатчиков может предоставлять обмен информацией между приёмниками – базовыми узлами.

Теперь можно кратко рассмотреть основные методы геолокации, среди которых есть и редко упоминаемые.

Измерение времени распространения сигнала

Самый очевидный и самый мощный метод. Если точно известно время, затрачиваемое сигналом на преодоление расстояния между передатчиком и приёмником, то, зная скорость распространения сигнала, нетрудно вычислить расстояние. Взяв расстояния до нескольких приёмников – определяем координаты передатчика. Геометрическая основа – точки пересечения окружностей (сфер, в общем случае). Для идеального двумерного случая на плоскости – достаточно трёх приёмников. Необходимое количество может быть меньше, если применяются гибридные способы геолокации (см. ниже).

Это рабочий метод. Он лежит в основе GPS. Основная проблема тут в том, что нужно иметь общую с передатчиком схему отсчёта времени, поскольку необходимо знать, когда принятый сигнал был отправлен. То есть, необходима такая схема, метки времени из которой можно однозначно перевести в общее время сети опорных узлов-приёмников. Если передатчик не “кооперативный”, то ситуация сложнее: общие часы уже так просто не получить. Однако подходящие метки времени иногда можно вычислить из свойств самого принимаемого сигнала: например, устройство работает с какой-то своей сетью, синхронизирует с ней время, а время в этой сети – это время GPS.

(Сюда же, вообще говоря, относится и метод измерения фазы принятого сигнала (в одной точке), особенно, если речь идёт о гармонике: определив изменение фазы – можно определить расстояние, но требуется учитывать параметры генерации сигнала и то, что в дистанцию может уложиться более одного периода сигнала. Естественно, подходит и заранее известная зависимость модуляции от общего времени.)

Разработка алгоритмов коррекции ошибок по времени, которые возникают на этих направлениях, приводит к следующему методу геолокации передатчиков.

Измерение разности времени поступления сигнала

Логика метода сходна с предыдущим, но не требуется синхронизация времени передатчиком. Опорные узлы, работающие в общем, синхронном времени, могут вычислять разность времени получения одного и того же сигнала разными узлами. То есть, определение координат передатчика тут строится на вычислении множества точек, для которых постоянной является разность расстояний, а геометрической основой – гипербола.

Запрос с подтверждением

Этот метод не пассивный. Он основан на отправке опорного сигнала в сторону определяемого узла с получением ответа от этого узла. Ответ отправляется через строго заданный промежуток времени после получения запроса. Здесь сигнал ходит в обе стороны, а опорный узел может измерить дальность по суммарному времени: предполагается, что расстояния в одну и в другую сторону – одинаковые. Далее метод работает аналогично первому (или второму, в зависимости от деталей). Заданный интервал ожидания позволяет компенсировать рассогласование локальных часов.

С одной стороны, этот метод, используемый напрямую, как бы противоречит идее: он не является пассивным – измеряющая сеть должна отправить сигнал, а определяемый узел – ответить (кстати, подобрать такой сигнал, на который ответит типовой терминал, не так сложно, поскольку не требуется “содержательный” ответ, а достаточно любого). С другой стороны, можно этот метод модифицировать так, что он будет использовать штатные сигналы другой сети, с которой взаимодействует исследуемый передатчик – эти сигналы тоже может принимать опорная сеть.

Угол (направления) на приёмнике

Ещё более геометрический метод, который обычно и называют пеленгацией: определение каждым опорным узлом направления на передатчик. Это направление, в двумерном случае, принято задавать в виде угла, взятого относительно условного “севера”, который является общим для всей измеряющей сети. Построив лучи из нескольких точек, соответствующих опорным узлам, можно вычислить координаты определяемого узла по пересечению лучей.

Опорный узел может определить угол направления на передатчик, сравнивая сигнал, принимаемый на разные антенны. Либо можно использовать одну антенную решётку, так же измеряя разность фаз сигнала.

Затухание сигнала

Мощность передатчика часто известна. Не только потому, что она, предположим, определена спецификацией оборудования. Значение рабочей мощности может передаваться и в составе сигналов, обеспечивающих работу радиоканала. Зная мощность на антенне передатчика и мощность на принимающей антенне, можно вычислить расстояние по степени затухания. Так как, по условию задачи, опорных приёмников несколько, то измерение затухания позволяет определить координаты передатчика по расстояниям от нескольких опорных узлов.

Этот метод можно улучшить, если измерять не просто затухание, а “разность” затухания на нескольких опорных узлах – логика совпадает с измерением разности времени получения сигнала (см. выше).

Гибридные методы

Описанные методы не являются взаимоисключающими, так что использование данных, полученных одним методом, для “просеивания” результатов, полученных другим методом, существенно улучшает точность. Самый простой пример: измерение угла направления позволяет убрать неоднозначности координат, полученных измерением времени распространения сигнала.

***

Все описанные методы используются на практике. И все они подвержены влиянию отражений и затенения. Понятно, что в реальных условиях, – предположим, в городской застройке, – путь сигнала от передатчика до приёмника может быть замысловатым, а отражённые сигналы – накладываться. При этом опорные узлы могут использовать сигналы тех определяемых узлов, координаты которых уже известны, для уточнения координат других определяемых узлов (конечно, за вычетом возможных дефектов первичных измерений). Пусть для какого-то передатчика координаты уже известны точно (как и характеристики сигнала), но при этом некоторые опорные узлы, действуя локально, определяют для этого же передатчика другие координаты, отличающиеся от известных: соответствующая поправка позволяет определить особенности деформации сигнала в направлении этих опорных узлов, что, в свою очередь, позволяет скорректировать измерения для других определяемых передатчиков.

Естественно, если снова отказаться от полностью пассивной роли сети, то в качестве источников сигналов, по которым измеряется деформация, могут служить сами опорные узлы, координаты которых известны по определению. Собственно, в LTE, в 5G, для таких измерений даже предусмотрены отдельные сигналы. А само поле деформации, если его заранее измерить, может служить основой для навигации и определения координат.

Пятнадцать лет назад, в июле 2009 года, на dxdt.ru вышла, среди прочего, записка про навигацию по ЭМ-обстановке, без GPS: передатчиков вокруг достаточно, многие из них зафиксированы, гарантируя, тем самым, узнаваемость картины. Но нужно предварительно измерить на месте, поскольку существенным образом вмешиваются тени и отражения. Цитата:

Поэтому построить “навигационное поле”, доступное для автоматических навигационных систем, можно на базе самых разных присутствующих в интересующем районе передатчиков. GPS, опять же, не требуется. Интересно, что тут “навигационное поле” оказывается неким “паразитным” элементом.

Вообще, описанный метод пассивного определения координат, на основе измерения радиообстановки и сопоставления характеристик принимаемых сигналов с опорной картиной из некоторой базы данных, вполне себе рекомендован для сотовых сетей 4G/5G, например. (Всё собираюсь написать подробную записку про вычисление координат на основе обобщённых методов “пеленгации”.)