dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

Спутниковая система интернет-доступа Starlink включает весьма продвинутые наземные терминалы, оснащённые АФАР (если судить по опубликованной информации о внутреннем устройстве терминалов, там установлена именно активная решетка – см. познавательный обзор по ссылке в конце записки). Некоторое время назад я уже писал, что, в теории, огромная спутниковая группировка Starlink может являться фундаментом для мощного орбитального радара, подобных которому ещё не было. Если к этой гипотезе присоединить множество наземных станций (терминалов), которые также управляются центрально и имеют общий источник синхронного времени, то возможности этого комплекса, как радара, взлетают, так сказать, до небес.

Так, наземные станции смогут обеспечивать подсветку для приёмников, находящихся на спутниках. Каждый терминал оснащён хорошим GPS-процессором, это гарантирует синхронизацию времени (собственно, и время, и координаты – терминалы могли бы определять и только по спутникам Starlink, но с GPS – процесс будет гораздо более точным и стабильным). Активная антенная решётка, с цифровым управлением, позволяет реализовать самые продвинутые алгоритмы формирования сигналов, то есть, терминалы смогут излучать наборы опорных импульсов с поверхности, при этом все характеристики этих импульсов можно динамически определять из единого центра. Это довольно важный технический аспект, поскольку он позволяет реализовать весьма хитрые эффекты при помощи управляемого взаимодействия сигналов, излучаемых разными наземными терминалами и спутниками. Естественно, присутствие полностью управляемых наземных трансиверов существенно расширяет возможности “обычной” бистатической (и многопозиционной) радиолокации, доступной спутниковой группировке. Точное измерение на земле параметров зондирующего сигнала, излучаемого со спутника, позволяет поднять качество цифровой обработки, например, можно обнаруживать, анализировать, а потом с выгодой использовать атмосферные искажения. Нетрудно предложить и многие другие улучшения для подобной радиосистемы.

Другими словами, мощные наземные терминалы, – без которых, понятно, Starlink, как система связи, не имеет смысла, – расширяют и возможности “побочного” применения этого уникального комплекса. На картинке ниже – внешний вид антенной решётки терминала Starlink, а ссылка ведёт на подробный разбор (в прямом смысле) этого интересного устройства (англ. Youtube.com).

(Starlink Dishy Teardown.)

Под “спутниковыми интернетами” здесь подразумевается предоставление глобального “широкополосного” доступа к Интернету спутниковой группировкой. Таких систем предлагается несколько, а сами аппараты уже начали запускать: например, Starlink и OneWeb. Я уже писал, что подобная спутниковая система является отличной платформой для создания универсального орбитального радара, предназначенного для наблюдения за поверхностью Земли. В этот раз речь о другом: насколько легко будет обнаруживать наземные станции, используемые для доступа к данному спутниковому каналу связи?

Понятно, что наземный терминал должен излучать сигнал, который непосредственно может принимать спутник (варианты с доставкой одного “плеча” по традиционным наземным каналам – конечно, возможны, но это не то, чего ожидаешь от беспроводной “технологии будущего”). А раз терминал излучает, то его работу можно обнаружить при помощи пассивного приёмника. (Здесь необходима оговорка про направленные антенны: у антенн существуют боковые лепестки диаграммы направленности, они есть даже у узконаправленных антенн, а вопрос только в коэффициенте усиления утекающего сигнала; да, в теории, можно минимизировать боковые утечки, но такая антенна вряд ли подойдёт для спутникового терминала.)

Высокочастотные сигналы (то есть, сигналы с малой длиной волны), используемые для создания цифрового канала связи, обычно имеют и хорошо узнаваемую сигнатуру, и встроенные метки времени (требуются для синхронизации). Это означает, что несколько приёмников, имеющих точное общее время и находящихся на некотором расстоянии, смогут вычислять положение спутниковых терминалов в режиме реального времени с высокой точностью и тут же “наносить точки на карту”.

Разместить приёмники, предназначенные для мониторинга радиоэфира, можно на вышках сотовой связи – они давно служат платформой для решения сходных задач: здесь есть куда поставить антенны, есть источники времени, есть каналы передачи данных и гарантированное питание. Соответствующее оборудование могут устанавливать те же “интеграторы”, которые разворачивают системы сотовой связи. Покрытие вышками в российских городах хорошее.

В теории, сигнал, используемый для организации спутникового канала, может быть замаскирован (например, если у наземного терминала и спутниковой группировки есть общие секретные ключи, то возможна реализация довольно “скрытного” кодирования). Однако, во-первых, резко упадёт пропускная способность, так что ни о каком “широкополосном” доступе речи уже идти не может; во-вторых – некоторый сигнал всё равно остаётся и его можно обнаружить, используя в качестве опорных сигналы специально закупленных терминалов и сигналы спутников. А главное, что о маскировке сигнала терминалов речи, конечно, не идет. Так что с обнаружением и геолокацией источников – проблем не возникнет.

Известная история гласит, что Интернет создавался для обеспечения связи в ситуации, когда большая часть сетей разрушена, выведена из строя (это только одна часть истории, но сейчас речь о другом). У DARPA есть программа TUNA (Tactical Undersea Network Architecture), цель которой – получение средств, позволяющих быстро наладить связь на больших расстояниях в море, при условии, что имеющиеся сети разрушены. Концепция подразумевает налаживание радиосвязи, но с использованием оптических линий между опорными узлами. То есть, в море выпускаются буи (например, сбрасываются с самолёта), между которыми под водой протягивается плавучая (это важно – кабель не опускается на дно) оптоволоконная линия, которая, как пишут, должна проработать до 30 дней. В новости по ссылке выше упоминают разработку лаборатории Вашингтонского университета – буй, который вырабатывает электричество, используя энергию морских волн.

Можно представить, что буи, формирующие узлы, сбрасывают один за одним с самолёта, при этом они сразу соединены очень тонким оптоволоконным кабелем. Кабель имеет нейтральную плавучесть, а это отчасти решает проблему с его проведением. Для волокна важно, чтобы радиус кривизны в местах изгиба не превышал некоторого предельного значения – иначе будет радикально теряться мощность передаваемого луча, так как исчезает полное отражение. Конкретные параметры зависят от частоты излучения, строения и материалов волокна, но понятно, что от “перекручивания” кабель всё равно как-то нужно защищать. В подвижной среде, при длине, измеряемой десятками километров, это не так просто. Хотя, на достаточно большой глубине хаотичных перемещений должно быть меньше, но при этом буи могут начать равномерно удаляться друг от друга, либо кабель будет увлекать течением, что грозит обрывом.

Сейчас программа прошла первую стадию, что-то вроде эскизного проектирования. На второй стадии обещают показать некоторые рабочие прототипы.

DARPA заказывает перспективную разработку портативных излучателей электромагнитных волн сверхнизких частот (ниже 30 кГц, а особенно – на частотах от 300 Гц до 3 кГц). Так как на этих частотах длина волны очень велика (это сверхдлинные волны – десятки, сотни и тысячи километров), традиционные системы для их излучения оказываются огромными. При этом сверхдлинные волны подходят для подводной и подземной связи. Например, они используются для обеспечения связи с подводными лодками.

Предполагается, что в рамках программы AMEBA (A MEchanically Based Antenna) создадут механические излучатели, основанные на движении постоянных магнитов или заряженных диэлектриков – да, речь именно про механическое движение. Устройства-передатчики должны потреблять менее 20 ватт и весить менее 10 килограмм. То есть, передатчик можно установить на автомобиле или даже переносить силами одного человека. В идеале – это подводная/подземная рация.

Физической основой для передачи сообщений в таких решениях является магнитная составляющая. Скажем, компактные антенны для приёма сверхнизкочастотных электромагнитных волн (например, если вы захотели послушать резонансы Шумана), выполняются в виде катушек и экранируются от электрической составляющей. С другой стороны, подводная связь использует “проволочные” антенны, большой длины (сотни метров), тянущиеся за лодкой или самолётом. Впрочем, данная программа касается только разработки передатчиков.

Из-за небольшой частоты, доступная полоса обмена данными узка. На частотах ниже 3 кГц она, скорее всего, вообще будет измеряться битами в секунду. Но это не должно помешать передавать текстовые сообщения, особенно, если использовать специальное кодирование. Скажем, в случае с подводными лодками, всего несколько битов кодируют сообщения из специального словаря. Предположим, что мы можем надёжно (то есть, с коррекцией) передавать один бит в секунду, тогда за пять секунд можно передать один из 2⁵ = 32 символов, или одно из 32 возможных сообщений. Не так уж и мало.

Прототипы планируют получить в 2021 году.