dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

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”.)

Можно предположить, что передача сообщений по радио полностью защищена от прослушивания, если прослушивающая сторона ничего не знает об электромагнитных волнах (что уж там говорить про наличие у этой стороны радиоприёмников). В газете напишут – “абсолютно защищена”. Может ли такая вымышленная ситуация служить аллегорией для современного внедрения квантовой криптографии? Навряд ли.

По крайней мере, аллегория получится слишком неполной и размытой. Да, про квантовую криптографию, следуя волне “хайпа”, едва ли не постоянно пишут, что она является “абсолютно защищённой, абсолютно стойкой”, якобы, из-за некоторых “физических законов” (естественно, законов таких нет, они в физике невозможны; есть некоторые допущения, но это, впрочем, другая история). Проблема с упомянутой аллегорией в том, что у тех, кто обменивается сообщениями по радио – есть радиостанции. Неявно предполагается, что они их как-то изготовили, а потом ещё смогли оценить степень исключительности своих знаний. То есть, несколько другая история. В случае квантовой криптографии, предположения о стойкости строятся в рамках почти той же прикладной модели, которая позволила создать сами оконечные устройства – приёмники и передатчики. Так что вариант, когда оценка степени защиты информации в радиоканале на уровне “абсолютная защита” делается из допущения, что прослушивающая сторона ничего не знает о радиосвязи, он совсем о другом – получается что-то вроде принципа Керкгоффса, а не аллегория оценок квантовой криптографии.

Можно предположить, что и сами пользователи радиостанций ничего не знают не только об устройстве радиостанций, но и понятия не имеют об электромагнитных волнах. Для того, чтобы запомнить, что голос из одной коробочки передаётся в другую – многие знания не требуются, так как система работает сама. Ну, пока батарейка не разрядилась. Тут уже принцип Керкгоффса исчезает сам собой (обратите, кстати, внимание на то, что применимость данного принципа, оказывается, зависит от контекста). Но к роли квантовой криптографии в современности это тоже совсем и никак не подходит: построить даже опытный образец усилиями ИИ с LLM внутри не выйдет, что уж там рассуждать про интерпретации квантовой механики.

Впрочем, история показывает, что разработчики и, особенно, пользователи радиооборудования могут недооценивать возможности утечек по побочным каналам (те самые ПЭМИН). Это, аллегорически, означает, что кто-то смог разобраться с электромагнитными излучениями чуть лучше. Известно, что такие утечки работают и для устройств квантовой криптографии. Кто бы, как говорится, сомневался: известно ещё до появления оптоволоконных линий связи – даже если по кабелю передаются сообщения, зашифрованные абсолютно, – в полноценном, математическом смысле, – стойким шифром, это не означает, что вместе с зашифрованными сигналами не передаётся и эхо исходника, в открытом виде. Но то всё “классические” утечки. Возможны ли утечки “квантовые”? Пока что непонятно. Однако к аллегории про радиоканал и технически неподготовленную прослушивающую сторону, которая пытается подползти к окну радиобудки, чтобы снять акустическое эхо собственными ушами, это уже не относится.

На сайте про “прямое подключение” смартфона через спутники Starlink пока что обещают доставку текстовых сообщений (почти что старый Twitter), да и то – в конце 2024 года. И только когда-то потом, после 2025, судя по всему, планируют предоставлять доступ с передачей данных и голосовую связь (что в LTE примерно одно и то же). При этом, понятно, сразу есть куча оговорок про совместимость и доступность. Сейчас, естественно, доступ заявлен только для конкретных операторов, ни о каком там “универсальном глобальном интернет-доступе” речи не идёт. Понятно, что к концу 2025 многое может измениться: и смартфоны могут обновиться, и срок предоставления услуг могут сдвинуть, и условия могут стать другими, например, решение будет доступно только для смартфонов с совместимой прошивкой/радиомодулем. (Само собой, это всё лишь в том случае, если после окончания 2024 года вообще сохранится какой-то интерес к подобным технологиям и спутниками будет возможно управлять. Впрочем, с другой стороны, технология эта – многообещающая, хоть и не совсем в том ключе, как обычно рассказывают, так что велики шансы на дальнейшее продвижение.)

Ссылки по теме: Starlink и взаимодействие с наземными GSM-сетями; Геопривязка в персональных цифровых финансах.

Когда обсуждают низкоорбитальные спутники, то нередко забывают, что это хоть и космический спутник, но, как точка наблюдения, он оказывается очень близко к наблюдаемой наземной территории: например, высота Starlink – около 550 км, а была и заявка на 340 км, ещё ближе. То есть, тот же Starlink, это такой универсальный орбитальный сенсор, построенный на тысячах спутников, который находится на дистанции, сравнимой с параметрами лучших из современных авиационных РЛС. И спутник может оказаться сильно ближе, чем способен подойти разведывательный самолёт или беспилотник.

При этом у спутников, работающих как единая сеть, есть и другие преимущества. Так, поскольку разные спутники одновременно оказываются на разных “углах”, относительно наблюдаемого сектора, получается что-то вроде всеракурсной системы. Например, можно с разных ракурсов синхронно наблюдать источники ИК-излучения. Скажем, конструкторы снижали заметность в инфракрасном диапазоне для одного из ракурсов (вспомните “лабиринтные” воздухозаборники на малозаметных реактивных самолётах), однако спутники наблюдают цель с совсем других ракурсов (и тут даже вывод разогретых газов вверх только помогает спутниковой системе). ИК-излучение техники почти всегда трудноустранимо, а иногда – неустранимо совсем. Но возможности спутниковой системы не ограничиваются инфракрасным диапазоном.

Понятно, что наличие распределённой сети приёмников с синхронным временем позволяет в пассивном режиме определять координаты целей. Но, конечно, одно дело “сферический конь в вакууме”, а совсем другое – реальные данные или источники сигналов в атмосфере. Теоретический случай с одним источником периодического сигнала кажется очень простым: достаточно взять записи сигналов на разных спутниках и совместить их, сдвинув по времени – величина сдвига даст радиусы до источника из нескольких точек (приёмников на спутниках). Однако нетрудно придумать множество практических проблем. Например, кто сказал, что один и тот же реальный источник излучения будет давать одинаковую (ну, с точностью до временного сдвига) картину на разных спутниковых приёмниках? Во-первых, сам источник в разные стороны светит различно, даже если это маяк. Во-вторых, естественные и искусственные помехи, отражения, а также и прочие атмосферные искажения, дают разный эффект с разных ракурсов. Хуже того, источников излучения обычно много, а их селекция, да ещё и пассивной системой, доставляет сложности, особенно, если не забывать про то, что движется и цель, и каждый спутник.

Вообще, если приёмник позволяет получать параметры угла наблюдения для источника, то можно улучшить картину, используя эти данные. Геометрия, впрочем, и тут создаёт препятствия. Одно из самых очевидных – такое: изображение-точка конкретного источника на “сенсоре приёмника” соответствует прямой, проходящей через эту точку сенсора и через сам источник (пусть он точечный). При этом, если приёмников несколько, то различные точки на сенсоре одного приёмника могут соответствовать единственной точке на сенсоре другого, особенно – из-за погрешности. Утрированный двумерный пример: различимые для одного приёмника точки сворачиваются в одну для другого; то есть, на одном приёмнике видны пять точек-источников, но на втором эти пять точек уложились в две, поскольку какие-то источники зашли друг за друга, что добавляет несколько возможных пространственных конфигураций, а просто сопоставить углы и корректно определить координаты “по параллаксу” уже не получится. Более того, разное сближение источников, как оно наблюдается разными приёмниками, создаёт и разные суммарные сигналы, затрудняя селекцию. Естественно, добавление ещё нескольких приёмников улучшает ситуацию, как улучшает её здесь и быстрое движение спутников, несущих аппаратуру наблюдения.

Занятно, что селекция источников, корректное приведение данных к пространственной картине, похожей на реальность – всё это весьма напоминает, как ни странно, задачи современной “вычислительной литографии”, позволяющей достигать минимальных показателей пространственного разрешения при производстве компьютерных чипов. Только там вычислительно определяют характеристики источника излучения и маски-шаблона так, чтобы получить нужную “картину” на целевой подложке, чтобы минимизировать “помехи”, а в случае с сетью пассивных сенсоров – по характеристикам “точек” на сенсорах и пространственной конфигурации приёмников (“маска”) требуется вычислить возможные “картины” и, таким образом, удалить помехи.

Кстати, что касается помех: сеть пассивных орбитальных приёмников, если они используют достаточное разрешение по времени в схемах преобразования сигнала, позволит определять координаты источника помех, даже если сигнал – просто шум. Если же сигнал помехи имеет хорошо обнаруживаемую структуру, то задача упрощается. Понятно, что аналогичным образом можно использовать не помехи, а рабочие сигналы РЛС (и не только РЛС).

Спутниковые приёмники могут принимать сигнал подсвета, который выдаёт передатчик наземной или воздушной радиолокационной станции, действующий согласованно со спутниковой системой. Тут орбитальное расположение опять может улучшать ситуацию сразу по нескольким направлениям: так как приёмников много, они имеют возможность синтезировать рассеянный, в результате сложного отражения целью, сигнал; а так как приёмники находятся с других ракурсов, относительно передатчика, то и принимать могут отражённый сигнал, который в точке передатчика не виден; при этом расположение на низкой орбите позволяет снизить потери энергии сигнала. В последнем случае важен буквально каждый километр – посудите сами: затухание происходит пропорционально квадрату расстояния, это же относится и к отражённому сигналу. Конечно, никто не отменял и обратного варианта, – наземный приёмник и орбитальные передатчики, – но в этой заметке речь шла про полностью пассивные спутниковые решения.

Так что сети низкоорбитальных спутников, типа сети Starlink, полезны не только и не столько для широкополосной радиосвязи.