dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

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.

“Интернет через спутник” в обычном смартфоне – тема популярная. Сама возможность реализации широких каналов (до спутника) с типовым радиомодулем смартфона выглядит сомнительно: неустранимая задержка сигнала, проблемы синхронизации, “уползание” частот, новые виды помех – всё это добавляет трудностей. Понятно, впрочем, что если доработать наземные аппараты, то схема становится вполне реализуемой, как только на стороне провайдера имеются сотни низкоорбитальных спутников связи, объединённых в систему с единым управлением. Например, как в Starlink. Однако у подобной системы есть ряд занимательных возможностей, которые работают и без обеспечения широкополосного канала связи неким “абонентам со смартфонами”.

Понятно, что гипотетическая система “спутник и обычный смартфон”, уже по своему определению, должна достаточно точно знать местоположение абонентов, различая их по передатчикам аппаратов-смартфонов. Но, предположим, наземный аппарат всё же не смог успешно присоединиться к “космической сети” штатным способом и широкополосный канал установить не удалось. Однако это совсем не отменяет возможности для спутников принимать сигнал аппарата и классифицировать его. Пусть даже этот аппарат работает в настоящий момент с привычной наземной станцией: сигналы смартфонов содержат уникальные метки, которые ещё и установлены на разных логических уровнях, это позволяет их различать в пассивном режиме. Особенно хорошо получится различать отдельные аппараты по сигналам, если спутников много, они на низкой орбите, а также имеют общее синхронное время. Да, Starlink подходит. Понятно, что отсутствие заявленной возможности связи “смартфон-спутники” не означает, что сами приёмники на спутниках уже не используются для геолокации конкретных работающих смартфонов. Не обязательно вводить услугу связи “для смартфонов” – следить за смартфонами можно и так.

Возможности пассивного анализа сигналов мобильных сетей резко увеличиваются, если к спутниковой сети приёмников добавить доступ к внутренним сигналам и оборудованию сетей связи. Можно предположить, что даже и обычный операторский доступ к мобильным сетям (GSM/SS7 и пр.), если его наложить на специализированное спутниковое прослушивание эфира, позволит, что называется, развернуться. Что уж говорить про доступ к контроллерам и коммутаторам (в том числе, недокументированные возможности). Тут не нужно забывать, что базовые станции тоже излучают сигналы, которые могут принимать специализированные спутники (за вычетом “атмосферных эффектов”, да).

Спутниковая сеть имеет возможности и по передаче специально сконструированных сигналов. Так что можно произвольный смартфон и “подёргать”, и, теоретически, передать обновление прошивки для радиомодуля. То же самое возможно в отношении базовых станций. Поэтому такая спутниковая группировка, при желании, может ставить сложные активные помехи, мешающие работе наземной сети.

В общем, синхронная, динамическая, гибкая и перенастраиваемая радиосистема, распределённая по сотням низкоорбитальных спутников, это очень мощная платформа, позволяющая решать задачи, ранее принципиально недоступные. Но, конечно, всё это работает лишь для тех, у кого есть доступ к управлению такой системой.

Радиомодуль (процессор радиоканала) в смартфоне является “вещью в себе”: то есть, это автономный, аппаратно обособленный вычислитель с аналоговой подсистемой для радиосигналов, достаточно мощный, со своим встроенным программным обеспечением, который другим модулям предоставляет некоторый интерфейс “радиомодема”. (Тут ещё не нужно забывать про WiFi, Bluetooth и пр., конечно.) Например, как недавно сообщали, даже в Apple почему-то не смогли пока что разработать собственный процессор радиоканала. Аппаратные и программно-аппаратные недокументированные возможности для смартфонов можно придумать весьма занимательные – например, несколько лет назад я описывал гипотетический вариант со схемой получения информации по акустическому каналу, потенциально устойчивый к исследованию ПО и схемотехники. Особенно интересно могут выглядеть недокументированные возможности, встроенные в процессор радиоканала – потому что это устройство видит радиоэфир.

Радиомодуль смартфона должен принимать разнообразные сигналы, понятно, что там не может быть какой-то жёсткой привязки к фиксированному “цифровому каналу” GSM – такого канала не существует: там и полоса достаточно широкая, и спектр нарезан довольно замысловатым образом. И далеко не факт, что сведения о сигналах, принимаемых радиомодулем, не экспортируются в ОС через некоторые, намеренно внесённые, “дефекты” аппаратного интерфейса (как вариант). И у смартфона есть очень точное синхронное время – через GPS.

Получается, что самый обычный смартфон может собирать разнообразную дополнительную информацию об обстановке в радиоэфире, а собранные данные – периодически передавать на внешний сервер, скрытно (см. ссылку выше). Сюда нужно приплюсовать возможность раздачи с центрального сервера на конкретные аппараты специальных, целевых прошивок. Тогда получается система, работающая в две стороны – с сервера приходит целевая прошивка, внутри которой встроен конкретный запрос для поиска заданных сигналов (это может быть скрипт, что обеспечивает динамику и гибкость), собранные данные, опять же, отправляются на центральный сервер. И смартфон может излучать сигналы. Которые, предположим, принимают другие смартфоны со специальной прошивкой радиомодуля. Довольно мощное направление.

Системы из тысяч спутников на низкой орбите имеют массу применений. Я публиковал по этой теме несколько записок, обычно, на примере группировки Starlink, которая насчитывает уже несколько тысяч аппаратов (подборка ссылок – ниже). Особенно интересен орбитальный радар, так сказать, “синтетический и трансформируемый”. Но радар можно использовать и как помехопостановщик, и даже как инструмент, наносящий повреждение чужим электронным компонентам на расстоянии при помощи ЭМ-излучения. При этом излучение, генерируемое несколькими десятками спутников, которые в данный момент находятся в нужных точках, формируется единой системой управления, это позволяет повысить эффективную мощность, не прибегая к запуску больших аппаратов. Общее точное время – даёт и возможности для синхронизации коротких импульсов и свойств излучения. Кроме того, распределение движущихся источников помех в пространстве дополнительно затрудняет противодействие.

Подборка ссылок: “Тысячи спутников или орбитальный радар”, “Спутниковая группировка Starlink от SpaceX как замена GPS”, “Инфракрасные сенсоры на орбите”, “Наземные терминалы Starlink как элементы радара”; и не совсем по этой теме, но тоже занимательная записка из 2010 года: “Воскресный юмор: глобальная навигация на очень чужих планетах”.

(Источник картинки: NSF’s National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory/CTIO/AURA/DELVE, Wikimedia.)