dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

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.

В чём причина смены дня и ночи на Земле? Правильный ответ: причина в том, что Солнце вращается вокруг Земли. А если вы вдруг подумали, что “причина во вращении Земли вокруг своей оси”, то представьте, что смена дня и ночи прекратилась, а Земля теперь всё время повёрнута к Солнцу одной стороной, то есть, Солнце более не вращается вокруг Земли. Но, предположим, Земля всё ещё вращается вокруг Солнца, а раз смены дня и ночи нет, то это как раз потребует вращения Земли вокруг свой оси, поскольку к Солнцу должна всё время быть повернута одна и та же сторона. Более того, если бы Земля, в той же схеме, вокруг свой оси не вращалась, то смена дня и ночи как раз происходила бы, вот только обычные день и ночь продолжались бы, примерно, по полгода (вспомните про полярную ночь и полярный день).

Вращение сложно интерпретировать, по тем же причинам, по которым сложно строго определить понятие угловой меры. Отличным примером является следующее наблюдение: пусть Земля вращается вокруг Солнца, а вокруг Земли вращается Луна – какова тогда траектория движения Луны вокруг Солнца? Оказывается, если на систему смотреть обычным образом, то траектория движения Луны практически совпадает с орбитой Земли: Луна не выписывает никаких “завитушек”, а вращение Луны вокруг Земли выглядит так, что Луна то немного опережает Землю, то – немного отстаёт.

Однако концепция, когда сложная траектория (кривая) описывается при помощи окружностей, центры которых движутся по другим окружностям, очень мощная – потому что это преобразование Фурье в чистом, геометрическом, так сказать, виде. Соответствующие этому преобразованию эпициклы и деференты древних астрономических моделей позволили описать сложные движения планет по небосводу, как они видны с Земли. Ведь это только движение прочих светил вокруг Земли выглядит довольно очевидным, если вы древний астроном и наблюдаете ночное небо, а вот планеты – создают неожиданные проблемы, прежде всего, своим попятным движением, когда они вдруг выписывают загадочные петли.

Представление о том, что “планеты вращаются вокруг Солнца, Солнце – центр” – это модель Солнечной системы, в противопоставление варианту “планеты и Солнце вращаются вокруг Земли, Земля – центр”. Сильно упрощённый вариант гелиоцентрической системы позволяет легко разрешить логические противоречия “странного” наблюдаемого перемещения планет. В разрешении противоречий состоит определяющий признак нового знания, но с ролью гелиоцентрической системы всё несколько сложнее.

Схема, где в центре Солнце, а по концентрическим окружностям движутся планеты и, в том числе, Земля, позволяет довольно просто объяснить причину наблюдаемых “странностей”. То есть, схема с Солнцем в центре – лучше в иллюстративном плане. Но из этого не нужно делать вывод, что, мол, использование такой схемы (именно на уровне круговых орбит) было огромным “научным прорывом”. Да, само это рассуждение, – о “прорывном значении гелиоцентрической системы” в противопоставлении геоцентрической, – нередко используется в разном научпопе как “очевидная” иллюстрация “внезапной” замены “неверных и устаревших” представлений на “правильные”. Но, во-первых, эти системы в науке и использовались как модели, лежащие в основе методов расчётов, причем, использовались параллельно, и так же используются сейчас; во-вторых, на практике, игрушечная гелиоцентрическая система с круговыми орбитами – и не удобная, и точность не повышает.

По причине того, что пошаговое “преобразование Фурье” с введением дополнительных окружностей (эпициклов) позволяет с любой заданной точностью приближать любые наблюдаемые траектории движения светил, якобы “неверная” система, в которой Земля – центр, позволяет точнее описывать движение, пусть и ценой добавления новых таблиц (это до сих пор так во многих задачах навигации на Земле). Понятно, что это никак не отменяет преимуществ современных гелиоцентрических систем с более точными орбитами (как минимум, эллиптическими) для расчётов межпланетных перелётов. Очевидно, ни та, ни другая системы – не определяют универсальным образом, что вокруг чего вращается, потому что иногда Солнце вращается вокруг Марса.

Древние астрономы выполнили “преобразование Фурье” для наблюдаемых траекторий движения светил, получив простые эпициклы и деференты – способ записи, в виде конечной и понятной формулы (или чертежа), отлично аппроксимирующий наблюдаемое движение. Это способ упрощения описания движения, а процесс построения такого способа – то, что упускают из виду, приписывая интеллект генераторам текста. Простые “модели на эпициклах”, конечно, не подразумевали учёта внешних возмущений, поэтому найти Нептун только таким способом – не получится. И в этом одно из подлинных, определяющих отличий выхода моделирования, так сказать, на межпланетный уровень, а вовсе не в том, что на концентрических окружностях, нарисованных вокруг точки, которая обозначена как Солнце, гораздо проще объяснить причину ретроградного Меркурия.

Пишут в The Guardian, что обнаружена “самая старая” чёрная дыра из когда-либо наблюдавшихся. При этом в самой статье, конечно же, речь про следы “окрестностей” дыры, которые “датируют” в 440 млн лет после Большого взрыва. То есть, самая старая дыра относится к раннему периоду избранной модели наблюдений Вселенной – на чём и строится новизна результата наблюдения.

Такое всегда занимательно выглядит. Особенно, если учитывать возможности и методы “датировки” на таких расстояниях. Насколько можно разобраться, измерение астрономических расстояний в астрофизике, концептуально, строится на ступенчатом уточнении методов, работающих для больших шагов, методами, работающими для малых. Для этого требуется находить опорные объекты, попадающие в пересечение двух соседних методов, это позволяет уточнить более “дальний” способ по “близкому” – светимость цефеид по параллаксу и т.д.; называется “стандартными свечами”, и с увеличением предполагаемых расстояний приносит всё больше вопросов.

Конечно, нужно отдельно считать (что это вообще означает: год – при такой плотности?), но про 440 млн лет может же так оказаться, что свет, попавший в телескоп, должен был пройти существенно большее расстояние, чем расстояние между точкой источника и точкой приёмника в тот момент, когда этот свет излучили разогретые газы, падающие в чёрную дыру. Предположительно. Потому что это косвенные измерения и, наверное, не совсем корректно говорить про свет в телескопе, но направление получается такое. Если только подобные объекты – это не эхо, доносящееся из предыдущих состояний Вселенной, когда шкала измерений была совсем другой (как у Пенроуза).

Ракета ко Дню Космонавтики.

(А. Соколов.)

SpaceX начали выводить на орбиту спутники связи, предназначенные для реализации проекта глобального беспроводного доступа к Интернету. А нам, конечно, интересно подумать над занимательными побочными эффектами данного масштабного начинания. Один из этих эффектов такой: так как это спутники связи, на борту у них есть приёмники, передатчики и антенны. При этом, так как требуется организовать широкополосную многоканальную качественную связь, все эти элементы обладают высокой гибкостью в плане управления: на дворе двадцать первый век, так что, скорее всего, на борту будет система с полностью перенастраиваемой логикой, способная быстро и точно генерировать весьма сложные сигналы. Все эти параметры необходимы для эффективного кодирования и оптимизации использования радиоканала.

И все те же параметры отдельного спутника – отлично подходят для создания орбитального радара. При этом, для решения SpaceX заявлена высокоскоростная связь между спутниками (судя по всему, речь вообще идёт об оптических каналах) и особое внимание уделяется точности определения положения спутников в пространстве (если там будут оптические каналы, то взаимное расположение можно измерять чрезвычайно точно). Это означает, что спутники смогут эффективно осуществлять согласованную обработку сигналов. Очевидно, что связь между спутниками является критическим параметром и в смысле обеспечения высокоскоростного доступа к Сети. А для гипотетического радара – это мощная платформа, позволяющая реализовать алгоритмы цифровой обработки сигналов и построить все мыслимые конфигурации радиолокационных систем. Если нужна бистатическая радиолокация, то одни спутники могут передавать зондирующий сигнал, другие – принимать его, корректируя результат на основе опорных данных, полученных по внутренней сети группировки. Предположим, что требуется синтезировать апертуру (это метод повышения чувствительности и разрешающей способности РЛС, заменяющий огромную физическую антенну на перемещение приёмника) – для этого тоже имеется отличный фундамент: есть точное общее время, известно положение всех приёмников в пространстве и приёмники-спутники постоянно движутся по довольно стабильным траекториям. Сложно придумать что-то лучше.

Таким образом, получаем адаптивный орбитальный радиолокационный комплекс, который наблюдает всю поверхность Земли – технология, сошедшая со страниц научно-фантастических романов.

Ещё немного о навигации: из NASA сообщают, что успешно на практике использовали рентгеновские пульсары для определения положения аппарата в космическом пространстве. В качестве приёмника сигналов послужила рентгеновская обсерватория NICER, установленная на борту Международной космической станции, а сам эксперимент называется SEXTANT (Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology).

Логика работы данного прототипа навигационной системы такая же, как описана в научной фантастике: периодические сигналы пульсаров обладают высокой стабильностью, соответственно, если их правильно подобрать, то можно вычислять положение приёмника. Что и продемонстрировали для МКС – отклонение (радиус) получилось лучше 10 миль, для космической навигации вполне достаточно (обещают улучшить).

А, так сказать, с литературной точки зрения, самое занятное – это если выяснилось бы, что пульсары действительно являются маяками, созданными некоторой древней цивилизацией, а сейчас земляне научились использовать их в своих навигационных целях.

Спускаемый марсианский модуль “Скиапарелли”, как сообщает ESA, возможно, потерян: телеметрия неожиданно обрывается, похоже, что алгоритм торможения был выполнен нештатным образом. Посадка модуля на Марс – задача сложнейшая, ESA тут всё ещё продолжает тестировать технологии.

Очень смелое заявление для SpaceX – они собираются доставить тяжёлый аппарат на Марс не позднее 2018 года (ссылка на Washington Post, там, соответственно, вся статья построена на историческом противопоставлении космических достижений США и СССР). 2018 – слишком близко. Конечно, новые методы проектирования и имеющийся задел мог ли бы помочь, но пока что это выглядит нереальным сроком.

Очевидно, что основная технологическая проблема – это посадка на Марс: там сложен не столько сам метод посадки (торможение и пр.), сколько навигация – для того, чтобы система посадки смогла сработать в штатных рамках, нужно тщательно вывести аппарат на требуемую траекторию. Маневрирование должно выполняться в автоматическим режиме. Правда, соответствующий опыт есть у NASA – это единственное агентство, которое, в недавнем прошлом, успешно доставляло на Марс относительно тяжёлые аппараты. NASA обещает опытом поделиться.

У SpaceX есть опыт посадки ступеней своих ракет на плавучую платформу. Это тоже непростая задача, но это другая задача, если сравнивать её с посадкой на Марс. Там и скорости будут другими, и система в целом. Так что особой пользы от отработанных программ и алгоритмов не будет, нужны другие алгоритмы и программы. Но, конечно, если всё получится, это будет серьёзный прорыв. Там и до пилотируемого полёта вдруг станет сильно ближе.

День Космонавтики. Традиционная ракета.

(А. Леонов, А. Соколов, «”Восток” направляется на старт».)

Первая ступень ракеты-носителя SpaceX Falcon 9 совершила успешную посадку, а сама ракета при этом успешно вывела на орбиту несколько спутников.

Всё это обещает существенное удешевление доставки на околоземную орбиту.

Как известно, гражданский сигнал GPS может быть модифицирован оператором так, чтобы резко снизить точность (либо вообще сделать использование сигнала бесполезным). Искажения можно включать для определённых регионов на земле (сейчас пишут про территорию Сирии). Военный сигнал не только отделён от гражданского, но и содержит дополнительные ключи и опорную информацию, поэтому продолжает давать точные данные, если только его не задавили помехами. Ставить помехи масштабным военным системам GPS не так уж и просто. А самое интересное, что отличным инструментом порчи спутниковой навигации является помехопостановщик, находящийся на орбите. Я писал об этом несколько лет назад, и не один раз. Так что интереснее обсуждать вариант, когда GPS не только портит свой сигнал, но и служит источником помех для конкурирующих систем, конечно, только над некоторой территорией. (Естественно, никто не отменял различных секретных спутников, также находящихся на орбите – но они не так хорошо подходят для глобального воздействия, просто потому, что их меньше, и они вряд ли предназначены для таких экзотических задач.)

Addon: поясню – основное преимущество спутника GPS, как активного помехопостановщика, мешающего работе других систем (например, ГЛОНАСС), в том, что этот спутник заточен на работу со сходными сигналами. То есть, он оснащён передатчиками, антеннами и задающей управляющие параметры вычислительной техникой, которые предназначены для формирования именно такого сигнала, который используют приёмники других систем. Естественно, кодирование и частоты отличаются, но они логически очень близки к возможностям спутника GPS.