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”.)

Один из интересных аспектов GPS-спуфинга состоит в том, что для определения результата действия подменного сигнала нужно учитывать возможную коррекцию, выполняемую тем аппаратом, система управления которого попала под спуфинг. Простейший пример: предположим, некоторый летающий дрон, согласно команде, должен висеть на одном месте; точка фиксируется по сигналу GNSS (GPS), но такое зависание подразумевает непрерывную подстройку и аэродинамическую коррекцию – необходимо, как минимум, компенсировать снос ветром; тогда, если спуфинг-сигнал уводит координаты, получаемые приёмником GPS, то система управления начнёт компенсировать возникающее ложное отклонение – аппарат придёт в движение, несмотря на то, что система будет полагать, что таким образом сохраняет координаты и “висит” на месте.

Движение будет соответствовать спуфинг-сигналу, но, так сказать,с точностью до знаков: если ложный сигнал уводит координаты на восток, то аппарат полетит на запад. Понятно, что “фиксированная помеха” с простой, не изменяющейся, подменой координат, тоже приведёт к похожим результатам. Однако с помощью динамической помехи – можно плавно управлять аппаратом. Конечно, постановка подобной уводящей помехи – сложная задача, и отчасти тут всё равно могла бы помочь инерциальная система (в случае “фиксированной помехи” – инерциальная система оказывается куда более эффективной в роли элемента противодействия). Тем не менее, если верить сообщениям в СМИ, схожая ситуация недавно сложилась с тракторами, управляемыми по сигналам GPS, уже только под воздействием обычных помех, а не динамического спуфинга.

О принципах, на которых работает GPS-спуфинг (или GNSS-спуфинг) – я довольно подробно писал почти восемь лет назад.

В прошлом году (да и раньше – надо бы сделать подборку) я писал про возможности по анализу навигационного поля GNSS, которые есть у провайдеров различных распределённых сервисов. Цитата:

“Так вот, если у вас есть устройства “на местах”, которые приносят дополнительную информацию, а не только “координатные данные” GPS, то можно на центральном сервере выстраивать динамику изменения реального навигационного поля по сравнению с моделью, учитывающей только положение и состояние спутников. Это позволяет не просто получить корректирующую величину для всех участников системы, но также увидеть возникающие на местах пространственные дефекты и искажения с развёрткой по времени (то есть, не просто спуфинг), что весьма ценно.”

Вот, судя по описанию, сходным, – но не совсем похожим на описанный выше, – образом, и работает сервис от Flightradar24, показывающий помехи GNSS.

Много интересной информации в реальном времени может, – в теории, – вычислять, например, “Яндекс” со своими приложениям на смартфонах. Впрочем, для обработки данных потребуется задействовать довольно сложный вычислительный механизм, вряд ли удастся обойтись “обучением нейронки”.

Логичное развитие навигационных приложений в смартфонах – использование, в дополнение к ненадёжной спутниковой навигации, сети наземных маячков: Google уже встраивает поддержку в своё приложение. Понятно, что концепция совсем не новая (наоборот – это возврат к системам, действовавшим до появления GPS), но тут речь про массовый заход со стороны потребительских устройств с GPS, а это уже новое направление. Пока что речь про маячки в туннелях, но, понятно, подход легко переносится и на другие ситуации.

Из очевидных, – казалось бы, – особенностей обработки радиосигналов: определять координаты (точечного) источника радиосигнала можно и при помощи одного приёмника, если этот приёмник движется, знает свою траекторию, а также знает параметры сигнала источника в точной привязке ко времени. Тогда можно вычислить рассогласование (по фазе) между сигналами в разных точках траектории приёмника, это рассогласование позволит построить “фазовый фронт”, а по его “кривизне” уже можно рассчитать координаты источника. Грубо говоря, если передатчик-пищалка излучает “чистую синусоиду”, то, определив фазу в одной точке, можно переместить приёмник и посчитать рассогласование фаз между этими точками (но, конечно, нужно учитывать, что не произошло перехода через целый период). На этом же геометрическом принципе основано синтезирование антенных апертур.

Вовсе не обязательно зацепляться именно за “чистые гармоники”, как в простом примере выше, годится произвольный сигнал, характеристики которого известны заранее в развёртке по времени. То есть, фиксируется опорный кадр времени “внутри сигнала” в начальной пространственной точке приёмника, потом новые кадры, записанные в других точках, сдвигаются по времени к опорному кадру – сдвиги как раз и дают нужные данные: разницу в расстоянии до источника. Ну или, если хотите, можно считать, что в начальной точке синхронизируется временная шкала, а потом измеряется расхождение в других точках (это основа радионавигации). Да, схема полностью полагается на предсказуемость свойств сигнала, потому что в двух разных точках этот сигнал измеряется в разное время. И если сигнал передатчика совсем уж непредсказуем, то возникнут проблемы, поскольку непонятно, что с чем сравнивать, и таки придётся использовать несколько приёмников с синхронизацией внешнего времени. Однако очень многие современные сигналы, – в том числе, носители “цифровых каналов связи”, – имеют “внутри” подходящие метки – синхроимпульсы различного типа.

В продолжение записки про OBD-шину и приложение-навигатор “Яндекса”, которое страдает от помех GPS (или помех другой системе спутниковой навигации). Я несколько лет назад описывал, как, в принципе, работает GPS-спуфинг. Что касается данных OBD в этом контексте (оставим безопасность систем автомобиля для другой записки): OBD позволяет, например, получить в реальном времени данные о (расчётной) скорости движения автомобиля – это уже довольно много. То есть, если навигационный приёмник попал “под помеху”, то, предположим, оказывается, что по данным OBD автомобиль движется, а согласно сигналу спутниковой навигации – стоит на месте. Соответственно, данные о скорости из OBD позволяют центральному серверу не только обнаружить спуфинг, но и получить некоторые характеристики сигнала помехи, сравнивая данные, поступающие от многих приложений, которые имеют доступ к локальным данным OBD. Спуфинг, конечно, можно обнаружить и без OBD, я не так давно писал:

Так вот, если у вас есть устройства “на местах”, которые приносят дополнительную информацию, а не только “координатные данные” GPS, то можно на центральном сервере выстраивать динамику изменения реального навигационного поля по сравнению с моделью, учитывающей только положение и состояние спутников. Это позволяет не просто получить корректирующую величину для всех участников системы, но также увидеть возникающие на местах пространственные дефекты и искажения с развёрткой по времени (то есть, не просто спуфинг), что весьма ценно.

Однако каждый дополнительный источник информации тут сильно помогает. Ну, возможно, сравнительный анализ данных от навигаторов – реализовать слишком сложно, так как это требует большой разработки. А вот показатель скорости, поступающий от автомобиля через OBD, предоставляет существенно более простой способ обнаружения, хотя бы, сбоев навигации. Выстроить эффективную коррекцию по данным OBD вряд ли получится, поскольку слишком разнится качество данных, но предоставить минимальные поправки и визуальный флаг наличия помехи в интерфейсе – нетрудно. В качестве бонуса – полные данные о конкретном автомобиле (удобно наполнять базу – можно техническую проверку проводить, формировать отчёты) и даже возможность, потенциальная, прямо влиять на работу его агрегатов.

Пишут, что “Яндекс” рассылает концепцию некоторого устройства, которое подключается к информационной/управляющей системе автомобиля (OBD) и использует данные для “коррекции GPS” (на случай сбоев) в навигационном приложении, работающем на смартфоне. Это, конечно, вовсе не будет “инерциальной навигационной системой”, но помочь может. Вот только сама идея предоставить прямой и максимально полный дистанционный доступ к электронной системе автомобиля некоторому внешнему сервису – имеет много побочных эффектов. Так что, возможно, это какое-то ошибочное сообщение, приписываемое “Яндексу”. Посмотрим.