dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

СМИ пишут, что Военно-морская академия США “возвращается к преподаванию астрономической навигации“. Но, похоже, речь всё же идёт о курсах практического обращения с секстантом. Вряд ли астрономическую навигацию не преподавали (как там пишут в статье, якобы, с конца 90-х годов): потому что не понятно, как вообще можно строить курс по навигации, обойдя астрономию. Собственно, для изучения GPS тоже требуется знание астрономических основ (а для подробного изучения – ещё и специальная теория относительности потребуется, да). Тем не менее, сама подача “возвращения секстанта” – занятна. Обоснованием служит наличие киберугроз. Последние стали настолько универсальным “пугателем”, что сейчас разве что выпуск нового сорта мыла не связывают с киберугрозами (видимо, недолго ждать).

Естественно, GPS не является абсолютно надёжным инструментом. Систему можно сломать, особенно если речь идёт о конкретном корабле. Поэтому полагаться только на GPS неверно. Однако кроме секстанта и справочников – есть и другие навигационные инструменты. Более того, чисто астрономические методы также давно автоматизированы: по Солнцу, Луне и звёздам может ориентироваться автомат, снабжённый оптикой и вычислителем.

Секстант, несомненно, полезен, но очень неэффективен. Особенно в случае с современным кораблём, где системы управления всё равно электронные. Полагать, что возможна ситуация, когда определённое вручную местоположение может сыграть какую-то роль на современном корабле, где, видимо, уже отказали все электронные системы, но неуправляемый корпус ещё продолжает куда-то плыть, и вот нужно уже дать ответ на удивлённый возглас капитана “а где же мы?” – ну, это что-то из области литературных рассказов. Хотя, конечно, придумать подобные кинематографические сценарии несложно. Сложно сделать их реалистичными.

Всё это никак не отменяет необходимости изучения секстанта на курсах штурманов. И не отменяет существования других приёмов навигации, кроме как основанных на использовании GPS или секстанта с линейками, циркулями, транспортирами и таблицами.

Популярная новость – DARPA продвигает разработку новых автоматических систем навигации, независимых от GPS. Основные недостатки спутниковой навигации растут из того факта, что она использует сильно удалённый от навигационного приёмника, внешний “базис” – то есть, сами спутники. Отсюда и возможные проблемы с получением сигнала, который, к тому же, могут испортить разными помехами. С другой стороны, для практически полезной навигационной системы всё равно нужны некие опорные точки, и спутники, передающие навигационный сигнал, не самый плохой вариант. Пожалуй, сошлюсь на старую заметку по этой теме, трёхлетней давности – “Автоматический навигатор, без спутников“.

Вообще, инерциальная система с суперсовременными гироскопами и акселерометрами выйдет весьма точной, особенно для типичных задач применения портативных навигаторов – передвижения по незнакомой местности. Устройство может быть нечувствительно к ударам и разного рода электромагнитным помехам. А если в распоряжении подразделения несколько навигаторов, то они даже могут корректировать друг друга.

Если автомобиль, транспортирующий станцию генерации панорам улиц, записывает ещё и идентификаторы (а также – радиотехнические сигнатуры) точек доступа WiFi, – естественно, с привязкой к местности, – то позже можно построить “навигационное поле”, используя данные о местоположении точек доступа. Не сложно предположить, что по такому навигационному полю, – особенно, если оно задано для “чужой территории”, – полетят беспилотники и прочая ракетная техника. Но насколько такое поле полезно в реальности?

Во-первых, точки доступа тухнут и перемещаются, внося искажения в навигационную карту. Конечно, достаточная плотность и разнообразие устройств уменьшают искажения, но серьёзная навигационная система всё равно должна уметь их, искажения, вычислять. Эта способность, будучи реализованной в программном коде, принесёт с собой ошибки и потенциальные проблемы с навигацией.

Во-вторых, точность навигации по WiFi оставляет желать лучшего: быстрый летательный аппарат просто не сможет использовать такую систему, так как характеристики накопления погрешности превысят все разумные ограничения. Сведения о местоположении точек WiFi могли бы быть полезны какому-нибудь роботу типа “Ленивец”, неторопливо ползущему по стенам домов. Но это весьма экзотическое, в смысле практической пользы, устройство. По сравнению с другими источниками “опорных” радиосигналов, вроде станций GSM и радиовышек, WiFi, в городах, предлагают большее число видимых точек, а также удобный для “захвата” сигнал (из-за используемого кодирования). Но в случае каких-то катастрофических периодов – эти точки исчезнут раньше, чем прочие системы связи.

В-третьих, если вынести за скобки GPS, для беспилотников останутся доступны другие средства навигации, прежде всего – привязка к местности по визуальным ориентирам и рельефу. У наземной робототехники с этим сложнее, но раз у нас всё равно отсняты панорамы улиц, – да ещё, наверняка, с геометрией зданий, – то и наземной технике WiFi особенно не нужен: при должном математическом обеспечении на борту, по зданиям можно ориентироваться даже в случае наличия серьёзных разрушений, а вот WiFi, в таком печальном случае, уж точно станет редкостью.

Тем не менее, так как память для бортовой вычислительной системы сейчас более чем доступна, загрузить в неё и данные по точкам доступа WiFi – вдруг пригодится в какой-нибудь экзотической ситуации?

Спутники GPS, помимо того, что обеспечивают глобальное позиционирование или, например, общее точное время, ещё и служат платформой для штатовской системы обнаружения ядерных взрывов (другая часть этой же системы находится на несвязанных с GPS геостационарных спутниках). Система, прежде всего, нацелена на мониторинг атмосферных и наземных испытаний, но, в теории, может служить и для детектирования подземных взрывов.

Благодаря тому, что спутников GPS достаточно много и они расположены так, чтобы обеспечивать полное покрытие земного шара, система позволяет вести мониторинг всей планеты в реальном времени. Второй полезной особенностью такой космической платформы является то, что для спутников GPS положение в пространстве известно с высокой точностью. Детекторы, наблюдающие за возможными взрывами, собраны в отдельные модули, которые ставятся на спутники в качестве дополнительной “полезной нагрузки”. Используются оптические сенсоры, приёмники рентгеновского излучения, а также сенсоры, предназначенные для измерения электромагнитных эффектов (ЭМ-импульса) взрыва.

Такое вот использование GPS. Естественно, оптические системы модулей могут послужить и для наблюдения за пуском ракет, в целях предупреждения о ракетном нападении. Впрочем, для этой цели – они вряд ли эффективны.

(Вынесу сюда из комментов.) Как, в общих чертах, работает спуфинг для GPS? Чтобы разобраться, нужно вспомнить, что такое сама эта GPS в генеральном, так сказать, смысле. GPS позволяет приёмнику определить с высокой точностью расстояние до нескольких спутников, входящих в состав системы. Расстояние вычисляется на основе принимаемых со спутников радиосигналов, ключевыми моментами является знание точного времени, действующего во всей системе (приёмник + спутники), и информация о точном местоположении спутников в каждый момент времени. Дальше – чистая геометрия. Понятно, что для практической работы простого приёмника потребуется четыре спутника (почему, кстати, не три?), до которых известно расстояние, и так далее, и тому подобное.

Спуфинг основан на нескольких особенностях системы (речь о гражданском канале GPS). Во-первых, сигналы и информация об астрономическом движении – открытые, поэтому, используя приёмник, находящийся в какой-то точке Земли, можно точно вычислить сигнальную обстановку GPS в любой другой точке в заданный момент времени (ну, если владельцы системы не внесли специальных помех, да). Вычислить эту обстановку можно с упреждением по времени. Во-вторых, опять же из-за того, что сигналы открытые и незащищённые, а к тому же слабые, требующие накопления для детектирования навигационной информации, можно сгенерировать поддельный сигнал GPS, который будет близок к реальному. Передатчик этого сигнала может находиться на земле, где-то неподалёку от того приёмника, который спуфят – задавить реальный сигнал по мощности несложно. В-третьих, активная помеха должна изменяться, имитируя движение атакуемого приёмника. Соответствующие параметры помехи вычисляются либо заранее, либо в режиме онлайн.

Дальнейшее развитие ситуации, думаю, особых пояснений не требует: приёмник передаёт в систему управления новые координаты, изменяющиеся, система управления старается компенсировать “дрейф” – и беспилотник, который должен был висеть на одном месте, начинает снижаться и, скажем, падает.

Теперь предположим, что навигационная система использует несколько “внешних” источников навигационной информации. Например, GPS + ГЛОНАСС. С одной стороны, такая система может обнаружить расхождение между показаниями, если GPS “подспуфили”. Но не ясно, что в таком случае этой системе делать? Она не может определить, происходит ли спуфинг GPS или, наоборот, ГЛОНАСС. И почему, кстати, GPS заслуживает меньшего доверия, чем ГЛОНАСС? Если отключать навигацию при каждом расхождении показаний, то возникают новые требования к синхронности двух независимых навигационных источников. То есть, дополнительный риск отказа без всякого спуфинга.

Пусть источников для навигации – три. Добавим Galileo. В такой конфигурации можно было бы выбирать два источника, как-то совпадающие в показаниях, до некоторого порога. Проблема в том, что помехопостановщик может один из навигационных сигналов подавить, это даже проще, чем спуфить, а активную помеху поставить любому другому сигналу.

Теоретически, побороться с такой неприятной проблемой можно при помощи криптографии. Допустим, навигационные сигналы подписаны, открытый ключ для проверки зашивается в приёмник (в навигатор, хорошо), вместе с картами. Ключ можно обновлять и менять. Схемы отработаны. Теперь приёмник может определить, что он принимает поддельный сигнал. Это, правда, никак не помогает бороться с глушением сигнала полностью, но исключает проблему с “перехватом” управления тем или иным устройством, которое полагается только на спутниковую навигацию. Впрочем, в случае с криптографией, наложенной на слабые сигналы, возникает целый ряд новых проблем: как быстро проверять подпись? какой временной “фрейм” подписывать (понятно, что нельзя удостоверять каждую микросекунду сигнала)? и так далее. Поэтому, автономная инерциальная навигационная система, в качестве опорной, всё равно не помещает. Тем более, что спуфинг можно обнаруживать даже простым акселерометром.

В продолжение воскресной записки. У важнейшего класса подводных лодок есть ещё одна проблема при автономной подводной навигации: это пуск ракет. Так как точно определить своё местоположение лодке затруднительно, то ракеты с подводным стартом нужно оснащать специализированными навигационными системами. На практике они корректируются по дополнительным ориентирам, по звёздам. То есть, уже после старта, ошибки, которые обязательно возникнут в инерциальной системе навигации, – исправляются древнейшим из известных человечеству способов навигации. Использовать GPS тут нельзя потому, что в глобальном конфликте данная система может оказаться уже недоступной, а доставлять боевые блоки всё равно нужно точно, и с гарантией. При этом подводный старт вносит дополнительные проблемы, потому что лодка-носитель неизбежно движется в момент выброса ракеты.

Получается, что для минимизации ошибок и обеспечения дополнительной точности полёта ракет лодки должны патрулировать в районах, где есть возможность хорошо привязать собственное положение “к местности” – то есть, там, где собрано достаточно сведений об ориентирах (рельеф дна). Для привязки придётся останавливаться и замерять собственное положение, что, наверное, может лодку демаскировать. Но в условиях получения команды на пуск ракет – это уже не так уж важно.

Правда, в качестве “точек привязки” могут служить заранее расставленные буи, которые “знают” своё местоположение – в таком случае, лодке достаточно хорошо синхронизировать время с временем на буе и уже информацию о расстоянии от буя использовать для исправления ошибок инерциальной навигационной системы. Так как корректировку можно проводить из нескольких точек (если лодка движется), то уже один буй будет неплохим помощником.