dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

Пишут, что в Штатах в проект бюджета минобороны на 2021 год включили статью, посвящённую созданию навигационных систем, которые не зависят от GPS. Соответствующие системы должны быть предложены в 2023 году, то есть, совсем скоро. Озвученная причина – рост эффективности помехопостановщиков GPS: действующие в разных “горячих точках” силы и формирования регулярно сталкиваются с практической бесполезностью навигационных приборов, полагающихся на GPS, в том числе, на военный сигнал. Несколько лет назад я довольно подробно описывал то, как устроен спуфинг GPS. Не приходится сомневаться, что принципы спуфинга остались те же, а вот аппаратурная составляющая за это время наверняка сильно развилась.

Вообще, благодаря достижениям современной твердотельной электроники, сделать точный, надёжный, компактный и относительно дешёвый навигатор, основанный на приёме сигнала GPS – гораздо проще, чем, например, независящую от внешних сигналов инерциальную систему. Поэтому все держатся за GPS (ну и, опять же, финансирование создания и выведения на орбиту спутников, но это из другой области история). Основной проблемой для инерциальных систем является быстро накапливающаяся погрешность, причём, чем дешевле, меньше и проще система, тем быстрее падает точность. Скорее всего, возможны довольно устойчивые варианты на базе “микромашин”, но их только разрабатывают. Поэтому интересны комбинированные решения, где неточная инерциальная система регулярно и часто (например, раз в минуту) корректируется по внешнему сигналу, который, к тому же, сложно испортить помехой.

Одним из весьма эффективных вариантов оказывается использование в качестве источника такого сигнала большого количества космических аппаратов с общими синхронными часами, находящихся на низкой орбите, с которыми возможен обмен широкополосными сигналами. То есть, это уже не GPS. Это – в точности схема “спутникового Интернета”, предложенная, например, SpaceX (Starlink).

Как может помочь такая схема? Во-первых, есть возможность использования широкого спектра частот для связи со спутниками (в обе стороны, заметьте) – это означает, что можно применять замаскированные шумоподные сигналы: коррелятор, которому известен действующий секретный ключ, сможет успешно выделять и накапливать полезный сигнал спутника, распределённый псевдослучайным образом по полосе в несколько сотен мегагерц. Во-вторых, наличие на спутниках антенн с активным синтезом апертуры позволяет формировать достаточно узкие лучи – эти лучи могут быть направлены конкретному наземному пользователю, доставляя персональный сигнал (понятно, что точность формирования пятна приёма – сечения луча – всё равно, даже в идеальных условиях, составит сотни метров, но этого более чем достаточно). В-третьих, наличие широкого и доступного всем наземным терминалам (а не только станциям управления) канала в сторону спутников поможет активной коррекции сигнала в ответ на изменение обстановки в эфире, наблюдаемой конкретным приёмником.

Разберём все эти аспекты подробнее. Первый аспект – широкополосный сигнал. Современный сигнал GPS – узкополосный, более того, он использует кодовое разделение для каналов разных спутников. Широкая полоса делает возможным накопление коррелятором сигнала не только по времени, но и по частоте, а это существенно увеличивает возможности по повышению чувствительности. Такой “двумерный” подход вообще несравнимо богаче в плане кодирования, чем “одномерное” накопление по времени. При этом потенциальный помехопостановщик оказывается в сложной ситуации, так как ему нужно одновременно закрывать большую полосу, что требует много энергии даже в том случае, если помеха работает избирательно. Вообще, точно такая же техника опережающей отстройки от активных помех давно известна в радиолокации – излучатель локатора передаёт зондирующий сигнал на нескольких несущих частотах, при этом использует отражённый сигнал, который соответствует только одной из этих частот (ну или некоторой сложной комбинации нескольких).

Аспект второй – формирование узкого луча для канала в сторону наземной станции. Главное преимущество состоит в том, что помехопостановщику становится трудно принять тот же сигнал, который получает приёмник наземной станции. Конечно, всегда есть отражения, “боковые лепестки”, вторичное излучение и прочие эффекты, но их анализ в целях выявления полезного кода – несравнимо сложнее, чем приём общего сигнала. Вспомним, что сигнал ещё и кодируется индивидуально, с псевдослучайной заменой частот. Дополнительное преимущество – наземный приёмник получает больше возможностей по отстройке от простых широкополосных помех на основании направления на источник помехи. Отдельно нужно рассматривать возможность согласованного формирования лучей несколькими спутниками – тут и точность формирования “пятна” можно повысить, и защиту сигнала улучшить.

Третий аспект – индивидуальный канал в сторону спутников. Приёмник, используя этот канал и ключи аутентификации источника, может безопасно выработать общий со спутниковым источником сигнала секретный ключ, а далее периодически этот ключ заменять. Секретный ключ нужен для формирования псевдослучайной последовательности, задающей непредсказуемые для третьей стороны модуляцию и кодирование полезного сигнала, передаваемого спутником. А обнаружив эффективную помеху, если она всё же возникла, терминал может её непосредственно измерить и запросить смену кодирования, либо перейти на другую конфигурацию спутников.

Именно эти три аспекта, если их сложить вместе, позволяют создать хорошо защищённую от помех точную навигационную систему. Скорее всего, как отмечено выше, система будет комбинированной: спутниковый сигнал служит для коррекции автономных инерциальных систем. При этом спутниковые терминалы, требующие достаточно больших по размерам и тяжёлых антенн (ФАР), могут находиться на опорных станциях, например, на автомобилях или самоходных роботах, а носимый вариант навигатора, также имеющий встроенную инерциальную систему, будет взаимодействовать по радио с опорной станцией.

Что касается расположения спутников на низкой орбите: это снижает задержки, как и в случае организации интернет-доступа, а большое количество спутников (также диктуемое низкой орбитой) добавляет ещё один слой перемешивания: приёмник может выбирать сложные конфигурации спутников, используемых им в данный момент.

Естественно, Starlink – только один из примеров реализации подходящей технологии.

(Кстати, в 2012 году я писал о гипотетическом навигаторе, работающем без GPS.)

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.

На сайте ESA опубликован отчёт по результатам анализа причин потери аппарата “Скиапарелли” на Марсе. Аппарат, напомню, разбился, так как не выполнил программу торможения и посадки. Отчёт довольно подробный, но некоторых технических деталей всё же не хватает (нет подробного описания архитектуры программного обеспечения и средств разработки, например; нет описания моделей движения и пр.). Авария произошла из-за того, что аппарат преждевременно перешёл в конфигурацию завершающего спуска, отстрелив парашют и проведя минимальное (3 секунды) “окончательное торможение” реактивными двигателями на высоте около 3,7 км. Последовавшее свободное падение завершилось ударом о поверхность Марса с предполагаемой скоростью около 150 м/сек.

Основной результат расследования такой. Причин у нештатного падения аппарата несколько: во-первых, использовавшиеся при разработке модели динамики парашютной системы не обладали достаточной точностью; во-вторых, логика системы управления, – по большей части, это логика в программном коде, – не учитывала возможных “экстремальных” или ошибочных данных, которые могли поступать с различных датчиков (прежде всего, инерциальная навигационная система); в-третьих – при проектировании даже не попытались заложить в систему какую-то устойчивость, а просто рассчитывали на то, что работа всех частей не выйдет за пределы некоторой упрощённой модели, которую сочли эквивалентной штатному снижению (и даже тут ошиблись).

Почему-то в СМИ пишут, что причиной падения “Скиапарелли” стала “тригонометрическая ошибка”, типа, неверно учли “знак значения синуса”. Из отчёта такой вывод не следует. Ошибка с расчётом угла положения (по одной из осей аппарата), приведшая в итоге к “отрицательной высоте” (расчётной) и преждевременному включению последовательности приземления, действительно упоминается, но причина её в том, что сигнальный флаг модуля инерциальной системы навигации, сообщавший о запредельных измеряемых параметрах, действовал слишком долгое время – это не было учтено в логике работы, так как разработчики почему-то рассчитывали на максимальную продолжительность такого режима в 15 мс. А главное, что ключевой дефект совершенно не в этом: так, если бы система управления была спроектирована должным образом, то она могла бы легко компенсировать и ошибку в определении угла, и даже вычисленную “отрицательную высоту”; последняя, впрочем, тогда и не возникла бы. Для компенсации не требовалось даже резервировать системы, достаточно было грамотно сверять имеющиеся данные от нескольких сенсоров (инерциальная система, таймер, радиовысотомер) между собой и с моделью движения. Более того, точное моделирование могло ещё на Земле показать, что возможны ситуации с запредельными угловыми скоростями, соответственно, их необходимо учитывать в логике системы управления. Именно об этом и сказано в отчёте.

Вообще, довольно странно и непривычно наблюдать, что логика в системе управления посадкой аппарата на Марс строится из самых оптимистических надежд на то, что посадка будет развиваться самым простым и благоприятным из возможных вариантов. Как будто проектируется веб-сайт с кодом на PHP (готовым для инъекций запредельных значений), а не система посадки на другую планету.

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.

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.

В Сети опубликовали снимки, изображающие штатовские разведывательные спутники серии Lacrosse (Onyx), используемые NRO. Снимки, как пишут, сделаны российской наземной станцией. Это спутники, оснащённые, помимо прочего, радарами высокого разрешения. Запускались в период с 1988 по 2005 год.

Антенны, установленные на спутниках, можно использовать и в пассивном режиме, принимая излучаемые с земли сигналы. Либо – принимая сигналы, излучаемые другими спутниками. “Многополярная” радиолокация с околоземной орбиты вообще может о многом рассказать. Размеры антенн хорошо видны на снимках. При этом, Lacrosse 5 использует прямоугольную антенну (скорее всего, это активная решётка). Что вполне ожидаемо для относительно современного спутника, запущенного в 2005 году. Основная проблема с подобными антеннами – это их упаковка: средства вывода на орбиту стеснены в объёмах, поэтому антенна конструируется разворачивающейся по той или иной сложной схеме.

Lacrosse 2.

Lacrosse 3.

Lacrosse 4.

Lacrosse 5.

(Источник снимков.)

Пишут, что на орбите взорвался относительно старый спутник, занятый в военной метеорологической программе (DMSP). Спутнику около 20 лет. С чем связано его неожиданное разрушение – не ясно. Впрочем, спутников сейчас так много, что число “странных происшествий” может только возрастать.

Конечно, самая занятная версия: демонстрация некоторого секретного противоспутникового оружия. Такое оружие может быть как наземного, так и орбитального базирования. Для “наземной версии” интересен тот факт, что перед взрывом, как пишут, на борту спутника возросла температура – то есть, его, скажем, “подогрели” с земли. Хотя, какой-нибудь орбитальный лазер тоже мог “зажарить” спутник, даже имея небольшую мощность: отвод излишнего тепла – большая проблема для аппаратов, летающих в безвоздушном пространстве. Но, впрочем, это всё фантастика.

На фотографии ниже – оптическая наземная станция ESA подсвечивает лазерным лучом оптическое же оборудование на борту МКС.

(Источник фото.)

Лазерные системы связи для спутников позволят передавать данные с большими скоростями, обещают до 7-10 гигабит/сек. Главное, чтобы с такой скоростью можно было принимать данные из космоса: потому что загружать туда, наверх, что-то объёмное – требуется редко (исключение составляют спутниковые каналы связи для наземного использования). Если же снабдить 10 гигабитным каналом спутник, то это предоставляет возможность получать с космических телескопов видео высокого разрешения в режиме реального времени, естественно, это будет видео, показывающее события, которые происходят на поверхности Земли.

Кстати, космический телескоп с адаптивной оптикой может избирательно следить за некоторыми движущимися объектами, не тратя разрешаюшую способность на окружающий пейзаж. Например, за самолётами. Не нужно постоянно сопровождать каждый из них, достаточно периодически переключать фокус, делая по кадру пять раз в секунду. Впрочем, за самолётами лучше следить при помощи радара. А вот для поиска подводных лодок, мощный телескоп, способный передавать на землю большой поток данных, – просто необходим. Тут важно, чтобы снимки синхронно делались в разных частотных диапазонах, лучше, если ещё и точки съёмки будут разными. Данные нужно передавать на землю для того, чтобы их анализировать в реальном времени мощным компьютером, который на спутнике не получится разместить по двум причинам: вес и потребляемая мощность.

У DARPA есть проект MOIRE, цель которого – получение новых оптических систем, пригодных для использования на спутниках (выведенных на геосинхронную орбиту, в частности). Новизна оптики заключается в том, что, благодаря принципиально иным техническим решениям (мембранным модулям), на орбите окажутся телескопы, чья разрешающая способность превысит показатели лучших современных систем в несколько раз. Так как огромные зеркала (или линзы) выводить на орбиту чрезвычайно трудно, предлагается построить трансформируемую систему, которая в сложенной конфигурации занимает минимум пространства, а разворачивается – в гигантский оптический прибор, с “зеркалом” диаметром 20 метров. (Есть видео, иллюстрирующее процесс разворачивания телескопа.)

(На картинке – сравнительные размеры зеркал различных телескопов и зеркала проекта MOIRE, в представлении художника; DARPA.)

Подобные конструкции-трансформеры, иногда весьма сложной структуры, давно используются на разведывательных спутниках. Только раньше таким способом сворачивались-разворачивались огромные антенны. Интересно, что именно эта инженерная задача – проектирование сложных механических “сворачивающихся структур” – в своё время стала одной из ключевых причин развития такой математической дисциплины, как компьютерная геометрия.

Мощные телескопы на геосинхронной орбите нужны для того, чтобы вести мониторинг большей части поверхности Земли (лучше – всей поверхности), в режиме реального времени, с большим разрешением. Такая система мониторинга позволяет оперативно глянуть из космоса в любой уголок нашей замечательной планеты – не нужно ждать прохождения спутника, заказывать “обзор” заблаговременно. Естественно, задачи, прежде всего, – разведывательные: все мощные орбитальные телескопы, которые сейчас используются астрономами, выросли из решения задач орбитальной разведки.

Подобная система мониторинга земной поверхности будет иметь дело с огромными объёмами данных. Примем, что площадь поверхности Земли – 510 млн квадратных километров, а полезное разрешение – 10 метров (пусть вертикальное совпадает с горизонтальным, тогда в одном квадратном километре – 10 тыс. пикселей). Это означает, что один “снимок” поверхности Земли будет содержать 510*10^6*10^4 = 5,1*10^12, то есть, около 5 триллионов пикселей. Если мы записываем значение яркости пикселя с разрешением в 8 битов, то наш снимок займёт лишь около 5 терабайт в хранилище. Не так много, особенно если учитывать, что десятиметровое разрешение позволяет увидеть множество типов самолётов, прочей военной техники, идентифицировать типы кораблей, различать колонны грузовиков (или танков), в общем, немало. Но, естественно, для настоящей разведки требуется разрешение менее метра, что значительно увеличивает объёмы данных, не делая, впрочем, их фантастическими, потому что нужно же учитывать плюсы эффективного кодирования и прочей “дедупликации”.

Кстати, если спутниковая группировка пишет “видео всей Земли” с частотой 12 кадров в секунду, то суточный лог займёт (без сжатия) 86400*12*5Тб = (примерно) 5 эксабайт (или пять миллионов терабайт). Это уже много. Как минимум, такой объём сложно хранить на самих спутниках.

Основная проблема с большим объёмом данных, образующихся на орбите, в том, как их скачать на землю. Но несколько параллельных лазерных “даталинков”, идущих в наземные оптические телескопы, могут предложить весьма быстрый канал, который точно позволит вести в реальном времени мониторинг земной поверхности с низким разрешением, мгновенно переключая орбитальную оптику в “субметровый режим”, если потребовалось понаблюдать за каким-то отдельным регионом в деталях. Лазерные системы связи активно испытываются много лет, например, есть относительно свежий эксперимент NASA на МКС – Optical PAyload for Lasercomm Science (OPALS). Если данные передаются на землю со скоростью один гигабит в секунду, или в 100 мегабайт/сек, то изображение региона 100х100 км, с разрешением в 2 байтовых пикселя на метр, объёмом в 40 несжатых гигабайт, скачается примерно за семь минут. Очевидно, что оптимизация процесса позволит получать высококачественные снимки территорий всего через несколько минут после того, как эти снимки запросили. Задачи общего обзора и детального наблюдения могут быть разделены между спутниками. Всё это сильно приближает к реальности распространённый кинематографический сюжет, когда находящиеся на земле бойцы сил специальных операций за какие-то минуты получают на свои носимые компьютеры свежие космические снимки соседнего населённого пункта, позволяющие видеть фигуры людей на улицах.