dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

Сети спутников связи, работающие на низкой орбите, как Starlink, имеют немало преимуществ, которые свойственны именно сетям. Понятно, даже одиночный аппарат, но на низкой орбите, это уже снижение задержки сигнала, так как аппарат может быть очень близко. Очевидный факт. Но ничуть не менее очевидно, что если такой аппарат один, то, практически, он всегда будет очень далеко, если смотреть из любой точки на земле: спутник быстро движется по орбите, и даже если непосредственно над точкой оказывается, то на очень недолгое время. А потом и вовсе уходит за горизонт. Поэтому одиночные спутники связи и развешивают на геостационарной орбите, которая очень высокая – почти 36 тыс. километров. Даже если удалось удачно расположить приёмник на земле ии поймать такой спутник в луч антенны, задержка (“пинг”) будет долгой: сигналу только лететь больше 230 мс, если в обе стороны. А на низкой орбите – нужны сети спутников.

Представьте, что наземный терминал работает на какой-то очень подвижной технике. Если это устаревшая система с геостационарным спутником и тарелкой-рефлектором на земле, то тарелку нужно как-то удерживать наведённой на спутник. Если носитель тарелки быстро перемещается, – едет по склонам и кочкам, предположим, – то нужна быстрая стабилизирующая платформа для антенны. А тут ещё и до спутника далеко, то есть, затухание само по себе сильное, поэтому каждая небольшая ошибка стабилизатора антенны существенно ухудшает доступный уровень сигнала.

Если же у нас и несколько близких спутников всегда в поле зрения, и используется суперсовременная фазированная антенная решётка с электронным управлением лучами, то задача стабилизации совсем другая: электронный переброс лучей выполняется несравнимо быстрее, да и направлений для их переброса всегда несколько, так как несколько спутников. В общем, механическое сканирование для стабилизации сигнала вообще может и не требоваться. Это как раз вариант для Starlink. Точнее, для Starshield – для военной ветки данной системы, которая разрабатывается и работает для SDA (Space Development Agency).

Другой момент. Низкоорбитальная спутниковая сеть связи позволяет транслировать потоки информации по кратчайшёму пути. Если один из спутников осуществляет разведку, – например, при помощи телескопа, – то получаемое изображение можно транслировать потребителям прямо через спутники сети, минуя какой бы то ни было наземный центр управления. Если бы центр управления требовался, то время доставки было бы больше, кроме того, передача данных занимала бы каналы именно к центру управления, и потребителям информации пришлось бы конкурировать, получая слоты по времени передачи.

Сетевая, распределённая архитектура лишена этих недостатков. Тут получается онлайн-доступ к спутниковой разведке, технология, которую раньше описывали в фантастических произведениях: видеопоток с орбитального телескопа, направленного в нужную точку поверхности Земли, поступает в режиме реального времени (ну, хорошо, что-то близкое к этому). То есть, технически, это вариант IP-сети, но на орбите – динамические маршруты передачи данных выстраиваются близкие к оптимальным, а информационный канал, – сокет, – создаётся сразу между сервером-телескопом и клиентами – то есть, наземными терминалами. Это весьма важно для автоматических систем наведения, где каждая миллисекунда задержки играет существенную роль. Вместо телескопа, работающего в видимом диапазоне, может быть спутниковый радар, с синтезированием апертуры. Да, в этом случае видеопотока не будет, но синтезировать можно на интервале в несколько секунд, и тут же отправлять готовый результат заказчику: с низкой орбиты так можно эффективно наблюдать даже небольшие ракеты.

Я не раз писал, что низкоорбитальные спутники предоставляют прекрасную платформу для размещения наблюдательных систем. Системы, конечно, наблюдают за поверхностью Земли, за тем, что летает невысоко над поверхностью, а также и за тем, что находится неглубоко под поверхностью (поскольку спутники работают синхронно, образуя наблюдательную сеть). Ars Technica сообщает, что данная тема активно развивается: планируют запустить опытный космический наблюдательный аппарат Clarity-1 на орбиту с высотой около 270 км. Если так, то это половина от высоты многих элементов Starlink. Аппарат достаточно большой – тянет на 530 кг.

Вообще, тут каждый километр высоты приносит очень много: интенсивность принимаемого ЭМ-излучения падает пропорционально квадрату расстояния, а если у вас радар, то “квадрат” тут проявляется дважды – зондирующий импульс затухает в направлении зондирования, а потом ещё отражённый сигнал тоже затухает, пока идёт обратно. Три сотни километров – это очень близко.

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.

Всё больше появляется проектов космических аппаратов и систем, предназначенных для захвата и перемещения других аппаратов, находящихся на околоземной орбите. С одной стороны, такие системы, очевидно, не просто полезны, но и необходимы для удаления “космического мусора”. С другой стороны, мешающими аппаратами, нарушающими какие-нибудь очередные “распоряжения и санкции”, могут быть назначены произвольные искусственные спутники. На следующем шаге эти спутники официально, быстро и плавно сводятся с орбиты в направлении атмосферы Земли, вне зависимости от желания оператора спутника. Тут важный момент в том, что такой принудительный увод с орбиты является результатом последовательных действий, выполняемых по заранее подготовленным техническим нормам – понятно, что сбить-то спутник и так можно.

Конечно, целевой спутник, почуяв, – по подсказке с Земли, – угрозу принудительной “отставки”, может попробовать убежать от приближающегося “демонтажника”, однако это потребует расхода топлива, что, по своему действию, может оказаться эквивалентным “отставке”. Отдельный интерес представляет ситуация, когда группа “демонтажников” в нужный момент удаляет с орбиты сразу несколько ключевых аппаратов: “демонтажники” выводятся на орбиту сильно заранее, поэтому никаких пусков ракет-носителей непосредственно перед основным событием не потребуется.

NRO (штатовская военно-космическая разведка) продолжает выводить на околоземную орбиту свою специальную часть от более общей программы, связанной со Starlink от SpaceX. В этот запуск отправили, насколько можно понять, несколько десятков аппаратов. Вообще же речь тут про сотни спутников, которые, скорее всего, используют некоторые базовые компоненты, совпадающие со спутниками Starlink, а также разделяют со Starlink, как системой, технологии запуска и управления. Эти спутники выводят на низкую орбиту (от 300 км), так как задумана именно близкая к поверхности, быстрая система, которая позволит эффективно решать задачи разведки новыми способами: много точек наблюдения, обеспечиваемых работающей синхронно однотипной аппаратурой.

Я не так давно писал, что “сетевые спутники” на низкой орбите – это весьма мощный инструмент, поскольку они и всеракурсные, и находятся близко к поверхности (о чём постоянно, почему-то, забывают, переводя внимание на самолёты), и точность позволяют существенно улучшать при помощи согласованной обработки данных, и более надёжны, как система (много одинаковых независимых элементов – логически, кстати, похоже на АФАР). Например, такая конфигурация позволяет противодействовать всякому “затенению” в результате действий других аппаратов. Что, впрочем, работает и в другую сторону: спутники сами могут выступать в роли платформы поддержки РЭБ, не только по земле, но и в сторону прочих космических аппаратов, в том числе, находящихся на более высоких орбитах. А уже запущенная, “официальная” система Starlink тут может оказывать всестороннее содействие: предоставлять каналы связи, сигналы для точного наведения (наземные терминалы) и так далее.

“Коммерческий поставщик спутникового наблюдения” Umbra недавно сообщил, что там начали вводить в строй систему бистатической радиолокации с синтезированием апертуры на базе нескольких низкоорбитальных спутников. По ссылке есть пример снимка, этот же пример – рассматривается ниже. Вообще, речь про специализированный радар сантиметрового диапазона, а синтезирование апертуры и согласованная вычислительная обработка данных позволяют сильно улучшить показатели: разрешающую способность, обнаружение движущихся целей и пр. Сейчас спутников в этом проекте, как пишут, запущено всего восемь, два самых новых как раз и обеспечивают базу для бистатической радиолокации. Поддержку оказывает DARPA.

Понятно, что результат радара – это далеко не цветная картинка, полученная телескопом для публикации в Google Earth (см. наложение ниже). Но у радара целый ряд преимуществ, тем более, если речь идёт об орбитальной радиолокации с разнесением передатчика и приёмника. Такой орбитальный радар видит ночную часть земной поверхности, может просвечивать не только сквозь облака, но и через некоторые наземные укрытия; зондирующий радиосигнал с высокой разрешающей способностью позволяет отличать макеты техники от настоящей техники и, в теории, может даже извлекать сведения о подземных коммуникациях (находящихся на небольшой глубине в подходящих почвах) и обнаруживать подвижные субмарины в подводном положении (по спутному следу). Спутники Umbra находятся на высоте около 550 км (450 – 600 км), а низкая орбита тоже приносит свои преимущества, даже по сравнению с самолётами. (Но, например, на радарной картинке не видна надпись, нанесённая на основание плотины с иллюстрации ниже.)

В качестве иллюстрации работы бистатической радиолокации Umbra публикует изображение дамбы большой ГЭС в Пакистане.

Общий вид:

(Cпутниковый радар Umbra.)

Выделен фрагмент, который ниже дан с увеличением до “пиксел в пиксел”:

(Umbra.)

Фрагмент с большим разрешением

(Umbra.)

Примерное наложение на снимок, доступный в Google Earth:

Занятно, что совпадает почти вся техника, выставленная во дворе (Umbra/Google). От Umbra, кстати, есть немало данных в открытом доступе.

Reuters раскрывает в эксклюзивном материале очередной секрет Полишинеля: SpaceX, пишет Reuters, строит “сеть из сотен спутников-шпионов” в интересах профильного штатовского агентства (NRO). Спутниковая сеть позволит вести мониторинг всей земной поверхности.

Цитата из записки про SpaceX и орбитальный радар, опубликованной на dxdt.ru в 2018 году: “получаем адаптивный орбитальный радиолокационный комплекс, который наблюдает всю поверхность Земли – технология, сошедшая со страниц научно-фантастических романов”. История движется, и теперь можно написать, что технология “сошла со страниц эксклюзивных публикаций Reuters”.

Направление это весьма интересное, так что про особые возможности больших группировок низкоорбитальных спутников, – в основном, это SpaceX/Starlink, – я писал не раз:

Инфракрасные сенсоры на орбите;
Низкоорбитальные сенсоры как наблюдательные сети;
Наземные терминалы Starlink как элементы радара;
Спутниковые системы для ЭМ-атак;
Starlink и взаимодействие с наземными GSM-сетями.

Забавный заголовок новости на SpaceNews.com: “AI company developing software to detect hypersonic missiles from space” (“ИИ-компания разрабатывает программное обеспечение для обнаружения гиперзвуковых ракет из космоса”). Думаю, понятно, почему заголовок забавный: это, фактически, художественный пересказ ключевого события из фантастической кинематографической ленты (даже из разных лент), так как речь-то в сообщении про заказ от штатовского SDA – профильного военного агентства.

В целом, конечно, оценивая картину в современных традициях Нового Средневековья, можно уже и допустить, что реально разрешат использовать непрозрачный машинный перебор со случайным результатом в качестве системы детектирования ракетных угроз. Но, всё же, пока что нельзя полностью исключать, что это такой способ поддержать общий “хайп”, так как определение “с использованием ИИ” слишком размыто – под ИИ можно без труда подвести вполне детерминированные линейные фильтры, собранные в пару слоёв. А про то, что спутники с ИК-сенсорами, согласованно действующие на низкой орбите, представляют собой новый этап в развитии космических средств наблюдения, я писал некоторое время назад, и не раз.

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.

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.)

Большое количество (сотни) низкоорбитальных спутников, действующих в составе единой системы, с синхронным временем и данными о точном местоположении, это весьма мощная платформа, которая предоставляет ранее не доступные возможности. Например, если использовать сенсоры, работающие в инфракрасном диапазоне (такие планирует штатовское агентство SDA).

То есть, получается распределённая система, которая может наблюдать маневрирующие в атмосфере скоростные аппараты (для этого и ИК-диапазон). Так как спутники образуют информационную сеть, можно автоматически сопоставлять данные о движении целей, полученные с разных ракурсов. Соответственно, становится возможным построить точную траекторию в трёхмерном пространстве (так как это пассивная система, то чем больше точек наблюдения, с синхронным временем, тем выше точность, тем больше полезных данных удастся извлечь из сигнала).

Понятно, что и приёмник на одном спутнике, что называется, может синтезировать измеряемый сигнал по данным, полученным из разных точек орбиты этого спутника. Но тут возможности не идут ни в какое сравнение с тем, когда одна и та же цель строго одновременно (а для этого и нужно синхронное время) наблюдается с нескольких ракурсов разными приёмниками. Особенно, если наблюдаемый объект имеет скорость, сравнимую со скоростью спутника. Более того, синтезирование “по пространству” позволит найти и пронаблюдать цели, которые не были бы видны из одной точки. А так как сенсоры точно привязаны к координатам, можно с высокой точностью рассчитывать вероятные продолжения траектории. И всё это в реальном времени, ну, с учётом того, что какие-то задержки, в сотни миллисекунд, всё же будут.