dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

Один из очень мощных методов обработки радиосигналов, повышающей возможности радаров, это синтезирование апертуры антенны. Общие приципы этого метода я описывал на dxdt.ru. Вот, например, записка 2008 года. Если совсем кратко, то идея синтезирования апертуры такая: станем записывать сигналы в разных точках некоторой траектории, а потом синхронно обработаем результаты записи, учитывая координаты точек, для которых отдельные элементы были записаны. При выполнении некоторых условий – полученный результат будет близок к результату физической антенны, размер которой соответствует дистанции, пройденной при записи. То есть, пролетел отдельный приёмник с малой антенной двадцать метров – результаты синтезирования позволяют получить виртуальную двадцатиметровую антенну.

С синтезированием апертуры связан ещё один интересный аспект: для синтезирования необходимо движение, но двигаться может не только радар. Напротив, двигаться относительно радара, – и, обычно, некоторого “фона”, подстилающей поверхности, – может наблюдаемая цель, а её движение как раз создаст “базу” для синтезирования сигнала. Это метод обратного синтезирования апертуры. Алгоритмы используются существенно более сложные, но метод неплохо подходит для распознавания и классификации типов движущихся целей. Особенно, на море, в отношении больших кораблей. Поэтому использованием обратного синтезирования особенно известен штатовский P-8 Poseidon – морской самолёт радиолокационного наблюдения, на котором применяется специальная, подвешиваемая под фюзеляж, наружная система РЛС AN/APS-154 (AAS).

Обратное синтезирование позволяет получить достаточно высокую разрешающую способность, которая, при этом, ещё и мало зависит от дальности до цели. Представьте, что радар принимает сигнал, отражённый некоторым объектом, имеющим достаточно большие линейные размеры. Пусть на объекте установлены какие-то мачты или башенки. Не так важно, что именно – главное, чтобы были геометрически обособленные элементы. Если этот объект движется относительно приёмника радара, то в разные моменты времени углы, под которыми со стороны приёмника видны эти элементы, будут меняться. Ещё лучше, если объект вращается: тогда и скорость изменения углов вырастет, и существенная разность возникнет для многих элементов. И изменение углов, и относительное движение элементов объекта, возникающие в системе координат, привязанной к приёмнику радара, означают, что во времени будут изменяться характеристики отражённого разными элементами зондирующего сигнала: будет сдвигаться фаза, изменяться частота (доплеровский сдвиг).

Синтезирование апертуры подразумевает запись сигналов на протяжении некоторого интервала времени – интервала синтезирования. Отдельные элементы реальных объёктов – это их, так сказать, упрощённое “пиксельное” представление, используемое в расчётах: в современной вычислительной радиолокации, естественно, нет никаких непрерывных областей пространства или непрерывных сигналов – всё разбивается на дискретные элементы, как по времени, так и по частоте. Соответственно, вычислитель приёмника, синтезируя записанные сигналы, использует изменения фазы и частоты, чтобы при помощи цифровой обработки собрать размытые сигналы в общий результат, с высокой разрешающей способностью.

Вообще, при обычном (прямом) синтезировании, достаточно быстро движущиеся цели дают “растянутые” вдоль некоторой траектории отметки, поскольку на интервале синтезирования успевают изменить пространственное положение (за этим эффектом стоит несколько спососбов селекции движущихся целей). И вот обратное синтезирование позволяет такие отметки собрать в единое изображение с дополнительными деталями. Современные радары – вычислительные, так что методы прямого и обратного синтезирования могут применяться РЛС параллельно и синхронно (см. ниже).

Понятно, что многие типы целей заведомо содержат элементы, за которые можно хорошо “зацепиться” при обработке: летательные аппараты, находящиеся в воздухе, активно маневрируют, а вертолёты ещё и быстро вращают лопастями. Корабли – раскачиваются на волнах, это эквивалентно вращению, а надстройки, мачты, антенны – всё, таким образом, даёт сильные “разностные” сдвиги: при определённых ракурсах наблюдения и движении корабля – разные отметки, соответствующие элементам конструкции, могут вообще двигаться в разных направлениях (относительно приёмника, конечно).

Проблему представляет определение параметров движения: всякое синтезирование апертуры требует некоторого опорного базиса, чтобы можно было вычислять изменения. Если это “обычное” синтезирование, то собственное положение и приёмника, и передатчика могут с высокой точностью записываться. Но когда речь про обратное синтезирование, да ещё и в отношении произвольной цели, которая свою траекторию не собирается передавать наблюдателю, возникают трудности.

Характеристики движения наблюдаемой цели можно измерить дополнительно: да, какую-то информацию даёт доплеровский сдвиг, но доплеровский эффект и так используетя при синтезировании, так что возможности не так уж велики. Однако никто не запрещает определять базовые параметры движения при помощи дополнительных сигналов, а в случае достаточно продвинутых РЛС – пытаться вычислительно оптимизировать сигнал, фактически, перебирая разные варианты в поисках минимальных расхождений между базовыми точками, которые, для того же объекта, наблюдаются вспомогательными приёмниками. Можно также использовать сигнал от подстилающей поверхности в качестве опорного, вычисляя разность “от фона”. Так как наблюдаемый объект, в подавляющем большинстве случаев, и достаточно жёсткий (то есть, “хвост” не изгибается до “носа”), и несравнимо больше длины электромагнитной волны зондирующего излучения (типичная длина волны здесь – это сантиметры), то определять характеристики движения можно точно даже без высокого разрешения по углу. Почему – без? Потому что именно получение высого углового разрешения в рамках изображения одного объекта и является конечной целью обратного синтезирования апертуры: получив “картинку” с характерным силуэтом можно автоматически распознать тип наблюдаемого объекта.

В публикации на Ars Technica сокрушаются, что Китай, мол, начал интенсивно выводить на околоземную орбиту спутники своей новой сети. И сеть эта – “не просто другая версия Starlink”, но имеет потенциальные приложения для наблюдения за целями на земле и в воздухе, а вот в Штатах всё ещё не готова военная низкорбитальная сеть нового поколения (MILNET), да аналогичного назначения (которое, в отличие от китайской системы, тут прямо декларируется через СМИ).

Вообще, немного странно с уверенностью утверждать, что китайская сеть – это “не версия Starlink”. Возможно, это не версия официального описания предназначения Starlink – типа, спутниковая система только для цифровой связи, для доступа к Интернету. Но кто сказал, что Starlink так же не имеет “дополнительных функций”? Никто не сказал. Зато говорили прямо обратное: и про технологическую ветку Starshield и про то, что SpaceX выводит системы, действующие в интересах NRO (это штатовское агентство технической, – в основном, космической, – разведки). Так что Starlink вполне себе может быть сильно впереди по секретным составляющим. Такой вариант, кстати, неплохо объясняет и то, почему в Штатах переносят сроки развёртывания новых слоёв систем мониторинга на базе сетей спутников – они уже есть, но на другой базе. Заметьте, что потребителям “специальных данных” даже не обязательно знать, что их приносит сеть Starlink (в том числе, наземные терминалы).

Да, орбитальные сети из тысяч спутников – это принципиально новая платформа. Например, я недавно писал про изменение возможностей наблюдения:

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.

Сравните, кстати, с первыми разведывательными спутниками, которые, например, принимаемые радиосигналы писали на магнитный носитель, а потом проигрывали запись в сторону наземной станции, пролетая над территорией, где эта станция установлена. А то и сбрасывали кассеты с записью, да так, чтобы подобраны они могли быть только своими службами.

Занятная схема “навязанной” mesh-геолокации: представьте, что устройства-наблюдатели (смартфоны, скорее всего) просто периодически записывают все доступные им в радиоэфире сигналы, вычисляют для каждого короткий идентификатор (“хеш-сумму”, полученную по особому алгоритму сжатия, учитывающему физические характеристики сигнала – это важно, см. ниже), прикрепляют метку времени, накапливают эти идентификаторы, а накопленное выдают в эфир заранее согласованным способом, тоже периодически, но относительно редко, если сранивать с прослушиванием. Например, запись – десять раз в секунду, выдача – один раз в секунду. Заметьте, что тут нигде не требовалось, чтобы устройства приписывали геолокацию к записанным идентификаторам – это как раз не обязательно.

Слушать эфир можно как каким-то одним из имеющихся радиотрактов (WiFi, Bluetooth/BLE, GNSS, GSM и т.д.) или всеми сразу. Современные радиомодули очень чувствительные и избирательные. Если использовать непосредственно функции прошивки радиомодуля, то, вообще говоря, принимать можно далеко не только “логический WiFi”, но и разнообразные другие сигналы, в том числе, сигналы радаров, спутниковых передачиков (подтверждается Starlink) и т.д., и т.п. Да, приниматься могут быть гармоники побочных утечек, но для данной задачи это не важно. Если сомневаетесь, то вспомните историю появления такого направления, как RTL-SDR – там аппаратной основной вообще послужил бюджетный ТВ-тюнер. (Замечу, в скобках, что даже если в пользовательском интерфейсе смартфона указано, что соответствующие радиомодули “отключены”, это не означает, что они реально отключены – реально отключить можно было бы только в специальной архитектуре, аппаратной кнопкой, но таким практически никто не пользуется, да и кнопка не даёт полной гарантии.)

Устройства-наблюдатели по данной теме больше ничего не делают, поэтому их активность снаружи выглядит вполне себе обычно (это, собственно, просто логика протоколов класса LTE). Однако собранные сведения из эфира принимает какое-нибудь внешнее устройство-монитор, специально предназначенное для этого. Принимает тогда, когда удалось что-то принять. Монитором может быть и другой, скомпрометированный, смартфон, и штатно подготовленный приёмник “базовой станции” с нужной прошивкой – не так важно, но возможности, конечно, различаются. Монитор знает собственное местоположение, может знать направление, с которого получен очередной блок данных (это больше относится к “базовым станциям”). Полученные от наблюдателей данные монитор передаёт на удалённый центральный сервер. Этот сервер агрегирует данные от многих мониторов.

Теперь на сервере, зная возможности приёма и принципы распространения радиоволн, можно вычислять где какие метки в эфире были видны – то есть, выполнять геолокацию идентификаторов. Устройства-наблюдатели ведь будут видеть и друг друга, и базовые станции сетей мобильной связи. Сопоставляя данные от разных мониторов, географические координаты которых известны точно, получится определить, где находились и устройства-наблюдатели, и источники радиосигналов, которые эти наблюдатели обнаружили в эфире. Метод основан на переборе конфигураций, в которых многие наблюдатели могли принимать одни и те же сигналы, чтобы в итоге получилась такая же картина, как та, что поступила с нескольких мониторов.

Да, такая задача сопоставления меток времени и возможностей приёма – вычислительно сложная, но и компьютеры сейчас мощные. Алгоритмы вычисления идентификаторов сигналов (специализированные “хеш-функции”, упомянутые в самом начале) должны быть так устроены, чтобы близкие по физическим характеристикам радиосигналы получали близкие по значению идентификаторы. Это и позволит найти следы одного и того же источника в массивах идентификаторов, полученных от разных мониторов. Результат не самый точный, но, во-первых, чем больше источников данных, тем выше точность; во-вторых, других вариантов сбора данных может и не быть, однако если они есть, то накопленный по описанной схеме массив идентификаторов позволяет эти другие данные подтвердить или опровергнуть с очень высокой степенью достоверности.

Теперь представьте, что в схеме участвует спутниковая группировка на низкой орбите, которая может принимать сигналы смартфонов, находящихся на земле. Конечно, не только принимать, но и выдавать синхроимпульсы, которые уже примут устройства-наблюдатели, чтобы вернуть через мониторы обратно, на обработку. Тут спектр возможностей становится удивительно широким.

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.

GPS плохо работает, местами – часы внезапно убежали на две секунды (или около того). В 2012 году я писал на dxdt.ru про гипотетический автоматический прибор-навигатор, который не зависит от спутниковой системы. Вообще, с точки зрения практической навигации, понятие “определения координат”, как таковое, оказывается слишком размытым, потому что основа тут – это привязка к некотороому базису, задающему систему отсчёта, или, если хотите, координатную сетку. И такой базис может быть весьма условным.

В тех же GNSS (спутниковых системах, GPS – один из вариантов), базис задаётся моделью положения спутников, а для выполнения привязки нужно ещё синхронное время. То есть, это не к карте привязка, а к конфигурации спутников. Соответственно, как конфигурация считывается из электромагнитных сигналов, так положение и нарисуется, поскольку берётся оно относительно этой конфигурации, а не того “реального” окружающего пространства, в котором применяется. Поэтому эффективно работают помехи. Поэтому и трактор с GPS может заехать не туда. А реальная привязка к карте, выпоняемая по ориентирам на местности, это работа с совсем другим базисом.

Точное время – фундаментальный элемент практической навигации. Например, хронометры, как технический феномен, развивались для решения задач дальней морской навигации: поскольку на море с ориентирами не очень хорошо, то требовалось возить с собой точное опорное время, чтобы, взяв разность с локальным временем на корабле, определить долготу. Одно дело море, совсем другое дело – сухпутное. Тут может показаться, что если есть хорошо задокументированные ориентиры, то определить точное положение можно и вовсе не имея эталона времени.

Пираты иногда сходили на берег. Карта сокровищ: сундук зарыт в десяти шагах к северу от развесистого дуба. То есть, главное – найти тот дуб, а дальше уже навигация пойдёт без проблем: отсчитываем десять шагов, хватаем лопаты и – сундук наш. Но это всё только кажется. Для подсчёта расстояния в шагах тоже нужны часы. А как иначе определить длину шага? Конечно, в случае с картой сокровищ необходимость точного времени находится на втором плане. Но если вы измеряете расстояние лазерным дальномером, то часы уже используются прямо, пусть и на очень коротком интервале времени, и не для хранения отсчёта по Гринвичу. Однако дерево и десятки шагов, со скрытым измерением времени, неплохо иллюстрируют тот факт, что главное – правильно выбрать и понимать базис, который подходит для решаемой навигационной задачи. Поэтому-то хорошим источником опорных точек является рельеф местности.

Вообще, логика непосредственного использования ориентиров, типа деревьев, – это идея навигации по рельефу. Естественно, рельеф создают не деревья, но сам принцип точно такой же: взяв несколько пеленгов и дополнительно измерив расстояния до объектов – можно выяснить местоположение в привязке к карте, на которой были указаны используемые ориентиры. Если данные о рельефе достаточно подробные и имеются подходящие измерительные инструменты, то даже можно реализовать автоматический способ определения текущего местоположения: выбираются подходящие точки “в базе данных рельефа”, строятся пеленги и определяются расстояния. Если рассуждать “на бумаге”, то окажется, что при наличии точного описания рельефа не нужны ни хронометры с внешним временем, ни инерциальные навигационные системы: всё можно посчитать по месту, лишь бы подходила высота и был обзор. Но это в теории. На практике – разумно ожидать проблем из-за погрешностей.

Рельеф – это схема ориентиров, которые не просто закреплены в некоторой координатной сетке, но эту сетку задают. Естественно, тут подходит не только рельеф “в геологическом”, так сказать, понимании. Если удастся ввести опорную систему на других принципах, будь то свойства магнитного поля земли, наблюдаемые новомодным “квантовым сенсором”, направления ветров или какие-нибудь инфразвуковые волны, то тоже хорошо, но классический рельеф выглядит надёжнее.

Рельеф или нет, однако практическая задача состоит в прибытии в заданную точку, но вот только не на карте, а на местности. А кто сказал, что все точки схемы рельефа расставлены без ошибок? И даже если большого количества ошибок в исходной схеме нет, то всё равно осталась погрешность, которая была внесена аппаратурой при построении карты. Это всё равно некоторая модель, и тут есть довольно занятный момент. Построение карты рельефа это одно, а проверка результата – совсем другое: для проверки нужно каким-то образом подобрать независимый, но совместимый, базис. Другими словами: пусть карта рельефа получена, но чтобы понять, что она пригодна для решения практических задач, нужно определить какие-то тестовые пути с известными координатами. (Собственно, GPS не для автомобильных навигаторов придумали: сеть спутников – это один из способов проверить другую навигационную информацию, хотя бы и при помощи специально оборудованного автомобиля.) Тем не менее, данные о рельефе – незаменимы. Особенно, под водой.

Для навигации по подготовленной карте, – и вовсе не обязательно под водой, – для определения тех самых пеленгов, тоже используются приборы, проводящие измерения с погрешностями. Одно складывается с другим: погрешности, оставшиеся на картах, сдвигают погрешности актуальных измерений. Казалось бы, при прохождении некоторого пути – в рельефе не должна бы накапливаться погрешность, и если аппарат прибыл в точку между тремя холмами, то холмы вряд ли переползли достаточно далеко от изначального их положения. Несомненно, хитрая помеха может испортить точность и в этом случае. Но главное – нет гарантии, что эти три холма зафиксированы на опорной карте именно там, где им полагается быть согласно прочим ожиданиям. А прочие ожидания – это показания инерциальной навигационной системы и системы спутниковой, если сигнал такой доступен. И “уехать” рельеф мог в процессе подготовки опорной карты, так как погрешности тут вполне себе накапливаются.

При использовании инерциальной навигационной системы, с погрешностями и базисами вообще складывается занятная ситуация. С одной стороны, есть внутренние погрешности датчиков системы, а результаты тут “плывут” в зависимости от испытываемых перегрузок. С другой стороны – есть погрешность измерения времени. Точное локальное время для инерциальной навигации тоже необходимо, а ошибка по времени – приводит к ошибке измерения пройденного пути, что, в свою очередь, ухудшает реальную точность работы датчиков, потому что – их же надо корректировать. А при коррекции по каким-то опорным точкам рельефа (или по другим объектам на карте) – вмешивается погрешность датчиков, которые отвечают за внешние измерения, будь то радиовысотомер или даже видеокамера. Получается, что навигация осуществляется в некотором собственном базисе, который, – внезапно, – оказался достаточно далеко от базиса, использовавшегося при планировании маршрута. Чтобы корректировать координаты – нужны “общие точки” для всех реально используемых базисов. В схемах повышения точности GNSS для этого служит коррекция по наземным радиомаякам, с заранее известными координатами и параметрами сигналов. К сожалению, этот способ ещё более неавтономный, чем чистая GNSS. А для автономной системы подойдёт разве что старинный метод коррекции по звёздам, но это, всё же, из области фантастики, хоть и осуществимо в теории.

Иногда можно прочитать, что радар работает “со скоростью света”, поэтому очень быстрый и, таким образом, любая РЛС будет всякую созданную руками современного человека “кинетическую” цель точно обнаруживать заранее и определять траекторию с большим запасом по времени, даже если скорость этой самой цели очень большая (ну, конечно, если та цель отражает радиоволны подходящим способом, но сейчас не об этом). Действительно, если рассматривать “сферический” “радар в вакууме”, то покажется, что зондирующий импульс преодолевает, скажем, 30 километров за, примерно, 0.1 мс (за десятую долю миллисекунды); чтобы сбегать в обе стороны – требуется 0.2 мс. Вроде бы, да, очень быстро.

Но представьте, что вы конструируете практический радар. В ходе конструирования довольно быстро выясняются всякие дополнительные особенности. Например, чтобы отличать собственные зондирующие импульсы среди принимаемого шума, извлекать информацию, нужно эти зондирующие импульсы особым образом модулировать. Модулирование – не только размывает импульсы “по частоте”, но и растягивает по времени. Для защиты от помех, для оптимизации рабочих параметров, требуется использовать довольно сложные схемы модуляции.

С одной стороны, для импульсного радара не очень хорошо, если уже нужно принимать сигнал, а у вас всё ещё передатчики работают, так что сильно “тянуть” зондирующий сигнал не всегда полезно (у радаров с непрерывным излучением – свои преимущества, но и свои особенности: там как раз различные утечки самым прямым образом мешают уменьшению задержек по времени). С другой стороны, оказывается, что для повышения чувствительности и разрешающей способности, для достижения устойчивой селекции сигналов – на приёме требуется некоторый дополнительный интервал времени для работы, условно говоря, разных корреляторов и схем преобразования (Фурье и др.), то есть принимаемый сигнал должен накапливаться, а неудачная обработка приводит к тому, что результат накопления отбрасывается – это потеря времени.

В общем, в процессе конструирования выясняется, что отражение одного обобщённого “сферического” импульса не даёт никакой практически полезной информации в реальном устройстве: из-за потерь в приёмном тракте и общей инертности аппаратуры, принятой энергии недостаточно даже для определения направления, что уж там говорить про измерение, хотя бы, относительной скалярной скорости по доплеровскому сдвигу. А нужно измерять траекторию, что требует некоторого заметного интервала времени даже в идеальных условиях.

И при этом все устройства, входящие в состав радара, обладают задержкой. А в некоторых случаях, это прямо механическая задержка (поворот физической антенны, например, необходимый для определения направления на цель; да, есть чисто электронные способы, но они не всегда доступны, если наблюдать требуется широкий сектор – поэтому-то, между прочим, ставят наборы антенн, направленных в разные стороны).

В общем, даже формирование луча, которому соответствует серия зондирующих импульсов, потребует заметного времени. Если радар стоит на земле, а цель летит со скоростью “всего-то” 3000 м/с, то каждые десять миллисекунд задержки размазывают изображение этой цели на 30 (тридцать) метров. Это, конечно, не так много, если радар наблюдает космический спутник, пролетающий в тысяче километров. Но те же тридцать метров оказываются весьма существенной погрешностью, если вернуться к дистанции в 30 километров, упомянутой в начале записки: пока радар десять секунд “синтезирует и измеряет” траекторию, собирая размытые сигналы, цель уже прибыла в точку назначения.

Пусть скорость света и велика, но приравнивать к ней скорость работы радаров – неверно: особенности аппаратуры создают большие сложности при наведении на быстрые цели, даже если эти цели в сотни тысяч раз медленнее, чем зондирующий импульс. (Это, впрочем, не делает наведение невозможным.)

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.

“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.

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.

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.