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.

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.

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.

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.)

Что может сделать небольшой “гражданский дрон” (беспилотник) в случае, если из-за помех нет связи с пультом управления и также потерян сигнал спутниковой навигации? Понятно, что самое простое – это попытаться относительно медленно спуститься вниз и приземлиться. Такой вариант обычно и запрограммирован. Но оператору хотелось бы, чтобы дрон вернулся к нему в любом случае, если не точно в точку старта, то хотя бы оказался неподалёку от неё.

Понятно, что если навигационная полностью система полагается на сигналы спутников (пусть это GPS, не так важно), то в условиях, когда эти сигналы недоступны из-за помех, беспилотник уже не может не то что вернуться в точку старта, но и нормально продолжать полёт. Конечно, проблему решает автономная инерциальная система навигации. Это самый надёжный вариант.

Качественная и надёжная инерциальная система заметно повысит стоимость беспилотника: комплектующие для точной и лёгкой системы могут оказаться дороже, чем сам аппарат-носитель – речь ведь идёт об относительно недорогом устройстве. Но, с другой стороны, можно взять дешёвые массовые сенсоры, используемые в смартфонах.

Да, точность в таком случае окажется низкой, будет накапливаться ошибка. Накопление ошибок – это основная проблема инерциальной навигации (для всех аппаратов, а не только для “гражданских беспилотников”). Даже небольшое, но непредсказуемое, “мгновенное отклонение” показателей датчиков, за несколько десятков минут полёта с интенсивным маневрированием вполне может привести к уводу измеряемых координат на сотни метров от реального положения аппарата. Но нам-то нужно решить довольно узкую задачу: автономное возвращение к оператору в критическом случае. Так что условия использования инерциальной навигации – тепличные: во-первых, пока работает спутниковая навигация, инерциальную систему можно эффективно корректировать, а история коррекции поможет фильтровать ошибки и после того, как аппарат перейдёт на полностью автономный полёт; во-вторых, возвращение к оператору должно происходить кратчайшим путём и без излишнего маневрирования, поэтому, в большинстве сценариев, автономный полёт займёт всего несколько минут, а аппарат будет стараться сохранять оптимальные для обеспечения точности “аварийной навигации” параметры ускорения. В общем, даже простая и не очень точная инерциальная система – справится.

Тут есть ещё один, весьма важный, момент: дрон мог находиться за каким-то препятствием, например, за углом здания – поэтому вернуться по прямой не выйдет, а для того, чтобы проложить безопасную траекторию, нужно знать, где возможен безопасный полёт. Это означает, что на борту требуется карта, на которой обозначены коридоры безопасного возвращения. Это, впрочем, не слишком сложная проблема: просто, перед началом полёта, придётся разметить эти самые коридоры, ну или надеяться на то, что дрону повезёт.

Современный дрон содержит камеру, часто – не одну. Это хорошее подспорье для создания автономной навигации. Так, параметры движения можно определять по перемещению в поле зрения объектива “текстур” поверхности, над которой происходит полёт. Этот приём некоторые разработчики любительских дронов уже используют. Другой вариант – применение простого машинного зрения: у оператора может быть с собой некая визуальная метка (табличка с QR-кодом, например), в случае потери связи, оператор показывает эту метку в сторону дрона – если последний находится в прямой видимости, то он сможет обнаружить метку с помощью камеры и лететь в её сторону (дальность легко вычислить, зная оптические параметры объектива). Понятно, что метка должна быть не слишком маленькой, а объектив и камера – позволять её обнаружить.

Неплохим развитием этой идеи является какой-либо активный оптический канал, например, лазерный фонарик, который светит в сторону дрона некоторым модулированным сигналом. Во-первых, подобному сигналу на практике сложно поставить помеху (из-за того, что приёмник может быть выполнен узконаправленным, а помехопостановщик не сможет принимать подавляемый сигнал, если только не находится между дроном и источником, либо не видит каких-то отражений); во-вторых, сам сигнал может передавать дрону значение дальности до источника, а азимуты – определит приёмник.

Итак, даже у любительского дрона может быть целый арсенал средств, обеспечивающих более или менее надёжный возврат к оператору и в полностью автономном режиме, и в режиме, когда оператор подаёт аварийный опорный оптический сигнал. Но, конечно, в коммерческих гражданских дронах эти методы вряд ли реализуют.