“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:
SAR image, UMBRA
(Cпутниковый радар Umbra.)

Выделен фрагмент, который ниже дан с увеличением до “пиксел в пиксел”:
SAR image, UMBRA
(Umbra.)

Фрагмент с большим разрешением
SAR image, UMBRA
(Umbra.)

Примерное наложение на снимок, доступный в Google Earth:
SAR image, UMBRA
Занятно, что совпадает почти вся техника, выставленная во дворе (Umbra/Google). От Umbra, кстати, есть немало данных в открытом доступе.



Комментировать »

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.



Комментировать »

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.



Комментировать »

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.



Комментировать »

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.)



Комментарии (1) »

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.



Комментарии (1) »

Для того, чтобы ракета поразила цель, требуется информация о том, где данная цель находится. Рассуждение, конечно, очевидное. При этом возможны ситуации, когда сторона, обладающая ракетой нужной мощности и дальности, не обладает подходящими средствами разведки и наведения: например, цель – в море, а нет спутниковых средств или даже просто РЛС, находящихся на кораблях.

Предположим, что присутствует третья сторона, которая имеет и спутниковые средства, и различные РЛС, но эта сторона не должна запускать собственных ракет. Однако эта третья сторона может различными способами помочь с наведением чужой ракеты (негласно). Осуществлять командное наведение, подняв прямой радиоканал к ракете – не самый лучший вариант. Во-первых, он требует полного доверия со стороны запускающих ракету – ведь навести её теперь можно не только на предназначенную цель (понятно, что остаются варианты с самоликвидацией и прочими схемами “управления доверием”, но это излишнее усложнение). Во-вторых, даже если радиоканал зашифрован, факт прямой передачи управления ракетой может быть обнаружен и задокументирован, а это совсем не то, что хотелось бы афишировать нашей “третьей стороне”, формально “сохраняющей нейтралитет”.

Есть другое решение: третья сторона может непрерывно выдавать в эфир навигационный радиосигнал, который привязан к текущим координатам цели. Скажем, это может быть даже набор сигналов, которые кодируют координаты цели относительно некоторой заранее оговоренной точки с известным положением в виде разности опорных сигналов, с той или иной модуляцией. То есть, фактически, получается развитие классической системы радионавигации (Loran-C, “Чайка/Тропик” и др.), которая может работать на относительно небольшой частоте, при этом возможны загоризонтные варианты. На борту ракеты находится приёмник, который корректирует работу инерциальной навигационной системы, принимая опорный навигационный сигнал. Понятно, что сигнал будет доступен для приёма всем, но так как речь идёт о подвижной цели, то вычисление координат можно засекретить, заранее передав необходимые коды коррекции стороне, которая проводит пуск ракеты. Впрочем, тут тоже есть подводные камни: передача кодов коррекции, если она будет задокументирована и сопоставлена с записанным из эфира навигационным сигналом, приводит к прямому раскрытию роли “нейтральной” стороны.



Комментарии (2) »

Предположим, что некий летательный аппарат, пусть это будет крылатая ракета, использует навигацию по карте высот, а высоты в полёте измеряет при помощи радара (который, для упрощения картины, можно считать радиовысотомером). Логика известна: в памяти системы управления находится опорная карта, содержащая контуры (по высоте) местности, над которой проложен маршрут; в некоторые моменты времени система управления измеряет окружающую действительность при помощи радара, зондирующие импульсы которого позволяют построить карту высот, определяет положение, сверяя данные с картой в памяти, и вычисляет коррекцию для инерциальной навигационной подсистемы (это важный момент: инерциальную навигацию, как основной и автономный источник данных о местоположении, пока что не отменяли).

Как поставить помеху данной системе? В теории, можно задавить принимающий тракт радара мощной широкополосной помехой. Эффективность источника такой помехи будет сильно зависеть от его расположения – диаграмма направленности антенны, находящейся на ракете, кардинально ослабляет сигнал, принимаемый с направлений, которые не совпадают с текущим азимутом обзора радара. Так что оптимальный вариант размещения источника помехи – на земле, близко к точке, в которой находится ракета. Что, само по себе, уже весьма затруднительно, да и не имеет особого смысла: проще ракету сбить, раз она всё равно рядом. При этом, подавляющая помеха лишает систему наведения канала, используемого для коррекции, соответственно, если измерить контур “подстилающей поверхности” не удалось, то ракета продолжает полёт по маршруту дальше, с возросшей погрешностью. Если в какой-то момент помеха перестанет глушить радар (например, помехопостановщик отстал), то накопившуюся погрешность система тут же исправит. Современные инерциальные системы очень точны, так что не стоит рассчитывать, что отклонение будет очень большим. Памяти на борту достаточно, поэтому предполагать, что, как в 70-х годах прошлого века, ракета достаточно быстро вылетит за пределы опорной карты – тоже не приходится. Поэтому, даже если оставить за рамками обсуждения оптические системы, простая подавляющая помеха не обладает нужной эффективностью по совокупности параметров.

Более хитрая, активная помеха могла бы влиять на бортовой радар, приводя к искажению измеряемых параметров: то есть, ракета увидела бы другой контур, другой рельеф. Тогда ракету можно плавно увести в произвольную точку на карте. Логика схемы аналогична спуфингу GPS: там подменяются сигналы спутников, что приводит к сдвигу вычисленных координат; здесь – сигнал от рельефа. В теории, действительно, возможно сформировать на приёмной антенне радара такую картину, которая соответствует изменённому, “подставному” рельефу. На практике – потребуется знать очень много дополнительных параметров. Среди этих параметров: точное положение ракеты в момент времени, для которого вычисляется помеха; характеристики сигнала радара, его состояние в момент, когда сигнал помехи достигнет антенны. Заметьте, что так как на борту ракеты присутствует очень точная инерциальная система навигации, то знать положение ракеты тоже необходимо не в какой-то произвольный момент времени, предшествовавший генерации помехи, а именно в тот момент, когда помеха достигнет радара. То есть, в системе координат помехопостановщика, в будущем, пусть и удалённом от настоящего всего лишь на миллисекунды. Кроме того, как ни странно, потребуется информация о параметрах карты в памяти ракеты – в противном случае, как и для подавляющей пассивной помехи, бортовая система управления получает возможность определить, что радар вышел из строя, так как он возвращает заведомо ошибочные данные, которые не совпадают ни с каким фрагментом опорной карты. И если все эти сведения о положении ракеты и её внутреннем устройстве имеются, то нет смысла в помехопостановщике: имея точные данные о местоположении ракеты – её проще сбить противоракетой; ну или, например, остановить заградительной сетью, доставленной беспилотником, раз, очевидно, имеется подавляющее техническое превосходство над стороной, которая ракету запустила.

Естественно, системы наведения сейчас устроены сложнее, используют не только данные о рельефе, измеряют их не только радиовысотомером (кроме очевидной и ненадёжной GPS, есть пассивная оптика, магнитное поле). Всё это значительно усложняет задачу постановки активной уводящей помехи.



Комментарии (4) »

У постановки помех GPS – история давняя. Это интересная тема. Вообще, что касается именно вопроса точной навигации, то блокирование сигнала GPS имеет свои ограничения: дело в том, что есть инерциальные системы навигации, они автономные, а GPS для них полезна лишь в том смысле, что позволяет скорректировать накопленную ошибку. Но если навигационный сигнал недоступен только на небольшой территории, то ограничения для инерциальных систем становятся не так актуальны: ошибка просто не успеет накопиться.

Но не нужно забывать, что GPS – это не только навигация. Так, в рамках разумной современной модели угроз, постановка помех GPS нужна для того, чтобы заглушить опорный сигнал синхронного времени, который, без помехи, может быть использован в распределённой сети радиоэлектронных устройств, действующих в районе прикрываемой территории. То есть, GPS позволяет синхронизировать с высокой точностью время на разных автономных пассивных устройствах, тем самым эти устройства могут действовать и обрабатывать информацию согласованно.

Реализовать в компактном электронном устройстве систему синхронного времени, обладающую сколько-нибудь высокой точностью (хотя бы миллисекундной) на продолжительных интервалах времени – чрезвычайно сложно: нужны стабильные генераторы частоты, а это не просто большая редкость, но и температурная компенсация/стабилизация, коррекция ошибок, и так далее, и тому подобное. При этом, если устройство пассивное, то в любом случае возникает проблема синхронизации между несколькими узлами сети. GPS является тут просто идеальным решением, так как предоставляет единый сигнал точного времени, независящий от работы принимающих устройств.

Для чего нужно синхронное время? Например, для построения сверхчувствительной распределённой радиоприёмной системы на базе компактных и относительно простых узлов. Для точного определения, на базе нескольких синхронных приёмников, местоположения всяких источников сигналов, причём, к этим сигналам относятся побочные излучения, которые позволяют определять местоположение микроэлектронной техники, для трансляции сигналов не предназначенной. Другая задача – передача данных в том или ином “малозаметном” режиме связи (различные LPI-системы): приёмники и ретрансляторы должны иметь общее время, чтобы правильно настроить параметры корреляции, позволяющие выделить замаскированный сигнал, который для “стороннего наблюдателя” неотличим от шума (синхронное время здесь только один из инструментов, но весьма важный). И это неполный список.

А вот “пропадание навигации” в смартфоне – всего лишь побочный эффект.

(Развитие темы: подделка сигнала GPS, GPS-спуфинг.)



Comments Off on Помехи GPS

WaspЕсть целое направление в прикладной науке: квантовые сенсоры. Это сенсоры, использующие квантовые эффекты для обнаружения и/или измерения каких-то явлений окружающего мира. К таким сенсорам относятся и квантовые радары, про которые сейчас можно нередко услышать. При этом квантовые эффекты в таких системах используются для того, чтобы повысить чувствительность, не более. Ни о каких “измерениях одной частицы из пары запутанных, чтобы определить, что случилось со второй” – речи идти не может (потому что для квантовой системы, используемой в составе сенсора, всё равно, какую “частицу” измеряли – измерение относится ко всей системе в целом).

В нестрогом виде, идея квантового радара может быть изложена следующим образом. Пусть у нас есть пара запутанных фотонов, тогда мы можем один фотон отправить зондировать пространство в поисках цели, а второй – оставить для последующего использования в измерении, в качестве “эталона”. Измерение принятого сигнала (возможно, отражённого целью) будем проводить после того, как сложим принятый фотон с “эталонным”. При этом в приёмник могут попадать и другие фотоны, из фонового излучения (это – шум). Квантовые эффекты влияют следующим образом: вероятность детектировать запутанный фотон при использовании эталона существенно выше, чем в случае с классической схемой, работающей без использования запутанности. Это приводит к тому, что существенно улучшается отношение сигнал/шум в детекторе целей. Понятно, что классический радар тоже использует фотоны, потому что работает на электромагнитном излучении. На практике, конечно, всё сложнее: предложены схемы и с единичными фотонами, и с потоками запутанных фотонов. Для реализации квантовых эффектов можно использовать оптическую (световую) систему, но есть схемы, в которых оптическая часть при помощи специального резонатора связывается с микроволновым излучением, транслируя квантовые состояния в обоих направлениях. Фактически, эта последняя схема и может быть использована в качестве основы для практического радара, потому что радар, конечно, должен быть с частотой пониже, чем ультрафиолетовый лазер.

Квантовый радар (как, впрочем, и обычный) работает в следующей логике – выбирается некий сектор пространства, измерительная система радара настраивается на этот сектор, производится измерение, а результат служит источником данных для выбора между двумя гипотезами: в рассматриваемом секторе есть цель или её там нет. Всё достаточно просто. Включение в схему квантовой запутанности позволяет с гораздо большей вероятностью правильно угадать фотоны: то есть, отличить вернувшиеся зондирующие фотоны от фотонов, составляющих шум, поступающий на вход приёмника. Но для этого нужен опорный поток запутанных фотонов, который, например, сохраняется в линии оптической задержки на время, необходимое зондирующей половине для полёта до рассматриваемого сектора и обратно. С такой задержкой связаны и проблемы: удерживать опорный “луч” длительное время (а для лазерного излучения “длительно” – измеряется наносекундами) очень сложно, поэтому квантовые радары трудно сделать дальнодействующими.

Другими словами: когда говорят о квантовом радаре, речь идёт лишь о радикальном увеличении чувствительности, и, как следствие, разрешающей способности, относительно классического радиолокатора при той же излучаемой мощности. Почему “лишь”? Потому что научно-фантастических возможностей, эксплуатирующих некую “связь” (нелокальность) между запутанными частицами, у квантового радара нет. Зато квантовые измерения позволяют лучше защититься от помех, в том числе, активных.

Сама идея создания квантовых сенсоров и квантового радара в частности, как ни странно, достаточно старая, относится к концу 50-х годов прошлого века. Но только недавно технологии позволили как-то приблизиться к реализации этой идеи в полевом устройстве. Квантовый радар, действительно, сможет обнаруживать малозаметные цели (“Стелс”) на значительном расстоянии, потому что у него высокая чувствительность (а не потому, что измеряет “одну частицу пары”). Однако он оказывается в том же положении, что и другие решения с высокой чувствительностью: радар может начать видеть крылья комара на расстояниях в десятки километров, поэтому потребуется немало вычислительной мощности, чтобы отфильтровать отметку, соответствующую комариным крыльям.



Comments Off on Квантовый радар

При выборе криптографических средств защиты информации важно определить, в течение какого времени эти информация нуждается в защите. Вот интересная иллюстрация. Предположим, требуется механизм защиты сигнала GPS (или другой спутниковой системы навигации) от подделки (спуфинга). Можно предложить использовать ECDSA, с ожидаемым сроком защиты в десятилетия. Но на практике оказывается, что достаточно использовать некую “сигнальную” криптосистему, обеспечивающую стойкость всего лишь в течение нескольких часов. (Например, это может быть решение, основанное на статистике сигнала.) Казалось бы, криптосистема, которую можно взломать за несколько часов, никуда не годится. Но посудите сами: защита от спуфинга подразумевает, что GPS-приёмник может определить подлинность сигнала, принимаемого в данный момент; какой смысл в подделке аутентификации сигнала GPS, если результат будет отставать на час или два, при том что время здесь учитывается с микросекундной точностью? Никакого смысла. Даже если приёмник и получит такой сигнал, рассогласование по времени позволит его отбросить. (Естественно, остаются варианты с полным переносом атакуемого приёмника в окружение, где время сместилось на “интервал взлома”, но это совсем уж теоретические варианты – вряд ли кто-то, озаботившийся защитой от спуфинга, будет так искажать собственное время в приёмнике. Ну, разве что, если в приёмник пробрался зловред.)



Комментарии (4) »