dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

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.

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.

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.)

Есть 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.

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.)

Типичный способ сравнения возможностей бортовых РЛС истребителей – сопоставление по таким характеристикам, как дальность обнаружения цели и количество одновременно обстреливаемых или сопровождаемых целей. Результаты сравнения переносятся на сам истребитель. (Конечно, речь тут идёт не только об РЛС, а о системе управления вооружением в целом.) Оба параметра (и “дальность”, и “число целей”) – довольно размыты и лукавы.

Обстреливать две цели параллельно умели старые советские системы (70-х годов). С двумя целями есть интересное техническое решение, в случае, если РЛС имеет электронное сканирование луча только в одной плоскости и поворотную (по крену) антенну: антенна поворачивается так, чтобы обе цели оказались в этой самой плоскости, дальше луч бегает между ними электронно.

Понятно, что трудности с обстрелом множества целей происходят из инертности РЛС. Обычно, существует режим обзора, в котором РЛС лишь сообщает, что там-то и там-то есть некая цель (этот момент прямо связан со вторым параметром – с максимальной дальностью). Если требуется цели обнаруживать в режиме обзора, то каждую можно подсвечивать относительно редко. В результате, получаем направление, текущую дальность (плюс/минус – погрешность велика), некотрую информацию о скорости (из доплеровского сдвига в сигнале). Если решили обстреливать цель, то для эффективного наведения оружия потребуется траектория: вектор скорости, с высокой точностью, соответственно, подсвечивать цель лучом нужно с более высокой частотой. Однако каждый цикл работы радара включает в себя несколько этапов: требуется сформировать сигнал, повернуть луч, излучить сигнал, принять сигнал, обработать принятое. Каждый этап требует времени. Отсюда и возникает инертность станции, накладывающая ограничения на число сопровождаемых целей. Некоторые из этих ограничений – физические, другие – требуют большой вычислительной мощности.

Можно прийти к следующему обобщённому правилу: приёмник должен получить достаточно энергии, отражённой от цели, чтобы что-то детально про эту цель померить (это, примерно, как в цифровой фотографии). Энергию можно накапливать – это будет называться синтезированием апертуры. Можно частично компенсировать потери вычислениями. Но в реальности ограничения остаются весьма существенными. Прежде всего, свою роль играют средства РЭБ (со стороны цели), также важны характеристики отражающей способности цели, текущая траектория её полёта (относительная скорость), расположение в пространстве (на фоне земли, скажем), и т.д., и т.п. Обсуждаемые в прессе характеристики при этом измеряются относительно условного уголкового отражателя, висящего где-то там в воздухе.

Превосходство конкретной РЛС в числе одновременно обстреливаемых целей – очень условная характеристика. В том числе, и по соображениям эффективности. Пусть условный F-22 может взять с собой шесть ракет “воздух-воздух” большой дальности. Скорее всего, для поражения одной цели на большой дальности ему потребуется не менее двух ракет. Почему? Реальной статистики нет, но мало кто сомневается, что едва ли какая-нибудь ракета имеет вероятность поражения хотя бы близкую к 100%, потому что даже по мишеням такого не наблюдается. Тем более, если речь идёт о больших дальностях: чем дальше, тем вероятность меньше. Поэтому, примем, что вероятность 0.6 (это очень неплохо). То есть, чтобы иметь заметные шансы уничтожения цели – хотя бы две ракеты нужно в её направлении отстрелить (кстати, вероятность поражения при обстреле двумя ракетами, в наилучшем случае, составит 0.84 – это если события независимы, что, вообще говоря, не так). Шесть ракет – три цели. Но F-22 теперь остался безоружным (пушку – оставим за скобками: как вариант неподходящий, особенно для данного самолёта). Таким образом, смысл режима обстрела десятка целей возникает только в случае, если действует группа самолётов: один видит – другие обстреливают общую цель (оставаясь в пассивном режиме). В этом режиме нет ничего концептуально нового – реализовано в советской системе “Заслон” (МиГ-31), ещё в 80-е годы прошлого века. Соответственно в такой тактике, кроме характеристик по количеству целей конкретной РЛС, важно как применяется группа истребителей.

Что касается второго показателя – дальности обнаружения. Благодаря тому, что сейчас доступны большие вычислительные мощности, можно на одной и той же РЛС средней мощности сделать дальность и 400, и 1400 км. Дело за цифровой обработкой сигнала. Пусть, опять же, для условного истребителя заявлено 500 км в качестве характеристики “дальность обнаружения цели”. Что такое 500 км? Это около половины боевого радиуса (по типичным современным типам самолётов). Требуется ли истребителю видеть цели, расположенные так далеко (относительно лётных способностей)? Ведь существуют системы AWACS, которые всё равно видят дальше. Более того, засветив цель с 500 км – истребитель её скорее всего спугнёт, а догнать не сможет, потому что боевой радиус не позволяет.

Можно вспомнить, что большая дальность обнаружения коррелирует с общими характеристиками наблюдения РЛС. Например, что у РЛС, имеющей большую заявленную дальность обнаружения, выше “чувствительность” и станция может увидеть малозаметную цель на большем расстоянии. Проблема в том, что это довольно наивная оценка. Современные РЛС устроены сложнее, чем базовая схема “передатчик-отражение-приёмник”. Чувствительность можно поднимать очень высоко, используя обработку сигнала, но из-за того, что такая чувствительная станция начинает видеть скопления мух, отдельных птиц и всё прочее, что оказалось ближе чем 500 км к приёмнику, в том числе и искусственные помехи, возникает новая проблема: попробовать разобраться во всём этом сонме потенциальных целей.

(Чтобы самолёт мог не обнаруживать себя в процессе обнаружения целей – требуется использовать сложный для детектирования внешним наблюдателем зондирующий сигнал. Здесь есть отдельная наука, направление называется LPI – Low Probability of Intercept. Однако реализация LPI требует больше времени на обработку сигнала, при прочих равных, а также снижает полезную мощность, которую можно использовать для измерения характеристик цели.)

Другой важный вопрос – ракеты сверхбольшой дальности. Для системы управления вооружением, обнаруживающей цели на (условной) дальности 500 км, требуются соответствующие ракеты. Идея, что дальновидящий истребитель, оставаясь незамеченным, поражает воздушную цель с огромной дистанции – очень старая. Но с подобными ракетами, подходящими для истребителя, – до сих пор проблемы (хотя некоторые образцы создавались). Во-первых, такая ракета обязательно будет большой, во всех измерениях, читай: длинной и тяжёлой. Если платформой служит малозаметный истребитель с размещением вооружения во внутреннем отсеке, то этот отсек должен быть огромным. У F-22, например, здесь есть проблема. Во-вторых, 500 км со средней скоростью M=3 (очень быстро) лететь более восьми минут: многие цели успеют развернуться и уйти за боевой радиус. А истребитель останется без ракеты (которую, правда, можно перенацелить).

Неверно считать, что число обстреливаемых одновременно целей или дальность обнаружения – неважные характеристики. Однако современные бортовые РЛС тут в любом случае находятся близко к пределу разумной эффективности, поэтому сравнивать показатели нужно с осторожностью.

Boeing показывает очередную компактную мобильную лазерную установку (“в четырёх ящиках”), которая может сбивать беспилотники – “пятнадцать секунд воздействия лучом – и дрон выведен из строя”. Конечно, по сравнению с ракетой – вариант выглядит эффектно. Правда, одна установка может вести обстрел одной цели, а ракеты можно было бы выпустить по нескольким, если, конечно, командный пункт поддерживает режим работы с несколькими целями. В видео говорят, что если беспилотник оказался под лазерным обстрелом, нельзя понять, откуда ведётся обстрел и что происходит. Это довольно интересное утверждение.

Понятно, что для эффективной доставки энергии лазерный луч необходимо точно сфокусировать. Для точной фокусировки нужно знать текущие параметры траектории: направление на цель, расстояние до цели. Кроме того, необходимо учитывать свойства атмосферы, так как на дальних дистанциях движение воздуха вносит существенные искажения. На первый взгляд, определение траектории цели требует активных средств: подсветки её либо лазером, либо радаром. И то, и другое излучение может быть обнаружено. Лазер, конечно, предпочтительнее, так как, во-первых, несравнимо меньше побочных излучений (по сравнению с радарами), во-вторых, существенно выше точность. Подсвечивать для коррекции можно тем же лазером, который и наносит поражающий удар. Для точной фокусировки требуется высокая точность измерения расстояния и параметров “канала” – то есть, атмосферы на пути к цели.

Однако можно придумать и полностью пассивную систему. Обнаружение цели и измерение траектории в этом случае делается оптической системой – проще говоря: парой телескопов (похоже, что годится и один единственный, но это сложнее). Да, система даст заметную погрешность. Но её можно компенсировать следующим образом. Пусть у нас есть некий интервал по дальности до цели, определяемый погрешностью измерения, и второй интервал по качеству луча, определяемый действующими свойствами атмосферы – эти интервалы дают некоторый трёхмерный участок пространства, внутри которого находится цель. Поражающий удар по цели можно нанести, сориентировав лазерную установку на правильную точку в этом объёме. Да, точка неизвестна, но лазерная система очень быстрая, соответственно, она может последовательно пробегать множество точек объёма, накрывая его весь, с некоторым шагом дискретизации. При этом часть энергии будет теряться, но никто и не говорит о стопроцентной эффективности. Такая, полностью пассивная, в смысле наблюдения за целью, система, действительно получается довольно скрытной.

Конечно, в любом случае нельзя говорить о том, что направление на атакующую установку обстреливаемая цель определить не может – при наличии подходящих оптических датчиков это можно проделать быстрее, чем минуют пятнадцать секунд. Кроме того, установка наверняка излучает в других диапазонах: там есть источник питания, система охлаждения, оптический модуль. Но обнаружение представляет собой отдельную, непростую задачу. С другой стороны – обнаружение подлетающей ракеты тоже не вселяет никаких надежд в беспилотник, оказавшийся целью.

(Видео – по ссылке с картинки.)

Беспилотники, даже небольшие, позволяют решать множество задач, начиная от детальной разведки позиций противника и вплоть до нанесения ударов (если высока точность, а доставка практически гарантирована, то можно обойтись небольшой массой боевой части). При этом беспилотник, размером в два-три метра, весьма сложно обнаружить, но улететь с заметной полезной нагрузкой он может на несколько десятков километров, а то и дальше – всё зависит от конструкции.

Небольшой беспилотник несложно сделать действительно малозаметным. Во-первых, использование подходящих материалов и формы позволяет снизить до совсем незаметных величин показатель ЭПР, что сразу отсекает большое число РЛС различных типов, так как на столь малые цели они, обычно, не реагируют (иначе птицы и насекомые сильно портили бы картину; хотя, конечно, быстрые цели можно от птиц уверенно отличать). Во-вторых, применяемые двигатели (либо внутреннего сгорания, либо вообще – электрические) резко снижают светимость в ИК-диапазоне. В-третьих, прозрачные элементы, адаптивная окраска, – понижают визуальную заметность. (Кстати, визуально обнаружить малый аппарат поможет небольшой телескоп, но только если погода ясная.)

Что остаётся? УФ-диапазон, например, но он сильно ограничен в применении, а ночью – вообще нет пользы. Акустические системы не так зависят от погоды и времени суток, но аппарат должен быть действительно шумным, что не характерно для многих современных компактных двигателей и аэродинамических схем.

Предположим, что беспилотник оборудован РЛС, тогда становится возможным принимать сигналы этой РЛС и вычислять положение источника по ним. Однако раз уж беспилотник малозаметный, то и радар он использует с особым сигналом (LPI – с низкой вероятностью обнаружения). Такие сигналы сложно отличить от шума, если только детектор не знает ключей. Примерно та же история и с системами связи: они используют шумоподобный сигнал, узконаправленные антенны, либо вообще – лазерное излучение.

Некоторые шансы дают аэродинамические возмущения, которые неизбежно возникают в атмосфере при перемещении летательного аппарата. Но если беспилотник не гиперзвуковой, то и шансы эти призрачны.

Проблем с обнаружением много. Существенно больше, чем в случае с классическими самолётами (в том числе, малозаметными) – они, как минимум, обязаны быть относительно большими. А по беспилотникам существующие системы просто не работают. Поэтому без беспилотников-охотников – просто не обойтись.

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

(Источник фото.)

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

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