dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

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.

Если автомобиль, транспортирующий станцию генерации панорам улиц, записывает ещё и идентификаторы (а также – радиотехнические сигнатуры) точек доступа WiFi, – естественно, с привязкой к местности, – то позже можно построить “навигационное поле”, используя данные о местоположении точек доступа. Не сложно предположить, что по такому навигационному полю, – особенно, если оно задано для “чужой территории”, – полетят беспилотники и прочая ракетная техника. Но насколько такое поле полезно в реальности?

Во-первых, точки доступа тухнут и перемещаются, внося искажения в навигационную карту. Конечно, достаточная плотность и разнообразие устройств уменьшают искажения, но серьёзная навигационная система всё равно должна уметь их, искажения, вычислять. Эта способность, будучи реализованной в программном коде, принесёт с собой ошибки и потенциальные проблемы с навигацией.

Во-вторых, точность навигации по WiFi оставляет желать лучшего: быстрый летательный аппарат просто не сможет использовать такую систему, так как характеристики накопления погрешности превысят все разумные ограничения. Сведения о местоположении точек WiFi могли бы быть полезны какому-нибудь роботу типа “Ленивец”, неторопливо ползущему по стенам домов. Но это весьма экзотическое, в смысле практической пользы, устройство. По сравнению с другими источниками “опорных” радиосигналов, вроде станций GSM и радиовышек, WiFi, в городах, предлагают большее число видимых точек, а также удобный для “захвата” сигнал (из-за используемого кодирования). Но в случае каких-то катастрофических периодов – эти точки исчезнут раньше, чем прочие системы связи.

В-третьих, если вынести за скобки GPS, для беспилотников останутся доступны другие средства навигации, прежде всего – привязка к местности по визуальным ориентирам и рельефу. У наземной робототехники с этим сложнее, но раз у нас всё равно отсняты панорамы улиц, – да ещё, наверняка, с геометрией зданий, – то и наземной технике WiFi особенно не нужен: при должном математическом обеспечении на борту, по зданиям можно ориентироваться даже в случае наличия серьёзных разрушений, а вот WiFi, в таком печальном случае, уж точно станет редкостью.

Тем не менее, так как память для бортовой вычислительной системы сейчас более чем доступна, загрузить в неё и данные по точкам доступа WiFi – вдруг пригодится в какой-нибудь экзотической ситуации?

Вновь приходится слышать утверждения, что невозможно “вывести из строя комплекс ПВО” при помощи передачи в адрес его РЛС особого сигнала помехопостановщиком. Мотивировка примерно такая: “РЛС служит только для измерения расстояния до цели, воздействовать на комплекс через неё невозможно; вычислительные машины комплекса не подключены к Интернету, их тоже не достать”. В реальности, к сожалению, всё не так просто. Я уже писал на эту тему ранее, в этот раз добавлю пару детальных примеров.

Для начала, случай из моей практики, не имеющей отношения к комплексам ПВО. Однажды мы разрабатывали систему автоматического анализа изображений, для некоторой коммерческой аппаратуры. В задачи системы входил разбор поступившей с видеокамеры картинки, распознавание и подсчёт неких объектов. Как вы понимаете, “видеокамера служила только для получения картинки”. На очередном этапе отладки неожиданно выяснилось, что при наблюдении видеокамерой некоторых сцен – программная часть, реализующая анализ изображения, “падает”, в результате критической ошибки. К счастью, ситуация довольно хорошо воспроизводилась, поэтому, при помощи отладчика, удалось выяснить, что данные изображения, в момент их разбора одной из процедур, приводили к порождению большого числа (миллионы) мелких объектов в памяти компьютера. Построение индекса объектов, конечно, было реализовано с мелкой и достаточно традиционной ошибкой – переполнялся буфер, что и приводило к сбою. При этом, в случае подавляющего большинства других изображений, ничего подобного не возникало, так как ситуация с порождением миллионов объектов, вообще-то, оказалась довольно редкой: подходящее изображение попалось чисто случайно.

Собственно, в этой истории нет ничего уникального: практически все программно-аппаратные системы, работающие с реальностью, сталкиваются с тем, что некое непрограммное воздействие извне – будь то подходящая “картинка”, громкий звук или неожиданное ускорение, – приводит к аварии. Комплекс ПВО – не исключение. Программы для комплексов разрабатывают такие же инженеры-программисты, как и те, которые работают с коммерческими системами реального времени. Думаю, миф о том, что комплекс – изолированная система, сложился в головах не чуждых программирования и информационных технологий людей, которые, при этом, никогда не имели дела с разработкой систем управления, а ограничивались “электронными таблицами” и базами данных.

Перейдём к комплексам ПВО. Понятно, что активная система РЭБ может сформировать такую помеху, такой сигнал, который временно выведет вычислительные системы РЛС из строя, использовав ту или иную ошибку в программном коде. Ошибка, при этом, может считаться и не ошибкой вовсе, а особенностью, поскольку в практике применения разработчикам с её проявлением сталкиваться не приходилось. Например, рассуждая сугубо теоретически, можно представить следующую ситуацию: для индикации и сопровождения целей программное обеспечение циклически вычисляет их координаты в некоторой собственной системе; РЛС при этом проводит подсвет разных целей, перемещая луч; задача активной помехи состоит в формировании ложной цели, которая, будучи поставленной на сопровождение, начнёт давать отметку, противоречащую текущему положению луча РЛС. Возникшая в программе, после преобразования координат, конфигурация переменных не была предусмотрена программистом – пожалуйста, получаем глобальный сбой, придётся перезапускать.

Современные комплексы ПВО, оставаясь системами реального времени, имеют достаточно сложные и, в какой-то мере, гибкие программы управления. Но если речь идёт о старых советских комплексах, например о тех же классических “Буках”, то они работают по жёсткой и весьма простой временной диаграмме, что сильно упрощает получение атакующей стороной данных о том, в каком состоянии находится комплекс, что он будет делать в следующую миллисекунду.

Почему сложные активные атаки РЭБ не случались раньше, а о них рассуждают только сейчас? Всё просто: двадцать лет назад, и ранее, во-первых, не было элементной базы, которая позволила бы реализовать подобный помехопостановщик. Речь, заметьте, не столько о центральных арифметических процессорах и памяти, сколько о приёмо-передающих элементах и специальных сигнальных процессорах. Во-вторых, на перенос теоретического математического аппарата в практическую электронику требуются время, а сам нужный прикладной математический аппарат мог появиться только после накопления опыта взаимодействия с системами ПВО. Ну и в-третьих, да, огромная вычислительная мощность оказалась доступной “в поле” только относительно недавно.

Дополнение: в комментариях верно заметили, что для эффективного анализа ошибок (или особенностей) в работе комплекса ПВО нужен сам комплекс, либо образцы программного обеспечения. Это так. Однако, в теории, можно выявить потенциальные дефекты и особенности внешним наблюдением, не имея прямого доступа к самой системе. Особенно это касается старых комплексов, которые устроены по хорошо известным принципам, выдают детали внутренней работы через побочные каналы и имеют небольшое пространство состояний (что упрощает моделирование). А вот и старая записка по этой теме.

(Кстати, записка по теме – активация аппаратных закладок.)

(Вынесу сюда из комментов.) Как, в общих чертах, работает спуфинг для GPS? Чтобы разобраться, нужно вспомнить, что такое сама эта GPS в генеральном, так сказать, смысле. GPS позволяет приёмнику определить с высокой точностью расстояние до нескольких спутников, входящих в состав системы. Расстояние вычисляется на основе принимаемых со спутников радиосигналов, ключевыми моментами является знание точного времени, действующего во всей системе (приёмник + спутники), и информация о точном местоположении спутников в каждый момент времени. Дальше – чистая геометрия. Понятно, что для практической работы простого приёмника потребуется четыре спутника (почему, кстати, не три?), до которых известно расстояние, и так далее, и тому подобное.

Спуфинг основан на нескольких особенностях системы (речь о гражданском канале GPS). Во-первых, сигналы и информация об астрономическом движении – открытые, поэтому, используя приёмник, находящийся в какой-то точке Земли, можно точно вычислить сигнальную обстановку GPS в любой другой точке в заданный момент времени (ну, если владельцы системы не внесли специальных помех, да). Вычислить эту обстановку можно с упреждением по времени. Во-вторых, опять же из-за того, что сигналы открытые и незащищённые, а к тому же слабые, требующие накопления для детектирования навигационной информации, можно сгенерировать поддельный сигнал GPS, который будет близок к реальному. Передатчик этого сигнала может находиться на земле, где-то неподалёку от того приёмника, который спуфят – задавить реальный сигнал по мощности несложно. В-третьих, активная помеха должна изменяться, имитируя движение атакуемого приёмника. Соответствующие параметры помехи вычисляются либо заранее, либо в режиме онлайн.

Дальнейшее развитие ситуации, думаю, особых пояснений не требует: приёмник передаёт в систему управления новые координаты, изменяющиеся, система управления старается компенсировать “дрейф” – и беспилотник, который должен был висеть на одном месте, начинает снижаться и, скажем, падает.

Теперь предположим, что навигационная система использует несколько “внешних” источников навигационной информации. Например, GPS + ГЛОНАСС. С одной стороны, такая система может обнаружить расхождение между показаниями, если GPS “подспуфили”. Но не ясно, что в таком случае этой системе делать? Она не может определить, происходит ли спуфинг GPS или, наоборот, ГЛОНАСС. И почему, кстати, GPS заслуживает меньшего доверия, чем ГЛОНАСС? Если отключать навигацию при каждом расхождении показаний, то возникают новые требования к синхронности двух независимых навигационных источников. То есть, дополнительный риск отказа без всякого спуфинга.

Пусть источников для навигации – три. Добавим Galileo. В такой конфигурации можно было бы выбирать два источника, как-то совпадающие в показаниях, до некоторого порога. Проблема в том, что помехопостановщик может один из навигационных сигналов подавить, это даже проще, чем спуфить, а активную помеху поставить любому другому сигналу.

Теоретически, побороться с такой неприятной проблемой можно при помощи криптографии. Допустим, навигационные сигналы подписаны, открытый ключ для проверки зашивается в приёмник (в навигатор, хорошо), вместе с картами. Ключ можно обновлять и менять. Схемы отработаны. Теперь приёмник может определить, что он принимает поддельный сигнал. Это, правда, никак не помогает бороться с глушением сигнала полностью, но исключает проблему с “перехватом” управления тем или иным устройством, которое полагается только на спутниковую навигацию. Впрочем, в случае с криптографией, наложенной на слабые сигналы, возникает целый ряд новых проблем: как быстро проверять подпись? какой временной “фрейм” подписывать (понятно, что нельзя удостоверять каждую микросекунду сигнала)? и так далее. Поэтому, автономная инерциальная навигационная система, в качестве опорной, всё равно не помещает. Тем более, что спуфинг можно обнаруживать даже простым акселерометром.

То, что спуфинг для сигналов GPS возможен и доступен – известно давно. Сейчас вот обсуждают вполне практическую демонстрацию с беспилотником, который, при помощи интеллектуальной помехи, заставили совершить небезопасный манёвр (“перехватили управление”, так сказать). Это не первая демонстрация спуфинга, но довольно эффектная. Наиболее неприятная картинка вырисовывается, если соединить уязвимость GPS с гипотетическими самоуправляемыми автомобилями. В принципе, даже живые водители склонны излишне верить GPS, а что ожидать от автомобильной программы?

Не, понятно, что в автомобильные программы должны, конечно, встроить защиту и всё такое. И при обнаружении нарушения в сигнале GPS, авто, скажем, будет безопасно останавливаться. Хотя, толпа неожиданно замерших неподалёку от генератора помех автомобилей-роботов тоже вполне себе неприятность. Вообще, в свете управления беспилотниками “по GPS”, неясно, что автомобилю роботу лучше предпринять при сбое навигации. А ведь ещё можно вспомнить, что нынче по GPS ходят круизные лайнеры.

В прошлой заметке обсуждаются “малозаметные” радары. Занятно, что в типичной ситуации, когда с одной стороны “играет” радар, и его задача обнаружить цели, но не быть обнаруженным, а с другой стороны – “играет” детектор-приёмник, и его задача обнаружить радар, у детектора есть целых два серьёзных преимущества.

Во-первых, сторона с радаром не знает, где именно находится приёмник, но, по правилам игры, должна сканировать большой сектор пространства. Поэтому рано или поздно “подсветит” лучом приёмник. Во-вторых, приёмник-детектор заведомо получает гораздо большую энергию от передатчика радара, чем приёмник самого радара. Думаю, понятно почему: радар принимает отражённый сигнал, который, даже в самом лучшем случае, угасает пропорционально квадрату расстояния на пути обратно от цели; а приёмник-детектор слушает “прямой” сигнал. Кстати, как известно, именно поэтому хороший детектор может использовать информацию не только из радиосигнала основного лепестка диаграммы направленности антенны, но и из боковых лепестков, а равно и отражённые окружающими объектами сигналы радара – даже в последнем случае положение приёмника может в энергетическом смысле оказаться не хуже, чем у скрывающегося радара.

В общем, приёмнику играть несколько проще. Хотя, да, у радара есть то преимущество, что ему заведомо известны характеристики собственных сигналов, но это уже несколько другая история.

А вот в случае со скрытной радиосвязью между самолётами – ситуация иная: никаких заведомых преимуществ у перехватывающего сеанс связи приёмника нет. Скорее наоборот, все преимущества у тех, кто обменивается радиосообщениями. Они знают и время передачи, и параметры сигналов, могут согласованно использовать узконаправленные антенны.