dxdt.blog: занимательный интернет-журнал

Пишут (англ.), что SpaceX запустили сегодня в ближний космос полусекретный проект, но с секретным возвращаемым блоком (см. картинку), который блок должен быстро доставлять “груз” в произвольную точку на поверхности Земли. Всё под говорящим названием Starfall.

(Размеры возвращаемого блока или спускаемого аппарата. Credit: SpaceX.)

Блок должен нести тонну полезной нагрузки. Что бы это могло быть? Нетрудно предложить различные варианты – от автоматического оборудования, синтезирующего какие-нибудь материалы с особыми свойствами в условиях “микрогравитации”, до пачки полуавтономных дронов, вылетающих на малой высоте над нужной территорией.

Кстати, занятно: ещё в 2016 году SpaceX обещали, что не позднее 2018 года доставят тяжёлый аппарат на Марс, в качестве первого шага марсианской программы SpaceX.

Это, конечно, и тогда-то выглядело очень сомнительно (о чём и написано в записке по ссылке). Десять лет прошло с 2016 года, но что-то именно в SpaceX марсианскую программу не развили совсем, аппаратов-роботов от этой корпорации на Марсе нет и сейчас, что уж там говорить про 2018 год. Зато сильно развили в SpaceX военную спутниковую низкоорбитальную группировку – Starshield, – которая работает на базе Starlink. Оно и понятно: от мифического строительства городов на Марсе толку нет, кроме как при использовании в качестве схемы прикрытия.

В СМИ подтверждают (англ., со ссылкой на US Space Force), что SpaceX со Starshield/Starlink официально достался контракт на запуск спутниковой сети обмена данными для военных применений. Естественно, такая сеть работает на низкоорбитальных космических аппаратах. Процитирую прошлогоднюю записку по этой теме:

Тут получается онлайн-доступ к спутниковой разведке, технология, которую раньше описывали в фантастических произведениях: видеопоток с орбитального телескопа, направленного в нужную точку поверхности Земли, поступает в режиме реального времени (ну, хорошо, что-то близкое к этому).

Ракета в рамках Artemis II стартовала успешно, при этом, если по плану, то обратно астронавты должны вернуться 10 апреля – то есть, если формально смотреть по времени возвращения, то чуть-чуть не хватит до Дня космонавтики, но если учитывать накладные расходы (транспорт, разница во времени и пр.), то как раз ко Дню космонавтики успевают: можно будет на dxdt опубликовать фотографию ракеты.

Artemis II – это пристрелочный облёт Луны. Без этого, понятно, никак. Но, всё же, до высадки – ещё далеко. Очередная высадка на Луну – только запланирована на 2028 год: это Artemis IV. 2028 год – очень близок, верно, однако и глобальные обстоятельства какие-то не слишком радужные. При этом ещё и во многих крупных СМИ уже сейчас объявляют о “возвращении на Луну” – как бы, бег впереди паровоза в данной области ранее очень не приветствовался. Но посмотрим.

Starship – это большая возвращаемая ракета SpaceX, которая, пока что, устойчиво не возвращается. Но вот пишут, что штатовский надзорный орган FAA согласовал новый план для спуска отработавших ступеней Starship: согласно этому плану, ракета может спускаться над городами с населением около миллиона в каждом (это на территории Мексики, впрочем, не США). Довольно занятное развитие.

Вообще, есть такое распространённое мнение, что если (во время спуска) ракета Starship “выйдет из строя” или будет “потеряно управление”, то ракета просто развалится в воздухе и, в основном, сгорит, не долетев до земли – ну, может, какие-то обломки упадут, да. Поэтому, мол, нет ничего опасного в полёте над городами. Но это не совсем так. Конструкция Starship концептуально отличается от конструкции “обычных” ракет-носителей. В конструкцию Starship прямо заложен управляемый полёт от старта до приземления – тут есть спуск и посадка: это же возвращаемая система. Значит, эта система, с достаточно заметной вероятностью, может отказать так, что способность к устойчивому полёту сохранится, а вот возможность следования заданной траектории и возможность управления с земли – нет. Так что не сработает даже самоликвидация (которая, вообще говоря, должна автоматически происходить, если на достаточной высоте потеряна связь с центром управления; но как там оно реально сделано – кто ж знает).

Естественно, равно этот же момент, – запланированная возможность устойчивого, управляемого полета, – позволяет перейти от планирования “района падения” заведомо неуправляемой отработавшей ступени к планированию управлемого спуска. Раз можно полёт контролировать, то можно его провести над городами – самолёты же летают. А на случай нештатной ситуации – запланировать небольшие “районы падения” обломков вдоль траектории, но не в городах. Вопрос лишь в том, насколько аппарат, подобный Starship, готов для такого варианта. Всё же, это далеко не самолёт, даже не воздушно-космический самолёт, типа “Шаттла”.

В очередной полёт, как пишут, специальный аппарат X-37B повёз экспериментальную инерциальную навигационную систему с квантовыми сенсорами.

Интересно наблюдать, как инерциальные системы вдруг начали массово противопоставлять спутниковым – GNSS (GPS и др.). Как если бы инерциальные системы только сейчас придумали для того, чтобы было чем заменить GPS. Конечно, принципиальная ненадёжность GPS нынче стала широко известной, но это вовсе и не означает, что о такой ненадёжности специалистам не было известно ранее. Более того, долгое время гражданский сигнал GPS просто содержал уводящую помеху, специально снижавшую точность (забавно, что в “газетах” про это иногда писали так, что, дескать, это ограничение самой спутниковой навигации, как технологии).

С точки зрения навигации, как технической дисциплины, GNSS отличается от инерциальных систем принципиально. GNSS – это система с плавающими внешними ориентирами, да ещё и работающая только тогда, когда с этими ориентирами есть радиосвязь (можно принимать сигнал). Зато успешное использование GNSS требует минимальных затрат: и по аппаратуре, и по энергии сопровождения (не нужны всякие хитрые стабилизирующие механизмы и пр.).

Инерциальная же система – это система сугубо внутренняя, собственная. Они известны давно: гироскопы разных схем и природы, акселерометры и датчики углов – это всё было до GPS. Но квантовые устройства тут не приносят чего-то принципально нового именно в навигационном смысле. Да, интересно было бы попробовать привязать сенсор к некоторому “мировому квантовому эфиру”, если таковой обладает нужной структурой, но это пока что фантастика: гироскопы с акселерометрами и угловыми датчиками остаются, но становятся “атомными”, чтобы измерения можно было проводить квантовыми сенсорами. Эти квантовые сенсоры лишь могут помочь сделать более точную инерциальную систему, потому что основная проблема таких систем – накопление погрешности.

В GNSS тоже есть погрешности, но там можно предотвратить их накопление, действуя через саму опорную внешнюю систему, которая управляется центрально. А вот инерциальная система подобной гарантированной коррекции не имеет, поскольку работает в обратной, относительно GNSS, логике. Естественно, это не означает, что инерциальную систему в принципе нельзя корректировать – можно, конечно. Например, можно вычислительно удалять регулярные погрешности, можно осуществлять периодическую привязку к местности и т.д.

Пишут, что после очередного обновления iOS Apple на iPhone в Штатах появилась поддержка доступа к Starlink, как к “телефонному сервису”, через идентификаторы оператора T-Mobile. Что там в обновлении – не ясно: возможно, новая прошивка для радиомодуля, возможно – нет, и прошивка была обновлена заблаговременно, а теперь включили именно конкретные параметры для данного радиоканала.

Пусть для того, чтобы принимать произвольные сигналы смартфона спутниками Starlink – обновление прошивки и какое-то участие со стороны смартфона не нужны, однако, если смартфон с новой прошивкой радиомодуля активно выполняет команды, поступающие со спутников, в кооперативном режиме участвует в радиообмене, то это заметно расширяет возможности и по доступу к смартфону, и по наблюдению. И тут не важно, поддерживаются ли пользовательские функции, доступные на уровне ОС, и какой именно оператор сотовой связи прописан в обозначениях: сигналом спутников всё равно управляет оператор спутников, а не “титульный” для пользователя провайдер. То же самое относится и к радиообмену – сама “сеть сотового оператора”, как феномен, начинается на уровень выше технических сигналов, особенно, если речь про спутниковый доступ.

Кстати, если в процессе геолокации радиопередатчика участвует сам радиопередатчик, то расширяется спектр доступных инструментов, что, понятно, повышает точность. Но прежде всего интересны возможности по сбору состояния радиоэфира приёмником смартфона: это вполне себе штатная функция, которая в так называемых “сетях 5G” получила большое развитие, и если радиомодуль смартфона активно взаимодействует с сетью спутников, то это означает, что по запросу спутниковой сети радиомодуль может передавать сведения о принимаемых им сигналах. Обратите внимание: речь тут вовсе не только о “сигналах спутников”, а, например, о сигналах локальных точек доступа/базовых станций (это, опять же, штатный механизм) и прочих устройств, которые “видит” смартфон, но не видит спутник.

В IEEE Spectrum небольшая статья (англ.) об истории одной программы спутниковой радиоразведки из 60-70-х годов прошлого века, в её развитии до 90-х.

Речь про системы NRO (штатовское агентство технической разведки), которые служили для обнаружения, классификации и геолокации советских РЛС по сигнатурам передатчиков. Ну, соответственно, фиксировали излучение не только передатчиков РЛС, но и других передатчиков, а также и их носителей, например, кораблей. Схема описана привычная – несколько спутников с синхронным временем и приёмниками на низкой орбите. Отдельно отмечен такой важный момент, как оперативная доставка “подписчикам” обработанных сведений. Первые спутники, в 60-х годах, записывали сигналы на магнитный носитель, пролетая над наблюдаемой территорией, а потом выгружали записанное, когда оказывались в зоне приёма наземной станции, где полученные данные ещё и анализировали какое-то заметное время. Однако к середине семидесятых добились поступления содержательной информации, представленной в удобной для “конечного пользователя” форме (то есть, сведения об активности советских систем на карте), с задержкой всего в несколько минут.

Понятно, что это всё секретные системы. Но нетрудно предположить, что с тех пор возможности спутниковой разведки для низких орбит увеличились многократно. По крайней мере, должно быть очевидно, что результат, который позволяют получить работающие синхронно сотни спутников, оснащённых современной твёрдотельной микроэлектроникой и мощными специализированными вычислителями на ASIC, просто несравним с параметрами трёх или пяти старых спутников. Тут не следует забывать про ключевой аспект: спутники на низкой орбите находятся всего в нескольких сотнях километров от поверхности планеты, а чувствительность и избирательность передового оборудования сейчас на “три поколения”, так сказать, выше, даже если за точку отсчёта взять не семидесятые, а девяностые годы прошлого века.

NASA сообщает, что марсианский “коптер” Ingenuity, который потерпел аварию 18 января 2024 года, подвела навигационная система. Эта система работала с использованием изображений подстилающей поверхности, которые получала специальная камера (см. картинку). В последнем (а не “крайнем”, да) полёте, при выполнении посадки, слишком однообразное изображение поверхности не позволило программному обеспечению найти достаточно “зацепок”, чтобы корректно посчитать горизонтальную скорость аппарата, а некорректная скорость оказалось слишком большой и робот перевернулся при касании, поломав лопасти.

Специально обученным людям известно, что если довелось спускаться на парашюте над большой водой, – например, в море, – то отстёгивать подвесную систему допускается только после касания воды ногами: всё потому, что над водой очень сложно визуально определить реальную высоту – можно легко ошибиться на десятки метров. Естественно, то же самое верно для любой ситуации отсутствия ориентиров, а вот степень этого самого “отсутствия” как раз определяется характеристиками системы зрения, которая и подвела робота, правда, в плане скорости, а не высоты (для высоты там есть отдельный альтиметр).

(Фото: NASA/JPL-Caltech)

В недавней записке про методы геолокации передатчиков при помощи сети приёмников сказано, что речь про наземные опорные станции. Но все описанные в той записке методы, с некоторыми изменениями, можно применять и с борта спутника, находящегося на околоземной орбите. Особенно, если это не один спутник, а сеть из многих аппаратов. У спутника достаточно стабильная траектория, чтобы правильно учитывать движение с опережением по времени. Особенности, которые относятся именно к спутниковым измерениям, касаются, прежде всего, доплеровского сдвига частот: практические значения скоростей в такой сети могут быть очень большими (многие километры в секунду). Зато сети спутников на низкой орбите дают высокую точность определения координат.

Собственно, именно низкоорбитальные спутники предлагают в качестве платформы для космической связи через “обычный смартфон”. Но тут можно вспомнить и другое, отдельное направление – использование космических аппаратов для определения характеристик работы космической же системы связи. Понятно, что раз находящийся на орбите аппарат может принимать сигналы не просто наземной станции, но даже “обычного смартфона”, то почему это должен быть именно аппарат штатной сети связи? Нет, не должен: сигналы могут принимать и другие спутники, которые “просто пролетают рядом” и немного зависли на подходящей орбите. Если бы речь шла о специальной наземной станции, то можно было бы что-то предложить из области скрытых сигналов (LPI/LPD – Low Probability of Interception/Detection), использующих особую модуляцию. Но к “обычному смартфону” это не применимо, поэтому детектировать и определять координаты работающих со спутниковой системой смартфонов можно из космического пространства – то есть, над любой частью поверхности Земли.

В чём причина смены дня и ночи на Земле? Правильный ответ: причина в том, что Солнце вращается вокруг Земли. А если вы вдруг подумали, что “причина во вращении Земли вокруг своей оси”, то представьте, что смена дня и ночи прекратилась, а Земля теперь всё время повёрнута к Солнцу одной стороной, то есть, Солнце более не вращается вокруг Земли. Но, предположим, Земля всё ещё вращается вокруг Солнца, а раз смены дня и ночи нет, то это как раз потребует вращения Земли вокруг свой оси, поскольку к Солнцу должна всё время быть повернута одна и та же сторона. Более того, если бы Земля, в той же схеме, вокруг свой оси не вращалась, то смена дня и ночи как раз происходила бы, вот только обычные день и ночь продолжались бы, примерно, по полгода (вспомните про полярную ночь и полярный день).

Вращение сложно интерпретировать, по тем же причинам, по которым сложно строго определить понятие угловой меры. Отличным примером является следующее наблюдение: пусть Земля вращается вокруг Солнца, а вокруг Земли вращается Луна – какова тогда траектория движения Луны вокруг Солнца? Оказывается, если на систему смотреть обычным образом, то траектория движения Луны практически совпадает с орбитой Земли: Луна не выписывает никаких “завитушек”, а вращение Луны вокруг Земли выглядит так, что Луна то немного опережает Землю, то – немного отстаёт.

Однако концепция, когда сложная траектория (кривая) описывается при помощи окружностей, центры которых движутся по другим окружностям, очень мощная – потому что это преобразование Фурье в чистом, геометрическом, так сказать, виде. Соответствующие этому преобразованию эпициклы и деференты древних астрономических моделей позволили описать сложные движения планет по небосводу, как они видны с Земли. Ведь это только движение прочих светил вокруг Земли выглядит довольно очевидным, если вы древний астроном и наблюдаете ночное небо, а вот планеты – создают неожиданные проблемы, прежде всего, своим попятным движением, когда они вдруг выписывают загадочные петли.

Представление о том, что “планеты вращаются вокруг Солнца, Солнце – центр” – это модель Солнечной системы, в противопоставление варианту “планеты и Солнце вращаются вокруг Земли, Земля – центр”. Сильно упрощённый вариант гелиоцентрической системы позволяет легко разрешить логические противоречия “странного” наблюдаемого перемещения планет. В разрешении противоречий состоит определяющий признак нового знания, но с ролью гелиоцентрической системы всё несколько сложнее.

Схема, где в центре Солнце, а по концентрическим окружностям движутся планеты и, в том числе, Земля, позволяет довольно просто объяснить причину наблюдаемых “странностей”. То есть, схема с Солнцем в центре – лучше в иллюстративном плане. Но из этого не нужно делать вывод, что, мол, использование такой схемы (именно на уровне круговых орбит) было огромным “научным прорывом”. Да, само это рассуждение, – о “прорывном значении гелиоцентрической системы” в противопоставлении геоцентрической, – нередко используется в разном научпопе как “очевидная” иллюстрация “внезапной” замены “неверных и устаревших” представлений на “правильные”. Но, во-первых, эти системы в науке и использовались как модели, лежащие в основе методов расчётов, причем, использовались параллельно, и так же используются сейчас; во-вторых, на практике, игрушечная гелиоцентрическая система с круговыми орбитами – и не удобная, и точность не повышает.

По причине того, что пошаговое “преобразование Фурье” с введением дополнительных окружностей (эпициклов) позволяет с любой заданной точностью приближать любые наблюдаемые траектории движения светил, якобы “неверная” система, в которой Земля – центр, позволяет точнее описывать движение, пусть и ценой добавления новых таблиц (это до сих пор так во многих задачах навигации на Земле). Понятно, что это никак не отменяет преимуществ современных гелиоцентрических систем с более точными орбитами (как минимум, эллиптическими) для расчётов межпланетных перелётов. Очевидно, ни та, ни другая системы – не определяют универсальным образом, что вокруг чего вращается, потому что иногда Солнце вращается вокруг Марса.

Древние астрономы выполнили “преобразование Фурье” для наблюдаемых траекторий движения светил, получив простые эпициклы и деференты – способ записи, в виде конечной и понятной формулы (или чертежа), отлично аппроксимирующий наблюдаемое движение. Это способ упрощения описания движения, а процесс построения такого способа – то, что упускают из виду, приписывая интеллект генераторам текста. Простые “модели на эпициклах”, конечно, не подразумевали учёта внешних возмущений, поэтому найти Нептун только таким способом – не получится. И в этом одно из подлинных, определяющих отличий выхода моделирования, так сказать, на межпланетный уровень, а вовсе не в том, что на концентрических окружностях, нарисованных вокруг точки, которая обозначена как Солнце, гораздо проще объяснить причину ретроградного Меркурия.