dxdt.blog: занимательный интернет-журнал

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?

У DARPA есть проект MOIRE, цель которого – получение новых оптических систем, пригодных для использования на спутниках (выведенных на геосинхронную орбиту, в частности). Новизна оптики заключается в том, что, благодаря принципиально иным техническим решениям (мембранным модулям), на орбите окажутся телескопы, чья разрешающая способность превысит показатели лучших современных систем в несколько раз. Так как огромные зеркала (или линзы) выводить на орбиту чрезвычайно трудно, предлагается построить трансформируемую систему, которая в сложенной конфигурации занимает минимум пространства, а разворачивается – в гигантский оптический прибор, с “зеркалом” диаметром 20 метров. (Есть видео, иллюстрирующее процесс разворачивания телескопа.)

(На картинке – сравнительные размеры зеркал различных телескопов и зеркала проекта MOIRE, в представлении художника; DARPA.)

Подобные конструкции-трансформеры, иногда весьма сложной структуры, давно используются на разведывательных спутниках. Только раньше таким способом сворачивались-разворачивались огромные антенны. Интересно, что именно эта инженерная задача – проектирование сложных механических “сворачивающихся структур” – в своё время стала одной из ключевых причин развития такой математической дисциплины, как компьютерная геометрия.

Мощные телескопы на геосинхронной орбите нужны для того, чтобы вести мониторинг большей части поверхности Земли (лучше – всей поверхности), в режиме реального времени, с большим разрешением. Такая система мониторинга позволяет оперативно глянуть из космоса в любой уголок нашей замечательной планеты – не нужно ждать прохождения спутника, заказывать “обзор” заблаговременно. Естественно, задачи, прежде всего, – разведывательные: все мощные орбитальные телескопы, которые сейчас используются астрономами, выросли из решения задач орбитальной разведки.

Подобная система мониторинга земной поверхности будет иметь дело с огромными объёмами данных. Примем, что площадь поверхности Земли – 510 млн квадратных километров, а полезное разрешение – 10 метров (пусть вертикальное совпадает с горизонтальным, тогда в одном квадратном километре – 10 тыс. пикселей). Это означает, что один “снимок” поверхности Земли будет содержать 510*10^6*10^4 = 5,1*10^12, то есть, около 5 триллионов пикселей. Если мы записываем значение яркости пикселя с разрешением в 8 битов, то наш снимок займёт лишь около 5 терабайт в хранилище. Не так много, особенно если учитывать, что десятиметровое разрешение позволяет увидеть множество типов самолётов, прочей военной техники, идентифицировать типы кораблей, различать колонны грузовиков (или танков), в общем, немало. Но, естественно, для настоящей разведки требуется разрешение менее метра, что значительно увеличивает объёмы данных, не делая, впрочем, их фантастическими, потому что нужно же учитывать плюсы эффективного кодирования и прочей “дедупликации”.

Кстати, если спутниковая группировка пишет “видео всей Земли” с частотой 12 кадров в секунду, то суточный лог займёт (без сжатия) 86400*12*5Тб = (примерно) 5 эксабайт (или пять миллионов терабайт). Это уже много. Как минимум, такой объём сложно хранить на самих спутниках.

Основная проблема с большим объёмом данных, образующихся на орбите, в том, как их скачать на землю. Но несколько параллельных лазерных “даталинков”, идущих в наземные оптические телескопы, могут предложить весьма быстрый канал, который точно позволит вести в реальном времени мониторинг земной поверхности с низким разрешением, мгновенно переключая орбитальную оптику в “субметровый режим”, если потребовалось понаблюдать за каким-то отдельным регионом в деталях. Лазерные системы связи активно испытываются много лет, например, есть относительно свежий эксперимент NASA на МКС – Optical PAyload for Lasercomm Science (OPALS). Если данные передаются на землю со скоростью один гигабит в секунду, или в 100 мегабайт/сек, то изображение региона 100х100 км, с разрешением в 2 байтовых пикселя на метр, объёмом в 40 несжатых гигабайт, скачается примерно за семь минут. Очевидно, что оптимизация процесса позволит получать высококачественные снимки территорий всего через несколько минут после того, как эти снимки запросили. Задачи общего обзора и детального наблюдения могут быть разделены между спутниками. Всё это сильно приближает к реальности распространённый кинематографический сюжет, когда находящиеся на земле бойцы сил специальных операций за какие-то минуты получают на свои носимые компьютеры свежие космические снимки соседнего населённого пункта, позволяющие видеть фигуры людей на улицах.

Одним из способов активной “отстройки от помех” РЛС может являться использование нескольких зондирующих импульсов (сигналов) – в эфир излучается несколько сигналов, а для работы радаром используется только один из них, другие служат в качестве маскировки. Я писал об этой схеме ранее. Основная идея состоит в “запутывании” помехопостановщика: он вынужден тратить ресурсы на обработку всех принятых сигналов и постановку им помех, а это нагружает и вычислительную систему, и передатчики.

Конечно, для вычислителей современных помехопостановщиков нет большой разницы в том, нужно ли обработать один сигнал или пять. Проблема есть для передатчиков, но и она не является непреодолимой: в конце концов – независимые передатчики сейчас ставят в антенные решётки сотнями и тысячами. Так что если радар желает запутать помехопостановщик, он должен не только излучать десятки сигналов, но и постоянно менять их кодировку. Несомненно, тут помогут современные методики “размытия” и сокрытия зондирующего сигнала (LPI – Low Probability of Intercept): в предельном случае LPI-сигнал неотличим от обычного шума в радиоэфире, то есть, помехопостановщику нужно анализировать сразу “тысячи кандидатов в сигналы радара”, которые он вылавливает из шума.

Если помехопостановщик всё же сумел выловить сигнал и попробовал поставить ему активную помеху, радар должен как-то среагировать в ответ (например – замолчать, да). Предположим эта реакция служит признаком успешного применения помехи. В таком случае радар, обнаружив работу активного помехопостановщика, мог бы заранее имитировать некие “сбои”, как будто помехи успешно мешают его работе. А на самом деле, это не более чем маскировка, направляющая операторов средств РЭБ по ложному следу. И вот операторы могут именно так и подумать. И тоже заранее. Поэтому они ставят ложные помехи, а помехи настоящие – радар принимает за цели и успешно рисует на экранах. Тут и начинается рекурсия, а также – теория игр.

Предположим, подземный робот самостоятельно проник в нужный район и должен там остаться на длительное время. Естественно, под землёй. Естественно, скрытно, чтобы не обнаружили и не извлекли на поверхность. После наступления условленного часа или получения специального сигнала – робот активируется и, скажем, наконец-то выполняет свою главную задачу. Сколько лет такой робот может спать?

Как и во многих других случаях, основная проблема здесь – источники питания. Очевидно, эти источники должны быть ядерными, вне зависимости от размера робота: другие схемы, пригодные для многолетнего использования, предложить сильно сложнее. В зависимости от типа топлива, ядерные источники энергии могут сохранять работоспособность в течение многих и многих лет. Наличие радиоактивных веществ на борту робота может его демаскировать, но так как он подземный, то есть неплохие шансы, что толща пород послужит надёжным экраном. То есть, питание, потенциально, может сохраняться лет десять, а если взять топлива побольше, то и двадцать.

Всё это время ожидания робот не может быть полностью отключён. Какие-то сигнальные системы должны действовать, так как нужно считать время и слушать окружающую подземную действительность на предмет получения команды на пробуждение. Для ядерного топлива, которое так или иначе распадается, объёмы потребления в режиме ожидания не так важны. Наоборот, без нагрузки система питания может выйти из строя. В игру здесь вступает время жизни электронных схем, однако они легко могут проработать и двадцать, и тридцать лет, особенно, если имеется резервирование. Это доказано практикой использования космических аппаратов. Бортовые часы, конечно, могут накопить небольшую ошибку, но не более того. Впрочем, если робот конструировался много лет назад, то, возможно, его электронные схемы содержат какие-нибудь лампы или другие быстро “выгорающие” элементы. Тогда для продления срока жизни потребуется разместить на борту запасные элементы, что, в общем-то, не составляет особого труда, если вы уже взялись конструировать атомного подземного робота.

Куда больше проблем доставят механические части. Ведь, по условиям задачи, робот должен самостоятельно проникнуть в район ожидания. Соответственно, ему нужно будет не менее самостоятельно законсервировать свои движители и двигатели. Это не так просто сделать для устройств, расположенных снаружи основного корпуса. Детали могут оказаться в воде, либо, того хуже, в контакте с какой-нибудь агрессивной породой, способной за всего-то пять-семь лет наглухо заблокировать сочленения и приводы. И тут выход только один: рассчитывая на десятилетия ожидания, проектировать робота так, чтобы выполнение главной задачи не требовало начала движения.

Но таких задач, к сожалению, не так много.

Есть много необычных механических замков. Вот один из них – обнаружен на сайте blackbag:

Ключ представляет собой рукоятку, в которую вмонтировано несколько штырей разной длины (чтобы штыри не гнулись и не портились по другим причинам – предусмотрена крышка). Для отпирания замка ключ нужно полностью вставить в “приёмный блок” с отверстиями, а потом вынуть.

Вот ключ крупным планом:

Занятное решение, но, конечно, не очень удобное. Не похоже, что такой замок обладает какой-то дополнительной секретностью по сравнению с классическими схемами. Однако, как и в случае с другими механическими системами, здесь может сработать простой принцип “неинформированности”: у взломщика просто не окажется с собой подходящих инструментов, сложности добавит и отсутствие информации о внутреннем устройстве замка.

На исходном сайте есть ещё короткое видео, показывающее замок в работе.

В продолжение предыдущей заметки: в той же фантастической литературе (или кинематографе) нередко можно встретить описания ситуаций, когда дистанционно обнаруживают “запрещённый программный код” (или “незарегистрированный”, не так важно), находящийся при персонаже. Например, код может быть выявлен во время прохождения некоторого досмотра. Интересно представить, как может работать подобная система обнаружения программного кода.

Речь, естественно, идёт о коде, размещённом на том или ином “офлайновом” носителе. Носителем, например, может послужить смартфон или иной персональный гаджет. Понятно, что легальные гаджеты в мире будущего, где весь программный код подлежит регистрации, устроены так, что сами рассказывают об установленном ПО уполномоченным сканерам. Такая практика уже сейчас активно продвигается разработчиками прикладных и системных программных пакетов: передача “в центр” сведений об установленных у пользователя программах – не раз являлась поводом для шумихи в контексте защиты “прайваси”. А незарегистрированное ПО штатным образом установить нельзя, это, опять же, уже сложившаяся практика.

Что делать, если особо продвинутый владелец гаджета захватил управление и устанавливает на устройство какой угодно код, в том числе, разработанный самостоятельно? В мире будущего вполне могут использоваться сканеры настолько продвинутые, что они определяют работу программного кода по побочным излучениям и наводкам (например, сейчас таким способом считывают данные о работе криптографических библиотек – очевидно, что описанный метод позволяет определить наличие конкретных версий этих самых библиотек в исследуемом устройстве). Конечно, “сертифицированные гаджеты” можно устроить так, чтобы гарантировать утечки информации об исполняемом (и присутствующем в памяти) коде.

А если код находится в “пассивном” хранилище? Пусть это будет флешка. Сама по себе флешка не излучает. Но не исключено, что сканеры будущего умеют использовать другой приём – наводить нужные вынужденные излучения при помощи внешнего поля: если флешку “подсветить” сканирующим сигналом, то можно прочитать некоторую сигнатуру, коррелирующую с содержимым модулей памяти флешки. Активные устройства, основанные на этом же принципе и обнаруживающие, например, телевизионные приёмники (даже выключенные) в домах граждан, – используются в целях сбора налогов очень давно.

Так что особой фантастики в системах обнаружения программного кода, сканирующих, скажем, всех пассажиров метрополитена, – нет. Киберпанковский мир близок.

Известно, что параметры бытового электропитания, например, 220 вольт и 50 герц, в реальности далеки от стабильности: в линиях всегда присутствует шум разнообразной природы. Этот шум можно записывать, если подключить к проводам подходящую аппаратуру. Понятно, что ряд характеристик шума будет общим для той или иной большой группы потребителей. Более того, параметры шума будут уникальными для выбранного интервала времени.

Казалось бы, зачем нужен подобный архив, в котором хранятся записи шумов сетей электроснабжения? Одно из интересных применений состоит в датировке аналоговых (да и цифровых тоже, надо сказать) аудиозаписей. Механизм тут такой: шум электропитания оставляет следы в записи, эти следы можно выделить, сопоставить характеристики с архивными данными, и сказать, когда могла быть выполнена предоставленная запись. Такая методика иногда используется в рамках судебной экспертизы. Естественно, датировать так можно не только аудиозаписи.

Схема не самая совершенная, обладает плавающей точностью, требует не только наличия “архива шумов” со шкалой времени, но и определённых условий работы аппаратуры, на которой проводилась запись, а также совместимости сети электропитания. Но это не отменяет технологического изящества решения.

(Вот одна из работ по данной теме.)

Довольно давно возникла идея использовать потоки нейтрино (или антинейтрино – отличия тут чисто технические) для обнаружения и классификации ядерных реакторов. У нейтрино есть очень удобное для решения данной задачи свойство: они могут без проблем улетать очень далеко от активной зоны реактора, так как практически не взаимодействуют с веществом.

Соответственно, детектор, расположенный где-нибудь под Москвой, может принимать нейтрино, испускаемые реактором в Антарктиде (например). Надо заметить, что спектр потоков нейтрино/антинейтрино, рождающихся в результате процессов внутри реактора, зависит от типа топлива и, в меньшей степени, от типа и режима работы самого реактора. То есть, инструмент, в теории, идеальный. Идее этой около сорока лет. Она, между прочим, сыграла значительную роль в обосновании необходимости всех этих гигантских и, нередко, весьма дорогостоящих, экспериментов по детектированию нейтрино (как минимум – в СССР, но Штаты вряд ли выдумывали какую-то другую мотивацию).

Основные препятствия на пути к практической реализации, как это обычно бывает, создаёт то самое полезное свойство нейтрино, которое и делает инструмент привлекательным: детектировать нейтрино крайне сложно, соответственно, разрешающая способность системы (и во времени, и в пространстве) будет плохой. Тем не менее, с ростом качества детекторов, к теме постоянно возвращаются. Вот свежее предложение от физиков: компактный, – в размере стандартного транспортного контейнера, – детектор, пригодный для инспектирования иранского реактора (не только иранского, конечно). Впрочем, предлагаемая в статье по ссылке схема подразумевает размещение детектора в непосредственной близости от реактора (указан несколько странный показатель – “около 19 метров от активной зоны”). Это нужно для того, чтобы быстрее накопить данные для измерений.

Неплохим развитием являлось бы наблюдение за реакторами, находящимися на подводных лодках: следить за ними можно было бы с другого конца планеты, а местоположение определять при помощи взятия пеленга по потоку нейтрино. Но это, конечно, пока что чистая фантастика. Хоть и вполне научная.

(На фото – часть детектора нейтрино обсерватории IceCube.)

Есть известная история про (условное) “ведро гвоздей”, которое, если его вывести на околоземную орбиту, эту самую орбиту закроет, так как столкновения “гвоздей” со спутниками приведут к тому, что пространство будет заполнено космическим мусором. Понятно, что, при условии плотного заселения орбиты космическими аппаратами, достаточно удачно разрушить несколько из них, чтобы вызвать каскад столкновений, уничтожающий большую часть аппаратов. Вывести новые аппараты в космос, забитый мусором, чрезвычайно сложно. То есть, получаем закрытый ближний космос.

В качестве развития темы интересны варианты, в которых одна из космических держав проводит контролируемое закрытие околоземного пространства, оставляя лазейку для себя. Все прочие участники космической гонки оказываются не у дел, из-за мусора, а инициатор операции получает монополию на вывод спутников. Как это можно проделать, если вообще возможно?

Тут есть куча проблем. Очевидно, для решения задачи нужны большие наблюдательные мощности, особенно важны радары, находящиеся в космосе, на высоких орбитах, зондирующие спутниковую группировку с другой стороны. С наземными радарами – понятно: их тоже должно быть немало и они должны быть эффективны. Однако сколь детальным не было бы наблюдение, предсказать конфигурацию “мусорного облака”, которое возникнет через несколько часов или, тем более, дней после столкновения сотен аппаратов, нереально, даже если доступны огромные вычислительные мощности.

С другой стороны, можно построить некую “хаотическую теорию” и надеяться, что она позволяет вычислить основные параметры распределения мусора по орбитам. Фантастическим приложением такой теории будет возможность запустить “генерацию” мусора таким образом, чтобы позже получить алгоритм вычисления неких окон, позволяющих выводить аппараты на высокую орбиту по весьма замысловатой траектории, минуя мусор. В планировании такой траектории, опять же, ключевую роль будут играть космические радары и телескопы. Поэтому они должны уцелеть. Замысловатость траектории вывода, в эпоху “после замусоривания орбит”, – является своего рода ключом, позволяющим преодолеть мусор. Чтобы ключ найти, нужна дополнительная информация, которая будет только у одной из сторон.

Можно предположить, что каскадное разрушение спутников запускается даже без особого прогнозирования результатов – действительно, всё равно что-то рассчитать тут невозможно. А ставка делается на то, что инициатору авантюры известен механизм расчёта выводных орбит для любой конфигурации мусора, при некоторых базовых исходных значениях (общее число спутников, их масса и т.д.). При этом, в случае ошибки, космос оказывается закрыт для всех, так что, как минимум, сохраняются равные возможности. (Этот момент особенно важен, если стратеги используют идеи теории игр, да.)

Наверняка для этой непростой задачи есть некие решения. Думаю, о том, какие замечательные преимущества сейчас даёт эксклюзивный доступ к космическому пространству, можно не напоминать.

Да, сегодня же международный день числа Пи (π), 3.14 (14 марта). По этому случаю, – а в день числа Пи положено думать обо всём круглом, – NASA опубликовали картинку планеты Сатурн.

Я не уверен, что это самая круглая планета Солнечной системы, но колец у Сатурна больше всех, это точно. Изображение синтезировано из снимков, сделанных аппаратом “Кассини”. Это аппарат использует орбитальный манёвр, который в NASA называют Pi transfer – “Пи-перевод”. Суть манёвра – в использовании притяжения спутника Сатурна, Титана, для изменения орбиты “Кассини”. Число Пи фигурирует в названии потому, что положение Титана на его орбите вокруг Сатурна при двух пролётах “Кассини” отличается на π радиан (то есть, это противоположные точки орбиты).

(Источник картинки на сайте NASA.)

Кое-что о возможной практике анализа больших массивов данных, собранных из разных источников. Предположим, что у АНБ есть списки пассажиров самолётов гражданской авиации, международных рейсов. Существуют общие базы, к которым, для АНБ, не так трудно получить доступ. Для списка ведётся история. То есть, можно построить представление, где каждому пассажиру (идентифицируется с точностью до имени/фамилии) соответствует последовательность его перелётов по странам, сопоставленная с датами, конечно.

Теперь возьмём базу обращений смартфонов (и других персональных мобильных устройств) через Интернет к серверам, например Google и Apple. Такие обращения содержат идентификатор устройства, а также данные о местоположении аппарата (если вдруг координат нет, то дополняем сведениями из базы IP-геолокации, по IP – источнику обращения). Накопленная история позволяет построить последовательности перемещения аппаратов между странами.

Думаю, дальнейший ход понятен: последовательности стран из базы перелётов и базы смартфонов – сопоставляются, с учётом даты. Несмотря на то, что пассажиров у авиакомпаний очень много, а перелёты разные. При использовании в качестве “ключа” последовательности из трёх-пяти перелётов – всякая неоднозначность исчезнет, за исключением, конечно, тех пассажиров, которые действительно летают группой (это тоже важная информация). То есть, в результате получаем соответствие “идентификатор смартфона – имя/фамилия”, для пользователей из разных стран мира, без необходимости доступа к базам операторов связи.

Обработка проводится автоматически, для всех доступных данных по персонам. Сюда же включаются базы по другим видам транспорта, всё, до чего можно дотянуться, а дотянуться в наше информатизированное время можно много до чего. В подобном анализе только массовость и имеет смысл. Интересные подзадачи: имена, фамилии могут быть записаны разным способом, нужно учитывать возможное расстояние между вариантами записи, чтобы автоматически склеить выборки, относящиеся к одному лицу; смартфоны бывают разные, для повышения точности разумно использовать трафик от популярных приложений (уже были сообщения про игру Angry Birds, которая использовалась подобным образом).