dxdt.blog: занимательный интернет-журнал

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.)

В комментариях на dxdt.ru неоднократно обсуждалась радиолокационная система, использующая в качестве зондирующего поля существующие в эфире сигналы, например, от телевизионных передатчиков. Например, была такая заметка по этой теме: “РЛС поневоле“.

Jno навёл на свежее сообщение Thales – эта корпорация планирует “исследовать вопрос” использования ТВ-сигналов для создания радиолокационных систем, следящих за трафиком в воздушном пространстве. Собственно, в исходном сообщении описана равно та же схема, что и в заметках на dxdt.ru – скажем, вот в этой, двухгодичной давности: “GPS для энтузиастов: доступность технологий“. Естественно, в качестве опорного сигнала упоминают цифровое ТВ.

Замечу, что подобные РЛС конструировали и раньше. В Thales сейчас просто продвигают эту технологию в гражданский сектор, параллельно популяризируясь с ней в СМИ (куда ж там без телевидения, хоть бы и в контексте радаров, да).

Что касается очередного авиарейда Израильских ВВС на территорию Сирии, в разрезе ПВО и РЭБ – поделюсь тематическими ссылками на прошлые записки dxdt.ru:

• Радиоэлектронные вторжения и атаки комплексов ПВО;
• Атаки на “вскрытие управления” комплексов ПВО;
• Уязвимости и комплексы ПВО – продолжение про побочные эффекты;
• Сигнатуры, ПВО и утечки информации по побочным каналам;
• Активация аппаратных “закладок” в вычислительных системах;
• Ложные цели в группах.

И даже вот: радиолокация и уязвимости DNS.

Вообще, уже много лет очевидно, что в преодолении ПВО силами РЭБ важную роль играют правильная математическая подготовка, мощные вычислители, добротная информационная сеть. Если в этих областях есть технологическое превосходство, то появляется существенное преимущество.

(Напомню, что на dxdt.ru есть целый раздел про РЛС.)

Кстати, было такое вот довольно изящное решение с устройством полуактивной антенны бортовой РЛС (советской), позволяющее, в теории, одновременно обстреливать две цели: антенна РЛС имела электронное сканирование (“движение луча”) в одной плоскости, а механический привод позволял поворачивать антенну таким образом, что обе цели оказывались в плоскости сканирования. То есть, переходя в режим работы по двум выбранным целям, антенна разворачивалась, останавливалась, после чего включалось самое простое, какое только можно придумать, электронное сканирование луча, успешно перебрасывающее его от одной цели к другой.

(Для того, чтобы получать точную прицельную информацию о целях – их нужно зондировать радарным импульсом часто, иначе точность сопровождения оказывается непригодной для успешной атаки. Антенны с чисто механическим сканированием в принципе не могут обеспечить высокоточную работу по нескольким воздушным целям, если только те не летят сверхплотной группой: антенны поворачиваться не успевают. Поэтому в типичной “механической” РЛС есть “режим атаки” одной выбранной цели, когда радар никаких других задач не решает, а только ведёт заданную цель.)

Как-то я писал о том, что, например, комплекс ПВО не является “изолированной” вычислительной системой, а, напротив, работает с данными, поступающими извне. Это означает, что состоянием комплекса можно манипулировать, создавая активные помехи (так выстраивается один из путей активации аппаратных закладок, если таковые имеются в вычислительных системах).

Занятно, что стороны, атакующей комплекс, могут быть подробные сведения о его устройстве (закупили образец). В таком случае, на стороне помехопостановщика можно построить математическую модель комплекса. Наличие такой модели позволяет построить некий интерфейс, автоматически подбирающий помехи таким образом, что аппаратура комплекса переходит в заданное оператором помехопостановщика состояние. Тут в качестве “канала управления” служат сигналы помехопостановщика, а в качестве обратной связи – “ответные” сигналы самого комплекса, в том числе внутренние, если их (или их следы) возможно принимать. Оборудование и сопутствующие системы можно разместить на борту самолёта РЭБ. Понятно, что такой интерфейс нужен для ведения эффективной “игры” против системы ПВО на уровне управляющих ей людей.

Да, добротно сконструированный комплекс ПВО, которым управляют опытные специалисты, не должен бы впадать в какие-то хорошо предсказуемые другой стороной состояния. Ну или хотя бы не должен сигналить в эфир о том, чем в данный момент заняты внутренние радиоэлектронные системы.

Так вот, вопрос в том, какое из двух только что приведённых теоретических построений (об управлении активными помехами и об устойчивом управлении комплексом) окажется ближе к реальности. Особенно в случае с устаревшими системами ПВО.

Кстати, как некоторое время назад верно напомнили в комментариях, для создания импровизированной бистатической РЛС можно использовать едва ли не любой действующий радиопередатчик. Технология примерно такая. Используется несколько приёмников, один из которых – “опорный” – фиксирует сигнал выбранного передатчика, например, телевизионного, используя остронаправленную антенну. Другие приёмники, расположенные в нескольких удалённых точках, фиксируют возможные отражения этого же сигнала от, скажем, находящихся в воздухе летательных аппаратов. Опять можно использовать направленные антенны. А можно и не использовать.

Вся сеть объединяется в систему с общим синхронным временем и общей обработкой данных. Теперь, зная исходный сигнал, на основе анализа принятых отражённых сигналов, можно вычислить положение наблюдаемых объёктов. В результате получаем вариант РЛС, использующей “чужой” сигнал. При этом дополнительные элементы являются пассивными (ну, если не учитывать каналы связи между ними), обнаружить их сложно.

И такие системы уже есть. (Впрочем, я, вроде, уже писал об этом раньше.)

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.

Сейчас принято связывать с малозаметными истребителями “малозаметные” радары (LPI – англоязычная аббревиатура). Эти радары используют разные методы, снижающие вероятность обнаружения факта их работы детекторами. Да, понятно, что для малозаметного самолёта простой радар не подходит: “громкие” зондирующие импульсы испортят всю малую заметность. Но ведь сама проблема шире и едва ли не старше, чем “Стелс”. Скрытность работы важна не только для бортовых РЛС истребителей.

Например, существуют особые загоризонтные РЛС, предназначенные для решения разных задач, среди которых есть и наблюдение за воздушными, морскими целями, или, скажем, за стартом и полётом межконтинентальных ракет. Загоризонтные РЛС на то и загоризонтные, что будучи расположенными на земле – просматривают пространство далеко за горизонтом, расстояния измеряются сотнями и тысячами километров. То есть, такие РЛС, возможно, зондируют чужую территорию. При этом решение задачи мониторинга подразумевает, что станции работают непрерывно. Естественно, если работа такой РЛС в эфире обнаруживается другой стороной во всех деталях самыми простыми техническими мерами, то тут же возникает идея с постановкой помехи, тем более, что радар работает на большие расстояния. А помеха, понятно, может лишить сам радар практического смысла. Поэтому и тут разумной практикой оказывается использование специальных сигналов, снижающих вероятность обнаружения работы станции и, – что не менее важно, – затрудняющих раскрытие структуры сигналов и алгоритмов их формирования. Та же ситуация снижения заметности работы РЛС, но при этом никаких истребителей. Понятно, что практически любой радар станет более полезным, если его работу в эфире сделают “малозаметной”, но не для всех сценариев применения РЛС затраты на снижение заметности оказываются оправданы. Загоризонтная разведка – сценарий как раз подходящий.

Raytheon пишет в пресс-релизе, что недавно успешно испытали в полёте группу ЛА, включавшую в себя несколько летающих ложных целей MALD-J. Планируют запускать производство, очевидно. Это интересно в свете тенденции к активному использованию маскирующих беспилотников. Скажем, эти самые имитаторы MALD-J – это активные системы, оснащённые средствами РЭБ, а не просто крылатые ракеты, обвешанные уголковыми отражателями. Стартуют они с борта самолёта-носителя (см. фото), могут сопровождать его. И, как пишут, программируются на имитацию разных самолётов, состоящих на вооружении ВВС США.

В ближайшем будущем, группа подобных ложных целей – хорошо оснащённых беспилотников, сопровождающих несколько малозаметных “настоящих” самолётов, может сильно запутать ПВО. Понятно, что, например, наводиться по источнику помех тут смысла нет – ложная цель-источник летит отдельно от прикрываемого самолёта. Да, могут помочь длинноволновые РЛС. В простом случае, из-за особенностей рассеяния, можно будет отличить летательный аппарат с большим размахом крыла от мелкой ракеты, имитирующей цель. Но даже если получилось различить цели (что, в случае с малозаметными самолётами – не факт), то всё равно остаётся большая проблема: как обстреливать эту цель? Для наведения ракеты длинноволновая станция не подходит, потому что у неё недостаточная точность. Радиолокационная головка наведения ракеты, прибывшей к такой группе, скорее всего ослепнет из-за тучи накрывших её с разных сторон активных помех. Что получается? Получается, что необходимы мощные пассивные оптические схемы, и на борту истребителей, и в системах наведения ракет, и ИК/УФ, и видимого диапазона, работающие совместно.

Конечно, оптику может испортить лазерное излучение. Но тут нужно ещё ухитриться попасть по сенсорам. При этом от простых слепящих лазеров помогут оптические фильтры. Сверхмощные же лазеры, со сложной системой фокусировки, которые портят любое стекло – это уже вообще другой уровень для воздушных помехопостановщиков.

Кстати, не стоит забывать, что даже вполне современные комплексы наземной ПВО могут одновременно обслуживать весьма ограниченное число целей. При этом каждая новая цель, которую планируется обстреливать, это заметная дополнительная проблема для операторов. Так что стая добротно сделанных имитаторов может быть эффективным средством создания перегрузки у малочисленной ПВО.

Оказывается, несмотря на большие размеры и медийную привлекательность, об особенностях штатовского морского плавучего радара мало знают. Скажем, как этот радар ходит морем? Вся штука смонтирована на нефтяной платформе (российского производства, между прочим, как верно отметил в комментариях Зашёл в гости) и, поэтому, перемещаться она может сама, а также с привлечением буксиров и специальных судов, которые могут поднять платформу целиком. Как происходит транспортировка судном:

Во-первых, платформа максимально всплывает. Во-вторых, транспортный “док” подходит достаточно близко и частично погружается под воду (это транспортное судно так устроено – см. фото). В-третьих, буксиры заводят платформу так, что она оказывается над грузовой палубой транспорта. В-четвёртых, транспорт всплывает и поднимает платформу. Дальше, это в-пятых, транспорт быстро везёт платформу к новому месту дислокации (сама платформа ходит медленно). Как происходит спуск на воду по прибытии, думаю, рассказывать не надо. Смотрим фотографии (после фотографий – ещё текст с дополнительными объяснениями назначения изделия).

Общий вид транспорта:

“Погрузка/разгрузка”:

Далее – ещё эпизоды транспортировки:

Масштабы сооружения можно оценить по вот этой паре картинок (исходник и фрагмент крупно – там несколько человеческих фигур на снимке):

Вообще, водоизмещение платформы, как пишут, около 50000 тонн. Главный “шарик” содержит в себе основную антенну, её линейные размеры, судя по всему, находятся где-то в районе 23-27 метров. Очевидно, это АФАР (активная фазированная антенная решётка) с дополнительным механическим сканированием. Надо заметить, от чисто “механической” антенны при таких размерах толку бы вообще не было: слишком медленная.

Кстати, для такого радара, по роду применения, очень важно точно знать своё местоположение (3D, понятно) в каждый момент времени, иначе будут большие погрешности измерений. Поэтому там не только сама платформа активно стабилизируется, но и наверняка антенны находятся на гиростабилизированных платформах (такие платформы “под большой вес” – известны, используются для стабилизации оружейных систем на кораблях). Кроме того, АФАР может компенсировать перемещения платформы “на лету” с помощью обработки сигнала.

Для чего радар нужен в системе ПРО?

Да, понятно, что большая антенна позволяет быстро и точно вычислять координаты потенциальных целей. Кроме того, высокочастотный сигнал (а это ж X Band), делает возможным получение радиолокационной картины с довольно высоким разрешением, то есть, можно отличать отдельные элементы группы целей (боеголовка, имитаторы и т.п.) на большом расстоянии.

Суммарная мощность передатчиков наверняка велика (там же нет проблем с энергоснабжением), поэтому не стоит забывать, что важнейшая-то задача такого радара – подсвет целей для бистатической радиолокации (то есть, отражённый сигнал принимают другие участники системы). Радар плавучий – может занять выгодную позицию. Другие элементы, расположенные на кораблях, также можно расставить в нужных точках.

Зачем?

Для решения одной ключевой задачи: известно, что реальные боеголовки могут прятаться среди множества имитаторов, которые привезла та же ракета. Имитаторы, конечно, проектируются таким образом, чтобы их было очень сложно отличить от боеголовки, при использовании самых разных средств наблюдения: РЛС, оптических систем и т.п. Однако одно дело изготовить имитатор, неотличимый от боеголовки при наблюдении одним радаром с одного ракурса, и совсем другое – неотличимый имитатор, работающий для произвольного ракурса, в том числе при условии, что приёмник и передатчик системы наблюдения противника разнесены в пространстве. Нужно ли объяснять, что вторая задача вообще имеет другой порядок сложности?

А теперь добавьте сюда тот факт, что наблюдение осуществляется при очень высоком для радиолокации разрешении: хорошо виден момент “разделения целей”, траектории всех элементов.

Вот поэтому и требуются морские системы и радары в Европе: собственную прикрываемую территорию Штаты могли бы под завязку нашпиговать РЛС самых разных диапазонов, но нужных ракурсов наблюдения (с разнесением приёмников и передатчиков), необходимых для автоматической селекции целей (угрозы/имитаторы), таким способом не получить. Точнее, когда ракурс образуется – уже поздно собираться что-то там перехватывать.

Но это всё, конечно, стратегические цели.

(Фото: MDA, Boeing)

Продолжаем серию записок, затрагивающих внутреннее устройство радаров. Вообще, в наборе уже опубликованных записок с темой РЛС, как-то остались за бортом сведения о самых базовых принципах и логике работы радаров. И вроде бы многие о них читали/слышали, а вот оказывается, всё равно вопросы остаются и непонимание – тоже. Так что нужно навёрстывать.

Понятно, что главное свойство радара – это способность определять координаты наблюдаемых целей. В рамках решения задач по определению координат, возникает задача определения расстояния “до цели”. Как можно вычислить расстояние? В самом банальном случае, конечно, речь нужно вести о расстоянии между приёмо-передатчиком радара и отражающей сигнал целью. Если утрировать ситуацию ещё больше, то и возникает то самое распространённое наблюдение, что расстояние вычисляется делением пополам времени между отправкой зондирующего импульса и приёмом отражённого с последующим умножением результата на “скорость света”. Действительно, практически такой подход и работает: главное, научиться точно определять время.

В популярной литературе традиционно рисуют картинку, где передатчик отправляет импульс в сторону цели, потом вся система “засекает время” отправки и ждёт “ответа”, то есть отражённого импульса. Чтобы понять, что эта технологически рафинированная картина в практике реального мира встречается лишь чуть чаще, чем идеальная окружность, вспомните: радары могут быть импульсными, а могут быть и непрерывного излучения; настоящие цели склонны перемещаться, отражающих объектов в “поле зрения” радара может быть одновременно несколько. А есть ведь и другие трудности, похитрее (например, активные помехи).

Посмотрим внимательнее: если радар использует непрерывное (ну да, тут имеется в виду некоторый условный длительный промежуток времени) излучение – а именно так работали многие старые радары, работает целый ряд современных и “проектируемых”, например бортовые РЛС перспективных истребителей – то для того, чтобы сравнивать принятый сигнал с отправленным, придётся использовать специальную модуляцию, создающую “метки времени”.

Подумайте сами: если совсем простой радар передаёт “монотонный писк” (“гармонику”), то расстояние до цели можно бы определять по углу сдвига фазы в принятом сигнале. Однако тут сразу возникает такая проблема: как отличать расстояния, кратные периоду колебаний “писка”? Ведь получается, что очень много целей (ага, в чисто математическом смысле бесконечно много – вообще обидно) окажутся как бы на одном расстоянии. Проблема. Решается использованием сложной модуляции (или кодирования), загоняющей в сигнал “линейку” с нужным периодом.

С импульсным радаром, казалось бы, проще, всё как в идеальной картинке: отправил импульс, получил “ответ”. Но, понятно, радар не может всякий раз ждать отражённого сигнала, прежде чем передать новый импульс. Предположим, что импульсы следуют с какой-то частотой. Тогда получается, что отражённый сигнал может прийти к приёмнику через время, превышающее время молчания между передачей соседних импульсов. Как понять, что принят ответ на позапрошлый импульс? То есть, в общем-то, получается та же неприятная штука, что и с непрерывным сигналом. Поэтому опять придётся придумать такую модуляцию, которая позволит после приёма отличать отдельные импульсы внутри некоторой последовательности. Что, собственно, и делается на практике. Выходит, даже самый простой случай требует серьёзных ухищрений для определения расстояния по времени задержки сигнала.

Как ещё можно определять расстояние? Можно по углам направления (пеленгам) на одну и ту же цель из разных точек пространства, с известными координатами (так сказать, “триангуляцией”). Не обязательно одновременно фиксировать направление из нескольких точек (скажем, используя набор истребителей). Один самолёт достаточно быстро летит, поэтому, измерив направление на цель из нескольких точек траектории полёта, зная относительное положение этих точек, можно вычислить искомое расстояние. Первая проблема тут такая: как вообще понять, что направление при каждом измерении фиксируется действительно на одну и ту же цель? Помогает сохранение сигнатур и реализация других методов распознавания целей.

Есть и вторая проблема, которая мешает всем методам определения расстояния радаром, но особенно только что упомянутой “триангуляции” по серии последовательных измерений: что делать, если цель движется? Так что на практике используют довольно сложные алгоритмы и уточняют результаты измерений сразу несколькими способами. Конечно, помогают и данные о скорости движения цели. Об этом – в продолжении, которое следует.

Кстати, вопрос: в записке упомянуто два “простых” метода измерения расстояния “практическим радаром”: по “задержке сигнала”, по азимутам; кто сможет назвать другой метод?