dxdt.blog: занимательный интернет-журнал

Пишут (The Register, англ.), будто на одном из спутников Starlink “что-то взорвалось”, а в результате образовались осколки на орбите. В принципе, образование осколков могло быть и результатом столкновения, но оператор утверждает, что это внутренняя проблема спутника. К тому же, не первая. На спутниках, обычно, есть чему взорваться: аккумуляторы, топливные системы и т.д.; так что – правдоподобный вариант. Но заполнение многих орбит осколками легитимных спутников, при условии возникновения лавинного эффекта, это один из сценариев закрытия ближнего космоса. В данном случае, как ожидается, осколки быстро сгорят, потеряв высоту – одно из преимуществ низкой орбиты.

Типовая спутниковая навигационная система (GNSS, типовой пример – GPS) работает в модели, когда приёмник “смотрит” на спутники, а спутники – приёмник не видят: спутники лишь излучают сигнал с метками. Приёмник, на основании полученных данных о местоположении спутников, определяет собственное положение в пространстве (относительно спутниковой системы координат, естественно).

Такой подход выглядит пассивным, в том смысле, что приёмник только принимает сигнал, но никак не участвует в формировании навигационного поля: не передаёт запросов, не отвечает подтверждениями. То есть, в теории, если считать, что GPS-приёмник полностью пассивный (это не всегда так с приёмниками радиосигналов), то схема получается достаточно скрытной: собственные координаты поступают, но не уходят – нельзя узнать положение приёмника (через навигационную систему). Но координаты нужно вычислять, и делать это нужно относительно того, как “видны” спутники с точки зрения приёмника (его антенны/антенн, если говорить совсем строго). Это сопряжено с проблемами спуфинга и помехопостановки: приёмник может принимать дефектный/поддельный сигнал, не принимать ничего вовсе, кроме помех, а сама внешняя система – не знает про такую ситуацию конкретного приёмника, поэтому никак не может содействовать в улучшении его сигнального положения (например, в сетях мобильной связи с условным обозначением 5G, это не так – зная положение приёмника и его “электромагнитную ситуацию”, можно резервировать лучи для этого прёмника).

Вообще, вспоминая сети подвижной радиосвязи, можно представить источник навигационной информации уровня GNSS, работающий по схеме, обратной к только что описанной, но при этом всё равно “пассивной” для потребителя – “только на приём”. Местоположение потребителя геолокации определяет сеть, а потом передаёт этому потребителю его координаты, как они видны с точки зрения сети, в готовом виде. Вот только местоположение потребителя определяется не по исходящему от него специальному радиосигналу, а по сопутствующим признакам: визуально, по возмущениям вокруг, по помехам, источником которых является этот потребитель, ещё как-то.

Например, представьте, что у нас есть много космических спутников на низкой орбите и некоторый летательный аппарат в атмосфере, который нуждается в коррекции своих коордиант. Часть спутников видит этот аппарат, потому что, предположим, спутники как раз предназначены для наблюдения за такими летательными аппаратами и оснащены ИК-сенсорами, телескопами и радарами. Теперь эти спутники вычисляют географические координаты той точки, где видят аппарат, и передают их в сторону аппарата, например, по радио (но тут возможны и варианты – см. ниже). Естественно, это просто вариант давно и широко известной коррекции “по месту”, которая выполняется специальным наблюдателем. Только тут всё автоматическое и работает на базе сети спутников.

Что поменялось? Исходная система-источник геопривязки осталась спутниковой (это важно – спутники могут покрывать сигналом всю территорию Земли), аппарат остался с приёмником, но теперь приёмник получает сразу координаты, их не нужно вычислять, и это координаты с точки зрения внешней навигационной системы. Этой внешней системе гораздо сложнее поставить помеху с земли, а тем более, “подспуфить” сигнал. Но, как и в исходном варианте, можно задавить помехой нисходящий канал на стороне приёмника – последний не сможет принимать координаты, поступающие из внешней системы. Другое дело, что для передачи координат достаточно канала с малой пропускной способностью, и не требуется целая схема кодов для передачи “таймингов” с наносекундной точностью.

Заметьте, впрочем, что синхронное время всё равно требуется: иначе не получится определить задержку, чтобы задать отставание видимых внешних координат от реальных локальных. Но, во-первых, создать очень устойчивый к помехам канал для низкоскоростной передачи данных от распределённой космической системы в сторону приёмника с известными координатами – несколько проще, чем сконструировать сравнимый по помехозащищённости универсальный сигнал для универсального же приёма без привязки к координатам. Во-вторых, передавать координаты опять могут несколько спутников, выделенных специально для этого, но результат приёма сигнала от каждого из спутников уже не будет влиять на определение координат, как в случае “обычной” GNSS. Так что требования к точности синхронизации часов – ниже. В обычной GNSS потеря сигнала от одного спутника может полностью изменить общую картину и точность, – в том числе, можно потерять синхронное время, – в описанной же схеме со “скачиванием” собственных координат – достаточно получить их от одного любого спутника системы. Так что общая устойчивость явно улучшается. Самое занятное, что геолокационные сведения могут транслироваться на некоторый прокси-узел, который уже передаст их непосредственно получателю по оптической связи – это, например, та или иная лазерная система: атмосферная или даже волоконная. Подобные оптические системы хорошо защищены и от помех, и от прослушивания.

Вообще, что касается прослушивания, то вряд ли можно отнести к полезным эффектам онлайн-трансляцию координат наблюдаемых системой аппаратов в открытый эфир. Прочитать координаты может всякий, а не только приёмник на аппарате, которому эти данные адресованы. Да, тут необходимо использовать криптографические методы защиты: если приёмник и внешняя навигационная система согласовали общий секрет, то данные можно зашифровать. Вот только для динамического согласования без предрварительного распределения ключей потребуется передача данных от приёмника в сторону навигационной системы, а это полностью уничтожает “пассивные свойства”, когда потребитель навигации работает только на приём. Если же ключи раздавать по приёмникам заранее, то, в дополнение к технической проблеме надёжного распределения ключей, получаем административную проблему возможной утечки. Но, так или иначе, можно устроить криптографическую часть так, что, если ключи индивидуальные, то утечка конкретного ключа приводит лишь к компрометации онлайн-координат конкретного приёмника. А вот от демаскирующего эффекта направленного радиосигнала, транслируемого в сторону приёмника со спутников – отделаться посложнее. Однако, имея секретные ключи, и тут можно применить сигнальную схему с весьма малой вероятностью обнаружения.

NRO рассекретили программу JUMPSEAT: это специализированные спутники радиотехнической разведки в интересах АНБ (NSA). Первоначальную версию системы разработали в конце 60-х годов прошлого века, а выводились аппараты на высокоэллиптическую орбиту с 1971 по 1987 год. Если так, то, очевидно, на протяжении этих 16 лет было запущено несколько поколений разных спутников с доработанной аппаратурой. Аппараты использовались до 2006 года.

(Image: NRO)

Две больших антенны (приблизительно, четыре и два метра), внизу – вращающийся корпус с аппаратурой. Высокоэллиптическая орбита – это, примерно, от 500 км в перигее до 40000 км в апогее. То есть, аппарат подолгу “зависает” на большой высоте, откуда может принимать радиосигналы различных наземных источников на большой территории: радаров, станций радиосвязи и так далее.

(Image: NRO)

На иллюстрации выше – модель аппарата с другими антеннами. Естественно, основное предназначение – наблюдение за работой советских систем. Нетрудно догадаться, что аппараты, скорее всего, несли не только радиосистемы, но и оптические: как минимум, глупо было бы не поставить хотя бы приёмники инфракрасного диапазона.

(via)

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 публикации на Ars Technica сокрушаются, что Китай, мол, начал интенсивно выводить на околоземную орбиту спутники своей новой сети. И сеть эта – “не просто другая версия Starlink”, но имеет потенциальные приложения для наблюдения за целями на земле и в воздухе, а вот в Штатах всё ещё не готова военная низкорбитальная сеть нового поколения (MILNET), да аналогичного назначения (которое, в отличие от китайской системы, тут прямо декларируется через СМИ).

Вообще, немного странно с уверенностью утверждать, что китайская сеть – это “не версия Starlink”. Возможно, это не версия официального описания предназначения Starlink – типа, спутниковая система только для цифровой связи, для доступа к Интернету. Но кто сказал, что Starlink так же не имеет “дополнительных функций”? Никто не сказал. Зато говорили прямо обратное: и про технологическую ветку Starshield и про то, что SpaceX выводит системы, действующие в интересах NRO (это штатовское агентство технической, – в основном, космической, – разведки). Так что Starlink вполне себе может быть сильно впереди по секретным составляющим. Такой вариант, кстати, неплохо объясняет и то, почему в Штатах переносят сроки развёртывания новых слоёв систем мониторинга на базе сетей спутников – они уже есть, но на другой базе. Заметьте, что потребителям “специальных данных” даже не обязательно знать, что их приносит сеть Starlink (в том числе, наземные терминалы).

Да, орбитальные сети из тысяч спутников – это принципиально новая платформа. Например, я недавно писал про изменение возможностей наблюдения:

Низкоорбитальная спутниковая сеть связи позволяет транслировать потоки информации по кратчайшёму пути. Если один из спутников осуществляет разведку, – например, при помощи телескопа, – то получаемое изображение можно транслировать потребителям прямо через спутники сети, минуя какой бы то ни было наземный центр управления. Если бы центр управления требовался, то время доставки было бы больше, кроме того, передача данных занимала бы каналы именно к центру управления, и потребителям информации пришлось бы конкурировать, получая слоты по времени передачи.

Сравните, кстати, с первыми разведывательными спутниками, которые, например, принимаемые радиосигналы писали на магнитный носитель, а потом проигрывали запись в сторону наземной станции, пролетая над территорией, где эта станция установлена. А то и сбрасывали кассеты с записью, да так, чтобы подобраны они могли быть только своими службами.

Сети спутников связи, работающие на низкой орбите, как Starlink, имеют немало преимуществ, которые свойственны именно сетям. Понятно, даже одиночный аппарат, но на низкой орбите, это уже снижение задержки сигнала, так как аппарат может быть очень близко. Очевидный факт. Но ничуть не менее очевидно, что если такой аппарат один, то, практически, он всегда будет очень далеко, если смотреть из любой точки на земле: спутник быстро движется по орбите, и даже если непосредственно над точкой оказывается, то на очень недолгое время. А потом и вовсе уходит за горизонт. Поэтому одиночные спутники связи и развешивают на геостационарной орбите, которая очень высокая – почти 36 тыс. километров. Даже если удалось удачно расположить приёмник на земле ии поймать такой спутник в луч антенны, задержка (“пинг”) будет долгой: сигналу только лететь больше 230 мс, если в обе стороны. А на низкой орбите – нужны сети спутников.

Представьте, что наземный терминал работает на какой-то очень подвижной технике. Если это устаревшая система с геостационарным спутником и тарелкой-рефлектором на земле, то тарелку нужно как-то удерживать наведённой на спутник. Если носитель тарелки быстро перемещается, – едет по склонам и кочкам, предположим, – то нужна быстрая стабилизирующая платформа для антенны. А тут ещё и до спутника далеко, то есть, затухание само по себе сильное, поэтому каждая небольшая ошибка стабилизатора антенны существенно ухудшает доступный уровень сигнала.

Если же у нас и несколько близких спутников всегда в поле зрения, и используется суперсовременная фазированная антенная решётка с электронным управлением лучами, то задача стабилизации совсем другая: электронный переброс лучей выполняется несравнимо быстрее, да и направлений для их переброса всегда несколько, так как несколько спутников. В общем, механическое сканирование для стабилизации сигнала вообще может и не требоваться. Это как раз вариант для Starlink. Точнее, для Starshield – для военной ветки данной системы, которая разрабатывается и работает для SDA (Space Development Agency).

Другой момент. Низкоорбитальная спутниковая сеть связи позволяет транслировать потоки информации по кратчайшёму пути. Если один из спутников осуществляет разведку, – например, при помощи телескопа, – то получаемое изображение можно транслировать потребителям прямо через спутники сети, минуя какой бы то ни было наземный центр управления. Если бы центр управления требовался, то время доставки было бы больше, кроме того, передача данных занимала бы каналы именно к центру управления, и потребителям информации пришлось бы конкурировать, получая слоты по времени передачи.

Сетевая, распределённая архитектура лишена этих недостатков. 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). То есть, технически, это вариант IP-сети, но на орбите – динамические маршруты передачи данных выстраиваются близкие к оптимальным, а информационный канал, – сокет, – создаётся сразу между сервером-телескопом и клиентами – то есть, наземными терминалами. Это весьма важно для автоматических систем наведения, где каждая миллисекунда задержки играет существенную роль. Вместо телескопа, работающего в видимом диапазоне, может быть спутниковый радар, с синтезированием апертуры. Да, в этом случае видеопотока не будет, но синтезировать можно на интервале в несколько секунд, и тут же отправлять готовый результат заказчику: с низкой орбиты так можно эффективно наблюдать даже небольшие ракеты.

Я не раз писал, что низкоорбитальные спутники предоставляют прекрасную платформу для размещения наблюдательных систем. Системы, конечно, наблюдают за поверхностью Земли, за тем, что летает невысоко над поверхностью, а также и за тем, что находится неглубоко под поверхностью (поскольку спутники работают синхронно, образуя наблюдательную сеть). Ars Technica сообщает, что данная тема активно развивается: планируют запустить опытный космический наблюдательный аппарат Clarity-1 на орбиту с высотой около 270 км. Если так, то это половина от высоты многих элементов Starlink. Аппарат достаточно большой – тянет на 530 кг.

Вообще, тут каждый километр высоты приносит очень много: интенсивность принимаемого ЭМ-излучения падает пропорционально квадрату расстояния, а если у вас радар, то “квадрат” тут проявляется дважды – зондирующий импульс затухает в направлении зондирования, а потом ещё отражённый сигнал тоже затухает, пока идёт обратно. Три сотни километров – это очень близко.

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.

Всё больше появляется проектов космических аппаратов и систем, предназначенных для захвата и перемещения других аппаратов, находящихся на околоземной орбите. С одной стороны, такие системы, очевидно, не просто полезны, но и необходимы для удаления “космического мусора”. С другой стороны, мешающими аппаратами, нарушающими какие-нибудь очередные “распоряжения и санкции”, могут быть назначены произвольные искусственные спутники. На следующем шаге эти спутники официально, быстро и плавно сводятся с орбиты в направлении атмосферы Земли, вне зависимости от желания оператора спутника. Тут важный момент в том, что такой принудительный увод с орбиты является результатом последовательных действий, выполняемых по заранее подготовленным техническим нормам – понятно, что сбить-то спутник и так можно.

Конечно, целевой спутник, почуяв, – по подсказке с Земли, – угрозу принудительной “отставки”, может попробовать убежать от приближающегося “демонтажника”, однако это потребует расхода топлива, что, по своему действию, может оказаться эквивалентным “отставке”. Отдельный интерес представляет ситуация, когда группа “демонтажников” в нужный момент удаляет с орбиты сразу несколько ключевых аппаратов: “демонтажники” выводятся на орбиту сильно заранее, поэтому никаких пусков ракет-носителей непосредственно перед основным событием не потребуется.

NRO (штатовская военно-космическая разведка) продолжает выводить на околоземную орбиту свою специальную часть от более общей программы, связанной со Starlink от SpaceX. В этот запуск отправили, насколько можно понять, несколько десятков аппаратов. Вообще же речь тут про сотни спутников, которые, скорее всего, используют некоторые базовые компоненты, совпадающие со спутниками Starlink, а также разделяют со Starlink, как системой, технологии запуска и управления. Эти спутники выводят на низкую орбиту (от 300 км), так как задумана именно близкая к поверхности, быстрая система, которая позволит эффективно решать задачи разведки новыми способами: много точек наблюдения, обеспечиваемых работающей синхронно однотипной аппаратурой.

Я не так давно писал, что “сетевые спутники” на низкой орбите – это весьма мощный инструмент, поскольку они и всеракурсные, и находятся близко к поверхности (о чём постоянно, почему-то, забывают, переводя внимание на самолёты), и точность позволяют существенно улучшать при помощи согласованной обработки данных, и более надёжны, как система (много одинаковых независимых элементов – логически, кстати, похоже на АФАР). Например, такая конфигурация позволяет противодействовать всякому “затенению” в результате действий других аппаратов. Что, впрочем, работает и в другую сторону: спутники сами могут выступать в роли платформы поддержки РЭБ, не только по земле, но и в сторону прочих космических аппаратов, в том числе, находящихся на более высоких орбитах. А уже запущенная, “официальная” система Starlink тут может оказывать всестороннее содействие: предоставлять каналы связи, сигналы для точного наведения (наземные терминалы) и так далее.

“Коммерческий поставщик спутникового наблюдения” Umbra недавно сообщил, что там начали вводить в строй систему бистатической радиолокации с синтезированием апертуры на базе нескольких низкоорбитальных спутников. По ссылке есть пример снимка, этот же пример – рассматривается ниже. Вообще, речь про специализированный радар сантиметрового диапазона, а синтезирование апертуры и согласованная вычислительная обработка данных позволяют сильно улучшить показатели: разрешающую способность, обнаружение движущихся целей и пр. Сейчас спутников в этом проекте, как пишут, запущено всего восемь, два самых новых как раз и обеспечивают базу для бистатической радиолокации. Поддержку оказывает DARPA.

Понятно, что результат радара – это далеко не цветная картинка, полученная телескопом для публикации в Google Earth (см. наложение ниже). Но у радара целый ряд преимуществ, тем более, если речь идёт об орбитальной радиолокации с разнесением передатчика и приёмника. Такой орбитальный радар видит ночную часть земной поверхности, может просвечивать не только сквозь облака, но и через некоторые наземные укрытия; зондирующий радиосигнал с высокой разрешающей способностью позволяет отличать макеты техники от настоящей техники и, в теории, может даже извлекать сведения о подземных коммуникациях (находящихся на небольшой глубине в подходящих почвах) и обнаруживать подвижные субмарины в подводном положении (по спутному следу). Спутники Umbra находятся на высоте около 550 км (450 – 600 км), а низкая орбита тоже приносит свои преимущества, даже по сравнению с самолётами. (Но, например, на радарной картинке не видна надпись, нанесённая на основание плотины с иллюстрации ниже.)

В качестве иллюстрации работы бистатической радиолокации Umbra публикует изображение дамбы большой ГЭС в Пакистане.

Общий вид:

(Cпутниковый радар Umbra.)

Выделен фрагмент, который ниже дан с увеличением до “пиксел в пиксел”:

(Umbra.)

Фрагмент с большим разрешением

(Umbra.)

Примерное наложение на снимок, доступный в Google Earth:

Занятно, что совпадает почти вся техника, выставленная во дворе (Umbra/Google). От Umbra, кстати, есть немало данных в открытом доступе.