Низкоорбитальная навигационная система: подводные камни

За час до того, как я сел писать эти строки, первый спутник-демонстратор низкоорбитальной навигационной системы Pulsar отделился от разгонного блока.

Идею системы я изложил в прошлой статье. Компания Xona планирует вывести около 300 небольших спутников на низкую орбиту. Каждый спутник будет снабжен приемником сигналов глобальных навигационных систем (ГНСС), по их сигналам спутники будут определять свои траектории движения и синхронизироваться. Из-за удаленности от поверхности земли и ориентации антенны, спутники будут оставаться вне досягаемости наземных постановщиков помех.

Каждый спутник системы будет формировать собственный сигнал, который, благодаря близости к поверхности планеты, окажется в 100 раз мощнее сигналов ГНСС. В совокупности с криптографической защитой сигнала это обещает устойчивость навигации к помехам и спуфинговым атакам. А за счет простоты спутников и их вывода, простоты комплекса управления, стоимость всей системы можно уместить в несколько сотен млн долларов.

Звучит многообещающе, но какие есть подводные камни? Структура сигналов и их несущие частоты пока не опубликованы компанией, и тут у меня возникает много вопросов.

Распределение частот RNSS

Частотный ресурс конечен и ограничен. Чтобы хоть как-то его поделить и упорядочить использование частот, страны участвуют в международном союзе электросвязи (МСЭ, англ. ITU). МСЭ каждые три-четыре года устраивает всемирную конференцию радиосвязи (англ. WRC), на которой пересматривает основополагающий документ — Регламент Радиосвязи (ITU RR). Регламент Радиосвязи определяет использование радиочастотного спектра и спутниковых орбит, в том числе задает распределение частот под те или иные сервисы. Регламент обязателен к исполнению всеми странами, подписавшими конвенцию МСЭ, а это практически все страны мира. На государственном уровне выпускаются постановления, дублирующие регламент. Например, в России это постановление Правительства «Об утверждении Таблицы распределения полос радиочастот …».

Есть в этом регламенте распределение и для спутниковых радионавигационных сервисов (англ. RNSS), в который входят как ГНСС, так и Xona Pulsar. В направлении космос-земля распределены несколько широких участков в нижнем L диапазоне и по одному узкому участку, по 20 МГц каждый, в S и C диапазонах:

Нижний L диапазон перенаселен существующими системами, это GPS, GLONASS, Galileo, Beidou, IRNSS, QZSS, SBAS:

Добавление новых сигналов в L диапазон возможно, но новые сигналы не должны существенно сказываться на работе старых систем. Для этого на стороне потребителя спектры новых сигналов не должны пересекать старые, либо их спектральная плотность мощности (СПМ) должна быть сравнима с СПМ старых сигналов. Для обеспечения достаточной точности и помехоустойчивости Pulsar должна использовать широкополосные сигналы: единицы, а ещё лучше десятки мегагерц. Значит, не пересекаться со старыми сигналами в L диапазоне не получится. Но и низкий уровень СПМ обеспечить тяжело, ведь нам обещают сигнал в 100 раз мощнее сигналов ГНСС!

Можно попробовать размазать сигнал по всей частотной области, скажем от 1164 до 1300 МГц. Но даже в этом случае уровень его СПМ окажется выше на 10-13 дБ, чем уровень СПМ таких сигналов как GPS L5, Galileo E5, Beidou B3I и других. А это вызовет существенный уровень межсистемным помех.

К тому же, Xona заявила двухкомпонентный сигнал. Из релиза непонятно, имеются в виду две несущих частоты или две компоненты на одной несущей. Если первый вариант, то где будем размазывать? Если второй, то уровень межсистемных помех возрастет ещё на 3 дБ.

Размещение сигналов в S и C диапазонах имеет ряд негативных последствий. Во-первых, это потребует отдельной антенны и отдельных трактов, а значит усложнится внедрение системы в мобильные телефоны и т.п. устройства. Во-вторых, пропорционально квадрату частоты упадет мощность принимаемого сигнала при прочих равных условиях. В-третьих, усилится влияние тропосферы и осадков, которые в L-диапазоне относительно малы.

Прием сигналов ГНСС на фоне собственного передатчика

Чтобы синхронизировать спутники и определить траекторию их движения, на спутниках устанавливается приемник ГНСС. Могу предположить, что это будут приемники GPS или GPS+Galileo. Хоть спутник Pulsar и движется в космосе, он не многим ближе к спутнику GPS, чем любой наземный потребитель. Уровень сигнала на выходе его приемной антенны всё так же крошечен, порядка сотен зептоватт. Но с этого же спутника, вероятно в том же частотном диапазоне, необходимо излучать сигнал мощностью в десятки ватт!

По моему опыту разработки аналогичных систем, разнесение антенны на разные грани спутника может обеспечить развязку в 20, максимум 40 дБ. Это не спасет при разности мощности сигналов передатчика и приемника в 17 порядков, без дополнительных мер прием навигационных сигналов будет наглухо подавлен.

Какие могут быть дополнительные меры? Можно было бы разнести сигналы в разные частотные диапазоны. Но см. п. 1, это решение имеет большие недостатки.

Можно сделать импульсный сигнал. Например, чередовать включение и выключение передатчика с темпом от нескольких сотен нс до единиц мс. Для сохранения среднего уровня сигнала это заставит нас поднять мгновенную мощность ещё на 3 дБ, немного усугубить итак острую проблему межсистемных помех.

Можно сделать сигнал с множеством поднесущих и выключать из по-очереди. Такой своеобразный ППРЧ. Но эффект и проблемы будут схожими. И появится новая — сохранение постоянной огибающей, без которой КПД усилителей на спутнике упадет с пятидесяти процентов до совсем скромных значений. А это проблемы и питания, и отвода тепла, и габаритов.

Поляризация сигнала

Угловые размеры Земли при взгляде со спутника GPS — 30 градусов. Спутник GPS излучает конус в этом направлении, мощность фокусируется в узком луче. Спутник от Xona расположен над самой поверхностью. Если на GPS мы смотрим анфас, то на Pulsar зачастую — в профиль. Спутнику потребуется значительно более широкая диаграмма направленности. А значит, упадет уровень сигнала.

Но падение уровня сигнала — это не главная беда. При использовании плоской антенной решетки и значительных отклонениях от надира, поляризация сигнала из круговой начнет вырождаться в линейную. А поляризация — один из самых эффективных способов борьбы с многолучевостью. При отражении сигнала с круговой поляризацией он зачастую меняет направление поляризации. Этот нежелательный сигнал с другим направлением поляризации отлично подавляется приемной антенной. Потеря этого качества негативно скажется на точности определения местоположения.

Распределение ключей

Для защиты от спуфинговых атак и ретранслированных помех сигнал Pulsar обещают зашифровать. Могу предположить, что защита будет выстроена по принципу сигналов санкционированного доступа системы GPS. При этом подходе сигнал с высоким темпом модулируется псевдослучайной последовательностью, являющейся хэшем от текущего времени. Чтобы полноценно принимать сигнал, вам нужен ключ, чтобы отражать время в ту самую последовательность.

Нет необходимости передавать полный ключ каждому потребителю. Его можно разбить на множество пар черный-красный. Из каждой пары черный зашивать при производстве в приемник, а уже красный передавать по каналам связи. Так каждому приемнику будет соответствовать индивидуальный ключ. Перехват индивидуального ключа без приемника, которому он предназначен, бесполезен.

Но эта схема может работать, когда приемники военные и стоят на строгом учете. Как быть с гражданскими потребителями? Ставить на учет каждый проданный айфон и каждую теслу?

Вероятно, это одна из причин заявленной двухкомпонентности сигнала. Один могут отдать только военным, второй — гражданским. Но тогда большинство приемников, гражданских, продолжат работать по сигналу, подверженному спуфингу. Хотя при этом и усложнится сам спуфер.

Заключение

За простой и элегантностью идеи низкоорбитальной навигационной системы кроется множество технических проблем её реализации. Интересно будет наблюдать, как разработчики системы их обойдут.