Краткое содержание предыдущих серий...
Региональные системы навигации
В суровые годы второй мировой войны на службу заступали самые передовые по тому времени технические средства. Среди них радары, ракеты и навигационные системы. Гвоздь этого выпуска это система навигации, построенная на принципе измерения времени задержки между радиоимпульсами. Более подробно об этих системах, называемых еще гиперболическими, было в одном из прошлых выпусков.
Эти системы активно эксплуатировались не только морскими, но и воздушными судами военного назначения вплоть до массового внедрения спутниковых систем навигации. Однако, после получения военными в пользование глобальной системы позиционирования (GPS), никто не торопился сворачивать финансирование инфраструктуры гиперболических систем навигации. Их использовали как военные так и гражданские. Успехи электронной промышленности позволяли проводить периодическую модификацию этих систем.
Внедрение глобальных систем позиционирования
Астрономического размера бюджетные расходы на исследование, разработку и выведение спутниковой группировки на орбиты привели к появлению высокотехнологичной, а главное, глобальной системы навигации. Гражданское применение системы GPS в 90-x годах сделало эту систему по настоящему популярной.
Эта самая высокотехнологичность и глобальность привели к тому, что уровень доверия к этой системе оказался настолько высок, что разработчики сложнейших информационных систем во всем мире без всяческих опасений используют GPS в качестве поставщика данных о местоположении различного рода трекеров и самое главное - данных точного времени.
В это же самое время существует, как минимум, 2 причины, делающие все вышеуказанные разработки уязвимыми. Первое - мощность спутникового сигнала низкая, второе - отсутствует процедура аутентификации передатчиков спутников. Это значит, что невозможно удостовериться в том, что сигнал действительно принадлежит спутникам системы. А еще это означает, что совершенно не сложно подделать сигналы в интересах злоумышленников. Но самое главное в этом то, что вернуть спутники для переделки с орбиты уже невозможно и выделенные деньги потрачены навсегда.
Чем так были хороши гиперболические системы?
Все о чем так сильно переживали аналитики случилось, пришло время угонов беспилотников и прочих махинаций, связанных с подделкой сигналов GPS. В связи с этим начались работы по созданию качественно новой системы навигации, способной побороть выявленные недостатки.
Настало время сделать качественный анализ сильных и слабых сторон глобальной системы GPS и ее живучего регионального предшественника LORAN.
- Диапазон волн. GPS - УВЧ диапазон, распространение в зоне прямой видимости, затухание на препятствиях. LORAN - ДВ диапазон, распространение далеко за горизонт на тысячи километров, проникают под воду, навесы и в здания.
- Мощность передатчика. GPS - малая (около 20 Вт). LORAN - мощные передатчики (около 400 кВт), что делает задачу подавления и подделки сигналов сравнительно непростой. Для достижения большой выходной мощности на антенне злоумышленнику понадобится очень большая антенна.
- Зона обслуживания. GPS - глобальная, практически на всю площадь земного шара. LORAN - региональная система, способная охватить площадь нескольких европейских стран. В этом показателе старик проигрывает.
- Точность определения координат. GPS - наилучшая среди всех систем навигации (от +- 15 м до +-100 м). LORAN - хорошая точность (от +- 200 м до +- 2 км).
- Позиционирование. GPS - трехмерное (координаты и высота). LORAN - двухмерное (только координаты). В этом старику тоже не тягаться.
- Стоимость развертывания. На стоимость выведения на орбиту одного спутника системы GPS можно закупить сотню передающих станций LORAN и обслуживать их в течении 20 лет.
Самым главным достоинством наземной системы гиперболического типа является то, что она уже существует и для модификации передатчиков не нужно доставать их из космоса. Остается озаботиться тем, как поработать над недостатками LORAN, чтобы система приблизилась к GPS по точности и не забыть про криптографическую защиту навигационных данных. Все! Довольно скромными средствами можно решить массу проблем.
Встречаем eLORAN
Финансирование соответствующей программы вместе с последними достижениями радиоэлектроники поработали на славу и в мире появилась качественно новая система региональной навигации гиперболического типа с названием eLORAN. Если расшифровать аббревиатуру, то это "улучшенная навигация дальнего действия" (Enhanced Long Range Navigation).
По своей сути это тот самый старик, но с улучшениями. Рассмотрим эти улучшения.
- Возможность передачи данных. Поскольку импульсы системы LORAN не хранили никакой дополнительной информации, то возникло закономерное желание использовать сигнал для однонаправленного отправки данных.
- Криптографическая защита данных. В целях защиты от подделки сигнала станций предусмотрено шифрование данных в канале их передачи.
- Повышенная точность определения координат. Как и в случае с системой GPS, в дополнение к основным станциям в систему вводятся корректирующие дифференциальные станции, однако они являются приемными и по выделенным каналам связи передают в систему отклонение измеренных координат от реальных. Это позволяет внести коррективы в сигнале основных станций.
Теперь по пунктам и более подробно.
Канал передачи данных
Передающая станция формирует сигнал мощностью до 400 кВт при помощи ряда технических средств. Несущая частота при этом модулируется по фазе огибающей, которая, в свою очередь, формируется цифровым потоком данных.
Необходимо отметить, что для обеспечения как можно более узкой занимаемой полосы частот получившегося сигнала огибающая делается не прямоугольной, а более плавной формы. Одно только это обстоятельство делает необходимой замену имеющегося передающего оборудования станций. Однако, в этом много хорошего, в частности переход на новую элементную базу делает оборудование более миниатюрным и увеличивает межремонтные интервалы.
Как и ранее, предающая станции направляет в эфир пакет информации, однако теперь это 128 бит при общей длительности пакета данных 20,48 мс. Длительность одного бита - 160 мкс.
Теперь аппаратная это не обитаемое помещение с обязательным присутствием дежурного персонала, а стандартный 25-футовый контейнер, где собрано все необходимое оборудование.
Внутри аппаратной содержится криптографическое, каналообразующее и усилительное оборудование.
Криптографическая защита данных
Особенностью систем навигации является однонаправленное распространение информации от передатчиков к приемникам. Сейчас принято говорить, что это стрим (stream) Это накладывает свои ограничение на выбор алгоритма шифрования данных.
Рекомендации RFC 4082 и RFC 4383 описывают алгоритм аутентификации TESLA ( Timed Efficient Stream Loss-tolerant Authentication ) и его использование. Аббревиатура расшифровывается как "быстрая аутентификация, устойчивая к потери потока", поэтому не стоит путать с одноименной известной американской компанией.
Отправитель и получатель имеют секретный ключ для вычисления кода аутентификации сообщения (MAC). В случае прихода сообщения с правильным MAC получатель уверен, что сообщение подготовлено отправителем. Это довольно общее описание подхода, при котором злоумышленник при незнании секретного ключа должен потратить массу времени на вычисления полным перебором комбинаций ключа. Однако, при этом подходе любое легальное устройство, имеющее ключ, само может стать злоумышленником.
Особенностью TESLA является раскрытие ключа с задержкой, нерасшифрованное сообщение буферизируется, а ключ для расшифровки приходит позже. Для более подробного отчета потребуется изучение RFC 4082. Дело не одного дня, так что я пасс)
Повышенная точность определения координат
Мы добрались до самого интересного момента. Это то, как устаревшая система навигации может поднять точность определения координат с +-200 метров до +-5 метров.
Причиной повышения точности является установка дополнительных дифференциальных приемных станций, которые обрабатывают сигнал основных передатчиков и, зная свои настоящие координаты, отправляют в систему расхождения полученных координат с реальными.
Весь секрет в том, что дополнительные станции располагаются только в тех местах, где нужна именно максимальная точность. В качестве примера можно привести территорию морского порта со сложным фарватером (безопасный путь прохода по водному пространству). Вне фарватера движение судна сопряжено с риском столкновения с подводными препятствиями, а при точном следовании по необходимой траектории проход будет безопасным.
Путь прохождения радиоволны ДВ диапазона может быть довольно сложным. Это может быть одно или несколько отражений от ионосферы, грунта и водной поверхности. Нижняя граница ионосферы постоянно двигается по высоте в зависимости от времени суток и процессов на Солнце. Таким образом, сигналы от разных станций могут приходить с постоянно меняющейся взаимной задержкой. Исходя из разных задержек, одна дифференциальная станция может показывать одно расхождение с реальными координатами, другая - совершенно иное. Каким же образом можно подстраивать фазы навигационных сигналов так, чтобы везде обеспечивалась приемлемая точность?
Дифференциальные станции по защищенному VPN каналу передают на сервер мониторинга и управления свои показатели расхождения координат. Исходя из общей картины, сервер мониторинга вырабатывает корректирующие команды на аппаратуру формирования сигналов передающих станций. Каждая из коррекций приводит к изменению расхождений, где-то в меньшую, где-то в большую сторону. Однако, если рассмотреть задачу как оптимизационную с целевой функцией минимум среднеквадратического отклонения, то решение может быть достигнуто довольно быстро, особенно при разумном использовании методов оптимизации.
Выводы
Старик LORAN не ушел на пенсию, а освоил новую элементную базу, системы автоматического управления с обратной связью, радиосвязь, криптографию и пришел на службу полон сил.
- Переход на новую элементную базу и, как следствие, повышение надежности оборудования убрали со станций дежурный персонал, оставив лишь необходимость контроля оборудования каждые 70-90 дней
- Появившийся канал данных сделал возможным однонаправленную передачу сообщений
- Криптографическая защита данных снизила вероятность подмены навигационных сигналов злоумышленником
- Непрерывно работающий замкнутый контур управления с датчиками в виде дифференциальных станций повысил точность определения координат до +- 5 м в локальных областях где это необходимо
- Стоимость всех улучшений несравнимо меньше, чем стоимость работы над ошибками проектирования глобальных спутниковых систем позиционирования
Ставьте лайки и подписывайтесь на канал, впереди много интересного, не пропустите.