Глобальные системы позиционирования *

Заблуждение 1. Форма Земли — это просто

Алгоритмы обработки навигационных сигналов определяются математической моделью навигационного сигнала. И на этом шаге современные глобальные спутниковые навигационные системы преподносят нам сюрприз. Оказывается, что разные системы используют разные сигналы. Более того, каждый спутник не ограничивается одним типом сигнала, а излучает целый набор. Так на новых спутниках ГЛОНАСС можно выделить до 14 разных сигнальных компонент! А в совокупности по всем системам типов сигналов больше 50.

Попробуем разобраться с этим многообразием.

Занимательный факт. Исходный код программы бортового управляющего компьютера лунного модуля Аполлон 11 содержит 64830 строк. Исходные коды прошивок навигационного приемника, которые мы в МЭИ разрабатываем последние десять лет, содержат 217510 строчек на C++ и 181236 строчек на SystemVerilog. И я всё жду, когда это количество перейдет в качество.

Встраиваемый софт - это не только прошивки небольших контроллеров, он может быть объемным и сложным. Его разработка, например, для современных систем связи и навигации, может стоить дороже разработки схемотехники, корпуса или даже запуска в производство интегральных микросхем.

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

Идею этой 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.

Успех Starlink проложил дорогу молодым компаниям, претендующим на заполнение низкой околоземной орбиты своими малыми и не очень спутниками. Производить аппараты на конвейере, запускать сотнями и тысячами, разрабатывать и разворачивать группировку за десятки месяцев - всё это "New Space". Теперь HawkEye360 следит за пожарами лесными и людскими, Spire собирает данные о погоде, OneWeb догоняет Маска, SatelliteVU запускает в космос тепловизоры...а Xona Space Systems готовит для нас новую навигационную систему Pulsar!

В системе ГЛОНАСС пользователь ориентируется по навигационным спутникам как по маякам. Эти маяки удалены на расстояние около 20 000 км и движутся относительно поверхности земли со скоростью более 3 км/с. Но при этом спутники непрерывно передают параметры, позволяющие рассчитать их положение с точностью порядка метра. И чем точнее эти параметры, тем точнее вы, как пользователь системы, можете определить своё местоположение...

Поступают сообщения об отказе спутниковой навигации на авиалайнерах при движении по маршрутам в Прибалтике. Аналогичные сообщения поступали ранее из восточного средиземноморья, что побудило немецкий DLR (German Aerospace Center) отправить свой A320 на Кипр для сбора информации. Миссия состоялась в начале 2020 года, а по её результатам была выпущена научная статья, о выводах которой под катом

В первой части статьи мы вспомнили старые-добрые времена, когда один телефон от другого можно было отличить по фотографии. Мы добрались до iPhone 4S и увидели, как функции навигационного приемника переместились в связной чип Qualcomm MDM-6610. Что же было в следующих айфонах?

Если спросить разработчика-железячника чем ему нравится его работа, многие ответят, что возможностью пощупать результат своего труда. Это приятное чувство, когда плата в руках. Она точно такая, как ты её представлял, как ты её придумал. Моргает светодиодами, впивается в руку острой гранью, оставляет след. Это не "бездушный софт", который не покажешь ребенку и не положишь под стекло на выставке.

Но у меня есть ощущение, что эта радость постепенно уходит в прошлое. Покажу на примере приемников спутниковых навигационных систем.

Что такое ГНСС приемник? С системной точки зрения, это один из трех компонентов системы в одном ряду с сегментом космических аппаратов и сегментом контроля и управления.

Навигационные системы используют разные типы навигационных сообщений для модуляции разных сигналов. Например, сигналы GPS L1C/A модулируются сообщением в соответствии с протоколом LNAV, а сигналы GPS L2C и L5 сообщением CNAV.

Протокол определяет размещение данных в фреймах и сабфреймах, интервал передачи, разрядность и т.д.

• 96% специалистов по cybersec игнорируют проблему спуфинга;
• в 2012 году стоимость атаки была $100 000, в 2022 — всего $500;
• в 2018 году в продажу поступил GPS Spoofer за $5;
• по роликам на youtube (или гайдам с github) любой человек может запустить свой спуфинг за 15 минут;
• с железом на $1000 можно положить навигацию по всей Москве;
• с 2016 по 2018 обнаружено 9883 инцидента с 1311 судами в Геленджике;
• 85% краж автомобилей происходит с джаммерами;
• 680 форков на GitHub для подделки сигналов GPS;
• каждый год продается 450 000 серверов времени, в мире их уже более 3 млн., от каждого тайм-сервера зависит кусочек критической инфраструктуры.

Термины

Не плоть, а дух растлился в наши дни,
И человек отчаянно тоскует...
Он к свету рвётся из ночной тени
И, свет обретши, ропщет и бунтует.

A good glass in the bishop’s hostel in the devil’s seat forty-one degrees and thirteen minutes northeast and by north main branch seventh limb east side shoot from the left eye of the death’s-head a bee line from the tree through the shot fifty feet out.
Edgar Allan Poe.

Предыдущие статьи цикла о реверсе данных автомобильных навигаторов Siemens/VDO Dayton CARMiN:

Реверс черного тессеракта

01 Сшей красное с красным, желтое с желтым, белое с белым. Наверняка будет хорошо

02. Я уже даже не вижу код. Я вижу блондинку, брюнетку и рыжую

03. С прозрачными воротами и яркою звездой

Предыдущие статьи о реверсе данных автомобильных навигаторов Siemens/VDO Dayton CARMiN:

Реверс черного тессеракта

01 Сшей красное с красным, желтое с желтым, белое с белым. Наверняка будет хорошо

02. Я уже даже не вижу код. Я вижу блондинку, брюнетку и рыжую

Получив в прошлой статье полную раскладку по значениям чисел и цифр типа блока 0xA, информации по странам, естественным следующим шагом будет попытка провести разбор типа блока 0x0С, информации по городам.

Предыдущие статьи о реверсе данных автомобильных навигаторов Siemens VDO Dayton CARMiN

Реверс черного тессеракта

01 Сшей красное с красным, желтое с желтым, белое с белым. Наверняка будет хорошо

Статья является продолжением Реверс черного тессеракта, без прочтения которой, единственный вопрос, на который именно тут будет дан законченный ответ - "почему на КДПВ этого цикла статей везде картинки авторства Евгения Тихоновича Мигунова?".
Сразу и отвечу. Потому, что по странному совпадению, всеми книгами, которые он иллюстрировал, в детстве я зачитывался. Как художник, на мой взгляд, он великолепен, и выбранные цитаты его творчества, на мой взгляд, очень хорошо ложатся на темы конкретных статей.

Продолжение же реверса данных для автомобильного навигатора систем Siemens VDO CARMiN - под катом.