DARPA, лазеры и интернет на орбите

Америка надеется создать новую разведывательную сеть в космосе

Спутники являются важной военной инфраструктурой для шпионажа и связи. Они также уязвимы для атак и разрушения. В ноябре 2021 года, за три месяца до вторжения в Украину, Россия запустила ракету по неработающему спутнику. Затем, в октябре, российский дипломат заявил, что законными целями могут быть даже коммерческие спутники. Спутниковые системы, используемые Украиной, были взломаны и заглушены. Наземные антенны были атакованы.

В связи с подобными вещами военное ведомство Америки обеспокоено тем, что ее спутниковая сеть не в порядке. Но у неё есть Программа узла адаптивной связи космического базирования Space-BACN (или «Космический бекон» для своих друзей) в случае успеха создаст лазерный военный интернет на орбите вокруг Земли, используя несколько спутников, которые должны были запущены в любом случае.

Space-BACN — это детище DARPA, исследовательского подразделения по специальным проектам Министерства обороны, и интригующее орбитальное эхо оригинальной земной сети ARPANET, которая превратилась в Интернет. (Он был назван так в тот момент в истории DARPA, когда в организации не было буквы «D» для «обороны».) Программа состоит в том, чтобы оснастить как можно больше недавно запущенных спутников лазерными приемопередатчиками, которые смогут связываться с аналогами на расстоянии до 5000 км. Владельцы спутников будут платить за эти приемопередатчики, но затем будут получать платежи от американского правительства за их использование.

Молния фантастического света

Space Bacon обещает много преимуществ. В отличие от радио, обычного способа связи со спутниками и между ними, передачи с помощью лазерного луча трудно перехватить и почти невозможно заглушить. Действительно, злоумышленники могут даже не знать, когда происходит передача, что является бонусом за оперативную секретность.

Лазеры также предлагают гораздо более высокие скорости передачи данных, чем радиоволны. Некоторые спутниковые группировки уже используют лазеры для связи между членами, и они достигают примерно двух гигабит в секунду (примерно в 200 раз больше, чем может обеспечить радио). Однако DARPA попросило подрядчиков Space Bacon разработать оборудование, способное передавать в одном луче 100 гигабит в секунду. Этого достаточно, чтобы за это время отправить несколько фильмов высокой четкости.

Способность передавать военную информацию от одного летающего объекта к другому подобным образом — и без ограничений, налагаемых различиями в протоколах связи спутников, обеспечивающих доставку, — значительно упростит дело. Отдельные спутники могут загружать данные только в пределах досягаемости наземной антенны, принадлежащей их конкретной сети, или через другого члена этой сети, который, вероятно, находится на аналогичной орбите. Спутник в системе Space Bacon, напротив, может передавать данные другому, возможно, принадлежащему другому оператору, находящемуся на другой орбите. И этот спутник может, в свою очередь, передать его другому,  пока подходящая наземная антенна не окажется в пределах досягаемости.

В настоящее время задержки с отчетами, вызванные отсутствием сетевой совместимости, означают, скажем, что танк, обнаруженный спутником, мог уехать к тому времени, когда его местоположение было получено любым, кто мог бы использовать эту информацию. Space Bacon более или менее устранит эту задержку.

Он также предложит один из хваленых плюсов оригинального дизайна ARPANET, который унаследовал Интернет. Это автоматическое перенаправление сообщения, если узел (т. е. конкретный спутник или наземная станция) отключен. Кроме того, задействовав почти все соответствующие наземные станции, особенно конфиденциальные данные могут, как отмечает Грег Куперман, руководитель программы Space Bacon, направляться через антенны в места, где пытаются подслушать последние, передаваемые по радио, часть пути считаются менее вероятными.  

Сердцем всего этого является точность прицеливания, которая будет встроена в лазеры Space Bacon. Фил Рут, глава отдела стратегических технологий DARPA, говорит, что размышления об этом «выносят мне мозг». Спутники на низких околоземных орбитах (СНОО, те, что ниже 2000 км на высоте, и те, которые Space Bacon будет использовать для начала) движутся со скоростью около 7,8 км в секунду, часто кувыркаясь на ходу. Подключение оптических головок к двум из них будет эпической задачей. Однако успехи были впечатляющими. Mynaric, фирма, базирующаяся недалеко от Мюнхена и разрабатывающая головки для Space Bacon, может корректировать траекторию лазера всего на 57,2 миллионных доли градуса. На расстоянии 1000 км это означает смещение луча менее метра.

Для плавного перемещения своих лазеров Mynaric использует систему моторизованных линз и наклонных зеркал. Другой подрядчик, mBryonics из Голуэя, Ирландия, использует электронные сигналы для изменения фазы света, точно регулируя направление луча аналогично перенаправлению фотонов через стеклянную линзу.

Однако даже при таком уровне точности первоначальные прямые попадания в удаленную голову, вероятно, будут редкостью, говорит Дэвид Макки, ведущий технолог mBryonics. Таким образом, оптические головы, пытающиеся соединиться, будут проводить то, что он называет схемами поиска по слепой спирали. Когда луч находит свою метку, сигнал информирует приемник о точном местоположении отправителя. Используя другую длину волны, чтобы предотвратить помехи, приемник затем запускает лазер по тому же пути, чтобы подтвердить соединение. Мистер Макки считает, что его аппарат завершит эти орбитальные «рукопожатия» за десять секунд.

Существующая спутниковая связь на основе лазеров основана на датчиках, называемых фотодиодами. Более высокие скорости передачи данных Space Bacon требуют другого подхода. Фотоны, несущие сообщения, войдут в единственную волоконно-оптическую нить с отверстием всего в десять микрон в поперечнике, что намного меньше, чем 100 микрон фотодиода, которых в любом случае может потребоваться более одного. Mybryonics надеется осуществить этот трюк, используя зеркало со сложной изогнутой поверхностью для перенаправления фотонов в устройство размером с iPhone, которое фокусирует свет и направляет его в волоконно-оптическую нить.

Спецификация системы Space Bacon требует, чтобы она потребляла не более 100 Вт от основного спутника. Это ограничение создает проблему для процессора, необходимого для перевода между различными протоколами данных, используемыми на спутниках, поскольку для этого доступно только 40 Вт из этих 100.

Одной из фирм, работающих над этим, является Intel, американский производитель микросхем. Он разрабатывает то, что Сергей Шумараев, руководитель проекта, описывает как «модем типа Rosetta Stone». Г-н Шумараев говорит, что коммерчески доступные компоненты для этого были исключены, потому что они слишком большие и энергоемкие. Он считает, что если бы они использовались, результат был бы размером с пиццу и потреблял бы 400 Вт. Его команда «пытается уменьшить размер пиццы до спичечного коробка», используя то, что они называют «чиплетами», вместо более крупных полупроводников.

Возвращение домой BACN

DARPA хочет, чтобы Space Bacon стоил максимум 100 000 долларов за спутник, чтобы стимулировать участие. Хорошо, что Amazon, SpaceX и Viasat, менее известная, но хорошо зарекомендовавшая себя компания спутниковой связи, разрабатывают архитектуры управления и контроля для Space Bacon.

Amazon планирует запустить группировку широкополосных спутников НОО под названием Project Kuiper. Это может включать приемопередатчики Space Bacon. SpaceX может добавить их по мере того, как расширяет Starlink, свое широкополосное созвездие льва, с нынешних 3500 или около того спутников до десятков тысяч. Существующая сеть Viasat отличается. Она основана на пяти больших спутниках на геосинхронных орбитах на высоте 36 000 км над Землей, к которым присоединятся еще три в течение следующих 14 месяцев. Фирма также имеет обширную сеть наземных станций, которые можно использовать на вечеринках.

Одной из проблем управления и контроля является разработка оптимальных маршрутов для передачи данных. Крейг Миллер, руководитель отдела правительственных систем Viasat, говорит, что это сложнее, чем решить классическую математическую задачу о коммивояжере. По мере роста сети вычисление наиболее эффективных маршрутов становится все труднее и труднее, и не только потому, что узлы будут перемещаться. Команда г-на Миллера также должна назначать и учитывать расчетные оценки «переменного доверия» для потенциальных скачков данных, поскольку некоторые из них более уязвимы для действий противника, чем другие.

DARPA планирует выбрать лучшие подсистемы этим летом и надеется подготовить прототип для испытаний на СНОО до 2025 года. Если все пойдет хорошо, сеть можно будет расширить до геостационарных орбит. Союзники, считает доктор Рут, могут быть приглашены присоединиться. Противники Америки, несомненно, будут внимательно следить за происходящим.