Internet z kosmosu wchodzi w nową erę. Rosjanie nie będą zadowoleni

Wojskowy internet z orbity brzmi jak rozwiązanie idealne: satelity nad głową, stabilna łączność dla żołnierzy w terenie i brak zależności od zniszczonych masztów czy przeciętych światłowodów. Rzeczywistość jest jednak mniej ciekawa, bo przeciwnik doskonale rozumie, jak ważna jest taka komunikacja. Jeśli nie może od razu zestrzelić satelity, spróbuje ją zagłuszyć, podsłuchać albo po prostu zasypać zakłóceniami. Właśnie na ten problem odpowiada prototyp anteny z MIT Lincoln Laboratory. Nazywa się HoNi BAJR i zamiast wyłączać zakłócacza, potrafi po prostu przestać go słuchać.

Jeszcze niedawno satelitarna łączność wojskowa kojarzyła się głównie z dużymi, drogimi satelitami na wysokich orbitach i terminalami dla armii. Dostęp do internetu z kosmosu może być jednak narzędziem taktycznym, a nie tylko strategicznym. Dobitnie pokazały to doświadczenia z frontu na Ukrainie. Łączność satelitarna pomaga dowodzić oddziałami, przesyłać dane z dronów, utrzymywać kontakt tam, gdzie klasyczna infrastruktura została zniszczona, i szybko przenosić informacje między frontem a zapleczem.

Pisaliśmy o tym w tekście: Starlink na celowniku Rosji i Chin. Satelity Elona Muska zagrożone. Rosja i Chiny bardzo dobrze rozumieją, że łączność z orbity nie jest neutralną usługą technologiczną. To element pola walki, który można atakować, zakłócać, śledzić i wykorzystywać do rozpoznania.

Właśnie dlatego tak ważne stają się systemy, które potrafią działać w środowisku zakłóceń. Nie chodzi już tylko o mocniejszy nadajnik i lepsze szyfrowanie. Chodzi o antenę, która potrafi inteligentnie kształtować to, gdzie patrzy radiowo, skąd przyjmuje sygnał i w którym kierunku celowo robi ciszę.

HoNi BAJR powstał z myślą o rozproszonych konstelacjach na niskiej orbicie okołoziemskiej. To coraz ważniejszy kierunek w wojskowej łączności. Zamiast opierać się na kilku ogromnych, drogich satelitach, można budować większe roje mniejszych jednostek. Taka architektura daje odporność: trudniej wyłączyć cały system jednym ciosem, a satelity na niskiej orbicie zapewniają mniejsze opóźnienia.

Jednak małe satelity mają brutalne ograniczenia. Liczy się każdy gram, każdy wat i każdy centymetr powierzchni. W wojskowym żargonie mówi się o SWaP-C, czyli rozmiarze, masie, poborze mocy i koszcie. Jeśli antena jest zbyt ciężka, zbyt prądożerna albo zbyt droga, trudno upchnąć ją na setkach małych satelitów.

Tu właśnie pojawia się pomysł MIT Lincoln Laboratory. Zamiast klasycznej, aktywnej anteny fazowanej z dużą liczbą skomplikowanych elementów, wzmacniaczy i sieci zasilania, badacze stworzyli skanowaną antenę typu reflectarray. Jak to działa? Wiele małych elementów nie nadaje samodzielnie z pełną elektroniką, tylko odbija sygnał w kontrolowany sposób.

Prototyp HoNi BAJR ma 256 małych elementów ułożonych w siatkę 16x16. Można myśleć o nim jak o inteligentnym lustrze radiowym. Sygnał trafia na powierzchnię anteny, a każdy z elementów odbija go z odpowiednim przesunięciem fazy. Gdy te odbicia złożą się razem, powstaje wiązka skierowana tam, gdzie system chce patrzeć.

To trochę podobne do anteny fazowanej, która elektronicznie steruje wiązką bez fizycznego obracania całego urządzenia. Różnica polega na tym, że reflectarray korzysta z osobnej anteny zasilającej, a elementy powierzchni odbijają sygnał zamiast wzmacniać go każdy z osobna. Dzięki temu znika spora część złożoności.

Według MIT taka architektura może zużywać około 95 proc. mniej energii niż typowa antena aktywna. Dla dużej instalacji naziemnej to byłaby miła oszczędność. Dla małego satelity może to być różnica między technologią realną a technologią zbyt ciężką i zbyt prądożerną, żeby poleciała na orbitę.

Chyba najciekawszy element dotyczy walki z zakłóceniami. W idealnym świecie antena nie tylko kieruje główną wiązkę w stronę użytkownika, ale też potrafi tworzyć tzw. nulle, czyli kierunki, z których sygnał jest silnie tłumiony. Jeśli przeciwnik nadaje zakłócenia z konkretnego miejsca, system może spróbować zrobić radiową dziurę właśnie w jego stronę.

To nie oznacza, że antena niszczy nadajnik zakłócający. Nie wyłącza go, nie pali elektroniki i nie zagłusza w odwecie. Ona próbuje tak ukształtować własną czułość, żeby sygnał zakłócacza stał się dla niej mniej istotny. W dużym uproszczeniu: zamiast krzyczeć głośniej od przeciwnika, uczy się go nie słuchać.

Pisaliśmy o podobnych problemach w tekście: Znaleźli sposób na zagłuszanie Starlinka. Elon Musk ma potężny problem. W świecie łączności satelitarnej nie wystarczy mieć tysiące satelitów. Trzeba jeszcze sprawić, by terminale i satelity potrafiły pracować wtedy, gdy ktoś celowo próbuje zrobić im radiowy bałagan.

Zakłócanie łączności satelitarnej brzmi trochę jak domena tajnych baz i wielkich anten. Czasem rzeczywiście tak jest, ale nie zawsze. Źródłem niechcianych sygnałów mogą być systemy wojskowe, cywilna infrastruktura radiowa, urządzenia elektryczne, celowe zagłuszarki albo wiele mniejszych nadajników działających jednocześnie.

Dla satelity na niskiej orbicie problem jest szczególnie trudny, bo środowisko radiowe bardzo szybko się zmienia. Satelita przelatuje nad różnymi regionami, widzi różne źródła sygnałów, łączy się z różnymi użytkownikami i musi działać w czasie rzeczywistym. To nie jest spokojna antena na maszcie, która przez lata patrzy w jeden punkt.

Właśnie dlatego MIT nie proponuje prostego rozwiązania na zasadzie: namierz zakłócacza i wytnij punkt. W dynamicznym środowisku może nie być czasu, żeby idealnie dostosować wiązkę do jednego źródła zakłóceń. Zespół testuje więc podejście polegające na tworzeniu całych regionów tłumienia zakłóceń przez kształtowanie listków bocznych anteny. To bardziej skomplikowane, ale może być praktyczniejsze w prawdziwym chaosie sygnałów.

Każda antena ma główną wiązkę, czyli kierunek, w którym pracuje najmocniej, ale ma też słabsze odnogi promieniowania, nazywane listkami bocznymi. W teorii są one pobocznym efektem. Mogą one jednak zdecydować o tym, czy system będzie odporny na zakłócenia, czy sam sobie zostawi otwarte okno dla niechcianych sygnałów.

Jeśli zakłócacz trafi w taki listek boczny, to antena może odebrać jego sygnał mimo tego, że główna wiązka jest skierowana gdzie indziej. Dlatego kontrola listków bocznych jest kluczowa. MIT przyznaje, że właśnie tu technika jeszcze się potknęła. Testy pokazały trudności, bo listki boczne są bardzo wrażliwe na niewielkie zmiany sygnału i niedoskonałości systemu.

HoNi BAJR był już testowany w laboratorium RF Systems Testing Facility. Badacze sprawdzali, jak antena kształtuje wiązki i jak zachowuje się przy dużym kącie skanowania. To bardzo istotne, bo satelita na niskiej orbicie musi obsługiwać użytkowników rozłożonych szeroko względem swojej pozycji. Nie wystarczy patrzeć wąsko pod siebie.

Testy pokazały też możliwość tworzenia wieloszczytowych wiązek, czyli w uproszczeniu dzielenia anteny tak, żeby obsługiwać więcej niż jednego użytkownika albo kierunek. Co istotne, według zespołu odbywało się to z niewielką stratą sygnału. Dla wojskowej łączności to bardzo cenne, bo jeden satelita może musieć jednocześnie rozmawiać z wieloma terminalami w terenie.

Oznacza to, że antena nie jest tylko tanim odpowiednikiem droższej konstrukcji. Ma potencjał do bardziej elastycznej pracy: szerokie pokrycie, dynamiczne formowanie wiązek, obsługę wielu użytkowników i częściową odporność na zakłócenia.

Żeby antena faktycznie robiła to, co obiecuje, system musi dokładnie wiedzieć, jak każdy element wpływa na sygnał. Wystarczy niewielka różnica fazy, niedoskonałość elementu, błąd pomiaru albo zmiana warunków, a idealna wiązka z symulacji zaczyna zachowywać się inaczej w rzeczywistości.

MIT podkreśla, że dla skanowanych reflectarrayów nie ma jeszcze bogatej tradycji kalibracyjnej w takim zastosowaniu. To stosunkowo mało rozpoznany obszar. Trzeba więc nie tylko zbudować antenę, ale też opracować procedury, dzięki którym będzie dało się ją wiarygodnie stroić, sprawdzać i utrzymywać w działaniu na satelicie.

Cywilny użytkownik internetu satelitarnego chce przede wszystkim zasięgu, prędkości i niskiego opóźnienia. Wojsko chce czegoś więcej: odporności na zakłócenia, niskiej wykrywalności, szyfrowania, pracy w ruchu, integracji z dowodzeniem i działania mimo prób ataku.

Pisaliśmy o tym w tekście: Polska z internetem z orbity. Przy tym Starlink to zabawka. Wojskowy SATCOM to nie zwykły router z talerzem. To część systemu dowodzenia, rozpoznania i prowadzenia operacji. Jeśli przeciwnik odetnie łączność, może sparaliżować oddział równie skutecznie jak fizycznym atakiem.

Jeśli jeden satelita zostanie wyłączony, reszta może częściowo przejąć zadania. Satelity są bliżej Ziemi, więc opóźnienia są mniejsze, a terminale mogą być mniejsze. Ale niska orbita ma też swoje minusy. Satelity szybko się poruszają, często przekazują połączenia między sobą, a geometria łącza nieustannie się zmienia.

Przeczytaj także:

Dla zakłócacza to również okazja. Może próbować atakować konkretne kierunki, pasma, obszary albo momenty przelotu. W przyszłości środowisko będzie jeszcze trudniejsze, bo satelitów, terminali i źródeł zakłóceń będzie przybywać. HoNi BAJR powstał właśnie z myślą o takim świecie: zatłoczonym, dynamicznym, tanim w skali pojedynczego satelity, ale wymagającym odporności na poziomie całej konstelacji.

Największą zaletą reflectarraya może być skalowalność. Jeśli każda antena w małej konstelacji wymaga kosztownej, prądożernej i ciężkiej elektroniki, cały system robi się drogi. Jeśli podobny efekt da się uzyskać prostszą konstrukcją, łatwiej myśleć o setkach albo tysiącach satelitów.

*Źródło grafiki wprowadzającej: Glen Cooper, Lincoln Laboratory / Canva Pro