卫星安全研究有关的基础知识

2019-05-09 387161人围观 ,发现 31 个不明物体 无线安全

卫星黑客很多人感觉很酷,电视的媒体会报道一些有关火箭、卫星方面的东西,在我们的印象中,卫星属于人类的高科技。那么从黑客角度出发,入侵卫星就成了很多人梦寐以求甚至仰望、崇拜的地位,这个是情有可原。但卫星安全问题真的不像有的人吹嘘的那么容易,目前国内这个领域还算是空白。之前我有发布过跟卫星安全有关的文章,但真正能看懂,能学到东西的人少之又少,而评论区更是尴尬,似乎人们都把重心偏向了那些虚伪的东西。其实跟卫星相关的知识多并且复杂,需要很多方面都要涉及。

前文回顾:

探究卫星有关的安全问题

卫星黑客有关的基础知识

今天这篇文章,我来给大家普及一下卫星有关的基础知识。因为你想了解这个领域有关的东西,基础知识是必不可少的。大部分人感觉,黑掉卫星仅仅靠自己的技术足够厉害,通过网络就可以搞定,实际上远非如此。然而卫星有关的技术非常多,我不能在一篇文章里把所有的技术都给讲全,只是简单介绍一下基础,我尽量不放数学公式,希望大家都能看得懂。

可能都知道卫星很贵,但很多人都没有真正了解到一颗卫星有多贵。卫星项目从立项后,就开始了昂贵的过程。研发需要许多专业的技术专家来组成,进行系统的架构设计、论证等工作。技术完成了论证就需要购买昂贵的硬件,这个方面是真的昂贵,可能搞硬件的应该了解,包括FPGA等相关的芯片是很重要的,而卫星由于在地球的大气层外,无法受到大气层的保护,卫星的温差非常大,面向阳光的一面能达到100多摄氏度,而背向阳光的一面又可达零下100多摄氏度,温差可达200多度。还有来自外太空的电磁辐射等许多因素,导致了很多普通的电子原件是无法在卫星上正常工作的。电子元器件需要采用宇航级,也是使用环境最苛刻的器件。而卫星整体架构需要对内部的元器件进行保护,提供舒适的温度环境才能正常工作。所以就需要设计一套恒温系统,来保证卫星的电子设备正常运行。卫星的射频链路都采用损耗较少防干扰的材料,后续还要租用频率、发射、运营、地面站等等,成本非常高昂。

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卫星在太空上,电的来源只能依靠太阳能,大家可以看到卫星都是有太阳能发电板的。目前太阳能发电技术已经走进日常生活中,但是,卫星上的太阳能发电板跟我们日常使用的可大不一样,由于航天发射需要大量的成本,比如火箭,发射一吨重的物体到太空中,需要几千万的成本,就导致每单位物体的成本非常高。所以卫星在设计的时候需要考虑重量和性能等因素来取一个折中的方案。太阳能发电板便是如此,电能直接限制卫星的整体性能,我们要在单位重量的太阳能电池上产生最大化的电能,就需要发电效率更高的太阳能电池板。我们平常所见的单晶硅、多晶硅太阳能电池板的发电效率一般在20%左右,大部分是低于20%的。而砷化镓效率就高很多,单结砷化镓的转换效率理论上可达近30%,而多结砷化镓比如三结砷化镓在聚光透镜下效率可以超过40%。所以在单位面积的太阳能电池中,采用三结砷化镓发电板会提供多的电量。这样才可以有足够给卫星的各种载荷提供供电。当然,伴随而来的是成本的提升,三结砷化镓电池受制于制造工艺复杂很难大面积量产,目前仅用于航空航天等高端领域。一瓦发电板的单价大概将近一万元,你们可以想象一下那些大型卫星动辄1kW的发电量的太阳能发电成本。

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电源管理系统

说完太阳能电池,咱们聊聊电源管理系统吧,先给泼个冷水,国内很多卫星的电源管理系统甚至要进口国外的。电源管理系统在卫星上的整个系统中起着非常重要的作用,前面讲到由于卫星的发电能力受到限制,所以如何在有限的电能条件下对整个系统进行稳定的供电,就显得尤为重要。卫星由于轨道的问题,并非一直被太阳照射,当卫星运行到地球背面无太阳光的时候,此时卫星的整体耗电都由星载蓄电池提供。蓄电池作为卫星的重要部件,直接影响到了卫星整体的寿命。如何控制缓解蓄电池性能的衰落,成了电源管理系统的重要任务。特别是蓄电池收到外界电压、温度等条件,如何做到精确的充电控制,是电源管理系统的首要任务。目前较多采用的是V/T曲线充电控制技术。为了能更多的获得电能,同时需要对太阳能电池板进行角度控制,更好的朝向太阳光。

姿态控制系统

再谈一下姿态控制系统,这里面牵扯到了天体力学。卫星在发射时由火箭将卫星送到天空,火箭产生的速度达到第一宇宙速度(7.9km/s)后便可以将卫星脱离地球,“飘”在太空的轨道上,此时由于卫星受到来自地球的引力,做着围绕地球的圆周运动。当然,如果想往火星或者外太空发射航天器,就需要达到第二宇宙速度11.2km/s和第三宇宙速度16.7km/s。卫星在太空中速度跟到地心的半径的平方根成反比,也就是说,距离地球表面越近,飞行速度就越快,贴近地球表面的时候,必须达到7.9km/s才不会掉下去。当然很多卫星是比较远,所以在天上飞行的时候达不到这个速度,极轨卫星的速度一般在7km/s左右。火箭为了获得最大的加速度,一般发射场地距离赤道较近的地方发射,这样可以借助赤道上的速度更容易达到第一宇宙速度,而同样也要朝向地球自转相同的方向,这就是为什么我们国家的火箭一般发射是朝向东方的轨道,太阳同步轨道需要相反的方向,所以火箭速度要求更高一些。这就是火箭涉及的一些运载能力参数:比如LEO轨道xx吨等等。箭体经常被设计为多级,这样是为了抛弃燃烧后的无用火箭体,减轻自身的质量,以更少的燃料获得更大的末级加速度。但是,多级同样带来技术上的复杂程度,不利于火箭本身的可靠性,所以一般火箭都设计不超过三级。

由于卫星受到地球的引力影响,运行的轨道高度会以每天大约100m的速度下降,在外太空收到来自宇宙辐射等种种因素,轨道在一直变化着,这被称为轨道摄动。这时候就需要给卫星安装轨道姿态控制系统,这也可以理解为卫星上自带的小喷气系统。在相对真空的环境中(由于贴近地球时,有微薄的大气层),卫星作为整个系统收到了来自地心引力做圆周运动,根据动量守恒定律,卫星朝一个方向喷射一定质量的物质,会获得一个反方向的加速度。以此来调节卫星的轨道,防止卫星脱离轨道。所以中、大型卫星需要同时装备轨道姿态控制系统,微小卫星受到体积限制,多采用磁力矩器来调节自身的姿态。就是利用电磁跟地球的磁场相互作用产生的力矩的原理。大型卫星就需要携带许多燃料,所以燃料的多少也是限制卫星寿命的一个重要因素。当燃料用完后,便只能渐渐脱离轨道。目前出现了电离子喷射器,还处在技术发展阶段,无法获得较大的推力,只能辅助使用。以后随着科技的发展,这类问题都会被渐渐解决。

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星载计算机

星载计算机由于受到电能和使用条件限制,性能也受到限制,但又需要高可靠性。主要任务是对卫星的姿态控制、载荷、各种传感器的数据处理,是整个卫星平台的核心。目前世界上主流的星载计算机系统中所使用的处理器架构只有两种,一种是由美国使用的POWERPC架构,另一种就是欧洲主导的SPARC架构。而我国多采用SPARC架构的处理器,ARM还有X86等架构在此领域没有绝对的优势,暂且不说。SPARC诞于与SUN Microsystems实验室公司,它是加州大学伯克利的研究人员在RISC技术上研究发展起来的。卫星的总线一般采用的是跟飞机、战斗机常用的1553B总线。国际空间站更是采用了100多条1553B总线组成的分布式布局,用于指令、遥测、有效载荷等各方面控制。

至于卫星的操作系统,多为实时操作系统。前面的文章有讲过,在这里不详细介绍了。卫星的控制链路多跟数据链路分开,单独接收遥测的指令注入,普遍采用的是脉冲编码调制(PCM)遥控体制,由于卫星的封闭性、单一性,导致很多技术不通用,不能共享。

载荷

载荷是卫星工作的核心,也是非常非常非常昂贵的,往往经费占整个卫星的2/3。如果前面的那些可以由卫星的整体成熟的平台来搭建,可以降低一些成本,那么载荷是没有这方面的优势的。载荷有多种多样,比如气象卫星的微波辐射计、闪电成像仪等等,通信卫星的转发器,军事卫星的雷达等等,都是最先进的仪器和技术。有效载荷的性能直接决定了卫星的性能,大部分是根据目标任务进行定制而成。比如转发器载荷的设计,在受到来自许多未知信号干扰情况下的鲁棒性等等各种性能,都跟常用的不在一个级别。由于这些核心和昂贵的器件组成的卫星,经常出现某次发射失败后,很多年不能再次发射导致在某个领域的空白。一个是因为项目经费问题,一个就是太昂贵了,不能造两个一个留着备用。

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卫星测控站

卫星、火箭发射上天并非就任务完成了,那仅仅是成功的第一步。后续还需要测控任务,这时候就需要测控站了。目前中国内陆上有北京、西安、渭南、青岛、厦门、喀什、和田、发射场、着陆场等近10个测控站点,此外还有巴基斯坦卡拉奇、纳米比亚斯瓦科普蒙德、肯尼亚马林迪、智利圣地亚哥等4个国外深空测控站,海上测控站则是分布在三大洋上的5艘远望号远洋测量船。而为了捕捉到火箭,对火箭进行指令控制和遥测,就需要我们的远望号航空测控船在大海上进行指令的中转任务。就在刚刚,远望2号退役了,辛勤贡献了她41年的青春,为我国航天事业做出了很大的贡献。

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卫星轨道

卫星的轨道的6要素分别为:轨道倾角(i)、升交点赤经(Ω)、近地点幅角(w),偏心率(e)、半长轴长度(a)近地点时刻(τ)

在此借用百度百科的图一用:

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卫星根据轨道的种类不同,大致分为了以下几种:LEO低轨道、MEO中轨道、GEO高轨道、SSO太阳同步轨道、IGSO地球同步倾斜轨道、GTO同步转移轨道等等,为了能更直观地展示,我做了轨道模拟,大家可以更好的看到这些轨道的区别。

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每一条轨道都有各自的优势,极轨卫星就属于LEO轨道系列,距离地球较近,可以更好的提供观测任务和通信任务。所以气象卫星还有通信卫星多采用此轨道。由于轨道较低,在一个地点的观测时间仅仅停留十几分钟左右,所以需要有许多卫星组成的星座才能完成不间断的通信任务。比如著名的铱星系统,还有未来好多正在准备建设的互联网卫星星座。

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SSO太阳同步轨道卫星由于其独特的运行轨迹,倾角为98°左右,比较适合军事侦察卫星、资源卫星等使用,军事战略地位非常重要。GEO由于其通信覆盖面积广,被军事卫星、通信卫星等各种卫星占用。GEO卫星距离地球较远,地球自转一周的时间为23小时56分4秒,所以根据计算可以得到当距离地球35786.034km时,卫星围绕旋转一周刚好与地球自转一周时间相同。这就对于地球上的点来说,卫星处于静止不动的。常见的比如卫星电视,天线仅仅安装一次便可以固定住不断接收信号。此轨道非常拥挤,轨道资源非常宝贵,下图中的那个由众多卫星组成的圈就是此轨道。

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那么知道了卫星的轨道,我们再来讨论卫星的另一个重要知识:星历 。

FENGYUN 4A              
1 41882U 16077A   19120.87976429 -.00000334  00000-0  00000+0 0  9999
2 41882   0.1619 288.3461 0004834 221.6056 129.9847  1.00273480  8862

上面为风云4A气象卫星的星历,每一颗卫星或者太空中的物体,包括火箭体废弃物等等,都有一个固定的NORAD编号,NORAD会根据测控数据计算出一个两行轨道数据,这个数据就是我们常见的星历–TLE数据。TLE数据是NORAD(北美防空司令部)进行测量后公开的数据。这个部门是美国和加拿大合作成立的对外太空的物体进行监测的部门,防止导弹等太空入侵。在美国科罗拉多州的夏延山(Cheyenne Mountain)山区,把一座山挖空了,在里面有近千人办公。里面有自己的备用物资,可以防御核攻击。经纬度坐标为:38.7435N 104.8465W 感兴趣的可以自己去谷歌地球看一下,这里就是NORAD重要基地的入口处,在山顶上有许多通信的天线塔与外界取得联系。

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我们根据TLE数据和SGP4、SDP4、SGP8、SDP8等卫星扰动模型可以推算出卫星在某一时刻的位置,SGP4适合轨道周期小于225分钟的卫星。关于天体算法的有关信息和TLE的基础知识,我在这里就不详细解释了。

有了TLE数据,追踪卫星时根据算法还有当前的标准时间(需要转换成天文常用的Julian Day),来进行追踪卫星,这就是为什么有的卫星天线是可以动的。由于LEO卫星的飞行速度非常的快(约7km/s),所以对追踪系统的时间有非常高的要求,很多时候需要GPS授时等工作来完成。追踪卫星也是有很多的知识在里面,牵扯的技术非常多,商业的成品对我们普通人来说非常昂贵,这也是之前为什么制作OpenATS的原因。

之前我们国家的鹊桥卫星大家都知道,它的位置就是处于拉格朗日2号点上。拉格朗日点目前计算出来的一共有5个,通俗点儿讲就是在这些点上,卫星受到的来自星体的引力可以达到相对平衡的状态,这样可以节省很多的燃料并且保持轨道不变,感兴趣的可以去查一下相关知识。下面是拉格朗日5个点的图,鹊桥卫星就是处于L2点轨道上做圆周运动,这样可以在月球的背面做一个信号中继。

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转移轨道

常见的转移轨道分为了三种:霍曼(Hohmann)转移轨道、双椭圆转移轨道和地球同步转移轨道。

很多人认为往较远的方向发射卫星就是直线飞过去就行,当然不是这样的,这里就需要卫星的轨道转移。

下面为霍曼转移轨道的原理图,当处于低轨1号轨道的卫星,在轨道底部产生一个ΔV的加速度时,此时卫星会进入2号黄色的椭圆轨道运行,如果此时卫星不再动作,卫星将会以椭圆轨道一直围绕地球运行。当在椭圆轨道的远地点再产生一个ΔV的加速度,卫星会进入3号红颜色的地球同步轨道。两次加速度的位置、加速度时间、推力大小都必须经过严格的计算,否则轨道会产生偏移。相反,在同步轨道的卫星同样可以经过两次相反的减速进行轨道降低。

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根据开普勒第三定律,霍曼转移所花的时间为:卫星黑客有关的基础知识

双椭圆轨道同样也是转移轨道的一个重要轨道,相对于霍曼转移轨道,椭圆转移轨道会节约一些燃料但是更耗时间。

下面为双椭圆转移轨道图,当一个卫星处于低轨道状态,在1号点经过一个较大的加速度会让卫星进入一个大的椭圆轨道(绿色),当卫星进入远地点2号点的时候,再进行一个加速,会将椭圆轨道的轨道半径拉长(橘黄色),当进入3号点的时候,卫星进行一个反向的减速,此时卫星便会围绕红色的静止轨道一直运行下去。所以两个椭圆轨道的高度差便是转移前后轨道的高度差,同样需要经过精密计算,由此可见数学的重要性。

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同步转移轨道其实也是霍曼转移轨道的一种,在这里我就不详细介绍了。

卫星通信

这里面的知识太多,卫星的通信系统可是非常重要的一个系统,是跟卫星地面站取得联系的唯一方式,在数据传送、遥控遥测都离不开它。卫星的无线通信,根据不同的应用对象和数据量来决定采用信号的频率和带宽。需要提前向FCC(联邦通信委员会)申请,申请得到通过租用后才能使用。由于天上卫星数量较多,不可以随便使用通信频率,否则可能会对其它的卫星业务产生干扰。所以在发射前如果频率产生冲突,需要进行协商,只有协商通过才可以使用。尽量避免跟周边其它卫星的频率相近,以免产生带内和带外干扰。

常见的卫星通信频段有L波段、S波段、C波段、X波段、Ku波段、Ka波段等等,L波段具有非常少的衰减和非常好通信效果,常用在一些重要的卫星业务,比如卫星电话、卫星导航、气象数据分发等业务。S波段也是非常重要的,我是不会告诉你们卫星的测控频率多在这个频段的。C波段由于雨衰影响较少,常用于稳定的通信卫星,这个波段明显的就是天线比较大。根据抛物线天线增益公式:G(dBi)=10Lg{4.5×(D/λ0)2} 我们可以简单看出,抛物线天线的增益是跟波长成反比,也就是频率越高,增益越高。跟天线的直径成正比,天线直径越大,增益越高。由于C波段相较于X波段和Ku波段频率较低,所以天线直径较大。X波段多用于军事卫星和雷达,因为X波段可以较好地检测出空气中水分子的含量,气象雷达也工作于此波段。Ku和Ka波段因为频率较高,带宽大,高通量卫星、宽带卫星等用在此波段中,更高的频率暂且不说了。

卫星黑客有关的基础知识抛物面天线又分为格里高利天线、卡塞格伦天线、前馈抛物面天线、环焦天线等种类。像C波段接收通常采用正馈天线,而Ku波段常采用偏馈天线。发射天线一般采用卡塞格伦。无线通信会引入噪声,产生误码,卫星距离地面站距离远,所以在通信上必须采用较好编码和较强纠错方式。同时,由于距离的关系,自由空间损耗非常大。强大的信号经过漫长的距离,变得非常微弱,所以卫星天线大多为大型抛物面天线。天线将微弱的信号放大聚焦后再经过LNA或者LNB进行高增益放大+下变频,变到中频传送给解调器处理。如果频率不高可以不需要下变频直接被采集处理。调制方式多种多样,从BPSK、QPSK、8-PSK、QAM等等都有,纠错方式也各种各样,有Viterbi、Turbo、BCH、RS、LDPC等卷积码和级联码,具体要根据卫星的链路和业务进行选择。

除静止轨道外的其它卫星在运行时相对于地面会产生一个相对位移,所以会发生频率的多普勒效应,要想接收这些卫星的信号,就要对频率进行多普勒修正。

卫星宽带技术是高通量卫星的一个应用,由于静止卫星的距离较远,数据来回需要大于500ms的时间,传统的IP技术应用受到限制,所以在通信协议上出现了适用于卫星的IP宽带技术,比如加大数据滑动窗口协议和TCP欺骗技术。通信方面还有太多太多的东西,就不一一讲了。

最后放一下接收Blockstram卫星(TELSTAR 18V 138°E)数据的图吧。

卫星黑客有关的基础知识卫星黑客有关的基础知识

暂时写这些,文章太长容易让人累,喜欢这方面的知识或者想了解更多可以去搜索一下,如果有什么问题欢迎联系我一起讨论学习。我的个人网站上有卫星在线追踪和星历数据,也可以去下载使用。个人网站:www.chnsatcom.com   www.rasiel.cn

*本文作者:OpenATS,本文属FreeBuf原创奖励计划,未经许可禁止转载。

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这些评论亮了

  • GodOfHacker 回复
    说了这么多,不如我一键。
    )97( 亮了
  • YunShu 回复
    "玄道" 与卫星有毛关系,你们大家再别黑他了. 唯一的关系就是装B 被卫星残劾砸中 ,这样的几率很小. 所以没有直接关系.
    )30( 亮了
  • 玄道 回复
    我乃玄道:一不小心又日了个卫星,今天你日卫星了吗?
    )22( 亮了
  • 1e1e1e (2级) 安全是一种生态 回复
    @ OpenATS  楼主写的很好,写文章不易。我也看了您的博客了解您的学习历程,这方面知识繁多曲线陡峭,我们读者从科普方面很有收获,不用在意评论。
    )9( 亮了
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