Проблемы безопасности в контексте интеграции космических систем в киберпространство

С самых первых дней освоения космического пространства развитию этого сектора уделяется особое внимание. А с ростом его коммерциализации и милитаризации в последние десять лет космические технологии стали жизненно важными ресурсами экономического благосостояния, а также общественной и национальной безопасности всех развитых стран мира.

По прогнозам экспертов международной консалтинговой компании McKinsey & Company и Всемирного экономического форума (ВЭФ), размер глобальной космической экономики увеличится с 418 млрд долларов США в 2024 году до 1,79 трлн долларов США к 2035 году. Такая динамика связана с повсеместной глобальной цифровизацией и стремительным прогрессом в области спутниковых технологий, в результате чего коммерческое использование космических систем стало конкурентоспособным, экономически целесообразным и рентабельным.

Мониторинг климата и стихийных бедствий, системы раннего предупреждения, прогнозирование погоды, глобальная визуализация, точное позиционирование, навигация и синхронизация времени, а также наблюдение и разведка – это лишь некоторые из основных космических технологий, которые используются в повседневной деятельности. Кроме того, современные исследования и разработки в области применения космических систем в мобильных сетях 5G и 6G позволят интегрировать наземную беспроводную и спутниковую инфраструктуры связи для обеспечения быстрого и качественного бесшовного охвата по всему миру за счёт использования орбитальных систем передачи данных. Космические системы уже применяются для расширения покрытия беспроводных сетей в удаленных районах, где услуги связи недоступны, и как резервное подключение в случае чрезвычайных ситуаций, когда наземные инфраструктуры повреждены или разрушены, а в долгосрочной перспективе они рассматриваются в качестве высотных ретрансляторов сигнала между мобильными устройствами и базовыми станциями на земле.

По этой причине в последние годы наблюдается экспоненциальное увеличение количества запущенных активных низкоорбитальных спутников (Low Earth Orbit, LEO), которые стали одним из инновационных коммерческих решений, направленных на расширение глобального широкополосного доступа к сети Интернет.

На сегодняшний день ключевым поставщиком низкоорбитальной спутниковой связи, стремящийся преобразовать телекоммуникационный сектор, является американская компания SpaceX. Она активно развертывает свою спутниковую группировку Starlink по всему миру. С 2019 года Starlink расширила низкоорбитальную сеть до 6000 LEO-аппаратов, позиционируя себя как крупнейшего спутникового оператора. В перспективе планируется масштабировать группировку до 42 000 спутников.

Конкуренцию SpaceX составляют такие компании, как английская Eutelsat OneWeb с группировкой в 542 LEO-спутника, американская Amazon с проектом Kuiper, который планирует развертывание группировки из 3236 низкоорбитальных космических аппаратов, а также канадская Telesat – 195 аппаратов.

Ожидается, что через несколько лет число LEO-аппаратов на орбите превысит 50 тысяч. Кроме того, целый ряд аппаратов уже функционируют на геостационарных (Geosynchronous Earth Orbit, GEO) и средних орбитах (Medium Earth Orbit Satellite, MEO).

С растущей численностью малых, нано- и микроспутников объем и разнообразие передаваемых цифровых данных между наземной и орбитальной инфраструктурами также постоянно увеличивается. Вследствие чего возрастает и интерес злоумышленников в этом секторе. Поэтому космические системы, являясь неотъемлемым компонентом критически важной инфраструктуры, постоянно сталкиваются с определенным уровнем потенциальных угроз и опасностей, таких как перехват информации, электронные атаки (глушение) против радиочастотных сигналов восходящих и нисходящих каналов связи и самыми актуальными на сегодняшний день кибератаками, нацеленными на сетевые компоненты, уязвимости программного обеспечения, блоки обработки и передачи данных.

Все эти инциденты могут нарушить коммуникации, заблокировать доступ к сети Интернет, прервать цепочки поставок, тем самым повлиять на мировую экономику создать угрозу национальной безопасности для любой страны в мире. Кроме этого, они могут сорвать проведение космических миссий, привести к уничтожению имущества и остановке прогресса в освоении космоса. Так, в начале августа 2023 года Национальная лаборатория оптико-инфракрасной астрономии Национального научного фонда США (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory, NOIRLab NSF) столкнулась со значительным киберинцидентом, который повлиял на её компьютерные системы, что привело к временной приостановке астрономических наблюдений на телескопах Gemini North на Гавайях и Gemini South в Чили. Только благодаря оперативным действиям команды по кибербезопасности NOIRLab удалось предотвратить какой-либо ущерб обсерватории. В качестве меры предосторожности компьютерные системы Gemini были изолированы и отключены, что повлияло на работу её веб-сайта и инструментов предложений.

Этот инцидент подчеркнул острую необходимость в разработке надежных мер кибербезопасности для защиты всей критической космической инфраструктуры и конфиденциальности данных.

Стоит отметить, что космические системы включают в себя три технологических и эксплуатационных сегмента, таких как: орбитальные системы (ракетоносители, одиночные КА или их группировки), связь (каналы передачи информации) и наземная инфраструктура (оборудование контроля и управления космическими объектами).

По мере стремительного развития отрасли, космические системы становятся все более сложными и взаимосвязанными, в связи с этим кратно увеличилась вероятность киберугроз, а в связи с моральным устареванием компонентов действующей инфраструктуры эти риски возрастают.

Можно выделить несколько основных типов угроз безопасности:

1. Пассивное прослушивание (eavesdropping) — несанкционированное получение конфиденциальной информации во время её передачи, которое сложно обнаружить. Включает в себя подслушивание и кражу транспондера:

• Подслушивание (overhearing). При передаче данных от источника сигнала на принимающий спутник, подслушивающее устройство, расположенное в зоне покрытия источника, может осуществить перехват конфиденциальной информации.
• Кража транспондера. В этом методе злоумышленник использует чужой транспондер (приёмопередатчик, репитер) для приема и передачи своих данных. Из-за простоты конструкции многие аппараты не имеют способности обрабатывать данные, поэтому он не может определить, кто именно передает на него данные — реальный пользователь или злоумышленник. Спутник работает как ретранслятор. Более того, для кражи транспондера необязательно передавать данные на спутник, находящийся в эксплуатации. Чтобы транслировать свои данные, злоумышленники могут использовать вышедшие из эксплуатации, потенциально находящиеся в космосе спутники, им достаточно сгенерировать мощный сигнал с наземной станции, чтобы спутник передал его обратно на землю. Для этого нужно лишь иметь спутниковую антенну («тарелку»), усилитель мощности и понимание, какой конкретно транспондер или какая частота будут задействованы.

2. Активное прослушивание — злоумышленник получает доступ к сети или передаваемым данным под видом реального пользователя:

• Компрометация узлов связи. Получив доступ к узлу связи при помощи вредоносных алгоритмов и программ, в сеть направляются непрерывные запросы, что может привести к её перегрузке. Спутники, не имеющие высоких вычислительных мощностей, подвержены высокому риску кибератак. Типичным сценарием такого типа компрометации узлов является использование IoT-ботнетов.
• Захват узлов (hijacking). Злоумышленники также могут получить доступ к наземной инфраструктуре, с которой связаны орбитальные системы. Некоторые производители спутников, например CubeSat, используют компоненты серийного производства для сокращения издержек, однако их массовая доступность повышает вероятность их взлома. Более того, злоумышленники могут взять под свой контроль телеметрию, элементы слежения и линии управления целой группировки космических аппаратов. При захвате узлов они смогут блокировать или отправлять ложные сигналы со спутников, угрожая такой критической инфраструктуре, как электроэнергетические, водоснабжающие и транспортные системы, подключенные к интернету посредством спутниковой связи.

3. Помехи — перебои связи, ухудшающие её качество. Могут быть ненамеренными, то есть вызваны несовершенством дизайна системы связи или ошибочным распределением частот между системами, вызывая помехи внутри одной системы или при коммуникации между разными спутниковыми системами (например, между низкоорбитальными и геостационарными).

Намеренно вызванные помехи (jamming) — радиосигналы, передаваемые злоумышленником с целью ухудшения связи:

• Межканальные помехи внутри одной системы (intra-system interference). В спутниках военного назначения чаще используются методы расширенного спектра частот, чтобы избавиться от большинства типов помех. Однако бывает сложно избежать эффекта дальней-ближней зоны (near-far effect, проблема в радиосвязи, когда объекты находятся на значительно отличающихся расстояниях), вызванного помехами при многостанционном доступе (Multiple Access Interference). Многолучевые спутники используют доступные им частоты по несколько раз, чтобы увеличить пропускную способность. Однако повторное использование частот может вызывать помехи в зонах, которые накладываются друг на друга, особенно когда соседние лучи используют одну и ту же частоту.
• Межсистемные помехи (inter-system interference). Несмотря на рост числа LEO в последние годы, спектр доступных частот для них остается ограниченным. Кроме того, в том же спектре работают и геостационарные спутники, и по мере приближения LEO к экватору объем помех, то есть перекрывания геостационарных и LEO, увеличивается. Международный союз электросвязи (ITU) регламентирует распределение частот между геостационарными и LEO, отдавая приоритет первым. При этом в сетях нового поколения все чаще будет возникать еще и перекрывание частот между геостационарными, LEO и наземными станциями, усложняя координацию между этими системами. В качестве меры обхода помех и перекрывания частот с геостационарными спутниками предлагается внедрение методов когнитивного радио — радиосистемы, способной обучаться, считывая данные своих частот, временных меток, местоположения и угла, и самостоятельно корректировать параметры сигнала и канала связи в зависимости от действий геостационарных спутников. В будущем предлагается также использовать свёрточные нейросети и методы глубинного обучения, чтобы LEO обучались на исторических данных об использовании геостационарными спутниками их частот и прогнозировали степень доступности этих частот.
• Целенаправленные помехи посредством применения спуфинга (spoofing jamming). Сторона, принимающая ложный сигнал, воспринимает злоумышленника как реального пользователя. Часто посредством спуфинга отправляются ложные GPS-сигналы. Также выделенный пилот-канал (pilot channel) «борт-Земля» для передачи статуса канала, данных об управлении пользователей и др., как в сетях Iridium, может быть сымитирован злоумышленником для передачи ложной информации, парализуя тем самым всю сеть. Среди методов защиты выделяются «обнаружение энергии» (energy detection, сравнение мощности полученного сигнала в определенной части спектра частот с заданным пороговым значением, чтобы определить, является ли эта часть спектра доступной, свободной) и использование нескольких антенн. Однако оба этих метода увеличивают сложность системы. Эффективным методом защиты здесь может быть только аутентификация пользователя космического аппарата — проверка его личности до передачи ему данных.
• Энергетические помехи (energy-based jamming). Радиосвязь прерывается путем генерации помех в полосе частот передачи информации. Большинство орбитальных спутников ретранслируют сигнал на Землю напрямую, без его цифровой обработки. Поэтому энергетическая атака может прервать передачу данных.

На сегодняшний день требования кибербезопасности должны применяться ко всем сегментам, составляющим действующую космическую систему. Средства кибербезопасности современных спутниковых комплексов должны стать неотъемлемой частью каждого компонента, включая наземные станции, пользовательские антенны, модемы, сами аппараты, операционные системы и программное обеспечение, а также клиентские порталы и интерфейсы программирования приложений API (Application Programming Interface). Однако некоторые из наиболее распространенных типов кибератак, таких как распределенный отказ в обслуживании, атаки «человек посередине», атаки с использованием программ-вымогателей, ботнеты, расширенные постоянные угрозы и использование технологий повышения конфиденциальности, постоянно развиваются и совершенствуются злоумышленниками. Поэтому выявление и устранение этих проблем имеет решающее значение для защиты космических операций и обеспечения целостности данных и коммуникаций.

Ключевые меры кибербезопасности включают в себя:

• Безопасные коммуникационные протоколы и методы шифрования. Обеспечение безопасности каналов связи между наземными и космическими станциями является важнейшим элементом космической кибербезопасности. Использование методов криптографического шифрования передаваемых данных может обеспечить защищенную линию связи. Однако в большинстве случаев из-за конструкторских особенностей и небольших размеров LEO-аппаратов, а также из-за их ограниченных возможностей в обработке сигналов и электропитании на борту, обычные криптографические методы не являются стопроцентным вариантом предотвращения этой угрозы.

• Механизмы аутентификации и контроля доступа. Поддержание надлежащего контроля доступа гарантирует, что только авторизованный персонал будет иметь доступ к критически важной инфраструктуре. Использование политики нулевого доверия может значительно повысить безопасность космической системы.

• Системы обнаружения и предотвращения вторжений. Киберугрозы необходимо выявлять, изолировать и минимизировать их воздействие с помощью существующей инфраструктуры. Космические миссии должны использовать методы активного обнаружения аномалий и анализа угроз, чтобы пресекать кибератаки до того, как они смогут нанести какой-либо ущерб системе.

Таким образом, уникальные проблемы кибербезопасности в космосе требуют инновационных решений, выходящих за рамки традиционных мер, инструменты сетевой защиты которых, такие как системы обнаружения и предотвращения вторжений, а также антивирусы, могут со временем устаревать. Расширенный мониторинг, обнаружение аномалий и защищенные протоколы связи должны быть изначально интегрированы в проектирование и эксплуатацию космических миссий. Кроме того, сотрудничество между агентствами, отраслевыми партнерами и международными заинтересованными сторонами имеет решающее значение для установления передовых практик и стандартов кибербезопасности в космосе.

В последнее время ведутся исследования мер космической безопасности с интеграцией цифровых двойников, которые способны имитировать весь жизненный цикл космических объектов, тем самым содействуя прогнозированию уязвимых мест и повышению безопасности критической космической инфраструктуры в режиме реального времени.