Satelitę można sobie wyobrazić jako komputer ze specjalistycznymi peryferiami krążący wokół ciał niebieskich na przykład planety, gwiazdy czy Księżyca. Satelita komunikuje się ze stacjami naziemnymi, które również są komputerami, ale wyposażonymi w anteny satelitarne. Jeśli to po prostu komputery, to czy można je zaatakować?

Artykuł powstał w ramach współpracy z magazynem Programista Junior (https://programistajr.pl) i został opublikowany w numerze 03/2022.

Dowiesz się

• Czym są satelity.
• Jak można zakłócić działanie systemów satelitarnych.

Potrzebna wiedza

• Zainteresowanie wszechświatem.

Satelita to ciało krążące wokół innego większego ciała. W terminologii „kosmicznej” satelita może być naturalny (na przykład Księżyc jest satelitą Ziemi) lub sztuczny, stworzony przez człowieka. W tym artykule skupimy się na tym drugim rodzaju. Istnieją najróżniejsze rodzaje satelitów. Niektóre są wielkości i wagi autobusu miejskiego, a inne (tak zwane CubeSaty 1U) mają wymiary kostki o krawędzi 10 centymetrów i masę około 1 kilograma.

Z czego składa się satelita?

Elementy satelity przymocowane do szkieletu nośnego możemy podzielić na dwie główne grupy (ich występowanie różni się między konkretnymi satelitami):

• podstawowe – potrzebne do komunikacji z Ziemią, ładowania, zmiany pozycji:
  • komputer pokładowy – często sprawdzone i długo testowane, można powiedzieć wysłużone konstrukcje, aby ich zachowanie nie było zaskoczeniem,
  • bateria – do zapewnienia zasilania systemom pokładowym,
  • antena – do komunikowania się ze stacją naziemną,
  • silniki – często małe, o mocy pozwalającej na przesunięcie długopisu po stole w warunkach ziemskich,
  • koła zamachowe – do zmiany pozycji,
  • panele słoneczne – do ładowania baterii.
• specjalizowane – potrzebne do realizacji celu, do którego przeznaczony jest satelita:
  • czujniki pomiarowe badanego zjawiska,
  • obiektywy optyczne,
  • dodatkowe anteny,
  • specjalizowane układy obliczeniowe,
  • antena do komunikowania się z innymi satelitami danego systemu (na przykład w satelitach Starlink).

W uproszczeniu można powiedzieć, że satelita to taki komputer zasilany energią słoneczną i wewnętrzną baterią z doczepionymi peryferiami potrzebnymi do spełnienia wyznaczonego zastosowania. Jeśli chodzi o system operacyjny komputera pokładowego, to często nie jest to coś, co można kupić w sklepie. Zdarzają się systemy oparte na systemie Linux z dodatkowymi modułami pisanymi przez konstruktorów satelity. Im więcej elementów jest stworzonych przez twórców satelity, tym łatwiej jest diagnozować i rozwiązywać ewentualne błędy.

Satelity mogą mieć niezliczone zastosowania:

• pomiar zjawisk, na przykład pogody lub grubości lodu,
• obserwacja optyczna lub radarowa Ziemi,
• obserwacja optyczna (Kosmiczny Teleskop Hubble’a) lub radiowa kosmosu (Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba),
• nadawanie telewizji satelitarnej,
• komunikacyjne (systemy Starlink czy Iridium),
• nawigacja (systemy GPS, Galileo).

3… 2… 1… Start!

Zanim jednak satelita zacznie spełniać swoje zadanie, musi w jakiś sposób dostać się na orbitę. Jedną z metod dostępnych dla mniejszych graczy są współdzielone loty mające na celu wyniesienie na orbitę wielu małych satelit za jednym razem (ang. smallsat rideshare), organizowane między innymi przez firmę SpaceX – misje Transporter. Idea jest prosta: wiele firm chcących umieścić swoje satelity na orbicie składa się na koszty usługi wyniesienia. W ten sposób jedną rakietą może polecieć nawet kilkadziesiąt czy kilkaset małych satelitów. Usługa wydaje się być opłacalna dla wszystkich, gdyż w maju tego roku wystartowała już 5. misja tego typu.

Przed startem pojedyncze satelity przyczepia się do „rdzenia”, który następnie jest umieszczony na szczycie rakiety nośnej, jako ostatni człon. Po dotarciu na orbitę okołoziemską satelity są wypuszczane jedna za drugą tak, aby wylądowały na odpowiednich orbitach.

W zależności od zastosowania i użytej technologii satelity mogą się znajdować na różnych orbitach. W przypadku naszej planety wyróżniamy:

• niską orbitę okołoziemską (LEO, ang. Low Earth Orbit) – do wysokości 2000 km nad poziomem morza,
• średnią orbitę okołoziemską (MEO, ang. Medium Earth Orbit) – od 2000 km do 35 786 km nad poziomem morza,
• orbitę geosynchroniczną (GEO, ang. Geosynchronous Earth Orbit) – 35 786 km nad poziomem morza, w tym orbitę geostacjonarną, czyli taką, na której satelita „wisi” nad jednym punktem na Ziemi, a nie krąży wokół planety z punktu widzenia obserwatora z Ziemi,
• wysoką orbitę okołoziemską (HEO, ang. High Earth Orbit) – powyżej 35 786 km nad poziomem morza,
• orbity silnie eliptyczne.

Warto wiedzieć

Orbita to tor, po jakim porusza się ciało (na przykład planeta czy satelita) pod wpływem grawitacji. Ziemia i inne planety poruszają się po orbitach wokół Słońca, a satelity po orbitach wokół „swoich” planet. Można to sobie wyobrazić jako okrąg lub elipsę zataczaną przez satelitę podczas drogi wokół planety.

W zasobach Wikipedii znajduje się animacja pokazująca w uproszczeniu wybrane orbity i ich parametry oraz przykłady znajdujących się tam systemów satelitarnych i nie tylko (zobacz Ilustracja 3).

Ciekawostka

Od 1957 roku, kiedy to Związek Radziecki umieścił na orbicie okołoziemskiej pierwszego sztucznego satelitę stworzonego przez człowieka – Sputnik 1 – liczba satelit rośnie z każdym rokiem. W ostatnich latach znacznie przyspieszyła między innymi za sprawą firmy Starlink, dostarczającej satelitarny dostęp do Internetu, która od 2018 roku umieściła na orbicie 2653 satelitów, z czego około 90% nadal krąży wokół Ziemi. Według rejestru Online Index of Objects Launched into Outer Space prowadzonego przez organizację United Nations Office of Outer Space Affairs (agenda ONZ) wokół Ziemi po różnych orbitach krąży ponad 8 tysięcy satelitów.

Aby komunikować się z satelitą – wydawać mu polecenia lub odbierać z niego dane – potrzebna jest stacja naziemna. Można ją sobie wyobrazić jako jedną (lub więcej) dużą antenę satelitarną wycelowaną w niebo. Jeśli satelita nie znajduje się na orbicie geostacjonarnej, to komunikacja nie jest ciągła i odbywa się w momentach, gdy satelita przelatuje w zasięgu stacji naziemnej. Oczywiście może być wiele takich stacji naziemnych, aby zwiększyć liczbę okien pozwalających na komunikację i tym samym zwiększyć możliwości pobierania danych z satelity.

Warto wiedzieć

Jak szybko można „ściągać” dane z satelity? Jeśli satelita komunikuje się ze stacją naziemną przy użyciu zakresu S-Band (2-4 GHz), to przepustowość połączenia sięga 512 kb/s dla pobierania. Dla porównania, w I kwartale 2022 roku średnia prędkość pobierania dla Internetu domowego w Polsce przekroczyła wartość 100 Mb/s (źródło: speedtest.pl), czyli 200 razy szybciej.

Skoro znamy już podstawowe informacje o satelitach, pomyślmy teraz, jak można je zaatakować.

Uszkodzenie terminali naziemnych

Jednym z rodzajów ataku na systemy satelitarne może być uszkodzenie terminali (często nazywanych odbiornikami) służących do korzystania z usługi świadczonej przez system. Tak stało się w lutym 2022 roku, gdy atakujący system Internetu satelitarnego KA-SAT firmy Viasat spowodował, że dziesiątki tysięcy terminali użytkowników przestały działać. Klienci, w tym duży operator turbin wiatrowych w Niemczech używający systemu do kontroli swoich farm, stracili dostęp do Internetu. Wielu badaczy podejrzewało, że atakujący dostał się do fragmentu systemów operatora odpowiedzialnych za aktualizację odbiorników i pozostawił tam złośliwą wersję oprogramowania systemowego, która została następnie ściągnięta w sposób automatyczny przez urządzenia abonentów. W toku dochodzenia odkryto, że atakujący dostał się do sieci zarządzającej systemem poprzez niepoprawną konfigurację systemu VPN, po czym penetrował sieć dalej, aż dostał się do systemu umożliwiającego wysyłanie poleceń modemom satelitarnym. Wykorzystał więc niektóre z tych poleceń, aby rozkazać modemom nadpisanie wybranych fragmentów pamięci wewnętrznej i tym samym uniemożliwienie ich poprawnego działania. Wiele serwisów donosiło, że jedynym, co może zrobić operator systemu, to wysłanie dotkniętym atakiem klientom nowych urządzeń, co wiązało się ze znacznymi wydatkami i wysiłkiem logistycznym. W oświadczeniu z 30 marca 2022 firma Viasat wyjaśnia, że problem nie dotyczył wszystkich urządzeń (na przykład nie tych używanych na pokładach samolotów), a terminale nie zostały uszkodzone na stałe i przywrócenie do ustawień fabrycznych powinno przywrócić działanie modemu. Nie jest to trudne dla domowego użytkownika, ale w przypadku, gdy terminal znajduje się na szczycie turbiny wiatrowej, może sprawić nieco problemu. Tym bardziej jeśli ma się tysiące takich wiatraków. Remedium na taki atak jest posiadanie zapasowego terminala, który zastąpi ten zaatakowany. Oczywiście jeśli mamy szczęście i atak skończy się przed jego użyciem.

Często powtarzam, że automatyczne aktualizacje urządzeń powinny być zaimplementowane i włączone, gdzie tylko się da, więc cieszę się, że ten mechanizm nie został skompromitowany przez atakującego.

Ciekawostka

Polacy nie gęsi i swoje satelity też mają! Na Politechnice Warszawskiej działa projekt PW-Sat, który powstał z inicjatywy studentów. Pierwszy owoc działania projektu znalazł się na orbicie w 2012 roku. Od tego czasu powstało jeszcze kilka polskich satelitów, w tym Lem i Heweliusz. Jeśli marzycie o studiowaniu w przyszłości na kierunku związanym z satelitami, są one już dostępne na kilku polskich uczelniach technicznych, między innymi Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie.

Zagłuszanie sygnału na Ziemi

Kolejnym wektorem ataku może być zagłuszanie sygnału pomiędzy satelitą a odbiornikiem, nadając na częstotliwości pracy systemu z mocą większą niż moc sygnału systemu. Atakujący może nadawać na tej samej częstotliwości, na której satelita nadaje do terminali naziemnych, i/lub na częstotliwości, na której terminale nadają do satelity. Im dalej atakujący znajduje się od terminali, tym z większą mocą musi nadawać, aby atak się powiódł. Jeśli odbiornik znajduje się na Ziemi, to jeszcze nie jest tak źle, ale jeśli znajduje się na dronie, który jest zdalnie sterowany, może to doprowadzić do utraty kontroli nad maszyną i w efekcie do katastrofy. Do przeprowadzenia takiego ataku tworzone są zaawansowane, często mobilne, systemy wojny elektronicznej. Taki atak na początku marca 2022 roku został przeprowadzony na system Internetu satelitarnego Starlink na terenie Ukrainy.

W analogiczny sposób można zagłuszać inne systemy satelitarne (na przykład GPS), ale także naziemne, na przykład telefonię komórkową czy domowe Wi-Fi. Ten ostatni przykład występuje w budynkach mieszkalnych o dużej liczbie routerów Wi-Fi. Systemy mogą sobie z tym radzić w różny sposób – nadając na różnych kanałach, skacząc po częstotliwościach zgodnie z założonym algorytmem czy stosując kodowanie sygnału. W przypadku Starlinka problem z zagłuszaniem został rozwiązany już po kilku godzinach poprzez instalację aktualizacji oprogramowania elementów systemu.

Zagłuszanie sygnału w kosmosie

Czy jeśli da się zagłuszyć sygnał po stronie terminala naziemnego, to czy da się zagłuszyć sygnał po stronie satelity? W przypadku niektórych systemów – tak. Systemy satelitarne SAR (ang. Synthetic-Aperture Radar, radar z syntetyczną aperturą), pozwalają na obrazowanie powierzchni Ziemi przy pomocy fal radiowych, zamiast tradycyjnie stosowanych fal na częstotliwości światła widzialnego. Podobnie jak inne systemy radarowe tak i ten można zakłócić, nadając w stronę odbiornika (w tym przypadku satelity) sygnał na częstotliwości działania radaru. Powoduje to zakłócenia w odbieranym odbitym od Ziemi sygnale i w konsekwencji niepoprawne odwzorowanie powierzchni planety na zdjęciach. Krótko mówiąc, można ukryć się przed satelitą. Nie jest to jednak odpowiednik czapki niewidki – na wyjściowym zdjęciu będzie widać, że coś jest ukryte przed „wzrokiem” satelity, ale nie będzie wiadomo co.

Warto wiedzieć

W tym roku Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych (ang. US Air Force) oraz Siły Kosmiczne Stanów Zjednoczonych (ang. US Space Force) zorganizowały już po raz trzeci wydarzenie Hack-A-Sat. Są to zawody typu Capture the Flag polegające na hackowaniu prawdziwej satelity! W 2020 i 2021 roku polski zespół „Poland Can Into Space” (nazwa to nawiązanie i odpowiedź na istniejący w serii komiksów Countryball żart „Poland Cannot into Space”) zajął drugie miejsce, a w tym roku przeszli już kwalifikacje i miejmy nadzieję, że pójdzie im jeszcze lepiej. O formule zawodów CTF możesz przeczytać w artykule Wiktora Szymańskiego pt. „Znajdź wirtualną flagę”.

Podsumowanie

Ja widać z powyższych przykładów, zakłócenie działania systemów satelitarnych nie wymaga włamywania się na samą satelitę. Wystarczy o wiele mniej efektowne działanie, aby spowodować ból głowy zarówno operatora systemu, jak i samych użytkowników. W przyszłości zapewne pojawią się możliwości fizycznego atakowania satelitów, na przykład poprzez spychanie z orbity docelowej, uszkadzanie elementów zewnętrznych (choćby paneli fotowoltaicznych) czy wewnętrznych (na przykład komputera pokładowego) w celu zakłócenia ich działania. Takie działanie wpłynie na funkcjonowanie ludzi i systemów na Ziemi. Na razie jest to raczej materiał do amerykańskich seriali, jak „Space Force”, dostępnego na platformie Netflix.

Zapamiętaj

• Różne systemy satelitarne służą do różnych celów – nadawania telewizji, nawigacji, telekomunikacji czy obserwacji Ziemi i kosmosu.
• Wyróżniamy wiele orbit okołoziemskich.
• W zależności od ich właściwości mogą one być bardziej odpowiednie dla konkretnych systemów satelitarnych.
• Systemy satelitarne składają się z wielu elementów. Atakujący ma więc duże pole do popisu przy próbach zakłócenia ich działania.

Ćwicz w domu

• Pomyśl, jak jeszcze można zakłócić działanie systemów satelitarnych.

Zapraszamy do zapoznania się z innymi artykułami przygotowanymi przez bezpieczny.blog dla magazynu Programista Junior:

• Nie daj przestępcy ukraść swojego konta gamingowego, czyli co to jest dwuskładnikowe uwierzytelnianie i dlaczego jest ważne?
• Jak rozpoznać phishing?
• Zabezpieczamy domową sieć przed stronami wyłudzającymi od nas dane - gościnny wpis w serwisie Sekurak.pl
• Używamy managera haseł
• O czym pamiętać konfigurując router
• Jak zabezpieczyć pocztę e-mail?
• Znajdź wirtualną flagę
• Uczymy się szyfrować pliki
• Kopia bezpieczeństwa
• Piractwo komputerowe
• Czym jest honeypot?

Marcin

Bezpiecznik w pracy, geek w domu, macuser tu i tu. Uwielbia słuchać podcastów, automatyzować swoje zadania i pić dobrą kawę.