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有趣的Hack-A-Sat黑掉卫星挑战赛——定位卫星Jackson

国家太空安全是国家安全在空间领域的表现。随着太空技术在政治、经济、军事、文化等各个领域的应用不断增加,太空已经成为国家赖以生存与发展的命脉之一,凝聚着巨大的国家利益,太空安全的重要性日益凸显[1]。而在信息化时代,太空安全与信息安全紧密地结合在一起。

2020年9月4日,美国白宫发布了首份针对太空网络空间安全的指令——《航天政策第5号令》,其为美国为数不多的关于卫星和相关系统网络安全的综合性政策,标志着美国对太空网络安全的重视程度达到新的高度。在此背景下,美国自2020年起,连续两年举办太空信息安全大赛“黑掉卫星(Hack-A-Sat)”,在《Hack-A-Sat太空信息安全挑战赛深度解析》一书中有详细介绍,本文介绍了Hack-A-Sat黑掉卫星挑战赛的定位卫星Jackson这道赛题的解题过程。

题目介绍

Let’s start with an easy one, I tell you where I’m looking at a satellite, you tell me where to look for it later.

主办方告诉参赛者在哪里看到了一颗卫星,需要参赛者告诉主办方在哪里还可以看到这个卫星。给出的资料有:

(1)压缩包stations.zip,其中文件就是一个stations.txt文件,是TLE文件,关于TLE文件的格式说明在前文已有介绍,为了便于读者阅读,本节会再次给出简要介绍。

(2)给出了一个链接地址,使用netcat连接到题目给的链接后,会给出进一步提示,如图7-1所示(其中的坐标是随机的,时间也是随机的)。

图7-1  jackson题目的提示信息

连接后,会告诉参赛者当前看到这个卫星的时刻、卫星的地心惯性坐标系(ECI)坐标,接着会依次给出3个新的时刻,要求参赛者给出在哪里还可以看到这个卫星,输入具体的经纬度坐标。3次都输入正确后,会给出flag值。

编译及测试

这道挑战题的代码位于jackson目录下,查看challenge、solver目录下的Dockerfile,发现其中用到的是python:3.7-slim,为了加快题目的编译进度,在jackson目录下新建一个文件sources.list,内容如下:

deb https://mirrors.aliyun.com/debian/ bullseye main non-free contrib

deb-src https://mirrors.aliyun.com/debian/ bullseye main non-free contrib

deb https://mirrors.aliyun.com/debian-security/ bullseye-security main

deb-src https://mirrors.aliyun.com/debian-security/ bullseye-security main

deb https://mirrors.aliyun.com/debian/ bullseye-updates main non-free contrib

deb-src https://mirrors.aliyun.com/debian/ bullseye-updates main non-free contrib

deb https://mirrors.aliyun.com/debian/ bullseye-backports main non-free contrib

deb-src https://mirrors.aliyun.com/debian/ bullseye-backports main non-free contrib

将sources.list复制到jackson、challenge、solver目录下,修改challenge、solver目录下的Dockerfile,在所有的FROM python:3.7-slim下方添加:

ADD sources.list /etc/apt/sources.list

打开终端,进入jackson所在目录,执行命令:

sudo make build

此时如果使用make test命令进行测试,会提示错误,如图7-2所示。

图7-2  执行make test命令时的错误信息

查询run.log,得到如下错误信息:

Traceback (most recent call last):

File “challenge.py”, line 22, in <module>

ts = load.timescale()

File “/opt/venv/lib/python3.7/site-packages/skyfield/iokit.py”, line 314, in timescale

data = self(‘deltat.data’)

File “/opt/venv/lib/python3.7/site-packages/skyfield/iokit.py”, line 203, in __call__

download(url, path, self.verbose)

File “/opt/venv/lib/python3.7/site-packages/skyfield/iokit.py”, line 528, in download

raise e2

OSError: cannot get ftp://cddis.nasa.gov/products/iers/deltat.databecause <urlopen error ftp error: TimeoutError(110, ‘Connection timed out’)>

Try opening the same URL in your browser to learn more about the problem.

If you want to fall back on the timescale files that Skyfield ships with,

try `.timescale(builtin=True)` instead.

错误原因是需要到NASA的CDDIS的ftp下载其中的文件,但是无法打开该链接。CDDIS(Crustal Dynamics Data Information System,地壳动力学数据信息系统)最初是为NASA的地壳动力学项目(Crustal Dynamics Project,CDP)提供中央数据库而开发的,建立于1982年,是一个专用数据库,用于归档和分发与空间大地测量相关的数据集。

CDDIS主要归档和分发如下数据:

  • 全球导航卫星系统GNSS的广播星历和精密星历:包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗等。
  • 激光测距:包括人造卫星激光测距和月球激光测距。
  • 甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)。
  • 星基多普勒轨道确定和无线电定位组合系统(Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite,DORIS)。

但是,从2020年10月31日起,因美国政府安全要求不再允许CDDIS通过传统的未加密匿名ftp提供数据,所有数据仍然可用,但是必须通过HTTPS或ftp-ssl进行访问,所以上述代码会报错。本节为了简化,直接修改challenge、solver两个python文件中的所有:

load.timescale()

将其改为

load.timescale(builtin=True)

这里使用的是Python的Skyfield库,不带参数时,将从上述ftp地址下载国际地球自转服务(International Earth Rotation Service,IERS),这个服务的内容很多,其中一项是世界时,参考run.log中的错误提示,这里将其参数改为内置的,就表示不再从NASA的ftp上读取数据。

再次使用make test命令进行测试,会顺利通过,输出信息如图7-3所示。

图7-3  jackson挑战题测试输出

相关背景知识

1.卫星星历TLE文件介绍

TLE是两行轨道根数(TLE),覆盖了气象卫星、海洋卫星、地球资源卫星、教育卫星等应用卫星。以北斗的某颗卫星TLE数据为例,如下:

BEIDOU 2A

1 30323U 07003A  07067.68277059  .00069181  13771-5  44016-2 0  587

2 30323 025.0330 358.9828 7594216 197.8808 102.7839 01.92847527  650

名列前茅行主要元素解析如下:

(1)30323U:30323是北美防空司令部给出的卫星编号,U代表不保密,我们看到的都是U,否则我们就不会看到这组TLE了。

(2)07003A:国际编号,07表示2007年,003表示这一年的第3次发射,A表示这次发射编号为A的物体,其他还有B、C、D等。国际编号就是2007-003A。

(3)07067.68277059:表示这组轨道数据的时间点,07表示2007年,067表示第67天,即3月8日。

(4)68277059:表示这一天里的时刻,大约是16时22分左右。

(5)58:表示关于这个空间物体的第58组TLE。

(6)7:最后一位是校验位。

第二行主要元素解析如下:

(1)30323:北美防空司令部给出的卫星编号。

(2)025.0330:轨道倾角。

(3)358.9828:升交点赤经。

(4)7594216:轨道偏心率。

(5)197.8808:近地点幅角。

(6)102.7839:平近点角,表示在给出这组TLE时,卫星在轨道的什么位置。

(7)01.92847527:每天环绕地球的圈数。其倒数就是周期。可以看出,该北斗卫星目前的周期大约是12h。

(8)65:发射以来飞行的圈数。

(9)0:校验位。

2.地心惯性坐标系ECI介绍

地心惯性坐标系(Earth Center Inertial Coordinates,ECI),原点是地球质心,z轴是地球平均自转极点,x轴是春分点(每年春分点均会发生变动,参考J2000.0),y轴由右手系决定。

题目解析

这道题目的解法还是比较直观的,使用Python提供的Skyfield、NumPy库,可以分为两步:

(1)已知在某个时刻目标卫星的ECI坐标,依据此信息,从给出的station文件中找到目标卫星对应的TLE。

(2)已知目标卫星的TLE,那么就可以计算任意时刻的ECI坐标。

关键代码如下:

from pwn import *

import numpy as np

from skyfield.api import load

import astropy.units

# 加载TLE文件,读出所有的卫星信息,保存在satellites 中

satellites = load.tle_file(‘./stations.txt’)

……

# 下面代码中的t就是题目中给出的观察到目标卫星的那个时刻;eci_coords就是题目中给出的t时刻目标
# 卫星的ECI坐标;通过遍历给出的TLE,取出在t时刻与给定坐标最接近的卫星

match = satellites[np.argmin([np.linalg.norm(s.at(t).position.km-eci_coords) for s in satellites])]

……

# 通过Skyfield可以获取在题目给出的新时刻new_t时的卫星ECI坐标

x,y,z = match.at(new_t).position.km

其中match存储的就是目标卫星的TLE,其计算过程如下:

(1)遍历station中的所有卫星。

(2)对其中的每颗卫星计算其在时刻t的坐标,坐标系是ECI,单位是km。

(3)将上一步得到的坐标与目标卫星在t时刻的坐标相减,然后调用np.linalg.norm函数计算结果的范数,默认就是x、y、z轴坐标差值的平方和再开根号。假设当前从station中取出的卫星坐标是(x,y,x),目标卫星坐标是(x0,y0,z0),那么实际计算的就是如下:

(4)将station中所有卫星进行上述运算,取出范数最小的卫星,这个卫星就是目标卫星。

(5)知道了目标卫星的TLE,就可以通过Skyfield可以获取在题目给出的新时刻new_t时目标卫星的ECI坐标,将该坐标输入终端即可。

文章来自:https://www.freebuf.com/