(no subject)
May. 10th, 2026 03:46 pm![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
dinastyСнова с вами общество по распространению бесполезных знаний, сегодня мы поговорим о летной навигации по приборам. Что там за приборы, что они делают и зачем их столько.
Как серьезные люди, откроем пост цитатой из моей любимой книжки 1938 года издания Teach Yourself to Fly (кроме шуток, книжка совершенно восхитительна, хотя, конечно, не только не самоучитель, но и не пытается им быть):
"I have not yet found it [some navigation instrument] necessary except when racing. Far better to dispense with instruments that can easily be lost, and find your course to steer by common sense" ("Я не вижу смысла в %навигационном приборе%, кроме, разве что, для гонок. Лучше не использовать приборы, которые легко потерять, а выбирать направление полета, руководствуясь здравым смыслом").
Автор, конечно, не о приборах в кабине, а о специальной штуке для расчета маршрутов - мы до сих пор ею пользуемся, но только на земле. В небе же мы смотрим в окно, сравниваем вид в окне с картой и понимаем, где мы находимся, и куда полетим дальше. Такая навигация называется визуальной, и это прекрасный способ, но он не лишен недостатков. В частности, в наше время, по сравнению с 1938 годом, все больше самолетов вынуждено летать, в том числе, в условиях, когда во все стороны из окна видно только облака. Здравый смысл в этих условиях уже почти не помогает, поэтому приходится обращаться к приборам. Важно заметить, что телефон с джипиэсом в кармане пилота прибором для навигации не является, потому чтоcan easily be lost мы в авиации, и все, что используется во время полета, должно быть специально для этих целей сертифицировано. Вот если вы этот телефон перманентно закрепите в приборной панели, заполните семьсот страниц бумажек, обосновывающих надежность и безотказность этого телефона, а также укажете альтернативные способы навигации, когда он разрядится и перестанет работать, тогда будет можно. Наверное. Это, кстати, одна из причин того, почему технические решения в авиации всегда сильно отстают от внешнего мира - проще воспользоваться тем, что уже есть, чем сертифицировать новое.
А есть, например, довольно любопытный и, между прочим, совершенно автономный способ навигации без связи с внешним миром и видом в окне - инерциальный.
Принцип несложен. Коробочка, в коробочке акселерометры и гироскопы. Гироскоп - это такая штука, в которой за счет инерции вращения обеспечивается устойчивость в пространстве той или иной оси. Ну вот представьте себе юлу. Когда она вращается, она стоит вертикально сама по себе, причем изменить наклон ее оси тем тяжелее, чем быстрее она вращается. Так и гироскоп. И закреплены гироскопы в коробочке так, что если коробочка, например, наклоняется, ось каждого гироскопа остается в исходном положении, позволяя нам измерить изменение положения коробочки относительно исходного. А акселерометры, соответственно, измеряют скорость изменения положения. Мы на земле один раз настраиваем эту коробочку на наши исходные координаты, потом взлетаем, а коробочка ведет учет изменениям своего положения и скорости этих изменений, и на этом основании вычисляет наши координаты в пространстве без всякого контакта с внешним миром.
В маленьких самолетах, к сожалению, такие системы не ставят, потому что они, несмотря на сравнительную концептуальную простоту, довольно сложны в обслуживании. У нас есть инерционные приборы, но они нам показывают только, например, летим ли мы по прямой или незаметно поворачиваем/снижаемся/поднимаемся. То есть, положение относительно предыдущего положения, но без точки отсчета.
На практике, конечно, в любой инерционной системе постепенно накапливаются ошибки, и резкие движения ей противопоказаны, поэтому совсем автономно ее не используют, а используют в связке с внешними системами навигации, время от времени сверяя показания и подгоняя разошедшееся.
Поэтому теперь о внешних системах. Все они так или иначе используют радио, которое связывает нас в самолете с внешней станцией, которая может нам что-то сообщить о своем или нашем положении в пространстве.
Теорию радиосвязи опустим, нам достаточно того факта, что радиоволны есть, у них есть длина волны и частота (чем больше длина, тем меньше частота, и наоборот), они передаются по прямой, соответственно, дальность передачи зависит от ландшафта; они отражаются от встреченных по пути препятствий и атмосферы; за счет отражения в атмосфере могут увеличить дальность передачи. Низкие частоты сильнее подвержены влиянию статики в атмосфере; высокие частоты сильнее подвержены затуханию. Условно говоря, волну низкой частоты можно запустить вокруг всей Земли, но ее сообщение, возможно, будет сильно искажено из-за статики. Волна высокой частоты сохранит сообщение в целости, но далеко с ним не уйдет.
Первая группа систем для навигации - это радиомаяки. Где-то на земле стоит передатчик, он передает сигнал, мы на самолете его ловим и делаем из него какие-то выводы.
Самый простой радиомаяк - приводной (NDB), излучающий во все стороны сигнал на определенной частоте. В самолете вращающаяся антенна, за счет формы и вращения антенны можно определить, с какой стороны от самолета пришел сигнал. В кабине прибор со стрелочкой, стрелочка показывает: маяк от вас слева. Где-то. Эти маяки начали ставить еще во время Второй Мировой, и их цель была обеспечить навигацию через Атлантику. В океане много маяков не наставишь, поэтому частоту/длину волны подбирали так, чтобы, с учетом свойств радиоволн, сигнал от этих маяков распространялся и не очень искажался до 600 морских миль (около тысячи километров). Поэтому эти маяки работают в диапазоне от 190 до 1750 КГц, и отсюда же вытекают связанные с ними проблемы. Частоты довольно низкие, то есть чувствительны к статике: в грозу, дождь и снег он идет вразнос. Изменение положения самолета может исказить прием сигнала. Сигнал может отражаться от, например, гор и показывать что попало; во время заката и восхода может увеличиваться отражение в атмосфере, ведущее к размыванию сигнала; еще один известный эффект - отклонение сигнала на границе моря и суши (потому что скорость радиосигнала зависит от поверхности, над которой он передается, над водой скорость выше, изменение скорости ведет к искривлению направления, а частоты низкие, и на них этот эффект очень заметен). То есть, надежность у этого способа так себе, да и в целом, лететь "прямо на маяк" можно буквально с любой стороны, то есть, о нашем собственном положении в пространстве направление на маяк нам не говорит почти ничего. Конечно, если у нас есть с собой компас - а он у нас есть - поле возможностей уменьшается, но зато начинает требовать ментальной математики, на которую может не хватить сил. Сейчас приводные маяки постепенно выводят из употребления: перестают обслуживать, если они выходят из строя - не восстанавливают.
Улучшенная версия - азимутальный радиомаяк (VOR). Он использует более высокие частоты - от 108 до 117.975 МГц, поэтому проигрывает в расстоянии, зато в пределах досягаемости сильно выигрывает в точности сигнала. Статика ему не страшна, искажений на границе суши и моря тоже нет, искажений из-за изменения положения самолета тоже. Отражение от рельефа, конечно, все еще есть, но, поскольку расстояния меньше, можно выбрать место для маяка, где будет подходящий рельеф. В конце концов, поставить его на вершину горы, а не у ее подножия. Другое улучшение азимутальных маяков по сравнению с приводными заключается в том, какой именно сигнал они передают. По сути, они передают два сигнала: один одинаковый во всех направлениях, его называют опорным; второй - модулированный, то есть, с наложенным изменением амплитуды или частоты (сейчас - обычно частоты) в зависимости от направления, с которого его принимают. Прибор в самолете ловит оба сигнала, сравнивает их друг с другом, и находит отсюда направление от маяка к себе. Это очень ценное улучшение, потому что, если мы знаем, где маяк (а мы знаем, он у нас на карте нарисован), то нарисовав от этого маяка стрелочку в найденном направлении, мы уже примерно знаем, на какой линии находимся мы. Если у нас неподалеку есть еще один маяк, мы можем нарисовать еще одну стрелочку, и найти себя на пересечении двух линий. К сожалению, эти маяки тоже постепенно выводят из обращения, потому что сейчас вообще выводят из обращения все, что не спутниковое.
Этот принцип - с опорным сигналом и модулированным, используют и в системах инструментального захода на посадку. Там маяк ставится, условно, в начале взлетной полосы, опорный сигнал указывает направление вдоль осевой линии полосы, а модулированный - насколько вы от осевой линии отклонились. Специальный прибор в кабине показывает это стрелочкой на горизонтальной оси, ваша задача - держать стрелочку точно в середине оси, тогда вы с гарантией прилетите точно на полосу. Вторая пара сигналов с этого же маяка обеспечивает вертикальное сопровождение: опорный сигнал ведет вас по идеальной глиссаде на посадку, модулированный показывает, выше или ниже, чем надо, вы находитесь. Стрелочка в кабине на этот раз ходит вдоль вертикальной оси, ее тоже нужно держать по центру, тогда вы долетите до полосы точно в той точке, где на нее надо сесть. У этой системы есть небольшой недостаток, заключающийся в том, что у нее есть несколько ложных глиссад, которые расположены выше настоящей - но никогда не ниже, поэтому процедуры захода на посадку по этим системам предусматривают, что вы проходите под глиссадой (довольно далеко от поля, то есть, еще и довольно высоко над землей) и перехватываете ее снизу. Еще один недостаток этой системы в том, что она расположена у начала взлетной полосы, и если там, например, встает другой самолет, ожидающий очереди на взлет, то он может искажать сигнал системы для садящегося самолета. Поэтому вокруг установок обычно организуют стерильную зону, куда нельзя заезжать, пока кто-то садится.
Развитием этой системы была довольно оригинальная микроволновая система посадки. Вместо опорного и модулированного сигнала она выдавала тонкий луч, ходящий вправо-влево, и второй - вверх-вниз. Прибор в самолете замерял время между прохождением луча мимо него в одну и в другую сторону, и за счет этого определял свое положение в посадочном секторе - гораздо точнее, чем в относительных угловых градусах в обычной системе. Достоинства этой системы в отсутствии у нее ложных глиссад, а также в том, что в ней можно было сконструировать заход на посадку не только по прямой, но и по какой угодно кривой по контрольным точкам в секторе (потому что мы можем эти точки точно определить), что очень помогало в обходе всяких препятствий. К сожалению, придумали эту систему очень поздно, поэтому она вышла из употребления, не успев в него толком войти. Единственная работающая инсталляция в Европе была в Хитроу, и той уже десять лет, как нет.
Вторая большая группа - это радиолокационные системы. Они тоже делятся на две группы - первичные и вторичные. Здесь принцип действия заключается в том, что мы посылаем из системы сигнал и ждем на него ответа. Первичный радиолокатор ждет возвращения собственного отраженного сигнала; вторичный - активного ответа от соответствующего ответчика.
Первичный радиолокатор для, собственно, навигации, не очень пригоден, потому что отраженный сигнал несет в себе не так много информации, как нам бы хотелось (название города под нами не принесет, это точно), а ситуаций, когда нам что-то особенное скажет характер местности, не так много. В ночном полете вдоль побережья - полезно. В дневном над бесконечной равниной - бесполезно. Зато первичная радиолокация помогает нам в выборе маршрута через непогоду, потому что по характеру возвращенного сигнала можно судить об уровне грозовой активности в облаках и через грозу не лететь. Еще, конечно, если мы говорим по радио с диспетчером, у которого есть под рукой первичная радиолокационная станция, то это тоже хорошо для навигации, потому что мы можем спросить диспетчера, где мы, и он нам скажет. Такое сочетание правда используется; в частности, на этом основана процедура радарного захода на посадку: диспетчер смотрит на ваш след на экране и диктует вам, куда повернуть и когда начать снижение. Но, конечно, это довольно затратно с точки зрения диспетчера, потому что все его внимание должно в этот момент быть направлено лично на вас, а у него там еще два десятка бортов вокруг, и все чего-то хотят. Поэтому так чаще делают военные, а у диспетчеров на гражданских аэродромах в этом месте пробел в практике, поэтому когда вы учитесь летать по приборам и вместе с инструктором запрашиваете радарный заход на не очень активном поле, диспетчер очень радуется, говорит: подождите, сейчас я позову своего супервайзера, чтобы он записал, что я это сделал, и делает. А вот на активном поле вам порекомендуют использовать другие системы и не отвлекать диспетчера, разве что вы объявите аварийную ситуацию.
На самом деле, если уж вы разговариваете с диспетчером, то он может определить вашу позицию и без всяких радиолокаторов. Все, что ему нужно - это, собственно, радио, и чтобы вы несколько секунд поговорили. Правда, работает этот фокус только там, где на одной частоте сидят несколько приемников-передатчиков в разных местах. Тогда все они слышат ваше радиосообщение и могут по задержке сигнала триангулировать ваше положение. У обычных радиостанций так обычно не бывает, а вот аварийная частота, за счет того, что она одна и та же на весь мир, это умеет.
Но это я отвлеклась. В общем, первичная радиолокация в навигации мало помогает. Не то вторичная.
На принципе вторичной радиолокации работает всенаправленный дальномерный радиомаяк (DME). Идея простая. У вас в самолете стоит передатчик, который посылает наружу сигналы. Когда этот сигнал доходит до наземного приемника, тот в ответ посылает свой сигнал. Мы его в самолете ловим, по времени между запросом и ответом определяем свое расстояние до маяка. Чтобы отличить ответ маяка от отраженного сигнала, используется небольшой сдвиг частоты. Чтобы отличить ответ маяка на свой сигнал от ответа на сигнал соседа, тоже используется сдвиг частоты. Такие маяки, как правило, ставят в комбинации с азимутальными радиомаяками и программируют связку частот, так что вы настраиваетесь на частоту азимутального радиомаяка, а бонусом получаете еще и расстояние до него. Это для определения положения еще лучше, потому что теперь нам достаточно одного маяка - и мы сразу знаем, где мы по отношению к нему находимся. Аналогично их связывают с системами захода на посадку, что тоже существенно повышает точность этих самых посадок. Самый большой недостаток дальномерных радиомаяков в том, что, поскольку они должны в явном виде отвечать на входящие запросы, то у них есть предел, скольким самолетам они могут ответить, и если конкретный маяк переполнен, то вы от него ответа не получите. Как и азимутальные маяки и системы захода на посадку, дальномерные маяки постепенно вытесняются спутниками.
Второе важное применение вторичной радиолокации - для идентификации самолетов. На экране первичной радиолокационной системы диспетчер видит несколько точек и может только угадывать, кто из них кто. Если же используется вторичная система, то на запрос наземной станции приходит ответ с идентификатором, и, в зависимости от установленной на борту системы, ответ может также включать, например, высоту полета, скорость и т.п. Кроме того, такие запросы может слать не только наземная станция, но и передатчик на самом самолете, получая таким образом информацию о трафике вокруг себя.
Наконец, третья группа - это спутниковые системы. Их в общем курсе навигации упоминают четыре: американскую (GPS), русскую (GLONASS), европейскую (Galileo) и китайскую (BeiDou). Я успела поучиться, пока про Старлинк еще и речи не было, сейчас, вероятно, в список добавилась и она.
Принцип везде одинаковый. Мы запускаем на околоземную орбиту много спутников, спутники транслируют в пространство свои идентификаторы и время; наземная система ловит от них сигнал. У наземной системы есть база данных, где какой из спутников должен находиться (плюс, спутники также рассылают апдейты своего положения), и по задержке сигнала выясняет, как далеко она сама от каждого спутника. Поскольку мы хотим определить наше положение в трехмерной системе координат, нам нужно поймать и пересечь сигнал хотя бы с четырех спутников. Сигнал со спутника, заслоненного от нас Землей, мы не поймаем, сигнал от спутника низко над горизонтом тоже будет менее полезен, чем от того, что прямо над головой. Поэтому спутников запускают столько (обычно от 24-27 штук, в зависимости от высоты орбиты), чтобы любая принимающая система всегда видела от пяти до восьми спутников, чтобы обеспечить нужную избыточность, и на принимающей системе, как правило, стоит контролер, который сообщает, если спутников недостаточно или сигнал приходит с ошибками. Понятно, что в ущелье в горах вы сравнительно ограничены в приеме сигнала, но в самолете над землей этих проблем обычно нет. Кроме того, наличие спутниковой системы развязывает вам руки в отношении любых наземных систем. Вам больше не надо ничего устанавливать на аэродроме, можно просто опубликовать спутниковые координаты, и любой самолет сможет зайти к вам на посадку буквально без ничего. Вы можете опубликовать любой желаемый маршрут полета и быть уверенным, что самолеты будут его держаться без необходимости обслуживать радиомаяки в удаленных точках планеты (да, запустить новый спутник проще, чем починить радиомаяк на пустынном острове посреди океана, увы).
Недостатки спутниковых систем же лежат в плоскости политики. Каждая система управляется страной своего происхождения, которая страна может снижать точность или вообще глушить сигнал для вероятного противника. Например, спутники GPS передают данные на двух разных радиочастотах: на одной обычные данные для всех, на другой - сверхточные данные только для военного использования, и кроме американских военных, доступа к этой частоте ни у кого нет. Кроме того, использование систем зависит от международных соглашений. Например, когда Британия в великой мудрости своей вывалилась из Евросоюза, вместе с этим она потеряла лицензию на использование системы Галилео. А потеря лицензии на использование означает, что, хотя система на месте, работоспособность ее вам никем не гарантируется, и значительная часть спутниковых заходов на посадку в Англии немедленно сделалась нелегальной. То есть, координаты не изменились, система на самолете не изменилась, но лицензии нет, поэтому точность считается недоказанной, поэтому лететь по этой системе и этим координатам больше нельзя, а надо использовать недовыведенные из строя радиомаяки.
Швейцарцы вот такой подставы не опасаются и вовсю переходят на спутники и электронику. До такой степени, что даже перестали выпускать бумажные карты, пилоты могут пользоваться электронными, что в Англии пока еще практически невозможно.
И все это, конечно, хорошо, и современные электронные системы действительно намного точнее и надежнее, чем чертов приводной маяк и невнятные стрелочки на бумажной карте, но с точки зрения отказоустойчивости, если все пилоты пользуются одним и тем же софтом, то неминуемо наступает момент, когда у них у всех он почему-то падает. А радиомаяки остаются. Разные.
Но вопрос о достаточной подготовке к грядущему апокалипсису решения все равно не имеет, так что все делают, что хотят.
Как серьезные люди, откроем пост цитатой из моей любимой книжки 1938 года издания Teach Yourself to Fly (кроме шуток, книжка совершенно восхитительна, хотя, конечно, не только не самоучитель, но и не пытается им быть):
"I have not yet found it [some navigation instrument] necessary except when racing. Far better to dispense with instruments that can easily be lost, and find your course to steer by common sense" ("Я не вижу смысла в %навигационном приборе%, кроме, разве что, для гонок. Лучше не использовать приборы, которые легко потерять, а выбирать направление полета, руководствуясь здравым смыслом").
Автор, конечно, не о приборах в кабине, а о специальной штуке для расчета маршрутов - мы до сих пор ею пользуемся, но только на земле. В небе же мы смотрим в окно, сравниваем вид в окне с картой и понимаем, где мы находимся, и куда полетим дальше. Такая навигация называется визуальной, и это прекрасный способ, но он не лишен недостатков. В частности, в наше время, по сравнению с 1938 годом, все больше самолетов вынуждено летать, в том числе, в условиях, когда во все стороны из окна видно только облака. Здравый смысл в этих условиях уже почти не помогает, поэтому приходится обращаться к приборам. Важно заметить, что телефон с джипиэсом в кармане пилота прибором для навигации не является, потому что
А есть, например, довольно любопытный и, между прочим, совершенно автономный способ навигации без связи с внешним миром и видом в окне - инерциальный.
Принцип несложен. Коробочка, в коробочке акселерометры и гироскопы. Гироскоп - это такая штука, в которой за счет инерции вращения обеспечивается устойчивость в пространстве той или иной оси. Ну вот представьте себе юлу. Когда она вращается, она стоит вертикально сама по себе, причем изменить наклон ее оси тем тяжелее, чем быстрее она вращается. Так и гироскоп. И закреплены гироскопы в коробочке так, что если коробочка, например, наклоняется, ось каждого гироскопа остается в исходном положении, позволяя нам измерить изменение положения коробочки относительно исходного. А акселерометры, соответственно, измеряют скорость изменения положения. Мы на земле один раз настраиваем эту коробочку на наши исходные координаты, потом взлетаем, а коробочка ведет учет изменениям своего положения и скорости этих изменений, и на этом основании вычисляет наши координаты в пространстве без всякого контакта с внешним миром.
В маленьких самолетах, к сожалению, такие системы не ставят, потому что они, несмотря на сравнительную концептуальную простоту, довольно сложны в обслуживании. У нас есть инерционные приборы, но они нам показывают только, например, летим ли мы по прямой или незаметно поворачиваем/снижаемся/поднимаемся. То есть, положение относительно предыдущего положения, но без точки отсчета.
На практике, конечно, в любой инерционной системе постепенно накапливаются ошибки, и резкие движения ей противопоказаны, поэтому совсем автономно ее не используют, а используют в связке с внешними системами навигации, время от времени сверяя показания и подгоняя разошедшееся.
Поэтому теперь о внешних системах. Все они так или иначе используют радио, которое связывает нас в самолете с внешней станцией, которая может нам что-то сообщить о своем или нашем положении в пространстве.
Теорию радиосвязи опустим, нам достаточно того факта, что радиоволны есть, у них есть длина волны и частота (чем больше длина, тем меньше частота, и наоборот), они передаются по прямой, соответственно, дальность передачи зависит от ландшафта; они отражаются от встреченных по пути препятствий и атмосферы; за счет отражения в атмосфере могут увеличить дальность передачи. Низкие частоты сильнее подвержены влиянию статики в атмосфере; высокие частоты сильнее подвержены затуханию. Условно говоря, волну низкой частоты можно запустить вокруг всей Земли, но ее сообщение, возможно, будет сильно искажено из-за статики. Волна высокой частоты сохранит сообщение в целости, но далеко с ним не уйдет.
Первая группа систем для навигации - это радиомаяки. Где-то на земле стоит передатчик, он передает сигнал, мы на самолете его ловим и делаем из него какие-то выводы.
Самый простой радиомаяк - приводной (NDB), излучающий во все стороны сигнал на определенной частоте. В самолете вращающаяся антенна, за счет формы и вращения антенны можно определить, с какой стороны от самолета пришел сигнал. В кабине прибор со стрелочкой, стрелочка показывает: маяк от вас слева. Где-то. Эти маяки начали ставить еще во время Второй Мировой, и их цель была обеспечить навигацию через Атлантику. В океане много маяков не наставишь, поэтому частоту/длину волны подбирали так, чтобы, с учетом свойств радиоволн, сигнал от этих маяков распространялся и не очень искажался до 600 морских миль (около тысячи километров). Поэтому эти маяки работают в диапазоне от 190 до 1750 КГц, и отсюда же вытекают связанные с ними проблемы. Частоты довольно низкие, то есть чувствительны к статике: в грозу, дождь и снег он идет вразнос. Изменение положения самолета может исказить прием сигнала. Сигнал может отражаться от, например, гор и показывать что попало; во время заката и восхода может увеличиваться отражение в атмосфере, ведущее к размыванию сигнала; еще один известный эффект - отклонение сигнала на границе моря и суши (потому что скорость радиосигнала зависит от поверхности, над которой он передается, над водой скорость выше, изменение скорости ведет к искривлению направления, а частоты низкие, и на них этот эффект очень заметен). То есть, надежность у этого способа так себе, да и в целом, лететь "прямо на маяк" можно буквально с любой стороны, то есть, о нашем собственном положении в пространстве направление на маяк нам не говорит почти ничего. Конечно, если у нас есть с собой компас - а он у нас есть - поле возможностей уменьшается, но зато начинает требовать ментальной математики, на которую может не хватить сил. Сейчас приводные маяки постепенно выводят из употребления: перестают обслуживать, если они выходят из строя - не восстанавливают.
Улучшенная версия - азимутальный радиомаяк (VOR). Он использует более высокие частоты - от 108 до 117.975 МГц, поэтому проигрывает в расстоянии, зато в пределах досягаемости сильно выигрывает в точности сигнала. Статика ему не страшна, искажений на границе суши и моря тоже нет, искажений из-за изменения положения самолета тоже. Отражение от рельефа, конечно, все еще есть, но, поскольку расстояния меньше, можно выбрать место для маяка, где будет подходящий рельеф. В конце концов, поставить его на вершину горы, а не у ее подножия. Другое улучшение азимутальных маяков по сравнению с приводными заключается в том, какой именно сигнал они передают. По сути, они передают два сигнала: один одинаковый во всех направлениях, его называют опорным; второй - модулированный, то есть, с наложенным изменением амплитуды или частоты (сейчас - обычно частоты) в зависимости от направления, с которого его принимают. Прибор в самолете ловит оба сигнала, сравнивает их друг с другом, и находит отсюда направление от маяка к себе. Это очень ценное улучшение, потому что, если мы знаем, где маяк (а мы знаем, он у нас на карте нарисован), то нарисовав от этого маяка стрелочку в найденном направлении, мы уже примерно знаем, на какой линии находимся мы. Если у нас неподалеку есть еще один маяк, мы можем нарисовать еще одну стрелочку, и найти себя на пересечении двух линий. К сожалению, эти маяки тоже постепенно выводят из обращения, потому что сейчас вообще выводят из обращения все, что не спутниковое.
Этот принцип - с опорным сигналом и модулированным, используют и в системах инструментального захода на посадку. Там маяк ставится, условно, в начале взлетной полосы, опорный сигнал указывает направление вдоль осевой линии полосы, а модулированный - насколько вы от осевой линии отклонились. Специальный прибор в кабине показывает это стрелочкой на горизонтальной оси, ваша задача - держать стрелочку точно в середине оси, тогда вы с гарантией прилетите точно на полосу. Вторая пара сигналов с этого же маяка обеспечивает вертикальное сопровождение: опорный сигнал ведет вас по идеальной глиссаде на посадку, модулированный показывает, выше или ниже, чем надо, вы находитесь. Стрелочка в кабине на этот раз ходит вдоль вертикальной оси, ее тоже нужно держать по центру, тогда вы долетите до полосы точно в той точке, где на нее надо сесть. У этой системы есть небольшой недостаток, заключающийся в том, что у нее есть несколько ложных глиссад, которые расположены выше настоящей - но никогда не ниже, поэтому процедуры захода на посадку по этим системам предусматривают, что вы проходите под глиссадой (довольно далеко от поля, то есть, еще и довольно высоко над землей) и перехватываете ее снизу. Еще один недостаток этой системы в том, что она расположена у начала взлетной полосы, и если там, например, встает другой самолет, ожидающий очереди на взлет, то он может искажать сигнал системы для садящегося самолета. Поэтому вокруг установок обычно организуют стерильную зону, куда нельзя заезжать, пока кто-то садится.
Развитием этой системы была довольно оригинальная микроволновая система посадки. Вместо опорного и модулированного сигнала она выдавала тонкий луч, ходящий вправо-влево, и второй - вверх-вниз. Прибор в самолете замерял время между прохождением луча мимо него в одну и в другую сторону, и за счет этого определял свое положение в посадочном секторе - гораздо точнее, чем в относительных угловых градусах в обычной системе. Достоинства этой системы в отсутствии у нее ложных глиссад, а также в том, что в ней можно было сконструировать заход на посадку не только по прямой, но и по какой угодно кривой по контрольным точкам в секторе (потому что мы можем эти точки точно определить), что очень помогало в обходе всяких препятствий. К сожалению, придумали эту систему очень поздно, поэтому она вышла из употребления, не успев в него толком войти. Единственная работающая инсталляция в Европе была в Хитроу, и той уже десять лет, как нет.
Вторая большая группа - это радиолокационные системы. Они тоже делятся на две группы - первичные и вторичные. Здесь принцип действия заключается в том, что мы посылаем из системы сигнал и ждем на него ответа. Первичный радиолокатор ждет возвращения собственного отраженного сигнала; вторичный - активного ответа от соответствующего ответчика.
Первичный радиолокатор для, собственно, навигации, не очень пригоден, потому что отраженный сигнал несет в себе не так много информации, как нам бы хотелось (название города под нами не принесет, это точно), а ситуаций, когда нам что-то особенное скажет характер местности, не так много. В ночном полете вдоль побережья - полезно. В дневном над бесконечной равниной - бесполезно. Зато первичная радиолокация помогает нам в выборе маршрута через непогоду, потому что по характеру возвращенного сигнала можно судить об уровне грозовой активности в облаках и через грозу не лететь. Еще, конечно, если мы говорим по радио с диспетчером, у которого есть под рукой первичная радиолокационная станция, то это тоже хорошо для навигации, потому что мы можем спросить диспетчера, где мы, и он нам скажет. Такое сочетание правда используется; в частности, на этом основана процедура радарного захода на посадку: диспетчер смотрит на ваш след на экране и диктует вам, куда повернуть и когда начать снижение. Но, конечно, это довольно затратно с точки зрения диспетчера, потому что все его внимание должно в этот момент быть направлено лично на вас, а у него там еще два десятка бортов вокруг, и все чего-то хотят. Поэтому так чаще делают военные, а у диспетчеров на гражданских аэродромах в этом месте пробел в практике, поэтому когда вы учитесь летать по приборам и вместе с инструктором запрашиваете радарный заход на не очень активном поле, диспетчер очень радуется, говорит: подождите, сейчас я позову своего супервайзера, чтобы он записал, что я это сделал, и делает. А вот на активном поле вам порекомендуют использовать другие системы и не отвлекать диспетчера, разве что вы объявите аварийную ситуацию.
На самом деле, если уж вы разговариваете с диспетчером, то он может определить вашу позицию и без всяких радиолокаторов. Все, что ему нужно - это, собственно, радио, и чтобы вы несколько секунд поговорили. Правда, работает этот фокус только там, где на одной частоте сидят несколько приемников-передатчиков в разных местах. Тогда все они слышат ваше радиосообщение и могут по задержке сигнала триангулировать ваше положение. У обычных радиостанций так обычно не бывает, а вот аварийная частота, за счет того, что она одна и та же на весь мир, это умеет.
Но это я отвлеклась. В общем, первичная радиолокация в навигации мало помогает. Не то вторичная.
На принципе вторичной радиолокации работает всенаправленный дальномерный радиомаяк (DME). Идея простая. У вас в самолете стоит передатчик, который посылает наружу сигналы. Когда этот сигнал доходит до наземного приемника, тот в ответ посылает свой сигнал. Мы его в самолете ловим, по времени между запросом и ответом определяем свое расстояние до маяка. Чтобы отличить ответ маяка от отраженного сигнала, используется небольшой сдвиг частоты. Чтобы отличить ответ маяка на свой сигнал от ответа на сигнал соседа, тоже используется сдвиг частоты. Такие маяки, как правило, ставят в комбинации с азимутальными радиомаяками и программируют связку частот, так что вы настраиваетесь на частоту азимутального радиомаяка, а бонусом получаете еще и расстояние до него. Это для определения положения еще лучше, потому что теперь нам достаточно одного маяка - и мы сразу знаем, где мы по отношению к нему находимся. Аналогично их связывают с системами захода на посадку, что тоже существенно повышает точность этих самых посадок. Самый большой недостаток дальномерных радиомаяков в том, что, поскольку они должны в явном виде отвечать на входящие запросы, то у них есть предел, скольким самолетам они могут ответить, и если конкретный маяк переполнен, то вы от него ответа не получите. Как и азимутальные маяки и системы захода на посадку, дальномерные маяки постепенно вытесняются спутниками.
Второе важное применение вторичной радиолокации - для идентификации самолетов. На экране первичной радиолокационной системы диспетчер видит несколько точек и может только угадывать, кто из них кто. Если же используется вторичная система, то на запрос наземной станции приходит ответ с идентификатором, и, в зависимости от установленной на борту системы, ответ может также включать, например, высоту полета, скорость и т.п. Кроме того, такие запросы может слать не только наземная станция, но и передатчик на самом самолете, получая таким образом информацию о трафике вокруг себя.
Наконец, третья группа - это спутниковые системы. Их в общем курсе навигации упоминают четыре: американскую (GPS), русскую (GLONASS), европейскую (Galileo) и китайскую (BeiDou). Я успела поучиться, пока про Старлинк еще и речи не было, сейчас, вероятно, в список добавилась и она.
Принцип везде одинаковый. Мы запускаем на околоземную орбиту много спутников, спутники транслируют в пространство свои идентификаторы и время; наземная система ловит от них сигнал. У наземной системы есть база данных, где какой из спутников должен находиться (плюс, спутники также рассылают апдейты своего положения), и по задержке сигнала выясняет, как далеко она сама от каждого спутника. Поскольку мы хотим определить наше положение в трехмерной системе координат, нам нужно поймать и пересечь сигнал хотя бы с четырех спутников. Сигнал со спутника, заслоненного от нас Землей, мы не поймаем, сигнал от спутника низко над горизонтом тоже будет менее полезен, чем от того, что прямо над головой. Поэтому спутников запускают столько (обычно от 24-27 штук, в зависимости от высоты орбиты), чтобы любая принимающая система всегда видела от пяти до восьми спутников, чтобы обеспечить нужную избыточность, и на принимающей системе, как правило, стоит контролер, который сообщает, если спутников недостаточно или сигнал приходит с ошибками. Понятно, что в ущелье в горах вы сравнительно ограничены в приеме сигнала, но в самолете над землей этих проблем обычно нет. Кроме того, наличие спутниковой системы развязывает вам руки в отношении любых наземных систем. Вам больше не надо ничего устанавливать на аэродроме, можно просто опубликовать спутниковые координаты, и любой самолет сможет зайти к вам на посадку буквально без ничего. Вы можете опубликовать любой желаемый маршрут полета и быть уверенным, что самолеты будут его держаться без необходимости обслуживать радиомаяки в удаленных точках планеты (да, запустить новый спутник проще, чем починить радиомаяк на пустынном острове посреди океана, увы).
Недостатки спутниковых систем же лежат в плоскости политики. Каждая система управляется страной своего происхождения, которая страна может снижать точность или вообще глушить сигнал для вероятного противника. Например, спутники GPS передают данные на двух разных радиочастотах: на одной обычные данные для всех, на другой - сверхточные данные только для военного использования, и кроме американских военных, доступа к этой частоте ни у кого нет. Кроме того, использование систем зависит от международных соглашений. Например, когда Британия в великой мудрости своей вывалилась из Евросоюза, вместе с этим она потеряла лицензию на использование системы Галилео. А потеря лицензии на использование означает, что, хотя система на месте, работоспособность ее вам никем не гарантируется, и значительная часть спутниковых заходов на посадку в Англии немедленно сделалась нелегальной. То есть, координаты не изменились, система на самолете не изменилась, но лицензии нет, поэтому точность считается недоказанной, поэтому лететь по этой системе и этим координатам больше нельзя, а надо использовать недовыведенные из строя радиомаяки.
Швейцарцы вот такой подставы не опасаются и вовсю переходят на спутники и электронику. До такой степени, что даже перестали выпускать бумажные карты, пилоты могут пользоваться электронными, что в Англии пока еще практически невозможно.
И все это, конечно, хорошо, и современные электронные системы действительно намного точнее и надежнее, чем чертов приводной маяк и невнятные стрелочки на бумажной карте, но с точки зрения отказоустойчивости, если все пилоты пользуются одним и тем же софтом, то неминуемо наступает момент, когда у них у всех он почему-то падает. А радиомаяки остаются. Разные.
Но вопрос о достаточной подготовке к грядущему апокалипсису решения все равно не имеет, так что все делают, что хотят.
![[community profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/community.png){kind=small}