Привет, Хабр!
Я отдал системам авиационной связи и связи специального назначения 11 лет жизни — прошёл путь от линейного инженера-исполнителя и испытателя БРЭО до конструктора авиационных средств связи специального назначения. Несколько лет назад я пообещал написать статью о том, как устроена авиационная связь. Со временем материал оброс деталями, схемами, техническими историями и вырос в полноценный цикл. Что ж, так тому и быть.
В этом цикле мы вместе разберём физические принципы работы авиационных систем связи: от элементарных основ радиопередачи до архитектуры современных спутниковых комплексов. Мы проследим эволюцию технических решений: от аналоговых передатчиков с амплитудной модуляцией до программно-определяемых SDR-систем, в которых частота, модуляция и логика работы задаются кодом. Поговорим о том, как устроены приёмники, как работают тракт передачи, какие модуляции применяются, и почему в авиации до сих пор живы старые диапазоны.
Эволюция протоколов передачи данных отдельная тема. От первых телеграфных радиограмм и азбуки Морзе до цифровых протоколов ACARS и CPDLC, по которым борта сегодня обмениваются сообщениями с центрами управления. Мы разберём, как формируются цифровые пакеты, какие методы коррекции ошибок применяются, как обеспечивается криптографическая защита и надёжность, и как всё это интегрируется с другими бортовыми системами.
Мы заглянем и в небо: посмотрим на спутниковые системы связи L-диапазон, Ku и Ka, SwiftBroadband, Iridium Certus. Поговорим о специфике передачи данных с подвижными объектами, методах множественного доступа, задержках, и о том, как в этих условиях строится надёжный канал. Отдельно обсудим бортовые терминалы, их конструкцию и взаимодействие с авионикой.
Не обойдём стороной и голосовую связь в авиации: чем отличается УКВ от КВ, какие особенности у речевой модуляции, как устроен передающий тракт типовой радиостанции и какие параметры являются критичными для работы в воздухе.
И, конечно, мы поговорим о российской технике — о том, что разрабатывается у нас, какие решения используются в войсках и гражданской авиации, как идёт импортозамещение, и что нас ждёт впереди в этой области.
Будет много технических подробностей, схем, сравнений и пояснений — как это видится изнутри, глазами инженера, которому приходилось не только проектировать, но и держать это оборудование в руках.
Но начнём мы с того, что было на заре авиации.
В самом начале XX века человек только начинал покорять воздух — первые полёты были короткими и крайне ненадёжными, а связь между пилотом и землёй, если и существовала, то исключительно визуальная или посредством сигнальных флажков. Однако параллельно развивалась радиотехника — новая область, появившаяся благодаря открытию электромагнитных волн Герцем и экспериментальной работе Оливера Хевисайда, Эдварда Брейдвуда, Николы Теслы, Гульельмо Маркони и Александра Попова.
В 1887 году Генрих Герц подтвердил существование электромагнитных волн, что стало фундаментом для беспроводной связи. Впоследствии Оливер Лодж и Александр Попов независимо создавали приёмники на когерерах — трубках с металлическим порошком, чувствительных к приходящим радиоволнам.
К 1901 году технические достижения вышли за рамки лабораторий: 12 декабря Гульельмо Маркони доказал возможность преодоления Атлантики радиосигналами, передав «S» (три точки) из Корнуолла в Ньюфаундленд. Для этого использовались длинноволновые генераторы большой мощности и антенны длиной порядка сотни метров, а отражение ионосферой обеспечивало большой радиус действия.
В России, в том же году, Кронштадтская радиолаборатория, под руководством капитана Александра Реммерта, провела первые опыты по связи с воздушными шарами. Используя искровые передатчики на основе разрядника Румкорфа и приёмные когереры, была достигнута стабильная связь на расстоянии до 25 км. Документальные подтверждения таких испытаний известны по флотским журналам начала XX века. Это была система с генератором большой дискретности, антеннами «штырь» длиной порядка 10–15 м и приёмом через акустическое реле.
Ситуация радикально изменилась в 1906 году, когда Ли де Форест представил аудион — первый триод. Он содержал катод, анод и сетку, что создало принципиально новый класс активных элементов. Триод позволял усиливать слабые сигналы, делая радиотелеграфию более надёжной. В 1913–1915 гг. Ирвинг Ленгмюр повысил надёжность ламп, разработав высоковакуумные электроны и сформулировав понятие пространственного заряда.
С началом Первой мировой войны радио в авиации перестало быть экспериментом. В Великобритании Marconi Wireless уже в 1915 г. оснащала самолёты разведки (типы B.E.2 и Sopwith 1½ Strutter) радиотелеграфами на длинных волнах (300–600 кГц). Использовались ламповые передатчики мощностью до 1 кВт, телеграфные ключи и антенны до 30 м. Дальность связи достигала 300 км, что позволяло передавать координаты и наблюдения с фронта.
В Германии Telefunken, под руководством Александра Мейсснера, внедрил автогенераторы на триодах (типы E41, E61), обеспечивавшие устойчивую связь на расстоянии до 200 км. Однако частотная нестабильность оставалась проблемой — полноценная стабилизация с кварцевыми резонаторами появилась лишь в США в 1921–1923 гг. (Николсон, Кэннон).
В Российской империи первые авиационные радиостанции, созданные профессором Николаем Папалекси и инженером Б. Л. Глаголевым, опирались на кристаллические детекторы и искровые передатчики, но дальность редко превышала 50 км. После революции в Петроградском политехническом институте была создана лаборатория, которая закладывала основы радиотехники СССР, несмотря на сложности гражданской войны.
К концу 1919 года сформировалась инженерно-физическая концепция: радиосвязь в авиации переходила от импульсного, широкополосного искрового метода к ламповому усилению и супергетеродину, появлялись первые критерии стабильности, селективности и устойчивости к помехам.
В начале 1920-х годов СССР перешёл от иррегулярных полевых радиопроб к систематическому внедрению авиационных средств связи, во многом опираясь на наследие работ Михаила Александровича Бонч-Бруевича. Его Радиолаборатория НКПС разработала уникальную схему для самолётных радиостанций — на базе супергетеродина, концепции, предложенной Эдвином Армстронгом в 1918 году. Супергетеродинное решение позволяло преобразовывать принимаемую радиочастоту в промежуточную (обычно 455 кГц), где была эффективна селекция и усиление сигнала. Эти первые советские комплексы — на лампах 2Ж-1 и 2Ж-2 — совместно с «катодным прерывателем» обеспечили передачу амплитудной модуляции (AM) на диапазонах HF (3–6 МГц), достигая дальности более 700 км.
К середине 1930-х годов СССР приступил к производству авиационной УКВ-станции РСИ-3. Этот комплект, состоящий из приёмника «Сокол» и передатчика «Орел», работал в диапазоне 3.75–5 МГц (позже до 6 МГц) с кварцевой стабилизацией частоты. Масса всего комплекса составляла около 14–15 кг, при выходной мощности передатчика в диапазоне 3–5 Вт. Приёмник РСИ-4А отличался чувствительностью порядка 1 µВ на 1 кГц сноса, коэффициент усиления превышал 60 дБ. В 1939 году станция стала стандартом для МиГ-1 и МиГ-3.
Тем временем в Германии фирма Lorenz выдала первую практическую систему инструментальной посадки, работавшую в диапазоне 30–33 МГц. Позднее концепция стала основой системы ILS.
Британская Imperial Airways активно экспериментировала с дальними маршрутами. В 1937 году были проведены связи с дальностью до 3200 км между самолётом и наземными станциями. Японский авиаполёт самолёта Mitsubishi Ki-15 «Kamikaze-go» в том же году, от Токио до Лондона, объединил радионавигацию и визуальное ориентирование.
После катастрофы ТБ-4 «Максим Горький» в 1935 году выяснилось, что радиосвязь велась на разных частотах и без единого протокола. Последовал выпуск инструкций по форматам радиограмм и процедурам установки кварцевых генераторов.
Показательно, что многие идеи и подходы, применённые в авиации, имели параллели в морской радиосвязи. Именно флот стал первым заказчиком радиотелеграфии, и ряд технических решений — от схем искровых генераторов до методов тюнинга антенн — перекочевали из корабельных комплексов в авиационные. Однако специфика авиации — ограниченность габаритов, потребления и масс — потребовала уникальных инженерных компромиссов и стала катализатором перехода к более миниатюрным и высокочастотным системам.
Одной из ключевых структур, обеспечивших научно-инженерную базу в СССР, стал Всесоюзный научно-исследовательский институт радиосвязи (ВНИИ радиосвязи). Институт разрабатывал теоретические модели распространения радиоволн, тестировал схемы частотной стабилизации, занимался вопросами совместимости. Ряд протоколов и структурных решений, применённых в довоенных авиационных радиостанциях, прошли апробацию в его лабораториях.
Не менее важным звеном была школа радистов в Ленинграде. Здесь формировалась кадровая база для ВВС и гражданского флота: специалистов обучали не просто работе на ключе, но и методам устранения помех, чтению спектров, работе с модуляцией. Учебные программы включали как теорию электромагнетизма и схемотехники, так и практику настройки контуров и гетеродинов.
Тем не менее окончательная международная стандартизация, включая частоты VHF 118–137 МГц и процедуры ICAO, была закреплена лишь в 1947 году — после создания Международной организации гражданской авиации (ICAO). Но к тому моменту авиационная связь уже уверенно вышла на уровень системного элемента воздушного пространства.
Продолжению быть.
P.S Все же немного поправил статью.
