Эра, когда сложно потеряться

    Как все-таки изменился мир. Вы помните замечательный в своей лиричности роман Антуана де Сент-Экзюпери “Ночной полет”? По сюжету почтовый самолет из-за циклона потерялся в пространстве, и в финале не ясно, разбился он или сумел совершить вынужденную посадку, и где это произошло. Сейчас подрастает поколение, которое будет удивляться самой возможности заблудиться, потому что навигаторы окружают их всю жизнь. И ситуация “где-то кто-то попал в беду, а об этом никто не знает” постепенно тоже исчезает. Катастрофа самолета будет очень быстро зафиксирована по множеству каналов. Предусмотрительный турист возьмет с собой устройство размером со смартфон и сможет позвать на помощь в случае проблем. А в автомобилях внедряются системы, которые способны автоматически распознать аварию и вызвать спасателей самостоятельно, даже если водитель и пассажиры не в состоянии это сделать.


    Спутник ГЛОНАСС-К в павильоне “Космос” ВДНХ

    Меньше чем через десять лет после событий “Ночного полета” на самолетах стали все чаще появляться радиокомпасы — антенна в виде кольца позволяла узнать направление на источник радиосигнала — специальную станцию или даже обычную радиовещательную.


    Lockheed Electra, сверху отлично видна антенна радиокомпаса в виде кольца, фото Christian Bramkapmp/aitliners.net

    Отказ техники или недостаточная квалификация для работы с оборудованием могли стать факторами такого же драматического, как и в “Ночном полете”, исчезновения известной летчицы Амелии Эрхарт — на острове Хауленд, промежуточной цели кругосветного перелета, слышали ее самолет и принимали радиосообщения о попытках найти атолл и заканчивающемся топливе. Останки Амелии Эркхарт, штурмана Фредерика Нунана и самолета не найдены до сих пор.

    У антенны в виде кольца было еще и неприятное свойство — она показывала направление на источник сигнала, но не могла сказать, приближается самолет к нему или, наоборот, удаляется. Из-за этого во время Второй мировой войны погиб весь экипаж бомбардировщика B-24 “Lady Be Good” — они пролетели радиомаяк и удалились в пустыню. Когда у самолета кончилось топливо, они выпрыгнули с парашютом и попытались дойти до базы, не зная, что до нее семь сотен километров. По злой иронии судьбы самолет спланировал и совершил сравнительно мягкую посадку на песок. Спустя пятнадцать лет его нашли в пустыне. Радиостанция, по которой можно было бы позвать на помощь, осталась исправна.


    Бомбардировщик B-24, кольцо антенны в черном каплеобразном обтекателе наверху

    Но в целом радиокомпас оказался очень полезным устройством — можно было лететь по воздушным коридорам между радиомаяками, а если в зоне слышимости было несколько маяков, то можно было с неплохой точностью определять свое положение — пересечение пеленгов (направлений на радиомаяк) от обозначенных на карте передатчиков дает точку, в которой находится самолет. Несмотря на все достижения спутниковой навигации, радиомаяки используются в самолетовождении до сих пор.


    Радионавигационная карта района вокруг Санкт-Петербурга, деревняиваново.рф

    Фиксированные коридоры над стационарными маяками прекрасно подходят для гражданской авиации, но военным придется действовать над вражеской территорией, где противник не будет помогать с радиомаяками, и цель для бомбардировщиков каждый день может меняться. Уже в начале Второй мировой войны немцы использовали все более сложные системы радионавигации для того, чтобы наводить свои бомбардировщики на Лондон.


    Система Knickebein, бомбардировщики летят по одному лучу и сбрасывают бомбы в момент пересечения второго, иллюстрация Dahnielson/wikimedia.org

    Англичане отвечали радиопротиводействием, нарушая нормальную работу систем своими сигналами. Отдельная ирония заключается в том, что возглавлявший эту борьбу Реджинальд Виктор Джонс обожал розыгрыши и наверняка наслаждался тем, что получил ресурсы целой страны, чтобы обманывать немецких пилотов. В итоге Люфтваффе затроллили радиоэлектронной борьбой настолько, что они потеряли всякую веру в системы радионаведения для бомбардировщиков.

    После войны в гражданской авиации для небольших дальностей стандартом стала система VOR/DME, позволяющая определять и расстояние, и направление на радиомаяк. По аналогичному принципу работают и военные системы — западная TACAN и советская/российская РСБН. Передатчик на самолете отправляет запрос, который ретранслируется наземной станцией. По времени задержки ответа определяется расстояние между самолетом и станцией. Для определения направления на радиомаяк используются другие антенны: одна вращается, и ее сигнал обегает горизонт по кругу. Другая испускает всенаправленный сигнал в момент, когда первая антенна излучает в направлении на север. По разнице времени между приемом первого и второго сигналов на самолете можно определить, с какой стороны он находится относительно станции.


    Антенна, совмещающая VOR/DME и TACAN, источник

    Для дальних расстояний в системах OMEGA, LORAN, “Чайка” и РСДН использовался другой принцип. Допустим, есть три радиопередатчика на большом расстоянии друг от друга, синхронно испускающие сигнал. Из-за того, что скорость света конечна, сигналы достигнут самолета не одновременно. На самолете не знают расстояния ни до одной станции, но знают разницу во времени получения сигнала и, следовательно, разницу расстояний до станций. Знание о разнице расстояний между двумя станциями дает гиперболу. Три станции позволяют построить две гиперболы, пересечение которых дает две возможные точки, в которых может находиться самолет. Например, если мы знаем, что до Москвы на 480 км ближе, чем до Питера, то можем находиться как в Днепре (бывший Днепропетровск), так и в Уфе. А если до Москвы нам на 50 км дальше, чем до Омска, то мы можем быть в Уфе или Перми. Совмещение условий даст Уфу, из которой я пишу этот текст.


    Иллюстрация Cosmia Nebula/wikimedia.org

    Этот принцип называется “гиперболическая навигация” и был впервые использован в английской системе Gee для наведения уже британских бомбардировщиков на немецкие города. Главной сложностью является синхронизация наземных передатчиков, удаленных на огромные расстояния, но с появлением атомных часов задача была в целом решена в 1960-х. Для обеспечения работы на больших расстояниях использовались длинные волны, поэтому антенны систем были очень высокими.


    Антенна системы OMEGA в Японии, когда-то самое высокое сооружение в стране, фото министерства земли, инфраструктуры, транспорта и туризма Японии/wikimedia.org

    Начало космической эры вызвало интерес и ко спутниковой навигации. Сотрудники лаборатории прикладной физики университета Джона Хопкинса Уильям Гайр и Джордж Вайфенбах, принимая сигналы первого спутника, обнаружили, что могут рассчитать его орбиту, измеряя доплеровский сдвиг его сигнала. Эффект Доплера — изменение частоты сигнала от движущегося источника — когда спутник приближался к лаборатории, она повышалась, когда удалялся — понижалась.



    Зная орбиту спутника можно было решить обратную задачу — определить свое положение по доплеровскому сдвигу сигнала спутника. Так родилась навигационная система Transit. Первый спутник попытались вывести на орбиту в 1959 (неудачно), второй запустили в апреле 1960 и в том же году успешно провели первые тесты. Систему ввели в эксплуатацию в 1964.


    Спутник Transit 5-А в Национальном музее воздухоплавания и астронавтики США

    Пять спутников в пяти плоскостях на полярных орбитах высотой 1100 км давали глобальное покрытие. Обычно в космосе находилось десять спутников, по одному запасному на каждую плоскость. Задача определения своего положения была нетривиальной, требовала большого количества математических расчетов и для большей точности требовала неподвижности носителя. Например, для американских подводных лодок пришлось разрабатывать специальный компьютер AN/UYK-1, герметизированный и выполненный в таком форм-факторе, чтобы его можно было протащить в люк.


    Реклама компьютера от производителя

    Поскольку орбита спутника со временем менялась, он передавал не только текущее время, но и элементы своей орбиты, которые дважды в день загружались со станций связи. Наземные станции около полюсов, зная свое положение, постоянно измеряли орбиты спутников и отправляли на них параметры орбит, которые затем использовались для решения обратной задачи у пользователей системы.

    Но все сложности окупались приобретенными возможностями — подводная лодка выдвигала антенну всего на две минуты, ловила сигналы спутника и могла определить свое местоположение с точностью до 100 метров. Вскоре систему Transit сделали доступной для гражданского применения, и она не только помогла многим морякам, но и позволила решить довольно необычные задачи, так, например, усреднив множество измерений, была скорректирована высота горы Эверест.

    В СССР была создана навигационно-связная система “Циклон” с гражданским вариантом “Цикада”, работавшие по аналогичному принципу и состоящие из 6 спутников. Transit прекратил работу в 1996, последний спутник системы “Циклон” отправился на орбиту в 2010.

    Конечно же, Transit и аналоги не обошлись без недостатков — всего пять спутников означало, что в районе экватора появления спутника над горизонтом приходилось ждать несколько часов, в средних широтах ожидание уменьшалось до 1-2 часов. Да и точность в 100 метров быстро захотелось улучшить. Уже в 1973 году в США начали проект новой навигационной системы GPS, первый прототип которой отправился на орбиту в 1978 году. Новая система использовала модификацию уже известного вам подхода.

    Помните гиперболическую навигацию? GPS и аналоги реализуют тот же самый принцип. Все спутники транслируют точное время и параметры своей орбиты. Из-за того, что скорость света конечна, метки времени приходят к пользователю не одновременно. У пользователя нет синхронизированных со спутниками атомных часов, поэтому он знает только разницу между показаниями, но этого достаточно. Сигнал от трех спутников позволяет построить в пространстве два гиперболоида, пересечение которых даст гиперболу, которая коснется поверхности земного шара в двух точках, одна будет правильным местоположением, а вторая — настолько неверным, что ее будет легко отбросить.


    Иллюстрация Мюнхенского технического университета

    Если добавить четвертый спутник, то три гиперболоида пересекутся в одной точке и позволят определить еще и высоту над поверхностью. А каждый дополнительный спутник даст новые гиперболоиды, которые будут повышать точность. 24 спутника в трех плоскостях обеспечивают круглосуточную доступность системы.

    По аналогичному принципу работают и другие современные системы навигации: российская ГЛОНАСС, европейская Galileo. У китайской «Бэйдоу» тот же принцип, но спутники расположены на орбитах разной высоты. И самая драматическая история, без сомнения, у российской ГЛОНАСС.

    Разработка системы была начата в 1976 году, и первый аппарат отправился на орбиту в 1982. Сначала запускали небольшие серии — 10, 9, 12 спутников, а с 1988 года началось полноценное развертывание группировки большой серией, в которой произвели 56 спутников.


    «Новости Космонавтики», 1999, №2

    В начале 90-х 12 работающих спутников уже позволяли ограниченно использовать систему, а полное развертывание было закончено в 1995 году. Увы, в условиях экономических проблем группировка начала деградировать. Сравнительно небольшой срок жизни аппаратов и редкие запуски — после 1995 года было по одному пуску с тремя спутниками в 1998 и 2000 годах, привели к тому, что в 2001 году осталось всего 6 работоспособных аппаратов. Но с начала нулевых началось возрождение группировки. В 2003 году на орбиту отправился первый аппарат второго поколения, “ГЛОНАСС-М”, самым важным отличием которого стал увеличенный срок существования.


    «ГЛОНАСС-М», фото Bin im Garten/wikimedia.org

    Примененные технические решения оказались удачными, и сегодня самые старые из работающих спутники были запущены в 2007 году и превзошли гарантийный срок работы в два раза. Но сегодня перед созвездием стоит новый вызов. Изначально планировалось, что на смену второму поколению придет третье, “ГЛОНАСС-К”, которое перейдет на негерметичную платформу, обещающую еще большую долговечность. Но спутники использовали импортные компоненты, которые стали недоступны после осложнения политической ситуации в 2014 году. И в итоге было принято решение перейти на модифицированный тип, “ГЛОНАСС-К2”, использующий отечественные компоненты. Сейчас созвездие проходит драматичный этап, когда выбывающие из строя спутники второго поколения должны будут заменяться на уже произведенные и находящиеся на хранении, и параллельно развертывается производство новой модификации.


    «ГЛОНАСС-К2», изображение USSR BOY/wikimedia.org

    Пока что дела идут неплохо — запас “ГЛОНАСС-М” почти закончился — предпоследний аппарат отправится на орбиту в марте, последний по необходимости, скорее всего в этом году. “ГЛОНАСС-К” есть в запасе 9 штук, из которых один должен полететь в мае. А первый “-К2” может быть запущен уже в 2021 году.

    Для гражданских пользователей даже худшие сценарии не несут никаких проблем — четыре глобальные навигационные системы означают, что навигаторы всегда будут видеть спутники и иметь возможность определять свое положение. И не только, навигационные системы могут помогать в самых разных случаях. В Европе с 2018 и РФ с 2015 для новых автомобилей обязательна установка системы, распознающей аварию и автоматически передающей вызов в экстренные службы — eCall и ЭРА-ГЛОНАСС.

    Обе системы совместимы и работают по одному принципу: датчики в автомобиле фиксируют факт аварии — раскрытие подушек безопасности, деформацию кузова и т.п., определяют степень аварии и координаты происшествия по спутниковым навигационным системам и отправляют сообщение в службы спасения через сети сотовой связи. По информации на конец 2019 года в России уже больше 4,6 миллионов автомобилей оснащены «ЭРА-ГЛОНАСС», за год зафиксировано примерно 36 тысяч вызовов, из них 17 тысяч в автоматическом режиме. По подсчетам специалистов система спасает в год 3-4 тысячи человек.

    Вот так выглядит устройство «ЭРА-ГЛОНАСС» производства НПП ИТЭЛМА:

    image

    Более 30% всех автомобилей России оборудованы устройствами, собранными в ИТЭЛМА. Системы ЭРА-ГЛОНАСС проходят на предприятии полный цикл: мы создаем архитектуру, разрабатываем ПО, делаем прототип, тестируем его и после успешных испытаний интегрируем модуль в автомобиль еще до того, как он сойдет с заводского конвейера.

    image

    За разработку систем экстренного реагирования ЭРА-ГЛОНАСС и проектов на базе IoT на предприятии отвечает дирекция «Телематика», в ней открыты несколько вакансий для программистов и разработчиков.



    image

    О компании ИТЭЛМА
    Мы большая компания-разработчик automotive компонентов. В компании трудится около 2500 сотрудников, в том числе 650 инженеров.

    Мы, пожалуй, самый сильный в России центр компетенций по разработке автомобильной электроники. Сейчас активно растем и открыли много вакансий (порядка 30, в том числе в регионах), таких как инженер-программист, инженер-конструктор, ведущий инженер-разработчик (DSP-программист) и др.

    У нас много интересных задач от автопроизводителей и концернов, двигающих индустрию. Если хотите расти, как специалист, и учиться у лучших, будем рады видеть вас в нашей команде. Также мы готовы делиться экспертизой, самым важным что происходит в automotive. Задавайте нам любые вопросы, ответим, пообсуждаем.

    Читать еще полезные статьи:

    НПП ИТЭЛМА
    Компоненты для роботизированного транспорта

    Комментарии 16

      +7

      Добавлю, что с радионавигацией для наведения бомбардировщиков немцы пользовались не в начале второй мировой, а ещё с первой.
      Причём начали с "перевёрнутой" системы: с цеппелинов отправляли по радио запрос на определение координат, на наземных станциях его пеленговали и триангулировали, отправляя назад координаты. Но в виду неудобств схемы уже в ходе ПМВ перешли к ставшей классической пеленгации наземных передатчиков с воздушного судна.

        0
        датчики в автомобиле фиксируют факт аварии — раскрытие подушек безопасности, деформацию кузова и т.п., определяют степень аварии и координаты происшествия по спутниковым навигационным системам и отправляют сообщение в службы спасения через сети сотовой связи.

        А что будет в туннеле? Особенно с координатами?

        Вы сами запоминаете последнее решение или полагаетесь на приёмник? А одометр у вас в эру-глонасс заводится?
          0

          С координатами то норм. Последнее значение всегда есть. А вот сотовое покрытие у нас в стране оставляет желать лучшего

            0
            Не всегда. Если было пропадание питания в подземном гараже ТЦ или тоннеле — приемник не даст даже запомненных координат. С другой стороны, сотовое покрытие обычно есть в гаражах, и под мостами и в тоннелях.
          0
          Спустя пятнадцать лет его нашли в пустыне. Радиостанция, по которой можно было бы позвать на помощь, осталась исправна.

          Уточню, что они должны были соблюдать радиомолчание, насколько помню. Поэтому и не воспользовались рацией.
            0
            Нет, пишут, что связь поддерживалась, но не помогло. Есть информация, что пилот якобы докладывал о неисправности радиокомпаса, но официальная версия — не поняли, что пролетели аэродром.
              0
              Значит просто в документалке журналисты драматизм нагоняли, спасибо за ответ.
            +1
            Для дальних расстояний в системах OMEGA, LORAN, “Чайка” и РСДН использовался другой принцип. Допустим, есть три радиопередатчика на большом расстоянии друг от друга, синхронно испускающие сигнал.
            Про гиперболические системы написано в корне неверно, они не могут излучать сигнал синхронно (как это делают спутники GPS) — для этого как минимум нужны атомные стандарты частоты и их регулярная синхронизация, что было невозможно в то время.

            В гиперболических сетях обязательно есть одна мастер-станция. Вторичные станции работают как репитеры — принимают сигнал от master и переизлучают на своей (кратной) частоте (естественно с учетом длины антенных кабелей и внутренних задержек в маяке).

            Ровер получает сигнал от мастер-станции и от репитера. Вот эта разница и даёт гиперболу, да ещё не одну, а сотни и тысячи — подсчитывать пересекаемые lanes была та ещё задачка, т.е. проблема «разрешения неоднозначностей» и «cycle slips» возникли задооолго до GPS…

            Помните гиперболическую навигацию? GPS и аналоги реализуют тот же самый принцип. Все спутники транслируют точное время и параметры своей орбиты. Из-за того, что скорость света конечна, метки времени приходят к пользователю не одновременно. У пользователя нет синхронизированных со спутниками атомных часов, поэтому он знает только разницу между показаниями, но этого достаточно. Сигнал от трех спутников позволяет построить в пространстве два гиперболоида, пересечение которых даст гиперболу, которая коснется поверхности земного шара в двух точках, одна будет правильным местоположением, а вторая — настолько неверным, что ее будет легко отбросить
            Этот параграф можно исключить целиком — ничего общего с реальностью (pseudo-range navigation) он не имеет. Нет никаких гиперболоидов, а есть сферы. В этом-то и вся прелесть GPS, не нужны нам никакие разности для штатной навигации.

            Статья очень низкого технического уровня и подходит исключительно как историческая справка. Студентам технических специальностей запрещена к прочтению.
              +1
              Извиняюсь за несколько резкий тон, пока пытался переформулировать мысли помягче — время редактирования истекло. Но основной мой посыл остаётся прежним — в обзорных статьях не следует углубляться в технические детали, если нет уверенности в их корректности. Всё же мы на техническом ресурсе и такие небрежности, естественно, вызывают критику.
              0
              По той информации, которую я нашел, от мастер-сигнала в 60-х перешли на атомные часы.

              По второму пункту
              Differencing two pseudorange measurements cancels out the receiver clock error. In two dimensions the user is located along two hyperbolas with the reference stations in their foci. In three dimensions the user is located on a hyperboloid of two sheets with the reference stations (e.g. satellites) in their foci.

              www.fsd.lrg.tum.de/research/sensors-data-fusion-and-navigation/research-and-competence-areas/geodesy
                +1
                Да вот вам сразу учебник на русском языке. В оглавлении все методы решения обычной навигационной задачи перечислены. Кажется они даже в каком-то ГОСТ были.
                +1
                не нужны нам никакие разности для штатной навигации.

                Почему же? Считаем и по первым разностям и по вторым и даже по третьим. Это вопрос о том, как удобней измерения в матрицу завести. В первых разностях у нас уходит погрешность часов приёмника и задержка в радиотракте. Но действительно, можно навигационную задачу и напрямую считать.

                А технически да, многое неточно. Прежде всего, эпоха кода GPS — 300км (ГЛОНАСС — 600 км). То есть у нас от каждого спутника не одна сфера, а набор сфер через каждые 300 км. И только узнав приблизительные координаты, мы дополняем частичную (измеренную) псевдодальность до полной.
                +1
                после осложнения политической ситуации в 2014 году

                Это в Украине произошло осложнение политической ситуации, в России произошло нечно иное
                Ресурс конечно не политический, но раз вы делаете выводы о причинах возникновения трудностей с комплектующими, так почему указываете не причину, а последствия?

                Раз ресурс технический, то: либо указываем без причины: «ввиду того что c 2014 года стали недоступны импортные компоненты», либо в «из-за осложенния политической ситуации» пишете первопричину.
                Хотя лучше пусть делают политики и диванные эксперты, а вас же это попытка усидеть на двух стульях.
                  0
                  Примененные технические решения оказались удачными, и сегодня самые старые из работающих спутники были запущены в 2007 году и превзошли гарантийный срок работы в два раза.

                  «Примененные технические решения» — это использование импортных комплектующих. Их в Глонассе-М было около 70-80%. Потому и не стоит вопрос продолжения производства Глонасс-М раз уж с Глонасс-К не получилось. А ведь запасы заканчиваются и что там будет с Глонасс-К2 — это еще бабушка надвое сказала, качество отечественной микроэлектроники, скажем так, весьма плавающее. Есть весьма реальная перспектива вернуться в эпоху когда советские спутники работали 2-3 года а нередко и одного года не вырабатывали.

                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                  Самое читаемое