Из Шереметьево домой: как работают навигационные системы
Привет, соседи! Почему соседи? Потому что мы все время от времени оказываемся очень недалеко друг от друга.
Уже для всех привычная ситуация: едешь спокойно на работу на своем любимом авто, а потом раз — и оказываешься в Шереметьево… Чудо? Однозначно! И нет, это не телепорт, а спуфинг — подмена сигнала спутниковой навигационной системы. Если ехать по привычному маршруту, то эту неприятность можно пережить. А что делать при управлении самолета или беспилотника?
Мы знаем ответ — использовать комплексные навигационные системы.
💡 Комплексная навигационная система — это совокупность нескольких навигационных систем. Чаще всего используется комплекс из инерциальной навигационной системы (ИНС) и глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС).
💡 Принцип работы ИНС строится на законах инерции. В простейшей системе, чтобы определить местоположение и скорость пользователя, нужно строить ИНС с 3 гироскопами и 3 акселерометрами, которые располагаются по 3 осям: продольной, поперечной и нормальной (как на рисунке 1), чтобы точнее определять ориентацию объекта в пространстве.
Рисунок 1 — Расположение ИНС на самолете
💡 Принцип действия ГНСС основан на определении пространственных координат потребителя в любой точке на поверхности Земли. Для корректной работы нужно иметь созвездие как минимум из 4 «видимых» спутников: по одному для определения координат X, Y, Z — и четвертый для синхронизации времени приемника и спутников. ГНСС-приемники обрабатывают сигналы от большего числа спутников. Это нужно, чтобы повысить точность определения координат, например, осреднением полученных значений, и уменьшить погрешность.
Рисунок 2 — Созвездие спутников
Рисунок 3 — Схема управления спутником
Почему же в самом начале мы упомянули комплексные навигационные системы? Все дело в том, что все работает не так идеально.
❌ ИНС точна на коротком временном промежутке, автономна, работает везде: в небе, под водой, под землей — но ошибки со временем накапливаются.
❌ ГНСС сверхточна, но серьезно зависит от внешних сигналов. Эти сигналы искажаются по разным причинам: заглушили сигнал — информация о местоположении не поступает.
Именно поэтому используют комплексные системы, где ИНС «держат» направление, а ГНСС работают корректором для компенсации нарастающей ошибки.
❗ Резервирование в авиации — это не просто “запасной вариант”, а фундамент безопасности систем. Цель — обеспечить непрерывную работоспособность даже при отказах, сбоях или атаках.
Резервировать данные можно с помощью разных архитектур:
Представим, что у вас три ИНС, каждая ведет независимые расчеты положения и скорости. Если один канал начинает «врать», например, из-за дрейфа гироскопа, его данные отклонятся от других двух. Система автоматически отключает его из «голосования».
🔹 Airbus A350 использует интегрированную модульную авионику с дискретным резервированием: три независимых блока воздушной и инерциальной информации + резервный модуль ориентации и воздушных параметров (SAARU). Все каналы — с разным ПО и аппаратной реализацией (на случай общей уязвимости).
🔹 У Boeing 787 встроена четырехканальная навигационная архитектура, и даже кабельная разводка выполнена в разных секциях фюзеляжа (на случай повреждений или пожара).
Когда с навигацией все пошло не так
Пожалуй, самый яркий пример катастрофы, которая произошла в том числе из-за отказа навигации — трагедия рейса Korean Air 007. В этом происшествии переплелось все: вопросы навигации, человеческая ошибка и даже геополитика.
1 сентября 1983 года Boeing 747-230B, летевший по маршруту Нью-Йорк — Сеул, сделал плановую дозаправку в Анкоридже, после чего продолжил полет на Сеул. После взлета с Аляски рейс сбился с курса больше чем на 500 км. Вместо прямого маршрута вдоль международной границы, он начал медленно отклоняться и в итоге вошел в воздушное пространство СССР — над Камчаткой, а затем Сахалином.
Советские ПВО приняли самолет за потенциальную американскую разведку — а это разгар Холодной войны, так что предположение было предсказуемым. К тому же в районе действительно действовал RC-135 – американский разведывательный самолет. Советские истребители Су15, и МиГ23 были подняты по тревоге. В итоге в 3:26 по сахалинскому времени по самолету была выпущена ракета, и лайнер упал в Охотское море у побережья Сахалина.
Какие были основные причины катастрофы:
- Ошибка навигации: автопилот не был переведен в режим NAV, и самолет летел по начальному курсу без коррекции.
- Человеческий фактор: экипаж не отследил отклонение маршрута и не заметил уход с трассы.
- Не было связи с диспетчерами по пути: японские и американские радары заметили сбой, но не успели отреагировать.
- Геополитика: ВС СССР из-за маневров лайнера и маршрута над военными объектами стали подозревать борт в шпионаже.
Последствия были разные. В том числе технические — самые интересные для нас.
✔️ США открыли доступ к системе GPS для гражданских лиц, чтобы такие навигационные ошибки больше не повторялись.
✔️ Усилили международное регулирование гражданской навигации, особенно над чувствительными зонами.
Современные навигационные системы крайне важны для безопасности всего авиационного трафика. Использование схем построения интегрированной модульной авионики эффективно и экономично. Но для этого нужно тщательно анализировать предусмотренные и непредусмотренные функции, выполнять все требования нормативных документов по разработке систем, аппаратуры, ПО и по их оценке безопасности.
В нашем опыте при выполнении работ по оценке безопасности навигационных систем нам удалось применить новейшие модельно-ориентированные подходы для определения всех математически возможных состояний системы и учета их вероятностей при проектировании гражданского беспилотного судна. Главный конструктор компании-заказчика это не просто отметил, но и выразил благодарность за внедрение современных методов.