Когда GPS только разворачивался в 1980-х, мир уже не был беспомощен в открытом море и в воздухе. Несколько поколений радионавигационных систем — изобретательных, иногда громоздких, порой неожиданно элегантных — обеспечивали навигацию кораблям через Атлантику, бомбардировщикам через Рейх и авиалайнерам через полюс. Эти системы заслуживают отдельного разговора: они наглядно показывают, как физика волн превращается в координаты.
Радиопеленгование: первый шаг
Радиосигнал можно не только слышать — можно определить, откуда он пришёл. Направленная рамочная антенна даёт минимальный приём, когда её плоскость перпендикулярна направлению на источник. Поворачивая антенну и находя минимум («пеленг»), штурман определяет азимут на известный радиомаяк.
Один пеленг — линия положения. Два пеленга — пересечение, то есть место. Именно так работал RDF (Radio Direction Finding): на борту устанавливалась поворотная рамка, береговые маяки вещали на длинных волнах. Точность — 1–5°, что при расстоянии 200 км даёт ошибку 3–17 км. Достаточно для прибрежного плавания; недостаточно для трансокеанского. Но главное — RDF работал без всякой береговой инфраструктуры, кроме обычных радиостанций.
ADF (Automatic Direction Finder) — та же рамка, но с мотором и следящей схемой. Стрелка прибора автоматически указывает на выбранный маяк NDB (Non-Directional Beacon). ADF по-прежнему обязателен на большинстве гражданских воздушных судов: дёшев, прост, используется как резервное средство навигации по трассовым NDB и приводным радиомаякам.
CONSOL: дёшево и хитро
Немецкая система Sonne (переименованная союзниками в CONSOL) появилась в 1940-х и решала хитрую задачу: определить пеленг с помощью обычного AM-приёмника без пеленгатора.
Три антенны, расставленные в линию на расстояниях ~3λ, создают вращающуюся диаграмму излучения — чередующиеся полосы «точек» и «тире» в коде Морзе. Наблюдатель считает количество точек и тире до момента смены (нулевого перехода), затем смотрит таблицу — и находит свой пеленг. Точность: 0,5–2°. Система работала в диапазоне 200–400 кГц, накрывая всю Северную Атлантику. Технически это был первый «цифровой» (в смысле подсчёта импульсов) пеленгатор.
Гиперболические системы: LORAN и Decca
В RDF навигатор определяет направление на маяк. Гиперболические системы используют другой принцип: разность расстояний до двух станций. Геометрическое место точек, для которых разность расстояний до двух фиксированных точек постоянна — это гипербола. Пересечение двух гипербол (от двух пар станций) даёт позицию.
Разность расстояний измеряется через разность времён прихода (TDOA — Time Difference of Arrival) сигналов. Одна микросекунда TDOA соответствует 300 м разности расстояний.
Decca Navigator
Британская система Decca (1944) работала на средних частотах (70–130 кГц) методом фазового сравнения. Главная станция (master) и три ведомые (slave) вещали на кратных частотах, находящихся в рациональных соотношениях: 6f, 8f, 9f, 18f. Приёмник умножал частоты до общей и сравнивал фазы — разность фаз пропорциональна положению на гиперболе. Точность: 10–50 м в дневное время при расстоянии до 400 км. Ночью ионосфера сбивала точность до нескольких миль.
Decca широко применялась в рыболовном флоте Северного моря, Балтики, Японии: рыбаки могли точно вернуться к найденному косяку. Система работала до 2000 года, когда была закрыта в пользу GPS.
Узкое место Decca: неоднозначность фаз. Приёмник видит только дробную часть периода (фазу); каждый раз при включении или потере сигнала нужно было определять, на какой именно «полосе» (lane) находишься. Это требовало либо ручного ввода приблизительного местоположения, либо специального процесса «lane identification».
LORAN-C
LORAN (LOng RAnge Navigation) — американская разработка времён Второй мировой. LORAN-A (1942) давал точность ~1 морской мили; LORAN-C (введён в 1957 году, закрыт в США в 2010 году) стал значительно мощнее.
Рабочая частота LORAN-C — 100 кГц. На таких частотах земная волна распространяется на 2000–2500 км над морем; точность по земной волне — 100–300 м в дневное время. Атмосферные волны (ионосферное отражение) распространяются до 5000 км, но значительно менее точны.
Сигнал LORAN-C — специфические пакеты из 8 импульсов с точно заданной формой: приёмник определяет нулевой переход несущей внутри огибающей каждого импульса, что даёт точность измерения TDOA ~0,1 мкс. Несколько цепей (chains) покрывали разные регионы; каждая цепь состояла из главной и 2–5 ведомых станций.
Советским аналогом LORAN-C являлась система ЧАЙКА (частотная версия LORAN-C, совместима по принципу). Российский CHAIKA работал до 2010 года.
Интерес к LORAN возродился после 2010 года как к резервной системе на случай отказа GPS или глушения. Европейский проект eLORAN предполагает модернизацию цепей с добавлением поправок UTC и дифференциальных поправок, что дало бы точность 8–20 м — вполне достаточно для морской навигации при отказе GNSS.
Omega
Omega (1968–1997) — единственная система с поистине глобальным покрытием до эпохи GNSS. Восемь передатчиков мощностью 10 кВт каждый, расположенных равномерно по планете (США, Норвегия, Либерия, Реюньон, Аргентина, Тринидад, Австралия, Япония), вещали на сверхдлинных волнах: 10,2; 11,05; 11,33 и 13,6 кГц. СДВ-волны огибают Землю, отражаясь между ионосферой и поверхностью как в волноводе.
Принцип — фазовое сравнение. Длина волны 10,2 кГц — ~29 км; каждые 29 км фаза повторяется, неоднозначность устраняется по другим частотам. Точность: 2–4 морские мили — грубо по меркам LORAN, но Omega работала в Южном полушарии, под водой (на перископной глубине) и в Арктике. Подводные лодки ВМФ США использовали Omega для навигации вблизи поверхности.
VOR: воздушная навигация
Наземная аэронавигация требовала точных направленных маяков для полётов по трассам. VOR (VHF Omnidirectional Range) — стандарт ИКАО с 1949 года, работающий по сей день.
VOR-маяк вещает на частоте 108–118 МГц два сигнала:
- Опорный сигнал — всенаправленный, несёт 30-Гц тон (AM-модуляция)
- Переменный сигнал — вращающаяся диаграмма, создающая 30-Гц тон с фазой, зависящей от направления (FM-модуляция)
Разность фаз между опорным и переменным сигналами равна магнитному пеленгу (QDR) от маяка к воздушному судну. Прибор в кабине — CDI (Course Deviation Indicator) — показывает отклонение от выбранного пеленга.
VOR обеспечивает точность ±2° при работе в зоне прямой видимости (до ~250 км). Для определения позиции нужны два VOR — или один VOR плюс DME.
DME (Distance Measuring Equipment) — маяк на частотах 960–1215 МГц, работающий по принципу запрос-ответ. Бортовой блок посылает запрос; наземный транспондер отвечает с задержкой 50 мкс; приёмник вычисляет время задержки туда-обратно и делит пополам. Точность: ±0,1–0,3 морской мили. VOR/DME вместе дают пеленг и дальность — полную позицию в полярных координатах.
TACAN (Tactical Air Navigation) — военный аналог VOR/DME с более высокой точностью дальномерного канала (~0,1 мили) и улучшенной устойчивостью к помехам. Гражданские самолёты используют DME от TACAN-маяков.
VORTAC — совмещённый маяк VOR + TACAN; наиболее распространённый тип в США, где VOR и TACAN образуют единую сеть.
ILS: слепая посадка
Посадка в условиях низкой видимости потребовала принципиально другой системы. ILS (Instrument Landing System) — стандарт ИКАО с 1947 года — обеспечивает точное наведение как по курсу, так и по глиссаде.
Курсовой маяк (Localizer, LOC)
Антенна в створе ВПП создаёт два перекрывающихся лепестка диаграммы: левый промодулирован тоном 90 Гц, правый — 150 Гц. На оси посадочного курса глубины модуляции (DDM) равны. Бортовой приёмник измеряет DDM и отклоняет стрелку курсовой планки пропорционально отклонению от осевой линии. Точность: ±0,5–1° по курсу, что на пороге ВПП соответствует ±7–14 м.
Глиссадный маяк (Glide Slope, GS)
Аналогично, но для вертикального наведения. Антенна создаёт лепестки 90/150 Гц выше и ниже номинальной глиссады (обычно 3°). Точность: ±0,1–0,2° по вертикали — меньше 1 м у порога.
Маркерные маяки
Три 75 МГц маяка (внешний, средний и внутренний маркеры) дают экипажу звуковые и световые сигналы на контрольных дальностях.
Категории ILS:
- CAT I: минимум видимости 800 м, высота принятия решения 60 м
- CAT II: 400 м, 30 м
- CAT IIIa: 200 м, 15 м (или менее)
- CAT IIIb/IIIс: практически нулевая видимость — полностью автоматическая посадка
Для CAT III требуются специально сертифицированный автопилот, ВПП с повышенной точностью маяков и разветвлённая наземная инфраструктура мониторинга.
MLS и GLS
MLS (Microwave Landing System) — разработка 1970–80-х годов на 5,03–5,09 ГГц. Вместо двух перекрывающихся лепестков — сканирующий луч, время прихода которого в кабину определяет угол. MLS позволял криволинейные заходы, большие зоны покрытия и работал в сложном рельефе. Стандарт ИКАО принят в 1985 году, но массового внедрения не последовало: GPS уже был на горизонте.
GLS (GNSS Landing System) — современная альтернатива на базе GBAS (наземной системы дополнения GPS). Аэродромная станция GBAS передаёт дифференциальные поправки на VHF (108–118 МГц); бортовой приёмник получает точность ~1 м. GLS CAT I уже сертифицирован на многих аэропортах; работы по CAT II/III продолжаются.
Радар и РСБН
РСБН (Радиотехническая Система Ближней Навигации) — советский и российский аналог VOR/DME: маяки-ответчики на 873–1000 МГц дают пеленг и дальность с точностью ~0,2° и 200–300 м соответственно. Применяется в российской и постсоветской авиации как основное средство местоположения на маршруте.
РЛПК (Радиолокационный прицельно-навигационный комплекс) военных самолётов использует доплеровский радар для измерения вектора скорости относительно земли. Вместе с ИНС — мощная связка для навигации без радиомаяков.
Конец эпохи радионавигации
К 2010-м годам GPS/GNSS вытеснил большинство наземных радионавигационных систем. LORAN-C в США закрыт в 2010 году. Omega закрыта в 1997 году. Decca Navigator остановлена в 2000 году. VOR-сети постепенно сокращаются: FAA объявило о снижении числа VOR в США с ~967 до «минимальной операционной сети» из ~500 маяков.
Но уроки этой эпохи не забыты. Когда речь заходит об уязвимости GPS к глушению и спуфингу, инженеры вновь обращаются к принципам LORAN — устойчивость к помехам длинноволновых систем несравнима с хрупкостью L-диапазона. Проект eLORAN в Европе и Великобритании — это именно попытка воссоздать устойчивую резервную систему навигации на принципах, родившихся в 1940-е.
Радионавигация не исчезла — она трансформировалась. VOR и ILS продолжают работать в аэропортах всего мира. AIS (Автоматическая идентификационная система) на VHF отслеживает суда. ДМРЛ (доплеровский метеорологический радар) ориентирует экипажи в грозовых районах. Радар обзора лётного поля — в аэропортах. Физика распространения радиоволн работает вне зависимости от состояния спутниковых группировок.