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.

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, как в случае с рекордной связью Москва—Харьков (около 780 км), подтверждённой прессой 1927 года.

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. Основой стабилизации служил пьезоэлектрический кварцевый резонатор, соединённый с LC‑контуром, что обеспечивало стабильность не хуже ±0.001 %. Масса всего комплекса составляла около 14–15 кг, при выходной мощности передатчика в диапазоне 3–5 Вт, что позволяло вести связь на расстояния до 100–150 км. Приёмник РСИ‑4А отличался чувствительностью порядка 1 µВ на 1 кГц сноса, коэффициент усиления превышал 60 дБ. В 1939 годау 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. Система формировала амплитудно-модулированные зоны (90 и 150 Гц) по курсу и глиссаде, используя четыре передающих маяка — по два на курс и глиссаду. Этот метод, воплощённый в Lorenz beam, позволял пилоту сравнивать громкость сигналов и удерживать правильный курс с точностью ±0.3–0.5°. 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 (например, маршрут на Каир), использовались коротковолновые диапазоны (3–10 МГц), импульсная антенная система и направленные панели. Инженеры опирались на теоретические принципы усиления мощности, разработанные Харальдом Фрисом.

Японский авиаполёт самолёта Mitsubishi Ki‑15 «Kamikaze‑go» в 1937 году, от Токио до Лондона за 51 час, объединил радионавигацию и визуальное ориентирование. Уникальным стало использование UHF‑приёмника, способного обрабатывать сигналы на частоте около 3 МГц.

После катастрофы ТБ‑4 «Максим Горький» в 1935 году выяснилось, что радиосвязь велась на разных частотах и без единого протокола, что вызвало резонанс в эфире и потерю передачи. Последовал выпуск инструкций по форматам радиограмм, обязательным процедурам установки кварцевых генераторов и тестированию приёмопередатчиков в полевых условиях.

Таким образом, к концу 1939 года сформировался фундамент современной авиационной радиосвязи: обеспечиваался голосовой и телеграфный обмен, функционировала посадочная навигация, а отечественные радиостанции РСИ‑3/RSI‑4 конкурировали по характеристикам с западными аналогами. Всё это стало возможным благодаря развитию наследия Герца, Максвелла, Армстронга, Ленгмюра и многих других инженеров. Тем не менее окончательная международная стандартизация, включая частоты VHF 118–137 МГц и ICAO‑процедуры, была закреплена лишь в 1947 году после создания ICAO.

Продолжению быть.