История из кабины

Весной 2024 года я — курсант летной школы по классу PPL (частный пилот) с несколькими десятками часов налёта, осознал то, чего старается избегать каждый лётчик: потеряться в пространстве без визуальных ориентиров, например оказался под плотной облачностью без привычного GPS‑сопровождения. Спутниковые сигналы в России с 2022г заблокированы по известным причинам. До этого момента я воспринимал навигатор в телефоне как «дополнительный инструмент». Но когда на панели вдруг погас зелёный индикатор спутников, по спине пробежал холодок: как отработать возврат в аэродромную зону в «белом» небе без визуальных ориентиров?

Известно, что инерциальные навигационные системы (ИНС) могут определять местоположение, ориентацию и скорость объекта без внешних источников. Внутри них наработки десятилетий — набор ускорителей и гироскопов, расположенных ортогонально, и вычислитель, который интегрирует измеренные ускорения и угловые скорости. ИНС — это, говоря простыми словами, «супер‑мертвый пеленг»: она интегрирует собственные ускорения и вращения, чтобы определить, куда и на сколько мы сместились. Достоинство такой системы — полная автономность, независимость от спутников и наземных радиомаяков. Именно это и нужно в эпоху блокировок сигналов, когда GPS может исчезнуть в самый неподходящий момент. К стати — не только в воздухе, но в любой среде — будь‑то тоща воды или космическое пространство.

Однако у классического «мертвого счёта» есть серьёзный недостаток: ошибки интегрирования накапливаются во времени. Даже самые точные акселерометры с погрешностью порядка 10 микрон могут дать ошибку в 100 метров всего за 5 минут полета, если её не корректировать. Таким образом за полетный час рискуем «улететь» на пару километров в сторону и потерять визуальные ориентиры при ВП. Поэтому в авиации инерциальные системы обычно работают в связке с внешними источниками (радиомаяками, GPS и т. п.), которые регулярно сбрасывают накопившийся дрейф. В моем проекте основная задача — обеспечить не менее часа автономной работы с минимальным дрейфом. Предполагается возможность корректировать корректировать свою позицию либо по сигналам VOR DME, либо по триангуляции на вышках СС, либо визуально (подтверждение пилотом прохождения крупных объектов‑маркеров).

Зачем это нужно частному пилоту

Коммерческие самолёты давно оснащаются инерциальными платформами, но для частных пилотов цена и габариты таких систем неприемлемы. Большинство лётчиков‑любителей летают с iPad, где навигация привязана к спутникам. В современных реалиях связь со спутниками может быть потеряна не только из‑за погоды, но и вследствие глушения или намеренного отключения навигационных каналов. Это заставило задуматься: можно ли сделать небольшой портативный прибор, который обеспечит необходимую автономность? Нишевость продукта очевидна, но она не уменьшает его полезность для «летающих романтиков» — таких, как я.

Что представляет собой инерциальная система

Классическая инерциальная навигационная система состоит из трёх взаимно перпендикулярных акселерометров и трёх гироскопов (шестёросевой ИНС) и, в некоторых случаях, магнитометра для привязки к Земному магнитному полю. Эти датчики образуют так называемый инерциальный измерительный блок (IMU). Вычислитель интегрирует показания ускорения и угловых скоростей, чтобы отслеживать изменение положения и ориентации относительно известного начального состояния. Современные ИНС могут быть полностью «ременными» (strap‑down) — датчики жёстко закреплены на корпусе, и для расчёта используются матрицы перехода из тела в навигационную систему координат. Такой подход проще и дешевле, поскольку не требует сложных гироплатформ.

По словам специалистов, для уменьшения дрейфа инерциальную систему комбинируют с внешними источниками данных и используют методы оптимальной оценки состояния, например фильтр Калмана. Этот фильтр «умел» соединять математическую модель движения с шумными измерениями, обеспечивая оптимальную оценку состояния и его лисперсии. Фильтр Калмана — это, грубо говоря, последовательная версия метода наименьших квадратов, способная работать в реальном времени, что идеально подходит для навигации. В условиях недоступности GPS наш прибор накапливает ошибку, но как только сигнал от внешних маяков либо от ручного подтверждения позиции появляется, фильтр позволяет плавно скорректировать траекторию.

Первая мысль — создать своё устройство

Итак, появилась идея: собрать компактную, автономную ИНС с экраном и собственным аккумулятором. В распоряжении были: опыт радиолюбителя, инженерное образование и огромное желание не потеряться. На первые рисунки в блокноте попали микроконтроллер от ST с ядром ARM, MEMS‑датчики, батарея большой ёмкости и дисплей. В этот момент я ещё не знал, во что ввяжусь. Самое удивительное — идея нашла поддежрку друзей‑авиаторов. Именно для них и для всех, кто неравнодушен к технологиям, я решил подробно описать свой путь создания и проектирования устройства.

И в этот момент система POISK начала свой путь.

Следующая часть будет посвящена теории инерциальной навигации — рассмотрим, как устроены ИНС, какие математические модели лежат в основе, и почему фильтр Калмана не просто фильтр.