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Ära, in der es schwer ist, sich zu verlaufen

Wie hat sich die Welt verändert? Erinnern Sie sich an Antoine de Saint-Exuperys wunderbaren Roman "Nachtflug" in seiner Lyrik? In der Geschichte ging das Postflugzeug aufgrund des Zyklons im Weltraum verloren, und im Finale ist nicht klar, ob es abgestürzt ist oder eine Notlandung geschafft hat und wo es passiert ist. Jetzt wächst eine Generation heran, die sich über die Möglichkeit des Verlusts wundern wird, weil die Navigatoren sie ihr ganzes Leben lang umgeben haben. Und die Situation „irgendwo ist jemand in Schwierigkeiten und niemand weiß davon“ verschwindet allmählich auch. Ein Flugzeugabsturz wird sehr schnell über viele Kanäle aufgezeichnet. Ein umsichtiger Tourist bringt ein Gerät in der Größe eines Smartphones mit und kann bei Problemen um Hilfe rufen. Und in Autos werden Systeme eingeführt, die in der Lage sind, einen Unfall automatisch zu erkennen und Retter selbst zu rufen.auch wenn Fahrer und Beifahrer dies nicht können.


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Weniger als zehn Jahre nach den Ereignissen des „Nachtfluges“ tauchten in Flugzeugen immer mehr Funkkompasse auf - eine Antenne in Form eines Rings ermöglichte es, die Richtung zur Funksignalquelle herauszufinden - einer speziellen Station oder sogar einer gewöhnlichen Rundfunkstation.


Lockheed Electra, die Funkkompassantenne in Form eines Rings, ist von oben deutlich sichtbar, Foto Christian Bramkapmp / aitliners.net Ein

Ausfall der Ausrüstung oder eine unzureichende Qualifikation für die Arbeit mit der Ausrüstung könnte zu so dramatischen Faktoren werden wie in „Night Flight“, dem Verschwinden der berühmten Pilotin Amelia Earhart - on Howland Island, das Zwischenziel eines Fluges um die Welt, hörte ihr Flugzeug und erhielt Funknachrichten über Versuche, das Atoll und den Treibstoff zu finden. Die Überreste von Amelia Earhart, Navigator Frederick Noonan und dem Flugzeug wurden bisher nicht gefunden.

Die Antenne in Form eines Rings hatte ebenfalls eine unangenehme Eigenschaft - sie zeigte die Richtung zur Signalquelle an, konnte aber nicht sagen, ob sich das Flugzeug ihr näherte oder sich umgekehrt entfernte. Aus diesem Grund starb während des Zweiten Weltkriegs die gesamte Besatzung des B-24-Bombers „Lady Be Good“ - sie flogen ein Leuchtfeuer und zogen sich in die Wüste zurück. Als das Flugzeug keinen Treibstoff mehr hatte, sprangen sie mit einem Fallschirm und versuchten, die Basis zu erreichen, ohne zu wissen, dass es siebenhundert Kilometer waren. Ironischerweise plante und landete das Flugzeug relativ sanft im Sand. Fünfzehn Jahre später wurde er in der Wüste gefunden. Der Radiosender, über den man um Hilfe rufen konnte, blieb intakt.


B-24 Bomber, Antennenring in einer schwarzen tropfenförmigen Motorhaube oben

Im Allgemeinen erwies sich der Funkkompass jedoch als sehr nützliches Gerät - Sie konnten entlang der Luftkorridore zwischen den Leuchtfeuern fliegen, und wenn sich mehrere Leuchtfeuer in der Hörzone befanden, konnten Sie Ihre Position mit guter Genauigkeit bestimmen - der Schnittpunkt der Peilungen (Richtungen zum Leuchtfeuer) anhand der auf der Karte angegebenen Sender der Punkt, an dem sich das Flugzeug befindet. Trotz aller Errungenschaften der Satellitennavigation werden Beacons immer noch in der Flugzeugnavigation eingesetzt.


Funknavigationskarte der Gegend um St. Petersburg, Dorf Ivanovo.rf

Feste Korridore über stationären Leuchtfeuern eignen sich hervorragend für die Zivilluftfahrt, aber das Militär muss auf feindlichem Gebiet agieren, wo der Feind nicht mit Funkfeuern hilft, und das Ziel für Bomber kann sich jeden Tag ändern. Bereits zu Beginn des Zweiten Weltkriegs verwendeten die Deutschen immer ausgefeiltere Funknavigationssysteme, um ihre Bomber nach London zu lenken.


Knickebein-System, Bomber fliegen in einem Strahl und werfen Bomben ab, wenn sie den zweiten überqueren, Illustration von Dahnielson / wikimedia.org

Die Briten reagierten mit Funkstörungen und störten mit ihren Signalen den normalen Betrieb der Systeme. Eine andere Ironie ist, dass Reginald Victor Jones, der diesen Kampf führte, die Kundgebungen verehrte und wahrscheinlich die Tatsache genoss, dass er die Ressourcen eines ganzen Landes erhalten hatte, um die deutschen Piloten zu täuschen. Infolgedessen wurde die Luftwaffe so sehr von der elektronischen Kriegsführung angetrieben, dass sie jegliches Vertrauen in Funkleitsysteme für Bomber verlor.

Nach dem Krieg in der Zivilluftfahrt für kurze Entfernungen wurde das VOR / DME-System zum Standard, mit dem Sie sowohl die Entfernung als auch die Richtung zum Leuchtfeuer bestimmen können. Militärische Systeme arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip - dem westlichen TACAN und dem sowjetisch-russischen RSBN. Ein Flugzeugsender sendet eine Anfrage, die von einer Bodenstation weitergeleitet wird. Die Reaktionsverzögerungszeit bestimmt die Entfernung zwischen dem Flugzeug und der Station. Um die Richtung des Leuchtfeuers zu bestimmen, werden andere Antennen verwendet: Eine dreht sich und ihr Signal läuft im Kreis um den Horizont. Die andere sendet ein omnidirektionales Signal zu einem Zeitpunkt aus, an dem die erste Antenne in Nordrichtung sendet. Anhand der Zeitdifferenz zwischen dem Empfang des ersten und des zweiten Signals in der Ebene können Sie bestimmen, auf welcher Seite es sich relativ zur Station befindet.


Antenne kombiniert VOR / DME und TACAN,Quelle

Für große Entfernungen verwendeten die Systeme OMEGA, LORAN, Seagull und RSDN ein anderes Prinzip. Angenommen, es gibt drei Funksender in großer Entfernung voneinander, die synchron ein Signal aussenden. Aufgrund der Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich ist, erreichen die Signale das Flugzeug nicht gleichzeitig. Sie kennen die Entfernung zu einer Station im Flugzeug nicht, aber sie kennen den Unterschied in der Zeit des Signalempfangs und daher den Unterschied in der Entfernung zu den Stationen. Wenn man den Unterschied in der Entfernung zwischen den beiden Stationen kennt, entsteht eine Übertreibung. An drei Stationen können Sie zwei Hyperbeln bauen, deren Schnittpunkt zwei mögliche Punkte ergibt, an denen sich das Flugzeug befinden kann. Wenn wir zum Beispiel wissen, dass es 480 km näher an Moskau als an St. Petersburg liegt, können wir sowohl im Dnjepr (ehemals Dnepropetrowsk) als auch in der Ufa sein. Und wenn wir 50 km weiter nach Moskau als nach Omsk sind, können wir in Ufa oder Perm sein.Die Kombination der Bedingungen ergibt Ufa, aus der ich diesen Text schreibe.


Illustration Cosmia Nebula / wikimedia.org

Dieses Prinzip wird als „hyperbolische Navigation“ bezeichnet und wurde erstmals im englischen Gee-System verwendet, um britische Bomber in deutsche Städte zu lenken. Die Hauptschwierigkeit ist die Synchronisation von bodengestützten Sendern, die über große Entfernungen entfernt sind. Mit dem Aufkommen von Atomuhren wurde das Problem jedoch in den 1960er Jahren allgemein gelöst. Um den Betrieb über große Entfernungen zu gewährleisten, wurden lange Wellen verwendet, sodass die Antennensysteme sehr hoch waren.


Antenne des OMEGA-Systems in Japan, einst das höchste Gebäude des Landes, Foto des japanischen Ministeriums für Land, Infrastruktur, Verkehr und Tourismus / wikimedia.org

Der Beginn des Weltraumzeitalters weckte das Interesse an der Satellitennavigation. Die Mitarbeiter des Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University, William Guyr und George Weifenbach, die Signale vom ersten Satelliten erhielten, stellten fest, dass sie seine Umlaufbahn durch Messung der Doppler-Verschiebung ihres Signals berechnen konnten. Der Doppler-Effekt - eine Änderung der Frequenz eines Signals von einer sich bewegenden Quelle - nahm zu, wenn sich der Satellit dem Labor näherte, nahm zu, wenn er sich entfernte - er nahm ab.



Bei Kenntnis der Umlaufbahn des Satelliten war es möglich, das inverse Problem zu lösen - seine Position durch die Doppler-Verschiebung des Satellitensignals zu bestimmen. So wurde das Transit-Navigationssystem geboren. Der erste Satellit wurde 1959 (erfolglos) in die Umlaufbahn gebracht, der zweite im April 1960 gestartet und im selben Jahr wurden die ersten Tests erfolgreich durchgeführt. Das System wurde 1964 in Betrieb genommen.


Der Satellit Transit 5-A im United States National Aeronautics and Astronautics Museum

Fünf Satelliten in fünf Ebenen in polaren Umlaufbahnen mit einer Höhe von 1.100 km gaben eine globale Abdeckung. Normalerweise gab es im Weltraum zehn Satelliten, einen Ersatz für jedes Flugzeug. Die Aufgabe, die eigene Position zu bestimmen, war nicht trivial, erforderte eine große Anzahl mathematischer Berechnungen und für eine größere Genauigkeit die Unbeweglichkeit des Trägers. Zum Beispiel war es für amerikanische U-Boote notwendig, einen speziellen Computer AN / UYK-1 zu entwickeln, der versiegelt und in einem solchen Formfaktor hergestellt wurde, dass er in die Luke gezogen werden konnte.


Computerwerbung vom Hersteller

Da sich die Umlaufbahn des Satelliten im Laufe der Zeit geändert hat, übertrug er nicht nur die aktuelle Uhrzeit, sondern auch Elemente seiner Umlaufbahn, die zweimal täglich von Kommunikationsstationen heruntergeladen wurden. Die Bodenstationen in der Nähe der Pole, die ihre Position kannten, maßen ständig die Umlaufbahnen der Satelliten und sendeten ihnen die Parameter der Umlaufbahnen, die dann verwendet wurden, um das inverse Problem für Benutzer des Systems zu lösen.

Aber alle Schwierigkeiten zahlten sich mit den erworbenen Möglichkeiten aus - das U-Boot schob die Antenne nur zwei Minuten lang vor, fing Satellitensignale ab und konnte seinen Standort mit einer Genauigkeit von 100 Metern bestimmen. Bald wurde das Transit-System für den zivilen Einsatz zur Verfügung gestellt, und es half nicht nur vielen Seeleuten, sondern ermöglichte es auch, eher ungewöhnliche Probleme zu lösen, indem beispielsweise durch Mittelwertbildung vieler Messungen die Höhe des Mount Everest angepasst wurde.

In der UdSSR wurde das Zyklon-Navigations- und Kommunikationssystem mit der zivilen Version der Zikade geschaffen, die nach einem ähnlichen Prinzip arbeitet und aus 6 Satelliten besteht. Transit hörte 1996 auf zu arbeiten, der letzte Satellit des Cyclone-Systems ging 2010 in die Umlaufbahn.

Natürlich waren Transit und seine Analoga nicht ohne Nachteile - nur fünf Satelliten bedeuteten, dass der Satellit im Äquatorbereich mehrere Stunden in mittleren Breiten warten musste Die Erwartung wurde auf 1-2 Stunden reduziert. Und die Genauigkeit von 100 Metern wollte sich schnell verbessern. Bereits 1973 begannen die USA mit dem Projekt eines neuen GPS-Navigationssystems, dessen erster Prototyp 1978 in die Umlaufbahn ging. Das neue System verwendete eine Modifikation des Ansatzes, den Sie bereits kannten.

Erinnerst du dich an die hyperbolische Navigation? GPS und Analoga implementieren das gleiche Prinzip. Alle Satelliten senden die genaue Zeit und die Parameter ihrer Umlaufbahn. Aufgrund der Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich ist, kommen Zeitstempel nicht gleichzeitig zum Benutzer. Der Benutzer hat keine Atomuhr, die mit den Satelliten synchronisiert ist, so dass er nur den Unterschied zwischen den Messwerten kennt, aber dies ist ausreichend. Das Signal von drei Satelliten ermöglicht es Ihnen, zwei Hyperboloide im Weltraum zu bauen, deren Schnittpunkt eine Übertreibung ergibt, die die Oberfläche des Globus an zwei Punkten berührt. Einer ist der richtige Ort und der zweite ist so falsch, dass er leicht fallen gelassen werden kann.


Illustration der Technischen Universität München

Wenn Sie einen vierten Satelliten hinzufügen, schneiden sich die drei Hyperboloide an einem Punkt und bestimmen auch die Höhe über der Oberfläche. Und jeder zusätzliche Satellit liefert neue Hyperboloide, die die Genauigkeit erhöhen. 24 Satelliten in drei Ebenen bieten Systemverfügbarkeit rund um die Uhr.

Andere moderne Navigationssysteme arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip: Russian GLONASS, European Galileo. Das chinesische Beidou hat das gleiche Prinzip, aber die Satelliten befinden sich in Umlaufbahnen unterschiedlicher Höhe. Und die dramatischste Geschichte ist ohne Zweifel das russische GLONASS.

Die Entwicklung des Systems wurde 1976 begonnen, und das erste Gerät ging 1982 in die Umlaufbahn. Zunächst wurden kleine Serien gestartet - 10, 9, 12 Satelliten, und seit 1988 begann der vollständige Einsatz der Gruppe in einer großen Serie, in der 56 Satelliten produziert wurden.


"Cosmonautics News", 1999, Nr. 2

In den frühen 90er Jahren erlaubten 12 funktionierende Satelliten bereits eine eingeschränkte Nutzung des Systems, und die vollständige Bereitstellung wurde 1995 abgeschlossen. Leider begann sich die Gruppe inmitten wirtschaftlicher Probleme zu verschlechtern. Die relativ kurze Lebensdauer der Geräte und die seltenen Starts - nach 1995 gab es 1998 und 2000 einen Start mit drei Satelliten - führten dazu, dass es 2001 nur 6 betriebsbereite Geräte gab. Aber ab dem Beginn der Null begann eine Wiederbelebung der Gruppe. Im Jahr 2003 ging das erste Fahrzeug der zweiten Generation, der GLONASS-M, in die Umlaufbahn. Der wichtigste Unterschied war die längere Lebensdauer.


GLONASS-M, Foto von Bin im Garten / wikimedia.org

Die angewandten technischen Lösungen waren erfolgreich, und heute wurde der älteste der funktionierenden Satelliten im Jahr 2007 gestartet und hat die Garantiezeit um die Hälfte überschritten. Aber heute steht die Konstellation vor einer neuen Herausforderung. Ursprünglich war geplant, die zweite Generation durch die dritte Generation „GLONASS-K“ zu ersetzen, die auf eine drucklose Plattform umstellt, die eine noch längere Lebensdauer verspricht. Die Satelliten verwendeten jedoch importierte Komponenten, die nach der Komplikation der politischen Situation im Jahr 2014 unzugänglich wurden. Am Ende wurde beschlossen, auf einen modifizierten Typ, „GLONASS-K2“, mit Haushaltskomponenten umzusteigen. Jetzt befindet sich die Konstellation in einer dramatischen Phase, in der die Satelliten der zweiten Generation, die nicht in Betrieb sind, durch die bereits hergestellten und gelagerten ersetzt werden müssen, und parallel dazu wird die Produktion einer neuen Modifikation gestartet.


GLONASS-K2, Bild UdSSR BOY / wikimedia.org

Bisher läuft es gut - die GLONASS-M-Reserve ist fast vorbei - das vorletzte Gerät wird im März in die Umlaufbahn gehen, von denen das letzte höchstwahrscheinlich in diesem Jahr sein wird. "GLONASS-K" hat 9 auf Lager, von denen eine im Mai fliegen soll. Und der erste „-K2“ kann bereits 2021 auf den Markt gebracht werden.

Für zivile Benutzer sind selbst die Worst-Case-Szenarien kein Problem - vier globale Navigationssysteme bedeuten, dass Navigatoren immer Satelliten sehen und ihre Position bestimmen können. Und nicht nur Navigationssysteme können in einer Vielzahl von Fällen helfen. In Europa ab 2018 und in der Russischen Föderation ab 2015 müssen Neuwagen ein System installieren, das einen Unfall erkennt und einen Anruf automatisch an die Rettungsdienste weiterleitet - eCall und ERA-GLONASS.

Beide Systeme sind kompatibel und arbeiten nach dem gleichen Prinzip: Die Sensoren im Auto erfassen die Tatsache eines Unfalls - das Auslösen von Airbags, die Verformung des Körpers usw., bestimmen mithilfe von Satellitennavigationssystemen den Unfallgrad und die Koordinaten des Vorfalls und senden über Mobilfunknetze eine Nachricht an die Rettungsdienste. Nach Angaben Ende 2019 waren in Russland mehr als 4,6 Millionen Fahrzeuge mit ERA-GLONASS ausgestattet, pro Jahr wurden rund 36.000 Anrufe registriert, davon 17.000 im Automatikmodus. Laut Experten spart das System 3-4.000 Menschen pro Jahr.

So sieht das von NPP ITELMA hergestellte ERA-GLONASS-Gerät aus:

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Mehr als 30% aller russischen Autos sind mit in ITELMA montierten Geräten ausgestattet. ERA-GLONASS-Systeme durchlaufen im Unternehmen einen vollständigen Zyklus: Wir erstellen Architekturen, entwickeln Software, erstellen einen Prototyp, testen ihn und integrieren das Modul nach erfolgreichen Tests in das Auto, bevor es das Werksförderband verlässt.

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Die Direktion Telematik ist für die Entwicklung von ERA-GLONASS-Notfallreaktionssystemen und IoT-basierten Projekten im Unternehmen verantwortlich. Sie bietet verschiedene Stellen für Programmierer und Entwickler an .


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Über ITELMA
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