Заставить вертолет думать

Представьте себе ощущения, которые испытывает пилот вертолета, когда над Баренцевым морем вдруг глохнут сигналы спутников. Ученые давно бились над вопросом, как заставить машину «понимать», где она находится, без внешних подсказок. Ответ нашли в Институте цифрового неба МФТИ. Как это удалось, о ходе испытаний и почему офшорная авиация — это не только про нефть, а про высший пилотаж инженерной мысли, рассказал руководитель разработки, заведующий лабораторией лазерных навигационных систем, профессор, доктор физико-математических наук Алексей Фомичев.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Алексей Алексеевич, как возникла задача создать навигацию для вертолета, летающего над морем без спутниковой навигации?

— С проблемой спутниковой навигации на севере мы столкнулись на практике еще в начале 2000-х, во время полетов по маршруту Москва—Анадырь. Спутники GPS «заточены» под широты до 50 градусов, выше их сигнал становился ненадежным, мог пропадать на несколько часов. ГЛОНАСС с его орбитами, наклоненными к полюсам под большим углом, помог, но и он не был панацеей — сигнал тоже не был стабильным. Стало понятно, что нужна полностью автономная система, которая будет работать в любой точке планеты.

Наша экспертиза — в решении сложных навигационных задач для авиации, в первую очередь для самолетов, летающих высоко и быстро. Первые наши навигационные системы мы делали для самолетов «Аэрофлота» Ил-76. С вертолетами, которые летают низко, раньше было проще: они обходились маяками и радионавигацией. Но их задачи усложнились, когда появилась необходимость возить экипажи на удаленные шельфовые платформы — в Карском море, на арктические месторождения — на расстояния в сотни километров над водой и льдом. Чтобы сесть на площадку 5х5 м, потребовалась принципиально иная точность. Вот тогда разработчики нового вертолета и обратились к нам.

Разработчики вертолета Ми-171А3 из АО «Национальный центр вертолетостроения им. М. Л. Миля и Н. И. Камова» (в составе холдинга «Вертолеты России») нашли нас на МАКСе. Говорят: «Ребята, мы делаем первый цифровой офшорный вертолет, для него нужна ваша система». А дальше классика: «Замах большой, денег мало». В итоге договорились так: они заказывают две системы, на одной мы проводим испытания. Но был и сюрприз: «Нам необходимо учесть минус 50 за бортом, поскольку это север». Дело в том, что вся гражданская авиация, с которой мы работали ранее, сертифицируется на работу при минус 20 градусах. При этом российская элементная база в лучшем случае рассчитана на минус 40. Пришлось срочно проводить экстремальные испытания — и, к счастью, техника, сделанная нашими партнерами из Санкт-Петербурга (фирмой АО «Гранит-ВТ»), выдержала температуру до минус 57 градусов. Это техника двойного назначения, она изначально создается с большим запасом.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Если бы вам нужно было объяснить принцип работы вашей навигационной системы неспециалисту за две минуты, с чего бы вы начали?

— Все держится на двух фундаментальных константах. Первая — закон сохранения момента количества движения. Это обычный волчок-гироскоп: раскрутили — и он сохраняет положение в пространстве. Вторая — постоянство скорости света. В нашем лазерном гироскопе луч света бегает по замкнутому контуру. Если систему повернуть, лучу в одном направлении приходится догонять «финиш», а в другом — бежать навстречу. Разница в частотах — это и есть мера нашего поворота. Считаем эти «шаги» света — и знаем, как и куда повернулся вертолет.

— Что имеют в виду, когда говорят о «кратном повышении точности», которого помогла добиться система? Как это ощущается на практике пилотом, летящим, допустим, над пустым морем в шторм?

— Любой гироскоп имеет дрейф — незаметное «сползание». Если дрейф составляет сотую градуса в час, то за час полета вертолет уйдет в сторону на две морские мили (почти 4 км). Со спутниковым корректором ошибку можно снизить до 50–100 м в час. Но если спутников нет, нужен дополнительно другой корректор. Мы использовали доплеровский измеритель составляющих скорости (ДИСС) — наш, отечественный. Он «стреляет» радиосигналом вниз, ловит отражение от поверхности и по сдвигу частоты вычисляет скорость. Интегрируя данные нашего гироскопа и ДИССа с помощью особого математического фильтра — расширенного фильтра Калмана, мы сначала корректируем сам ДИСС, повышая его точность, а потом уже от него корректируем навигационную задачу. Тем самым мы добились точности, сравнимой со спутниковой, но абсолютно автономно. Для пилота это значит: он ведет машину не «примерно в ту сторону», а точно в заданную точку, даже в полном радиомолчании.

— Ми-171А3 — первый полностью цифровой вертолет. Как с ним работалось? Были ли преимущества помимо удобства интеграции?

— Для нашей команды это не первый опыт работы с цифровыми системами. В случае с вертолетом обмен данными также шел по стандартным авиационным протоколам цифрового информационного взаимодействия. Это устроено так: мы выдаем в бортовой комплекс около 20 параметров (координаты, скорости, ускорения по всем осям). Все на частоте 200 Гц. Главное преимущество «цифры» — гибкость, мы можем брать данные от любого датчика на борту: спутника, ДИССа, системы воздушных сигналов (СВС). И создавать единую, надежную картину.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Были ли в ходе испытаний неожиданные моменты, которые заставили вас пересмотреть изначальные предположения?

— Конечно! Вертолетчики — народ консервативный. Они привыкли летать, «подглядывая» на землю, и сильно доверяют своим старым приборам: механическому указателю курса, системе воздушных сигналов. Когда мы предложили им полностью перейти на нашу цифровую навигацию, некоторые отнеслись скептически. Но мы показали им все возможности навигационной системы, и когда пилоты увидели, как работает связка нашего гироскопа с ДИССом — вертолет буквально «втыкался» в заданную точку,— то сомнения отпали. Чтобы добиться этого, нам пришлось серьезно доработать математический аппарат — так называемый расширенный фильтр Калмана, который «сшивает» данные от всех датчиков. Специально под интеграцию с ДИССом мы его полностью переделали.

— На фоне каких мировых тенденций или решений вы создавали свою систему и в чем ее принципиальная новизна и преимущества?

— В мире лазерными гироскопами такого уровня занимаются, по сути, всего три страны: США, Франция и Россия. Мы используем гироскоп на эффекте Зеемана — с круговой поляризацией света, управляемой магнитным полем. Западные аналоги часто построены на линейной поляризации, и, чтобы избежать «залипания», приходится постоянно трясти резонатор лазерного гироскопа. А любая тряска — это нагрузка на систему стабилизации (подвес). Чем больше перегрузок при маневрах, тем сильнее растет ошибка. Это накладывает ограничения. Наш принцип более устойчив к экстремальным условиям, особенно в высоких широтах с их магнитными аномалиями. Но главный секрет — не только в «железе», а еще и в математике. Тот самый обобщенный расширенный фильтр, способный работать с разными корректорами (доплер, спутник, длинноволновая навигация) — это и есть ключевое ноу-хау, которое рождается на стыке фундаментальной науки, физтеха и прикладной инженерии.

— Расскажите о команде. Кто те люди, без которых этот успех был бы невозможен? Есть ли у вас «звезды» — молодые инженеры или ученые, чей вклад был критически важен?

— Наша лаборатория — это уникальное сочетание опыта и молодой энергии. Алгоритмику и математику фильтра Калмана создает Александр Меерович Тазьба с командой. Все комплексные испытания ведет Павел Ларионов. Взаимодействие с бортовыми системами заказчика курирует Александр Тарасенко. А общее руководство разработкой и интеграцией обеспечивают Тимур Назипович Вахитов и Андрей Борисович Колчев. Это наш костяк. И мы активно привлекаем студентов: сразу предлагаем им реальную зарплату, гибкий график, интересные командировки и участие в проектах, которые имеют значение для государства. Пользуясь случаем, еще раз приглашаю ребят: к нам можно приходить уже со второго-третьего курса. Всему научим.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Можно ли применять технологию в других областях: в беспилотниках, робототехнике, наземном транспорте? Расскажите о планах.

— Наш следующий шаг — это беспилотники. Связка компактного оптического гироскопа средней точности, ДИССа и нашего обобщенного фильтра Калмана — идеальное решение для дронов любого назначения: от мониторинга до доставки. Что касается авиации, мы планируем применять наш подход и на других типах вертолетов, как гражданских, так и тяжелых. Технология также подходит для легкой авиации, например, для самолетов типа Бе-200, которые летают на схожих с вертолетами высотах. Первичные договоренности с разработчиками уже есть. При этом технология перспективна и для наземного транспорта, и для робототехники — везде, где нужна точная автономная навигация в условиях радиопомех. Еще одно перспективное направление — работа с гигантом радиоэлектронной промышленности АО НПО «Обуховский завод» над проектом по интеграции длинноволновых корректоров. Это путь к навигации будущего, полностью независимой от спутников и помех.

— Что, по-вашему, происходит сейчас с инженерным образованием в РФ? Какие навыки особенно важны для студентов технических вузов?

— Инженерное образование — это особая специализация со своими вызовами. С одной стороны, страдает база: например, современных станков для прецизионного производства у нас практически нет. С другой — студентов перехватывает мода на искусственный интеллект, а это часто погоня за трендом в ущерб фундаменту.

Что касается будущего, я вижу его в синтезе, когда хороший физик идет в инженерию. Для этого нужна прочная база: отличное знание общей физики и высшей математики. Без них никуда. И, конечно, важно глубокое, «железное» программирование. В авиации, кстати, до сих пор широко используются «старые» языки вроде Паскаля — их ценят за предсказуемость и надежность. Модный Python для управления полетом не подойдет. Нужно понимать, как работает каждый цикл программы. И главное — желание не просто писать код, а решать реальные физические задачи, превращая фундаментальные знания в работающее «железо».

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Ваша лаборатория теперь часть нового Института цифрового неба. Что это дает?

— Институт нацелен на создание сквозных технологий — от устройства до сервиса. Для нас это новые возможности для кооперации, например, с лабораториями, которые занимаются техническим зрением для дронов. Совместно мы можем создавать комплексные решения. И, что важно, это выход на запрос рынка. Сейчас деньги часто выделяются под конкретные сервисы: беспилотник для почты, для доставки медикаментов. Фонды говорят: под сервисы мы готовы давать денег, а под разработку системы — нет. Наша задача — обеспечить такие сервисы лучшей в стране «нервной системой» — навигацией. Физтех дает нам связь с передовой наукой, а Институт цифрового неба — мост к практическому применению.

Наталья Анисимова