Часть 1. Как всё началось — страх потеряться в небе и POISK решений

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.