Самолёт и Допплер
Пока приличных новостей ни в стране, ни в мире по-прежнему нет, продолжаю читать про самолёт.
Все уже знают, что гибель самолёта вроде как признана властями Малайзии официально, потому что, пусть ни одного обломка и не найдено пока, есть некие доказательства технического свойства, которые не дают шансов надеяться на то, что лайнер приземлился хоть куда-нибудь: след ведёт в открытый океан и там обрывается.
Мне было очень интересно, что же это за след такой, почему вдруг всем всё стало ясно, и почему все поисковые силы бросили в сторону Австралии.
Почитал, могу теперь вам объяснить.
Во-первых, почему раньше было два следа и полная неясность.
История такая.
На самолёте стоит дофига передатчиков которые что-нибудь куда-нибудь шлют, одним из таких приборов на пропавшем борту был передатчик системы ACARS.
ACARS, как подробно написано (по-английски) вот тут, это некий сервис, т.е. авиакомпании за эту услугу платят.
Используется система для передачи на землю инфы, касающейся оборудования, это важно производителям и компаниям, обеспечивающим поддержку техники.
Малайзийская авиакомпания подписалась только на мониторинг работы двигателей, текущая инфа об их состоянии могла отправляться с борта сразу в компанию Роллс-Ройс.
Могла - но после пресловутого исчезновения лайнера с радаров уже не отправлялась.
Потому что систему ACARS, как и пресловутый транспондер, отвечающий встречным радарам, кто-то выключил. Роллс-Ройс остался без свежих новостей о моторах этого Боинга.
Но, но! Это, понимаете ли, всё равно что выключить браузер на компьютере, но оставить включённым сам компьютер - информационный обмен с окружающим миром прекратится, но базовые технические системы, которые его обеспечивают - сетевая карта на компьютере, в частности - останутся на связи. Грубо говоря, компьютер можно будет "пинговать", зная его IP-адрес - слать ему короткие сообщения и видеть наличие/отсутствие отклика, хотя с его хозяином, конечно, початиться таким образом уже не выйдет.
Примерно та же история вышла с самолётом. Этот самый ACARS работает как сервис, устроенный на базе радиосистемы SATCOМ.
Эта система связывается с "созвездием" спутников, торчащих на геостационарных орбитах (это такие орбиты, на которых спутники "висят" над одной точкой Земли).
Спутники эти могут быть, строго говоря, разными.
SATCOM нашего лайнера был прилинкован к британской спутниковой сети INMARSAT.
Это серьёзная контора, наверняка вы о ней слышали, даже если не планировали покупать спутниковый телефон для звонков друзьям из джунглей Амазонии и т.д.
Так вот, спутники этой самой сети INMARSAT время от времени - собственно, раз в час - посылают всем включённым в неё девайсам некий короткий тестовый сигнал, похожий на те самые пинги в привычной нам компьютерной сети.
Это как бы просто такой сухой вопрос: "алё, вы на связи"? Девайс, поймав сигнал, говорит, "да, спасибо". Всё.
Причём - это делается именно на уровне радиообмена, т.е. через SATCOM - неважно, что отсылающая отчёты в Роллс-Ройс система была отключена. Приёмник физически был включён - и приёмник отвечал, это его безусловный рефлекс )
Он ответил на шесть пингов с того момента, как все остальные системы слежения потеряли самолёт вчистую.
Всего шесть сигналов, но каждый, понимаете, на вес золота. Каждый - это плюс час полёта, сотни километров на пути куда-то.
Потом у самолёта внезапно произошёл незапланированный радиообмен примерно такого же сорта, но загадочный очень - говорят о "частичном пинге" ("partial ping"), через 8 минут после последнего ежечасного. Что это было - версии пока разнятся, т.к. изучается этот странный сигнал, являющийся, как я понимаю, неполным фрагментом штатного пинга.
После этой странной весточки самолёт на запросы спутника больше не откликался.
Когда это стало известно, а также когда определили интервалы между сигналом и откликом на него - немедленно была построена карта с двумя "коридорами".
То есть вот откуда взялись эти два возможных коридора, один в сторону Казахастана, другой - в сторону Австралии: можно было определить, на каком расстоянии от спутника находился самолёт, но "вверх" или "вниз" по карте он летел - то есть по часовой или против часовой стрелки, если смотреть на эту карту - узнать возможности не было:
У спутника, так сказать, одно "ухо", он "слышит" пинги, слышит, что они становятся дальше, но влево или вправо от него они удаляются - спутник никак не в состоянии определить. Никто, собственно, такой задачи ему не ставил )
Казалось бы, дело гиблое, можно полпланеты обыскать, но вот премьер Малайзии собирает пресс-конференцию, а родственникам пассажиров рассылаются печальные смс с признанием того, что надежд нет.
Что случилось?
Премьер говорит невнятное - что британские спутниковые службы что-то такое изучили дополнительно, какие-то новые данные собрали, и теперь уже ТОЧНО можно сказать, что лайнер улетел именно вниз по карте, т.е. на юг, то есть в сторону Австралии. А поскольку там, куда он летел и где теряется след, нет ничего похожего на сушу, надеяться, что самолёт куда-то нормально сел - бесполезно. Он мог только разбиться о воду и затонуть.
Откуда у премьера такая вдруг уверенность?
ЧТО узнали спецы по спутникам?
И вот тут начинается самое интересное - для тех, кто хоть иногда интересовался физикой, хотя бы в формате книжки Перельмана.
Для того, чтоб выбрать один из двух путей, британские спецы вспомнили про эффект Допплера.
Если вдруг кто не знает, что это такое, или знал, но забыл - посмотрите этот ролик, со звуком обязательно, и обратите внимание, как меняется звук, когда поезд проезжает мимо камеры:
Слышали, да? "ууууууу_УУУУУУУУ!!!" - звук резко становится басовитее, ниже.
Это не потому, что машинист включил другой гудок, это потому, что источник звука (т.е. волн) теперь быстро удаляется от камеры, а до этого быстро приближался.
И если сначала волны, как бы летя навстречу нам, достигали нас чаще, то теперь они от нас быстро "уезжают" вместе с тепловозом - и достигают реже.
То есть мы в обоих случаях воспринимаем ухом не ту частоту, на которой НА САМОМ ДЕЛЕ гудит гудок: сначала она выше настоящей (звук тоньше), затем - ниже (звук басовитей)
Радиосигналы, которые посылает самолёт - тоже волны.
Волны, конечно, дико быстрые, но и самолёт пошустрей поезда будет.
Поэтому разница между частотой, на которой сигналил передатчик самолёта и той, которую принял спутник, хоть и крохотусечная, но БУДЕТ.
И у INMARSATа, оказывается, есть возможность проанализировать эти частоты - причём даже задним числом, по логам их замечательной техники.
И вот, пока весь мир ломал голову над загадкой северного и южного коридоров, чуваки сели и изучили пинги ещё шести таких же боингов, летавших в этот день - измерили разницу в частотах, которую даёт эффект Допплера, сравнили с известными, слава богу, траекториями этих самолётов, и убедились, что это РАБОТАЕТ.
То есть что, действительно, по разнице в частотах (её по-английски называют Burst Frequency Offset) пингов можно сообразить, куда именно относительно спутника летит самолёт.
И вот теперь пришла очередь пингов пропавшего лайнера.
Во-первых, построили график того, как менялась разница_в_частотах в течение полёта.
Во-вторых, обсчитали математическую модель того, как ДОЛЖЕН был бы меняться этот показатель в случае а) полёта на север и б) полёта на юг, и построили по этим данным ещё два графика.
В-треьих, свели все эти графики воедино - и пожалуйста:
Синяя линяя - это реальные показатели для пингов реального лайнера, красная - для гипотетического, летящего на север, жёлтая - для такого же вымышленного, но летящего на юг.
Не надо быть большим специалистом в авиации, конечно, чтоб увидеть - жёлтая линяя в той части, что после разворота, полностью повторяет синюю.
Жёлтую просчитывали для варианта полёта на юг - значит, и реальный самолёт, раз уж его график так похож на "южный", полетел туда же - а поскольку в той зоне, где он таким образом оказался, в радиусе тысяч километров сесть негде физически, премьеру ничего не оставалось, как выступить с печальным заявлением.
Подробости методики можно, опять же по-английски, почитать тут.
Методика, надо заметить, новаторская, то есть её изобрели прям вот на ходу, исходя из того, что есть на руках.
Конечно, пока не найдётся хоть что-то материальное, говорить об успехе строгой науки рановато, но сейчас, например, мне, увы, гораздо меньше верится в романтический угон в сторону мальдивских островов - потому что и правда все эти графики были бы совсем другими.
Хотя, казалось бы, что такое шесть коротких контрольных радиосигналов, да? - но немножечко здравого смысла и знания законов физики, и мы уже явно где-то недалеко от цели.
Про эффект Допплера поподробней почитать (снова по-английски), и даже посчитать онлайн, как будут меняться частоты при заданных самых разных условиях, можно тут:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/sound/dopp.html
PS да, а ещё где-то, возможно, на дне океана, лежит чёрный ящик, который тоже издаёт пинги в разных диапазонах, в том числе в звуковом. Но специальный мощный локатор, который может их услышать на глубине до семи км (в районе поисков не глубже четырёх) доставят туда на корабле числу к пятому.
А около восьмого апреля, через 30 дней после исчезновения, у чёрного ящика сядет батарейка.
Такие дела.
Все уже знают, что гибель самолёта вроде как признана властями Малайзии официально, потому что, пусть ни одного обломка и не найдено пока, есть некие доказательства технического свойства, которые не дают шансов надеяться на то, что лайнер приземлился хоть куда-нибудь: след ведёт в открытый океан и там обрывается.
Мне было очень интересно, что же это за след такой, почему вдруг всем всё стало ясно, и почему все поисковые силы бросили в сторону Австралии.
Почитал, могу теперь вам объяснить.
Во-первых, почему раньше было два следа и полная неясность.
История такая.
На самолёте стоит дофига передатчиков которые что-нибудь куда-нибудь шлют, одним из таких приборов на пропавшем борту был передатчик системы ACARS.
ACARS, как подробно написано (по-английски) вот тут, это некий сервис, т.е. авиакомпании за эту услугу платят.
Используется система для передачи на землю инфы, касающейся оборудования, это важно производителям и компаниям, обеспечивающим поддержку техники.
Малайзийская авиакомпания подписалась только на мониторинг работы двигателей, текущая инфа об их состоянии могла отправляться с борта сразу в компанию Роллс-Ройс.
Могла - но после пресловутого исчезновения лайнера с радаров уже не отправлялась.
Потому что систему ACARS, как и пресловутый транспондер, отвечающий встречным радарам, кто-то выключил. Роллс-Ройс остался без свежих новостей о моторах этого Боинга.
Но, но! Это, понимаете ли, всё равно что выключить браузер на компьютере, но оставить включённым сам компьютер - информационный обмен с окружающим миром прекратится, но базовые технические системы, которые его обеспечивают - сетевая карта на компьютере, в частности - останутся на связи. Грубо говоря, компьютер можно будет "пинговать", зная его IP-адрес - слать ему короткие сообщения и видеть наличие/отсутствие отклика, хотя с его хозяином, конечно, початиться таким образом уже не выйдет.
Примерно та же история вышла с самолётом. Этот самый ACARS работает как сервис, устроенный на базе радиосистемы SATCOМ.
Эта система связывается с "созвездием" спутников, торчащих на геостационарных орбитах (это такие орбиты, на которых спутники "висят" над одной точкой Земли).
Спутники эти могут быть, строго говоря, разными.
SATCOM нашего лайнера был прилинкован к британской спутниковой сети INMARSAT.
Это серьёзная контора, наверняка вы о ней слышали, даже если не планировали покупать спутниковый телефон для звонков друзьям из джунглей Амазонии и т.д.
Так вот, спутники этой самой сети INMARSAT время от времени - собственно, раз в час - посылают всем включённым в неё девайсам некий короткий тестовый сигнал, похожий на те самые пинги в привычной нам компьютерной сети.
Это как бы просто такой сухой вопрос: "алё, вы на связи"? Девайс, поймав сигнал, говорит, "да, спасибо". Всё.
Причём - это делается именно на уровне радиообмена, т.е. через SATCOM - неважно, что отсылающая отчёты в Роллс-Ройс система была отключена. Приёмник физически был включён - и приёмник отвечал, это его безусловный рефлекс )
Он ответил на шесть пингов с того момента, как все остальные системы слежения потеряли самолёт вчистую.
Всего шесть сигналов, но каждый, понимаете, на вес золота. Каждый - это плюс час полёта, сотни километров на пути куда-то.
Потом у самолёта внезапно произошёл незапланированный радиообмен примерно такого же сорта, но загадочный очень - говорят о "частичном пинге" ("partial ping"), через 8 минут после последнего ежечасного. Что это было - версии пока разнятся, т.к. изучается этот странный сигнал, являющийся, как я понимаю, неполным фрагментом штатного пинга.
После этой странной весточки самолёт на запросы спутника больше не откликался.
Когда это стало известно, а также когда определили интервалы между сигналом и откликом на него - немедленно была построена карта с двумя "коридорами".
То есть вот откуда взялись эти два возможных коридора, один в сторону Казахастана, другой - в сторону Австралии: можно было определить, на каком расстоянии от спутника находился самолёт, но "вверх" или "вниз" по карте он летел - то есть по часовой или против часовой стрелки, если смотреть на эту карту - узнать возможности не было:
У спутника, так сказать, одно "ухо", он "слышит" пинги, слышит, что они становятся дальше, но влево или вправо от него они удаляются - спутник никак не в состоянии определить. Никто, собственно, такой задачи ему не ставил )
Казалось бы, дело гиблое, можно полпланеты обыскать, но вот премьер Малайзии собирает пресс-конференцию, а родственникам пассажиров рассылаются печальные смс с признанием того, что надежд нет.
Что случилось?
Премьер говорит невнятное - что британские спутниковые службы что-то такое изучили дополнительно, какие-то новые данные собрали, и теперь уже ТОЧНО можно сказать, что лайнер улетел именно вниз по карте, т.е. на юг, то есть в сторону Австралии. А поскольку там, куда он летел и где теряется след, нет ничего похожего на сушу, надеяться, что самолёт куда-то нормально сел - бесполезно. Он мог только разбиться о воду и затонуть.
Откуда у премьера такая вдруг уверенность?
ЧТО узнали спецы по спутникам?
И вот тут начинается самое интересное - для тех, кто хоть иногда интересовался физикой, хотя бы в формате книжки Перельмана.
Для того, чтоб выбрать один из двух путей, британские спецы вспомнили про эффект Допплера.
Если вдруг кто не знает, что это такое, или знал, но забыл - посмотрите этот ролик, со звуком обязательно, и обратите внимание, как меняется звук, когда поезд проезжает мимо камеры:
Click to viewСлышали, да? "ууууууу_УУУУУУУУ!!!" - звук резко становится басовитее, ниже.
Это не потому, что машинист включил другой гудок, это потому, что источник звука (т.е. волн) теперь быстро удаляется от камеры, а до этого быстро приближался.
И если сначала волны, как бы летя навстречу нам, достигали нас чаще, то теперь они от нас быстро "уезжают" вместе с тепловозом - и достигают реже.
То есть мы в обоих случаях воспринимаем ухом не ту частоту, на которой НА САМОМ ДЕЛЕ гудит гудок: сначала она выше настоящей (звук тоньше), затем - ниже (звук басовитей)
Радиосигналы, которые посылает самолёт - тоже волны.
Волны, конечно, дико быстрые, но и самолёт пошустрей поезда будет.
Поэтому разница между частотой, на которой сигналил передатчик самолёта и той, которую принял спутник, хоть и крохотусечная, но БУДЕТ.
И у INMARSATа, оказывается, есть возможность проанализировать эти частоты - причём даже задним числом, по логам их замечательной техники.
И вот, пока весь мир ломал голову над загадкой северного и южного коридоров, чуваки сели и изучили пинги ещё шести таких же боингов, летавших в этот день - измерили разницу в частотах, которую даёт эффект Допплера, сравнили с известными, слава богу, траекториями этих самолётов, и убедились, что это РАБОТАЕТ.
То есть что, действительно, по разнице в частотах (её по-английски называют Burst Frequency Offset) пингов можно сообразить, куда именно относительно спутника летит самолёт.
И вот теперь пришла очередь пингов пропавшего лайнера.
Во-первых, построили график того, как менялась разница_в_частотах в течение полёта.
Во-вторых, обсчитали математическую модель того, как ДОЛЖЕН был бы меняться этот показатель в случае а) полёта на север и б) полёта на юг, и построили по этим данным ещё два графика.
В-треьих, свели все эти графики воедино - и пожалуйста:
Синяя линяя - это реальные показатели для пингов реального лайнера, красная - для гипотетического, летящего на север, жёлтая - для такого же вымышленного, но летящего на юг.
Не надо быть большим специалистом в авиации, конечно, чтоб увидеть - жёлтая линяя в той части, что после разворота, полностью повторяет синюю.
Жёлтую просчитывали для варианта полёта на юг - значит, и реальный самолёт, раз уж его график так похож на "южный", полетел туда же - а поскольку в той зоне, где он таким образом оказался, в радиусе тысяч километров сесть негде физически, премьеру ничего не оставалось, как выступить с печальным заявлением.
Подробости методики можно, опять же по-английски, почитать тут.
Методика, надо заметить, новаторская, то есть её изобрели прям вот на ходу, исходя из того, что есть на руках.
Конечно, пока не найдётся хоть что-то материальное, говорить об успехе строгой науки рановато, но сейчас, например, мне, увы, гораздо меньше верится в романтический угон в сторону мальдивских островов - потому что и правда все эти графики были бы совсем другими.
Хотя, казалось бы, что такое шесть коротких контрольных радиосигналов, да? - но немножечко здравого смысла и знания законов физики, и мы уже явно где-то недалеко от цели.
Про эффект Допплера поподробней почитать (снова по-английски), и даже посчитать онлайн, как будут меняться частоты при заданных самых разных условиях, можно тут:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/sound/dopp.html
PS да, а ещё где-то, возможно, на дне океана, лежит чёрный ящик, который тоже издаёт пинги в разных диапазонах, в том числе в звуковом. Но специальный мощный локатор, который может их услышать на глубине до семи км (в районе поисков не глубже четырёх) доставят туда на корабле числу к пятому.
А около восьмого апреля, через 30 дней после исчезновения, у чёрного ящика сядет батарейка.
Такие дела.