Это фото скромного аэродрома «Орловка» (код ИКАО: UUTO) в Тверской области — на самом деле очень символично. Впервые в истории Россия присоединяется к клубу технологических лидеров, способных проектировать и выпускать радиолокационные системы для мониторинга взлетно-посадочной полосы (ВПП) на наличие посторонних предметов.
Купить такую систему у зарубежного производителя непросто (это штучные проекты) и дорого. Кроме цены оборудования, контракт требует оплаты проектирования под конкретный аэропорт, услуг шеф-монтажа, и далее — оплаты авторизованного сервисного обслуживания на все время работы системы.
Проблема мусора незаметна, но очень актуальна
В истории авиации известно немало случаев, когда обломки предметов, выпавшие из конструкции самолетов или аэродромной техники, оказывались на ВПП и наносили ущерб воздушным судам во время взлета или посадки. Катастрофа Конкорда, произошедшая в 2000 году, стала трагедией, показавшей всю актуальность этой проблемы.
Европейская Комиссия оценивает ежегодный ущерб мировой авиации от мусора на взлетно-посадочных полосах в суммах, близких к 13 млрд долларов. Сюда входят задержки рейсов и повреждения покрышек колес воздушных судов, каждая из которых стоит до 5 тыс. долларов и после повреждения в обязательном порядке должна меняться на новую.
В авиакомпании «Победа» проблему мусора на российских ВПП тоже называют очень актуальной.
Проблема посторонних предметов на ВПП и рулежных дорожках актуальна и в России. Хотя в отличие от ЕС, грантов на разработку систем у нас не дают, но зато есть жалобы от авиакомпаний. К примеру, директор авиакомпании «Победа» в интервью газете «Коммерсантъ» говорит о минимум ста случаях за 2019 год, когда был нанесен ущерб шасси воздушных судов этой компании. При этом, проверку взлетно-посадочных полос директор «Победы» называет формальной: «Должностные лица просто проезжают на машине и осматривают поверхность». В статье отмечается, что во Внуково летом проверка проводится через каждые три часа, а зимой — не реже шести раз в сутки.
Какой мусор бывает на ВПП
В международной практике посторонние предметы на ВПП принято называть FOD, Foreign Object Debris (посторонний мусор). Среди этих предметов чаще всего встречаются болты, гайки, элементы тяг, инструменты, упавшие с автомобилей ремонтных служб, обрывки шин, шлангов, и др.
В отчете FAA (Federal Avaition Agency, американский авиационный регулятор) показано, что более 60% мусора составляют металлические предметы, а 18% — обрывки резины. При этом, основная доля предметов имеет достаточно небольшие размеры, порядка 3х3 см. Так в FAA родилась методика оценивать способность аэродромного оборудования найти посторонние предметы на ВПП с помощью эталонного металлического цилиндра диаметром 38 мм и высотой 31 мм (неокрашенного). Теперь такой тип испытаний применяется во всем мире.
Так выглядит эталонный цилиндр Ø38 мм и высотой 31 мм (фото на ВПП а/п Орловка)
Рынок систем мониторинга ВПП на посторонние предметы
Что тут сказать — узок круг этих производителей, общее число которых во всем мире можно пересчитать буквально по пальцам. В число четырех лидеров входят Stratech Group, UK Qinetiq/USA Moog Inc., Xsight Systems Ltd. и Trex Aviation Systems Inc,, на долю которых приходится почти две трети выручки рынка (источник: FactMr). Это область высокого хай-тека, где от компании-производителя требуются компетенции в радиолокации и оптоэлектронике, математике, обработке машинных данных.
Современные системы, способные обнаруживать посторонние предметы на ВПП и рулежных дорожках, используют два физических принципа, в том числе в виде совместных решений:
• Радары миллиметрового диапазона;
• Камеры видимого и инфракрасного спектра, в т.ч. с системой распознавания образов;
• Гибридные системы «радар + камера».
И у радаров, и у камер есть свои преимущества и недостатки, однако есть и одно общее свойство — такие системы очень дороги как сами по себе, так и по стоимости их внедрения в инфраструктуру аэропортов.
Например, система Xsight FODetect System (пр-во Израиль, используется в аэропорту Бен Гурион), при внедрении требует полной замены сигнальных фонарей по краям ВПП, т.к. на их место устанавливается комплексная конструкция, включающая фонарь, видеокамеру и радар малого радиуса действия. Для функционирования такой системы требуется прокладка подземных коммуникаций вдоль ВПП и по территории а/п, и эту объемную работу лучше проводить при полной модернизации или строительстве новой взлетно-посадочной полосы.
Расположение FOD-радаров Tarsier в аэропорту Хитроу. Источник: Moog Inc
Принято считать, что оптимальным решением для действующих и сильно загруженных ВПП является решение в виде отдельно стоящего радара с большим радиусом действия, с помощью которого можно мониторить наличие посторонних предметов на всей полосе. Т.е. один радар для коротких полос в региональных аэропортах, или по 2-3 радара на полосу в международных аэропортах. Так работает система Tarsier Runway FOD Detection System (пр-во США) в аэропорту Хитроу, используя всего 4 радара на весь аэропорт — по 2 радара на полосу длиной по 3.7 км.
Зарубежные производители FOD-систем и их основные характеристики оборудования (составлено автором)
Испытания радара СКВПП-76 на летно-экспериментальной базе «Орловка»
Теперь переходим к эксперименту на базе летно-экспериментального центра концерна МАНС на аэродроме «Орловка» в Тверской области. В марте 2020 года компания ДОК, производитель радаров миллиметрового диапазона из Санкт-Петербурга, в сотрудничестве с концерном МАНС провела в «Орловке» натурные испытания радарной системы контроля взлетно-посадочной полосы СКВПП-76 (76 ГГц FOD-радар).
Радар работает на частоте 76 ГГц (длина волны 3,9 мм) в режиме квази-непрерывной линейной частотной модуляции (FMCW). Принцип действия — радар определяет расстояние до цели (объекта FOD) по разнице частот между испускаемыми и принятыми радиолокационными сигналами. Преимущество FMCW-радара ДОК — в небольших 60 см антеннах, имеющих высокий коэффициент усиления (до 50 дБ). Пятно засветки на полосе позволяет за один проход лучом просмотреть участок длиной до 2 км.
Карта размещения радара СКВПП-76 в а/п Орловка
На фото: радар СКВПП-76 в а/п Орловка
Учитывая, что радар рассчитан на дальность до 1000 м по радиусу действия (и по этому параметру спроектирован как лучший среди подобных систем на мировом рынке), а длина ВПП «Орловка» (ИКАО: UUTO) всего 800 м, радар СКВПП-76 был размещен на расстоянии 40 м от края ВПП (курсом «06») на металлической опоре высотой 3,5 м, обеспечивая общую высоту центра антенн радара 4.7 м над ВПП. При этом, расстояние от точки установки радара до дальнего края ВПП (курсом «24») составило 910 м. Такое расположение оборудования позволило тестировать способность СКВПП-76 к обнаружению предметов на расстояниях, близких к максимально возможному (1000 м по спецификации).
Для подтверждения способности радара обнаруживать калиброванную тестовую цель, эталонный цилиндр был размещен на поверхности ВПП на расстоянии 650 м. Почему 650, а не 910 м? Как выяснилось в процессе эксперимента, на дальнем конце ВПП имеется уклон вниз и для радара возникает «слепая зона».
Схема размещения тестового цилиндра на ВПП
Управление радаром и снятие показаний производилось через локальную сеть аэродрома на компьютер с установленным тестовым ПО «FieldScanner». Программное обеспечение «FieldScanner» позволяет определить на экране наличие отметки от различных предметов на ВПП, включая эталонный цилиндр, и таким образом подтвердить факт обнаружения посторонних предметов.
Скриншот с радара: слева – пустая ВПП, справа – ВПП с тестовым цилиндром
Каждый, кто посмотрит на этот скриншот, скажет — «И что тут можно разобрать?» Поэтому инженеры пояснили — тестовое ПО предназначено лишь для ответа на вопрос «видит радар цель или нет» (т.е. подтвердить, что сигнал от тестовой цели выше уровня шумов и отражений от поверхности ВПП). В тестовом ПО изображение не очищено от ложных целей, таких как отметки от окружающего грунта, заплаток, швов и выбоин на покрытии полосы, и т.п. При этом, для визуализации обнаружения тестового цилиндра, учитывая его малые размеры, отметка на радаре увеличена до числа пикселов, различимых на экране монитора.
Промышленное ПО контроля ВПП должно проходить обучение на конкретной полосе в режиме искусственного интеллекта.
Промышленное ПО контроля ВПП для этого радара разрабатывается на основе искусственного интеллекта (Deep Learning), и после развертывания системы в аэропорту такое ПО должно проходить режим обучения на конкретной полосе. После обучения, ПО становится способно определять потенциально опасные предметы и отделять их от ложных целей, таких как элементы подсветки, выбоины, швы на покрытии и т.п. Покупатель радара также может заказать доработку ПО под какие-то свои особые условия.
Хорошего эксперимента без проблем не бывает
В полевые испытания сложной техники всегда готова вклиниться проблема, и чаще всего не одна. Так было и в Орловке. Как уже рассказано выше, по ходу эксперимента выяснилось, что профиль ВПП имеет впадину на дальнем конце полосы, а потому прямая видимость лучом радара обеспечивалась до длины примерно 720 м, считая от края ВПП курсом «06». Остаток длины ВПП попадал в «слепую зону» вследствие недостаточной высоты опоры радара — не было видимости вогнутого фрагмента данной ВПП.
Прямая видимость поверхности дальнего конца ВПП ограничивалась на отметке ~720 м (фото через бинокль)
Это был неучтенный момент, но переделывать постамент под радар не стали, т.к. незадолго перед сканированием полосы радар проверили на ровном километровом участке местной автодороги и в этом эксперименте цилиндр был успешно найден. Для этого радар установили в кузов грузовика и на 1 км от него на асфальт положили эталонный цилиндр. Радар легко обнаружил эту цель.
Испытание радара на 1 км участке прямой ровной автодороги
Ниже на скриншоте с радара видно, что остается значительный запас по дальности обнаружения цели — примерно до 1.5 км. Однако, далее 1 км обнаружение тестовой цели с линейными размерами порядка 3 см уже не гарантировано.
Отметка на мониторе радара от цилиндра, размещенного на автодороге
Как найти на полосе сухпаек инженера
Некалиброванные посторонние предметы для поиска радаром
Кроме эталонного цилиндра Ø38 мм и высотой 31 мм, в эксперименте была проведена демонстрация обнаружения набора из 10 различных некалиброванных предметов, разложенных на полосе на расстояниях от 250 м до 650 м, считая от края курсом «06». В число предметов входили два гаечных ключа, бутылки с жидкостями, консервные банки, катушка с проводом, резиновая утка.
Гаечный ключ был легко обнаружен на ВПП
Консервную банку радар тоже нашел
Чтобы не утомлять читателей картинками бутылок и банок на полосе, можно сказать кратко —радар СКВПП-76 обнаружил все 10 некалиброванных посторонних предметов, что дополнительно подтвердило технические характеристики оборудования и его применимость для данного класса задач.
Слева – радарная картина пустой ВПП, справа – ВПП с 10 посторонними предметами
Как это было и будет — на видео
На видео показан процесс сканирования ВПП «Орловка» радаром СКВПП-76. Это немного скучно выглядит, но только не для специалистов: устройство позиционирования радара совершает сканирование как серию небольших L-образных движений, состоящих из вращения по азимуту ( ось X) и подстройки наклона антенн по углу места ( ось Y).
А на нижнем промо-видео можно посмотреть, как радар должен работать в «боевом» режиме, будучи встроенным в систему безопасности полетов аэропорта.
Высокая дальность работы СКВПП-76 (возможность контроля на 1 км влево и 1 км вправо = 2 км) является его важным преимуществом на рынке данного оборудования, позволяя обойтись одним радаром с единичным подключением (в т.ч. беспроводным) по локальной сети для мониторинга ВПП длиной до 2 км. Иными словами, при внедрении не потребуется значительных земляных работ на инфраструктуре. Считается, что взлетно-посадочная полоса длиной не менее 1830 м достаточна для приема самолетов весом до 90 тонн, таких как Airbus 319, Airbus 320 или Boeing 737-800.
Важные преимущества российского радара — высокая дальность, компактные размеры, антенны с большим коэффициентом усиления. «Дорожная карта» проекта предусматривает совместное использование радара с видеокамерой высокого разрешения — согласно мировой практике.
Теперь ждем, что этот проект отечественных инженеров пройдет стадию внедрений и радары СКВПП-76 поступят в аэропорты России, где будут обеспечивать безопасность полетов.
Особая благодарность концерну МАНС за помощь в организации экспериментов.
Автор: Сергей Березин
