Самолет и Допплер

Пока приличных новостей ни в стране, ни в мире по-прежнему нет, продолжаю читать про самолет.

Все уже знают, что гибель самолета 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 ведет в открытый океан и там обрывается.

Мне было очень интересно, что же это за след такой, почему вдруг всем все 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 самолете 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, все равно что выключить браузер на компьютере, но оставить включенным 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 самолетом. 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 включенным в нее девайсам некий короткий тестовый сигнал, похожий на те самые пинги в привычной нам компьютерной сети. Это как бы просто такой сухой вопрос: "але, вы на связи"? Девайс, поймав сигнал, говорит, "да, спасибо". Все.

Причем - это делается именно на уровне радиообмена, т.е. через SATCOM - неважно, что отсылающая отчеты в Роллс-Ройс система была отключена. Приемник физически был включен - и приемник отвечал, это его безусловный рефлекс.

Он ответил на шесть пингов с того момента, как все остальные системы слежения потеряли самолет вчистую. Всего шесть сигналов, но каждый, понимаете, на вес золота. Каждый - это плюс час полета, сотни километров на пути куда-то.

Потом у самолета внезапно произошел 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 самолет 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 самолет, 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:

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 самолет 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? "уууууууУУУУУУУУ!!!" - 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 самолет - тоже волны. Волны, конечно, дико быстрые, но и самолет пошустрей поезда будет.

Поэтому разница между частотой, на которой сигналил передатчик самолета и той, которую принял спутник, хоть и крохотусечная, но БУДЕТ. И у INMARSATа, оказывается, есть возможность проанализировать эти частоты - причем 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 еще шести таких же Боингов, летавших в этот день - измерили разницу в частотах, которую дает эффект Допплера, сравнили с известными, слава богу, траекториями этих самолетов, и убедились, что это РАБОТАЕТ.

То есть что, действительно, по разнице в частотах (ее по-английски называют Burst Frequency Offset) пингов можно сообразить, куда именно относительно спутника летит самолет.

И вот теперь пришла очередь пингов пропавшего лайнера.

Во-первых, построили график того, как менялась разница_в_частотах в течение полета. Во-вторых, обсчитали математическую модель того, как ДОЛЖЕН был бы меняться этот показатель в случае а) полета на север и б) полета на юг, и построили по этим данным еще два графика. В-третьих, свели все эти графики воедино - и пожалуйста:

Желтую просчитывали для варианта полета на юг - значит, и реальный самолет, 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 ее изобрели прям вот на ходу, исходя из того, что есть на руках.

Конечно, пока не найдется 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.

А еще где-то, возможно, на дне океана, лежит черный ящик, который тоже издает 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 четырех) доставят туда на корабле числу к пятому. А около восьмого апреля, через 30 дней после исчезновения, у черного ящика сядет батарейка.

Такие дела.

Юрий Кибиров

Прочитать оригинал поста Юрия Кибирова с комментариями читателей его блога можно здесь.