Воздействие электромагнитных помех на воздушные судна:

чего опасаться?

Университет Билефельда – технологический Факультет, 11 июля 1997 год

Описание: Существует опасность влияния возможных электромагнитных помех на системы воздушного судна от электронных устройств, используемых пассажирами. Некоторые отчеты об инцидентах включены коллегами. Коллеги объясняют, почему трудно отследить это явление. Наконец, я предлагаю несколько способов регуляции, помогающих расследованию.

Всем известно, как трудно слушать радио или смотреть телевизор, когда кто-то пылесосит в соседней комнате. Пылесос вызывает существенные помехи. Я привык жить в доме в Кенсингтоне, штат Калифорния, где установлена электрическая система открывания гаражных ворот, на которую я воздействую, находясь в своей машине. Дверь иногда открывалась сама собой, рано утром, в дождливые дни. Я не знаю, что воздействовало на неё, может это был сигнал с самолета; может проезжее такси водитель, которого соединялся с диспетчером; может это ошибка механизма открытия. Можно полагать, что эта система не очень хорошо экранирована от электромагнитных помех, и это, говорит о том, что нет строгих сертификационных стандартов.

Тем не менее, существуют подобные опасения на данный момент и в авиации. Пассажирам можно запретить пользоваться электронными приборами на борту воздушных суден, но всё же будут возникнуть попытки их использования.

Я разрабатывал системы управления полетом для аэробуса серии A320/330/340 или Boeing B777. Эти системы защищены очень хорошо от воздействия электронных помех, потому, что они летают в области, где могут подвергаться воздействию радаров, а также воздействию других электромагнитных полей, которые могут иногда могут быть очень сильными. Тем не менее, есть некоторый опыт воздействия электромагнитных помех на электронные системы управления полетом. Пять аварий, вертолетов Блэкхоук вскоре после введения их в эксплуатацию в конце 1980-х годов было обнаружено, что их причиной является воздействие электромагнитных помех от очень сильных радаров и радиопередатчиков с электронной системы управления полетом. Такая обеспокоенность не является исключительно результатом спекуляций. Это на самом деле произошло, и стоит обеспокоиться о возможности подобных явлений в транспортных самолетах.

Брюс Нордвел , написал в Еженедельник Авиации и Космических Технологий в сентябре 1996 года, сообщение на тему влияния электронных приборов на систему обеспечения полётов. Специальная комиссия 177 была образована в 1992 году с целью изучить возможность взаимодействия систем самолета с электронными устройствами, используемыми пассажирами во время полета. Это устройства, такие как ноутбуки, геймбоксы и, более коварные, такие как персональные портативные телефоны, использующие технологию сотовой связи.

Нордвел сообщает консультативной группе, что ни одна группа тестирования не отслеживает потенциальную угрозу  воздействия пассажирской электроники на авионику. Группа также была обеспокоена тем, что летающая общественность не может быть осведомлена о потенциальной опасности, и что авиакомпании должны в значительной мере выяснить самостоятельно, как справиться с проблемой. Большинство авиакомпаний в США уже запрещают использование пассажирских электроники любого рода на высоте ниже 10,000 футов. Здесь наиболее беспокоит, то, что быстрый рост технологии персональных коммуникаций может позволить пассажирам, чтобы пронести на борт, и случайно или тайно использовать устройства, таких как персональные спутниковые телефоны, которые способны в значительной мере вызвать превышение допустимого уровня электромагнитного излучения. Он рекомендует разработать и установить устройство в кабинах воздушных судов, которые могут обнаружить и локализовать потенциально вредное излучения, исходящие изнутри самолета.

Навигационные системы являются особенно уязвимыми по двум причинам:

они имеют части, разработанные в целях выявления действия сигналов, поступающих извне;

приёмник навигационной системы особенно чувствителен к низкому уровню помех.

Систем управления самолетом полностью находятся внутри самолета и защищены от абсолютно любых сигналов, исходящих от любого из своих устройств; передача между устройствами основана на передаче электрических сигналов, передаваемых с помощью электрических проводов, как и у большинства компьютерных сетей. Навигация авионики, с другой стороны, имеет элементы, предназначены для приёма сигналов из окружающего пространства.  

Металлический корпус самолета является эффективной электромагнитной защитой между внешней и внутренней частью воздушных судов. Электромагнитным сигналам трудно проникнуть, или покинуть воздушное судно. Поэтому навигационные и антенны на самолетах должны быть размещены за пределами воздушного судна. Но в, то время не так  как на улице, потому что должны учитывать аэродинамические свойства. Они должны быть чувствительными, навигационная электроника внутри корпуса может быть в принципе просто и надежно защищена снижением чувствительности, но это потребует использование более мощных сигналов, в этом и дилемма.

Нормативная среда

  Закон федерального авиарегулирования 91.21 запрещает использование портативных электронных устройств на борту самолета, за исключением диктофонов, слуховых аппаратов, кардиостимуляторов, электробритв, и любых других устройств, которые не будут вызывать помехи навигационным или коммуникационным системам воздушного судна.

91.21 Портативных электронных устройств:

(a) за Исключением предусмотренного в пункте (b) этого раздела, ни одно лицо не может работать,  с любого рода портативного электронным устройствами без разрешения капитана на любом из следующих зарегистрированных в США самолетов гражданской авиации:

(1) Воздушных судов, эксплуатируемых владельцем воздушного судна, у которого имеется сертификат или операционный сертификат; или

(2) Любой другой самолет, в то время как она эксплуатируется по ППП.

(b) в Пункте (a) настоящего раздела не применяются к следующим устройствам:

(1)Портативные диктофоны;

(2)Слуховые аппараты;

(3)кардиостимуляторы;

(4)электробритвы; или

(5)Любое другое портативное электронное устройство, которым владеет эксплуатант воздушного судна, которое не будет вызывать помехи в навигационных или коммуникационных системах воздушного судна, на котором он будет использоваться.

(c) В случае воздушных судов, эксплуатируемых владельцем воздушного судна действует сертификат или операционный сертификат, в соответствии с пунктом (б), устройство будет использовано. В отношении других воздушных судов, разрешение может быть сделано командиром воздушного судна или другим эксплуатантом воздушного судна.


Регулирование налагает ответственность за определение наличие помех на отдельные авиакомпании. Однако, как Норвелд указывает, что есть компактные потребительские электронные устройства, которые получили широкое распространение в большом количестве, которые не поддаются каталогизации, не говоря уже тестирования. Вопрос в том, что будут представлять собой соответствующие вмешательства. В отличие от федеральных Авиационных Правил США, Международной Организации Гражданской Авиации (ИКАО) не имеет никаких правил, касающихся портативной электроники.


Американские авиакомпании ввели общий запрет на использование любых портативных электронных устройств (Агрегатов) на высоте ниже 10,000 футов. По словам бывшего  помощник администратора по регулированию и сертификации, Тони Бродерик, эта акция была инициирована компанией Норвежские авиалинии и другие авиакомпании быстро последовали его примеру. Бродерик отмечает, что использование портативных электронных устройств во время взлета и посадки фаз запрещается во всяком случае, не только из-за возможных последствий электромагнитного излучения, а также для предупреждения пассажиров, чтобы обратить внимание экипажа на то что может случиться аварийная ситуация ( из статистика видно, что 20% аварий происходит при взлёте, 46.6 % аварий происходит при посадке).

Некоторые вопросы, связанные с сотовыми телефонами


Сотовые телефоны, часто называют мобильными телефоном, использование его в США и в Германии, является источником проблем, потому что, они могут мешать авиационным системам, не зависимо от технологии, по которой сотовые телефоны основаны, что препятствует их эффективному применению на воздушных судах. Это касается всех сотовых телефонов, в том числе аналоговых технологий в США и цифровые технологии GSM в Европе. Может быть, стоит сначала объяснить известные проблемы, связанные с попыткой использования сотовых телефонов во время полета.


Технологии сотовых телефонов на основе небольших локальных наземных приемных помещениях, называемых «сотами». Мобильный телефон пользователя подается только на одну соту, и при достижении границы соты, будет передан в другую соту, которую он собирается посетить. Топология покрытия базируется на предположении, что пользователь находится на или вблизи поверхности земли, и это техническое предположение, что вся система основана на том, что пользователь будет в пределах видимости всего на одну соту за исключением случаев, когда приближается к границе ячейки. Однако когда пользователь находится внутри самолёта имеется прямая видимость со многими сотами. Попытка вызова или приема самолета активирует множество сот, что вызывает множество проблем передачи, и работа системы нарушается. Поэтому различные коммуникационные власти, например, в США Федеральная комиссия по Связи, попытки запретить использование сотовых телефонов на борту самолетов. Так как попытки использования могут нести опасность.


В субботу 1 марта 1997 года, немецкий Министр транспорта Матиас Виссман сообщили в немецкой и международной прессе, о желании внести наказание до двух лет лишения свободы для людей, пытающихся использовать сотовые телефоны на борту самолетов. Он, как сообщается, сказал, что

В целях дальнейшего повышения безопасности полетов на воздушном транспорте будут новые правила использования этих опасных вещей [...] В дальнейшем использование электронного оборудования пассажирам в самолетов будут запрещены.



Комментарий Герра Виссмана напоминает об опасности попыток использования мобильных телефонов. Поэтому он, кажется, говоря о возможности вмешательства в системы самолета, поэтому это действительно очень опасно, а не просто проблема.


Стоит отдать должное Герру Виссману за активную позицию в решении потенциальной опасности. Мой коллега проф. д-р Клаус Брукштейн Гамбургского университета, прокомментировал, что немецкое законодательство по-прежнему запрещает мобильную связь (с определенными исключениями), интересно, что этот закон не конкретен, говорит о попытке использования мобильных телефонов и не пропуске на борт.

Общие опасения относительно воздействия помех

Норвелд сообщает, что комитетом 177 были найдены 137 инцидентов. Воздействие СВЧ было причиной 111-и инцидентов, до сих пор является наиболее распространенным явлением. Из 33-х отчетов непосредственно с портативной электронной аппаратурой , 21 инцидент, связан с портативными компьютерами, и только 2 с сотовыми телефонами. Навигационные системы были затронуты в 26-и из этих инцидентов; с топливными системами, предупредительными огнями и двигателестроением, связано по одному случаю.

Некоторые эпизоды и обсуждение

Джим Ирвин – коллега, который летит в самолете B737 с США основным перевозчиком. Он имел инцидент:

[...] В один день вылета из Портленда, штат Орегон, мы заметили, что в компьютере управления полетом карта-дисплей показывала, разногласия сырых данных и реальной позиции. Наш процесс обучения построен таким образом, что мы можем сразу перейти от сырых данных, и предположить, что это была компьютерная ошибка.

Я перезвонил в каюту и сказал у стюардессе проверить, использует ли кто-то мобильный телефон или компьютер. Несколько минут спустя она перезвонила, чтобы сказать, что был мужчина, который использовал свой сотовый телефон, и теперь он выключен. Как ни странно разногласия исчезли.


Позже, во время полета стюардессы перезвонил и сказал, что они поймали человека, использующего сотовый телефон снова, но на этот раз мы не заметили какую-либо проблему, возможно, потому, что мы были далеко от земли.
 
Топливный указатель сходил с ума на борту B737, и вернулся в нормальное состояние, когда все электронные вещи были выключен. Я подозреваю, что причиной стало электронное игровое устройство, но это не более чем догадка. Я не стал просить, чтобы включили игрушку снова и исследовать это более подробно, так как я отвечал за безопасность 140 пассажиров, и это было бы крайне безответственно! Это не та ситуация, в которой проводят такие испытания!

Я также помню, нельзя использовать режим доклада компьютера на B737. После дорогого углубленного поиска и устранение неисправностей сессии наш отдел технического обслуживания, несовместимость режима доклада были вызваны просачиванием тепла через окно кабины электропроводки. Это вызвало электронные помехи в автоматической системе полетов.

По-видимому, существует также несколько инцидентов с воздушных судов ранних выпусков. Вот Berger ответ на запрос от другого коллеги:

> Кто-нибудь слышал об инцидентах связанных с ЭМИ с участием Воздушных судов ранних выпусков, т.е.. 707,

> DC9,747-200, где уровень сигналов в системах был значительно выше?

При подходе к взлетно-посадочной полосе 24 точки колебались. Наземное оборудование и мониторинг работает нормально. Когда GSM в салоне был выключен, все показания стали правильными.

Фрэнк Мак-Кормик заявил о физике таких возможных инцидентов:

Персональные компьютеры, сотовые телефоны, CD-плееры, портативные видеоигры и т.д. – всего лишь фоновый шум по сравнению с уровнем угроз, которые могут реально повлиять. Но как мог компьютер управления полётом изменить свои показания из-за работы сотового телефона в режиме ожидания?

и Петр Меллор, представитель центра по надежности программного обеспечения в Лондоне, сообщает, что

Кабели на А320 не только были протестированы на устойчивость к "нормальным" ЭМИ, но и на способность выдерживать гораздо больший импульс, который бы мог быть в результате перелёта самолёта через мощный луч радара, например.

Бергер сообщает, очень мало системных тестов выполняется: он попросил показать портативный телефон представителя предприятия-изготовителя, что они выполняли тесты на ЭМС с системами самолета. Производитель сказал нет, не проводились, потому что использование мобильных телефонов является незаконным в самолете. Бергер отмечает, что, тем не менее, такие тесты являются актуальными, так как эти телефоны часто используются в самолёте втихую или случайно. Он также отмечает, что большинство стендовых испытаний на электромагнитные помехи выполняют на независимых подсистемах, это может означать, интересную, слабость в самолете, а именно системные взаимосвязи. Напомним, один из случаев приведенных выше: ни электроника, ни хорошо экранированный кабель, не решили проблему. Он сообщает следующие инциденты конкретных воздушных судов:

В самолёте B737-300, панель управления режимом делает странные вещи с перерывом в течение нескольких рейсов. Я считаю, что действительно странно: как системы управления скоростью и автопилот конфликтуют друг с другом для поддержания скорости. Почти все системы были проверены, но только хитрый механик обнаружил, что лобовое стекло системы теплообеспечения было не правильно заземлено.

В самолёте B737-400, происходили странные вещи, в основном в круиз. Некоторые пилоты сообщили, что после просьбы к пассажирам, отключить электронное оборудование, проблема была решена, другие говорили, что это не помогало ни как. Другие сообщили, что ничего необычного с CD, ПК, Gameboys не связано. Устранение неполадок было сделано и было решено заменить черный ящик, который подозревался. Его вытащили, но, запасных не было. Поэтому один и тот же черный ящик был использован снова. Проблема была решена, этого не случилось снова!

Соединения являются возможными слабыми точками. Их трудно дублировать, если проблема существует. Могут ли несовершенные соединения сделать тестируемюу систему восприимчивой к ЭМИ или нет?

Джон Димтроуф инженер-электрик по перевозке персонала привёл отчеты о некоторых случаях:

...даже самолет с сертифицированным бортовым оборудованием может играть в игры. Несколько лет назад я был вовлечен в определение источника [навигационный индикатор] иглы качели и голосовых модуляций в гарнитуре пилотов. Виновником оказался сертифицированный телефон пилотов вещание, которого происходило на частотах, часть которых перекрывает частоты навигационного оборудования.

Другой случай касался излучения нежелательных сигналов излучающих на 15-й, 20-й и 22-й гармонике основной частоты равной 6 и 8 МГц.

Резюме Докладов, 1986 г. – июнь 1994 г.

Следующие резюме, подготовленные АСКР, были направлены Питером Макхью в офис авиационной безопасности, взятых из документа № 271 от 30 ноября 1994 г.

Следующий СИНОПТИЧЕСКИЙ анализ инцидентов связанных с электронными устройствами пассажиров был совершен персоналом АСКР:

В базе данных АСКР было всего 46 инцидентов связанных с пассажирскими электронными устройствами, в период с января 1, 86 через июнь 30, 94. Всего за этот период АСКР было сделано 51,337 докладов в полной форме, которые охватывали все типы инцидентов.

Пассажир электронных устройств инцидентов составляют 0.08 процентов от общего числа отчетов, которые есть в базе данных АСКР. Полная форма отчетов даёт возможность получить полный анализ.

45 случаев были связаны с перевозкой пассажиров. 33 инцидента связаны с воздушными судами весом от 60,000 до 300,000 фунтов.

33 инцидентов, на которые авиационные системы якобы подвергались влиянию помех от пассажирских электронных устройств. 10 инцидентов, на которые он ссылается, были от предполагаемого вмешательства на борт неизвестного источника. Оставшиеся 3 доклады сделаны со ссылкой на политику об использовании пассажирских электронных устройств.

Разбивка систем самолета говорит, о пострадавших от вмешательства пассажирской электроники: навигационного оборудования (37 случаев), остальное оборудование воздушных судов и оборудование связи (9 случаев), радарный высотомер (1 инцидента) и органы управления дроссельной заслонкой (1 инцидента).

21 пассажир использовал электронные устройства, в частности, определили источники авиационных помех. Журналисты отметили помехи прекратились после того как приборы были выключены. Выявленные пассажирские электронные устройства, которые были включены:

Сотовые телефоны (4)

Портативные компьютеры (4)

Портативный AM/FM Радио Кассетный Проигрыватель (4)

Портативные Проигрыватели компакт-дисков (3)

Электронные Игры (3)

Радио HF (1)

Сердечный Монитор (1)

В одном отчете говорилось о помехах от 23 пассажиров с помощью AM/FM радио Кассетный проигрыватель.

В одном докладе говорилось о помехаха в курсо-глиссадной системе.

В двух докладах имело место использование мобильного телефона в качестве причины ошибок в азимутно-дальномерной системе навигации.

Никто из пассажиров использующих электронные устройства не имел решающее влияние на безопасность полета.

Макхью призывает к осторожности в интерпретации данных. Он имеет ограниченные статистические данные, потому что отчетность является добровольной и нет статистического понимания общей отчетности;

отчетности является субъективной и зависит от пристрастий, в том числе корреспонденты, хотят получить защиту федерального агентства авиарегулирования, что может повлиять на качество отчета.

Принимая эти противоречия, однако, АСКР собирает много больше инцидентов, чем в другие службы. И личный, субъективный характер отчеты могут обеспечить понимание проблем человеческого фактора.

Социальное и административное давление

 Физическое явление электромагнитных помех вроде бы относительно понятно. Трудно определить, конкретные случаи являются ли примерами этого явления, согласно замечаниям Димтроффа. Вопрос в том, как получить четкие примеры инцидентов связанных с ЭМИ.


Может быть, социальное и законодательное давление на людей, которые могут дать ответ на эту ситуацию. Рассмотрим следующее обстоятельство. Американские авиакомпании разрешают пользоваться только портативными электронными устройствами если известно, что они не вызывают помехи (Постановление 91.21). Как мы уж отмечали, это непрактично предъявлять устройствам жесткие требования по испытаниям, учитывая, что количество устройств на рынке, и различные режимы отдельных устройств. Предположим, что нам авиакомпания предоставляет отчеты и расследует инцидент, предположительно ЭМИ. Говорится, что авиакомпания не может, вмешиваться, в работу некоторых устройств указанных в Постановлении 91.21. Как раз, наоборот, в самом-то деле они вызвали помехи! Поэтому в то же время Постановление 91.21 запрещает использование таких устройств на борту этого самолета.

Однако в других авиакомпаниях, позволяют использовать такие устройства, и их могут легально продолжать использовать до тех пор, пока они сами не подверглись инциденту. Американская авиакомпания привередлива к отчетности связной с инцидентами причинами, которых послужили ЭМИ, так как они себя могут поставить себя в невыгодное положение, поскольку они должны запретить использование портативных электронных устройств, а также мобильных телефонов, потому что конкуренты могут разрешить их использование и как следствие переманят клиентов. Таким образом, авиалинии могут оказаться в ситуации, в которой они должны преуменьшать отчеты, так как существует риск потерять бизнес.

В Европе, многие воздушные суда и экипажи сертифицированы для применения автоматизированных процедур захода на посадку известных как Категория III, в которой автопилот, управляется согласно навигационным сигналам самолётом и он летит на посадку на всем пути к главной передаче приземления на взлетно-посадочной полосе. И как сообщается, этот инцидент, как подозревается, связан с ЭМИ созданным портативными электронными устройствами на борту, что серьезно ставит под сомнение сертификат Категории III, поскольку электронные системы воздушных судов должны быть явно высокой надежностью в целях осуществления Категории III. Авиакомпания может официально может потерять репутации, от утраты сертификата Категории III по поводу инцидента в самолете, пока проблема не будет обнаружена и устранена. Инциденты, связанные с ЭМИ, как мы уже отметили, по-видимому, очень трудно воспроизвести на земле, и можно представить себе сценарий, в котором авиакомпании не в состоянии отследить источник ЭМИ, и поэтому они не могут воспользоваться сертификатом Категории III снова. Это было бы серьезным ограничением полётов в Европе. Опять же, эта ситуация показывает потенциальные конкурентные недостатки авиакомпаний, которые принимают отчеты об инцидентах связанный с ЭМИ серьезно.

Если социальные факторы существуют для авиакомпаний, то чтобы сгладить потенциальные инциденты связанные с ЭМИ можно было бы также предусмотреть возможность давления со стороны руководства авиакомпаний на пилотов. Легко видеть, что это социальное давление может привести в целом к недоучету и ложному обнаружению инцидентов.


Наконец, командир воздушного судна несет ответственность за безопасность людей, находящихся на борту. Как Андре Бергер отметил, данная ответственность включает в себя, сведение всех потенциальных опасностей к минимуму. Таким образом, если есть подозрения ЭМИ от портативных устройств используемых пассажирами, в соответствии с этой законодательной базой, пилот сразу же просит выключить устройство полностью. Это исключает любые корреляции тестирования.


Действующая нормативная ситуация, может невольно препятствовать отчетности и расследованию подозрительных электромагнитных инцидентов, значительную роль занимают регуляторные органы, чтобы поощрять отчетность и расследование таких явлений. Я вижу пять способов для регуляторных органов, чтобы помочь в решении данного вопроса:

ограничение регулирования давление в сторону занижения и завышения отмечалось выше;

в установлении стандартов отчетности для таких инцидентов;

в обеспечении руководящих принципов и позволяющий, если не поощряя, в полете экспромт испытания летного экипажа, но фиксировать при случае влияние от пассажирской электроники;

в выработке руководящих принципов для наземных процедур тестирования, в результате этих инцидентов, возможно участие подозреваемого владельца портативной электроники;

на основе классификации докладов инцидентов,  уточнять какого рода инциденты имели проблемы технического характера, и то, как эти виды будут влиять на изменение статуса сертификации воздушных судов.

Последняя из этих мер, конечно, может быть принята лишь в регулятивной среде, в которой абсолютный запрет, например, что в Постановлении 91.21 не применяются.

Выводы

Существует множество случаев связаных с воздействием электромагнитных помех на системы самолета. Системы подвергаются тщательным стендовым испытаниям в условиях электромагнитных помех, но чтобы продемонстрировать соблюдение стандартов сертификации, по-видимому, отсутствует систематический процесс расследования и попытки воспроизвести в инциденты в полёте, хотя British Airways и АСКР ввели попытку обеспечить систематическое ведение журнала в таких отчетов, и можно предположить, отдельным авиакомпания такую меру для внутреннего использования.


Оотсутствия воспроизводимости таких инцидентов – это различия стендовых испытаний для сертификации, в котором отдельные подсистемы и тестируются независимо, и интегрированной среды самолета. В то время как весь самолет подвергаются также некоторым испытаниям при сертификации, могут существовать индивидуальные различия между воздушными судами: если схема соединений чувствительна к помехам, то самолет с более длительной эксплуатацией может быть более подвержен влиянию таких факторов, чем совершенно новые.


Хотя существуют значительные разногласия среди экспертов относительно электромагнитных помех от пассажирских электронных устройств, возникает необходимость всё более систематического тестирования, чтобы исключить разногласия. Я утверждал, что помогут некоторые изменения в нормативно-правовой среде.

Питер Ладкин