Sir Arthur Conan Doyle "The Adventure of Silver Blaze"

Każdy kto w ciągu ostatnich lat korzystał z usług linii lotniczych zetknął się z grzecznym acz stanowczym zakazem używania przenośnych urządzeń elektronicznych na pokładzie samolotu. A mamy tych aparacików sporo; radia, telefony komórkowe, komputery osobiste, gry elektroniczne itp. Jest tego tyle że Amerykanie ulepili zbiorcze określenie PED - portable electronic devices.
Zakaz bierze się stąd że z każdym rokiem jest coraz więcej doniesień o zakłóceniach pracy systemów pokładowych, spowodowanych przez przenośne urządzenia elektroniczne. Nic dziwnego: każdy aparat elektryczny wypromieniowuje fale elektromagnetyczne. Niektóre urządzenia robią to przy okazji, inne po prostu dzięki temu funkcjonują. Ogólnie im bardziej rozbudowane i szybciej działające urządzenie elektroniczne, tym większe prawdopodobieństwo że stanie się ono źródłem zakłóceń elektromagnetycznych. A tym samym zacznie przeszkadzać innym urządzeniom elektronicznym.
Kłopot w tym że tej elektroniki zrobiło się trochę dużo; ludzie nie wyobrażają sobie życia bez wielu rzeczy i usług które możliwe są tylko dzięki elektronice.

W rankingu przyczyn na pierwszych miejscach są telefony komórkowe, mikrokomputery i cyfrowe odtwarzacze audio.Przeciętny pasażer, któremu kazano wyłączyć komórkowca, pyta zdumiony dlaczego. A gdy dać mu powyższe wyjaśnienie od razu zarzuci nas pytaniami: A co takie fiu-bździu jak komórka może złego zrobić? Dlaczego nowoczesna elektronika jest taka czuła na samą siebie? A jak jest taka czuła, to po co jej tyle w ten samolot napchali? Dlaczego dawniej nic o tym nie było słychać? I tak dalej.

Od razu na wstępie trzeba sobie powiedzieć jasno i wyraźnie dwie rzeczy:
Po pierwsze pełnomocnikiem Pana Boga na tym świecie jest pani Fizyka. Postanowiła sobie kiedyś że jak informacja ma trafić z punktu A do punktu B to po drodze ma być do niej dodane zakłócenie. I tak jest, chociażby nie wiem co. Nawet list napisany na doskonałym papierze dociera do adresata o jakiś tam czas starszy (jak idzie pocztą to nawet sporo starszy...)
Po drugie nasz pasażer chce latać szybko, tanio i bezpiecznie. Wsiada do samolotu zasadniczo po to żeby efektywniej zarabiać pieniądze. Linie lotnicze podtykają mu samolot też po to aby zarabiać. Dlatego chcą aby samolot był trwały i możliwie tani w eksploatacji. Producent samolotu robi co możliwe i niemożliwe bo chce więcej zarobić. A osiągnie to gdy pan pasażer będzie chętniej latał jego samolotem. Jeżeli natomiast jego samolot będzie zbyt drogi, przewoźnik po prostu go nie kupi.
Wszyscy wymienieni panowie i panie skrzętnie płacą podatki, tym wyższe im lepiej zarabiają. Zatem każdy normalny* rząd też jest zainteresowany tym żeby pan pasażer więcej podróżował samolotem. Toteż raczej unika stawiania zbyt wygórowanych wymagań.

Żeby było tanio trzeba pakować coraz więcej coraz większych samolotów w tę samą przestrzeń, wyciskać jak najwięcej z techniki i z ludzi. A żeby przy tym było bezpiecznie wszystko musi być dokładnie przemyślane, w 100% sprawne i stale sprawdzane.
Najsłabszym elementem systemu jest nadal niezastąpiony człowiek. Aby był sprawny jego obciążenie należy utrzymywać w pewnych granicach. A to oznacza stale rosnącą automatyzację. Przewozy lotnicze w dzisiejszym kształcie nie mogą bez niej istnieć - quod erat demonstrandum. Tutaj możliwości zależą od technologii którą dysponujemy. Z braku lepszej alternatywy jesteśmy skazani na elektronikę.

Elektronicy, którzy też chcą zarobić, są w kropce: jedyną postacią która nie chce zarobić jest Fizyka. Ma swoje prawa i koniec. "Jeżeli chcecie żeby wasze aparaty dużo potrafiły będąc jednocześnie małymi i lekkimi", powiada, "musicie operować słabymi sygnałami. Bo jak nie, to wyzwolę w tych gratach tyle ciepełka że długo nie podziałają". Jeszcze złośliwie dogaduje że przecież lubimy zarabiać, a prąd to przecież koszty. Co racja, to racja: paliwo, grubsze przewody, a one ważą, więc znowu paliwo... Obłęd.
Toteż naukowcy tracą zdrowie próbując panią Fizykę podejść albo przekupić, a elektronicy konstruują urządzenia bardziej zawodne i wrażliwe na zakłócenia, niżby chcieli.

Dobra, koniec filozofowania. Wszyscy wiemy że włączony telefon komórkowy emituje fale radiowe nawet kiedy nic nie odbiera. Pracujący telefon GSM "sieje" w dosyć wąskim spektrum, ale za to silnie. Najlepszym dowodem na to są dodatkowe sygnalizatory wywołania, uruchamiane emisją z telefonu który odebrał wywołanie; urządzenie jest proste (a nawet prymitywne), ale działa dobre parę kroków od telefonu. Przy okazji: ochroniarzy i saperów uczy się że w okolicy gdzie może być zdalnie detonowany ładunek wybuchowy należy wyłączyć wszelkie telefony komórkowe.
W normalnych warunkach, na zewnątrz albo w pomieszczeniach, pracujący telefon nic wielkiego nie powoduje. Zgodnie z naturą fal elektromagnetycznych zakresów ultrakrótkofalowych i mikrofalowych sygnał radiowy rozchodzi się w zasadzie prostoliniowo, odbija się od ciał o dużej odbiciowości, ulega tłumieniu w gruncie, ścianach budynków oraz w wilgotnej atmosferze. Także w ludziach.
Zdarza się co najwyżej że telefon komórkowy wywoła krótkotrwały wzrost ilości błędów transmisji w lokalnej sieci komputerowej albo jakimś systemie łączności. Z reguły są one uodpornione na zakłócenia, ale też nie do końca.

Z kolei weźmy przenośny komputer, albo nawet kieszonkową grę elektroniczną. Z pozoru z radiem nic wspólnego. Ale tylko z pozoru, bo układy wewnątrz pracują na bardzo dużych częstotliwościach, rzędu setek megaherców. Prądy są słabe, ale wiele różnych przebiegów elektrycznych może nakładać się, formując zakłócenia radiowe w bardzo szerokim zakresie częstotliwości i mocy.
Jeżeli urządzonko jest nowe i sprawne przeważnie nie ma problemu. Ale wystarczy źle założona osłona z folii metalowej albo nadłamany przewód by zrobić z tego silny nadajnik radiowy. Kiedyś w jakimś serwisie laptopów widziałem pudełko pełne różnych blaszek ekranujących; nikomu nie chciało się zakładać ich z powrotem po wykonanej naprawie...
Najsilniejszym potencjalnym źródłem zakłóceń jest ekran LCD, a konkretnie ukłądy jego podświetlania. W komputerach typu laptop jest to mała lampa jarzeniowa, zasilana napięciem z wewnętrznego generatorka: około 200 V i częstotliwość rzędu 20 - 50 kHz. Małe palmtopy są podświetlane tak zwaną folią luminescencyjną. Świecąca niebiesko - zielonym światłem folia wymaga napięcia 80 V. Jak chce się dostać tyle z baterii 3 V, znowu trzeba zastosować generator wysokiej częstotliwości. Który tylko czeka aby zmienić się w nadajnik zakłóceń...

Tutaj warto spojrzeć na zestawienie wymaganych minimów sygnału radiowego dla lotniczych systemów radionawigacyjnych i dopuszczalnego poziomu zakłóceń radiowych, powodowanych przez urządzenia powszechnego użytku. Poziom zakłóceń w poszczególnych pasmach częstotliwości podany jest wg norm amerykańskich (tzw. FCC Part 15 Regulations), mierzony w odległości 3 m od urządzenia (według referatu Alberta Helfricka "Avionics & Portable Electronics: Trouble in the Air?" na Aircraft Electronics Association's Annual Convention, Nashville.)

Jak widać pasma radiowe dla urządzeń lotniczych nie podlegają jakiejś szczególnej ochronie. Konstruktorzy systemów nawigacyjnych od początku muszą liczyć się z koniecznością zapewnienia stabilnej pracy przy wysokim poziomie zakłóceń. Żeby dany system mógł być użytkowany, zarówno konstrukcja jego komponentów, jak i sama zasada działania, muszą być w dużym stopniu odporne na "tło elektromagnetyczne" współczesnego świata.

Teraz wyobraźmy sobie takie właśnie żródełko zakłóceń elektromagnetycznych, normalnie akceptowalnych, zamknięte w metalowej rurze, przez którą biegną najrozmaitsze przewody: fidery antenowe, sygnałowe, zasilające, magistrale cyfrowe. Krótko - kadłub samolotu komunikacyjnego jest wnęką rezonansową. Zakłócenia, które normalnie powinny rozchodzić się dookoła, są w nim odbijane i mogą formować spójne wiązki fal. W zależności od położenia żródła zakłóceń, przewodów, obiektów o rozmaitych własnościach zakłócenia indukują słabe sygnały pasożytnicze w przewodach i antenach.
W pewnych warunkach kadłub samolotu może działać jak antena kierunkowa. Zdarza się że wiązka fal wypromieniowana przez otwór kadłuba, np. przez okno, jest odbierana na zewnątrz z mocą większą niż by wynikało z parametrów nadajnika. Taka silna wiązka kierunkowa jest w stanie zdziałać dość dużo, może nawet interferować z sygnałami radiolatarni ścieżki schodzenia ILS. A to stwarza zagrożenie także dla innych samolotów na podejściu.

W małym samolocie sprawa wygląda nieco inaczej. Powierzchnia okien 'na głowę' jest sporo większa, elektronika jest w zwartym bloku, przewody krótsze. Do tego załoga najczęściej jednoosobowa, lot najczęściej VFR, korzysta się głównie z VOR i radiokompasu. Nic zatem dziwnego że informacje o zakłóceniach pracy systemów nawigacyjnych małych samolotów przy korzystaniu z telefonu prawie się nie zdarzają.

Sygnały pasożytnicze mogą mieć rozmaity wpływ na bezpieczeństwo lotu. W skrócie (aczkolwiek nienaukowo) można powiedzieć że ich wpływ zależy nie tyle od ich parametrów fizycznych, ile od systemu na którym pasożytują. tak więc fale elektromagnetyczne wysyłane przez rozstrojony odbiornik radiowy w jednych urządzeniach spowodują zakłócenia krótkotrwałe i pomijalne, w innych uporczywe, a w innych jeszcze wywołają mylące zafałszowanie wskazań. Albo też złośliwie pozostaną bez wpływu na cokolwiek.
Tak więc wpływ na elektronikę lotniczą jest nieprzewidywalny. Dlatego zakłócanie pracy FMS, autopilota albo systemów radionawigacyjnych jest trudne do powtórzenia w warunkach kontrolowanych. Szkodliwy wpływ może się objawić, ale nie musi.

Pasożytnicze emisje z niestarannie wykonanych przetwornic w grach i komputerach są podejrzane o wielokrotne powodowanie wyłączeń autopilota i silnego przydźwięku w łączności fonicznej. Kilkakrotnie wyjątkowo silne zakłócenia od obwodów wysokiego napięcia powodowały wyłączenie systemu zarządzania lotem.
Telefony komórkowe mogą mieć wpływ na wskazania systemu podejścia ILS. Znane są przypadki długotrwałego powodowania błędu wskazań kursu na wskaźnikach EFIS. Zdarzało się także zrywanie śledzenia GPS.
Nawiasem mówiąc zakłócenia GPSa z wnętrza samolotu są spowodowane głównie pracą ręcznych odbiorników nawigacyjnych tegoż GPS. Niedokładności ekranowania układów toru radiowego powodują emisję sygnału przypominającego sygnał użyteczny. Poziom sygnałów satelitarnych jest tu bardzo niski, zwykle poniżej poziomu szumów, więc niewiele trzeba aby "fałszywki" mogły je zniekształcić lub zagłuszyć. Podróbki bywają tak podstępne że układy kontrolne (RAIM - Receiver Autonomous Integrity Monitoring) przez jakiś czas nie sygnalizuje błędu.

Głównym powodem obaw jest kolosalna (bez przesady) różnorodność sygnałów emitowanych przez elektroniczne gadżety. Kształt, częstotliwość i moc fali zależy od rodzaju i typu urzadzenia, jego stanu technicznego i tego co akurat robi - tam wewnątrz krążą setki (albo i tysiące) szybkich sygnałów elektrycznych. Większość tych osobistych aparatów elektronicznych wykorzystuje technikę cyfrową; ich wewnętrzne sygnały mają charakter impulsowy. Do tego dochodzą czynniki takie jak konstrukcja samolotu, jego stan techniczny, rozmieszczenie pasażerów i instalacji. Wszystko to razem powoduje że po zakłóceniach elektromagnetycznych na pokładzie samolotu można się spodziewać wszystkiego.

I tutaj pojawia się jeszcze jedna kwestia; mianowicie wpływ zakłóceń od przenośnych urządzeń elektronicznych na załogę samolotu. Nawet jeżeli zakłócenia nie powodują trwalszych błędów, sama ich obecność, działanie sygnalizacji, i tym podobne atrakcje powodują pobudzenie uwagi. Nawet gdy już kłopoty ustaną, ich wpływ trwa nadal: załoga nie ma zaufania do złudnego spokoju. Nadmiar czujności powoduje zmęczenie, a co za tym idzie ograniczenie zdolności reakcji na rzeczywiste zagrożenie. Ponadto powtarzalność takich doświadczeń daje w efekcie brak zaufania do maszyny i ludzi gwarantujących jej stan techniczny.

Dawno temu obserwowałem reakcje dyżurnych na powtarzające się bez końca fałszywe alarmy radiolatarni ścieżki schodzenia ILS. Tuż przed anteną przebiegała droga; alarm w pomieszczeniu technika dyżurnego rozlegał się ilekroć przejeżdżał tamtędy samochód.
Skasowanie alarmu wymagało uniesienia do góry dźwigni przełącznika. Codziennie rano ów przełącznik był podwiązany przewodem, żeby nie trzeba było do niego chodzić. Na krótkie wrzaski brzęczyka nikt nie zwracał uwagi.

Metoda radykalnego zredukowania wszelkich zakłóceń z zewnątrz istnieje i jest znana od lat. Polega mianowicie na szczelnym zamknięciu wszelkich urządzeń elektronicznych w masywnych stalowych osłonach. A w samolocie jest to praktycznie niewykonalne. Dlatego właśnie zapobieganie zakłóceniom środkami technicznymi natrafia na duże trudności. Prewencja w postaci zakazów jest niestety nadal konieczna.
Jedyną nadzieją na poprawę jest - trochę paradoksalnie - dalsze komplikowanie pokładowych systemów elektronicznych.

_________
* - ważne !