Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật trong hệ thống dẫn đường hạ cánh dải sóng m Chương 1: Tổng quan về hệ thống dẫn đường vô tuyến hạ cánh. Chương 2: Phân loại và biện pháp nâng cao tính chính xác đối với các mốc vô tuyến được sử dụng trong hệ thống hạ cánh dải sóng mét. Chương 3: Xây dựng bài toán tính hiệu độ sâu điều chế khi sử dụng mốc vô tuyến loại 2 kênh. Chương 4: Mô phỏng nguyên lý hoạt động của thiết bị xử lý trên khoang máy bay.
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ BỘ MƠN RA ĐA CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên: Hồ Phi Linh Lớp: Ra đa Ngành: Kỹ thuật Điện, Điện tử Chuyên ngành: Ra đa Khoá: 51 Tên đề tài: Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật hệ thống dẫn đường hạ cánh dải sóng m Các số liệu ban đầu: Dựa nhiệm vụ giao tài liệu tham khảo Nội dung thuyết minh: Chương 1: Tổng quan hệ thống dẫn đường vô tuyến hạ cánh Chương 2: Phân loại biện pháp nâng cao tính xác mốc vô tuyến sử dụng hệ thống hạ cánh dải sóng mét Chương 3: Xây dựng tốn tính hiệu độ sâu điều chế sử dụng mốc vô tuyến loại kênh Chương 4: Mô nguyên lý hoạt động thiết bị xử lý khoang máy bay Số lượng, nội dung vẽ sản phẩm cụ thể: Cán hướng dẫn: + Đại tá, Tiến sĩ Nguyễn Thanh Hưng - Giảng viên - Bộ môn Ra đa, Khoa Vô tuyến Điện tử - Học viện Kỹ thuật Quân + Thiếu tá, Tiến sĩ Nguyễn Thanh Sơn - Trợ giảng - Bộ môn Ra đa, Khoa Vô tuyến Điện tử - Học viện Kỹ thuật Quân Ngày giao: 24/6/2020 Ngày hoàn thành: 2/11/2020 Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Chủ nhiệm Bộ môn Cán hướng dẫn Đại tá, GVC TS Nguyễn Mạnh Cường Đại tá, GVC TS Nguyễn Thanh Hưng Học viên thực Đã hoàn thành nộp đồ án ngày tháng 11 năm 2020 Hồ Phi Linh i MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VÔ TUYẾN HẠ CÁNH 1.1 Giới thiệu chung hệ thống dẫn đường vô tuyến 1.2 Tổng quan chung hệ thống dẫn đường vô tuyến hạ cánh 1.2.1 Hệ thống hạ cánh đơn giản 1.2.2 Hệ thống hạ cánh theo đài chuẩn 1.2.3 Hệ thống hạ cánh đa 1.2.4 Hệ thống hạ cánh sử dụng mốc vô tuyến 1.2.5 Yêu cầu độ tin cậy hệ thống hạ cánh 28 Kết luận chương .29 CHƯƠNG PHÂN LOẠI VÀ BIỆN PHÁP NÂNG CAO TÍNH CHÍNH XÁC ĐỐI VỚI CÁC MỐC VƠ TUYẾN ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG HẠ CÁNH DẢI SÓNG MÉT 30 2.1 Mốc vơ tuyến cân tín hiệu 30 2.2 Mốc vô tuyến dẫn đường hạ cánh loại mốc vô tuyến tổng hiệu 38 2.3 Sơ lược hệ thống mốc vô tuyến dẫn đường hạ cánh với mốc vô tuyến sử dụng kênh 42 Kết luận chương .46 CHƯƠNG XÂY DỰNG BÀI TỐN TÍNH HIỆU ĐỘ SÂU ĐIỀU CHẾ KHI SỬ DỤNG MỐC VÔ TUYẾN LOẠI KÊNH 48 3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ xác hệ thống vơ tuyến dẫn đường hạ cánh dải sóng mét .48 3.2 Yếu tố ảnh hưởng đến hiệu độ sâu điều chế 49 3.3 Xây dựng tốn tính hiệu độ sâu điều chế sử dụng mốc vô tuyến loại kênh .52 Kết luận chương .68 ii CHƯƠNG MƠ PHỎNG NGUN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ XỬ LÝ TRÊN KHOANG MÁY BAY 69 4.1 Thành phần nguyên lí hoạt động thiết bị xử lý khoang máy bay 69 4.2 Mô nguyên lý hoạt động thiết bị khoang máy bay 70 4.2.1 Điều chế tín hiệu 71 4.2.2 Giải điều chế 73 4.2.3 Bộ tính tốn 76 Kết luận chương .78 KẾT LUẬN CHUNG 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 PHỤ LỤC 82 iii BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Viết tắt cho cụm từ GBAS Nghĩa tiếng việt Hệ thống tăng cường tín hiệu mặt đất GLONASS GLobal Orbiting Navigation Satellite Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu System GNSS Global Navigation Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn Satellite Systems cầu GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu ICAO International Civil Tổ chức hàng không dân dụng Aviation Organization giới Instrumentation Landing Hệ thống hạ cánh dải sóng mét ILS System MLS Microware Landing Hệ thống hạ cánh dải sóng Cm System БА бортовую аппаратуру Thiết bị khoang máy bay ВПП взлетно-посадочной Đường băng полосы СП системы посадки Hệ thống hạ cánh КРМ курсовой радиомаяк Mốc vô tuyến hướng ГРМ глиссадный радиомаяк Mốc vô tuyến quỹ đạo hạ cánh ШК широкого канала Kênh rộng УК узкого канала Kênh hẹp РГМ разности глубин Hiệu độ sâu điều chế модуляции РМС радиомаячные системы Hệ thống mốc vô tuyến ДН диаграмма Giản đồ hướng направленности MỞ ĐẦU Ngày nay, khoa học công nghệ giới phát triển mạnh mẽ quân đội giới Để bắt kịp nhịp phát triển quân đội nước giới, đáp ứng yêu cầu bảo vệ Tổ quốc thời đại kỹ thuật số, thông tin vô tuyến phát triển mạnh mẽ, Đảng nhà nước ta xác định cần phải đưa qn chủng Phịng khơng - khơng qn tiến thẳng lên đại, đặc biệt khơng qn Kéo theo đó, việc cải tiến thay bổ sung hệ thống hỗ trợ cho khơng qn đóng vai trị quan trọng Một hệ thống hỗ trợ hệ thống dẫn đường máy bay, đảm bảo an toàn cho chuyến bay điều kiện thời tiết xấu, điều kiện tầm nhìn hạn chế Tính từ năm 1976 đến nay, có đến 36 tai nạn máy bay quân xảy ra, chủ yếu trục trặc kĩ thuật có đến tai nạn xảy phương hướng điều kiện thời tiết xấu, có tai nạn xảy q trình hạ cánh Từ thấy tầm quan trọng hệ thống dẫn đường máy bay cần thiết Ở nước ta hầu giới sử dụng hệ thống dẫn đường hệ thống định vị GPS kết hợp với hệ thống hạ cánh dải sóng mét, hệ thống cho khả dẫn đường với độ xác cao, khơng q phức tạp chi phí khơng cao Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật, công nghệ xử lý tín hiệu ngày phổ biến cho phép việc nghiên cứu, thiết kế, cải tiến, chế tạo thiết bị thực nước Trong hệ thống dẫn đường hạ cánh, thiết bị khoang máy bay đòi hỏi nhiều đến khả xử lý số tín hiệu để cải tiến độ xác dẫn đường cho máy bay Vì vậy, tơi nghiên cứu đồ án “Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật hệ thống dẫn đường hạ cánh dải sóng mét” để làm tảng, sở cho trình nghiên cứu, hoàn thiện phát triển hệ thống hạ cánh quân đội Nội dung đồ án gồm chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống dẫn đường vô tuyến hạ cánh Chương 2: Phân loại biện pháp nâng cao tính xác mốc vô tuyến sử dụng hệ thống hạ cánh dải sóng mét Chương 3: Xây dựng tốn tính hiệu độ sâu điều chế sử dụng mốc vô tuyến loại kênh Chương 4: Mô nguyên lý hoạt động thiết bị xử lý khoang máy bay Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo, TS Nguyễn Thanh Hưng, TS Nguyễn Thanh Sơn thầy giáo môn Ra đa giúp tơi hồn thành đồ án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VÔ TUYẾN HẠ CÁNH 1.1 Giới thiệu chung hệ thống dẫn đường vô tuyến Các phương tiện vô tuyến điện tử sử dụng với mục đích dẫn đường cho đối tượng gọi hệ thống thiết bị dẫn đường vô tuyến Sự điều khiển chuyển động đối tượng từ điểm không gian đến điểm khác theo quỹ đạo định sẵn gọi dẫn đường Sự lựa chọn quỹ đạo chuyển động phụ thuộc vào công dụng loại đối tượng (máy bay hay trực thăng, tàu biển hay tàu sông, phương tiện vận tải mặt đất ) vào nhiệm vụ chúng giải (vận chuyển hành khách hay hàng hóa, thăm dị hay giám sát bề mặt đất bề mặt biển ) Nhiệm vụ dẫn đường dẫn đối tượng cách an toàn tiết kiệm thời gian nhiên liệu, đến điểm cho trước không gian (trên bề mặt đất) thời điểm xác định với độ xác định Giải nhiệm vụ này, ví dụ hàng khơng, cần có giá trị tọa độ mơ tả vị trí máy bay hay trực thăng, hướng vận tốc chuyển động (các phần tử dẫn đường chuyến bay) Người ta sử dụng hệ thống dẫn đường vô tuyến thiết bị dẫn đường vô tuyến để nhận thơng tin Vì vậy, phương tiện dẫn đường vô tuyến bảo đảm bay máy bay nay, ví dụ theo khối lượng giá thành, chiếm vài phần trăm khối lượng giá thành máy bay Ta thấy rằng, giá thành máy bay đạt tới vài chục triệu đô la Để bảo đảm an toàn, chuyến bay máy bay thực theo hành lang hàng không, khoảng cách chúng quy định nghiêm ngặt luật lệ quốc tế Với hình thành phát triển ngày mạnh mẽ hệ thống giao thông hàng không nhu cầu vận chuyển đường hàng không ngày tăng cao, dẫn đến việc gia tăng đáng kể số lượng chuyến bay dân dụng qn sự, nói mạng lưới giao thơng hàng khơng ngày trở nên phức tạp, địi hỏi cần phải tối ưu hóa vùng trời sử dụng để đảm bảo an tồn cho q trình bay Để thực chuyến bay, người tạo nhiều hệ thống khác giúp kiểm sốt tồn quy trình giảm thiểu khả xảy tai nạn Ngày nay, hàng không giới có bước tiến đáng kể việc tối ưu hóa vùng trời nhờ áp dụng phương pháp quản lý không lưu tiên tiến áp dụng tiến khoa học kỹ thuật hiên đại vào lĩnh vực thông tin dẫn đường giám sát hàng không Từ đời đến nay, hệ thống dẫn đường vơ tuyến ln chiếm vai trị quan trọng ngành vận tải hàng không tất nước giới Nhìn chung, hệ thống dẫn đường vơ tuyến phân thành loại sau: hệ thống dẫn đường toàn cầu, hệ thống dẫn đường xa dẫn đường gần, dẫn đường hạ cánh, tiếp cận ghép nối thiết bị bay, dẫn đường cảnh báo va chạm đối tượng chuyển động Hệ thống dẫn đường toàn cầu xây dựng sở hệ thống dẫn đường vệ tinh dùng để xác định vị trí với độ xác cao điểm bề mặt đất hay không gian gần mặt đất, tức thường bảo đảm vùng hoạt động toàn cầu Các hệ thống làm việc dải sóng dm hệ thống dẫn đường vơ tuyến nhiều vị trí thụ động, vị trí tức thời tính tốn theo kết xác định cự ly đến điểm dẫn đường vô tuyến Người ta lấy điểm đặt vệ tinh nhân tạo dẫn đường Trái đất quỹ đạo vào thời điểm đo làm điểm dẫn đường vô tuyến Hệ thống vô tuyến dẫn đường xa dùng để xác định vị trí tức thời thiết bị bay khoảng cách vượt cự ly nhìn thẳng Hệ thống dẫn đường xa làm việc dải sóng Km (dài) 104 mét (siêu dài) hệ thống dẫn đường vô tuyến pha nhiều vị trí thụ động Ở hệ thống này, người ta tính vị trí theo cự ly hay hiệu cự ly đến trạm chuẩn mặt đất, cự ly hoạt động chúng hàng nghìn Km Để xác định vị trí hệ thống vơ tuyến dẫn đường xa cự ly cần hai trạm chuẩn, cịn hệ thống vơ tuyến dẫn đường xa hiệu cự ly cần hai cặp trạm chuẩn Hệ thống vô tuyến dẫn đường gần chủ yếu dùng để xác định vị trí vùng nhìn thẳng trạm chuẩn mặt đất (mốc vô tuyến) làm việc dải sóng dm Vị trí đối tượng tính theo phương vị xác định trạm chuẩn đến cự ly đến trạm (hệ thống dẫn đường vơ tuyến vị trí) Để xác định phần tử dẫn đường này, hệ thống có hai kênh độc lập: kênh phương vị kênh cự ly Phương pháp xác định vị trí sử dụng hệ thống vơ tuyến dẫn đường gần tổ hợp gọi phương pháp góc – cự ly (phương vị – cự ly) Hệ thống dẫn đường hạ cánh máy bay trực thăng dùng để nhận đến máy bay thông tin độ lệch góc , thiết bị bay so với góc quỹ đạo hạ cánh cho trước Các vùng tần số dải sóng m cm chia hệ thống Để máy bay hạ cánh xuống bãi khơng có trang bị, người ta dùng hệ thống khoang kiểm soát độ cao vận tốc hạ cánh máy bay làm việc dải sóng cm Hệ thống tiếp cận ghép nối (cập bến) dùng để nhận thông tin vị trí tương hỗ, vận tốc hướng tâm, cự ly đối tượng tiếp cận giai đoạn từ bắt đầu tiếp cận đến ghép nối Các hệ thống thường làm việc dải sóng cm hay dải quang học Trong trường hợp đặc biệt dẫn đường máy bay, phương án hệ thống vô tuyến dẫn đường gần sử dụng để giải phần nhiệm vụ Hệ thống cảnh báo va chạm dùng để cấp cho tổ lái đối tượng chuyển động tín hiệu đến gần nguy hiểm máy bay không gian, tàu biển hay ô tô lệnh thực di chuyển an toàn để tránh va chạm đối tượng 1.2 Tổng quan chung hệ thống dẫn đường vô tuyến hạ cánh Hạ cánh thiết bị bay giai đoạn cuối quan trọng chuyến bay Thống kê chứng minh rằng, tai nạn hàng không xảy giai đoạn chiếm tỷ lệ lớn Cả chuyến bay chia thành nhiều giai đoạn, đó, cất cánh hạ cánh cho hai thời điểm nguy hiểm Mỗi năm, hãng Boeing thống kê vụ tai nạn máy bay phân loại xem chúng xảy vào thời điểm chuyến bay Kết từ số 71 Hình 4.4 Sơ đồ mơ thiết bị xử lý khoang máy bay 4.2.1 Điều chế tín hiệu Điều chế q trình chuyển đổi phổ tần tín hiệu cần truyền đến vùng phổ tần khác cách dùng sóng mang để chuyên chở tín hiệu cần truyền đi; mục đích việc làm chọn phổ tần thích hợp cho việc truyền thơng tin, với tần số sóng mang khác người ta truyền nhiều tín hiệu có phổ tần kênh truyền khác đường truyền * Mục đích việc điều chế: + Đối với anten, xạ lượng tín hiệu cao tần có hiệu bước sóng (tương ứng tần số) bậc với kích thước vật lý anten + Tín hiệu cao tần bị suy hao truyền khơng gian + Mỗi dịch vụ vơ tuyến có băng tần (kênh) riêng biệt Quá trình điều chế giúp chuyển phổ tín hiệu băng gốc lên băng tần thích hợp Ở mốc vơ tuyến hướng tầm tiến hành điều chế tín hiệu với tín hiệu mang tin có tần số 90Hz 150Hz tín hiệu sóng mang tùy thuộc vào loại mốc vơ tuyến Về ngun lí hoạt động mốc vơ tuyến hướng tầm tương đương nhau, ta tiến hành mô mốc vô tuyến hướng, tín hiệu sóng mang có tần số 108-112MHz, nhiên để thuận lợi cho q trình mơ phỏng, ta chọn tần số sóng mang 1080Hz 72 Hình 4.5 Mơ điều chế tín hiệu Matlab Simulink Tín hiệu chứa thơng tin tín hiệu hình sine tạo từ khối “tín hiệu 90Hz” khối “tín hiệu 150Hz” tương ứng với tần số 90Hz 150Hz, cộng với số khối “constant” sau nhân với tín hiệu sóng mang (được tạo khối “sóng mang”) trộn với thành tín hiệu điều chế tạo mốc vô tuyến hướng, sau khuếch phát xạ khơng gian qua khối “gain - khuếch đại” Các khối “gain -f1” “gain - f2” thể giá trị tín hiệu điều chế thu phụ thuộc vào vị trí máy bay so với giản đồ hướng tín hiệu điều chế 90Hz 150Hz Khối “spectrum” sử dụng để thể phổ tín hiệu theo biên độ * Ta nhận tín hiệu sau điều chế có dạng: 73 Hình 4.6 Phổ tín hiệu sau điều chế 4.2.2 Giải điều chế * Mục đích Sau thu tín hiệu điều chế cần tiến hành giải điều chế để lấy tín hiệu chứa thơng tin có tín hiệu điều chế nhận * Mơ Sau tín hiệu điều chế phát xạ khơng gian anten mốc vơ tuyến, sau tín hiệu thu đầu vào máy thu khoang máy bay, q trình mơ điều kiện lí tưởng nên tín hiệu đầu vào máy thu thiết bị khoang máy bay không thay đổi Khi nhận tín hiệu, ta tiến hành lọc tách tín hiệu điều chế 90Hz 150Hz 74 Ở đây, tín hiệu lọc tín hiệu có tần số fm+90 (1170Hz) fm+150 (1230Hz), để lọc riêng biệt tín hiệu, ta sử dụng lọc thông dải Chebyshev Ở sơ đồ mô thể khối “Bandpass”, có bậc lọc 20 Hình 4.7 Mơ hình giải điều chế tín hiệu Matlab Simulink Sau lọc tín hiệu điều chế tổng thành tín hiệu điều chế thành phần, ta tiến hành trình tách sóng biên độ Ở đây, thay sử dụng giải điều chế “AM demodulator”, ta sử dụng phép nhân tín hiệu điều chế với tín hiệu sóng mang để thay thế, sau đưa qua lọc, nhằm mục đích tách thành phần chứa phần tử 1 (thành phần mang tin tức), q trình gọi tách sóng Ta sử dụng lọc thơng dải cho q trình tách sóng biên độ, thể khối “bandpass” Tín hiệu nhận có tần số ~90Hz ~150Hz * Kết mơ thu - Tín hiệu nhận sau lọc: 75 + Tín hiệu điều chế 90Hz: tiến hành lọc thông dải khoảng tần số 1155 - 1185Hz Hình 4.8 Phổ tín hiệu thu sau lọc + Tín hiệu điều chế 150Hz: tiến hành lọc thông dải khoảng tần số 1215 - 1245Hz Hình 4.9 Phổ tín hiệu thu sau lọc - Tín hiệu nhận sau tách sóng: + Tín hiệu 90Hz: tiến hành lọc thông dải khoảng tần số 70 - 110Hz 76 Hình 4.10 Phổ tín hiệu sau tách sóng 90Hz + Tín hiệu 150Hz: tiến hành lọc thơng dải khoảng tần số 130 150Hz Hình 4.11 Phổ tín hiệu sau tách sóng 150Hz 4.2.3 Bộ tính tốn * Mục đích: Sau tách sóng, ta thu tín hiệu có chứa thơng tin, tiến hành phân tích, tính tốn để có thơng tin mong muốn, sau tính toán xong ta tiến hành so sánh kết quả, từ xác định máy bay bay lệch hay bay đúng, bay lệch lệch sang bên 77 * Mô Ở đây, ta sử dụng khối “Matlab function” làm khối xử lí thơng tin Khối có tác dụng xác định giá trị trung bình biên độ tín hiệu sau tách sóng, sau giá trị đưa qua trừ (bộ “subtract”) nhằm tính tốn kết U , so sánh U với 0, kết thu được: >0 lệch phải, 0.008 sprintf('qua trai !') elseif ddm