Hệ thống giám sát tàu trong cảng hải phòng VTS đi sâu nghiên cứu anten

LỜI CẢM ƠN Trong trình làm đồ án tốt nghiệp em nhận đƣợc nhiều giúp đỡ từ phía nhà trƣờng, khoa, thầy bạn bè lớp Tất tạo điều kiện tốt để em thực đồ án Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo hƣớng dẫn Nguyễn Ngọc Sơn dạy tận tình Thầy ln giúp đỡ em trongNhờ em hiểu thêm vấn đề khó hệ thống VTS Nhờ em hồn thành đƣợc đồ án Do hiểu biết nên đồ án em nhiều thiếu sót Kính mong thầy thơng cảm TP Hải Phòng, ngày 13 tháng 12 năm 2015 Sinh viên thực Lê Quốc Anh i LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan: Những nội dụng đƣợc viết đồ án tay em thực dƣới hƣớng dẫn trực tiếp thầy giáo Th.S Nguyễn Ngọc Sơn Mọi tài liệu tham khảo em trích dẫn rõ ràng tên tài liệu, tên tác giả ngày công bố Sinh viên Lê Quốc Anh ii MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi PHẦN MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VTS – VESSEL TRAFFIC SERVICE Giới thiệu hệ thống VTS 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Mục đích hệ thống VTS Cấu trúc chức hệ thống VTS 2.1 Cấu trúc hệ thống 2.2 Chức hệ thống 2.3 Dịch vụ 3.Nguyên lý hoạt động hệ thống Hiệu hệ thống VTS khu vực cảng Hải Phòng 10 CHƢƠNG 2: RADAR TRONG HỆ THỐNG VTS 13 Tổng quan hệ thống radar hàng hải 13 1.1 Khái niệm 13 1.2 Radar hệ thống VTS 13 Đặc điểm Radar hệ thống VTS 14 Nguyên lý hoạt động Radar 16 3.1 Xung điện 16 3.2 Nguyên lý phát xung radar 17 3.3 Cơ cấu ảnh radar 17 3.4 Nguyên lý đo khoảng cách 18 3.5 Nguyên lý đo góc 20 CHƢƠNG 3: HỆ THỐNG ANTEN TRONG RADAR 22 Giới thiệu chung 22 1.1 Tổng quan 22 1.2 Các loại anten sử dụng radar 23 iii Anten hệ thống VTS 24 2.1 Giới thiệu 24 2.2 Anten quét Terma 25 Cấu tạo, đặc điểm anten quét Terma 27 3.1 Cấu tạo vật lý Anten 27 3.2.Phân cực anten 29 3.3 Tính phân tập tần số thời gian 30 3.4.Đặc tính anten 31 3.5 Tầm xa cực tiểu radar 34 Thuộc tính anten 35 4.1 Các thuộc tính 35 4.2 Dạng xạ 36 KẾT LUẬN 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 iv MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN VTS Vessel Traffic Service – Dịch vụ điều khiển lƣu thông tàu AIS Automatic Identification System – Hệ thống tự động nhận dạng SMR Surface Movement Radars - Radar giám sát bề mặt CCTV Closed Circuit Television – Hệ thống truyền hình mạch kín ULA Uniform Linear Anten – Anten đơn tuyến tính v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hình Tên hình Trang 1.1 Phòng điều khiển hệ thống VTS 1.2 Tổng quan phân hệ VTS 1.3 Sơ đồ khối hệ thống VTS 2.1 Xung điện radar 16 2.2 Đo khoảng cách radar 19 2.3 Đo góc radar 20 3.1 Anten loa 23 3.2 Trạm anten đƣợc lắp đặt 26 3.3 Các thơng số kĩ thuật anten 27 3.4 Hình dáng bên anten 27 3.5 Thiết kế Anten 28 3.6 Khối điều hƣởng Anten 28 3.7 Phân cực ngang 29 3.8 Mối quan hệ đƣờng chân trời 32 3.9 Tầm hoạt đông ba loại chùm sóng 33 3.10 Góc xạ đƣợc tạo ba loại chùm sóng 33 3.11 Thang đo cực tiêu ba loại chùm sóng 34 3.12 Góc mở ngang đứngcủa cánh sóng 36 3.13 Dạng xạ chùm sóng hình quạt 37 3.14 Dạng xạ chùm sóng hình cosecant 37 3.15 Dạng xạ chùm sóng hình đảo cosecant 38 vi PHẦN MỞ ĐẦU Hiện đất nƣớc ta trình hội nhập phát triển đƣợc nhận nhiều đầu tƣ nƣớc giới Hàng hóa đƣợc vận chuyển nhiều đƣờng nhƣ hàng khơng, đƣờng biển, đất liền nhƣng chủ yếu vận chuyển đƣờng biển Chính thế, nhiều bến cảng đƣợc nhà nƣớc nhƣ doanh nghiệp tƣ nhân xây dựng để dễ dàng giao thƣơng với nƣớc khác Có nhiều hệ thống quản lý, khai thác bến cảng nhƣng hệ thống điều khiển lƣu lƣợng giao thông tàu VESSEL TRAFFIC SERVICE – VTS đƣợc ƣa chuộng nhiều quốc gia giới sử dụng nhƣ Anh, Bồ Đào Nha Vậy Radar hệ thống VTS hoạt động lý VTS hệ thống đƣợc nhiều tin cậy đến em xin đƣợc trình bày tìm hiểu em hệ thống Xin cảm ơn thầy, cô lắng nghe em CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VTS VESSEL TRAFFIC SERVICE Giới thiệu hệ thống VTS 1.1 Giới thiệu chung Cùng với xu phát triển ngành hàng hải Việt Nam bối cảnh chung khu vực giới, việc phát triển hệ thống, trang thiết bị phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải cho phƣơng tiện vận tải đƣờng biển trở nên vấn đề cấp bách quốc gia có cảng biển Việt Nam vị trí địa lý thuận lợi nằm tuyến đƣờng hàng hải quốc tế với nhiều vịnh vũng phù hợp để làm cảng thƣơng mại Trong định hƣớng phát triển Bộ Giao thơng Vận tải việc phát triển ngành hàng hải Việt Nam xu vấn đề tiên sống Việt Nam Đi đơi với việc phát triển đội tàu vận tải việc áp dụng tiến khoa học lĩnh vực bảo đảm an toàn cho tàu biển vào cần đƣợc trọng Cảng biển khu vực Hải Phòng khu vực động nƣớc với số lƣợng tàu bè vào cảng tăng số vụ tai nạn hàng hải gia tăng dẫn đến thiệt hại lớn vật chất nhƣ ngƣời Hơn tai nạn hàng hải gây việc nhiễm môi trƣờng Để giảm thiểu thiệt hại nêu nâng cao hiệu suất làm việc cảng Hải Phòng, hệ thống quản lý, điều khiển giao thơng tàu thuyền luồng vùng biển đại ngày đƣợc đƣa vào hoạt động, hệ thống VTS Đây hệ thống thông tin góp phần đảm bảo an tồn giao thơng biển nhƣ gia tăng hiệu qủa công tác quản lý tàu thuyền khu vực cảng biển đồng thời củng cố mặt an ninh quốc phòng khu vực Biển Đơng 1.2 Mục đích hệ thống VTS VTS - Vessel Traffic Service hệ thống đại đƣợc ứng dụng nhiều công nghệ cao, công nghệ số giúp gia tăng độ tin cậy khả điều khiển giao thông tàu thuyền biển Hệ thống đƣợc trang bị, lắp đặt nhiều cảng biển quốc gia toàn giới Các thiết bị nhƣ radar, camera theo dõi, sóng điện từ tần số cực cao hệ thống nhận dạng tự động tàu thuyền AIS – Automatic Identification System đƣợc sử dụng để đeo bám, tìm vết chuyển động, di chuyển phƣơng tiện lƣu thông nhằm cung cấp thông tin đảm bảo an toàn hàng hải luồng vùng biển đƣợc giám sát Không thông tin hoạt động đèn hải đăng khu vực lƣu thông đƣợc hệ thống thông báo cho phƣơng tiện lƣu hành Hình 1.1: Phòng điều khiển hệ thống VTS Cấu trúc chức hệ thống VTS 2.1 Cấu trúc hệ thống Một hệ thống VTS đƣợc cấu thành từ nhiều hệ thống nhƣ hình 1.2 Trong hệ thống đƣợc phân thành hệ thống phải bắt buộc trang bị trạm VTS hệ thống phụ có khơng Hệ thống phụ thiết bị đƣợc lắp đặt không cần thiết cảng biển khơng có u cầu sử dụng chức thiết bị Hình 1.2: Các hệ thống VTS Trong hệ thống VTS là: -Thiết bị vô tuyến điện -Hệ thống nhận dạng tự động AIS nhằm mục đích trao đổi thơng tin trạm radar nói chung -Hệ thống dự báo thời tiết biển -Hệ thống thông tin cộng đồng -Hệ thống quản lý thông tin -Hệ thống Radar Các hệ thống phụ lắp đặt thêm dành riêng cho dự án riêng biệt là: Hình 3.2: Trạm anten lắp đặt Anten có nhiều loại mẫu để thỏa mãn nhi cầu khu vực nhƣ cách làm việc trạm radar nhƣ: 21’ HG-CP-F-38 (21 ft Circularly Polarized Fan beam antenna system) 21’ HG-HP-F-38 (21 ft Horizontally Polarized Fan beam antenna system) 21’ HG-CP-C-37 (21 ft Circularly Polarized cosec2 beam antenna system) 26 21’ HG-CP-I-37 (21 ft Circularly Polarized Inverse cosec2 beam antenna system) Trong từ viết tắt đƣợc hiêu nhƣ sau: Hình 3.3 Các thơng số kĩ thuật anten Cấu tạo, đặc điểm anten quét Terma 3.1 Cấu tạo vật lý Anten Hình 3.4 Hình dáng bên ngồi anten Cấu trúc bên ngồi anten có chiều dài 6,56 m chiều rộng 1.28m chiều cao 1,11 m chiều sâu 1m Vì nên bán kính quay anten rộng 3,3 m Anten gồm có hai phần là: - Anten để xạ sóng điện từ nhận lại tiếng dội lại nhằm phát mục tiêu Anten ống dẫn sóng thành ống có khoét khe hẹp chéo để 27 xạ sóng siêu cao tần Tất đƣợc bọc kín hộp bảo vệ để che chắn sóng gió Nhờ có cấu tạo mà anten có búp sóng lớn, búp sóng phụ hai bên nhỏ khơng có búp sóng sau lƣng anten Hình 3.5 Thiết kế Anten - Bộ phận điều hƣởng gồm động không đồng bộ, thiết bị đầu cuối, đầu nối ống dẫn sóng phận mã hóa phƣơng vị Hình 3.6 Khối điều hưởng Anten 28 Khối điều hƣởng sử dụng động điện để làm Anten quay, góc ngẩng anten đƣợc điều chỉnh tự động các encoder sau tín hiệu đƣợc truyền tới thiết bị đầu cuối để điều chỉnh anten Ngồi khối điều hƣởng có cảm ứng lƣợng dầu hệ thống để cảnh báo việc khô dầu làm ảnh hƣởng đến quay anten 3.2.Phân cực anten Anten Terma có hai loại phân cực : phân cực ngang phân cực tròn tùy vào mục đích sử dụng hệ thống mà ta lựa chọn lắp đặt cho phù hợp Phân cực ngang anten có thành phần điện trƣờng song song với mặt phẳng trái đất thành phần từ trƣờng vng góc với mặt phẳng trái đất Phân cực ngang anten có khả phát mục tiêu nhỏ cao nhƣng lại nhận tán xạ mƣa gây lớn hẳn phân cực tròn Tuy nhiên ảnh hƣởng mƣa chấp nhận đƣợc thƣờng xảy hệ thống tập trung tìm kiếm mục tiêu nhỏ Hình 3.7 Phân cực ngang 29 3.3 Tính phân tập tần số thời gian Nếu anten đƣợc lắp đặt để kết nối với máy thu phát sử dụng tần số phát khác tần số lại đƣợc phát góc độ khác sử dụng chức phân tập tần số - FD (Frequency Diversity) Cùng với việc anten quay cho ta tính phân tập thời gian, nghĩa nhiễu mục tiêu phát tần số khác thời điểm khác Bằng việc sử tính tính phân tập tần số thời gian với kết hợp so sánh tín hiệu nhận đƣợc giúp nâng cao đặc tính anten Mục tiêu đƣợc xác định rõ ràng so với nhiễu mƣa, mục tiêu nhỏ mơi trƣờng nhiễu nhờ đƣợc phát rõ trƣớc Hiệu anten quét có tần số thời gian riêng biệt để giảm biến thiên tín hiệu phản xạ từ mục tiêu mong muốn xác định, nâng cao tiêu liên quan đến nhiễu Bằng việc kết hợp xung né với nhau, hình ảnh radar trở nên sắc nét rõ ràng Các máy thu phát sử dụng đồng thời tần số khác So với việc truyền tải tần số nhất, việc sử dụng nhiều tần số với kết hợp tƣơng quan khoảng thời gian khác biệt mang lại cải tiến hiệu suất đáng kể Mục tiêu đƣợc đồng thời hiển thị lúc thay có khoảng thời gian lặp lại, thay thay đổi luân phiên tần số (đôi đƣợc gọi FD) Điều đƣợc kết hợp với kỹ thuật xử lý riêng biệt mục tiêunhờ việc xử lý mục tiêu giống nhƣ xử lý mục tiêu Các tín hiệu phản xạ trở lại, tƣơng ứng với tín hiệu có hƣớng anten giống hệt đƣợc cộng lại cách độc lập Sự khác biệt độ lệch (squint) thời gian tần số đƣợc sử dụng điều chỉnh cách chỉnh khoảng cách hoạt động góc ngẩng anten 30 Lợi ích từ phân tập tần số đạt đƣợc đầy đủ đặc tính động máy thích nghi đƣợc với thời tiết thực tế tình lộn xộn , phức tạp Do đó, độ nhạy phù hợp với mức độ nhiễu thực tế, cung cấp phát tối ƣu mục tiêu tất phạm vi tất hƣớng Một anten tuyến tính phát hai tần số khác đƣợc truyền góc độ khác (squint) với anten có khả xoay cung cấp cho đa dạng thời gian Hai tín hiệu quay trở lại đƣợc kết hợp sử dụng hoạt động độc lập điều mang lại cải tiến việc xác định nhiễu Sử dụng tính phân tập tần số làm cải tiến tính phát mục tiêu điều kiện hay so với anten khơng có góc lệch tần số (loại phản xạ) Hơn nữa, máy thu mạch xử lý có đủ dải động tất thành phần cung cấp đầy đủ độ phân giải để xử lý đa dạng tín hiệu đến từ mục tiêu nhỏ lớn tất phạm vi Điều góp phần đáng kể vào việc cung cấp hình ảnh radar sắc nét rõ ràng tất tình thời tiết Vì thế, độ phân giải cao giúp cải thiện phân biệt đƣợc nhiễu mục tiêu mong muốn cho phép xác định mục tiêu riêng biệt so với nhiễu 3.4.Đặc tính anten *Tầm xa tác dụng anten: Tầm xa anten khoảng cách lớn mà giới hạn radar xác định đƣợc mục tiêu, ảnh mục tiêu quan sát đƣợc ảnh hiển thị Mục tiêu xa radar tín hiệu dội cang yếu mục tiêu xa có sóng dội anten yếu nhƣng máy thu radar khuếch đại lên đủ lớn để thành tín hiệu mục tiêu Việc tính tốn tầm hoạt động cực đại anten phụ thuộc vào tình xảy nhƣ đặc điểm máy thu phát, lắp đặt anten, lan truyền sóng, mục tiêu cần xác định, 31 điều kiện môi trƣờng, cấu tạo mục tiêu v…v… Do bề mặt trái đất hình cầu nên tƣợng đƣờng chân trời có ảnh hƣởng đến tầm xa hoạt động anten Nếu mục tiêu không cao đƣờng chân trời sóng điện từ phát radar phản xạ từ mục tiêu trở đƣợc Con mục tiêu thấp gần radar lại tìm thấy đƣợc, radar lắp đặt vị trí cao khả phát mục tiêu xa đƣợc cải thiện anten bị lắp cao làm tăng nhiễu gây phản xạ từ biển Hình 3.8: Mối quan hệ đường chân trời Mục tiêu lớn dễ dàng bị phát khoảng cách xa nhƣng tùy thuộc vào tính phản xạ nên có khả mục tiêu nhỏ có tính phản xạ tốt đƣợc phát dễ mục tiêu lớn có tính phản xạ thấp Biểu đồ đặc tính thể tƣơng quan khác ba loại chùm sóng anten có hình dạng khác Các hiệu ứng tác dụng gây nhiễu biển nhiễu đất liền không đáng kể Sóng phát anten phản xạ đất bề mặt biển nhiễu lệch pha tín hiệu 32 Hình 3.9 Tầm hoạt đơng ba loại chùm sóng Hình 3.10 Góc xạ tạo ba loại chùm sóng Từ hình 3.9 3.10 ta thấy tầm hoạt động chùm sóng phát theo hình quạt xa có góc xạ thấp Vì thế, trạm VTS thƣờng hay sử dụng phát chùm sóng dạng để đạt đƣợc tầm xa hoạt động tối ƣu độ phân giải tốt Cách phát chùm sóng dạng cosecant đảo cosecant đƣợc sử dụng ứng dụng radar giám sát bề mặt ứng dụng để phát mục tiêu gần đất liền v…v… 33 3.5 Tầm xa cực tiểu radar Tầm xa cực tiêu radar khoảng cách gần đƣợc xác định từ mục tiêu đến radar mà radar có khả nhận biết đƣợc mục tiêu Những mục tiêu có khoảng cách gần radar khơng thể nhận biết đƣợc hay đƣợc gọi vùng chết radar Tầm xa cực tiểu phụ thuộc vào hình dạng chùm sóng phát chiều cao anten so với bề mặt trái đất Với anten Terma chùm sóng phát có dạng quạt (fan beam) đặt độ cao 100m có tầm xa cực tiểu 400m Tuy nhiên độ dài ống dẫn sóng anten máy thu phát phải đƣợc tính tốn Ta có biểu đồ tầm xa cực tiểu ba loại chùm sóng anten: Hình 3.11: Thang đo cực tiêu ba loại chùm sóng So với hai chùm sóng hình cosecant đảo cosecant hình sóng hình quạt có điểm mù hay vùng chết thấp 34 Thuộc tính anten 4.1 Các thuộc tính Thơng số đặc trƣng Giới hạn Băng tần 9.14 – 9.50 GHz Độ lợi G ≥ 37 dBi Góc mở ngang cánh sóng ≤ 0.360 Góc mở đứng cánh sóng ≤ 110 Vận tốc anten quay 10 – 40 V/Ph Độ lệch góc ~ 10 tần số khác 100 MHz Băng tần hoạt động anten có giới hạn từ 9.14 – 9.50 GHz làm cho bƣớc sóng anten bé xấp xỉ cm, bảo đảm để anten phát đƣợc vật thể đa dạng từ lớn đến nhỏ bề mặt biển phạm vi phủ sóng trạm radar, tăng khả phân giải radar Chùm sóng đƣợc phát ngồi khơng gian có góc mở ngang định điều kiện kỹ thuật không cho phép phát tập trung thành mặt phẳng Do đó, sóng phản xạ từ mục tiêu dội bị kéo rộng theo chiều ngang góc mở ngang cánh sóng Nêú hai mục tiêu cách radar cự ly nhƣng lại gần sóng phản xạ chúng bị dính vào Góc mở ngang cánh sóng góc kẹp hai điểm nửa cơng suất Góc mở ngang cánh sóng cần đủ rộng để có đủ số lƣợng sóng phản xạ lại từ mục tiêu trở đủ để ghi điểm sáng hình Mặt khác, góc mở ngang lại phải hẹp để nâng cao khả phân giải mục tiêu cách radar cự li nhƣng lại gẩn Không thê góc mở ngang rộng làm cho mục tiêu bị biến dạng theo chiều ngang Góc mở ngang cánh sóng phụ thuộc vào chiều dài anten qt băng tần radar 35 Hình 3.12: Góc mở ngang đứngcủa cánh sóng Với góc mở ngang cánh sóng ≤ 0.360 khả phân giải mục tiêu đứng gần radar đƣợc cải thiện nhiều so với trạm radar sử dụng anten thơng thƣờng Góc mở đứng cánh sóng có giá trị ≤ 110 giúp cho chùm sóng xạ đƣợc tập trung nhiều hơn, nâng cao tầm xa hoạt động radar Tốc độ quay anten 10 – 40 V/Ph cải thiện nhiều so với anten cũ, đáp ứng đầy đủ điều kiện tốc độ quay đủ nhanh để liên tiếp nhận tín hiệu phản hồi mục tiêu trì đƣợc hình dạng mục tiêu hình hiển thị Độ lợi G đặc trƣng cho khả tập trung lƣợng xạ anten hƣớng phát (trong búp phát) Với độ lợi ≥ 37 dBi cho ta thấy khả tập trung lƣợng anten hƣớng phát lớn 4.2 Dạng xạ Ta có vùng xạ ba dạng sóng phát anten hình quạt, cosecant đảo cosecant có hình dạng nhƣ sau: 36 Hình 3.13: Dạng xạ chùm sóng hình quạt Nhƣ ta thấy dạng xạ chùm sóng phát nhau, búp sóng tập trung nhiều lƣợng xạ búp sóng phụ có lƣợng xạ nhỏ nên ảnh tạo búp sóng phụ hầu nhƣ bị triệt tiêu ảnh mục tiêu hiển thị radar rõ nét, phù hợp cho hệ thống VTS Hình 3.14: Dạng xạ chùm sóng hình cosecant 37 Hình 3.15: Dạng xạ chùm sóng hình đảo cosecant Khác với chùm sóng xạ dạng quạt chùm sóng xạ anten có dạng cosecant đảo cosecant có lƣợng xạ búp sóng phụ lớn nên phù hợp hệ thống khác 38 KẾT LUẬN Hệ thống VTS hệ thống đại có nhiều chức quản lý giao thông đƣờng biển, giúp hạn chế giảm thiểu tai nạn khơng đáng có mà xảy q trình giao thơng biển Cảng Hải Phòng đƣợc lắp đặt hệ thống thu hút đƣợc nhiều tàu bè toàn giới cập cảng nhờ an toàn đáng tin cậy hệ thống VTS 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO T.S Trần Đức Inh, Giáo trình định vị dẫn đƣờng hàng hải, 2008 Terma,SCANTER 5202 VTS & CSS Radar, 24/1/2012 Terma,21 feet High Gain Antena System,14/8/2012 “Hệ thống dịch vụ lƣu thông tàu - VTS”, www.clbthuyentruong.com “VTS- hệ thống kiểm soát lƣu thông biển” www.vishipel.com.vn 40 ... trúc chức hệ thống VTS 2.1 Cấu trúc hệ thống Một hệ thống VTS đƣợc cấu thành từ nhiều hệ thống nhƣ hình 1.2 Trong hệ thống đƣợc phân thành hệ thống phải bắt buộc trang bị trạm VTS hệ thống phụ... Recorder) Ngoài hệ thống đƣợc trang bị thêm máy tính để xem lại lịch sử tín hiệu loan báo hệ thống Hiệu hệ thống VTS khu vực cảng Hải Phòng Hệ thống quản lý hàng hải VTS luồng vào cảng Hải Phòng có... Hiệu hệ thống VTS khu vực cảng Hải Phòng 10 CHƢƠNG 2: RADAR TRONG HỆ THỐNG VTS 13 Tổng quan hệ thống radar hàng hải 13 1.1 Khái niệm 13 1.2 Radar hệ thống VTS