Nghiên cứu triển khai công nghệ ADSB trong giám sát hàng không dân dụng tại Việt Nam (Luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu triển khai công nghệ ADSB trong giám sát hàng không dân dụng tại Việt NamNghiên cứu triển khai công nghệ ADSB trong giám sát hàng không dân dụng tại Việt NamNghiên cứu triển khai công nghệ ADSB trong giám sát hàng không dân dụng tại Việt NamNghiên cứu triển khai công nghệ ADSB trong giám sát hàng không dân dụng tại Việt NamNghiên cứu triển khai công nghệ ADSB trong giám sát hàng không dân dụng tại Việt NamNghiên cứu triển khai công nghệ ADSB trong giám sát hàng không dân dụng tại Việt NamNghiên cứu triển khai công nghệ ADSB trong giám sát hàng không dân dụng tại Việt NamNghiên cứu triển khai công nghệ ADSB trong giám sát hàng không dân dụng tại Việt NamNghiên cứu triển khai công nghệ ADSB trong giám sát hàng không dân dụng tại Việt NamNghiên cứu triển khai công nghệ ADSB trong giám sát hàng không dân dụng tại Việt NamNghiên cứu triển khai công nghệ ADSB trong giám sát hàng không dân dụng tại Việt Nam

ĐỒNG GIANG NAM

NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI CÔNG NGHỆ ADS-B TRONG GIÁM SÁT HÀNG KHÔNG DÂN DỤNG

TẠI VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI – 2019

-

ĐỒNG GIANG NAM

NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI CÔNG NGHỆ ADS-B TRONG GIÁM SÁT HÀNG KHÔNG DÂN DỤNG

TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

(Ký và ghi rõ họ tên)

Đồng Giang Nam

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng cám ơn các thầy cô giáo đã tạo điều kiện cho tôi một môi trường học tập tốt, đồng thời truyền đạt cho tôi một vốn kiến thức quý báu, một tư duy khoa học để phục vụ cho quá trình học tập và công tác của tôi Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong lớp Cao học Kỹ thuật viễn thông M17CQTE01-B khóa 2017- 2019 đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập vừa qua

Đặc biệt, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Đặng Hoài Bắc đã tận tình chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu, giúp tôi có nhận thức đúng đắn về kiến thức khoa học, tác phong học tập và làm việc, tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Đồng Giang Nam

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH SÁCH HÌNH VẼ v

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT HÀNG KHÔNG DÂN DỤNG 2

1.1.Giới thiệu chung về hệ thống giám sát hàng không 2

1.1.2 Rada sơ cấp (PSR – Primary Surveillance Radar) 5

1.2.3 Radar thứ cấp (SSR – Secondary Surveillance Radar) 5

1.2 Cấu trúc một hệ thống giám sát hàng không 9

1.3 Đặc điểm và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng giám sát hàng không 13

1.3.1 Đường chân trời 13

1.3.2 Các yếu tố thời tiết ảnh hướng đến tín hiệu giám sát 13

1.3.3 Sự can nhiễu tần số vô tuyến điện 14

1.3.4 Các trang thiết bị kĩ thuật 14

1.4 Các công nghệ giám sát trong hàng không dân dụng 14

1.4.1 Công nghệ radar 15

1.4.2 Công nghệ Multilateration 18

1.4.3 Công nghệ ADS-B 19

1.5 Tổng kết chương 20

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ ADS-B TRONG GIÁM SÁT HÀNG KHÔNG 21

2.1 Nguyên lý hoạt động của ADS-B 21

2.1.1 Universal Access Transceiver 23

2.1.2 VDL mode 4 23

2.1.3 1090ES 23

2.2 Các thành phần trong hệ thống ADS-B 25

2.2.1 Hệ thống ADS-B IN 25

2.2.2 Hệ thống ADS-B "OUT" 26

2.2.3 Hệ thống các trạm thu ADS-B mặt đất 28

2.3 Các trường bản tin trong hệ thống ADS-B 30

2.3.1 Một số trường bản tin 30

2.3.2 Các ứng dụng khai thác ADS-B 31

2.4 Xử lý tín hiệu giám sát trong hệ thống ADS-B 35

2.4.1 Hệ thống phát 1090 MHz ADS-B bên nguồn (source) 36

2.4.2 Hệ thống thu 1090 MHz ADS-B & TIS-B 37

2.4.3 Các đặc điểm hoạt động chính 39

2.5 Kết luận chương 41

CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI HỆ THỐNG ADS-B TRONG HÀNG KHÔNG DÂN DỤNG TẠI VIỆT NAM 42

3.1 Đặt vấn đề 42

3.2 Mô hình triển khai hệ thống 44

3.2.1 Điểm đặt trạm 44

3.2.2 Nguồn điện 45

3.2.3 Công suất và tầm phủ 46

3.2.4 Yếu tố con người 47

3.2.5 Điều khiển từ xa và đồng bộ dữ liệu với hệ thống hiện tại 48

3.2.6 Các hạng mục cần đầu tư 50

3.2.7 Giải pháp lắp đặt 50

3.3 Đánh giá thực tế hệ thống sau khi triển khai 51

3.4 Kết luận chương 54

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tầm phủ của radar thứ cấp tại Việt Nam Nguồn: Google Earth và phần

mềm Radio mobile 2

Hình 1.2 : Ảnh minh họa màn hình radar đặt tại vị trí giám sát , trung tâm hiệp đồng điều hành bay 4

Hình 1.3 : Tín hiệu hỏi của máy bay 6

Hình 1.4 : Tín hiệu trả lời của máy bay 7

Hình 1.5: Giản đồ bức xạ của anten trong radar thứ cấp 9

Hình 1.6 : Mô hình trung tâm xử lý tín hiệu radar tại Hà Nội và Tân Sơn Nhất 10

Hình 1.7 Mô tả tầm phủ của hệ thống radar sơ, thứ cấp tại 2 vùng thông báo bay FIR Hà Nội và FIR Hồ Chí Minh 11

Hình 1.8 Các trạm radar sơ cấp, thứ cấp tại Việt Nam 12

Hình 1.9: Mô tả hoạt động của radar 15

Hình 1.10 : Sơ đồ hệ thống radar sơ cấp 16

Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống Radar thứ cấp 17

Hình 1.12: Sơ đồ hệ thống Multilateration 18

Hình 1.13: Mô tả hoạt động hệ thống ADS-B 19

Hình 2.1: Các thành phần của hệ thống ADS-B 1090 MHz 25

Hình 2.2 : Hệ thống ADS-B IN 26

Hình 2.3: Cấu trúc bản tin Extended squitters 27

Hình 2.4: Hệ thống ADS-B "OUT" 27

Hình 2.5 : Bức tranh tổng quan về hệ thống ADS-B hiện tại và tương lai 28

Hình 2.6 : Cấu hình trạm ADS-B mặt đất đơn 29

Hình 2.7 Quy mô của hệ thống 1090 MHz TIS-B và các thành phần chính 36

Hình 2.8 : Cấu trúc bản tin ADS-B 40

Hình 3.1 Một số đường bay tại FIR Hồ Chí Minh 43

Hình 3.2 : Anten ADS-B và anten Radar 44

Hình 3.3 : Tầm phủ của hệ thống radar hiện nay tại FIR Hồ Chí Minh 47

Hình 3.4 Tổng hợp dữ liệu của hệ thống giám sát 49

Hình 3.5 : Tầm phủ của hệ thống radar sơ cấp và thứ cấp FIR Hồ Chí Minh 52

Hình 3.6 Tầm phủ của hệ thống radar và ADS-B sau khi được triển khai 53

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ABAS Aircraft-Based Argumentation

ACAS Airbone Collision Avoidance

Surveillance - Broadcast

Hệ thống giám sát tự động phụ thuộc quảng bá

Surveillance – Contract

Hệ thống giám sát tự động phụ thuộc – hợp đồng

CDTI Cockpit Display of Traffic

DGPS Differential Global Position Hệ định vị toàn cầu vi sai

FIR Flight Information Region Vùng thông báo bay

FIS-B Flight Information Service –

FMS Flight Management System Hệ thống quản lý bay

GBAS Ground-Based Argumentation

GLONASS GLObal Navigation Satellite

System

Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu

GNSS Global Navigation Satellite

System

Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu

GPS Global Position System Hệ định vị toàn cầu

ICAO International Civil Aviation

Organization

Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế

IFR Instrument Flight Rules Các quy tắc bay dựa vào thiết bị

NDB Non-Directional Beacon Thiết bị dẫn đường toàn hướng

PRM Precision Runway Monitoring Giám sát đường lăn chính xác

PSR Primary Surveillance Radar Radar sơ cấp

SSR Secondary Surveillance Radar Radar thứ cấp

TACS Traffic Alert and Collision

Avoidance System Hệ thống cảnh báo và tránh va trạm

TIS-B Traffic Information Service –

Broadcast

Dịch vụ thông báo giao thông quảng bá

UTC Universal Time Coordinated Đồng hồ thời gian chuẩn toàn cầu

MỞ ĐẦU

Để có những chuyến bay an toàn, điều hòa, hiệu quả thì công tác quản lý không lưu phải được tổ chức, phối hợp hiệp đồng và thực hiện rất nghiêm ngặt và chính xác Trong ngành Quản lý bay thì giám sát tàu bay đóng vai trò quan trọng là nhân tố quyết định chất lượng dịch vụ không lưu trong ngành hàng không

Trải qua nhiều năm xây dựng và phát triển, đến nay công tác điều hành bay ở Việt Nam đã có những cải thiện tích cực Thông tin liên lạc đã gần như phủ kín 2 vùng thông báo bay Hà Nội và Hồ Chí Minh; Các đài dẫn đường được trải dài từ Bắc đến Nam; Các đài radar được bố trí tại những điểm thích hợp đã giúp cho kiểm soát viên không lưu có thể quan sát tương đối tốt trong các vùng thông báo bay Tuy vậy, các hệ thống hiện tại (đặc biêt là hệ thống giám sát) cũng đã bộc lộ một số hạn chế đòi hỏi phải có những công nghệ tiến bộ hơn nữa nhằm đảm bảo cho yêu cầu an toàn bay ngày càng cao với mật độ ngày một đông đúc hơn

Luận văn cao học này nhằm đưa ra giải pháp để cải thiện chất lượng dịch vụ giám sát hàng không hiện tại Là người công tác trong lĩnh vực hàng không, qua thời gian nghiên cứu, tìm hiểu thực tế, tôi đã mạnh dạn đề suất giải pháp triển khaicông nghệ ADS-B trong giám sát hàng không dân dụng tại Việt Nam

Luận văn được trình bày gồm 03 chương với những nội dung chủ yếu sau:

- Chương 1: Tổng quan về hệ thống giám sát hàng không dân dụng

- Chương 2: Công nghệ ADS-B trong hệ thống giám sát hàng không

- Chương 3: Triển khai hệ thống ADS-B trong hàng không dân dụng tại Việt Nam Trong quá trình thực hiện luận văn không tránh khỏi những thiêu sót, tôi mong muốn nhận được nhiều ý kiến đóng góp để luận văn được hoàn thiện và có tính thực tiễn cao hơn nữa Qua lời mở đầu này, tôi xin được gửi lời trân trọng cảm

ơn tới PGS.TS Đặng Hoài Bắc và đội ngũ cán bộ cùng đồng nghiệp đã giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT

HÀNG KHÔNG DÂN DỤNG 1.1.Giới thiệu chung về hệ thống giám sát hàng không

Hệ thống giám sát hàng không là hệ thống cung cấp các thông tin về máy bay ( số hiệu, độ cao, vận tốc ) giúp cho kiểm soát viên không lưu ( KSVKL) nhìn, giám sát được vị trí tàu bay

Hệ thống giám sát sử dụng chủ yếu là các thiết bị Radar ( Radio Detection and Ranging) Radar là thiết bị thu phát vô tuyến điện Truyền sóng theo đường thẳng , phát và thu xung tín hiệu

Hình 1.1 Tầm phủ của radar thứ cấp tại Việt Nam Nguồn: Google Earth và phần

mềm Radio mobile [8]

Ứng dụng , phân loại theo chức năng :

- Radar Đường dài En-route: Thường đặt trên núi cao để có tầm phủ rộng , không bị núi, đồi và các chướng ngại vật che khuất Đặt xa trung tâm để có tầm phủ tối đa , phủ đến vùng xa của FIR Trong vùng FIR thường đặt nhiều

Radar để đảm bảo tầm phủ chồng lấn ( overlap), đồng thời đảm bảo khả năng

dự phòng khi thiết bị trục trặc hoặc để bảo trì , bảo dưỡng , sửa chữa Tầm phủ 400-450km, tốc độ quay 6 vòng/phút

- Radar tiếp cận, tại sân – Airport radar : Đặt trong phạm vi sân bay , sao cho nhìn thấy tàu bay cất , hạ cánh trên đường băng Tầm phủ 60-80km , tốc độ quay 12 vòng/phút

- Radar kiểm soát mặt sân – Surface Movement Radar (SMR) : thường đặt trên đỉnh đài chỉ huy (TWR), khoảng 40-80m, gần khu vực trung tâm đường lăn ( taxiway) và sân đỗ (apron) để kiểm soát viên không lưu quan sát được hoạt động của các tàu bay và các loại xe cộ khác trong khu vực Tầm phủ 5

km, tốc độ quay 60 vòng/phút

Nguyên tắc giám sát : Tín hiệu Radar ( mục tiêu là tàu bay chuyển động ) được truyền về trung tâm điều hành ( có thể xa hàng trăm, hàng nghìn kilomet ) để hiển thị vị trí tàu bay trên màn hình cho kiểm soát viên không lưu giám sát Trên màn hình có sẵn bản đồ , các đường bay ( phần cố định ) kiểm soát viên không lưu xác định được tên chuyến bay ( VD: VNA792) , độ cao kiểm soát viên không lưu giám sát sự di chuyển của tàu bay có theo đường bay định trước hay không và phân cách

so với các tàu bay khác , với các chường ngại vật khác

Hình 1.2 : chỉ ra vị trí tàu bay hiện có trong vùng thông báo bay Hà Nội , toàn màn hình sẽ chỉ ra các vị trí tức thời của các tàu bay trong cả 2 vùng thông báo bay FIR Hà Nội và FIR Hồ Chí Minh Các máy bay nằm trong tầm phủ của hệ thống giám sát ( có thể chưa vào lãnh thổ Việt Nam ) cũng được thể hiện để KSVKL thấy được rõ ràng , sẵn sàng nhận bàn giao của nước bạn về tàu bay sắp vào lãnh thổ

Hình 1.2 : Ảnh minh họa màn hình radar đặt tại vị trí giám sát , trung tâm hiệp đồng

điều hành bay Nguồn : VNAIC Việt Nam [17]

Phân loại theo nguyên lý hoạt động có hai loại là Radar sơ cấp và Radar thứ cấp Hiện nay tổng công ty Quản lý bay Việt Nam đang sử dụng các loai radar sơ cấp, thứ cấp của các hãng Alenia và Thomson

SSR Alenia SIR-M

SSR Thomson RSM 970

SSR Thomson RSM 970

1.1.2 Rada sơ cấp (PSR – Primary Surveillance Radar)

Hệ thống radar sơ cấp đảm bảo việc phát hiện mục tiêu (máy bay) và tiền xử

lý các thông tin thu được và chuyển tới trung tâm điều hành

Nguyên lý hoạt động: Dựa trên nguyên tắc phản xạ tín hiệu Hệ thống Radar phát tín hiệu xung Một phần năng lượng phản xạ (thụ động) từ mục tiêu được máy thu của radar thu về Hệ thống xử lý, tính toán xác định được vị trí mục tiêu:

+ Góc phương vị (azimuth) nhờ biết vị trí của anten so với phương Bắc;

+ Cự ly đến mục tiêu tàu bay, nhờ đếm được tổng thời gian đi và về từ mục tiêu Đặc điểm:

+ Tầm phủ phụ thuộc công suất phát: 80 NM đối với Radar Tiếp cận, 150 NM đối với Radar đường dài

+ Cần công suất phát lớn

+ Công nghệ đòi hỏi chính xác, giá thành cao

Trong cả nước hiện có 3 trạm radar sơ cấp đặt tại Nội Bài, bán đảo Sơn Trà

và Tân Sơn Nhất

1.2.3 Radar thứ cấp (SSR – Secondary Surveillance Radar)

Radar giám sát thứ cấp được dùng để nhận dạng máy bay Không giống như radar sơ cấp, radar giám sát thứ cấp đòi hỏi có sự tham gia tích cực của máy bay Vì

lý do này, trên máy bay có trang bị một thiết bị trả lời được gọi là “máy trả lời ” Nguyên lý hoạt động của radar giám sát thứ cấp :

Radar giám sát thứ cấp phát hỏi máy bay bằng các chuỗi xung tạo thành câu hỏi còn gọi là “mode hỏi” Máy trả lời trên máy bay giải mã tín hiệu hỏi và phát trả lời lại bằng các chuỗi xung tạo thành tín hiệu trả lời dưới dạng mã trả lời

Các thông tin trả lời có thể mang dữ liệu về độ cao của máy bay hoặc tín hiệu nhận dạng tên máy bay

SIR-M là hệ thống radar thứ cấp kênh đôi đang dùng tại Việt Nam Mỗi kênh gồm có một máy phát lập trình được, một máy thu monopulse, một khối tích hợp controller/ extracter, một bảng điều khiển và một khối nguồn Ngoài ra còn có khối

changeover dùng chung cho hai kênh để chuyển đổi giữa hai kênh trong cấu hìnhhoạt động có dự phòng (hot stanby)

SIR-M có đầy đủ các tính năng của một radar thứ cấp đơn xung hiện đại như:

độ chính xác về cự ly và góc phương vị cao, công suất phát có thể lập trình được theo từng góc phương vị, được trang bị hệ thống BITE, v.v…

Tín hiệu cao tần được tạo bởi dao động thạch anh sau đó được điều chế tại máy phát bằng tín hiệu định thời lấy từ khối controller/extractor Các xung tín hiệu hỏi cao tần P1, P2 và P3 sau khi đã điều chế được gửi tới RF switch để tách riêng cặp xung P1, P3 ra từ P2 Cặp xung P1, P3 được gửi đến kênh ∑ trong khi xung P2 được gửi tới kênh Ω Tín hiệu từ một trong hai kênh đang hoạt động (tùy thuộc vào trạng thái của change-over) sẽ được truyền tới antenna thông qua bộ nối coupler và phát ra ngoài không gian

Hình 1.3 : Tín hiệu hỏi của máy bay Nguồn : [10]

Việc phát hỏi máy bay được thực hiện bằng các xung hỏi P1 và P3.Thời gian giữa các xung này thay đổi tùy theo mode hỏi Khoảng thời gian giữa P1 và P2 cố định Xung P2 này giữ nhiệm vụ quan trọng trong việc nén cánh sóng phụ

Tín hiệu trả lời thu được từ máy bay được truyền tới khối change-over Sau

đó thông qua bộ nối coupler tín hiệu sẽ được gửi tới máy thu để khuếch đại và tách

sóng Xung hỏi được phát đi sẽ kích hoạt máy trả lời trên máy bay Có hai loại máy trả lời được sử dụng trong radar giám sát thứ cấp là loại I và G

Các loại máy trả lời này thông qua tín hiệu trả lời cung cấp thông tin về vị trí,

độ cao của máy bay và một số thông tin nhận dạng phụ khác (Hình 1.10) mô tảmột mẫu tín hiệu tín hiệu trả lời của máy bay

Hình 1.4 : Tín hiệu trả lời của máy bay Nguồn [10]

Tất cả các tín hiệu trả lời được theo một dạng thức: khung xung F1 cách khung xung F2 một khoảng thời gian là 20.3µs

Giữa hai khung xung này có thể có 12 xung cách đều nhau Như vậy số mã trả lời có thể lập nên là 212 = 4096 mã trả lời

Radar giám sát thứ cấp sử dụng anten có tính định hướng cao Giản đồ bức xạ của một anten như vậy được chỉ ra trong hình 1.5 gồm :

- Một cánh sóng chính hẹp, có độ lợi rất cao

- Rất nhiều cánh sóng phụ có độ lợi thấp

Như vậy có hai nguy cơ xảy ra :

- Máy trả lời trên máy bay sẽ trả lời tín hiệu hỏi nhận được từ cánh sóng phụ của anten (hình 1.5)

- Tín hiệu trả lời của máy bay cũng được thu bởi anten trên cánh sóng phụ (hình 1.5)

Với hai nguy cơ trên thì trong trường hợp nào trục anten cũng không tương ứng với hướng của máy bay Như vậy sẽ dẫn đến việc định vị sai

Các nguy cơ này có thể được giảm thiểu bằng các biện pháp sau đây:

- Trong quá trình hỏi, nếu máy trả lời nhận được tín hiệu hỏi ở cánh sóng phụ của anten phát hỏi thì không trả lời

- Trong khi thu, máy thu dưới mặt đất sẽ tách các tín hiệu trã lời thu được ở cánh sóng phụ và không xử lý các tín hiệu này

Khi hai máy bay giao cắt nhau, tín hiệu trả lời của chúng sẽ bị chồng lên nhau Tương tự như vậy, khi tín hiệu trả lời bị phản xạ lại từ chướng ngại vật, nó sẽ đến máy thu với thời gian trễ hơn đường tín hiệu đi thẳng, sẽ làm hai tín hiệu này bị trộn lẫn nhau, gây ra khó khăn trong việc phân tích tín hiệu của các hệ thống có liên quan

Tín hiệu ra từ máy thu là dạng tín hiệu “raw video” sẽ được gửi tới khối controller/extractor

Khối controller/extractor có khả năng xử lý nhanh các tín hiệu vào, phân tích

và định dạng chúng rồi truyền tới mạng LAN

Mạng LAN được nối tới bộ xử lý trung tâm RHP (Radar Head Processor) Tại đây tín hiệu sẽ được xử lý quỹ đạo (tracking) và phối hợp với tín hiệu của radar sơ cấp (nếu có)

Radar thứ cấp có tần số phát 1030 MHz, thu 1090 MHz Công suất phát nhỏ hơn radar sơ cấp Tầm phủ theo tầm nhìn thẳng, tối đa 250 NM (450 km) Hiện nay, tại Tổng công ty Quản lý bay Việt Nam, hệ thống radar thứ cấp đặt tại 6 trạm là Nội Bài, Vinh, Đà Nẵng, Quy Nhơn, thành phố Hồ Chí Minh và Cà Mau

Hình 1.5: Giản đồ bức xạ của anten trong radar thứ cấp Nguồn :[10]

1.2 Cấu trúc một hệ thống giám sát hàng không

Như phần 1.2.1 đã nêu, trong ngành hàng không dân dụng Việt Nam, hệ thống giám sát có bao gồm hệ thống radar sơ cấp và thứ cấp đặt tại các đài, trung tâm trên khắp cả nước bao gồm hệ thống radar sơ cấp: Nội Bài, Đà Nẵng, Tân Sơn Nhất; hệ thống radar thứ cấp đặt tại Nội Bài, Vinh, Đà Nẵng, Quy Nhơn, Tân Sơn Nhất và Cà Mau

Số liệu giám sát từ các trạm radar sơ cấp, thứ cấp được truyền về trung tâm xử

lý dữ liệu (RDP/FDP – Radar Data Proccessing / Flight Data Proccessing) qua phương tiện truyền dẫn là thuê kênh truyền bưu điện hoặc cáp quang hoặc VSAT

(các kênh truyền này dự phòng lẫn nhau) Tín hiệu tổng hợp từ một trong 2 trung tâm này sẽ được hiện lên màn hình kiểm soát viên không lưu và các vị trí có liên quan, nhờ đó KSVKL có đầy đủ thông tin giám sát các hoạt động bay trên vùng không phận được quản lý

Hình 1.6 chỉ ra sơ đồ liên kết tổng quát của trạm radar sơ, thứ cấp Sơn Trà, Vinh và Tân Sơn Nhất với trung tâm xử lý tín hiệu đặt tại Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh Với hệ thống đường truyền phong phú (thuê kênh bưu điện, VSAT, cáp quang) dự phòng lẫn nhau, hệ thống luôn đảm bảo không bị ngắt quãng dữ liệu, phục vụ tốt cho công tác điều hành bay an toàn

Hình 1.6 : Mô hình trung tâm xử lý tín hiệu radar tại Hà Nội và Tân Sơn Nhất

Nguồn [17]

Hình 1.7 Mô tả tầm phủ của hệ thống radar sơ, thứ cấp tại 2 vùng thông báo bay FIR Hà Nội và FIR Hồ Chí Minh Nguồn VNAIC Việt Nam [17]

Dễ nhận thấy phần FIR Hà Nội đã được phủ hoàn toàn, còn một phần phía Đông - Nam FIR Hồ Chí Minh hiện nay radar vẫn chưa phủ tới, điều này ảnh hưởng

đến chất lượng của dịch vụ không lưu tại Việt Nam, đặc biệt FIR phía Hồ Chí Minh

có tần suất bay chiếm hơn 80% trên tổng số chuyến bay quá cảnh và đi đến của Việt Nam Hơn nữa, mật độ bay tại FIR Hồ Chí Minh ngày càng tăng cao do có những đường bay từ Băng Cốc đến Quảng Châu như các đường A1, L642, M711, N892 và L625

Thực tế đó đòi hỏi phải nâng cao chất lượng giám sát, đảm bảo 100% diện tích trong vùng FIR Việt Nam quản lý đều phải được giám sát Đây cũng chính là lý do dẫn đến hướng nghiên cứu của luận văn này

Hình 1.8 Các trạm radar sơ cấp, thứ cấp tại Việt Nam Nguồn VNAIC Việt Nam [17]

1.3 Đặc điểm và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng giám sát hàng không

1.3.1 Đường chân trời

- Sự ảnh hưởng của khí quyển lên đường chân trời của tín hiệu giám sát là một yếu tố đánh giá khả năng phát hiện một mục tiêu nào đó và đặc biệt là các đường bờ biển

- Tầm xa của đường chân trời tùy thuộc vào độ cao của anten và độ bẻ cong sóng radar Sự bẻ cong này gây ra sự nhiễu xạ và khúc xạ Sự nhiễu xạ là đặc tính vốn

có của sóng điện từ Khúc xạ là tùy vào điều kiện khí quyển nào đó

1.3.2 Các yếu tố thời tiết ảnh hướng đến tín hiệu giám sát

- Trong trường hợp có mưa , các phần tử nước mưa trong mưa sẽ tác động làm phân tán và suy hao Sự phân bố lượng mưa có ảnh hưởng đến mức độ suy hao tín hiệu giám sát

- Nếu kích thước hạt mưa có tỉ lệ đáng kể với bước sóng 3cm , thì sự cản trở xung dội mạnh sẽ sinh ra tán xạ suy hao Nếu mục tiêu nằm trong vùng có mưa , xung dội từ đó sẽ bị suy giảm và ảnh hưởng đến tầm hoạt động của radar

- Nếu có trận bão mạnh , hình ảnh của radar có khả năng bị xóa sạch vì cường độ suy hao quá lớn làm mất tín hiệu giám sát

Sương mù :

- Trong hầu hết trường hợp có sương mù , các xung phản hồi radar không thật

sự chịu ảnh hưởng Nhưng ở các vùng có sương mù dày đặc có thể khiến sự

suy hao đến tầm hoạt động của radar làm giảm vùng giám sát

Mây

- Hình dạng hạt nước tạo thành đám mây quá nhỏ để tạo ra sự đám ứng đối với tín hiệu ở bước sóng 3cm Nếu có một lượng mưa trong đám mây , người khai thác giám sát có thể thấy nó như một mục tiêu trên màn hình radar gây

ra sai lệch tín hiệu giám sát

Mưa đá

- Xét về khía cạnh nước , mưa đá về cơ bản là các hạt mưa đóng băng phản xạ năng lượng tín hiệu giám sát ít hơn so với nước Vì vậy trong thực tế độ suy hao tín hiệu giám sát từ mưa đá thấp hơn so với mưa thường

Bụi

- Bụi cũng làm ảnh hưởng đến tầm hoạt động của radar gây ra giảm tầm giám sát Các phần tử bụi có kích thước khác nhau có thể gây ra sai lệch với tín hiệu giám sát

1.3.3 Sự can nhiễu tần số vô tuyến điện

Hệ thống giám sát hàng không cũng giống như các hệ thống vô tuyến điện

khác Các thiết bị giám sát cũng bị ảnh hưởng can nhiễu bởi một hoặc nhiều nguồn phát xạ , bức xạ hoặc những cảm ứng trên máy thu trong hệ thống vô tuyến điện khác dẫn đến làm giảm chất lượng hoặc bị mất hẳn tín hiệu giám sát và không thể khôi phục lại được do những năng lượng không cần thiết chồng lấn sang

Một số thiết bị viễn thông có tần số sử dụng gần với tần số dùng để giám sát trong hệ thống giám sát hàng không có chất lượng kém gây ra can nhiễu sang tần số giám sát

1.3.4 Các trang thiết bị kĩ thuật

Hệ thống giám sát hàng không ở Việt Nam cũng như một số nước trên thế giới hiện nay chủ yếu sử dụng các phương tiện kĩ thuật để giám sát tàu bay Do vậy chất lượng giám sát hàng không có tốt hay không phụ thuộc phần nhiều vào chất lượng của các trang thiết bị kĩ thuật

1.4 Các công nghệ giám sát trong hàng không dân dụng

Có rất nhiều công nghệ giám sát được sử dụng trong ngành hàng không dân dụng Nhưng do yêu cầu về đảm bảo an toàn và tính chính xác nên hiện nay công nghệ giám sát trong hàng không dân dụng chủ yếu sử dụng công nghệ chính là radar Tuy nhiên hiện nay có một số công nghệ mới được ICAO khuyến nghị sử dụng để tăng cường, hỗ trợ với radar giúp làm tăng chất lượng giám sát tàu bay

trong hàng không dân dụng Luận văn này hiện chỉ giới thiệu 3 công nghệ giám sát chính hiện nay ở Việt Nam đã và đang triển khai là Radar, Multilateration và ADS-

B

1.4.1 Công nghệ radar

Radar là thuật ngữ viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Radio Detection and Ranging (dò tìm và định vị bằng sóng vô tuyến) hay của Radio Angle Detection and Ranging (dò tìm và định vị góc bằng sóng vô tuyến) trong tiếng Anh Đây là một hệ thống sử dụng để định vị và đo khoảng cách và lập bản đồ các vật thể như máy bay trong ngành hàng không

Radar hoạt động ở tần sô vô tuyến siêu cao tần, có bước sóng siêu cực ngắn, dưới dạng xung được phát theo một tần số lập xung nhất định Nhờ vào ănten, sóng radar tập trung thành một luồng hẹp phát vào trong không gian Trong quá trình lan truyền, sóng radar gặp bất kỵ mục tiêu nào thì nó bị phản xạ trở lại Tín hiệu phản

xạ trở lại được chuyển sang tín hiệu điện Nhờ biết được vận tốc sóng, thời gian sóng phản xạ trở lại nên có thể biết được khoảng cách từ máy phát đến mục tiêu

Hình 1.9: Mô tả hoạt động của radar Nguồn :[1]

1.4.1.1 Hệ thống Radar sơ cấp

Hình 1.10 : Sơ đồ hệ thống radar sơ cấp Nguồn [10]

Hệ thống radar sơ cấp bao gồm:

và phản hồi lại máy thu

1.4.1.2 Hệ thống Radar thứ cấp

Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống Radar thứ cấp Nguồn [10]

Hệ thống Radar thứ cấp gồm:

- 01 bộ phát đáp (transponder) trên máy bay

- 01 máy hỏi (interrogator) đặt dưới đất

Sơ đồ khối hệ thống Radar thứ cấp được mô tả như hình 2.2

Hệ thống Radar thứ cấp làm việc theo nguyên tắc tín hiệu trả lời chủ động Máy hỏi đặt trên mặt đất phát các xung được mã hóa ra ngoài không gian Bộ phát đáp trên máy bay nhận tín hiệu xung hỏi, giải mã và phát tín hiệu trả lời Máy hỏi thu tín hiệu trả lời, giải điều chế và hiển thị kết quả trên màn hình Radar

1.4.2 Công nghệ Multilateration

Hình 1.12: Sơ đồ hệ thống Multilateration Nguồn[6]

Công nghệ Multilateration đầu tiên được phát triển cho mục đích quân sự

để xác định chính xác vị trí máy bay bằng cách sử dụng phương pháp “sự khác nhau

về thời gian tới” (TDOA – Time Difference of Arrival)

Hình 1.12 mô tả sơ đồ tổng quan hệ thống Multilateration

Hệ thống Multilateration sử dụng 1 số các trạm mặt đất được đặt tại 1 số vị trí thích hợp quanh sân bay, vùng tiếp cận hay trong 1 khu vực lớn hơn phủ 1 vùng không phận rộng hơn

Các trạm mặt đất thu các tín hiệu trả lời ứng với các tín hiệu hỏi phát từ 1 hệ thống radar thứ cấp SSR hoặc 1 trạm Multilateration

Vì mỗi máy bay sẽ cách các trạm mặt đất tại các khoảng cách khác nhau, do vậy tín hiệu trả lời của chúng sẽ tới các trạm mặt đất tại các thời điểm khác nhau Dựa trên sự khác nhau về thời gian tới này, hệ thống xử lý sẽ xác định được vị trí chính xác của máy bay

1.4.3 Công nghệ ADS-B

nó dựa trên thông tin từ các hệ thống định vị (thường là GPS) Thông tin vị trí bao gồm tọa độ vị trí và chỉ số chất lượng của thông tin vị trí (chỉ số NUC hoặc NIC, NAC, SIL) được phát quảng bá định kỳ cùng các thông tin khác của tầu bay Các thông tin này có thể được thu bởi các trạm ADS-B sử dụng cho mục đích kiểm soát không lưu hoặc được thu bởi các tầu bay khác giúp tổ lái nhận biết tình huống không lưu và tự phân cách

Hình 1.13: Mô tả hoạt động hệ thống ADS-B Nguồn [6]

Trong phạm vi của luận văn, tôi muốn tập trung nghiên cứu về hệ thống

ADS-B sẽ được trình bày ở chương II của luận văn này

1.5 Tổng kết chương

Quản lý không lưu (Air Traffic Management - ATM) có thể hiểu là quản lý sự lưu thông của tàu bay di chuyển trên không Sự lưu thông của tàu bay trên các tuyến đường bay cần phải tuân theo sự điều hành của bộ phận kiểm soát không lưu dưới mặt đất để đảm bảo hoạt động bay an toàn, điều hoà, và hiệu quả

Giám sát là một trong ba chức năng trọng yếu của CNS hỗ trợ cho các hệ thống ATM Cung cấp cho ATC thông tin chính xác và tin cậy liên quan đến vị trí hiện thời của máy bay Tuy nhiên, khác với dưới mặt đất việc giám sát hoạt động bay của bộ phận kiểm soát không lưu không thể thực hiện bằng mắt thường mà cần tới sự hỗ trợ của các thiết bị radar Trong hệ thống cũ, giám sát là chức năng của các thiết bị radar Tại những nơi không nằm trong phạm vi quét của radar, vị trí tàu bay phải được báo về bộ phận kiểm soát mặt đất thông qua thoại Đây là một hạn chế rất lớn của hạ tầng kỹ thuật cũ

Nhờ áp dụng công nghệ dẫn đường bằng vệ tinh và liên kết dữ liệu, chức năng giám sát có thể nâng cao và cải thiện bởi hệ thống giám sát phụ thuộc tự động ADS-

B, một trong các ứng dụng liên kết dữ liệu Hệ thống hoạt động theo nguyên tắc: tàu bay truyền thông tin về vị trí và tốc độ nhận được từ vệ tinh cùng với thông tin của bản thân tàu bay, Đối với giám sát phụ thuộc quảng bá ADS-B, thông tin được phát theo chu kỳ trên một kênh liên kết dữ liệu quảng bá cho phép tất cả người dùng nằm trong phạm vi quảng bá, dù là trên không hay dưới đất, đều có thể nhận và sử dụng thông tin đó Điều này giúp khả năng giám sát thực hiện được trên một phạm vi rất rộng, nâng cao mức độ an toàn hàng không, khai thác tối ưu được các vùng không phận và đảm bảo an toàn cho quản lý hoạt động bay

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ ADS-B TRONG GIÁM SÁT

HÀNG KHÔNG

2.1 Nguyên lý hoạt động của ADS-B

ADS-B là một hệ thống giám sát phụ thuộc cho các ứng dụng không địa trong hàng không

Hệ thống ADS-B cung cấp các thông tin nhận dạng, vị trí, độ cao tốc độ

và các thông tin khác một cách tự động

ADS-B (Automatic Dependent Surveillance – Broadcast) là một công nghệ hoàn toàn mới làm thay đổi mô hình CNS (Thông tin - dẫn đường - giám sát) trong ngành quản lý không lưu trên thế giới hiện nay Ngoài sự chứng minh

và xác nhận thực tế như là một giải pháp chi phí thấp thay thế công nghệ radar thông thường, ADS-B cho phép phi công và kiểm soát viên không lưu “nhìn thấy” và “kiểm soát” hoạt động bay với độ chính xác cao hơn ADS-B tăng cường khả năng giám sát cao hơn và xa hơn góp phần làm cho việc giám sát hoạt động bay an toàn hơn và sử dụng không phận hiệu quả hơn

Hệ thống ADS- B được xây dựng nhằm tăng cường công tác giám sát, điều hành hoạt động bay Công nghệ ADS-B có nhiều ưu điểm nổi bật so với hệ thống Radar truyền thống như:

- Không chịu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường địa hình, thời tiết …

- Tốc độ truyền thông tin nhanh và truyền được nhiều thông tin từ máy bay như tốc

độ (IAS, TAS, GS); độ cao, tỷ tốc lên/xuống, tên gọi của máy bay…

- Có thể lắp đặt được khắp mọi nơi ( biển đảo, vùng sâu, vùng xa…)

- Giá thành lắp đặt, khai thác và bảo trì thấp

Vậy ADS-B là gì?

A- AUTOMATIC: Luôn luôn phát và không yêu cầu bất kỳ sự can thiệp của người vận hành

D- DEPENDENT: Luôn phụ thuộc vào tín hiệu vệ tinh để xác định số liệu

Trong các ứng dụng điển hình, máy bay được trạng bị ADS-B sử dụng 1 máy thu GNSS (GPS, Galileo ) thông thường để lấy thông tin về vị trí chính xác của nó từ hệ thống GNSS, sau đó kết hợp thông tin đó với 1 số các số liệu khác như tốc độ, hướng bay, độ cao và số hiệu máy bay Thông tin này sau đó được phát quảng bá đồng thời tới các máy bay có khả năng ADS-B khác và thiết bị ADS-B mặt đất hoặc các bộ thu phát thông tin vệ tinh Các hệ thống trên sau

đó sẽ chuyển tiếp thông tin về vị trí máy bay và các thông tin bổ xung tới các trung tâm ATC theo thời gian thực

Lớp vật lý của ADS-B

Ba giải pháp liên kết đang được đặt ra như lớp vật lý cho việc chuyển tiếp các bản tin vị trí ADS-B, đó là:

- Universal Access Transceiver (UAT)

- VHF Digital Link (VDL) Mode 4 và

- 1090 MHz Mode S Extended Squitter (ES),

2.1.1 Universal Access Transceiver

Hệ thống UAT được thiết kế riêng cho hoạt động của ADS-B UAT có giá thành thấp và dung lượng đường truyền lên lớn hơn so với 1090ES Mặc dù 978 MHz tập trung cho TACAN theo phổ hàng không đã ấn định, nhưng tại Mỹ, 978MHz được sử dụng cho truyền dẫn các bản tin ADS-B của máy bay và để quảng

bá thông tin hàng không từ mặt đất Người sử dụng UAT truy nhập tới dữ liệu hàng không từ mặt đất và có thể nhận các bản tin từ giao thông lân cận (FIS-B và TIS-B) TIS-B cung cấp các bản tin về máy bay gần đó thông qua dịch vụ cổng gateway đa kết nối, là dịch vụ cung cấp các bản tin ADS-B cho máy bay trang bị 1090ES và giao thông radar không trang bị ADS-B

2.1.2 VDL mode 4

Hệ thống VDL Mode 4 có thể sử dụng một hay nhiều tần số VHF hàng không hiện có như là lớp vật lý có tần số vô tuyến để truyền dẫn ADS-B VDL Mode 4 sử dụng một giao thức STDMA cho phép nó tự tổ chức, nghĩa là không đòi hỏi trạm mặt đất chủ Đây là môi trường sử dụng tốt nhất để truyền dẫn thông báo ngắn từ một lượng lớn người sử dụng Hệ thống VDL Mode 4 đang được quan tâm tại các nước Bắc Âu

Trên hình vẽ 2.1, hệ thống ADS-B gồm các thành phần sau: tạo/phát tín hiệu bởi nguồn máy bay/phương tiện giao thông, môi trường truyền sóng, và nhận điện văn/thu thập bản tin bởi người sử dụng Hệ thống ADS-B không bao gồm các nguồn dữ liệu mà được gửi bởi tiểu hệ thống nguồn gắn trên máy bay đang phát Cũng không bao gồm các ứng dụng khách hàng, mà sử dụng thông tin nhận được bởi tiểu hệ thống người sử dụng ADS-B gắn trên máy bay đang thu Một số ADS-B

có thể phát nhưng không thu Thêm nữa, một số sử dụng trên mặt đất có thể chỉ có khả năng thu mà không có khả năng phát

2.1.3 1090ES

Năm 2002, Cục hàng không liên bang Mỹ FAA đã thông báo quyết định liên kết kép sử dụng 1090 MHz ES và UAT cho hệ thống ADS-B tại Mỹ Liên kết

ADSB 1090 MHz ES cho vận tải hàng không và các nhà khai thác tư nhân/thương mại với máy bay tính năng cao, và liên kết ADS-B Universal Access Transceiver (UAT) cho người sử dụng hàng không thông thường

Với 1090ES, bộ phát đáp Mode S hiện tại hỗ trợ một dạng thông báo được biết như thông báo Squitter mở rộng (ES) Thông báo này định kỳ cung cấp vị trí, vận tốc, heading, time và trong tương lai là intent ES cơ bản không cung cấp intent

vì các hệ thống quản lý chuyến bay hiện tại không cung cấp dữ liệu này – gọi là các điểm thay đổi đường bay Để một máy bay có khả năng gửi một thông báo ES, thì

bộ phát đáp phải sửa đổi và thông tin vị trí và trạng thái khác của máy bay phải được định tuyến đến bộ phát đáp Các trạm mặt đất của ATC và máy bay trang bị hệ thống cảnh báo và tránh va trạm (Traffic Alert and Collition Avoidance System – TCAS) rồi có các máy thu 1090 MHz (Mode S) cần thiết để nhận các tín hiệu này,

và sẽ chỉ đòi hỏi các cải tiến để chấp nhận và xử lý thông tin ES thêm 1090ES không hỗ trợ dịch vụ FIS-B

Năm 2007, ICAO khu vực Châu Á-Thái Bình Dương đã quyết định các quốc gia trong khu vực đang có kế hoạch cung cấp các dịch vụ ATS dựa trên ADS-

B thực hiện các điều kiện cần thiết cho việc trang bị các thiết bị ADS-B OUT với các máy bay hoạt động trong không phận với thời gian dự định là 2010 Các thiết bị này phải phù hợp với 1090ES Version 0 hoặc Version 1 Vì vậy, để ứng dụng cho Việt Nam, luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu về ADS-B theo 1090ES