Tổng hợp thuật toán tạo đường giao tầm hướng trong hệ thống đài radar hỗ trợ hạ cánh dùng trong quân sự

Bài viết giải thích rõ dạng tín hiệu phát nhận được tại các điểm trong vùng hoạt động của hệ thống; Đánh giá ảnh hưởng của độ cao đặt anten và độ dài bước sóng đến góc hạ cánh và từ đó tính toán, đưa ra được góc hạ cánh tối ưu cho máy bay dưới dạng giản đồ.

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử TỔNG HỢP THUẬT TOÁN TẠO ĐƯỜNG GIAO TẦM HƯỚNG TRONG HỆ THỐNG ĐÀI RADAR HỖ TRỢ HẠ CÁNH DÙNG TRONG QUÂN SỰ Lê Văn Phong1, Trần Trọng Viết1, Trần Đức Thiện1, Nguyễn Văn Kiệm1*, Nguyễn Khánh Sơn2, Đặng Việt Hưng2 Tóm tắt: Quá trình làm việc đài chuẩn tầm đài chuẩn hướng hệ thống hỗ trợ hạ cánh K8, K9 dùng qn mơ hình hóa dạng sơ đồ khối Quá trình tạo giản đồ tầm giản đồ hướng xây dựng phương trình tốn học dễ hiểu Bài báo giải thích rõ dạng tín hiệu phát nhận điểm vùng hoạt động hệ thống; Đánh giá ảnh hưởng độ cao đặt anten độ dài bước sóng đến góc hạ cánh từ tính tốn, đưa góc hạ cánh tối ưu cho máy bay dạng giản đồ Từ khóa: Tổng hợp thuật tốn; Hệ thống hỗ trợ hạ cánh; Đường giao tầm hướng; K8; K9; ILS ĐẶT VẤN ĐỀ Cặp đài mốc vô tuyến chuẩn tầm (K8), chuẩn hướng chuyển tiếp đo xa (K9) nằm tổ hợp hệ thống vô tuyến dẫn đường tầm gần [1-3] sân bay quân sự, có chức hỗ trợ cho phi cơng hạ cánh an toàn điều kiện thời tiết phức tạp, ngày đêm Hệ thống có chức tương đương cặp đài bên Hàng không dân dụng hệ thống hạ cánh xác (ILS) [4-6] Đây hệ thống hỗ trợ hạ cánh phổ biến giới Hình Đài chuẩn tầm Hình Đài chuẩn hướng 46 L V Phong, …, Đ V Hưng, “Tổng hợp thuật toán … hỗ trợ hạ cánh dùng quân sự.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Các đài phát K8, K9 (hình 2) giống nguyên tắc hoạt động Chúng tạo khu vực tiếp nhận tín hiệu hai tín hiệu cao tần với tần số điều chế 1300 Hz 2100 Hz Vùng hướng tạo đài K9 mặt phẳng nằm ngang theo hướng trục đường băng, vùng tầm tạo đài K8 mặt phẳng thẳng đứng theo góc đường trượt hạ cánh Với trợ giúp hệ thống ăng ten đặc biệt, đài K9 xạ tạo mặt phẳng nằm ngang với hai búp sóng chồng lên Búp sóng bên trái với dao động tần số cao điều chế tần số 2100 Hz bên phải - tần số 1300 Hz Khi máy bay vào hạ cánh, lệch khỏi trục cân tín hiệu bên phải thiết bị thu máy bay thu tín hiệu với tần số điều chế 1300Hz lớn hơn, ngược lại – tín hiệu với tần số điều chế 2100Hz lớn Nhờ thiết bị thu máy bay, máy bay nằm trục cân tín hiệu, vạch dọc thiết bị thị qua trung tâm thang đo Nếu máy bay lệch sang trái (hoặc phải) vạch dọc dịch chuyển sang bên phải (hoặc trái) so với tâm thang đo tương ứng với vị trí máy bay so với trục đường băng Tương tự vậy, đài K8 tạo búp sóng giao mặt phẳng thẳng đứng Búp sóng điều chế với tần số dao động 1300Hz - tần số 2100Hz Chỉ thị máy bay sử dụng thiết bị với thị đài K9 với vạch thị nằm ngang tương ứng với vị trí máy bay so với đường trượt Hình Nguyên lý làm việc đài chuẩn hướng, chuẩn tầm Vấn đề đặt phải xây dựng mơ hình tốn học thuật tốn giải thích ngun lý tạo giản đồ hướng hệ thống đài chuẩn tầm chuẩn hướng, từ giúp hiểu sâu sắc cách thực hoạt động đài giúp cho trình giải mã cơng nghệ đài chuẩn tầm, chuẩn hướng trở nên đơn giản MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐÀI CHUẨN TẦM, CHUẨN HƯỚNG 2.1 Mơ hình hóa q trình tạo giản đồ hướng đài chuẩn hướng Q trình tạo giản đồ hướng mơ hình hóa thành sơ đồ khối hình Dao động sóng mang RF tạo từ dao động cao tần, qua khuếch đại cơng suất tạo tín hiệu SC (t ) có dạng sau: SC (t )  AC cos(WC t) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 (1) 47 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Ở đây, A C biên độ tín hiệu; WC  2 fC ; f C tần số sóng mang Tín hiệu SC (t ) sau qua chia chia thành hai tín hiệu giống có dạng: Sb1 (t )  Sb (t )  0,5AC cos(WC t) Đ.chế 1300Hz Dao động RF KĐ CS RF (2) Bộ cộng Chia KĐ B độ Đ.chế 2100Hz Hình Quá trình tạo giản đồ hướng đài chuẩn tầm, chuẩn hướng Các tín hiệu Sb1 (t ) , Sb (t ) cho qua điều chế tương ứng 1300 Hz 2100Hz để tạo tín hiệu điều chế Sm1300 (t ) , Sm 2100 (t ) có dạng: Sm (t )  [ K1 cos(Wm t)  K2 ]cos(WC t) (3) Ở đây, K1 , K số điều chế Wm tần số điều chế Các tín hiệu Sm1300 (t ) , Sm 2100 (t ) sau qua cộng tạo tín hiệu S01 (t ) S02 (t ) có dạng: S01 (t )   Sm1300 (t )  Sm 2100 (t )  (4) cos[(WC  W1300 ) t]  cos[(WC  W1300 ) t]    K3    K cos(WC t)  cos[(WC  W2100 ) t]  cos[(WC  W2100 ) t] S02 (t )   Sm1300 (t )  Sm 2100 (t )  (5) cos[(WC  W1300 ) t]  cos[(WC  W1300 ) t]    K3    cos[(WC  W2100 ) t]  cos[(WC  W2100 ) t] Từ (4) (5), ta khảo sát phổ S01 (t ) S02 (t ) : Từ hình ta thấy, phổ S01 (t ) S02 (t ) phổ hai biên Phổ S01 ( f ) có thành phần tần số sóng mang f C , phổ S02 ( f ) chứa thành phần biên Tín hiệu S02 (t ) cho qua điều chỉnh khuếch đại biên độ tín hiệu S03 (t ) : S03 (t )  K5 S02 (t ) (6) Tín hiệu S01 (t ) S03 (t ) sản phẩm cuối phát điều chế 48 L V Phong, …, Đ V Hưng, “Tổng hợp thuật toán … hỗ trợ hạ cánh dùng qn sự.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Phổ tín hiệu S01 (t ) S02 (t ) Tiếp theo phát điều chế, S01 (t ) S03 (t ) hiệu chỉnh pha trước cộng với tín hiệu kênh kênh Q trình hiệu chỉnh pha cộng tín hiệu mơ hình hóa sau: Hình Q trình hiệu chỉnh pha tạo tín hiệu kênh trên, kênh Từ sơ đồ hình ta có: S A1 (t )  S01 (t )0  S03 (t ) Vì S03 (t ) 3 (7) 3    S03 (t ) nên phương trình (7) trở thành: 2 S A1 (t )  S01 (t )0  S03 (t )  (8) S A2 (t )  S01 (t )0  S03 (t )  (9) Các tín hiệu S A1 (t ) , S A2 (t ) đưa đến phần tử anten tương ứng Hệ thống đài chuẩn hướng đặt cuối đường băng Các phần tử anten đặt đối xứng qua tâm đường băng Khoảng cách từ anten đến tâm đường băng d Giả sử, hai anten (anten 1, 2) có kết cấu giống hệt nhau, hệ số suy giảm sóng điện từ lan truyền khơng gian điểm tới có khoảng cách Ta khảo sát tín hiệu đến hai điểm P1 , P2 hai bên trái phải cách đường băng điểm P0 nằm tâm đường băng Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 49 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử P1 Anten d Tâm đường băng P0 d Anten P2 Hình So sánh tín hiệu điểm bao chùm dải làm việc đài chuẩn hướng Tín hiệu điểm khơng gian tổng đại số tín hiệu phát từ anten anten Tại điểm P0 , tín hiệu đến từ anten anten đồng pha (do khoảng cách từ P0 đến hai anten nhau) Do đó, viết tín hiệu điểm P0 dạng sau: SP (t )  k1S A1 (t )  k2 S A2 (t ) (10) Trong đó, k1 , k hệ số suy giảm lan truyền sóng điện từ không gian Ở đây, k1  k2  k , đó, thay phương trình (8), (9) vào phương trình (10) viết lại phương trình (10) sau: SP (t )  2kS01 (t ) (11) Từ (11), ta thấy, phổ tín hiệu S P (t ) điểm P0 có dạng tương tự phổ tín hiệu S01 (t ) , đối xứng hai biên chứa thành phần biên độ tín hiệu điều chế 1300 Hz 2100 Hz Điều cho tất điểm nằm trục tâm đường băng Do đó, phi công điều khiển theo hướng tâm đường băng đồng hồ máy bay mức cân hai tín hiệu 1300 Hz 2100 Hz Tại điểm P1 , tín hiệu từ anten quãng đường ngắn từ anten Giả sử rằng, khoảng cách từ anten đến điểm P1 lớn nhiều khoảng cách anten so với tâm đường băng (khoảng cách d hình 7) Do đó, pha tín hiệu điểm P1 đến từ hai anten xấp xỉ độ lớn ngược dấu Tín hiệu điểm P1 viết sau: SP1 (t ,  )  k1S A1 (t )    k2 S A2 (t )   Trong đó, giả sử k1  k2  k ,   2 d  (12) sin    ,  bước sóng Thay (8), (9) vào (12), ta có: S P1 (t ,  )   S01 (t )      S01 (t )         k    3      S03 (t )      S03 (t )  2     (13) 50 L V Phong, …, Đ V Hưng, “Tổng hợp thuật toán … hỗ trợ hạ cánh dùng quân sự.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Suy SP1 (t ,  )  2k cos    S01 (t )  sin    S03 (t )  (14) Tính tốn tương tự cho tín hiệu điểm P2 , ta có: SP (t ,  )  2k cos    S01 (t )  sin    S03 (t )  (15) Phương trình (14) (15) nói lên rằng, điểm P1 , thành phần tín hiệu điều chế 2100Hz lớn thành phần 1300Hz, cịn P2 ngược lại Do đó, máy bay bay lệch bên trái bên phải tâm đường băng đồng hồ máy bay mức tín hiệu lệch tương đương phi công điều chỉnh máy bay hướng tâm đường băng Khi   phương trình (14) (15) trở thành phương trình (11) Do đó, kiểm chứng mơ hình tốn học xác 2.2 Mơ hình hóa q trình tạo giản đồ hướng đài chuẩn tầm Đài chuẩn tầm đường đặt bên phải bên trái đường băng, cách đường băng khoảng 130m Hệ thống anten đài chuẩn tầm xếp cho anten cao lần anten HT  2H D (có dạng hình 8) P A1 h A2 h Tâm đường băng A2' ảo A1' ảo Hình Dạng hình học trình tạo giản đồ tầm Tại điểm P khơng gian, tín hiệu tổng đại số thành phần: thành phần trực tiếp từ anten A1 , anten A2 thành phần phản xạ có nguồn gốc từ hai anten Việc phân tích toán đơn giản ta coi hệ thống anten vật, mặt đường băng mặt gương phẳng, đó, thành phần tín hiệu phản xạ coi từ hai anten ảo A1 ' A2 ' Pha tín hiệu phản xạ bị dịch giá trị  so với tín hiệu đến từ anten thực Tín hiệu điểm P viết sau: S P (t , )   k S01 (t )     S01 (t )     S03 (t )  2   S03 (t )  2  Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 (16) 51 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Trong đó,   2 h  sin( ) ,  góc tầm Đơn giản hóa phương trình (16) ta được: S P (t , )         2k  sin    S01 (t )     sin  2  S03 (t )       2    (17)   h h          2k  sin  2 sin( )  S01 (t )     sin  4 sin( )  S03 (t )       2         Biểu diễn thành phần vế phải phương trình (17) tọa độ cực Đài chuẩn tầm hoạt động với góc tầm dao động khoảng từ  ; tần số phát dải 939,6÷966,9 MHz; Độ cao cột anten mét Hình mơ tả hai thành phần phương trình (17) h cho góc tầm chạy khoảng  , tỉ số  5,73  b) a) Hình Giản đồ cho thành phần phương trình (17)   a) Đối với sin    S01 (t )    ;  2   b) Đối với sin  2  S03 (t )     2 Phương trình (17) cho thấy, tín hiệu thu điểm P không gian sau phát khỏi hệ thống anten đài Trong thực tế triển khai đài, người ta kiểm tra tín hiệu thiết bị thu kiểm tra để КВП Thiết bị đặt cách cột anten phát đài khoảng cách 114,6 mét Như vậy, ngồi việc kiểm tra trực tiếp tín hiệu phát thông qua thiết bị thu kiểm tra để ngồi КВП ta hồn tồn kiểm tra tín hiệu phát thơng qua phương trình (17) Từ phương trình (17), ta tính tốn vị trí đặt anten kiểm tra thiết bị КВП vị trí tối ưu kênh tần số dải tần số phát 939,6÷966,9 MHz KẾT LUẬN Như vậy, báo mơ hình hóa trình tạo giản đồ tầm, hướng dạng phương trình tốn học sơ đồ khối Các thành phần tín hiệu điều chế tần số 2100Hz 52 L V Phong, …, Đ V Hưng, “Tổng hợp thuật toán … hỗ trợ hạ cánh dùng quân sự.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 1300Hz mô tỉ số h   5,73 Các phương trình tốn học (14), (15), (17) biểu thị thuật tốn thể tín hiệu phát cặp đài chuẩn tầm, chuẩn hướng vị trí khác khơng gian Từ thuật tốn cho ta tính tốn xác tương quan tín hiệu đưa vào từ máy phát tín hiệu phát điểm khơng gian Thuật tốn giúp đánh giá ảnh hưởng độ cao đặt anten bước sóng đến góc tầm hạ cánh máy bay, từ đó, xây dựng bố trí trận địa cách xác, làm giảm thiểu tối đa ảnh hưởng nhiễu địa hình đến việc thu xử lý tín hiệu phát đài TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Сарайский Ю Н., Алешков И И., “Основы навигации и применение геотехнических средств”, Аэронавигация - Санкт-Петербург, 2010 - Т — С 18 — 302 с [2] М.М Лобанов, “Развитие советской радиолокационной техники” - Москва: Воениздат, 1982 - С Глава - 239 с [3] Никитин Д А., “Курсо-глиссадные системы посадки в гражданской авиации СССР”, Научный вестник МГТУ ГА - 2006 - № 101 [4] ICAO Annex 10 Volume 1, Radio Navigation Aids, Fifth Edition — July 1996 [5] Aeronautical Information Manual, FAA – February 11, 2010 [6] Digital Terminal Procedures, FAA – May 2010 ABSTRACT A SYNTHESIS ALGORITHM CREATE GLIDE SLOPE IN THE INSTRUMENT LANDING SYSTEM USED IN MILITARY The work process of Glide path and Localizer of the instrument landing system K8, K9 used in military is modeled as the block diagram The process of glidepattern and localizer-pattern creating is built with the mathematical equations In the paper, the type of transmit signal received at the points in the operating area of the system is explained The effect of the antenna height and wavelength to the landing angle is evaluated, and thus, the optimal landing angle for the aircraft in the form of schematic and statistic table is calculated and provided Keywords: Synthesis algorithm; Instrument landing system; Glide slope; K8; K9; ILS Nhận ngày 09 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 04 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 03 tháng năm 2020 Địa chỉ: Nhà máy Z119/Cục Kỹ thuật PK-KQ; Học viện Kỹ thuật quân * Email: kiemxai@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 53 ... trình tạo giản đồ tầm, hướng dạng phương trình tốn học sơ đồ khối Các thành phần tín hiệu điều chế tần số 2100Hz 52 L V Phong, …, Đ V Hưng, ? ?Tổng hợp thuật toán … hỗ trợ hạ cánh dùng quân sự. ”... xác 2.2 Mơ hình hóa q trình tạo giản đồ hướng đài chuẩn tầm Đài chuẩn tầm đường đặt bên phải bên trái đường băng, cách đường băng khoảng 130m Hệ thống anten đài chuẩn tầm xếp cho anten cao lần... mặt phẳng nằm ngang theo hướng trục đường băng, vùng tầm tạo đài K8 mặt phẳng thẳng đứng theo góc đường trượt hạ cánh Với trợ giúp hệ thống ăng ten đặc biệt, đài K9 xạ tạo mặt phẳng nằm ngang