FIS-B là một dịch vụ tư vấn phi công hỗ trợ bởi FAA chỉ được phát sóng vào liên kết UAT. Các bản tin FIS-B chứa thông tin khí tượng hàng không như báo cáo thời tiếtthường xuyên (METAR) và các đột biến, lượng mưa theo hệ thống radar thế hệ mới (NEXRAD), báo cáo của phi công (cấp bách và thường xuyên), thông tin khí tượng quan trọng, dự báo khí tượng vùng tiếp cận (terminal) và sửa đổi đột xuất, thông báo quan trọng đến an toàn bay(NOTAMs), và tình trạng đặc dụng không phận.
35
Chương 3. Triển khai hệ thống ADS-B 3.1. Thuật toán cảnh báo/tránh va chạm
Sau khi tìm hiểu tổng quan về phương pháp giám sát va chạm trong ngành hàng không và công nghệ giám sát tự động phụ thuộc ADS. Tác giả đã thực hiện thuật toán tránh va chạm được yêu cầu phát hiện khả năng xảy ra tai nạn trong khoảng cách an toàn tối thiểu giữa máy bay và tác nhân đan xen, trong một khoảng thời gian:
R(t) < Rmin , 0 < t < tw
Trong đó:
Rmin là khoảng cách an toàn tối thiểu, và tw là khoảng thời gian cảnh báo yêu cầu. tw cần phải đủ thời gian cho phi công thao tác cũng như tính đến độ trễ của máy bay.
Thử nghiệm này thường được hoàn thành bằng cách so sánh dự đoán độc lập giữa các ngưỡng khoảng cách:
Re(tp) < Dm
Trong đó Re là khoảng cách ước lượng, tp> tw là khoảng thời gian dự đoán, và Dm là ngưỡng khoảng cách. Nó giả định rằng thử nghiệm này được thực hiện mỗi chu kỳ tính toán. Những dự đoán độc lập được xây dựng trên nhiều phép đo, và một vài giả định về chuyển động của máy bay. Ngưỡng khoảng cách Dm và thời gian dự đoán tp được giả thiết để bồi thường cho các sai số của phép đo và những sai lệch từ chuyển động giả định của máy bay:
Dm = Rm + ∆p(tp) + ∆m(tp)
Với ∆p là sai số dự đoán tối đa trong quá trình may bay chuyển động, và∆m là sai số dự đoán tối đa trên các phép đo.
Có nhiều giải thuật về phát hiện va chạm khác nhau trong giả thiết về chuyển động của máy bay. Trong phần mô phỏng này, các thử nghiệm được thực hiện với trường hợp vectơ vận tốc không thay đổi.
Trong trường hợp vectơ vận tốc không đổi, tỉ lệ khoảng cách là không đổi. Theo đó, cự ly thử nghiệm là
36
Với R0 và Ṙ0 lần lượt là cự ly hiện tại và tỉ lệ khoảng cách. Sắp xếp lại, ta có:
̇
Thử nghiệm này được biết tới như tiêu chuẩn TAU sửa đổi, và là nền tảng của các thuật toán TCAS ban đầu. Khi triển khai với TCAS, ngưỡng khoảng cách Dm cung cấp sự bảo đảm an toàn trong trường hợp chống lại khả năng gia tốc tương đối của máy bay
Điều này cũng đảm bảo rằng máy bay sẽ không trượt qua khoảng cách quá gần mà không nhận được cảnh báo. Lưu ý rằng Dm không có khả năng đảm bảo trước các sai số đo lường.
Giá trị liên quan đến gia tốc được sử dụng trong TCAS là ar = 1/3g, và giá trị thời gian dự đoán tp thay đổi theo độ cao. Giữa 10 Kft và 20 Kft, tp là 30 giây và ngưỡng khoảng cách Dm = 0,8 hải lý. Đây là giá trị được sử dụng trong tính toán của vùng khuyến nghị giải pháp (TCAS RA). Đối với vùng truy vấn không lưu (TCAS TA), tp
là 45 giây.
Khoảng cách thử nghiệm được xác định là một vùng không gian bảo đảm xung quanh máy bay. Khi có bất kì mối đe doạ nào thâm nhập sẽ có báo động được đưa ra. Vùng không gian bảo đảm được định nghĩa bởi vectơ khoảng cách ⃗ và vectơ vận tốc
⃗⃗⃗ . Trong hệ toạ độ Decartes, chọn máy bay đang sở hữu là gốc toạ độ, trục x song
song với ⃗⃗⃗ .
37
Nếu vectơ vận tốc giữ nguyên giá trị, hướng va chạm của máy bay được giữ nguyên và mối đe doạ sẽ di chuyển và mặt phẳng va chạm theo đường thẳng, song song với trục x. Toạ độ y của mối đe doạ cũng là khoảng cách đến điểm tiếp cận gần nhất (CPA), hay khoảng cách trượt, và toạ độ x là thời gian bay tới CPA, được nhân với vận tốc gần nhất. Với phiên bản TCAS hiện tại ngưỡng khoảng cách là:
̇
Trong đó:
R0 và Ṙ0 lần lượt là cự ly hiện tại và tỉ lệ khoảng cách, Dm là ngưỡng khoảng cách,
là khoảng thời gian dự đoán.
3.2. Kịch bản mô phỏng
Khảo sát thuật toán trong kịch bản cụ thể là các trường hợp: có sự cắt nhau của đường bay của hai máy bay (Hình 3.1)và hai máy bay bay cùng đường nhưng ngược chiều nhau (Hình 3.2).
Các tham số ảnh hưởng đến quá trình mô phỏng và giá trị
Bảng 3.1. Các tham số ảnh hưởng đến quá trình mô phỏng
Tham số Giá trị Vận tốc gió Cấp 1 đến 3 Tầm nhìn xa 10km Độ ẩm 80% Mưa Không Mức bay 3000m
Mây Quang mây
38
nh 1. Trường hợp hai đường bay cắt nhau
nh 2. Trường hợp hai máy bay bay cùng đường bay nhưng ngược chiều
Và với mỗi trường hợp này ta lại có các trường hợp về sai khác độ cao bay của các máy bay: bằng hoặc khác nhau về độ cao.
Chương trình kiểm thử và đánh giá được xây dựng trên công cụ tính toán Matlab để mô phỏng các điều kiện môi trường gần giống như trong thực tế nhất có thể. Ở đây, các điều kiện chủ quan và khách quan của môi trường được mô hình hóa thành các hàm toán học để thuận lợi nhất cho công việc tính toán và đánh giá, các giá trị trong quá trình mô phỏng được ghi lại dưới dạng các bản nhật ký rõ ràng chính xác.
39
nh 3. Giao diện soạn thảo và biên dịch của Matlab
Giao diện đồ họa chương trình mô phỏng bao gồm cửa sổ đồ họa không gian ba chiều cung cấp hình ảnh mô phỏng về hai máy bay và các giới hạn đường bao của các vùng không gian cảnh báo. Bên canh đó, các phím chức năng và các ô nhập thông số dữ liệu cài đặt ban đầu cho các máy bay cũng được bố trí trên giao diện chương trình, bao gồm các thông số về tọa độ xuất phát, tọa độ đích và vận tốc của máy bay mục tiêu và các phím phục vụ chức năng quan sát các hướng của phối cảnh ba chiều.
40
nh 4 Giao diện đồ họa chương tr nh mô phỏng
Trên giao diện mô phỏng, một vùng không gian có kích thước 3x12x16 đơn vị hải lý (nautical mile - NM), đó chính là vùng không gian bay sẽ khảo sát trong tài liệu này. Vùng không này được giới hạn bởi ma trận [-6 6; -5 11; 1.5 3.5], điều đó có nghĩa là đồ thị ba chiều này sẽ biểu diễn vùng không gian có độ cao từ 1.5(NM) đến 3.5(NM) chiều dài theo đường bay từ -5 đến 11(NM) và chiều rộng từ -6 đến 6(NM).
41
Máy bay khảo sát được biểu diễn bởi một chấm màu đen còn các vùng không gian cảnh báo được biểu diễn bởi các mặt cong nhạt mầu có thể nhìn xuyên qua được. Vành đai bên ngoài gọi là vành đai xác định xung đột đường bay, đây là một vành đai của một mặt cầu có bán kính 5km.
nh 6. Vành đai xác định xung đột đường bay
Vành đai này có chiều cao xấp xỉ 11000 ft về hai phía trên và dưới của máy bay, do đó, các máy bay bay trên hoặc dưới độ cao này đều không có khả năng gây xung đột hàng không với máy bay khảo sát. Và trong thực tế, các bộ phát đáp ADS-B cũng chỉ quản lý vùng không gian 9000 ft trên và dưới máy bay. Nhìn theo hướng Oz, ta có thể thấy được hình dạng mặt cắt của vùng bao này. (Hình 3.7)
nh 7 Vành đai xác định xung đột đường bay nhìn từ trên xuống theo phương thẳng đứng
42
Các vùng cảnh báo tiếp theo sâu bên trong được biểu diễn bởi các mặt ellipsoid không tròn xoay dẹt theo phương ngang. Các mặt ellipsoid này là các mặt khép kín có độ dày theo phương ngang vào khoảng 850ft – 1200ft về 2 phía trên dưới của máy bay (Hình 3.8, 3.9)
nh 8 Vành đai xác định xung đột đường bay nh n theo phương ngang vuông góc với hướng bay của máy bay
43
nh 10 Vùng không gian cảnh báo (ellipsoid bên trong màu xanh lá mạ) nhìn theo hướng trực diện cùng phương chuyển động của máy bay
Mặt ellipsoid bên ngoài màu xanh lá mạ bao quang một vùng không gian gọi là vùng không gian cảnh báo, khoảng cách từ điểm xa nhất cho đến máy bay là 3.3 hải lý tương đương khoảng 40 – 45 giây thời gian cho đến khi xảy ra va chạm (nếu không xử lý). Mặt ellipsoid bên trong có khoảng cách từ điểm xa nhất cho đến máy bay là 2.5 hải lý tương đương khoảng 20 – 25 giây thời gian cho đến khi xảy ra va chạm (nếu không xử lý).
Giao diện đồ họa được bố trí sao cho các phím chức năng được đặt ở lề bên phải cùng với nhau tạo thành bảng điều khiển (Hình 3.11).
44
nh 11 Bảng điều khiển mô phỏng
Ta có bảng thông số máy bay xâm nhập (Intruder parameters) bao gồm các thông số về tọa độ điểm khởi hành (Start), điểm kết thúc (Destination) tính theo đơn vị hệ tọa độ Oxyz (đơn vị là NM) và vận tốc đều của máy bay (Velocity) tính theo km/h. Hai phím chức năng “Mode 1” và “Mode 2” dùng để cài đặt các thông số mặc định cho máy bay xâm nhập theo hai kịch bản khác nhau: một là xung đột đường bay trực diện, kịch bản còn lại là hai đường bay cắt nhau tương ứng với hai điểm waypoint – WP (là điểm đánh dấu quỹ đạo trên hành trình) khác nhau. Ở đây, thông số cài đặt
45
mặc định được đặt theo Mode 2: Start: [-5 10 10]; Destination: [5 5 10]; Velocity: 1000 km/h. Phím “Start” để bắt đầu chạy mô phỏng, phím “Reset” đưa mọi thông số của quá trình mô phỏng về trạng thái bắt đầu, bốn phím “Default”, “X-Y View”, “X-Z View” và “Y-Z View” dùng để điều chỉnh góc nhìn toàn cảnh theo như hình 3.12.
nh 12. ướng nhìn toàn cảnh mặc định
46
nh 14 ướng nhìn toàn cảnh theo phương ngang, vuông góc hướng chuyển động của máy bay
Ô nhập dữ liệu cuối cùng cho phép cài đặt vận tốc của máy bay khảo sát.
Đồ thị góc trái giao cửa sổ giao diện là sự mô phỏng màn hình hiển thị của phi công. Khi có máy bay xâm nhập thì sẽ có biểu tượng hiển thị vị trí và độ cao, qua đó phi công có thể hình dung được tình huống cụ thể.Ở đây, chấm đỏ biểu diễn máy bay xâm nhập và giá trị bên cạnh biểu diễn độ cao so với máy bay chủ tính theo đơn vị 100ft. Ví dụ như trong hình trên thì máy bay xâm nhập đang ở phía trước mũi máy bay khảo sát và đang bay thấp hơn 2.43x100ft. Trong trường hợp có nhiều máy bay xâm nhập vùng xác định xung đột thì cũng sẽ có tương ứng số chấm màu đỏ xuất hiện đi kèm với chênh lệch độ cao so với máy bay chủ được hiển thị dưới dạng số thực ngay bên cạnh chấm đỏ tương ứng. Chấm mầu đen biểu diễn máy bay chủ, luôn ở trung tâm màn hình. Bao quanh nó là vành đai tròn đứt nét trên màn hình có bán kính 5 hải lý tương ứng với vành đai xâm nhập trên thực tế. Ngoài ra trên màn hình phi công còn có ô ra đưa ra mệnh lệnh dưới dạng chữ (thay cho giọng nói trong hệ thống thực tế) cho phi công xử lý cho những tình huống cụ thể (góc trên, trái màn hình) (Hình 3.15).
47
nh 15 Mô phỏng màn hình phi công
3.3. Kết quả khảo sát
Tiến hành mô phỏng cho hai kịch bản cụ thể là “Mode 1” và “Mode 2” ta làm theo các bước sau.
Bước 1:
Đầu tiên ta khởi động công cụ Matlab và chạy tập tin chứa mã nguồn thuật toán mô phỏng, tập tin này sẽ tự động gọi đến các thư viện cần thiết và file chứa dữ liệu giao diện đồ họa và khởi động chương trình. Matlab là một môi trường lập trình, tính toán khoa học và mạnh mẽ, với công cụ này ta thể lập trình chương trình có giao diện đồ họa người dùng (GUI) hết sức dễ dàng và đơn giản theo phương pháp “code- behind”, tập tin mã nguồn và tập tin giao diện được nằm tách riêng có thể giao tiếp được với nhau. Với mỗi lần chạy chương trình, nhấn nút “Run” trong cửa sổ soạn thảo tập tin mã nguồn đó, Matlab sẽ tiến hành biên dịch lại từ đầu và bất kỳ thay đổi nào dù nhỏ sẽ được cập nhật tức thì. Sau khi biên dịch thành công, chương trình sẽ bắt đầu chạy luôn trên môi trường chuyên biệt của Matlab được cài trên hệ điều hành gọi là Matlab Runtime Environment.
48
nh 16 Nhấn phím “Run” để bắt đầu biên dịch tập tin mã nguồn và chạy chương trình
Bước 2:
Chọn kịch bản mô phỏng bằng cách nhấn nút “Mode 1” hoặc “Mode 2”, kiểm tra các thông số lần cuối nhấn nút Reset, sau đó nhấn nút Start trên giao diện mô phỏng ngay sau đó (Hình 3.17), quá trình mô phỏng bắt đầu.
49
Hai máy bay sẽ bắt đầu bay với vận tốc đã cài đặt trong không gian mô phỏng với thời gian thực và ngay lúc này thuật toán phát hiện máy bay xâm nhập và cảnh báo đã được hoạt động. Ngay khi máy bay xâm nhập bay vào vùng không gian phát hiện xung đột đường bay màn hình phi công sẽ hiển thị máy bay xâm nhập và có chỉ thị cụ thể cho từng trường hợp.
Với kịch bản này, hai máy bay bay ở cùng độ cao, cùng tốc độ là 1000km/h và có đường bay cắt nhau, hai máy bay bay đúng thời điểm mà nếu không tránh nhau thì sẽ xảy ra va chạm hàng không(Hình 3.18).
nh 3.18 Máy bay xâm nhập bắt đầu đi vào vùng không gian xác định xung đột.
Ngay khi máy bay xâm nhập bay vào vùng xác định có xung đột đường bay thì ngay lập tức trên màn hình phi công sẽ hiển thị vị trí đối tượng và độ cao so với máy bay chủ theo thời gian thực, đồng thời, ô báo hiệu và ra lệnh cũng báo cho phi công biết là sẽ có xung đột giao thông: “Traffic”. Ở kịch bản này, hai máy bay bay với vận tốc cố định và giữ nguyên độ cao trong quá trình bay do đó, thuật toán sẽ xác định một trong hai máy bay sẽ phải bay lên cao và chiếc còn lại sẽ được chỉ thị hạ độ cao(Hình 3.19, 3.20)
50
nh 19 Máy bay xâm nhập bắt đầu đi vào vùng không gian cảnh báo
nh 20 Máy bay xâm nhập bắt đầu đi vào vùng không gian cảnh báo nhìn theo phương thẳng đứng
51
nh 21 Máy bay xâm nhập bắt đầu đi vào vùng không gian cảnh báo nhìn theo phương ngang, vuông góc với phương chuyển động của máy bay chủ
Ngay khi máy báy xâm nhập bay vào vùng không gian cảnh báo thì lập tức hiệu lệnh được hệ thống xử lý và đưa ra màn hình cho phi công và trong khuôn khổ chương trình mô phỏng này, đáp ứng của phi công trả về với đầu vào là mệnh lệnh được mô hình toán học hóa trở thành sự thay đổi vận tốc theo phương thẳng đứng của máy bay. Phi công sẽ điều chỉnh vận tốc theo phương thẳng đứng của máy bay để từ đó thay đổi độ cao cho đến khi đạt được độ cao an toàn. Ảnh chụp kết quả mô phỏng: hình đầu tiên thể hiện góc nhìn toàn cảnh mặc định, hình tiếp theo thể hiện góc nhìn theo phương thẳng đứng, từ trên xuống và hình ảnh cuối cùng thể hiện góc nhìn theo phương ngang, vuông góc với hướng bay của máy bay (Hình 3.21).
Bước 3:
Thống kê số liệu và thực hiện lại nhiều lần với các kịch bản khác nhau ở Bước 1 và Bước 2. Khi hai máy bay có vị trí theo hướng nhìn thẳng đứng trùng nhau thì ngay lập tức nhấn nút “Pause” để dừng quá trình mô phỏng lại và tiến hành ghi lại tất cả các thông số vào bảng thống kê. (Hình 3.22, 3.23, 3.24)
52
nh 3.22 Máy bay chủ thực thi hiệu lệnh của hệ thống và đã tránh được va chạm
Máy bay chủ đã thực thi hiệu lệnh và ta có thể thấy độ cao của máy bay chủ dần