Đang tải... (xem toàn văn)
Kỹ thuật này sử dụng Rotman lens để gửi đi các chùm tia cao tần, mà mỗi tia có một góc lái riêng biệt, đồng thời đánh dấu từng tia phát bằng một mã giả ngẫu nhiên PRN (Pseudo-Random Noise) duy nhất. Kỹ thuật đề xuất giúp máy bay xác định được góc lệch của nó so với hệ tọa độ biết trước, từ đó tìm được hướng máy bay để bổ sung thêm thông tin về vị trí, hỗ trợ cho quá trình hạ cánh an toàn hơn.
Kỹ thuật điện tử PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HƯỚNG CỦA MÁY BAY SỬ DỤNG KỸ THUẬT MÃ CHÙM TIA Lê Thanh Bằng1*, Nguyễn Hải Dương1, Nguyễn Thị Huyền1, Trần Xuân Lượng2 Tóm tắt: Sự phát triển nhanh chóng định vị hàng năm vừa qua dẫn đến đòi hỏi khắt khe liệu điều hướng nhằm đảm bảo tính an tồn, xác liên tục tất giai đoạn bay máy bay Trong đó, pha tiếp cận hạ cánh trình khó khăn nhất, đặc biệt bay điều khiện thời tiết xấu tầm nhìn hạn chế Để nâng cao tính xác thơng tin định vị, báo giới thiệu cách tiếp cận nhằm thiết kế hệ thống hỗ trợ hạ cánh cho máy bay kỹ thuật mã chùm tia Kỹ thuật sử dụng Rotman lens để gửi chùm tia cao tần, mà tia có góc lái riêng biệt, đồng thời đánh dấu tia phát mã giả ngẫu nhiên PRN (Pseudo-Random Noise) Kỹ thuật đề xuất giúp máy bay xác định góc lệch so với hệ tọa độ biết trước, từ tìm hướng máy bay để bổ sung thêm thơng tin vị trí, hỗ trợ cho q trình hạ cánh an tồn Các kết đo thực nghiệm phù hợp với lý thuyết giới thiệu khẳng định tính khả thi hệ thống đề xuất lĩnh vực định vị hàng khơng Từ khóa: Định vị hàng khơng; Tìm hướng máy bay; Kỹ thuật mã chùm tia ĐẶT VẤN ĐỀ Vấn đề đảm bảo an tồn giai đoạn bay ln nhiệm vụ quan trọng hàng đầu, đó, thơng tin định vị phải đảm bảo yêu cầu cao tính xác tính liên tục Đối với phi công, pha tiếp cận hạ cánh khó khăn nhất, đặc biệt phải tiến hành điều kiện thời tiết bất lợi tầm nhìn hạn chế Để hỗ trợ máy bay hạ cánh, có nhiều hệ thống sử dụng ILS (Instrument Landing System), MLS (Microwave Landing System), GPS (Global Positioning System) [1-3] Trong đó, phổ biến hệ thống GPS Tuy nhiên, tính tin cậy độ xác GPS phụ thuộc nhiều vào địa hình, thời tiết, phân bố vệ tinh, Nhằm khắc phục hạn chế này, hệ thống tăng cường diện rộng WAAS (Wide Area Augmentation System) cục LAAS (Local Area Augmentation System) triển khai [4, 5] Như vậy, vấn đề xây dựng hệ thống hỗ trợ hạ cánh với độ xác cao, độc lập với hệ thống chủ đề tìm hiểu quan tâm nghiên cứu rộng rãi Hiện nay, Không quân Quân đội nhân dân Việt Nam sử dụng số mẫu máy bay cũ cho mục đích huấn luyện chiến đấu MIG21 L29C Theo thời gian, mẫu máy bay tiềm ẩn nguy gây an tồn Do đó, nhằm góp phần nâng cao tính xác cho hệ thống định vị máy bay giai đoạn hạ cánh mà không phụ thuộc vào GPS, nhóm tác giả đề xuất phương pháp xác định hướng máy bay thông qua kỹ thuật mã chùm tia Kỹ thuật sử dụng Rotman lens để gửi chùm tia cao tần, mà tia có góc lái riêng biệt, đồng thời đánh dấu tia phát mã giả ngẫu nhiên PRN Các kết thực nghiệm phù hợp với lý thuyết giới thiệu khẳng định tính khả thi hệ thống hỗ trợ hạ cánh đề xuất áp dụng vận tải hàng không 204 L T Bằng, …, T X Lượng, “Phương pháp xác định hướng … kỹ thuật mã chùm tia.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ PHƯƠNG PHÁP TÌM HƯỚNG CỦA MÁY BAY TRONG PHA HẠ CÁNH SỬ DỤNG KỸ THUẬT MÃ CHÙM TIA 2.1 Tìm hướng máy bay phương pháp so sánh biên độ Nội dung phần trình bày sở lý thuyết phương pháp so sánh biên độ đơn xung nhằm xác định hướng máy bay [6] Kỹ thuật mã chùm tia đề xuất xây dựng dựa nguyên lý này, có nhiều điểm khác biệt Trước hết, xét hệ thống gồm bốn kênh thu mơ tả hình 1a Hình Mơ hình hệ thống tìm hướng bốn kênh thu (a) biểu diễn dạng Gau xơ cho giản đồ tăng ích ăng ten (b) Trong hệ thống trên, bốn ăng ten đặt lệch góc , đó, tín hiệu tới tạo mức công suất khác ăng ten thu tùy thuộc vào hướng góc tới Nếu giả thiết giản đồ tăng ích ăng ten có dạng Gau-xơ mơ tả hình 1b mức cơng suất đo ăng ten thu là: (1) Trong đó, góc tới tia phát, định nghĩa nửa độ rộng búp sóng ăng ten số tỉ lệ Góc lệch đo từ đường thẳng nối miền giao hai búp sóng tia tới mơ tả hình 1a Theo đó, – Giá trị xác định theo công thức (1) điểm thỏa mãn điều kiện , tương đương với đáp ứng -3 , với góc xác lập hai búp sóng Do đó, nhận giá trị thỏa mãn (1): , tương ứng với = 0,69 Góc lệch máy bay xác định thông qua hai bước sau: trước hết, chọn mức công suất thu lớn gần lớn (lân cận) ăng ten thu, trường hợp và tính tỉ số hai mức công suất sau: ; (2) (3) Thay giá trị vào cơng thức (3) để tìm góc lệch : Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 205 Kỹ thuật điện tử (4) Nếu thay tỉ lệ cơng suất , cơng suất đỉnh tín hiệu thu, mức cơng suất tỉ lệ với bình phương biên độ nên góc lệch cịn xác định theo cơng thức sau: (5) Cơng thức (4) (5) cho biết góc lệch tỉ lệ thuận với bình phương độ rộng búp sóng tỉ lệ nghịch với góc xoay Do giá trị biết trước, nên phụ thuộc vào tỉ lệ mức công suất (hoặc biên độ) tia tới ăng ten thu Dựa nguyên tắc này, nhóm tác giả đề xuất kỹ thuật mã chùm tia với mục đích tìm góc lệch tia tới Tuy nhiên, kỹ thuật đề xuất có số điểm khác biệt so với phương pháp so sánh biên độ đơn xung Đó là, phương pháp tìm cách gián tiếp thơng qua tỉ lệ giá trị cực đại hai đỉnh tương quan chéo tia tới lưu trữ máy thu Giá trị đỉnh tương quan có liên quan mật thiết đến mức biên độ (hay công suất) tín hiệu thu trình bày phần 2.2 Bên cạnh đó, máy thu đặt đối tượng bay (hình 1.a), thay đặt vị trí với máy phát phương pháp so sánh biên độ đơn xung Ngoài ra, kỹ thuật đề xuất sử dụng ăng ten đơn cực để thu tín hiệu, đó, dễ dàng tích hợp máy thu vào hệ thống thơng tin sẵn có máy bay 2.2 Mối quan hệ giá trị cực đại đỉnh tương quan mức biên độ tín hiệu thu Phương pháp tương quan sử dụng để phân tích, so sánh hai hay nhiều tín hiệu, đó, hàm tự tương quan ACF (Autocorrelation Function) đánh giá tính tương quan tín hiệu dịch miền thời gian với tín hiệu gốc Trường hợp đánh giá tín hiệu khác hàm gọi hàm tương quan chéo CCF (Cross-Correlation Function) [7] Giả sử xét mơ hình kênh thơng tin mơ tả hình 2, đó, máy phát truyền xung PRN nhị phân, báo xung Kasami , với gọi thời gian chuẩn hóa chu kỳ lấy mẫu Tại phía thu, máy thu sử dụng tương quan để tách tín hiệu nhận Hình Mơ hình kênh thơng tin sử dụng tương quan máy thu Đầu tương quan tính theo cơng thức: (6) 206 L T Bằng, …, T X Lượng, “Phương pháp xác định hướng … kỹ thuật mã chùm tia.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Trong đó, với máy thu, vận tốc ánh sáng Các giá trị đỉnh tương quan đại là: , khoảng cách máy phát , đạt giá trị cực đại Do đó, giá trị đỉnh tương quan cực (7) (8) Do lượng tín hiệu thu là: Nên tỉ lệ giá trị đỉnh tương quan là: (9) Như vậy, tỉ lệ giá trị cực đại đỉnh tương quan hai chuỗi Kasami tỉ lệ với bình phương giá trị biên độ tương ứng với hai chuỗi thu Đây sở để tác giả đề xuất phương pháp tìm góc lệch theo ngun lý mục 2.1 cách gián tỉ lệ giá trị cực đại đỉnh tương quan chéo 2.3 Sơ đồ hệ thống hỗ trợ hạ cánh cho máy bay sử dụng kỹ thuật mã chùm tia Dựa lý thuyết trình bày mục 2.1 2.2, nhóm tác giả đề xuất sơ đồ hệ thống hỗ trợ hạ cánh sử dụng kỹ thuật mã chùm tia mơ tả theo hình 3: Hình Sơ đồ máy thu phát hệ thống hỗ trợ hạ cánh đề xuất Nhiệm vụ phát mặt đất tạo loạt chùm tia cao tần tần số phát với góc lái xác định trước Rotman lens [8] Số lượng chùm tia phát phụ thuộc vào yêu cầu độ phân giải góc lệch độ xác hệ thống Tiếp theo, máy phát đánh dấu tia phát khác mã PRN khác Các mã PRN sử dụng rộng rãi mã M, mã Gold, mã Kasami Trong đề xuất này, tác giả sử dụng mã Kasami tối ưu tính chất tự tương quan lẫn tương quan chéo so sánh với hai mã lại Ngoài ra, số lượng mã Kasami đủ lớn đáp ứng cho yêu cầu tăng cường độ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 207 Kỹ thuật điện tử phân giải góc, đồng thời mức búp bên SSL (Side-Lobe Level) mã Kasami thấp giúp giảm khả phát nhầm điều kiện có nhiễu tạp [9] Máy thu đặt máy bay có nhiệm vụ xác định góc lệch so với hệ tọa độ đồng chia sẻ máy phát thu Để xác định góc lệch này, máy thu sử dụng tương quan chéo để tính tương quan tín hiệu nhận Sau đó, dị đỉnh tìm kiếm đỉnh với giá trị cực đại có mối liên hệ với mức tín hiệu thu, gửi giá trị đến thị góc nhằm tính tỉ lệ đỉnh tương quan để tìm góc lệch theo ngun lý trình bày mục 2.1 2.2 Các tỉ lệ hiệu chỉnh thêm thông qua đối chiếu với giá trị biết trước lưu trữ tra LUT (Look-up Table) để tìm vị trí máy bay Sau đó, thơng tin đưa đến hệ thống quản lý bay FMS (Flight Management System) làm sở để trợ giúp máy bay thiết lập phương án hạ cánh an toàn KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN Các phép đo thực nghiệm tiến hành nhằm đánh giá tính khả thi hệ thống hỗ trợ hạ cánh áp dụng kỹ thuật mã chùm tia Do đó, tác động kênh truyền hệ thống chưa xét đến Mặt khác, Rotman lens chưa thiết kế xong nên tác giả thay hai ăng ten loa tháp để phát hai chùm tia mã khác Ngoài ra, vấn đề ảnh hưởng Đốp-lơ chưa xem xét trường hợp Mơ hình thực nghiệm mơ hình đo hệ thống phịng khơng phản xạ trình bày theo hình Hình Mơ hình đo thực nghiệm hệ thống hỗ trợ hạ cánh đề xuất Trong sơ đồ hình 4.a, máy tạo tín hiệu véc tơ E8267C đóng vai trị máy phát mặt đất máy thu đặt máy bay thiết kế theo công nghệ vô tuyến định nghĩa mềm SDR (Software Defined Radio) thiết bị NI 2950R Do mẫu thiết bị hoạt động tần số cao 2,2 GHz nên tần số phát chọn để khảo sát GHz Chuỗi chùm tia phát Kasami có độ dài 1023 chíp, tương đương với 32 chùm tia mã phát đồng thời Băng thông chuỗi Kasami chọn 10 MHz nhằm đảm đảo độ phân giải khoảng cách Các mã Kasami khởi tạo từ Matlab, sau gửi lên E8267C để phát qua hai ăng ten IZ151 Hai ăng ten thiết lập cho hai búp sóng phát KAS (10,1) KAS (10,2) chồng lấn với điểm -3 Máy thu sử dụng ăng ten đơn cực VERT 400 để thu tín hiệu Nhiệm vụ máy thu ghi lại tín hiệu nhận được, sau tính giá trị cực đại đỉnh tương quan chéo để tìm góc lệch 208 L T Bằng, …, T X Lượng, “Phương pháp xác định hướng … kỹ thuật mã chùm tia.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Triển khai đo hệ thống đề xuất phịng khơng phản xạ Theo kết phân tích máy thu, hai tín hiệu thu KAS (10,1) KAS (10,2) hồn tồn khơng tương quan với Hình Đầu tương quan chéo tín hiệu KAS (10,1) KAS (10,2) Đo thực nghiệm xác định hai ăng ten phát có độ rộng búp sóng góc xoay Nếu chọn vùng khảo sát [ mối quan hệ giá trị cực đại đỉnh tương quan mức biên độ thu mô tả theo hình Hình Biểu diễn mối quan hệ tỉ lệ đỉnh tương quan cực đại với mức biên độ tín hiệu thu Do biên độ chùm tia phát thiết lập mức tham chiếu V nên kết nhận từ hình cho thấy tỉ lệ giá trị cực đại đỉnh tương quan chéo tỉ lệ giá trị biên độ khơng sai khác với Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 209 Kỹ thuật điện tử Điều phù hợp với lý thuyết nêu phần 2.2 Từ kết này, góc lệch xác định cách gián tiếp thông qua tỉ lệ đỉnh tương quan Khi so sánh với lý thuyết phần 2.1, kết đo thực nghiệm góc lệch cho độ xác vùng đo hiệu , với sai lệch mơ tả hình Hình So sánh kết đo thực nghiệm lý thuyết góc lệch Trong vùng đo hiệu quả, khác biệt góc tính tốn lý thuyết đo thực tế nhỏ Điều giải thích đặc trưng hướng hai ăng ten không giống lỗi thiết bị thu phát Vùng đo hiệu mở rộng cách thiết lập thêm dải ăng ten phát ghép lại Với kết thực nghiệm này, hệ thống hỗ trợ hạ cánh đề xuất áp dụng kỹ thuật mã chùm tia hồn tồn có tính khả thi ứng dụng lĩnh vực định vị hàng không KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp nhằm tìm hướng máy bay sử dụng kỹ thuật mã chùm tia Tính khả thi kỹ thuật đề xuất chứng minh thông qua lý thuyết kết đo thực nghiệm Trên sở này, sử dụng tỉ lệ giá trị cực đại đỉnh tương quan thay mức biên độ tín hiệu thu để tìm góc lệch, hay hướng máy bay Do đó, cho phép áp dụng kỹ thuật mã chùm tia để xây dựng hệ thống hỗ trợ hạ cánh mới, độc lập với hệ thống định vị Để đánh giá hiệu kỹ thuật đề xuất, công việc khảo sát tác động kênh truyền tỉ lệ tín hiệu-tạp âm SNR (Signal-to-Noise Ratio) độ dịch Đốp-lơ đến tham số giá trị đỉnh tương quan Đồng thời hoàn thiện thiết kế Rotman lens để đánh giá mơ hình đầy đủ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Kayton, “Navigation: Land, Sea, Air and Space”, IEEE Press, New York, 1990, pp 461 210 L T Bằng, …, T X Lượng, “Phương pháp xác định hướng … kỹ thuật mã chùm tia.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [2] M M Poulose, P R Mahapatra & N Balakrishnan, "Microwave Landing System - A Favoured Alternative to Current ILS" IETE Technical Review 2(11), June 2015, pp.375-382 [3] B W Parkinson and K T Fitzgibbon, “Aircraft automatic landing systems using GPS”, Journal of Navigation, 1989, vol 42, no 1, pp 47–59 [4] P Enge, T Walter, S Pullen, C Kee, Y Chao and Y Tsai, "Wide area augmentation of the Global Positioning System", in Proceedings of the IEEE, vol 84, Aug 1996, pp, 1063-1088 [5] P Enge, "Local area augmentation of GPS for the precision approach of aircraft", in Proceedings of the IEEE, vol 87, no 1, Jan 1999, pp 111-132 [6] S E Lipsky, "Microwave passive direction finding" Raleigh, N.C SciTech Pub., 2004 [7] SACHS, rgen Handbook of ultra-wideband short-range sensing: theory, sensors, applications Weinheim: Wiley-VCH, c2012 ISBN 9783527651832 [8] C Penney, “Rotman Lens Design and Simulation in Software”, IEEE Microwave Magazine, Vol 9, December 2008, pp 138-139 [9] D J Torrieri, "Principles of Spread-Spectrum Communication Systems" Springer E-Books New York: Springer, 2005 ABSTRACT A METHOD FOR FINDING DIRECTION OF AN AIRCRAFT USING THE BEAM CODING TECHNIQUE The rapid development of aviation positioning in recent years has been led to the high demands for navigation data to ensure safety, accuracy and continuity in all stages of flight In particular, the landing phase is the most difficult process, especially, when the flying is under condition of the bad weather and limited visibility With the aim of improving the accuracy of the navigation information, the paper introduces a new approach to designing the aircraft's landing support system using beam coding technique The technique utilized the Rotman Lens antenna to transmit a number of distinct steering-angle microwave beams, and then marking each emitting beam with a unique PRN (Pseudo-Random Noise) code The proposed technique contributes in finding the aircraft's deviation angle from the known coordinate system, thereby determining its direction to provide more positioning information in order to support the landing process safer The experimental results were consistent with the introduced theory and confirmed the feasibility of the proposed system in the aircraft navigation Keywords: Aircraft navigation; Direction finding; Beam coding technique Nhận ngày 21 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 21 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 28 tháng năm 2020 Địa chỉ: 1Học viện Kỹ thuật quân sự; Học viện Phòng khơng-Khơng qn *Email: thanhbangle.mta@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 211 ... cơng nghệ PHƯƠNG PHÁP TÌM HƯỚNG CỦA MÁY BAY TRONG PHA HẠ CÁNH SỬ DỤNG KỸ THUẬT MÃ CHÙM TIA 2.1 Tìm hướng máy bay phương pháp so sánh biên độ Nội dung phần trình bày sở lý thuyết phương pháp so... thuật mã chùm tia hoàn toàn có tính khả thi ứng dụng lĩnh vực định vị hàng không KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp nhằm tìm hướng máy bay sử dụng kỹ thuật mã chùm tia Tính khả thi kỹ thuật. .. cho máy bay sử dụng kỹ thuật mã chùm tia Dựa lý thuyết trình bày mục 2.1 2.2, nhóm tác giả đề xuất sơ đồ hệ thống hỗ trợ hạ cánh sử dụng kỹ thuật mã chùm tia mơ tả theo hình 3: Hình Sơ đồ máy
