Bài giảng Dẫn đường và quản lý không lưu - Chương 1: Khái quát chung về dẫn đường và quản lý không lưu - Hà Duyên Trung

DẪN ĐƯỜNG VÀ QUẢN LÝ KHÔNG LƯU Navigation and Air Traffic Management TS. Hà Duyên Trung Bộ môn Điện tử Hàng không Vũ trụ Trường Đại Bách Khoa Hà Nội Viện Điện tử - Viễn thông Nội dung • Cơ sở lý thuyết – Cơ sở lý thuyết dẫn đường – Quản lý không lưu ATM – Các tham số xác định vị trí. • Các phương pháp dẫn đường – Phương pháp dẫn đường thời gian, pha, biên độ, tần số, tương quan... • Các phương pháp dẫn đường trong hàng không – Giới thiệu chung về điện tử hàng không CNS – Hoạt động tại cảng sân bay – Quản lý vùng không lưu – Huấn luyện và quản lý không lưu 2 Tài liệu tham khảo • Phạm Văn Tuân , Giáo trình Cơ sở kỹ thuật định vị và dẫn đường điện tử, 1997. • Ramjee Prasad, Marina Ruggieri, Applied Satellite Navigation Using GPS, GALILEO, and Augmentation Systems, 2005. • Prog. AKSen và Dr. A.B.Bhattcharya, Radar system and Radio Aids to Navigation. • Air Traffic Control: Complete and Enforced Architecture Needed for Federal Aviation Administration Systems Modernization. • Concept of Operations for the Next Generation Air Transportation System. • Next Generation Air Transportation System (NGATS) - Integrated Plan. • Single European Sky Air Traffic Management Research. 3 Yêu cầu môn học 4 • SV phải đến lớp 45 tiết/ 15 tuần hoặc 45 tiết / 8 tuần, trong đó • Vắng > 12 tiết (4 buổi) thì không được thi lần 1 • Vắng > 20 tiết (6 buổi) thì học lại • Kết quả môn học • Điểm giữa HK: thi giữa kỳ +/- điểm KK • Điểm cuối HK: thi cuối học kỳ + điểm KK Chương 1: Khái quát chung về dẫn đường và quản lý không lưu 5 ξ 1. Khái niệm và ứng dụng Khái niệm • Dẫn đường – Navigation: → Hướng dẫn, điều khiển các đối tượng (phương tiện) chuyển động theo một quỹ đạo xác định. • Quản lý không lưu – Air Traffic Management: → Quản lý lưu thông của máy bay di chuyển trên các tuyến đường bay trên không tuân thủ theo sự điều hành của bộ phận kiểm soát không lưu dưới mặt đất nhằm đảo bảo hoạt động bay an toàn và hiệu quả. 7 Khái niệm • Hệ thống thông tin, dẫn đường, giám sát phục vụ quản lý không lưu CNS/ATM  Giám sát hoạt động bay của bộ phận kiểm soát không lưu bằng sự hỗ trợ của các thiết bị radar  Quá trình đảm bảo cho tàu bay bay an toàn và hiệu quả từ điểm khởi hành ban đầu tới điểm đến yêu cầu các hệ thống quản lý không lưu phải có hiệu quả được hỗ trợ bởi ba chức năng chính: Thông tin liên lạc (Communication), dẫn đường (Navigation) và giám sát (Surveillance). • Hệ thống dẫn đường mặt đất: → Các thiết bị được bố trí trên mặt đất: Hệ thống Radar • Hệ thống dẫn đường vệ tinh: → Các thiết bị được bố trí trong không gian: Hệ thống GPS 8 Khái niệm • Thông tin liên lạc là việc trao đổi các tin tức thoại và dữ liệu giữa người lái và kiểm soát viên không lưu hoặc các trung tâm thông báo bay. • Dẫn đường chỉ vị trí của tàu bay cho tổ lái. • Giám sát chỉ vị trí tàu bay cho kiểm soát viên không lưu. Bao gồm việc chuyển các tin tức về dẫn đường từ tàu bay cho các trung tâm kiểm soát không lưu để tạo điều kiện ghi hình liên tục các vị trí có liên quan của tàu bay. • Tổ chức Hàng không dân dụng quốc tế - ICAO (International Civil Aviation Organization) gọi ba chức năng đó là CNS và xem chúng là dịch vụ hỗ trợ cơ bản cho các hệ thống quản lý không lưu ATM (Air Traffic Management). 9 Hạn chế hệ thống dẫn đường hiện tại • Dẫn đường – Navigation: Hiện nay chủ yếu dùng các đài dẫn đường vô hướng NDB/OM/IM, VOR/DME, ILS/DME hoặc MLS có những hạn chế như sau: – Hạn chế về cự ly liên lạc do đặc tính truyền sóng thẳng dẫn đến nhiều vùng không được phủ sóng. – Độ chính xác không cao. – Khả năng phục vụ bị hạn chế. 10 Quan hệ M-P-S-N Đo lường (M) Định vị (P) Giám sát (S) Dẫn đường (N) M: Measurement P: Positioning S: Surveillance N: Navigation 11 Ứng dụng • Đồ bản, địa thám. • Khí tượng thủy văn. • Viễn thông. • Quân sự. • Hàng không → 3 D • Hàng hải (mặt biển), đường bộ, đường sắt → 2 D 12 Điện tử hàng không • ATM: Air Traffic Management • CNS: – Communication – Navigation – Surveillance 13 Tài nguyên không gian • Không phận = (diện tích lãnh thổ + diện tích lãnh hải) x 30km 14 approach airport A airport B Cất cánh Hạ cánh Quản lý không lưu - ATM Hàng tuyến (đường dài) tiếp cận tiếp cận tại cảng en route Air Traffic Management tại cảng take off landing đài phát mốc 15 Mô hình một đường bay Vïng B Vïng B C¶ng B C¶ng A Vïng kh«ng gian t¹i c¶ng Vïng kh«ng gian tiÕp cËn cÊt c¸nh Vïng kh«ng gian ®-êng dµi (hµng tuyÕn) Vïng kh«ng gian t¹i c¶ng Vïng kh«ng gian tiÕp cËn h¹ c¸nh Vïng A Vïng A Vïng C 16 Hàng không 35 km 300 m Mức bay 9000 ÷ 12000 mét Hành lang bay 17 Air Traffic Management - 02 Flight Information Regions : Hanoi Fir and Ho chi minh Fir. - 22 domestic airport and 60 flight routes (20 domestic and 40 international) 18 Air Traffic Management 19 Air Traffic Management 20 Air Traffic Management 21 Development Trends 22 Development Trends 23 ξ 2. Hệ trục tọa độ và tham số xác định vị trí Hệ trục tọa độ Coordinate System • Hệ trục tọa độ tương đối. → Hệ thống định vị và dẫn đường mặt đất • Hệ trục tọa độ tuyệt đối. → Hệ thống định vị và dẫn đường vệ tinh. 25 N M D φ O β LOS Range: cự ly theo tầm nhìn thẳng Line of Sight mặt phẳng đứng 26 Hướng - Direction N E W S SE: Đông Nam SW : Tây Nam NW: Tây Bắc NE: Đông Bắc NNE ENE ESE SSE SSW WSW NNW WNW WWSW SWSW EENE NENE 27 Hệ tọa độ ĐỊA LÝ 28 Ta có thể xác định một vị trí bất kỳ trên trái đất Vĩ độ Vĩ độ Bắc N Vĩ độ Nam S Kinh độ Đông E Kinh độ Tây W Kinh độ Vĩ độ: 0 ÷ 900 N,S -900 ÷ 900 Kinh độ: 0 ÷ 1800 E,W -1800 ÷ 1800 Bằng cách kết hợp giá trị vĩ độ (latitude) và kinh độ (longitude) 29 Latitude and Longitude Đường kinh tuyến 900 vĩ độ Bắc Đường vĩ độ song song Đường xích đạo (00) Kinh tuyến gốc ( 00) đi qua Greenwich London, Anh 30 Đường vĩ độ song song Latitude parallels 0 ° 20 ° N 40 ° N 60 ° N 90 ° N 80 ° N 20 ° S 60 ° S 90 ° S 40 ° S Equator 80 ° S 31 Đường kinh độ song song Longitudinal Parallels Prime Meridian (Greenwich England) 0° Longitude Longitude: 0-180 East Longitude: 0-180 West 32 40:26:46N,79:56:55W 40:26:46.302N 79:56:55.903W 40°26'21"N 79°58'36"W 40d 26' 21" N 79d 58' 36" W 40.446195N 79.948862W 40.446195, -79.948862 40° 26.7717, -79° 56.93172 Cách viết chuẩn, thông dụng: M (40°26′21″N, 79°58′36″W) DMS: Degree Minute Second DD : Decimal Degree Một số cách viết tham số vị trí theo vĩ độ và kinh độ 33 Latitude and Longitude • 19050’00” S: 19 degrees 50 minutes Latitude South -> 19 độ 50 phút vĩ độ Nam • 43050’00” W: 43 degrees 50 minutes Longitude West -> 43 độ 50 phút kinh độ Tây F(19050’ S, 43050’ W) 34 Latitude Longitude M Mặt phẳng xích đạo Mặt phẳng kinh tuyến gốc vĩ độ của M kinh độ của M O Tâm trái đất Cực bắc Chuyển đổi tọa độ địa lý dạng DMS sang dạng DD Dạng DMS : W87°43'41" → ? DD Tổng số giây 43'41" = (43*60 + 41) = 2621 seconds. Lấy phần dư sau khi chia cho 3600: → 2621 / 3600 ≈ 0.728056 Kết quả : 87 + 0.728056 = 87.728056 Do là kinh độ tây nên có giá trị âm: → Kết quả là: - 87.728056. Chuyển đổi tọa độ địa lý dạng DMS sang dạng DD ? DD Vĩ độ: 26‘21" = (26*60 + 21) = 1581 seconds. Lấy phần dư sau khi chia cho 3600: → 1581 / 3600 ≈ 0.4391 Kinh độ: 58‘36" = (58*60 + 36) = 3516 seconds. Lấy phần dư sau khi chia cho 3600: → 3516 / 3600 ≈ 0,9766 Kết quả : M ( 40,4391, -79,9766 ) Dạng DMS : M (40°26′21″N, 79°58′36″W) DMS: Degree Minute Second DD : Decimal Degree Dạng DD: -87.728055 → ? DMS Dấu âm → Kinh độ Tây Phần độ: lấy phần nguyên → 87.728055 = 87 degrees. Phần phút: nhân phần dư với 60 → 0.728055 x 60 = 43.6833 = 43 minutes. Phần giây: nhân phần dư với 60: → 0.6833 x 60 = 40.998 = 41 seconds (làm tròn lên). Có thể làm tròn xuống → 40 seconds, hoặc để nguyên phần thập phân Kết quả nhận được dạng DMS là: W 87043’41” Chuyển đổi tọa độ địa lý dạng DD sang dạng DMS Một số đơn vị • nm (nmi, Nm) : nautical mile – dặm 1 nm = 6080 ft (feet) 1 nm = 1852 m 1 m = 3,28 ft ; 1 ft = 0,304878 m 100 km = 54 nm Ví dụ - 322 km = ? (nm) - 1794 m = ? (ft) Vận tốc : knot kí hiệu là kt; 1 knot = 1 nm/hour 110 knots → ? km/h 210 km/h → ? knots 39 Một số đơn vị • Độ cao: – Height: độ cao so với mặt đất a.g.l ( above ground level) – Altitude: độ cao so với mặt nước biển m.s.l ( mean sea level) 40 Tỷ lệ hiển thị bản đồ RF Small scale: 1:250,000 Large scale: 1:50,000 41 Một số đơn vị • Tỷ lệ hiển thị bản đồ RF - Representative Fractions Ví dụ: RF là 1: 650 000 , 7cm trên bản đồ sẽ ứng với bao nhiêu km ? Khoảng cách thực [km]= khoảng cách trên bản đồ [cm] * RF / 100 000 Khoảng cách thực = 7 * 650 000 / 100 000 = 45,5 (km) 42 Một số đơn vị • Tỷ lệ hiển thị bản đồ RF - Representative Fractions Ví dụ: Nếu 1,6 cm trên bản đồ ứng với 5,2 km trên thực địa. Khi đó, tỷ lệ hiển bản đồ RF là bao nhiêu ? RF= 1 : (khoảng cách thực [km] * 100000 / khoảng cách trên bản đồ [cm]) RF = 1: 5,2 * 100 000 / 1,6 = 1: 325 000 43 Một số đơn vị • Tỷ lệ hiển thị bản đồ RF - Representative Fractions Ví dụ: Nếu RF 1: 750 000 thì khoảng cách trên bản đồ là bao nhiêu sẽ ứng với 27,7 km trên thực địa ? khoảng cách trên bản đồ (cm) = khoảng cách thực [km] * 100 000 /RF khoảng cách trên bản đồ = 27,7 [km] * 100 000 / 750 000 ≈ 3,7 (cm) 44 Đường tròn lớn - Great Circle Khái niệm : Đường tròn lớn là giao của bề mặt trái đất và một mặt phẳng đi qua tâm trái đất. Tính chất: • Khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm bất kỳ trên bề mặt trái đất là khoảng cách giữa hai điểm đó theo đường tròn lớn đi qua hai điểm đó. • Đường xích đạo và các đường kinh tuyến là các đường tròn lớn 45 Đường tròn lớn Great Circle 46 Khoảng cách giữa F và T trên đường tròn lớn cos(D) = sin(latF)·sin(latT) + cos(latF)·cos(latT)·cos(dlong) D: Khoảng cách theo đường tròn lớn Lưu ý: LatF, LatT, LongF,LongT tính theo radians (Sign × (Deg + (Min + Sec / 60) / 60)) * (× pi / 180) Chuyển đổi kinh độ, vĩ độ từ dạng DMS -> radians 47 Cách xác định dlong • Hai điểm F và T cùng thuộc bán cầu phải (kinh độ Đông – E) hoặc bán cầu trái (kinh độ Tây – W) dlong = abs (longF - LongT) - Nếu T nằm bên phải so với F -> E - Nếu T nằm bên trái so với F -> W • Điểm F thuộc bán cầu phải (kinh độ Đông – E) và điểm T thuộc bán cầu trái (kinh độ Tây – W) hoặc ngược lại dlong = longF + LongT - Nếu T nằm bên phải so với F -> E - Nếu T nằm bên trái so với F -> W * Nếu dlong > 1800 -> dlong = 360 – dlong và hướng của dlong sẽ chuyển từ E->W hoặc W->E 48 Ví dụ • Xác định độ lệch kinh độ giữa F và T trong các trường hợp sau: a. LongF = 130 00 W , LongT = 150 00 E b. LongF = 140 W , LongT = 130 W c. LongF = 140 W , LongT = 150 E 49 F(450 N, 1400 E) T(650 N, 1100 W) T(650 N, 1100 W) F(450 N, 1400 E) đường tròn lớn F T Khoảng cách giữa F và T trên đường tròn lớn 50 51 Ví dụ 1. Nashville International Airport (BNA) in Nashville, TN, USA: N 36°7.2', W 86°40.2' 2. Los Angeles International Airport (LAX) in Los Angeles, CA, USA: N 33°56.4', W 118°24.0' (Sign × (Deg + (Min + Sec / 60) / 60)) * (× pi / 180) Chuyển đổi kinh độ, vĩ độ từ dạng DMS -> radians Xác định khoảng cách giữa hai sân bay 52 Xác định khoảng cách trên đường tròn lớn giữa New York và Moscow New York Moscow 40’45”N 73’59”W 55’45”N 37’36”E D = ? 53 Atlanta (32° 53' 49" N ; 97° 02' 17" W) Tokyo (35° 45' 53" N ; 140° 23' 11" E) D = ? Xác định khoảng cách trên đường tròn lớn giữa Tokyo và Alanta 54 55 Giả sử một cơn bão , có tâm bão xuất hiện tại vị trí F(110N, 1120E). Hãy xác định thời gian để tâm bão di chuyển đến vị trí T(10030’ N, 1100E) biết rằng vận tốc di chuyển của tâm bão 15 km/h. Ví dụ 56 100 N 120 N 1100 E 1120 E F T 57 Cos(FT) = sin(110*pi/180)sin(10,50*pi/180) + cos(110*pi/180)cos(10,50*pi/180)cos(20*pi/180)= → Cos(FT) = 0,99937 → FT = arccos(0,99937)*180/pi ≈ 2,0330 ≈ 2,0275 * 60’ ≈ 121,65’ ≈ 121,65 * 1,852 ≈ 225,2958 km 1‘ = 1 nm (nautical mile) ; 1 nm = 1 852 m Thời gian dịch chuyển tâm bão từ F đến T là: ≈ 225,3 km / 15 (km/h) ≈ 15,02 (giờ) cos(D) = sin(latF)·sin(latT) + cos(latF)·cos(latT)·cos(dlong) 58 59 Chuẩn số liệu tọa độ địa lý WGS-84 Z X Y O WGS84 ellipsoid a b a - b a f = = 1/298.257223563 bán trục chính a = 6378137,0 m bán trục phụ b = 6356752,3142 m Hệ số dẹt f : 60 Hệ tọa độ đo đạc theo chuẩn số liệu WGS84 Cực bắc xích đạo Bán trục phụ b = 6 356 752,3142 m Bán trục chính a = 6 378 137,0 m Hệ số dẹt f= (a-b)/a = 1/298,257223563 61 Hệ tọa độ ECEF O Z X Y ECEF: Earth Center Earth Fix Tâm trái đất M (xm, ym,zm) 62 Chuyển đổi hệ tọa độ địa lý sang hệ tọa độ ECEF 63 Chuyển đổi hệ tọa độ ECEF sang hệ tọa độ địa lý 64 65