Bài giảng Dẫn đường và quản lý không lưu - Chương 1: Kiến thức cơ bản về địa lý - Hà Duyên Trung

DẪN ĐƯỜNG VÀ QUẢN LÝ KHÔNG LƯU (ET5290) TS. Hà Duyên Trung Bộ môn Điện tử Hàng không – Vũ trụ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Điện tử - Viễn thông Nội dung  Cơ sở lý thuyết – Kiến thức cơ bản về địa lý – Bản đồ và biểu đồ – Các phần tử dẫn bay và cách tính hướng bay – Tốc độ bay, độ cao, thước tính hàng không – Ảnh hưởng của gió trong khi bay  Các thiết bị trợ giúp dẫn đường trong hàng không – Tìm hiểu hệ dẫn bay, la bàn và hệ thống định vị toàn cầu GPS – Dẫn đường sử dụng phương pháp nhận địa tiêu – Hoạt động của đài VOR, DME, NDB  Các phương pháp bay và thực hành bay – Chuẩn bị bay và thực hành bay – Vô tuyến điện dẫn bay – Đảm bảo an toàn trong công tác dẫn bay – Đặc điểm dẫn bay trong các điều kiện bay khác nhau – Công tác dẫn bay trong vùng cực – Thiên văn học dẫn bay  Quản lý không lưu – Mô hình ATM và các hoạt động quản lý không lưu Việt Nam Nội dung  Cơ sở lý thuyết – Kiến thức cơ bản về địa lý – Bản đồ và biểu đồ – Các phần tử dẫn bay và cách tính hướng bay – Tốc độ bay, độ cao, thước tính hàng không – Ảnh hưởng của gió trong khi bay  Các thiết bị trợ giúp dẫn đường trong hàng không – Tìm hiểu hệ dẫn bay, la bàn và hệ thống định vị toàn cầu GPS – Dẫn đường sử dụng phương pháp nhận địa tiêu – Hoạt động của đài VOR, DME, NDB  Các phương pháp bay và thực hành bay – Chuẩn bị bay và thực hành bay – Vô tuyến điện dẫn bay – Đảm bảo an toàn trong công tác dẫn bay – Đặc điểm dẫn bay trong các điều kiện bay khác nhau – Công tác dẫn bay trong vùng cực – Thiên văn học dẫn bay  Quản lý không lưu – Mô hình ATM và các hoạt động quản lý không lưu Việt Nam CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ĐỊA LÝ Các tham số chuẩn trong công tác dẫn bay: • Vị trí: – Là một điểm được xác định bằng một cặp tọa độ hoặc là điểm lưỡng cực, điểm không gió, ... – Luôn được quy chiếu vào một điểm nào đó có thể nhận được mà hoa tiêu phải biết rõ vị trí máy bay của mình tại điểm đó trước khi hướng máy bay đến điểm khác, theo hướng khác. Các tham số dẫn bay và cách tính • Phương: – Là hướng bay trong không gian từ một điểm này đến điểm khác chưa tính đến khoảng cách. – Phương tự nó không làm lên một góc nhưng thường được xác định theo một góc độ từ một phương chuẩn (Bắc kinh tuyến địa lý, bắc kinh tuyến từ,) • Khoảng cách: – Là sự cách nhau trong không gian giữa hai điểm và được đo bằng độ dài của đường nối liền các điểm đó. – Việc đo khoảng cách trên một mặt phẳng rất đơn giản nhưng đo khoảng cách trên mặt cầu rất phức tạp. Đơn vị đo khoảng cách là Kilomet (Km), dặm (Nm), • Thời gian: – Trong hàng không thời gian được định nghĩa theo nhiều cách nhưng thường được gọi : giờ trong ngày và khoảng thời gian đã trôi qua. Các tham số dẫn bay và cách tính • Vị trí của máy bay có thể xác định bằng tọa độ điều khiển nào đó, mặt khác còn có thể diễn tả như sau: vị trí máy bay cách nam thanh phố X dặm (hoặc km), hoặc máy bay cách đài kiểm soát không lưu 80NM Radian 190° (QDR), v.v HÌNH DÁNG VÀ KÍCH THƯỚC QUẢ ĐẤT • Quả đất là một vật thể trong vũ trụ có dạng hình học phức tạp. Sự biến đổi về dạng lồi lõm trên mặt địa cầu từ đỉnh cao nhât đến điểm sâu nhất khoảng 12 dặm (22 km) • Các biến đổi nhỏ trên mặt đất như thung lũng, đồi núi, biển, v.v Vì vậy về mặt mức không đồng nhất, không đều. • Hình dạng thực của quả đất là GEOID (thể địa cầu). HÌNH DÁNG VÀ KÍCH THƯỚC QUẢ ĐẤT HÌNH DÁNG VÀ KÍCH THƯỚC QUẢ ĐẤT • Để đơn giản việc tính toán trong hàng không người ta giả định rằng toàn bộ trái đất được phủ toàn bộ các đại dương trong trạng thái yên tĩnh, và coi quả đất hình GEOID là hình elip quay cũng có hình dáng và kích thước thực như GEOID. • Ellipse quay là vật thể hình học quay quanh trục ngắn. HÌNH DÁNG VÀ KÍCH THƯỚC QUẢ ĐẤT • Số liệu gần đúng về hình dáng và kích thước của quả đất được xác định theo hai hệ sau đây: Đường bán kính ở xích đạo là a a = 3443,96 NM b = 3432,28 NM Độ dẹt ở cực c: c = (a-b)/a = (3443,96-3432,28)/3443,96 = 11,67/3443,96 = 1/295 Bán kính trung bình của quả đất là 3438,115 NM • Ellipse Kraskovsky có kích thước như sau: Bán trục dài (bán kính ở xích đạo): a=6378,245 km Bán trục ngắn (bán kính xuyên cực): b=6356,863 km Độ dẹt ở cực c: c = (a-b)/a = 1/298 Ellipse Kraskovsky có bán kính trung bình R=6371 km • Vì đường kính ở xích đạo chỉ hơn đường kính xuyên cưc 1/295 nên quả đất có thể được cho là dạng cầu hình dẹt, sai số cho phép khi quay hình ellipse thành hình quả cầu về cự ly không quá ±0.5 %, về góc không quá ±12’. CÁC ĐIỂM, CÁC ĐƯỜNG, CÁC VÒNG TRÒN CHỦ YẾU TRÊN ĐỊA CẦU • Trục quả đất: Là đường kính tưởng tượng mà quả đất tự quay quanh nó. Trục quả đất cách mặt đất tại 2 điểm, hai điểm này được gọi là các cực địa lý. Về phía bắc gọi là cực bắc (North), về phía Nam được gọi là cực Nam (South), cực Bắc được xác định theo quy tắc: nếu đứng ở cực Bắc nhìn xuống ta sẽ thấy quả đất quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ. Đối diện với cực Bắc là cưc Nam. Qua mỗi điểm trên địa cầu ta có thể vẽ vô số các đường tròn lớn và đường tròn nhỏ. CÁC ĐIỂM, CÁC ĐƯỜNG, CÁC VÒNG TRÒN CHỦ YẾU TRÊN ĐỊA CẦU • Vòng tròn lớn: là đường tròn mà mặt phẳng của nó cắt qua tâm của Trái đất • Vòng tròn nhỏ: là đường tròn mà mặt phẳng của nó không cắt qua tâm Quả đất. • Xích đạo: là đường tròn lớn mà mặt phẳng của nó vuông góc với trục Quả đất. Xích đạo chia quả cầu thành hai phần: Bắc bán cầu và Nam bán cầu. • Vĩ tuyến: là đường tròn nhỏ mà mặt phẳng của nó song song với mặt phẳng xích đạo. Qua mỗi điểm trên mặt đất chỉ vẽ được một vĩ tuyến. Vĩ tuyến này được gọi là vĩ tuyến địa phương. CÁC ĐIỂM, CÁC ĐƯỜNG, CÁC VÒNG TRÒN CHỦ YẾU TRÊN ĐỊA CẦU • Vòng tròn lớn chạy qua hai cực của quả đất gọi là kinh tuyến địa lý hay được gọi là Kinh tuyến thực (TN). Qua mỗi điểm trên mặt đất chỉ vẽ được một kinh tuyến và kinh tuyến này được gọi là kinh tuyến địa phương. • Quy ước kinh tuyến chạy qua đài thiên văn GREENWICH ở London làm kinh tuyến gốc (kinh tuyến 0). Kinh tuyến gốc chia địa cầu làm hai phần: Đông bán cầu và Tây bán cầu. • Mặt phẳng chứa xích đạo và mặt phẳng chứa kinh tuyến gốc là cơ sở để xác định tọa độ địa lý. TỌA ĐỘ ĐỊA LÝ • Hệ thống tọa độ được sử dụng để xác định vị trí trên địa cầu theo những đường chuẩn là các vĩ tuyến và kinh tuyến. Tọa độ của một điểm trên địa cầu được xác định bởi kinh độ và vĩ độ địa lý. • Vĩ độ địa lý φ: Là góc giữa mặt phẳng xích đạo với đường chiếu đến điểm đó trên mặt phẳng ellipse hay số đo của cung kinh tuyến giữa xích đạo và vĩ tuyến của điểm đó. Vĩ độ được đo từ xích đạo lên Bắc xuống Nam từ 000° đến 090°. Mọi điểm cùng nằm trên một vĩ tuyến đều có cùng một vĩ độ • Kinh độ địa lý λ: là góc giữa mặt phẳng kinh tuyến gốc với mặt phẳng kinh tuyến địa phương, hay là độ dài của cung xích đạo với kinh tuyến địa phương đó, tính từ kinh tuyến gốc về phía Đông và về phía Tây từ 000° đến 180°. Mọi điểm nằm trên cùng một kinh tuyến có cùng kinh độ. TỌA ĐỘ ĐỊA LÝ • Vĩ độ hình học cầu: là góc đo giữa mặt phẳng xích đạo và đường chiếu đến điểm đó từ âm địa cầu • Kinh độ hình học cầu: cũng xác định như góc của kinh độ địa lý. Thông thường sự khác nhau giữa vĩ độ địa lý và vĩ độ hình học cầu không quá 11’33’’. • Kinh độ địa phương: với kinh độ địa phương ngoài giá trị góc còn có thể đo bằng đơn vị thời gian: giờ, phút, giây. Một giờ ứng với 15° kinh. Kinh độ tính từ kinh tuyến gốc về Đông và sang Tây. Từ 0 giờ đến 12 giờ. Đo kinh độ bằng đơn vị thời gian, cơ bản dựa trên sự quay ngày đêm của quả đất. Sự biểu thị về kinh độ như vậy rất cần cho việc giải các phép tính dẫn bay:  360° ứng với 24 giờ  15° ứng với 1 giờ  1° ứng với 4 phút  1’ ứng với 4 giây  1” ứng với 1/15 giây ĐỘ DÀI CỦA CUNG KINH TUYẾN, XÍCH ĐẠO VÀ VĨ TUYẾN • Chu vi Quả đất tính theo độ dài vòng tròn lớn (kinh tuyến hay xích đạo) thử tính theo đơn vị hải lý (dặm) và kilomet. – Tính theo kilomet C = 2πR × 3.1416 × 6371 km = 40.030 km Để tính gần đúng, lấy tròn 40030 km. Xác định độ dài của cung 1° (ở xích đạo: 1° = 40030 km / 360 = = 111,2 km Cung của 1’ dài: 111,2km / 60 = 1,853 km (hay 1 NM) Cung của 1” dài: 1,853 km / 60 = 30,885m (30,9m) Độ dài cung kinh tuyến Độ dài cung kinh tuyến - Tính theo hải lý (NM): C = 2πR × 3,1416 = 6876,24 × 3,1416 = 21602,395 NM (kinh tuyến) Độ dài cung 1° bằng 21.602,395 / 360 = 60,0066 ≈ 60 NM Độ dài của 1’ cung: 60 NM / 60 = 1NM (1NM = 6087,08 feet) Từ đó tính ra 1m = 3,28 feet (chính xác hơn là 3,27906) 1 feet = 0,305m Độ dài cung vĩ tuyến • Độ dài của mỗi vĩ tuyến đều nhỏ hơn độ dài xích đạo và phu thuộc vào vĩ độ địa phương. • Độ dài của cung vĩ tuyến tính theo công thức: Lvt = Lxđ × Cosφ Ở đây: Lvt là chiều dài cung vĩ tuyến Lxđ : chiều dài cung xích đạo đo theo hiệu các kinh độ φ : là vĩ độ (LAT); Cosφ = r/R r : bán kính vĩ độ địa phương R : bán kính trái đất Chu vi của vĩ độ địa phương: C= 2πr= 2πR × cos φ Độ dài cung vĩ tuyến Ví dụ: Kinh độ thứ 1 (λ1) = 105° Kinh độ thứ 2 (λ2) = 109° Hiệu hai kinh độ là Δλ = 4° và φ = 60°. Tính Lvđ? Ta có: Lxđ ở xích đạo : 4 × 111,2 km Lxđ = 448,8 km (240NM) Cos 60° = sin 30° = 0,5 Do đó: Lvt = Lxđ × cos 60 = 448,8 × 0,5 = 224,4 km hoặc 120 hải lý PHƯƠNG HƯỚNG TRÊN MẶT ĐẤT • Trong công tác dẫn bay, phương hướng được đo bằng góc so với bắc kinh tuyến nào đó. Muốn chỉ rõ hướng phải có tên gọi riêng như phương vị hoặc góc đường bay. • Góc phương vị AZ (azimuth) là góc giữa Bắc kinh tuyến địa lý (hoặc bắc kinh tuyến từ) đến mục tiêu tính theo thuận kim đồng hồ từ 000° đến 360°. PHƯƠNG HƯỚNG TRÊN MẶT ĐẤT • Khi chuẩn bị bay, đường nối liền giữa (DTK). Góc đường bay qui định (DTK) là góc giữa Bắc kinh tuyến được tính với đường bay quy định tính từ Bắc kinh tuyến với đường bay qui định từ 000° đến 360° theo thuận chiều kim đồng hồ. ĐƯỜNG LOXODROM VÀ ORTHODROM • Đường loxodrom (đường tà hoành) là đường bay nối liền giữa hai điểm cắt các kinh tuyến với những góc bằng nhau. • Tính chất của đường loxodrom là đường cong góc đều. Nếu tiếp tục bay mãi đường này sẽ có hình xoắn ốc về các cực, theo phương không đổi nhưng chẳng bao giờ đến cực, đường bay sẽ rất xa và tốn kém. • Trường hợp đặc biệt nếu bay theo kinh tuyến hoặc xích đạo thì đường loxodrom cũng sẽ là orthodrom. • Đường bay loxodrom dưới 1000km sẽ gần như đường bay orthodrom. ĐƯỜNG LOXODROM VÀ ORTHODROM • Đường bay orthodrom là đường bay nối liền hai điểm A và B nằm trên cung của vòng tròn lớn. • Vì vậy nó là đường ngắn nhất so với đường loxodrom. Đường bay này cắt các kinh tuyến với những góc không bằng nhau. Ở phần các cực của trái đất có góc hồi tụ kinh tuyến (góc lệch kinh tuyến). • Xích đạo và kinh tuyến cũng là trường hợp đặc biệt của đường orthodrom nếu ta bay theo nó. ĐƯỜNG LOXODROM VÀ ORTHODROM • Có thể dùng một số phương pháp để xác định tọa độ của các điểm trên đường orthodrom nhằm tìm ra một đẳng thức trong hệ tọa độ cầu thông dụng. Orthodrom và Loxodrom Theo tọa độ của hai điểm đường orthodrom đã định. Khi đó tính tọa độ của điểm giữa theo công thức: Cotgβ1 = cosφ1 + tgφ2.cosec(λ2 – λ1) cotg(λυ – λ1) = sinφ1.tgβ1 (2.6) cosφυ = cosφ1.sinβ1 tgφ = tgφυcos(λυ – λ) LOCXODROMIE ĐƯỜNG CONG GÓC ĐỀU (ĐƯỜNG TÀ HOÀNH) • Locxodromie - Phương pháp xác định góc đường bay (DTK) theo đường locxodrom LA phù hợp với mọi trường hợp của vệt bay TK gọi là locxodromie. Cực của đường này là điểm cuối của LA (OTM) - Tính chất cơ bản của đường locxodrom là cắt các kinh tuyến với những góc bằng nhau. Khi tích phân đường bay LA thì tìm góc DTK ở khởi điểm đường bay (WPT1). Bằng cách tích phân hình học đầu ở khởi điểm OTM. LOCXODROMIE ĐƯỜNG CONG GÓC ĐỀU (ĐƯỜNG TÀ HOÀNH) • Locxodromie ĐƯỜNG BAY PHÙ HỢP VỚI PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY THEO PHƯƠNG CÁC HỆ TỌA ĐỘ DẪN BAY • Khi xác định máy bay hay bất cứ điểm nào trên mặt đất người ta có thể dùng các tọa độ khác nhau. Các hệ tọa độ chủ yếu trong hàng không gồm: tọa độ địa lý, tọa độ orthodrom, tọa độ ô vuông và tọa độ cực. • Hệ tọa độ địa lý: Cơ sở để xác đinh tọa đô (POS) là mặt phẳng xích đạo địa lý và mặt phẳng kinh tuyến gốc. Hệ tọa độ địa lý gồm kinh độ và vĩ độ địa lý, có in trên các loại bản đồ bay để xác định các điểm trên bản đồ. CÁC HỆ TỌA ĐỘ DẪN BAY • Hệ tọa độ Orthodrom: Hệ tọa độ orthodrom là hệ tọa độ hình cầu. Hệ thống tọa độ này thường được ứng dụng khi bay tầm xa mà trên máy bay có thiết bị dẫn bay tự động để xác định vị trí máy bay nhất là gần các vùng Cực. Trục gốc của hộ tọa độ này gồm có 2 đường orthodrom. Lấy đường bay orthodrom quy định làm trục chính (trục Y) và coi như “xích đạo quy ước” còn đường orthodrom vuông góc với Y tại điểm ban đầu tính tọa độ gọi là trục X được coi như “kinh tuyến quy ước”. • Hệ tọa độ ô vuông: Hệ tọa độ ô vuông là hệ tọa độ phẳng trên các bản đồ , có tỷ lệ lớn: 1:250.000; 1:200.000; 1:100.100; 1:50.000..v..v.. Ngoài tọa độ địa lý người ta có kẻ ô vuông. Để xác định tọa độ của một điểm được xác định chính xác hơn. CÁC HỆ TỌA ĐỘ DẪN BAY • Hệ tọa độ cực: Là hệ tọa độ dạng cầu, xác định một điểm trong không gian. Điểm này phải xác định được 3 đại lượng: - Cự ly D từ các điểm bắt đầu tính - Góc của trục thẳng đứng với hướng của bán kính vectơ tới điểm đó. - Góc nằm trên mặt phẳng ngang giữa hướng ban đầu với đường chiếu của bán kính vectơ đến mặt phẳng của điểm đó. Trong thực tế của công tác dẫn bay của hệ tọa độ này. HƯỚNG BAY • Kiến thức về hướng bay rất cần thiết cho các chuyến bay trong bầu khí quyển của trái đất. Trong hàng không người ta sử dụng la bàn để xác định và giữ hướng bay. Nguyên tắc cơ bản của nó là dựa vào từ trường của trái đất. • Trái đất là một khối từ thiên nhiên khổng lồ có từ trường nam châm bao quanh. Từ lâu người ta đã phát hiện được một số chất liệu hút được các mảnh sắt. HƯỚNG BAY • Từ trường trái đất: Trái đất là 1 thanh nam châm khổng lồ thì khi ta đặt 1 thanh nam châm tại điểm nào đó trên mặt đất cực Nam của thanh nam châm sẽ bị cực Bắc của trái đất hút về Độ lệch từ thiên, còn gọi là thiên sai (viết tắt là VARIATION). Tọađộ 1965 1970 1975 Cực Bắc từ Cực Nam từ Trị số các cực từ địa cầu không ổn định. Số liệu đo được các năm như sau: