Bài giảng Dẫn đường và quản lý không lưu - Chương 4 - 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 1 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 Mạng viễn thông cố định hàng không – AFTN • Mạng viễn thông cố định hàng không – AFTN là mạng thông liên lạc trao đổi dữ liệu dạng điện văn (messege), có tốc độ, khả năng lưu trữ và chuyển mạch từ thấp đến trung bình, thực hiện theo các đường truyền vật lý và được sử dụng để chuyển các điện văn hàng không. 3 AFTN 4 Hệ thống hiện tại sử dụng công nghệ cũ và dung lượng thấp nên không thể xử lý các yêu cầu dữ liệu tương lai đang tăng rất nhanh. Các biện pháp cải thiện cho giải pháp ngắn hạn bao gồm: - Nâng cập việc xử lý điện văn bằng tay lên tự động: Việc này đã được thực hiện trong ngành Quản lý bay của Việt Nam trong nhiều năm qua. - Phát triển các đường truyền tốc độ cao: sử dụng các kỹ thuật cho tỉ lệ điều biến cao - Chuyển các mạng đường truyền mặt đất thành các đường truyền vệ tinh nếu cần thiết. - Thực hiện giao thức X.25 giữa các Trung tâm. Coverage charts of VOR/DME 5 • There is no lack of navigation (VOR/DME) coverage during the en-route flight or terminal approach and departure route at the terminal control area. 6 Instrument Landing System (ILS) • The following are the data of Instrument Landing System (ILS) which is installed and operated by each Airport Corporation. 7 Navigations 8 Navigations 9 Navigations Instrument Landing System (ILS) 10 Surveillance 11 Surveillance Coverage chart of MSSR 12 Development Trends 13 Development Trends current Transition phase Future 14 Development Trends 15 Giải pháp lựa chọn của thế giới và của Việt Nam • Do các vấn đề trên nên cần phải có một hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu dùng riêng cho Hàng không dân dụng, do một nhóm nước đồng sở hữu và ICAO đứng ra tổ chức hoạt động dưới dạng cổ phần hay phi lợi nhuận. • Trước mắt Việt Nam đã lựa chọn và sử dụng hệ thống GPS để phục vụ cho công tác dẫn đường và một số ứng dụng cá nhân, bằng chứng là việc chuẩn y hệ thống tọa độ WGS-84 có hiệu lực bắt đầu từ năm 1998. 16 Các hệ thống tăng cường cho hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu • Bên cạnh đề xuất sử dụng hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh toàn cầu GNSS, ICAO đã đề xuất phương án xây dựng các hệ thống tăng cường cho các hệ thống định vị toàn cầu gồm ABAS, SBAS, GBAS, để cho phép tàu bay xác định chính xác vị trí trong các giai đoạn bay đường dài, tiếp cận không chính xác và chính xác. • Tất cả các hệ thống điện tử phục vụ cho dẫn đường và chỉ dẫn tiếp cận phải đáp ứng được các yêu cầu cơ bản vệ độ chính xác, tính toàn vẹn, khả năng sẵn sàng và tính liên tục. Các tiêu chuẩn liên quan đến những yêu cầu này được gọi là đặc tính dẫn đường yêu cầu – RNP (Required Navigation Performance) với những tiêu chuẩn nghiêm ngặt hơn nhằm đáp ứng được các hoạt động bay với yêu cầu ngày càng cao. 17 • Hiện tại, các hệ thống định vị toàn cầu hiện nay là GPS và GLONASS không đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác trong tất cả các giai đoạn bay, tính toàn vẹn không được bảo đảm. Cụ thể là – Không phải tất cả các vệ tinh đều được giám sát tình trạng kỹ thu một cách liên tục, thời gian cảnh báo tới hàng phút, thậm chí hàng giờ. – Không có chỉ thị về chất lượng phục vụ. – Độ chính xác chưa đủ (nhất là độ chính xác đo độ cao > 10 m). 18 • Do các chùm vệ tinh của hệ thống GNSS không thể đáp ứng được các yêu tiêu chuẩn RNP cho bất cứ giai đoạn nào của chuyến bay, nên ICAO đã đề xuất xây dựng các hệ thống tăng cường như sau: - Hệ thống tăng cường trên tàu bay – ABAS (Aircraft- Based Augmetation), gồm có: ▪ Máy theo dõi độc lập tính toàn vẹn của máy thu – RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring). ▪ Máy theo dõi độc lập tính trọn vẹn trên tàu bay. - Hệ thống tăng cường trên vệ tinh – SBAS (Satellite- Based Augmetation) - Hệ thống tăng cường trên mặt đất – GBAS (Ground-Based Augmetation) 19 Hệ thống tăng cường trên vệ tinh – SBAS Hiện nay, ngoài hệ thống SBAS như EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) do Cộng đồng châu Âu xây dựng, còn có hệ thống WASS (Wide Area Augmentation System) của khối Bắc Mỹ và hệ thống MSAS (Multi-Functional Satellite Augmentation System) đang được Nhật và một số nước châu Á phát triển. Về nguyên lý, cả ba hệ thống trên đều giống nhau và có thể tương thích với nhau 20 21 • Trong khi hệ thống WASS đã khởi đầu hoạt động (IOC – Initial Operational Capability) từ tháng giêng năm 2003 (mặc dù chưa được Cục hàng không liên bang Hoa kỳ - FAA phê chuẩn), hệ thống EGNOS đã có được những bước tiến lớn trong năm 2002, nhưng cho đến tháng 5 năm 2005 vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm (ESTB – EGNOS Satellite Test Bed). Việc phát triển hệ thống MSAS gặp phải một trở ngại lớn vào năm 1999 sau khi 2 vệ tinh dự định phóng lên hệ thống bị mất tích do sự cố của tên lửa đẩy. Việc khởi động phóng các vệ tinh thay thế được lập kế hoạch cho tháng 8 năm 2004 nhưng đã bị trì hoãn cho đến khi điều tra được nguyên nhân gây ra sự cố tên lửa năm 1999. 22 EGNOS 23 MSAS 24 SBAS • Hệ thống SBAS được thiết kế nhằm tăng cường độ chính xác (ví dụ: độ chính xác của hệ thống WAAS < 3,5 m so với độ chính xác của máy thu GPS thông thường là từ 10m – 15m) và độ tin cậy cho hệ thống GPS. Để đạt được điều này, một số trạm thu GPS cần được lắp đặt. Ở Mỹ sử dụng 25 trạm, châu Âu sử dụng 10 trạm trong quá trinh thử nghiệm và sẽ có 34 trạm khi hệ thống EGNOS hoạt động hoàn chỉnh. 25 • Vị trí của những trạm giám sát RIMS (Ranging and Integrity Monitor Stations) phải được xác định trước một cách chính xác. • Vị trí của các ăng ten thu cần được xác định chính xác đến vài centimetre. Các trạm RIMS thu tín hiệu định vị từ các vệ tinh GPS (và cùng có thể thu tín hiệu định vị từ hệ thống GLONASS và hệ thống GALILEO trong tương lai). • Bằng cách đó có thể tính toán được sai lệch giữa vị trí xác định trước của các trạm và vị trí được xác định từ dữ liệu thu được từ GPS. • Các trạm RIMS sử dụng máy thu để thu cả hai tần số của GPS (L1 và L2), và do đó độ trễ tín hiệu khi đi qua tầng điện ly có thể tính toán được cho từng vệ tinh 26 • Ngoài ra, trong hệ thống GBAS có thể gồm có cả những trạm tham chiếu hoạt động giống như một vệ tinh GPS phát đi tín hiệu định vị chính xác lên tàu bay (do vị trí của các trạm này đã được xác định chính xác và các thông tin định vị đã được sửa lỗi). • Máy thu trên tàu bay có thể sử dụng các thông tin định vị chính xác này kèm theo điện văn sửa lỗi từ trạm trung tâm phát lên để sửa lỗi tín hiệu GPS, từ đó nâng cao độ chính xác của thông tin định vị. 27 28 Các đặc trưng của hệ thống GBAS • Tầm phủ: tối thiểu phải tương đương với hệ thống ILS. Theo khuyến cáo của ICAO tầm phủ có bán kính tối thiểu là 23NM, kiểu phát vạn hướng (Omni Directional) với mực bay FL100 cho đến 23feet. • Dải tần số Data link: 108 – 118MHz (phân cách kênh 25kHz). • Điều chế tín hiệu D8PSK (Differential 8 states Phase Shift Keying). • Sử dụng kỹ thuật TDMA 8 khe thời gian. • Tần số cập nhật mã sửa sai: 2Hz (Pseudorange corrections update rate) • Công suất máy phát: trung bình khoảng 50W. • Sử dụng ăng ten vạn hướng (omnirange directional antenna) • Đối tượng sử dụng: Tiếp cận loại I – CAT I (Category I Approach) • Vị trí lắp đặt: Trong sân bay. 29 • Mô hình hệ thống GBAS có các trạm phát tín hiệu giả GPS và trạm giám sát 30 • Hiện nay, trên thế giới có hệ thống LAAS (Local Area Augmentation System) đã được Cục hàng không liên bang Hoa kỳ - FAA sử dụng cho tiếp cận chính xác CAT I từ năm 2005. Hệ thống này tương tự như WAAS ở chỗ cũng dùng số liệu điều chỉnh mức độ sai lệch thông tin định vị, nhưng khác ở chỗ số liệu sai lệch này được phát từ nơi cần có độ chính xác cao như quanh khu vực sân bay. Số liệu sai khác này có giá trị hữu dụng trong vòng từ 30 đến 50km xung quanh đài phát. 31 32 Hệ thống tăng cường trên mặt đất – GBAS • GBAS là một hệ thống hoạt động dựa trên kỹ thuật GPS vi sai – DGPS (Differential GPS), được sử dụng để cung cấp thông tin định vị cho tàu bay trong giai đoạn tiếp cận chính xác gần khu vực sân bay. Hệ thống GPAS cho phép sửa sai do ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu đối với tín hiệu GPS. 33 GBAS 34 GBAS • Trong hệ thống GBAS, các trạm tham chiếu (reference stations) đặt xung quanh khu vực sân bay với các tọa độ đã được biết chính xác, những trạm này thu tín hiệu định vị từ hệ thống GPS và so sánh với thông số định vị đã biết trước của chính nó, sau đó chuyển các dữ liệu sai lệch về cho trạm trung tâm nằm trong sân bay. • Các dữ liệu này sẽ được kết hợp vào trong các điện văn sửa lỗi (correction message) để phát lên tàu bay thông qua đường VHF Data Link. • Máy thu trên tàu bay sẽ sử dụng các dữ liệu này để sửa sai thông tin định vị đo được bằng máy thu GPS. Thông tin này được sử dụng để hiển thị các thông số giống như máy thu ILS để sử dụng cho mục đích hạ cánh. 35 Kế hoạch chuyển tiếp sang GNSS của ICAO • Trên đại dương: • Độ chính xác của hệ thống dẫn đường đã được cải tiến nhờ vào việc sử dụng kết hợp GNSS với ADS, sẽ cho phép giảm tiêu chuẩn phân cách giữa các tàu bay, chuyến bay gần tối ưu hơn để tận dụng những thuận lợi về hướng gió về việc thay đổi đường bay linh hoạt nhằm tranh thủ các điều kiện về thời tiết. Việc chuyển tiếp sang dẫn đường bằng vệ tinh bao gồm: 36 - Chuyển sang sử dụng hệ tọa độ WGS-84; - Trang bị cho tàu bay máy thu GNSS thích hợp có khả năng cho ABAS; - Công bố các phương thức; - Bắt đầu thực hiện GNSS như là phương tiện bổ trợ, tiến đến trở thành phương tiện chính; - Thực hiện GNSS như là một phương tiện duy nhất. 37 Bay đường dài trên đất liền/tiếp cận không chính xác – NPA (Non Precise Approach). • Đối với việc bay đường dài trên đất liền, GNSS (GPS) ban đầu có thể được sử dụng để bay theo phương thức tiếp cận không chính xác NPA. • GNSS có thể được xem như là phương tiện bổ trợ cho các hệ thống dẫn đường truyền thống như là VOR, NDB. • Các tiếp cận chồng ghép sẽ cung cấp cho người lái kinh nghiệm sử dụng GNSS trong lúc hệ thống đang được cải thiện độ chính xác về dẫn đường. Để sớm thu được lợi ích khai thác của GNSS, các quốc gia có thể xem xét việc thực hiện GPS như là phương tiện chính cho giai đoạn bay NPA. 38 Tiếp cận chính xác • Hiện tại ICAO chỉ định ILS và MLS là hệ thống dẫn đường tiếp cận chính xác tiêu chuẩn. Nhóm khai thác về thông tin liên lạc đặc biệt của ICAO tổ chức họp tại Montreal vào tháng 3, 4/1995 đã đánh giá lại kế hoạch chuyển tiếp ILS/MLS sang GNSS và xây dựng chiến lược mới về tiếp cận chính xác. 39