Kỹ thuật tránh va chạm cho các phương tiện trên bề mặt sân bay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------TẠ ĐĂNG HÙNG

KỸ THUẬT TRÁNH VA CHẠM CHO CÁC PHƯƠNG TIỆN
TRÊN BỀ MẶT SÂN BAY

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. ĐỖ TRỌNG TUẤN

Hà Nội – Năm 2014


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................3
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH VẼ.................................................................................................6
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................8
Lý do chọn đề tài .......................................................................................................8
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu ........................8
Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả .......................8
Phương pháp nghiên cứu ..........................................................................................9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRÁNH VA CHẠM CHO CÁC
PHƯƠNG TIỆN TRÊN BỀ MẶT SÂN BAY ........................................................... 10
1.1

Mô hình hoạt động của sân bay. ...................................................................10

1.2 Kỹ thuật truyền thông trong phát hiện và cảnh báo va chạm cho các phương
tiện trên sân bay ......................................................................................................15
1.2.1

Kỹ thuật giám sát các phương tiện trên sân bay .......................................16

1.2.2

Kỹ thuật truyền thông tin cho các phương tiện trong sân bay. .................23

CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRÁNH VA CHẠM VÀ
THUẬT TOÁN TRÁNH VA CHẠM CHO CÁC PHƯƠNG TIỆN TRÊN BỀ
MẶT SÂN BAY ...........................................................................................................31
2.1 Công nghệ thông tin di động hàng không và ứng dụng vào hệ thống tránh va
chạm.. ......................................................................................................................32
2.1.1 Tính toán vùng phủ và thời gian truyền nhận dữ liệu trong ứng dụng giám sát
tránh va chạm cho các phương tiện trên bề mặt sân bay. .......................................33
2.1.2

Mô hình mạng WiMAX cho hệ thống thông tin di động hàng không. .....36

2.2 Thuật toán phát hiện va chạm và tránh va chạm của hai phương tiện trên bề
mặt sân bay. ............................................................................................................40
2.2.1

Cơ sở của thuật toán tránh va chạm cho hai phương tiện. ........................40

2.2.2

Thuật toán tránh va chạm của 2 phương tiện ...........................................47

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN TRÁNH VA CHẠM
CHO CÁC PHƯƠNG TIỆN TRÊN BỀ MẶT SÂN BAY .......................................55

1


3.1 Ứng dụng thuật toán mô phỏng tránh va chạm cho hai phương tiện trên bề
mặt sân bay . ...........................................................................................................55
3.1.1

Kỹ thuật xác đinh tham số của phương tiện. .............................................55

3.1.2

Kịch bản va chạm của hai phương tiện trên sân bay Nội Bài. ..................57

3.1.3 Lưu đồ thuật toán và các tham số mô phỏng của hai phương tiện trên sân
bay…… ...................................................................................................................59
3.2 Kết quả chương trình mô phỏng tránh va chạm cho hai phương tiện trên bề mặt
sân bay.....................................................................................................................60
KẾT LUẬN ..................................................................................................................61
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 62
PHỤ LỤC .....................................................................................................................63
Phụ lục 1: Code matlab mô phỏng tránh va chạm theo thuật toán tránh va chạm..63
Phụ lục 2: Code matlab mô phỏng tránh va chạm theo di chuyển tự do ................73
Phụ lục 3: Bảng tham số mô phỏng ........................................................................83

2


WiMAX
GPS
ADS-B

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Worldwide Interoperability for
Công nghệ Wimax
Microwave Access
Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn cầu.

MLAT

Automatic dependent surveillance
– broadcast
Multilateration

VDL MODE 4

VHF Data Link mode 4

TDMA

Time division multiple access

AeroMACS

Aeronautical Mobile Airport
Communications System
Orthogonal frequency-division
multiplexing
Orthogonal Frequency-Division
Multiple Access
Line-of-sight

OFDM
OFDMA
LOS
A-SGMCS

Advanced Surface Movement
Guidance and Control System

ATC

Air traffic control

TCAS

Traffic collision avoidance system

Tự động giám sát phụ thuộc
quảng bá
Công nghệ xác định vị trí đa
điểm MLAT
Đường truyền dữ liệu VHF

chế độ 4.
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
Hệ thống thông tin di động
hàng không.
Ghép kênh theo tần số phân
chia trực giao
Đa truy nhập phân chia theo
tần số sóng mang trực giao.
Đường nhìn thẳng
Hệ thống điều khiển và
hướng dẫn di chuyển trên
mặt đất.
Kiểm soát không lưu

PSR

Hệ thống tránh va chạm cho
máy bay trên không.
Global Navigation Satellite System Hệ thống dẫn đường vệ tinh
toàn cầu
Primary Surveillance Radar
Radar giám sát sơ cấp

SSR

Secondary surveillance radar

Radar giám sát thứ cấp

TDOA

Time Difference of Arrival

STDMA

Self-Organized Time Division
Multiple Access
International Civil Aviation
Organization
Air traffic management

Sự khác nhau thời gian đến
cùng một thời điểm phát.
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian tự tổ chức.
Tổ chức hàng không dân
dụng quốc tế
Hệ thống quản lý giao thông
Hàng không

GNSS

ICAO
ATM

3


FAA

The Federal Aviation
Administration
RTCA
Radio Technical Commission for
Aeronautics
NASA
National Aeronautics and Space
Administration
EUROCONTROL European Organisation for the
Safety of Air Navigation
WGS84

Cục Hàng Không Liên Bang
Mỹ
Ủy ban kỹ thuật vô tuyến
cho Hàng Không
Tổ chức quản lý Hàng
không và vùng trời của Mỹ
Tổ chức về an toàn và dẫn
đường hàng không của Châu
Âu.
Hệ tọa độ WGS 84 của Mỹ

Cartesian

Hệ tọa độ Đề các.

4

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1:Bảng thông số và kết quả của thiết bị thu phát của SELEX ......................... 34

5


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Sơ đồ đường băng sân bay Nội Bài ............................................................. 11
Hình 1. 2: Sơ đồ sân đỗ sân bay Nội Bài .......................................................................12
Hình 1. 3 Sơ đồ sân bay Nội Bài sửa chữa đường lăn S3 .............................................13
Hình 1. 4 : Mô hình vận hành kỹ thuật tránh va chạm tại sân bay. ............................... 15
Hình 1. 5 : Radar sơ cấp ................................................................................................ 18
Hình 1. 6: Radar giám sát thứ cấp .................................................................................19
Hình 1. 7: Nguyên lý hoạt động chế độ Mode S ........................................................... 20
Hình 1. 8: Hệ thống định vị toàn cầu GPS ....................................................................20
Hình 1. 9: Công nghệ giám sát bằng ADS-B ................................................................ 22
Hình 1. 10: Công nghệ MLAT ......................................................................................22
Hình 1. 11: Kiến trúc hệ thống VHF data link .............................................................. 24
Hình 1. 12: Cấu hình vật lý bộ phát đáp VDL mode 4..................................................25
Hình 1. 13: Mô hình OSI đơn giản của VDL mode 4 ...................................................26
Hình 1. 14: cấu trúc khung TDMA trong VDL mode 4 ................................................27
Hình 1. 15: Giao thức của VDL mode 4 được ứng dụng vào hệ thống giám sát mặt đất
.......................................................................................................................................27
Hình 1. 16: Lịch sử phát triển hệ thống AeroMACS ....................................................28
Hình 1. 17: Mô hình triển khai công nghệ AeroMACS trong sân bay ......................... 29
Hình 2. 1: Sơ đồ khối hệ thống tránh va chạm cho các phương tiện trên bề mặt sân bay
.......................................................................................................................................31
Hình 2. 2: Mô hình hoạt động thông tin di động trong hàng không .............................. 33
Hình 2. 3: Sơ đồ của hệ thống khi máy bay năm trên đường băng. .............................. 35

Hình 2. 4:Cấu trúc symbol cho trường hợp sử dụng OFDM.........................................37
Hình 2. 5: Một khung truyền của công nghệ AeroMACS.............................................38
Hình 2. 6:Mô hình mạng WiMAX tham khảo .............................................................. 39
Hình 2. 7: Sơ đồ hình học hai phương tiện trong hệ trục tọa độ 2 chiều. ....................43
Hình 2. 8 :Hai phương tiện di chuyển theo hai hướng khác nhau .................................49
Hình 2. 9: Hai phương tiện có khả năng xảy ra va chạm. .............................................50
Hình 2. 10: Đường ngắm LOS và góc ngắm lỗi E dương .............................................51
Hình 2. 11: Đường ngắm LOS và góc ngắm lỗi E âm. .................................................52
Hình 2. 12: Hình vẽ xác định góc ngắm lỗi...................................................................53

6


Hình 3. 1: Hệ tọa độ theo WGS84 và Cartesian ........................................................... 55
Hình 3. 2: Kịch bản va chạm của hai máy bay trên sân bay Nội Bài ............................ 57
Hình 3. 3: Lưu đồ thuật toán mô phỏng tránh va chạm cho hai phương tiện trên ........59
Hình 3. 4: Giao diện phần mềm mô phỏng tránh va chạm cho hai phương tiện ...........60

7


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Với sự phát triển của ngành Hàng Không, lượng hành khách lưu thông đường
không ngày càng gia tăng. Để đáp ứng nhu cầu đi lại, các hãng hàng không cần phải
tăng số lượng các chuyến bay. Kéo theo đó các hoạt động trong khu vực sân bay cũng
được gia tăng, bao gồm cả hoạt động của máy bay lẫn các phương tiện khác di chuyển
trong sân bay. Bên cạnh đó độ phức tạp của các sân bay cũng được tăng lên để đáp
ứng yêu cầu khai thác. Hiện tại các hoạt động trong khu vực sân bay chủ yếu dựa trên
sự quan sát bằng mắt của các kiểm soát viên không lưu, phi công và người điều khiển

các phương tiện khác để từ đó dự đoán và đưa ra các quyết định điều khiển hợp lý. Khi
đó, với sự gia tăng các chuyến bay, đặc biệt là trong điều kiện tầm nhìn thấp, cùng với
độ phức tạp của sân bay và các dịch vụ khác trong sân bay, khả năng xảy ra xung đột
trong quá trình di chuyển trên bề mặt sân bay, xung đột trên đường cất hạ cánh sẽ ngày
càng gia tăng. Do đó trong luận văn này em sẽ trình bày nghiên cứu về giải pháp “kỹ
thuật tránh va chạm cho các phương tiện trên bề mặt sân bay.”
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
 Mục đích nghiên cứu: Mục đích của luận văn là nghiên cứu các vấn đề cơ bản
của kỹ thuật tránh va chạm cho các phương tiện trên bề mặt sân bay.
 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Luận văn nghiên cứu giải pháp, kỹ thuật
tránh va chạm cho các phương tiện trên bề mặt sân bay.
Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả:
Kỹ thuật tránh va chạm cho các phương tiện trên bề mặt sân bay là vô cùng quan
trọng. Hiện nay tại Việt Nam chưa có sân bay nào sử dụng hệ thống tránh va chạm cho
các phương tiện trên bề mặt sân bay. Trên thế giới tổ chức hàng không dân dụng quốc
tế cung đã đưa ra hệ thống A-SGMCS, là hệ thống có chức năng dẫn đường giám sát,
hướng dẫn di chuyển cho các phương tiện trên bề mặt sân bay. Thấy được cấp thiết
này luận văn nghiên cứu về kỹ thuật tránh va chạm cho các phương tiện trên bề mặt
sân bay. Luận văn đã trình bày lựa chọn công nghệ giám sát, truyền thông, thuật toán
tránh va chạm cho các phương tiện trên bề mặt sân bay. Luận văn đã xây dựng được

8


giải pháp thiết kế hệ thống tránh va chạm dựa vào các kỹ thuật đã nghiên cứu. Ngoài
ra luận văn cũng đã mô phỏng ứng dụng của thuật toán tránh va chạm cho các phương
tiện vào một kịch bản trên sân bay Nội Bài.
Phương pháp nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu trên phương diện lý thuyết kết hợp với mô phỏng trên phần mềm
MatLab để nghiên cứu về kỹ thuật tránh va chạm cho các phương tiện trên bề mặt sân

bay.
Nội dung của luận văn
Cấu trúc của luận văn bao gồm 3 chương
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật tránh va chạm cho các phương tiện trên bề mặt sân
bay.
Chương 2: Giải pháp thiết kế hệ thống tránh va chạm và thuật toán tránh va chạm cho
các phương tiện trên bề mặt sân bay.
Chương 3: Đánh giá mô phỏng thuật toán tránh va chạm cho các phương tiện trên bề
mặt sân bay.

9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRÁNH VA CHẠM CHO CÁC
PHƯƠNG TIỆN TRÊN BỀ MẶT SÂN BAY
Đặt vấn đề
Hiện nay các thủ tục về hướng dẫn di chuyển cho các phương tiện trong sân bay
chủ yếu dựa trên nguyên tắc quan sát màn hình radar hoặc quan sát bằng mắt để duy trì
khoảng cách giữa máy bay với các phương tiện khác hoặc lịch trình làm việc của từng
máy bay đều khá thủ công. Tuy nhiên số sự cố hoặc tai nạn trong quá trình di chuyển
trên bề mặt sân bay ngày càng gia tăng điển hình nhất là những tai nạn gần đây như tai
nạn giữa hai máy bay trên đường băng ở sân bay Yachon, hoặc trường hợp đe dọa an
toàn hàng không xảy ra giữa hai máy bay của Vietjet Air và Vietnam Airline. Những
yếu tố góp phần gia tăng sự cố đó bao gồm số hoạt động trên đường băng tăng nhanh
chóng, các lịch trình hoạt động của máy bay và phương tiện di chuyển trên bề mặt sân
bay dày đặc. Trong đó có những yếu tố chủ quan như sự không tuân thủ các quy trình
về vận hành, điều khiển của phi công, của lái xe vận tải, hoặc của chính các kiểm soát
viên không lưu. Ngoài ra còn có những yếu tố khách quan như thời tiết xấu làm giảm
tầm nhìn của kiểm soát viên không lưu. Từ những yếu tố đó chúng ta thấy rằng cần
thiết phải đưa ra những giải pháp nâng cao khả năng giám sát, cung cấp thông tin về vị

trí hơn nữa còn có khả năng cảnh báo và phát hiện va chạm trong mọi điều kiện thời
tiết .
Để xây dựng giải pháp tránh va chạm cho các phương tiện trên sân bay. Tiếp theo
chương 1 của luận văn sẽ trình bày về các vấn đề chính trong kỹ thuật tránh va chạm
trong sân bay đó là mô hình hoạt động của các máy bay trên sân bay, ngoài ra sẽ trình
bày tới các công nghệ giám sát trong hàng không để có thể giám sát được vị trí của
máy bay và các phương tiện trên sân bay và cuối cùng đó là công nghệ truyền thông
thông tin trong sân bay.
1.1 Mô hình hoạt động của sân bay.
Để có thể giám sát và phát hiện va chạm và tránh va chạm cho các phương tiện trên
sân bay thì cần thiết phải biết quy trình hoạt động của máy bay là như thế nào trong
một sân bay. Thông thường, tất cả các hoạt động trong một sân bay đều phụ thuộc vào

10


kiểm soát viên không lưu. Phi công và và các lái xe vận tải sẽ quan sát bằng mắt để
ước lượng vị trí tương đối của máy bay và các phương tiện vận tải. Ngoài ra phi công
và các lái xe vận tải sẽ dựa vào các công cụ hỗ trợ trực quan như đèn hiệu, biển chỉ
dẫn, biển báo từ đó sẽ giúp họ xác định được các nút giao. Trong điều kiện tầm nhìn
thấp kiểm soát viên không lưu phải dựa vào các thông báo của phi công và radar giám
sát bề mặt để theo dõi khoảng cách và xác định khả năng xung đột.
Luận văn xin đưa ra một ví dụ điển hình đó là sân bay Nội Bài để làm rõ hơn quy
trình hoạt động của một máy bay hoạt động trong sân bay [1].

Hình 1. 1: Sơ đồ đường băng sân bay Nội Bài
Phân tích những hoạt động của máy bay tại sân bay Nội Bài bao gồm từ khi hạ
cánh đến khi đi vào sân đỗ và ngược lại từ sân đỗ.Từ hình 1.1 cho thấy sân bay bao
gồm 02 đường băng (Runaway) 11L và Runaway 29R với độ dài đường băng lớn nhất
là 3.8km. Ngoài ra là các đườn lăn S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S6A, và S1B.

11


Sơ đồ sân đỗ sân bay Nội Bài có sơ đồ như sau:

Hình 1. 2: Sơ đồ sân đỗ sân bay Nội Bài
Từ sơ đồ cho thấy sân bay có các điểm đỗ riêng cho từng máy bay như cổng 11, 12,
13 cho các máy bay ATR72 và F70, cổng 14, 15, 16, 17, 18 và 24 để sử dụng cho máy
bay tới Abus 321. Cổng 19, 20 và 21 được sử dụng cho máy bay từ Boeing 747, sân đỗ
22, 23 sử dụng cho máy bay Boeing 767. Các cổng 1, 2, 4, 6, 7, 9 đều được sử dụng
để đưa hành khách lên máy bay boeing B747.và cổng số 5 sử dụng lên máy bay B767.

12


Tình huống được đặt ra ở đây là khi sân bay Nội Bài sửa chữa đường lăn S3[2]

Hình 1. 3 Sơ đồ sân bay Nội Bài sửa chữa đường lăn S3

13


Luồng giao thông trong sân bay được các cơ quan chức năng xây dựng như sau [2]:
 Với phương thức lăn ra cất cánh:
Tại đường Cất hạ cánh 11L
 Tàu bay từ sân đỗ lăn theo đường lăn S4 hoặc S6Ahoặc S1B → S1 → S7, lăn
cắt qua đường Cất hạ cánh 11R/29L, tiếp tục lăn trên đường lăn S7 đến đường
cất hạ cánh 11L để cất cánh, hoặc;
 Tàu bay từ sân đỗ lăn theo đường lăn S4 hoặc S6A hoặc S1B → S1 → S4 →

cắt qua đường cất hạ cánh 11R/29L→ S5 → lăn ngược đến cuối đường cất hạ
cánh 11L, quay đầu tại sân quay 11L để cất cánh.
 Với phương thức lăn vào sau khi hạ cánh
Tại đường cất hạ cánh 11L
 Sau khi hạ cánh, tàu bay thoát ly đường cất hạ cánh theo đường lăn S2 hoặc S1
→ vòng phải lăn trên đường cất hạ cánh 29L → vòng trái vào đường lăn S4,
tiếp tục lăn trên đường lăn S4 vào sân đỗ, hoặc;
 Sau khi hạ cánh, tàu bay thoát ly đường cất hạ cánh theo đường lăn S2 hoặc S1
→ vòng phải lăn trên đường CHC 29L → vòng trái vào đường lăn S4 → vòng
phải vào đường lăn S1 → vòng trái vào đường lăn S6A để vào sân đỗ, hoặc;
 Sau khi hạ cánh, tàu bay thoát ly đường cất hạ cánh theo đường lăn S2 hoặc S1
→ vòng phải lăn trên đường CHC 29L → vòng trái vào đường lăn S4 → vòng
trái vào đường lăn S1 → vòng phải vào đường lăn S1B để vào sân đỗ.
Ngoài ra tại các đường lăn và sẫn đỗ có rất nhiều loại xe vận tải lưu thông như
xe chở hành khách, xe chở hành lý, xe chở nhiên liệu, xe an ninh.Sẽ có rất nhiều
tình huống giao nhau của các phương tiện trên sân bay.
Việc cần thiết là xây dựng các tình huống va chạm có thể xảy ra tại các nút giao
thông giao nhau. Các tình huống được chia làm 6 kịch bản lớn đó là:
-

Va chạm liên quan đền hai máy bay lăn trên đường lăn.

-

Va chạm liên quan đến một máy bay lăn trên đường lăn và một chiếc xe vận
tải.

14

-

Va chạm liên quan đến một máy bay lăn trên đường lăn và một máy bay
đang trong quá trình cất cánh.

-

Va chạm liên quan đến một máy bay lăn trên đường lăn và một máy bay
đang trong quá trình hạ cánh

-

Va chạm liên quan đến mộ máy bay và một máy bay khác rẽ hoặc vượt qua
vạch ranh giới.

Trong các kịch bản xung đột trên luận văn đi sâu vào nghiên cứu kịch bản xung đột
giữa một máy bay và một xe vận tải hoặc một máy bay cất hạ cánh.
1.2 Kỹ thuật truyền thông trong phát hiện và cảnh báo va chạm cho các phương tiện
trên bề mặt sân bay.
Với một hệ thống tránh va chạm cho các phương tiện trên sân bay thì kỹ thuật
truyền thông là hết sức quan trọng, những kỹ thuật xử lý trong kỹ thuật truyền thông
ảnh hưởng trực tiếp tới an toàn an ninh hàng không. Trong kỹ thuật truyền thông của
hệ thống tránh va chạm được chia làm hai phần chính là một là kỹ thuật giám sát để
xác định được vị trí của máy bay và các phương tiện, hai là kỹ thuật truyền thông để
truyền các thông tin về vị trị, vận tốc, hướng di chuyển … do các cảm biến tính toán
được trong kỹ thuật giám sát. Sơ đồ cấu trúc của một kỹ thuật tránh va chạm như sau:

Hình 1. 4 : Mô hình vận hành kỹ thuật tránh va chạm tại sân bay.

15

1.2.1 Kỹ thuật giám sát các phương tiện trên sân bay
Giám sát đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong kiểm soát không lưu. Tính
chính xác và đáng tin cậy của xác định vị trí máy bay và phương tiện khác có ảnh
hưởng trực tiếp khoảng cách phân cách yêu cầu giữa hai máy bay (v.v khoảng cách
tiêu chuẩn) và do đó vấn đề là làm sao giám sát vị trí của các phương tiện trên sân bay
một cách hiệu quả nhất. Trong những vùng không có hệ thống giám sát điện tử, ở đó
ATC sẽ phụ thuộc vào việc phi công thông báo bằng miệng về vị trí của máy bay. Do
vậy máy bay phải được tách ra một khoảng cách rộng nên dẫn đến việc ước tính vị trí
của máy báy sẽ không chắc chắn và tính kịp thời về thông tin cũng không được đảm
bảo. Ngược lại trong vùng có các thiết bị đầu cuối nơi mà hệ thống giám sát chính xác
và đáng tin cậy được sử dụng để cập nhật liên tục vị trí của máy bay, do vậy không
gian bay có thể được sử dụng với hiệu suất cao hơn nhiều từ đó mà vấn đề an toàn
cũng được nâng lên nhiều với mật độ bay cao.
Các chức năng cơ bản nhất của một hệ thống giám sát đó là cung cấp định kì một
cách chính xác vị trí, độ cao, tốc độ và mã nhận dạng của máy bay. Tùy thuộc vào ứng
dụng của từng sân bay hệ thống giám sát sẽ được hỗ trợ theo các yêu cầu khác nhau.
Một hệ thống giám sát các phương tiện trên bề mặt sân bay có thể được mô tả bằng các
thông số dưới đây:
-

Vùng phủ sóng – Mức độ không phận để hệ hệ thống đó hoạt động đúng đặc tính kĩ
thuật.

-

Độ chính xác – là cách xác định sự sai khác giữa vị trí ước đoán và vị trí thực của
máy bay.

-

Tính toàn vẹn – Độ ổn định của những bản tin giám sát.

-

Tốc độ cập nhật – Tốc độ của vị trí máy bay được cập nhật cho người dùng.

-

Độ đáng tin cậy – Là xác suất mà hệ thống sẽ tiếp tục hoạt động đúng đặc điểm kĩ
thuật trong một thời gian xác định.

-

Tính sẵn sàng hoạt động – là tỉ lệ phần trăm tổng thời gian hoạt động đúng theo
hoạt động kĩ thuật.

16


Một số vấn đề khác khi nghiên cứu về hệ thống giám sát các phương tiện trên sân bay
đó là :
-

Khả năng nhận diện các đối tượng.

-

Sự tác động của việc mất giám sát máy bay trong thơi gian ngắn (vài giây) hoặc

thời gian dài.

-

Sự tác động của việc mất giám sát một vùng trên vùng diện tích

-

Cần có các trường hợp dự phòng và khẩn cấp với việc phát hiện máy bay hoặc hệ
thống giám sát bị lỗi

-

Khả năng hoạt động với chỉ tiêu kĩ thuật đúng với mật độ giao thông dự kiến

-

Khả năng hoạt động phù hợp với các hệ thống TCAS.

-

Khả năng thu được nguồn dữ liệu của máy bay.

-

Sự tương tác giữa các thành phần chức năng: thông tin, dẫn đường ,giám sát.

1.2.1.1Công nghệ giám sát các phượng tiện bằng Radar.
Ngày nay có chủ yếu 2 loại công nghệ giám sát vị trí các phương tiện trong sân bay
đó là Radar và công nghệ định vị vệ tinh GNSS. Trong đó radar có hai loại là radar sơ

cấp và radar thứ cấp. Radar giám sát sơ cấp truyền tín hiệu đi với công suất suất lớn,
một số trong đó là máy bay sẽ phản hồi lại Radar. Radar xác định vị trí của máy bay
trong khoảng thời gian truyền đi giữa thời gian truyền dẫn và tiếp nhận và phản xạ.
Radar sơ cấp không cung cấp danh tính và độ cao của máy bay. Tuy nhiên, PSR không
yêu cầu thiết bị cụ thể nào trên máy bay [3]

17


Hình 1. 5 : Radar sơ cấp
Với công nghệ của radar giám sát sơ cấp không thể nhận dạng được các phương tiện
và cũng không cung cấp được các thông tin về độ cao, có thể báo cáo sai về đối
tượng.và tốc độ cấp nhật về vị trí chỉ đạt giữa 4 và 12 giây. Từ những điểm yếu trên hệ
thống Radar sơ cấp là không phù hợp với giải pháp tránh va chạm của các phương tiện
trên bề mặt sân bay.
Khắc phục những nhược điểm của Radar giám sát sơ cấp Radar giám sát thứ cấp
bao gồm hai hệ thống chính đó là thành phần thẩm vấn cơ sở dưới mặt đất và thành
phần nhận và trả lời từ bộ phát đáp của máy bay. Các bộ phát đáp của máy bay sẽ đáp
ứng thẩm vấn từ các trạm mặt đất trong khoảng cho phép từ các trạm mặt đất đến
khoảng cách tính toán.

18


Hình 1. 6: Radar giám sát thứ cấp
Hệ thống Radar giám sát thứ cấp cho phép trao đổi thông tin sử dụng hai chế độ
A/C và chế độ S. Tần số hoạt động của radar giám sát thứ cấp là 1030Mhz và
1090Mhz, chế độ S là cải tiến của chế độ A/C.
Nguyên lý hoạt động của chế độ Chế độ S [3]
•

Mỗi tín hiệu hỏi hoặc trả lời chứa 56 bit (Mode S ngắn) hoặc 112 bit (Mode S
dài) thông tin.

•

Những bản tin dài hơn được chia thành những gói tin có độ dài tiêu chuẩn.

•

Các tín hiệu hỏi/trả lời ở Mode S dài chứa điện văn 56 bit (điện văn có đồ dài
chuẩn SLM) hoặc điện văn 80 bit (Điện văn có độ dài mở rộng)

•

Các xung P1 và P3 (độ dài xung 0,8 μs) được phát xạ bằng ăng ten định hướng.

•

Khoảng thời gian giữa P1 và P3 tương ứng với một chế độ hỏi nhất định (8 μs
đối với mode A hoặc 21 μs đối với mode C)

•

Xung P2 được phát xạ bởi ăng ten vô hướng dùng cho mục đích triệt búp sóng
phụ của ăng ten định hướng.

19

Hình 1. 7: Nguyên lý hoạt động chế độ Mode S
Công nghệ giám sát bằng vệ tinh GNSS
Ngoài các công nghệ giám sát vị trí bằng Radar thì có một công nghệ giám sát vị trí
rất tiên tiến hiện này là công nghệ giám sát vị trí bằng GNSS. Hiện tại trên thế giới có
ba hệ thống vệ tinh giám sát toàn cầu đang hoạt động là hệ thống định vị toàn cầu GPS
của Mỹ và GLONASS của Nga và GAILEO của Châu Âu.
Hệ thống định vị toàn cầu GPS.

Hình 1. 8: Hệ thống định vị toàn cầu GPS

20


Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống dẫn đường vô tuyến sử dụng vệ tinh trên
toàn cầu của Mỹ bao gồm 3 phần chính: Phần không gian, Phần điều khiển, và Phần
người dùng.
- Phần không gian: bao gồm các vệ tinh GPS, các vệ tinh GPS sẽ gửi tín hiệu vô tuyến
từ không gian tới các thiết bị cần định vị. Hệ thống GPS gồm 24 vệ tinh nằm cách đều
nhau trên quỹ đạo của trái đất, ngoài 24 vệ tinh hoạt động cồn có một số vệ tinh dự
phòng. Với hệ thống các vệ tinh này thì bất cứ vị trí nào trên trái đất cũng có thể nhìn
thấy từ 5 đến 8 vệ tinh.
- Phần điều khiển: Phần này gồm hệ thống các trạm theo dõi giám sát trên toàn thế
giới, hệ thống giám sát chính nằm ở Schriver của Mỹ.
- Phần người dùng: Chính là các máy thu GPS, máy thu GPS chuyển đổi giải mã tín
hiệu nhận được thành các thông tin cần thiết như vị trí, tốc độ, vận tốc, hướng di
chuyển.v.v
Sau khi đã thu nhận được các dữ liệu về vị trí, vận tốc, hướng di chuyển của các
máy thu, máy thu được tích hợp vào các thiết bị để sử dụng các công nghệ truyền
thông tin về Trung tâm điều khiển không lưu.Trong vấn đề giám sát vị trí của các
phương tiện trên sân bay, điển hình có thể kể đến công nghệ tự động giám sát phụ

thuộc phát quảng bá (ADS-B). ADS-B là một hệ thống sử dụng thông tin truyền từ
máy bay, phương tiện vận tải để cung cấp vị trí địa lý dữ liệu độ cao, toàn vẹn vị trí,
nhận dạng máy bay và phương tiện vận tải, 24bit nhận dạng, thông tin về tốc độ và dữ
liệu khác được xác định bởi các cảm biến đặt trên máy bay.[4]

21


Hình 1. 9: Công nghệ giám sát bằng ADS-B
Công nghệ giám sát Mulltilateration [5]

Hình 1. 10: Công nghệ MLAT

Một ứng dụng khác cũng giám sát vị trí các phương tiện trên sân bay sử dụng
công nghệ vệ tinh đó là công nghệ Multilateration (MLAT). Hệ thống multilateration

22


là hệ thống sử dụng bộ phát đáp trên máy bay (chế độ A/C, chế độ S, hoặc ADS-B) để
tính toán ra vị trí 2D hoặc 3D.
Multilateration dựa vào các tín hiệu từ bộ phát đáp trên máy bay bị phát hiện bởi
một số trạm thu để tính toán ra vị trí của máy bay. Hệ thống sử dụng công nghệ sự sai
khác của thời gian đến TDOA. Độ chính xác của multilateration phụ thuộc vào tính
chất hình học của các đối tượng tác động đến các trạm thu, độ chính xác là thời gian
tương đối mà một tín hiệu nhận được tới mỗi trạm có thể tính toán được.
Multilateration được sử dụng chủ yếu cho việc giám sát bề mặt sân bay mặc dù việc
phát triển thiết kế hệ thống có thể phải phân chia thành các vùng hướng dẫn không
phận. Multilateration tính toán độc lập trên hình học 2D để tính toán ra vị trí của máy
bay.nếu muốn tính toán trong hình học 3D cần cài đặt nhiều cảm biến hơn.

1.2.2 Kỹ thuật truyền thông tin cho các phương tiện trong sân bay.
Hệ thống thông tin liên lạc cho các phương tiện trong sân bay, và các trao đổi
giữa kiểm soát viên không lưu với các hệ thống thường tương ứng với các chức năng
dẫn đường giám sát. Những hệ thống truyền thông tin trong kỹ thuật tránh va chạm
bao gồm:
 VHF data Link: VDL mode 2 (dữ liệu), VDL mode 3 (thoại và dữ liệu),
VDL mode 4 ( dữ liệu)
 SSR mode S (dữ liệu) và mode ES (dữ liệu)
 Ngoài ra còn có một công nghệ đang trong quá trình phát triển và được đánh
giá là công nghệ của tương lai cho sân bay là hệ thống thông tin di động
trong sân bay (AeroMAC).
Trong đó các kỹ thuật thông tin trên đều có kỹ thuật truyền dẫn khác nhau nhưng lại
cùng một giao thức truy nhập mạng dựa trên mô hình chuẩn OSI được gọi là mạng
ATN. Trong kỹ thuật tránh va chạm hệ thống thông tin chính là các thông tin từ các
dịch vụ giám sát theo công nghệ vệ tinh, hoặc hệ thống tăng tường GNSS. Liên kết
giữa VDL data Link và WiMax đ ang được lựa chọn để nghiên cứu và phát triển và
dần đưa vào hoạt động. Tiếp theo đây sẽ giới thiệu tổng quan về kỹ thuật VDL và

23


WiMax và vai trò của các kỹ thuật này trong kệ thống tránh va chạm cho các phương
tiện trên bề mặt sân bay.
1.2.2.1 Kỹ thuật truyền thông tin dữ liệu VDL data link

Hình 1. 11: Kiến trúc hệ thống VHF data link
Hiệp hội thông tin di động hàng không quốc tế quy định bằng tần VHF hàng không
dân dụng quy định tần số từ 118 Mhz đến 137 Mhz dành cho các dịch vụ di động hàng
không dân dụng với liên lạc vô tuyến.
Các chuẩn của ICAO về VDL bao gồm:

- VDL mode 1 & 2
- VDL mode 3
- VDL mode 4
Mỗi chế độ của VHF data link đều được ứng dụng riêng biệt, trong kỹ thuật tránh
va chạm cho các phương tiện trên sân bay VDL mode 4 được ICAO lựa chọn nghiên
cứu và phát triển. VDL mode 4 được thiết kế bởi cục hàng không dân dụng thụy sĩ để
cung cấp liên kết dữ liệu không – không và không – địa. VDL mode 4 sử dụng thuật
toán đa truy nhập phân chia theo thời gian tự tổ chức (STDMA) trên kênh 25KHz.
Thuật toán STDMA phân chia sự truy nhập kênh VHF thành 4500 khe thời gian
trong một phút và yêu cầu các thiết bị đầu cuối phải đồng bộ với tín hiệu thời gian
24