Tổng hợp thuật toán tạo đường giao tầm hướng trong hệ thống đài radar hỗ trợ hạ cánh dùng trong quân sự

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

TỔNG HỢP THUẬT TOÁN TẠO ĐƯỜNG GIAO TẦM HƯỚNG
TRONG HỆ THỐNG ĐÀI RADAR HỖ TRỢ HẠ CÁNH DÙNG
TRONG QUÂN SỰ
Lê Văn Phong1, Trần Trọng Viết1, Trần Đức Thiện1, Nguyễn Văn Kiệm1*,
Nguyễn Khánh Sơn2, Đặng Việt Hưng2
Tóm tắt: Quá trình làm việc của đài chuẩn tầm và đài chuẩn hướng của hệ
thống hỗ trợ hạ cánh K8, K9 dùng trong quân sự được mô hình hóa dưới dạng sơ
đồ khối. Quá trình tạo giản đồ tầm và giản đồ hướng được xây dựng bằng phương
trình toán học dễ hiểu. Bài báo giải thích rõ dạng tín hiệu phát nhận được tại các
điểm trong vùng hoạt động của hệ thống; Đánh giá ảnh hưởng của độ cao đặt anten
và độ dài bước sóng đến góc hạ cánh và từ đó tính toán, đưa ra được góc hạ cánh
tối ưu cho máy bay dưới dạng giản đồ.
Từ khóa: Tổng hợp thuật toán; Hệ thống hỗ trợ hạ cánh; Đường giao tầm hướng; K8; K9; ILS.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Cặp đài mốc vô tuyến chuẩn tầm (K8), chuẩn hướng và chuyển tiếp đo xa (K9) nằm
trong tổ hợp các hệ thống vô tuyến dẫn đường tầm gần [1-3] tại các sân bay quân sự, có
chức năng hỗ trợ cho phi công hạ cánh an toàn trong điều kiện thời tiết phức tạp, ngày
cũng như đêm. Hệ thống có chức năng tương đương các cặp đài này bên Hàng không dân
dụng chính là hệ thống hạ cánh chính xác (ILS) [4-6]. Đây là hệ thống hỗ trợ hạ cánh phổ
biến nhất hiện nay trên thế giới.

Hình 1. Đài chuẩn tầm.

Hình 2. Đài chuẩn hướng.

46 L. V. Phong, …, Đ. V. Hưng, “Tổng hợp thuật toán … hỗ trợ hạ cánh dùng trong quân sự.”

Nghiên cứu khoa học công nghệ

Các đài phát K8, K9 (hình 1 và 2) đều giống nhau về nguyên tắc hoạt động. Chúng tạo
ra một khu vực tiếp nhận tín hiệu bằng hai tín hiệu cao tần với tần số điều chế là 1300 Hz
và 2100 Hz. Vùng hướng được tạo ra bởi đài K9 trong mặt phẳng nằm ngang theo hướng
trục đường băng, vùng tầm được tạo ra bởi đài K8 trong mặt phẳng thẳng đứng theo góc
của đường trượt hạ cánh. Với sự trợ giúp của một hệ thống ăng ten đặc biệt, đài K9 bức xạ
tạo ra trong mặt phẳng nằm ngang với hai búp sóng chồng lên nhau. Búp sóng bên trái với
dao động tần số cao được điều chế bởi tần số 2100 Hz và bên phải - tần số 1300 Hz.
Khi máy bay vào hạ cánh, nếu lệch khỏi trục cân bằng tín hiệu về bên phải thì thiết bị
thu trên máy bay sẽ thu tín hiệu với tần số điều chế 1300Hz lớn hơn, còn ngược lại – tín
hiệu với tần số điều chế 2100Hz sẽ lớn hơn. Nhờ thiết bị thu trên máy bay, khi máy bay
nằm trên trục cân bằng tín hiệu, vạch chỉ dọc của thiết bị chỉ thị sẽ đi qua trung tâm của
thang đo. Nếu máy bay lệch sang trái (hoặc phải) thì vạch chỉ dọc sẽ dịch chuyển sang bên
phải (hoặc trái) so với tâm của thang đo tương ứng với vị trí của máy bay so với trục
đường băng.
Tương tự như vậy, đài K8 tạo ra 2 búp sóng giao nhau trong một mặt phẳng thẳng
đứng. Búp sóng trên được điều chế với tần số dao động 1300Hz và dưới - tần số 2100Hz.
Chỉ thị trên máy bay sử dụng cùng một thiết bị với chỉ thị đài K9 với vạch chỉ thị nằm
ngang tương ứng với vị trí máy bay so với đường trượt.

Hình 3. Nguyên lý làm việc của đài chuẩn hướng, chuẩn tầm.
Vấn đề đặt ra ở đây là phải xây dựng được mô hình toán học và thuật toán giải thích
nguyên lý tạo giản đồ hướng của hệ thống đài chuẩn tầm và chuẩn hướng, từ đó giúp
chúng ta hiểu sâu sắc về cách thực hoạt động của đài và giúp cho quá trình giải mã công
nghệ đài chuẩn tầm, chuẩn hướng trở nên đơn giản hơn.
2. MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC
CỦA ĐÀI CHUẨN TẦM, CHUẨN HƯỚNG
2.1. Mô hình hóa quá trình tạo giản đồ hướng của đài chuẩn hướng
Quá trình tạo giản đồ hướng có thể được mô hình hóa thành sơ đồ khối như ở hình 4.

Dao động sóng mang RF được tạo ra từ bộ dao động cao tần, đi qua bộ khuếch đại công
suất và tạo ra tín hiệu SC (t ) có dạng như sau:
SC (t )  AC cos(WC t)

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020

(1)

47


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

Ở đây, A C là biên độ tín hiệu; WC  2 fC ; f C là tần số sóng mang.
Tín hiệu SC (t ) sau khi đi qua bộ chia 2 sẽ được chia thành hai tín hiệu giống nhau
có dạng:
Sb1 (t )  Sb 2 (t )  0,5AC cos(WC t)
Đ.chế
1300Hz

Dao động
RF

KĐ CS
RF

(2)
Bộ cộng

Chia 2

KĐ
B. độ
Đ.chế
2100Hz

Hình 4. Quá trình tạo giản đồ hướng của đài chuẩn tầm, chuẩn hướng.
Các tín hiệu Sb1 (t ) , Sb 2 (t ) được cho qua các bộ điều chế tương ứng 1300 Hz và
2100Hz để tạo ra các tín hiệu điều chế Sm1300 (t ) , Sm 2100 (t ) có dạng:
Sm (t )  [ K1 cos(Wm t)  K2 ]cos(WC t)

(3)

Ở đây, K1 , K 2 là các hằng số của bộ điều chế và Wm là tần số của bộ điều chế.
Các tín hiệu Sm1300 (t ) , Sm 2100 (t ) sau khi đi qua bộ cộng tạo ra tín hiệu S01 (t ) và S02 (t )
có dạng:
S01 (t ) 
 Sm1300 (t )  Sm 2100 (t ) 

(4)

cos[(WC  W1300 ) t]  cos[(WC  W1300 ) t]  
 K3 
  K 4 cos(WC t)
 cos[(WC  W2100 ) t]  cos[(WC  W2100 ) t]
S02 (t ) 
 Sm1300 (t )  Sm 2100 (t ) 

(5)

cos[(WC  W1300 ) t]  cos[(WC  W1300 ) t]  
 K3 

 cos[(WC  W2100 ) t]  cos[(WC  W2100 ) t]

Từ (4) và (5), ta khảo sát phổ của S01 (t ) và S02 (t ) :
Từ hình 5 ta thấy, phổ của S01 (t ) và S02 (t ) đều là phổ hai biên. Phổ S01 ( f ) có cả
thành phần tần số sóng mang f C , trong khi phổ của S02 ( f ) chỉ chứa các thành phần biên.
Tín hiệu S02 (t ) được cho đi qua bộ điều chỉnh khuếch đại biên độ để cho ra tín hiệu

S03 (t ) :
S03 (t )  K5 S02 (t )

(6)

Tín hiệu S01 (t ) và S03 (t ) là sản phẩm cuối cùng của bộ phát điều chế.

48 L. V. Phong, …, Đ. V. Hưng, “Tổng hợp thuật toán … hỗ trợ hạ cánh dùng trong quân sự.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Hình 5. Phổ của tín hiệu S01 (t ) và S02 (t ) .
Tiếp theo của bộ phát điều chế, S01 (t ) và S03 (t ) sẽ được hiệu chỉnh pha trước khi cộng
với nhau để cho ra tín hiệu của kênh trên và kênh dưới. Quá trình hiệu chỉnh pha và cộng
tín hiệu được mô hình hóa như sau:

Hình 6. Quá trình hiệu chỉnh pha và tạo tín hiệu kênh trên, kênh dưới.
Từ sơ đồ hình 6 ta có:
S A1 (t )  S01 (t )0  S03 (t )

Vì S03 (t )

3
2

(7)

3

  S03 (t ) nên phương trình (7) trở thành:
2
2
S A1 (t )  S01 (t )0  S03 (t )


2

(8)

và
S A2 (t )  S01 (t )0  S03 (t )



(9)
2
Các tín hiệu S A1 (t ) , S A2 (t ) được đưa đến các phần tử anten tương ứng 1 và 2. Hệ
thống đài chuẩn hướng được đặt ở cuối đường băng. Các phần tử anten 1 và 2 được đặt đối
xứng nhau qua tâm của đường băng. Khoảng cách từ mỗi anten đến tâm đường băng là d.

Giả sử, hai anten (anten 1, 2) có kết cấu giống hệt nhau, hệ số suy giảm sóng điện từ
khi lan truyền trong không gian là như nhau đối với những điểm tới có khoảng cách bằng
nhau. Ta khảo sát tín hiệu đến hai điểm P1 , P2 ở hai bên trái phải cách đều đường băng và
điểm P0 nằm trên tâm của đường băng.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020

49


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
P1

Anten 1

d

Tâm đường băng

P0

d

Anten 2
P2

Hình 7. So sánh tín hiệu tại các điểm bao chùm trong dải làm việc
của đài chuẩn hướng.
Tín hiệu tại mỗi điểm trong không gian là tổng đại số của các tín hiệu phát ra từ anten 1
và anten 2. Tại điểm P0 , tín hiệu đến từ anten 1 và anten 2 đồng pha (do khoảng cách từ

P0 đến hai anten là như nhau). Do đó, có thể viết tín hiệu tại điểm P0 dưới dạng như sau:
SP 0 (t )  k1S A1 (t )  k2 S A2 (t )

(10)

Trong đó, k1 , k 2 là hệ số suy giảm khi lan truyền sóng điện từ trong không gian. Ở
đây, k1  k2  k , do đó, thay phương trình (8), (9) vào phương trình (10) và viết lại
phương trình (10) như sau:
SP 0 (t )  2kS01 (t )

(11)

Từ (11), ta có thể thấy, phổ của tín hiệu S P 0 (t ) tại điểm P0 có dạng tương tự như phổ
của tín hiệu S01 (t ) , đối xứng hai biên và chứa các thành phần bằng nhau về biên độ của tín
hiệu điều chế 1300 Hz và 2100 Hz. Điều này đúng cho tất cả các điểm nằm trên trục tâm
của đường băng. Do đó, khi phi công điều khiển theo đúng hướng tâm đường băng thì
đồng hồ trên máy bay sẽ chỉ mức cân bằng của hai tín hiệu 1300 Hz và 2100 Hz.
Tại điểm P1 , tín hiệu đi từ anten 1 quãng đường ngắn hơn đi từ anten 2. Giả sử rằng,
khoảng cách từ các anten đến điểm P1 lớn hơn rất nhiều khoảng cách của các anten so với
tâm đường băng (khoảng cách d trên hình 7). Do đó, pha của tín hiệu tại điểm P1 đến từ
hai anten xấp xỉ bằng nhau về độ lớn và ngược dấu nhau. Tín hiệu tại điểm P1 có thể được
viết như sau:
SP1 (t ,  )  k1S A1 (t )    k2 S A2 (t )  

Trong đó, như giả sử ở trên k1  k2  k ,   2

d



(12)

sin    ,  là bước sóng.

Thay (8), (9) vào (12), ta có:
S P1 (t ,  ) 
 S01 (t )  0     S01 (t )  0    



k


 3

  
 S03 (t )      S03 (t ) 
2

 2



(13)

50 L. V. Phong, …, Đ. V. Hưng, “Tổng hợp thuật toán … hỗ trợ hạ cánh dùng trong quân sự.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Suy ra
SP1 (t ,  )  2k cos    S01 (t )  sin    S03 (t ) 

(14)

Tính toán tương tự cho tín hiệu tại điểm P2 , ta có:
SP 2 (t ,  )  2k cos    S01 (t )  sin    S03 (t ) 

(15)

Phương trình (14) và (15) nói lên rằng, tại điểm P1 , thành phần tín hiệu điều chế
2100Hz lớn hơn thành phần 1300Hz, còn tại P2 thì ngược lại. Do đó, nếu máy bay bay
lệch về bên trái hoặc bên phải tâm đường băng thì đồng hồ trên máy bay sẽ chỉ mức tín
hiệu lệch tương đương để cho phi công điều chỉnh máy bay đúng hướng tâm đường băng.
Khi   0 thì phương trình (14) và (15) trở thành phương trình (11). Do đó, kiểm chứng
mô hình toán học này là chính xác.
2.2. Mô hình hóa quá trình tạo giản đồ hướng của đài chuẩn tầm
Đài chuẩn tầm đường đặt bên phải hoặc bên trái đường băng, cách đường băng khoảng
130m. Hệ thống anten trên đài chuẩn tầm được sắp xếp sao cho anten trên cao bằng 2 lần
anten dưới HT  2H D (có dạng như hình 8).
P
A1

h

A2
h
Tâm đường băng

A2'

ảo

A1'
ảo

Hình 8. Dạng hình học của quá trình tạo giản đồ tầm.
Tại một điểm P bất kỳ trong không gian, tín hiệu tại đó là tổng đại số của 4 thành phần:
thành phần trực tiếp từ anten A1 , anten A2 và thành phần phản xạ có nguồn gốc từ hai
anten đó. Việc phân tích bài toán sẽ đơn giản hơn nếu ta coi hệ thống anten là các vật, mặt
đường băng là mặt gương phẳng, khi đó, các thành phần tín hiệu phản xạ sẽ được coi như
đi từ hai anten ảo A1 ' và A2 ' . Pha của các tín hiệu phản xạ này sẽ bị dịch đi một giá trị 
so với các tín hiệu đến từ các anten thực. Tín hiệu tại điểm P có thể được viết như sau:
S P (t , ) 

 k S01 (t )     S01 (t )     S03 (t )  2   S03 (t )  2 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020

(16)

51


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

Trong đó,   2

h



sin( ) ,  là góc tầm.

Đơn giản hóa phương trình (16) ta được:
S P (t , ) 

 
  
 2k  sin    S01 (t )     sin  2  S03 (t )     
 2
 2 


(17)

 
h
h

 


  
 2k  sin  2 sin( )  S01 (t )     sin  4 sin( )  S03 (t )    .

 2
 

 2 
  
Biểu diễn các thành phần của vế phải phương trình (17) trên tọa độ cực. Đài chuẩn tầm

hoạt động với góc tầm dao động trong khoảng từ 2  4 ; tần số phát trong dải 939,6÷966,9
MHz; Độ cao cột anten là 6 mét. Hình 9 mô tả hai thành phần trong phương trình (17) khi
h
cho góc tầm chạy trong khoảng 0  5 , tỉ số  5,73 .



b)

a)

Hình 9. Giản đồ cho các thành phần của phương trình (17).
 
a) Đối với sin    S01 (t )    ;
 2
 
b) Đối với sin  2  S03 (t )    .
 2
Phương trình (17) cho thấy, tín hiệu thu được tại điểm P bất kỳ trong không gian sau
khi phát ra khỏi hệ thống anten của đài. Trong thực tế triển khai đài, người ta kiểm tra tín
hiệu này bằng thiết bị thu kiểm tra để ngoài КВП. Thiết bị này được đặt cách cột anten
phát của đài một khoảng cách bằng 114,6 mét. Như vậy, ngoài việc có thể kiểm tra trực
tiếp tín hiệu phát thông qua thiết bị thu kiểm tra để ngoài КВП thì ta hoàn toàn có thể kiểm
tra được tín hiệu phát thông qua phương trình (17). Từ phương trình (17), ta cũng có thể
tính toán được vị trí đặt anten kiểm tra của thiết bị КВП ở vị trí tối ưu đối với từng kênh
tần số trong dải tần số phát 939,6÷966,9 MHz.

3. KẾT LUẬN
Như vậy, bài báo đã mô hình hóa được quá trình tạo giản đồ tầm, hướng dưới dạng các
phương trình toán học và sơ đồ khối. Các thành phần tín hiệu điều chế tần số 2100Hz và

52 L. V. Phong, …, Đ. V. Hưng, “Tổng hợp thuật toán … hỗ trợ hạ cánh dùng trong quân sự.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

1300Hz được mô phỏng ở tỉ số

h



 5,73 . Các phương trình toán học (14), (15), (17) biểu

thị thuật toán thể hiện tín hiệu phát đi của cặp đài chuẩn tầm, chuẩn hướng ở các vị trí
khác nhau trong không gian. Từ thuật toán đó cho ta tính toán chính xác được tương quan
của tín hiệu đưa vào từ máy phát và tín hiệu phát ra tại một điểm bất kỳ trong không gian.
Thuật toán trên cũng giúp chúng ta đánh giá được sự ảnh hưởng của độ cao đặt anten và
bước sóng đến góc tầm hạ cánh của máy bay, từ đó, có thể xây dựng bố trí trận địa một
cách chính xác, làm giảm thiểu tối đa sự ảnh hưởng của nhiễu địa hình đến việc thu xử lý
tín hiệu phát ra của đài.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Сарайский Ю. Н., Алешков И. И., “Основы навигации и применение
геотехнических средств”, Аэронавигация. - Санкт-Петербург, 2010. - Т. 1.. — С.
18. — 302 с.
[2]. М.М. Лобанов, “Развитие советской радиолокационной техники”. - Москва:
Воениздат, 1982. - С. Глава 6. - 239 с.
[3]. Никитин Д. А., “Курсо-глиссадные системы посадки в гражданской авиации
СССР”, Научный вестник МГТУ ГА. - 2006. - № 101.
[4]. ICAO Annex 10 Volume 1, Radio Navigation Aids, Fifth Edition — July 1996

[5]. Aeronautical Information Manual, FAA – February 11, 2010
[6]. Digital Terminal Procedures, FAA – May 2010
ABSTRACT
A SYNTHESIS ALGORITHM CREATE GLIDE SLOPE
IN THE INSTRUMENT LANDING SYSTEM USED IN MILITARY
The work process of Glide path and Localizer of the instrument landing system
K8, K9 used in military is modeled as the block diagram. The process of glidepattern and localizer-pattern creating is built with the mathematical equations. In
the paper, the type of transmit signal received at the points in the operating area of
the system is explained. The effect of the antenna height and wavelength to the
landing angle is evaluated, and thus, the optimal landing angle for the aircraft in
the form of schematic and statistic table is calculated and provided.
Keywords: Synthesis algorithm; Instrument landing system; Glide slope; K8; K9; ILS.

Nhận bài ngày 09 tháng 4 năm 2020
Hoàn thiện ngày 04 tháng 6 năm 2020
Chấp nhận đăng ngày 03 tháng 8 năm 2020
Địa chỉ:

1

Nhà máy Z119/Cục Kỹ thuật PK-KQ;
Học viện Kỹ thuật quân sự.
*
Email:
2

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020

53