Xem mẫu
- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010
GIẢI PHÁP TÁCH TÍN HIỆU BỊ CHỒNG LẤN TRONG
HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHỐNG VA CHẠM HÀNG KHÔNG
SOLUTIONS TO SPLIT OVERLAPPING SIGNALS
IN THE TRAFFIC ALERT AND COLLISION AVOIDANCE SYSTEM
Tăng Tấn Chiến Nguyễn Khắc Vũ
Đại học Đà Nẵng Công ty Bảo đảm Hoạt động bay miền Trung
TÓM TẮT
Trong bài báo này, chúng tôi giới thiệu nguyên lý hoạt động của thiết bị cảnh báo chống
va chạm hàng không đặt trên máy bay và mô phỏng một phương pháp xử lý dùng kỹ thuật PLL
(Phase-Locked Loop: Vòng khóa pha) để tách các tín hiệu thu được tại máy phát đáp. Trước
tiên, bài báo này đề cập đến hiện tượng nhiễu đa đường xuất hiện do nhiều máy bay trả lời
máy hỏi trong TCAS (The Traffic alert and Collision Avoidance System: Hệ thống cảnh báo và
chống va chạm máy bay) trong cùng một thời điểm dẫn đến máy thu TCAS không xử lý được
các thông tin từ các máy bay trả lời. Vì vậy, bài báo đề xuất các phương pháp xử lý tín hiệu của
máy thu TCAS khi gặp hai tín hiệu đáp ứng bị chồng lấn nhau, giải pháp tách tín hiệu bị chồng
lấn. Phần cuối, với kết quả nghiên cứu, có thể cho phép giảm thời gian giữa cất cánh và hạ
cánh, tăng độ an toàn cho các chuyến bay, cho phép áp dụng các kỹ thuật mới trong kiểm soát
không lưu bán tự động ở một số sân bay nhỏ ở Việt Nam.
ABSTRACT
In this paper, we would like to introduce the operating principle of the Traffic alert and
Collision Avoidance System (TCAS) located in the aircraft and simulating a treating measure
using Phase-Locked Loop (PLL) technique to split signals collected at the responding operator.
Firstly, this paper refers to the phenomenon of multiline jam occurring when several aircrafts
respond to TCAS at the same time resulting in TCAS unable to treat information from these
responding aircrafts. Therefore, the paper proposes methods of treating signals of TCAS when
receiving overlapping signals, solutions to split overlapping signals. In the last part, with the
research result, the decrease of time between taking off and landing is allowed, safety for flights
is increased, allowing to apply new technology for semi-automatic air-control in some small
airports in Vietnam.
1. Đặt vấn đề
Hệ thống cảnh báo chống va chạm hàng không lắp đặt trên các máy bay nhằm
giúp cho phi công biết được mối nguy hiểm va chạm có thể xảy ra. Nó ước tính được
điểm gặp nhau, thời gian gặp nhau, khuyến cáo phi công hướng xử lý để tránh va chạm.
Trong vùng bán kính phủ sóng 40km, nó phát hiện được tất cả các máy bay lân cận
thông qua cơ chế hỏi đáp trên tần số 1030MHz và 1090MHz (cặp tần số dùng chung
cho các RADAR thứ cấp). Cứ mỗi giây một lần, nó phát đi một tín hiệu hỏi và chờ đợi
nhận tín hiệu trả lời từ các máy phát đáp trên các máy bay lân cận, từ đó nó biết được
mã hiệu máy bay lân cận, độ cao, tốc độ và tính được thời gian có thể va chạm, điểm va
37
- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010
chạm. Tùy từng trường hợp mà có cảnh báo bằng âm thanh, khuyến cáo tăng tốc độ,
khuyến cáo rẽ trái (phải) hay nâng mực bay / hạ mực bay để tránh va chạm có thể xảy ra
[6],[7]. Tuy nhiên trong một vùng không gian mà có nhiều máy bay như vùng tiếp cận
cất và hạ cánh thì khả năng nhận cùng lúc nhiều máy bay trả lời máy bay hỏi sẽ dẫn đến
hiện tượng tắc nghẽn tần số 1030MHz và 1090MHz, các tín hiệu trả lời bị chồng lấn đè
lên nhau nên không biết được tín hiệu trả lời nào là của máy bay nào, hiện tượng này
còn gọi là hiện tượng nhiễu đa đường. Bài báo này đưa ra một số giải pháp sử dụng
vòng khóa pha (PLL) để xử lý và khắc phục hiện tượng nhiễu đa đường đó.
1.1. Giới thiệu cấu trúc tín hiệu hỏi
P1 P3
P2
0.45µs
2µs
20.3µs
Hình 1. Cấu trúc dạng xung hỏi của TCAS, Mode C = 20.75µs
Chế độ hỏi trong thiết bị này là Mode A/C, tần số sóng mang của tín hiệu hỏi là
1030MHz.
Cấu trúc của dạng tín hiệu hỏi gồm có 3 xung đơn: P1, P2, P3 (xem hình 1). Khoảng
cách giữa xung P1 và P3 cho biết là loại Mode nào đang sử dụng, từ đó xác định cấu
trúc dạng xung trả lời. Biên độ xung P2 cho biết chính xác hướng hoạt động của chùm
tia sóng phát ra từ ăng-ten, ăng-ten của TCAS có một chùm tia sóng rộng khoảng 60. Có
các phương pháp nhằm tăng độ chính xác về tính định hướng của hệ thống, trong đó có
phương pháp song xung gồm hai xung P1 và P3 làm định hướng có độ khuếch đại cao
và xung P2 thể hiện tính đa hướng của ăng-ten và có độ khuếch đại thấp. Vì thế, nếu
biên độ xung P2 nhỏ hơn hai xung kia [1], [3] thì máy phát ở máy bay lân cận sẽ biết
được là nó đang nằm trong vùng chùm tia quét chính của ăng-ten máy bay hỏi và phát
tín hiệu trả lời. Ngược lại, máy bay sẽ nằm ngoài chùm tia quét của ăng-ten và các tín
hiệu hỏi từ TCAS hỏi sẽ bị từ chối trả lời.
1.1. Giới thiệu cấu trúc tín hiệu trả lời
Chế độ trả lời trong thiết bị này là Mode C, tần số sóng mang của tín hiệu trả lời là
1090MHz. Khi xác định đúng tín hiệu hỏi, khoảng cách giữa hai xung P1 và P3 là C =
20.75µs, khoảng cách giữa xung P1 và P2 là 2µs và biên độ xung P2 nhỏ hơn xung P1 thì
máy phát đáp sẽ trả lời. Cấu trúc dạng tín hiệu trả lời từ máy bay có khác nhau ở mỗi
chế độ hỏi. Ví dụ: mode 2 và mode 3 thì sử dụng 12 bit thông tin và mode C thì dùng 11
bit thông tin. Các bit thông tin được thêm vào gọi là bit X, thông thường là bit có mức
38
- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010
logic 1 và được chèn vào giữa tín hiệu trả lời. Ngoài ra còn có xung SPI được dùng cho
trung tâm kiểm soát không lưu (ATC) khi cần. Để sử dụng bit SPI, phi công chỉ cần
nhấn một công tắc IDENT trên máy phát. Bit ID giúp cho ATC có thể chú ý đọc được
mã hiệu dạng ký tự alphabel sáng nhấp nháy trên màn hình TCAS để kiểm soát viên có
thể xác định được vị trí của máy bay phát ID ngay lập tức [3], [5].
Tương tự như vậy, thông tin về độ cao của máy bay trong mode C cũng được đổi
thành dạng dữ liệu mã octal ABCD. Ví dụ ở độ cao 28.500ft, tương ứng mực bay 285,
mỗi mực bay cách nhau 100ft, thì biểu diễn dưới dạng mã số thập phân là 285, sau đó
được đổi ra dạng mã octal thành số: 0435; tương ứng A=0, B=4, C=3 và D=5; như
bảng 1.
Bảng 1: Bảng mã octal về thông tin mực bay 285
Giá trị của
Mã octal Bit 4 Bit 2 Bit 1 Bit nhị phân Số thập phân
các bit
A 0 0 0 0 000
B 4 1 0 0 100
285
C 3 0 1 1 011
D 5 1 0 1 101
Dạng chuỗi xung trả lời sẽ là:
F1 C1 A1 C2 A2 C4 A4 X B1 D1 B2 D2 B4 D4 F2 SP
1.45
0.45
20.3µ 4.35µ
F1 C1 C2 X D1 B4 D4 F2
Hình 2. Cấu trúc chuỗi xung trả lời từ máy bay với thông tin
về độ cao là 28500ft A= 0 ; B= 4; C=3, D=5
[ F1 = 1, 1,0,1,0,0,0, X = 1, 0,1,0,0,1,1, F2 = 1] (xem hình 2).
Trong mode C, xung D1 không dùng. Vì vậy chỉ có 2048 trường hợp được hiển thị.
Số lượng này thì quá thừa để hiển thị độ cao từ -1000ft đến 121000ft, với mỗi
mức tăng theo chiều cao là 100ft.
39
- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010
2. Giải pháp tách tín hiệu bị chồng lấn
2.1. Tạo tín hiệu mô phỏng dạng điều chế ASK
Hình 3. Hai tín hiệu cùng biên độ bị chồng lấn nhau 6bit = 3µs S/N=10dB
Tín hiệu thu được tại đầu vào máy thu trên tần số 1090MHz, được đổi xuống tần
số trung tần 30MHz. Dạng tín hiệu điều chế là ASK, ở đây chỉ xét ở Mode C có 13 bit
thông tin và 02 bit F1 và F2 để nhận dạng tín hiệu trả lời. Dạng tín hiệu bị chồng lấn để
mô phỏng trong chương trình như hình 3.
2.2. Thiết kế vòng khóa pha
2.2.1. Sơ đồ khối vòng khóa pha
V1(t) PFD Vo LPF
(Kd) F(s) = 1/(1+s/wc)
Ve
V2(t)
VCO
(Kv/s)
Hình 4. Sơ đồ khối vòng khóa pha
Tín hiệu vào là tín hiệu của máy phát đáp thu được tại ăng-ten thu của TCAS, có
tần số và pha ngẫu nhiên trong dải cho phép ở trên, sau đó được đổi xuống trung tần.
Mạch vòng khóa pha [9] sẽ khóa tín hiệu thu từ máy phát đáp cả về tần số và pha với
tần số và pha của tín hiệu từ khâu VCO thông qua một khâu hồi tiếp. Sơ đồ khối của
vòng khóa pha như hình 4.
2.2.2. Phương trình toán của vòng khóa pha
Hàm truyền đạt của bộ lọc bậc 1 viết dưới miền toán tử Laplace như sau:
F(s) = 1/(1+sRC) (2.1)
40
- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010
Gọi wc là tần số cắt của bộ lọc và wc = 1/RC. Từ phương trình (2.1) ta được:
F(s) = 1/(1+s/wc) (2.2)
Khối này có nhiệm vụ loại bỏ các thành phần tần số cao đưa từ bộ nhân đến.
Hàm truyền của bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO là:
G(s) = Kv/s (2.3)
Hàm truyền từ pha của tín hiệu vào so với pha của tín hiệu hồi tiếp VCO là:
Φ2(s)/Φ1(s) = T(s) = Kd F(s)G(s) / (1+ Kd F(s)G(s)) (2.4)
Φ0(s)/Φ1(s) = S(s) = 1/(1+ Kd F(s) G(s)) (2.5)
T(s) = Kd F(s)G(s) / (1+ Kd F(s)G(s)) (2.6)
Thay các giá trị hàm vào phương trình (2.4) ta được:
T(s) = 1/( 1+ s/F(s)KvKd) = 1/( 1+ Ks(1+s/wc)) (2.7)
Với K=1/KvKd ; Φ0, Φ1, Φ2: lần lượt là pha của tín hiệu ra bộ nhân, tín hiệu vào
bộ nhân, tín hiệu ra của khối VCO.
T(s) = 1/(1+Ks + Ks2/wc) = 1/(1+ 2ξs/wp + (s/wp)2)
= wp2/ (s2 + 2ξswp + wp2) (2.8)
Với : 2ξ = Kwp = wp /KvKd
wp = (wc KvKd)0.5 : với wp là tần số cắt của vòng khóa pha
wc : Tần số cắt của bộ lọc thông thấp
Để mạch ổn định [9] ta chọn wp sao cho thỏa mãn: wp /2π < 1/20 Ftín hiệu vào
Như vậy hàm truyền đạt của PLL tương ứng với hàm truyền của bộ lọc bậc 2.
Các điểm cực nằm ở nửa mặt phẳng trái của trục tọa độ phức, thông qua các điểm cực
dễ dàng thấy được nó nằm trong miền ổn định.
Cho tần số cắt tại điểm biên độ giảm -3dB, thế vào phương trình (2.8), giải
phương trình này ta tìm được băng thông của PLL là:
Wpll = wp (1-2ξ2 + (2-4ξ2 +4ξ4)0.5)0.5 (2.9)
Ta xác định độ lệch chuẩn của tín hiệu ra VCO về pha của nó theo công thức 2.10.
Với A là biên độ tín hiệu vào PLL, no là hệ
số công suất nhiễu đưa vào PLL, tính tích phân bất (2.10)
định này ta tìm được độ lệch chuẩn là:
σ = n0wp/(4ξA2) (2.11)
2
Tỷ số SNR = A /(2noBn) (2.12)
Bn = wp/2ξ( Bn: băng thông khi có nhiễu thêm vào PLL) (2.13)
Lựa chọn các thông số của PLL như sau:
Hệ số Damper ξ = 0.707, tín hiệu vào có tần số là 30MHz, Kd = 5V/rad, Kv =
0.1MHz.rad/V.
41
- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010
Sử dụng một bộ lọc thông thấp LPF bậc 1 (Butterworth) có tần số cắt fc = 1MHz,
suy hao dải chắn là – 20dB/decade. Tần số cắt của bộ lọc LPF được chọn sao cho đảm
bảo lọc nhiễu sinh ra trong qúa trình tách pha và tần số đồng thời cũng phải đảm bảo
thời gian đáp ứng của bộ lọc PLL ngắn nhất
(đáp ứng nhanh nhất), ổn định và dải điều
khiển rộng [12].
2.2.3. Đáp ứng pha của vòng khóa pha
Đáp ứng của PLL là rất nhanh (ổn
định ở 0.4µs) và tương ứng với đáp ứng của
bộ lọc bậc 2, độ gợn đỉnh là 5.5%. Những
kết quả này tương ứng với hàm truyền đạt
tuyến tính của PLL bậc 2 (xem hình 5).
2.3. Dùng phương pháp so sánh kết hợp
Hình 5. Đáp ứng pha tại đầu ra VCO theo
PLL để tách tín hiệu chồng lấn thời gian
Sau khi thu, tín hiệu được lấy mẫu và lưu vào bộ nhớ. Bộ nhớ giúp PLL kiểm tra
tần số và pha của tín hiệu. Quá trình giải điều chế là bao gồm việc tách pha và tần số
của hai tín hiệu thu bằng một PLL, nhân tín hiệu thu với tín hiệu sin cùng tần số và pha
của bộ VCO. Sau đó mới lọc tách tín hiệu. Sơ đồ khối hệ thống dùng để giải điều chế
chuỗi tín hiệu ASK (xem hình 6).
Lấy mẫu Khôi phục lại
RX DetectionRX & lưu bộ nhớ PLL
Chuỗi tín hiệu
Giải điều chế LPF
First Sig
+
PLL
Khôi phục lại
LPF Giải điều chế Second Sig
Chuỗi tín hiệu
Hình 6. Sơ đồ khối bộ giải điều chế cho hai chuỗi tín hiệu
bị chồng lấn nhau
2.4. Dùng phương pháp so sánh kết hợp PLL để tách tín hiệu bị chồng lấn
2.4.1. Chạy chương trình
Chương trình được viết bằng ngôn ngữ Matlab, thực hiện quá trình mô phỏng
bằng một số chương trình sau: Function PllVCO.m, Promain.m, Dpll.m. Trong chương
42
- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010
trình, các tín hiệu thu ASK được Giai dieu che = pp so sanh- lan 1(tin hieu 1) Giai dieu che=pp so sanh-lan1(tin hieu 1)
mô phỏng với thời gian chồng lấn 1 1
từ 1/3bit đến 80/3 bit, thời gian 0.5
Tong so loi
Tong so loi
0 0.5
một bit là 0.5us. Có tất cả là 30bit
-0.5
tín hiệu, trong đó 15bit tín hiệu có
-1 0
ích và 15 bit 0. 0 10 20
So bit chong lan
30 0 10 20
So bit chong lan
30
Giai dieu che=PP so sanh-lan 2 (tin hieu 1) Giai dieu che=PP so sanh-lan2(tin hieu 2)
1 1
2.4.2. Kết quả mô phỏng, lọc tách
0.5
hai tín hiệu chồng lấn
Tong so loi
Tong so loi
0 0.5
Kết quả như hình 7. -0.5
Phương pháp so sánh đã tách được -1
0 10 20 30
0
0 10 20 30
tín hiệu đầu tiên trọn vẹn không So bit chong lan So bit chong lan
Hình 7. Kết quả mô phỏng tách hai tín hiệu bị chồng lấn
sinh lỗi, còn tín hiệu thứ hai phát
khi có sự sai khác biên độ 3dB, sai khác tần số 10KHz
sinh lỗi ở bít thứ 17. Như vậy có
(F1==30MHz, F2=30.01MHz)
đến 16bit bị chồng lấn trong tín
hiệu thứ hai được xử lý chính xác không có lỗi nào, tương ứng thời gian bị chồng
lấn là 8us.
2.5. Mô phỏng các máy bay cất và hạ cánh tại sân bay Đà Nẵng:
2.5.1. Chương trình mô phỏng:
Các chương trình con gồm: Function Cal_colliss.m, convertfligthID.m,
DisplayID.m.
2.5.2. Kết quả chương trình mô phỏng
Chương trình mô phỏng các tín
hiệu thu được tại máy thu TCAS đặt tại
sân bay Đà Nẵng, các địa danh vùng tĩnh
không sân bay chỉ có tính chất mô phỏng.
Các tham số đánh giá lần lượt trên các
kết quả mô phỏng cho 1, 2, 4, 5, 6, 8, 10
,12, 15, 18 và 20 lần/chuyến cùng cất hạ
cánh. Chương trình được viết bằng ngôn
ngữ Matlab 7.8, kết quả mô phỏng các
máy bay bay ngẫu nhiên vẽ trên không
gian 3 chiều thể hiện trên hình 8. Số
lần/chuyến cất hạ cánh được chương
trình thực hiện chạy ngẫu nhiên trong 10 Hình 8. Bản đồ tĩnh không vùng cất
lần, từ các số liệu kết quả (n=10 kết quả và hạ cánh tại sân bay Đà Nẵng
cho một lần chuyến) tính được các giá trị trung bình, giá trị độ lệch chuẩn mẫu điều
chỉnh. Ta chọn mức ý nghĩa là α = 0.1, tra bảng phân bố chuẩn Student tương ứng tìm
được giá trị t{1-α/2 ; n-1}= t{0.95 ; 9} = 1.383, ta tính được giá trị cực đại và cực tiểu của các
tham số cần đánh giá [2], [8]. Dựa vào chương trình bảng tính Excel để tìm các giá trị
43
- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010
thống kê toán. Các số liệu vẽ trên đồ thị hình 9 là giá trị trung bình số phần trăm tín hiệu
trả lời bị chồng lấn nhau.
Hình 9. Biểu đồ so sánh hai kết quả theo số % tín hiệu bị va chạm sau khi xử lý bằng vòng khóa pha
PLL với trường hợp không dùng PLL
3. Kết quả và thảo luận
Như đã trình bày ở trên về phương pháp tách tín hiệu bị chồng lấn không đồng
bộ nhau về mặt thời gian. Trong tất cả các trường hợp mô phỏng ở trên thì kết quả của
phương pháp so sánh lần thứ hai kết hợp giải điều chế và vòng khóa pha PLL cho kết
quả tốt nhất. Nếu áp dụng theo một số tiêu chuẩn của ICAO, với độ lệch tần
- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010
điều chỉnh mức), nên phát triển thêm phương pháp nhận dạng sự sai khác biên độ tự
động và tự động điều chỉnh hệ số ngưỡng lật có nguyên lý giống kiểu mạch AGC trong
thực tế để phân biệt sự sai khác biên độ, cho phép nâng cao hiệu quả, có tính chính
xác hơn .
- Khi hai tín hiệu bị chồng lấn nhau thì việc tách biên độ là khó nhất, nên
chương trình cho kết quả lỗi bit cũng phụ thuộc vào sự chênh lệch biên độ. Ở đây chỉ
xét đến sự chênh lệch 3dB trong khoảng phân cách
- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010
[3] Merrill I. Skolnik (2006), RADAR handbook, Naval Research Laboratory.
[4] Jonh Thales (6/2008), ADS-B and Mode-S Enhancements HCM AACC, Thales
Corp.
[5] Jonh Thales (5/2009), RMS970S Enrout and Approach , Thales Corp.
[6] Harri Truline (2000),“Introduction to TCAS II – Version 7”, US Department of
Transportation FAA.
[7] James K. Kuchar (2007), TCAS , Lincoln Laboratory Journal.
[8] Steven T. Karris (2004), Signals and Systems with MATLAB® Applications,
Orchard Publications.
[9] Brian Daniels B. Eng (2008), Analysis and Design of high order digital Phase
Locked Loops, Hamish Hamilton,London.
[10] Annex10 (2001),Comparision for SSR mode S, ICAO.
[11] Annex10 (1996),Procedure for Air Navigation Service, ICAO.
[12] http://www.delroy.com/pll
[13] http://www.icao.int/
46
nguon tai.lieu . vn
