1. Trang Chủ
  2. Tự động hoá
  3. Tổng hợp thuật toán tạo đường giao tầm hướng trong hệ thống đài radar hỗ trợ hạ cánh dùng trong quân sự

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

Bài viết 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. 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

Thể loại Tài liệu miễn phí Tự động hoá

Số trang 8

Ngày tạo 9/24/2020 8:14:12 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 0.56 M

Tên tệp

Tải Tổng hợp thuật toán tạo đường giao tầm hướng trong... (.pdf)

Xem mẫu

  1. 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.”
  2. 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) (1) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020 47
  3. 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) (2) Đ.chế Bộ cộng 1300Hz Dao động KĐ CS Chia 2 RF RF 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.”
  4. 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: 3 S A1 (t )  S01 (t )0  S03 (t ) (7) 2 3  Vì S03 (t )   S03 (t ) nên phương trình (7) trở thành: 2 2  S A1 (t )  S01 (t )0  S03 (t ) (8) 2 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
  5. 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 )   (12) d Trong đó, như giả sử ở trên k1  k2  k ,   2 sin    ,  là bước sóng.  Thay (8), (9) vào (12), ta có: S P1 (t ,  )   S01 (t )  0     S01 (t )  0        (13) k    3   S03 (t )      S03 (t )      2   2  50 L. V. Phong, …, Đ. V. Hưng, “Tổng hợp thuật toán … hỗ trợ hạ cánh dùng trong quân sự.”
  6. 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 , )  (16)  k S01 (t )     S01 (t )     S03 (t )  2   S03 (t )  2  Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020 51
  7. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử h Trong đó,   2 sin( ) ,  là góc tầm.  Đơn giản hóa phương trình (16) ta được: S P (t , )         2k  sin    S01 (t )     sin  2  S03 (t )      (17)   2  2    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 .  a) b) 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.”
  8. Nghiên cứu khoa học công nghệ h 1300Hz được mô phỏng ở tỉ số  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 glide- pattern 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 1 Địa chỉ: Nhà máy Z119/Cục Kỹ thuật PK-KQ; 2 Học viện Kỹ thuật quân sự. * Email: kiemxai@gmail.com. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020 53
nguon tai.lieu . vn
Kiến trúc - Xây dựng Tự động hoá Điện - Điện tử Kĩ thuật Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Năng lượng Hoá dầu Hoá học Sinh học