Bài báo trình bày về hệ thống đa điểm (MLAT-Mutilateration) dùng để giám sát các phương tiện trên sân bay theo nguyên lý TDOA, các tiêu chuẩn cơ bản khi triển khai hệ thống như: số lượng các trạm, vị trí các trạm nằm trong vùng phủ sóng, tối ưu hóa vị trí các trạm để đạt được sai số cần thiết... Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1Hệ Thống Giám Sát Đa Điểm MLAT – Các Tính
Toán Cơ Bản Về Trạm Thu
Nguyễn Đức Việt1, Vũ Anh Đào2 Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông Email: vietnd@ptit.edu.vn, Daoav@ptit.edu.vn
Tóm tắt — -
theo ngu ẩ ản khi tri n khai h
th : ợng các trạm, vị trí các trạm nằm trong vùng
phủ sóng, t ó ị trí các trạ ạ ợc sai s cần thiế …
Từ khóa — R
I GIỚITHIỆU
Hệ thống AT uti at ration à m t iến thể c a hệ
thống ra a th ng ng nguy n TD A Tim Di r nc
o Arriva ể ác ịnh vị trí c a m c ti u cần giám sát hác
v i hệ thống ra a th ng thông thư ng, hệ thống AT
thư ng àm việc ết h p v i m t máy h i c a ài ra a thứ cấp
tại s n ay, v i các phương tiện hác hông phải à máy ay
th ể giám sát ư c cần trang ị các Transpon r cho m i
phương tiện Cấu tr c cơ ản c a m t hệ thống AT ư c
tr nh ày h nh sau y:
Hình 1 Cấu tr c t ng quát hệ thống AT
Khi các máy h i (từ ến M) c a ài ra a thứ cấp phát tín
hiệu h i (tiêu chuẩn ATC tần số 1030Mhz) t i các
Transpon r ư c thiết kế lắp ặt tr n các phương tiện cần
giám sát vị trí như: thang, hí, ta i hay máy trả l i
trên các Tàu bay Các thiết bị này ngay khi nhận ư c tín hiệu
h i liền xử lý và gửi m t tín hiệu trả l i (tần số 1090 Mhz) t i
anten c a các trạm thu (từ ến N) c a hệ thống, căn cứ vào
th i gian khác nhau khi các trạm thu nhận ư c tín hiệu trả l i
từ m t Transponder trạm xử lý trung tâm sẽ tính toán và chỉ ra
vị trí c a Transpon r ó th o minh họa hình 2
Hình 2 inh họa nguy n TD A v i 3 trạm thu Bài báo này cung cấp các nghiên cứu cũng như tính toán về các trạm thu c a hệ thống MLAT, c thể là:
Số ư ng các trạm thu cần thiết ể ảm bảo sai số mong muốn cho hệ thống;
Ảnh hư ng c a các trạm thu ến sai số và phương
án dự phòng khi các trạm thu này bị l i;
Vị trí các trạm thu theo vùng ph sóng và tối ưu th o sai số yêu cầu
Theo tiêu chuẩn c a ATC ể giám sát Máy bay và các phương tiện trên sân mức sai số khuyến nghị là 7,5m, tuy nhiên
v i thực tế nhiều loại xe chạy tr n s n như xe taxi có kích thư c nh nhất, chiều dài xe là khoảng 4,5m nên trong các tính toán bài báo này sai số mong muốn ư c ưa ra à 4,5m [7] Các tính toán trong ài áo này ư c thực hiện v i iều kiện là các trạm thu c a hệ thống ều nằm trong m t không gian không chịu tác ng c a các loại can nhiễu vô tuyến Mô hình tính toán ư c áp d ng tr n ịa hình c a sân bay quốc tế N i bài
II VỊTRÍCÁCTRẠ THUTHEOVÙNGPHỦSÓNG
VÀTỐIƯUTHEOSAISỐYÊUCẦU
A Tính toán vùng phủ sóng của mục tiêu
hi các phương tiện cần giám sát di chuyển trên sân bay, máy phát trả l i trên Tàu bay hay máy phát c a các Transponder tạo nên các vùng ph sóng nhất ịnh, việc lắp ặt các trạm thu c a hệ thống AT òi h i phải ặt vị trí trong vùng ph sóng này Theo [7] v i các tham số về: Công suất c a
Trang 2máy phát trả l i, Đ nhạy c a máy thu, tính chất c a phát xạ
c a Anten phát và thu, ặc iểm môi trư ng truyền sóng…, v i
phần mềm xây dựng ư c tác giả ã tính toán ư c vùng ph
sóng c a m c tiêu cần giám sát tại khu vực sân bay m t số
iểm cực như: ầu ư ng ăn Bắc, Nam…thể hiện trong hình
ư i y
Hình 3 V ng ph sóng hi m c ti u tọa
3 36N và 5 47 36 E
Hình 4 V ng ph sóng hi m c ti u tọa
3 N và 5 49 7E
Hình 5 V ng ph sóng t ng h p hi m c ti u i chuyển
tr n hu vực s n ay
Hình 5 là t ng h p vùng ph sóng c a m c tiêu khi di chuyển trên khu vực sân bay cần giám sát vị trí Thông qua việc tính toán vùng ph sóng này cho phép lựa chọn các vị trí
ặt các trạm thu ể ảm bảo yêu cầu về năng ư ng sóng ể kích hoạt máy thu c a các trạm thu làm việc tin cậy
B Thuật toán tối ưu vị trí các trạm thu
Sau khi lựa chọn ư c vị trí an ầu thì nhiệm v c a bài toán tối ưu à t m ra m t vị trí tối ưu lân cận vị trí an ầu (bán kính c a vùng lựa chọn này ph thu c vào ịa h nh ặt trạm và yêu cầu c thể c a hệ thống, thư ng thì bán kính này
ư c chọn khoảng 3 m ến 1000m) sao cho hệ thống tạo ra
m t vùng quan sát v i sai số cho trư c có diện tích l n nhất
Để tối ưu hóa vị trí c a các trạm thu theo tiêu chí tạo ra vùng quan sát DN có diện tích l n nhất, tác giả xây dựng thuật toán như sau:
: Trong v ng cho trư c, chọn ng u nhi n m t tập
h p N trạm thu: M1(x1, y1, z1), M2(x2, y2, z2), M3(x3, y3, z3 …
MN (xN, yN, zN Dựa tr n ết quả ã tính toán, v i t h p V1 (M1, M2, M3… N ã chọn sẽ có giá trị thích nghi là STN1
c 2: Từ các iểm ặt trạm an ầu M1(x1, y1, z1), lấy
ng u nhi n các iểm M11, M12, M 3… M1n (n là số tự nhiên
ư c chọn theo yêu cầu ngư i dùng và khả năng tính toán c a máy tính , các iểm M11, M12, M 3… M1n nằm trên m t ư ng tròn có t m à iểm M1 và án ính à R= 5 m, ể ảm bảo có cùng m t phân bố
c 3: Từ tập h p các iểm MNn, xây dựng ư c các tập
Vn, m i tập Vn này sẽ có các giá trị thích nghi tương ứng là STNn
c 4: Kiểm tra iều kiện lựa chọn c a các STNn và chọn
ra các tập gần tối ưu Vn
c 5: V i các tập Vn kiểm tra iều kiện h i t Nếu
ng th chỉ ra tập Vn*
tối ưu Nếu sai thì thay Vn bằng Vn*và lặp lại ư c 2
Hình 6 ưu ồ thuật toán t m vị trí tối ưu các trạm thu
Trang 3C Kết quả tối ưu vị trí các trạm thu
Theo thuật toán tối ưu này việc tối ưu hóa vị trí ặt các
trạm thu sẽ tạo ra m t hệ thống giám sát có vùng quan sát v i
diện tích l n nhất, trong bài toán c thể này vùng quan sát sẽ
ư c tính cho giá trị sai số là δ = 4,5m [4]
Kết quả tính toán trình bày bảng I và các hình vẽ 7, hình
8
Hình 7 V ng sai số tr n ư ng ăng hi chưa tối ưu
Hình 8 V ng sai số tr n ư ng ăng hi ã tối ưu
BẢNG I T ỌA Đ CÁC TRẠ THU TRƯỚC VÀ SAU HI TỐI ƯU
V i kết quả tính toán tối ưu tr n, iện tích vùng sai số 4,5m
từ 25,5990 Km2 ã tăng n thành 3 , 53 m2 Toàn b các
ư ng ăng và ư ng ăn c a s n ay ã nằm hoàn toàn trong
vùng sai số mong muốn 4,5m< δ < 5m
III TÍNHTOÁNSỐ ƯỢNGCÁCTRẠMVÀẢNHHƯỞNG
CỦATỪNGTRẠMĐẾNSAISỐCHUNGCỦAHỆTHỐNG
A Tính toán số trạm
Cũng th o [5] hi hảo sát sai số c a hệ thống v i số trạm
thu N và phân bố các trạm thu hác nhau, cho thấy hi số trạm
thu N tăng n th sai số t ng quát và sai số hình học GDOP (Geometric Dilution Of Pricision) c a hệ thống giảm i, m i phân bố sẽ có các giá trị sai số khác nhau ;
V i mức sai số yêu cầu cho hệ thống ra a th ng khi giám sát máy bay vùng giám sát gần (bao gồm cả ư ng ăng và hu vực cất hạ cánh) là 7,5m [6], tuy nhiên v i kích thư c nh hơn c a các phương tiện cần giám sát tr n ư ng ăng à : chuy n ng, xe Bus,Taxi thì yêu cầu sai số cần
nh hơn mức 7,5m, c thể à ể giám sát ư c các phương tiện này sai số c a hệ thống ư c yêu cầu mức δ = 4,5 m, y cũng à ti u chuẩn ể chúng ta xem xét tính toán số ư ng các trạm thu
Các hình vẽ ư i y thể hiện vị trí và số ư ng các trạm và các vùng quan sát v i các giá trị sai số c thể trên m t sân bay
Hình 9 Sai số tr n ư ng ăng hi số trạm thu N=7 Khi số ư ng các trạm thu là 7 trạm th tr n ư ng ăng vùng sai số nh nhất à δ > 5m, uất hiện các vùng sai số 5m<δ
< 5,5m, thậm chí có những vùng sai số l n hơn δ > 6m Diện tích vùng sai số δ = 4,5m à 8,9 84 m2
Hình 10 Sai số tr n ư ng ăng hi số trạm thu N=
Khi số ư ng các trạm thu là 11trạm th tr n ư ng ăng vùng sai số 4m <δ<4,5m, chiếm gần hết diện tích ư ng ăng, tuy nhiên v n còn 1 phần nh có sai số số 5m <δ<5,5m, Diện
tích vùng sai số δ = 4,5m à 25,599 Km2 Qua các tính toán trên ta nhận thấy, ể có thể áp ứng yêu cầu chung về sai số cho các phương tiện tr n ư ng ăng th số trạm tối thiểu mà hệ thống cần phải có là N=11 trạm, sự xuất hiện vùng nh cuối ư ng ăng có sai số 5m <δ<5,5m sẽ
ư c xem xét sau khi chúng ta chạy chương tr nh tối ưu ể tìm
vị trí tối ưu c a các trạm Nếu sau khi tối ưu mà v n xuất hiện các vùng này thì chúng ta sẽ tiến hành b sung thêm trạm thu
Trang 4B Ảnh hưởng của từng trạm đến sai số chung của hệ thống
Trong phần này chúng ta sẽ khảo sát sự ảnh hư ng c a từng
trạm thu trong hệ thống Khi từng trạm hông thu ư c tín hiệu
thì sẽ ảnh hư ng như thế nào ến sai số chung c a toàn hệ
thống Dựa trên kết quả phân tích các khảo sát này sẽ có các
phương án ố trí dự phòng cho các trạm thu có ảnh hư ng
nhiều ến sai số chung
Bảng II cho thấy sự ảnh hư ng c thể c a từng trạm thu
ến diện tích vùng sai số δ = 4,5 m khi từng trạm thu bị mất tín
hiệu.Các hình vẽ từ hình 11 ến hình 13 thể hiện vùng sai số
trên các khu vực tại sân bay
Hình 11 Vùng sai số hi mất trạm thu số 9
Hình 12 V ng sai số hi mất trạm thu số 6
Hình 13 V ng sai số hi mất trạm thu số 8
Các tính toán y cho thấy sự ảnh hư ng c a m i trạm
thu ến sai số chung c a hệ thống, trạm thu ảnh hư ng nhiều
nhất là trạm thu số 9, hi ó tr n ư ng ăng uất hiện những
vùng sai số có δ> 5m, ư c thể hiện trong hình 11
Cũng có những trạm thu ảnh hư ng rất ít ến sai số chung
c a hệ thống, thể hiện bằng vùng sai số tr n ư ng ăng hi
mất trạm thu số 6 và số 8, vùng sai số có δ> 5m so v i khi có
11 trạm thu hông thay i nhiều lắm, thể hiện trong hình
12 và hình 13
Ảnh hư ng c a m i trạm thu ến sai số chung c a hệ thống
là khác nhau Có những trạm thu như số 11 và 4 có ảnh hư ng
rất nh diện tích vùng sai số δ=4,5m giảm từ 25.599 Km2
xuống còn 24.3126Km2 và 24.3063Km)2 Tuy nhiên có những
trạm thu lại ảnh hư ng nhiều là 2 trạm số 6 và số 7 (xuống còn 18.7583 Km2 và 18.5875 Km2)
BẢNG II TRẠ THU BỊ ẤT TÍN HIỆU VÀ DIỆN TÍCH VÙNG SAI SỐ
Từ ết quả hảo sát tr n cho thấy, hi thiết ế hệ thống MLAT giám sát s n ay ch ng ta n n tính ến hệ số ự phòng cho các trạm thu vị trí có ảnh hư ng nhiều hơn ến sai số chung c a toàn hệ thống ví trạm số 9
IV KẾTLUẬN Bài áo tr nh ày các tính toán cơ ản về trạm thu c a hệ thống MLAT, v i các kết quả ã n u trên cho phép khi xây dựng hệ thống trên thực ịa ác ịnh ư c số ư ng các trạm cần thiết ể ảm bảo sai số mong muốn, vị trí ặt các trạm tối
ưu nh t, có các hệ số dự phòng v i các trạm thu có ảnh hư ng nhiều ến sai số c a hệ thống
Bài áo này cũng à tài iệu quan trọng ể ối chứng, giám sát khi khai thác sử d ng các hệ thống AT ư c triển khai thực tế Việt Nam
TÀILIỆUTHAMKHẢO [1] DANIEL jean-pierre Multilateration course ENAC/CNS 21 June
2010
[2] IvanA Mantilla Gaviria, “New Strategies to Improve Multilateration
Systems in the Air Traffic Control”, Valencia, Spain 2013
[3] Trịnh Đăng hánh, Nguyễn Đức Việt, Nghi n cứu h p nhất ữ iệu cải thiện chính ác cho hệ thống ra a th ng giám sát m c ti u ay , Tạp chí nghi n cứu hoa học và công nghệ qu n sự Viện hoa học và công nghệ qu n sự , 9-25, 2-2012
[4] Trịnh Đăng hánh, Nguyễn Đức Việt, Cải thiện chính xác cho hệ thống ra a th ng giám sát s n ay , Tạp chí khoa học và ĩ thuật ( Học viện ĩ thuật Quân sự) số 163, 8-2014
[5] Nguyễn Đức Việt, Trần ạnh Hoàng Improv Th Accuracy Passiv Ra ar Syst ms For onitoring Airports , Tạp chí nghi n cứu hoa học và công nghệ qu n sự Viện hoa học và công nghệ qu n sự ,
số 36, 4-2015
[6] Nguyễn Đức Việt, Trịnh Đăng hánh, Nghi n cứu ảnh hư ng c a
cao t i sai số hi ác ịnh vị trí m c ti u trong hệ thống ra a th ng ,
Tạp chí khoa học và ĩ thuật ( Học viện ĩ thuật Quân sự) số 168,
6-2015
[7] Nguyễn Đức Việt, Trịnh Đăng hánh, Tối ưu hóa mạng các trạm ra a
th ng giám sát sân bay theo tiêu chuẩn sai số và vùng ph sóng ,
Tạp chí khoa học và ĩ thuật ( Học viện ĩ thuật Quân sự) số 171,
12-2015
