HT dẫn đường vô tuyến hàng không

Chức năng của hệ thống thiết bị dẫn đường hàng không Hệ thống thiết bị dẫn đường hàng không là hệ thống thiết bị nhằm cung cấpthông tin cho tàu bay thông qua các máy thu được trang bị tr

HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VÔ TUYẾN

HÀNG KHÔNG

Ths Phạm Tiến Dũng

MỤC LỤC

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ DẪN ĐƯỜNG HÀNG KHÔNG 2

I Chức năng của hệ thống thiết bị dẫn đường hàng không 2

II Các phương pháp dẫn đường hàng không 2

III Phân loại các thiết bị dẫn đường mặt đất 3

CHƯƠNG II CHỨC NĂNG, NHIỆM VỤ HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG 4

I- Chức năng nhiệm vụ của đài NDB 4

II Chức năng nhiệm vụ của đài VOR 7

III Chức năng, nhiệm vụ của đài đo cự ly (DME) 8

IV Chức năng nhiệm vụ hệ thống ILS 9

CHƯƠNG III HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VOR-DME 11

I Nguyên lý hoạt động của hệ thống VOR ……… 11

II Nguyên lý hoạt động của DME ……… 14

CHƯƠNG IV HỆ THỐNG VOR/DME TẠI PHÙ CÁT 21

I THIẾT BỊ DVOR 1150 ……….……… 21

II THIẾT BỊ DME 1119A ……… …… 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 31

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ DẪN ĐƯỜNG HÀNG KHÔNG

I Chức năng của hệ thống thiết bị dẫn đường hàng không

Hệ thống thiết bị dẫn đường hàng không là hệ thống thiết bị nhằm cung cấpthông tin cho tàu bay thông qua các máy thu được trang bị trên tàu bay, giúpngười lái xác định được các thông tin sau:

- Tàu bay đang ở đâu?

- Tàu bay đang bay về hướng nào?

- Tàu bay đang cách đài dẫn đường/sân bay bao nhiêu dặm?

- Tàu bay bay như thế nào?

II Các phương pháp dẫn đường hàng không

2-1 Dẫn đường theo phương pháp bản đồ (Pilotting): quan sát, theo dõi dựa vàocác địa vật cố định như các ngọn núi cao, sông hồ, các cây cao, các nhà cao tầng.2-2 Dẫn đường theo phương pháp thiên văn (Celestial): quan sát dựa vào cácchòm sao và các hành tinh trong vũ trụ như sao Bắc đẩu để xác định vị trí củamình

2-3 Dẫn đường theo phương pháp quán tính (Inertial navigation): sử dụng dụng

cụ dẫn đường quán tính đặt trên tàu bay (gia tốc kế), xác định được vị trí tàu bay,tốc độ, gia tốc, vĩ độ và hướng mũi tàu bay (heading)

2-4 Dẫn đường theo phương pháp dựa vào thiết bị vô tuyến mặt đất based radio navigation aids): sử dụng các máy thu, thu các tín hiệu dẫn đườngtrong không gian được phát ra bởi các thiết bị vô tuyến mặt đất

(Ground-2-5 Dẫn đường theo phương pháp dựa vào thiết bị không gian (Spacebasedradio navigation aids): sử dụng máy thu GNSS để thu các tín hiệu dẫn đường

III Phân loại các thiết bị dẫn đường mặt đất

3-1 Thiết bị dẫn đường vô tuyến (Non visual navigation aids) là hệ thống cácthiết bị cung cấp cho tàu bay các thông tin cần thiết để xác định vị trí của tàubay trong không gian theo phương thức phát sóng ra không gian

Các hệ thống dẫn đường thông dụng (Conventional navigation aids) là các

hệ thống phổ biến hiện đang sử dụng như:

+ Đài dẫn đường vô hướng (NDB): Xác định hướng (Bearing)

+ Đài chỉ chuẩn (Marker): Xác định vị trí (Location)

+ Đài dẫn đường đa hướng sóng cực ngắn (VOR): Xác định góc phương vị(Azimuth)

+ Đài đo cự ly (DME): Xác định cự ly

+ Hệ thống hướng dẫn hạ cánh chính xác (ILS): Xác định qũi đạo hạ cánh

3-2 Thiết bị dẫn đường bằng mắt (Visual navigation aids): là hệ thống các thiết

bị cung cấp và hướng dẫn tàu bay bằng tín hiệu ánh sáng, biển báo, tín hiệu sơntrong khu vực tiếp cận, tại sân

- Hệ thống biển báo (Guidance signs): Chỉ dẫn tàu bay cất hạ cánh đúng hướng

và vị trí, di chuyển trên khu bay, cảnh báo chướng ngại vật

- Hệ thống đèn hiệu hàng không (ALS – Aviation Lighting System): Cung cấpthông tin bằng ánh sáng để chỉ dẫn tàu bay hoạt động trong khu vực tiếp cận, hạcánh và khu bay

- Hệ thống đèn hướng dẫn đường trượt hạ cánh (PAPI/VASIS – PrecisionApproach Path Indicator/Visual Approach Slope Indicator System): Giúp tàubay xác định đường trượt hạ cánh theo một góc xác định, được qui định theotiêu chuẩn ICAO

CHƯƠNG II CHỨC NĂNG, NHIỆM VỤ HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG

I- Chức năng nhiệm vụ của đài NDB

1 Mở đầu

NDB (Non Directional radio Beacon) cùng với ILS (Instrument LandingSystem), VOR/DME (VHF Omnidirectional radio Range / Distance MeasuringEquipment), là các hệ thống thiết bị dẫn đường nhằm mục đích phù trợ khôngvận trong cả hai chế độ:

- Hạ cánh (Landing) (Hình 2-1)

- Dẫn đường (Enroute) (Hình 2-2)

Hình 2-2: Đài NDB sử dụng phục vụ dẫn đường

2 Chức năng – Nhiệm vụ của đài NDB

a Chức năng: Còn gọi là đài tự tìm mục tiêu, làm việc ở giải tần trung bình vàthấp, phát các tín hiệu vô hướng mà nhờ đó người lái trên tàu bay được trang bịmột máy thu và một ăng-ten định hướng phù hợp, có thể định được hướng(Bearing) của mình đối với trạm mặt đất (đài NDB) và tàu bay, xem hình vẽ 2-3

Hình 2-3: Xác định hướng của đài NDB.

b Nhiệm vụ:

1 Khi NDB làm nhiệm vụ đài gần, đài xa (Locator) : Nó giúp cho tàu bay xácđịnh được trục tâm (Center line) đường CHC kéo dài (chế độ Landing) (xemhình vẽ 2-1)

- Đài TD, đài GV xác định trục tâm đường CHC 25R (TSN)

- Đài SG, Đài GN xác định trục tâm đường CHC 25L (TSN)

- Đài BU, đài HT xác định trục tâm đường CHC 09 (BMT)

2 Khi NDB làm nhiệm vụ đài điểm cho một sân bay: Nó giúp cho tàu bay xácđịnh được hướng bay về sân bay sau đó hạ cánh theo phương thức bằng mắt,xem Hình 2-4

Hình 2-4: Bay về đài NDB

3 Khi NDB làm nhiệm vụ đài điểm cho một đường bay (chế độ Enroute): Nóđược đặt nơi giao điểm giữa các đường hàng không (Airway) hay giữa mộtđường hàng không, giúp tàu bay bay đúng đường hàng không đó, xem lại hình2-2 Đài NDB cũng có thể xác định vị trí tàu bay như hình vẽ 2-5

Hình 2-5: Sử dụng hai đài NDB

II Chức năng nhiệm vụ của đài VOR

1 Chức năng: Cung cấp cho tàu bay thông tin về góc giữa hướng của tàu bay

đến nơi đặt đài và phương Bắc từ Xem Hình 2-6

Hình 2-6: Xác định góc phương vị của máy bay so đài VOR

Hình 2-7 Cấu trúc bên trong máy thu tín hiệu VOR

2 Phân loại:

Có bốn dạng đài VOR thường được sử dụng (phụ thuộc vào phương phápxác định góc phương vị), đó là:

- Trạm VOR chuẩn (SVOR - Standard VOR)

- Trạm VOR thông dụng (CVOR - Conventional VOR)

- Trạm VOR đốp-lơ (DVOR - Doppler VOR)

- Trạm VOR đốp-lơ chính xác (PDVOR - Precision Doppler VOR)

3 Nhiệm vụ:

- Thông thường đài dẫn đường vô tuyến đa hướng sóng cực ngắn thường kết hợpvới đài đo cự ly để tạo thành trạm xác định góc phương vị và cự ly (VOR/DME)

- Trạm VOR/DME được dùng cho cả hai chế độ dẫn đường En-route và Landing

- Tại các sân bay dân dụng kết hợp quân sự thì đài dẫn đường vô tuyến đa hướngsóng cực ngắn thường kết hợp với kênh đo cự ly của trạm TACAN thành trạmVORTAC

III Chức năng, nhiệm vụ của đài đo cự ly (DME)

Hình 2-8 Đo cự ly xiên trong chế độ En-route

b Trong chế độ Landing:

- Khi DME kết hợp với trạm VOR, thì DME cung cấp thông tin giúp tàu bay xácđịnh được cự ly xiên từ tàu bay đến vị trí đặt trạm DME Lúc đó DME sử dụng

là DME vô hướng

- Khi DME kết hợp với hệ thống ILS, thì DME cung cấp thông tin giúp tàu bayxác định được cự ly xiên từ tàu bay đến vị trí ngưỡng đường CHC Lúc đó DME

sử dụng là DME định hướng hay vô hướng

- Khi DME kết hợp với hệ thống MLS, thì DME đó phải là DME chính xác(DME/P)

IV Chức năng nhiệm vụ hệ thống ILS

1 Mở đầu:

- ILS (Instrument Landing System) cùng với MLS (Microwave Landing System)

là các hệ thống thiết bị nhằm mục đích hướng dẫn tàu bay tiếp cận và hạ cánhbằng thiết bị trong các điều kiện thời tiết khó khăn nhất (tầm nhìn bị hạn chế)

- Trong giai đoạn chuyển tiếp của chương trình CNS/ATM, hệ thống ILS vẫnđược tiếp tục duy trì và là một hệ thống phục vụ hạ cánh hiệu quả.

2 Chức năng, nhiệm vụ:

- Hệ thống ILS có hai đài cơ bản để cung cấp thông tin giúp tàu bay xác địnhđược quỹ đạo hạ cánh xuống đường CHC một cách chính xác, đó là đàiLocalizer và đài Glidepath

- Đài Localizer còn gọi là đài xác định hướng, dùng để xác định chính xác trụctâm (center line) của đường CHC và giúp tàu bay hạ cánh vào chính giữa tâmđường CHC

- Đài Glidepath còn gọi là đài xác định tầm, dùng để xác định chính xác đườngtrượt hạ cánh (đường glidepath) của qũy đạo hạ cánh và giúp tàu bay hạ cánhchính xác vào vùng hạ cánh của đường CHC (touch down zone)

- Ngoài ra các đài chỉ chuẩn (Marker) (có thể được thay thế bởi các đài locatorhoặc DME) giúp tàu bay xác định cự ly từ tàu bay đến ngưỡng đường CHC

Hình 2-9 Cấu hình hệ thống ILS với hai đài chỉ chuẩn

CHƯƠNG III

HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VOR-DME

I Nguyên lý hoạt động của hệ thống VOR

Nguyên lý hoạt động của đài VOR dựa theo sự sai pha giữa hai tín hiệu 30Hzđược điều chế với sóng mang, tín hiệu thứ nhất là tín hiệu pha chuẩn không thayđổi ở mọi phương vị trong vòng tròn 360 độ, ký hiệu là REF và tín hiệu thứ hai

có pha thay đổi, ký hiệu là VAR, tại hướng Bắc từ pha của tín hiệu 30Hz REFtrùng với pha của 30Hz VAR

Tín hiệu pha chuẩn có được nhờ điều biên sóng mang với tín hiệu hình sin30Hz Tín hiệu điều biên này được bức xạ đẳng hướng trong mặt phẳng ngangnhờ Anten sóng mang đặt ở tâm giàn phản xạ (Central Carier Antenna) Đồ thịbức xạ là dạng hình tròn và các thông số trong tín hiệu 30Hz REF này thu đượctrên máy bay có pha không phụ thuộc phương vị của máy bay

Tín hiệu hình sin 30Hz được điều chế biên độ vào sóng mang Carrier (Fc) kếtquả thu được sẽ là một tín hiệu với phổ tần có 3 thành phần:

Tín hiệu pha biến thiên 30Hz FM là thành phần điều tần của sóng mang phụ9960Hz Thành phần sóng mang phụ 9960Hz này lại được điều chế biên độ vàosóng mang Sự điều biên sóng mang phụ vào sóng mang này sử dụng phươngpháp điều chế không gian (Space Modulation) Có thể giải thích phương phápđiều chế không gian như sau: Trong thực tế nếu tần số 9960Hz được điều chếvào biên độ sóng mang Fc thì phổ tần sẽ gồm: Thành phần tần số sóng mang Fc,

và thành phần biên tần trên Fc+9960Hz còn gọi là USB, thành phần biên tầndưới Fc-9960Hz còn gọi là LSB (xem hình 3-1) Trong kỹ thuật DVOR thì 3thành phần trên được phát độc lập, thành phần tần số sóng mang được phát ởanten sóng mang (Carrier), thành phần USB và LSB thì được phát ở các antenbiên tần (Sideband), ba thành phần này kết hợp trong không gian tạo thành mộttín hiệu tần số Fc điều chế biên độ 9960Hz Vì việc điều chế được tạo thànhbằng cách cộng trong không gian tín hiệu sóng mang bức xạ đẳng hướng và cáctín hiệu biên trên và biên dưới được bức xạ riêng rẽ từ vòng tròn của các antenbiên tần nên gọi là điều chế không gian.

Hình 3-1 Phổ tần số của DVOR

Sóng mang phụ được điều tần với tín hiệu 30Hz Việc điều tần được thựchiện như sau: Các tín hiệu biên tần được phân bổ lần lượt tới và bức xạ từ 48anten biên tần giống như cách mô phỏng 2 anten đối xứng nhau qua đường kính,quay ngược chiều kim đồng hồ theo đường tròn của vòng anten biên tần với tốc

độ 30 vòng/s, với một anten bức xạ tín hiệu biên trên và một cái bức xạ tín hiệubiên dưới Vì chiều dài hiệu dụng đường quay giữa các nguồn phát biên tầnquay và khoảng cách điểm thu biến đổi với tốc độ 30Hz nên tần số quan sát của

các tín hiệu biên tần cũng biến đổi ở tốc độ 30Hz (chẳng hạn các biên tần) và vìthế tín hiệu sóng mang phụ được điều tần ở tốc độ 30Hz.

Độ dịch tần tỷ lệ với đường kính vòng anten biên tần thể hiện qua bước sóng

ở tần số hoạt động Nếu đặt đường kính tới 44 feet (13,4m) sẽ tạo ra độ dịch tầnđỉnh là 480Hz ở tần số 113,85MHz; 454Hz ở 108 MHz và 497Hz ở 118MHz.Hình trên mô tả một phổ cao tần điển hình của đài DVOR ở tần số hoạt động fc

Tỷ lệ dịch tần tương ứng biến đổi từ 15,13 ở 108 MHz tới 16,57 ở 118 Mhz Độdịch tần số được xác định bằng công thức:

fd= ω.λ.πVới: fd tương ứng độ dịch tần (tính bằng Hz)

ω tương ứng vận tốc góc của tín hiệu (30Hz)

λ tương ứng đường kính của vòng tròn trong chiều dài sóng

Tỷ lệ lệch (chỉ số điều tần) được xác định bằng công thức: rd= fd/30

Ở máy thu trên máy bay, tín hiệu 30Hz được tách ra từ sóng mang phụ9960Hz FM Pha của tín hiệu 30Hz thứ hai này biến thiên tuyến tính với sự biếnđổi của góc phương vị tại điểm thu; cứ góc phương vị biến đổi 10, pha của tínhiệu pha biến thiên cũng thay đổi 10

Năng lượng bức xạ liên tiếp tiếp của các anten biên tần và điều chế biên độ30Hz của sóng mang có mối quan hệ thời gian với nhau, vì thế các tín hiệu 30Hzpha chuẩn và pha biến thiên có trùng pha là 00 theo hướng từ trường từ đàiDVOR Khi điểm thu chuyển động theo chiều kim đồng hồ vòng quanh đài, tínhiệu pha thay đổi (30Hz FM) bắt đầu sớm pha so với tín hiệu pha chuẩn (30HzAM) Ví dụ quan sát viên ở hướng Tây đài DVOR sẽ thấy tín hiệu 30Hz FMsớm pha hơn tín hiệu 30Hz AM là 2700 Máy thu trên máy bay xác định sự khácpha giữa hai tín hiệu 30Hz và vì thế nó có liên hệ về độ (từ trường) tới đài, khi

đó xác định được số độ nhờ tín hiệu 30Hz AM chậm pha hơn tín hiệu 30 Hz FM

Hình 3-2 Mối liên hệ góc pha tín hiệu VOR

II Nguyên lý hoạt động của DME

DME (Distance Measuring Equipment) là một hệ thống dẫn đường cung cấpthông tin một cách liên tục giữa máy bay và trạm mặt đất Trên buồng láikhoảng cách được hiển thị trực tiếp bằng số Hệ thống này được phê chuẩn bởiICAO như là tiêu chuẩn dẫn đường cho hàng không dân dụng Hệ thống baogồm một máy hỏi (Intterogator) trên máy bay và một máy trả lời (Transponder)

là đài trạm ở dưới mặt đất Nguyên lý hoạt động: Máy hỏi phát các xung hỏi tớimáy trả lời, sau đó máy trả lời giải mã và kích hoạt để phát các xung trả lời Máyhỏi đo khoảng thời gian giữa xung hỏi và xung trả lời sau đó chuyển đổi thànhthông tin về khoảng cách Khoảng cách đo được tối đa xấp xỉ 200NM với độ

đa là độ cao máy bay, công suất máy phát và độ nhậy máy thu của cả máy hỏi vàmáy trả lời Thông thường các máy hỏi hiện nay thường phát với công suất1KW và độ nhậy máy thu là -120dBw Một máy trả lời có thể trả lời tối đa 100máy bay (đối với thiết bị cũ) hoặc 200 máy bay (đối với thiết bị mới) cùng mộtlúc Các máy bay khác nhau nhận biết được xung của chúng bởi vì chúng phátPRF (Pulse Repetition Frequency) khác nhau.

Xem hình 3-3 Hệ thống DME bao gồm 1 tổ hợp thiết bị thu/phát (thiết bịphát đáp) đơn kênh kết hợp với 1 antenna đẳng hướng chuyên dụng của trạmmặt đất và tổ hợp thiết bị thu/phát đa kênh được đặt trên máy bay (thiết bị hỏi).Thiết bị thu/phát đa kênh trên máy bay (phát, thu tín hiệu xung đã mã hoá) cungcấp tín hiệu có chứa cả hai thông tin về khoảng cách và mã hiệu

Thiết bị DME có 252 kênh làm việc, khoảng cách của các kênh liền kề nhau

là 1 MHZ trong dải tần từ 962-1213 MHZ

Hệ thống DME được coi là hệ thống thông minh bởi vì nó sử dụng kỹ thuật

mã hoá - xung khi phát Tín hiệu phát là tổ hợp các nhóm xung, mà khoảng cáchgiữa chúng được ấn định trước Đối với các kênh X, khoảng cách giữa các xunghỏi và các xung trả lời là 12μs Đối với các kênh Y khoảng cách giữa các xunghỏi là 36μs và giữa các xung trả lời là 30μs

Máy thu của cả hai thiết bị hỏi và thiết bị phát đáp sử dụng bộ giải mã xung,chúng được thiết lập để cho qua các cặp xung có khoảng cách đã đưa ra ở trên.Mục đích của kỹ thuật hai xung đó là làm tăng tỷ số tín hiệu/tạp âm và loại bỏkhả năng gây ra sự giao thoa xung, như là các tín hiệu phát xạ từ Radar hoặc từnguồn năng lượng RF bên ngoài khác có cùng tần số Sự thông minh đó còn thểhiện ở chỗ các tín hiệu do thiết bị phát đáp/DME cung cấp có chứa cả hai thôngtin về mã hiệu đài và cự ly Thông tin về mã hiệu đài là cần thiết cho tổ lái để cóthể nhận biết được đài đã chọn Thông tin về mã hiệu đài được phát với chu kỳ30s một lần Tuy nhiên, thông tin về khoảng cách được cung cấp cho máy baykhi có yêu cầu Mỗi máy bay phải hỏi thiết bị trên mặt đất theo mã của cặp xung

hỏi, trước khi thiết bị phát đáp có thể tạo ra và phát đáp đi các tín hiệu có chứathông tin về khoảng cách.

Hình 3-3 Sơ đồ khối hệ thống DME cơ bản

Xem hình 3-4, như đã nói thiết bị phát đáp cần phải được máy bay hỏi trướckhi thiết bị trên mặt đất có thể phát các tín hiệu có chứa các thông tin về khoảngcách Giả sử một máy bay hỏi thiết bị ở mặt đất, tín hiệu hỏi được thu bởi

antenna và được đưa tới máy thu qua các bộ Circulator và Preselectors Tín hiệu này được khuếch đại, tách sóng, và cấp tới bộ Decoder và kích hoạt mạch

Encode và các mạch Logic ưu tiên, chúng tạo ra tín hiệu trả lời có khoảng cách

xung và độ giữ chậm phù hợp (đúng) Tín hiệu từ đầu ra của khối này đi quamạch sửa dạng xung, ở đó thực hiện mã hoá trả lời và định dạng độ rộng xung là