GIẢI PHÁP TÁCH TÍN HIỆU BỊ CHỒNG LẤN TRONG HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHỐNG VA CHẠM HÀNG KHÔNG

Chia sẻ: Nguyen Van Dau | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

119
lượt xem 29
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong bài báo này, chúng tôi giới thiệu nguyên lý hoạt dộng của thiết bị cảnh báo chống va chạm hàng không dặt trên máy bay và mô phỏng một phuong pháp xử lý dùng kỹ thuật PLL (Phase-Locked Loop: Vòng khóa pha) dể tách các tín hiệu thu duợc tại máy phát dáp. Truớc tiên, bài báo này dề cập dến hiện tuợng nhiễu da duờng 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...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: GIẢI PHÁP TÁCH TÍN HIỆU BỊ CHỒNG LẤN TRONG HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHỐNG VA CHẠM HÀNG KHÔNG

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