Nghiên cứu khả năng triển khai giải pháp eLORAN ở Việt Nam

Chia sẻ: Tưởng Trì Hoài | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Báo cáo "Nghiên cứu khả năng triển khai giải pháp eLORAN ở Việt Nam" trình bày kết quả triển khai giải pháp công nghệ định vị mặt đất (eLORAN) tại một số quốc gia và đề xuất nghiên cứu khả năng triển khai giải pháp eLORAN phục vụ mục đích quốc phòng, an ninh trên lãnh thổ Việt Nam thông qua quá trình tính toán, mô phỏng và đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu khả năng triển khai giải pháp eLORAN ở Việt Nam

HỘI NGHỊ TOÀN QUỐC KHOA HỌC TRÁI ĐẤT VÀ TÀI NGUYÊN VỚI PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG (ERSD 2022) Nghiên cứu khả năng triển khai giải pháp eLORAN ở Việt Nam Kim Xuân Bách1, *, Nguyễn Văn Đông1, Đặng Huy Toàn2 1 Cục Bản đồ/Bộ Tổng Tham mưu 2 Công ty Cổ phần đầu tư Hoàng Đạo TÓM TẮT Hiện nay, hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS/GPS) và công nghệ nội địa hóa đã trở nên nhỏ gọn và hiệu quả cao. Mặc dù GNSS/GPS đã được chứng minh là dễ bị nhiễu khi cường độ tín hiệu yếu và hầu hết các phương tiện ứng dụng GNSS/GPS có thể điều hướng. So với GNSS/GPS, eLORAN có khả năng chống nhiễu tốt hơn và được khuyến cáo sử dụng như một giải pháp thay thế cho GNSS/GPS. Báo cáo trình bày kết quả triển khai giải pháp công nghệ định vị mặt đất (eLORAN) tại một số quốc gia và đề xuất nghiên cứu khả năng triển khai giải pháp eLORAN phục vụ mục đích quốc phòng, an ninh trên lãnh thổ Việt Nam thông qua quá trình tính toán, mô phỏng và đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai. Từ khóa: Nhiễu, giả mạo, eLORAN, PeLS, TEK, DEK và GPS/GNSS 1. Đặt vấn đề Hệ thống định vị vệ tinh có ưu điểm là phủ sóng toàn cầu, độ chính xác cao, công nghệ và thiết bị của hệ thống đã được ứng Vệ tinh Vệ tinh dụng phổ biến rộng rãi cho nhiều mục đích dân sự và quân sự. Tuy nhiên nhược điểm của hệ thống là tính bảo mật chưa cao, Vệ tinh nếu bị gây nhiễu mất tín hiệu sẽ gây khó khăn cho công tác định vị, dẫn đường (hình 1). Trong lĩnh vực quân sự, quốc phòng đòi hỏi tính bí mật quân sự cao, đảm bảo tính chính xác, kịp thời, Vệ tinh nếu xảy ra trường hợp hệ thống gặp sự cố rủi ro, đối phương gây nhiễu làm sai lệch vị trí (hình 2) ảnh hưởng đến độ chính xác định vị và bảo mật dữ liệu cần thiết phải có phương án chiến lược dự phòng. Hệ thống định vị mặt đất (LPS) ra đời từ những năm đầu thập kỷ 40 của thế kỷ trước và đã được ứng dụng tại một số quốc gia Nguồn nhiễu Máy thu trên thế giới (Mỹ, Nga, Canada, Nhật Bản, Na Uy, Phần Lan, ...) trong các hoạt động dân sự và quân sự. Hệ thống công nghệ eLORAN được trang bị với công suất cao nên có ưu điểm là Hình 1. Tín hiệu nhiễu làm biến mất tín hiệu GPS phát tín hiệu mạnh, hoạt động liên tục và hầu như khó bị ngắt sóng hoặc giả mạo tín hiệu, đảm bảo yếu tố bí mật. Ngoài ra có Vệ tinh thể sử dụng eLORAN trên mọi địa hình, địa vật do tín hiệu có Vệ tinh C/A khả năng truyền xuyên qua các vật cản như tòa nhà, công trình, dưới lòng đất, dưới nước,... và cải thiện đáng kể độ chính xác định vị. Trong những năm gần đây công nghệ ứng dụng eLORAN tiếp tục được duy trì phát triển và khai thác mở rộng Vệ tinh Vệ tinh trong nhiều lĩnh vực và nhiều quốc gia. Vì vậy vấn đề đặt ra, nếu xảy ra trường hợp bị mất/ngắt tín hiệu vệ tinh hoặc đối phương phát giả mạo tín hiệu, chế áp điện tử phá sóng gây nhiễu sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến ứng dụng thu phát tín hiệu của phương tiện, thiết bị. Khi đó hoạt động của các phương tiện, thiết bị định vị theo vệ tinh sẽ mất tác dụng hoặc bị sai lệch vị trí không đảm bảo yếu tố bí mật, đó là bài toán nan giải mà các nhà khoa học cần giải quyết. Hình 2. Vị trí thực bị chuyển rời sang vị trí mới (giả) do ảnh hưởng nhiễu 2. Loran-C LORAN là một cải tiến phát triển công nghệ của Mĩ dựa trên hệ thống định vị bằng radio của Anh (GEE), *Tác giả liên hệ Email: bachkx@gmail.com 997
đã được sử dụng trong chiến tranh thế giới thứ hai. Trong khi cự ly định vị của GEE là 400 dặm (644 km) thì của LORAN lên tới 1200 dặm (1930 km). Đầu tiên được biết đến là LRN (Loomis Radio Navigation), sau đó Alfred Lê Loomis phát minh ra hệ thống có cự li định vị xa hơn và đóng vai trò chính về nghiên cứu quân sự trong chiến tranh thế giới thứ hai. Hệ thống LORAN được xây dựng trong thế chiến thứ 2 qua sự nghiên cứu phát triển tại Đại học công nghệ Masachusetts tại phòng thí nghiệm rada và được sử dụng rộng rãi cho quân đội Hoa Kỳ và quân đội Hoàng gia Anh. Nguyên tắc định vị Loran: Loran dựa trên sự sai lệch về thời gian của hai tín hiệu nhận được của hai đài phát khác nhau. Với một khoảng thời gian sai lệch không đổi thì vị trí máy thu thể sẽ nằm trên một hyperbol (LOP) với hai tiêu cự là hai đài phát: - Vị trí của hai đài phát đã được biết trước, vị trí của máy thu sẽ được xác định tại một điểm nào đó trên một đường hyperbol tùy thuộc vào sự khác nhau về thời gian của hai tín hiệu. Trong điều kiện lý tưởng, hiệu thời gian này sẽ cho biết chính xác hiệu khoảng cách của máy thu đến hai máy phát. - Chỉ với hai máy phát không thể xác định được chính xác vị trí của máy thu, vị trí của máy thu có thể ở bất kì điểm nào trên hyperbol. Cần phải có them một máy phát nữa để có thêm một hyperbol khác. Giao điểm của hai hyperbol này sẽ là vị trí của máy thu. Phương pháp Loran: một trạm phát tín hiệu được gọi là trạm chủ “the master”, trạm chủ nối với hai trạm con khác (slave hoặc là secondary). Hiệu thời gian giữa trạm chủ và trạm con thứ nhất sẽ xác định được một đường hyperbol, và sự khác biệt thời gian giữa trạm chủ và trạm con thứ hai sẽ xác định được một đường hyperbol khác. Giao điểm của hai đường cong này sẽ cho ra vị trí của máy thu so với vị trí của 3 trạm. Những đường cong trên được gọi là đường TD (time difference line): - Trong thực tế, Loran được thi hành thành các cụm, hay là “dây xích”, thành lập bởi một trạm chủ và ít nhất hai trạm con (có thể đến 3,4,5) có cùng thời gian lặp GRI (group repetition interval) được xác định bằng micro giây. Trạm chủ chuyền đi một dãy các xung sau đó dừng lại trong một khoảng thời gian trước khi lặp lại dãy xung đó. + Mỗi cụm Loran trên thế giới sử dụng một số GRI khác nhau, số đó sau khi được nhân lên 10 chính là thời gian mà một chuỗi xung được lặp lại. Mỗi cụm Loran được gán vào một vị trí nhất định trên mặt đất. + Do tính chất của đường cong hyperbol, mỗi sự kết hợp của trạm chủ và các trạm con có cho ra kết quả là một mạng lưới, ở đó các trục cắt nhau ở góc nhọn. Để có một độ chính xác tốt nhất, cần phải sắp xếp mạng lưới định vị sao cho các trục vuông góc với nhau nhất có thể. + Khi máy thu đi qua một cụm, sự lựa chọn trạm con mà lúc đầu có đường TD gần vuông góc có thể trở nên nghiêng đáng kể. Kết quả việc chọn một hoặc hai trạm con có thể bị thay đổi để cho đường TD mới gần với góc vuông hơn. Để thực hiện việc này, gần như tất cả các cụm phải có ít nhất từ 3 trạm con, nhiều có thể là 5. - Trạm con nhận xung từ trạm chủ, sau đó đợi một khoảng thời gian (thời gian trễ) để trạm con mã hóa tín hiệu và truyền đi. Trong một cụm nhất định, mỗi trạm con có thời gian trễ khác nhau, cho phép phân biệt các tín hiệu của trạm con khác nhau. Tuy nhiên trong thực tế máy thu Loran hiện đại không dựa vào cách phân biệt các trạm con này. Loran-C được phát triển từ hệ thống hàng hải Loran-A. Loran-C cũng là hệ thống hàng hải dựa trên việc phát tín hiệu xung (pulse signals), do Mỹ phát minh trong đại chiến thế giới thứ 2. Chuỗi Loran-C đầu tiên được hoạt động ở bờ biển phía đông nước Mỹ vào năm 1958. Từ năm 1959, có thêm các trạm trên chuỗi bờ biển Na Uy: trạm chủ Ejde trên quần đảo Faeroe, Jan Mayen, Bo (phía Tây Nam Tromso ở Bắc Na Uy), Sylt (cực Bắc trên bờ biển Bắc nước Đức) và ở Sandur (phía Tây Iceland). Vào những năm đầu thập niên 1990 có khoảng 15 chuỗi trạm Loran-C bao phủ toàn bộ Địa Trung Hải, Tây Bắc Đại Tây Dương và các vùng nước xung quanh đảo Hawai và Nhật Bản, Đông Nam Trung Quốc. - Hệ thống Loran-C là một tổ hợp các trạm phát sóng chủ (Master) và phụ (Slave/Second) đặt trên bờ, phát tần số thấp 100kHz dưới dạng xung. Máy thu Loran-C đặt trên tàu thu nhận sóng từ các đài phát, xác định hiệu thời gian từ vị trí quan sát đến hai trạm phát chủ và phụ. Hiệu thời gian được đo bằng cách so sánh tời gian trễ của các đường bao xung, gọi là đo thô, và so sánh pha sóng mang của các xung để đo hiệu thời gian chính xác, gọi là đo tĩnh. Quỹ tích của các điểm đẳng hiệu thời gian hình thành hệ đường vị trí hyperbol, nhiều cặp trạm phát hoạt động đồng thời hình thành mạng lưới đường hyperbol, bằng cách đó máy thu có thể xác định vị trí của người quan sát nhờ vào giao điểm của các đường hyperbol. - Nhờ áp dụng tần số thấp, đường cơ sở dài (khoảng cách giữa các trạm xa nhau), đông thời sử dụng mã tín hiệu, kỹ thuật thu tương quan, … khiến cho tầm xa tác dụng của hệ thống tăng lên rất lớn từ 1000 hải lý đến 2000 hải lý, vượt xa tầm xa tác dụng của hệ thống Loran A trước đây. 2.1. Hiệu thời gian đường vị trí hyperbol Trong hệ thống xác định hiệu thời gian bằng xung, xung được phát liên tụ từ các trạm chủ và trạm phát hai trạm là 𝐷 𝑀 và 𝐷 𝑠 , tín hiệu từ 2 trạm đén vị trí tàu mất khoảng thời gian là 𝑡 𝑀 và 𝑡 𝑆 . Vậy hiệu thời gian phụ với tần số lập xung nhất định. Nếu trạm chủ và trạm phụ đồng thời phát xung vô tuyến, vị trí tàu cách 998
∆𝑡 = |𝑡 𝑀 − 𝑡 𝑆 | của 2 tín hiệu là: Với 𝑡 𝑀 = 𝑡𝑆 = (1) 𝐷 𝑀 𝐷𝑆 𝑐 𝑐 Trong đó c là tốc độ sóng vô tuyến lan truyền trong không gian, 𝑐 = 3. 108 m/s hoặc 300 m/µs. và ∆𝑡 = |𝐷 𝑀 − 𝐷 𝑆 | 1 𝑐 => |𝐷 𝑀 − 𝐷 𝑆 | = 𝑐. ∆𝑡 (2) (3) R S Dễ nhận thấy, quỹ tích của tất cả những điểm có hiệu thời gian bằng nhau 000 đến hai điểm cho trước (M và S) sẽ tạo thành 1 cặp đường hyperbol nằm đối Đường trung tâm xứng bên phải và bên trái đường trung tâm. Đường có hiệu thời gian bằng không là đường trung tâm, vuông góc với đường cơ sở. Như vậy, vị trí xác P định bằng đường hyperbol có tính lưỡng trị, nghĩa là một giá trị hiệu thời DM gian cho hai đường vị trí. Các con số ghi trên mỗi đường hyperbol là hiệu DS thời gian truyền sóng đến hai trạm chỉ và phụ. Đường cơ sở kéo dài M S Đường cơ sở kéo dài Với nhiều giá trị hiệu thời gian bằng nhau tạo thành một họ đường hyoerbol như hình bên dưới. Nguyên nhân xuất hiện tính lưỡng trị của đường hyperbol là 2 đài phát M và S đồng thời phát sóng. Để khắc phục tính lưỡng trị chỉ cần điều chỉnh thời gian phát của trạm phụ S sao cho sau khi trạm phụ nhận được tín hiệu xung từ trạm chủ mới bắt đầu phát tín hiêu xung của mình, nghĩa là trạm phụ phát trễ một khoảng thời gian bằng thời gian bằng thời gian truyền sóng giữa 2 trạm chủ và phụ. Kết quả là tính lưỡng trị được giải quyết, các đường Hình 3. Các đường vị trí hyperpol R S vị trí trong họ đường hyperbol mang tính đơn trị như mô tả hình 4. 3000 Tuy nhiên, giải quyết được tính lương trị chưa đủ để hệ thống Loran-C mang lại hiệu quả mong muốn. Để đo chính xác hiệu thời gian cần xem xét sự can nhiễu tín hiệu giữa các đài phát, sự can nhiễu giữa sóng trời và sóng đất, để tránh can nhiễu cần thiết lập chu kỳ lặp xung GRI (Group Repetition Interval) của nhóm như thế nào, cách bố trí nhóm trạm phát M và S, các giải pháp kỹ thuật nhận dạng sóng, đo hiệu thời gian… D M S C 2.2. Nguyên lý định vị của hệ thống Loran-C Đường cơ sở kéo dài Đường cơ sở kéo dài Cấu tạo 1 chuỗi Loran-C: Hệ thống Loran gồm 1 trạm chủ và 2 đến 4 trạm phụ hợp thành một chuỗi trạm. Trạm chủ được gán tên là M và các trạm phụ lần lượt mang tên W, X, Y, Z như mô tả trên hình 3. Một trạm chính phối hợp với 2, 3 hoặc 4 trạm phụ hình thành một chuỗi Loran. Đường cơ sở của một cặp trạm M và S có chiều dài 800 ~ 1200 hải lý. Bằng cách bố trí như hình 5, trong tình huống bình thường, người sử dụng có thể nhận được các đường vị trí có góc giao Hình 4. Các đường hyperpol đơn trị hợp lý. Hình 5. Cấu tạo 1 chuỗi Loran-C Tín hiệu đa xung và mã hóa xung tín hiệu: 999
- Hệ thống Loran dùng phương thức phát sóng đa xung, trạm phụ của một chuỗi trạm phát nhóm tín hiệu gồm 8 xung, mỗi xung kéo dài 200µs. Trạm chủ phát ngoài 8 xung như trạm phụ, còn phát thêm xung thứ 9, xung thứ 9 cách xung thứ 8 có thể lớn hoặc nhỏ hơn 1000µs. Xung thứ 9 của trạm chủ chủ yếu dùng để nhận dạng bằng mắt thường, vì vậy trên màn hình huỳnh quang rất dễ phân biệt các xung của trạm chủ và trạm phụ. Hình 4 biểu thị các nhóm xung của trạm chủ và trạm phụ. Trong đó, xung thứ 9 của trạm chủ cách xung thứ 8 ở hình a là 500µs và hình b là 2000µs. - Mỗi một xung đơn trong nhóm xung đều được điều chế bằng sóng mang 100 kHz, sóng xung đơn mô tả trên hình 6a, độ rộng của mỗi xung sóng mang 200µs. Đường bao của xung sóng mang biểu thị trên hình 6b, phía trước của đường bao khá dốc ở khoảng 30µs độ dốc biến đổi cao Hình 6. Tín hiệu và mã hóa xung tín hiệu nhất nhưng phía sau giảm dần ít dốc hơn. Biên độ của đường bao vị trí Loran-C 30µs bằng một nửa của biên độ đỉnh. Ngoài ra, máy thu Loran không những thu nhận sóng đất mà còn thu nhận cả sóng trời, đối với xung nhất định thì sóng trời đến chậm khoảng 38µs, trước thời điểm 38µs chỉ có sóng đất vào máy thu. Sau thời điểm đó sóng trời và sóng đất hỗn hợp. Cho nên quá trình thu sóng thông thường lấy sóng tại thời điểm cách khởi điểm 30µs làm điểm truy theo tín hiệu sóng đất, nhờ đó tránh được sự can nhiễu của sóng trời. Sóng đất ở thời điểm 30µs có độ dốc cao, đồng thời biên độ cũng khá cao, cho nên sóng đất để đo thời gian đảm bảo độ chính xác cao. Đường bao xung Đường bao xung 10µs 30µs 100µs 200µs b) Điểm truy theo sóng đất a) Hình 7. Đường bao tín hiệu Loran-C + Hệ thống Loran-C thiết lập mã pha cho các xung tín hiệu. Trong một nhóm 8 xung đều thiết lập pha của sóng mang trong đương bao theo một quy luật nhất định. Mã pha thiết lập như sau: Lập 8 mã đơn nguyên: Lập mã cho khởi điểm 8 xung sóng mang trạm phụ, và 8 xung sóng mang trạm chính, xung thứ 9 của trạm chính không lập mã Lập mã pha (phase coded); Pha đầu tiên của xung sóng mang chỉ có 2 trạng thái “0” hoặc “π” (“+” hoặc “-”) như hình 8: Pha 0 (+) Pha π (-) Hình 8. Mã pha Loran-C + Mã pha tín hiệu trạm chủ và trạm phụ không giống nhau, mã pha của 2 chu kỳ tín hiệu liền kề cũng không giống nhau. Ở 2 nhóm chu kỳ xung liên tiếp của trạm chủ cũng như trạm phụ, xung theo thứ tự số lẻ thì không đổi pha, gọi là mã nguyên. Xung theo thứ tự số chẵn thì đảo pha tức là “+” biến thành “-” hoặc ngược lại, gọi là đảo pha. 1000
Trong đó trạm chính và trạm phụ có mã khác nhau, các trạm phụ có mã giống nhau và được phân biệt bằng bằng hệ thống phân cách thời gian (Time division system). Tín hiệu Trạm chính Tất cả các trạm phụ Thứ tự xung 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 Nhóm chu kỳ thứ nhất + + - - + - + - + + + + + - - + Nhóm chu kỳ thứ hai + - - + + + + + + - + - + + - - Nhờ dùng cách mã hóa tín hiệu và dùng kỹ thuật thu tự tương quan, hệ thống Loran-C có tính ưu việt sau đây: - Máy thu tự động phân biệt trạm chính và trạm phụ - Tăng tầm xa hoạt động hiệu quả của hệ thống - Triệt tiêu can nhiễu giữa các tín hiệu sóng phát đi từ các cụm 3. Giải pháp eLoran Vào tháng 11/2009, tổ chức cảnh báo bờ biển Hoa kỳ (USCG) thông báo rằng LORAN-C không cần thiết cho việc định vị hàng hải nữa và hệ thống eLORAN hầu như không được các quốc gia quan tâm khai thác sử dụng nữa. Tuy nhiên ngày nay có rất nhiều sự kiện tấn công GPS/GNSS xảy ra trong thực tế mà hiện tại vẫn chưa có biện pháp hiệu quả nào khắc phục triệt để được những điểm yếu của GPS/GNSS, vì thế việc quay lại sử dụng eLoran đang là một hướng đi mới trong phát triển công nghệ định vị. Ngoài khả năng kế thừa từ Loran-C[5], eLoran có sự khác biệt lớn với Loran-C. Sự khác biệt giữa Loran- C và eLoran chính là kênh dữ liệu Loran (LDC) [6]. Chính sách Quốc gia Định hướng vận hành Loran-C eLoran Phát/Giám sát/Điều khiển Máy móc/Trang bị người dùng Hình 9. Sự phát triển của eLoran so với Loran-C Cũng giống như Loran-C, tuy nhiên sự khác biệt giữa eLoran và Loran-C chính là kênh dữ liệu Loran: Hình 10. Khoảng thời gian lặp lại nhóm trong Loran-C 1001
Hình 11. Kênh dữ liệu của Loran-C và eLoran Hầu như không thể có được khóa mã hóa, theo dõi hoặc sử dụng tín hiệu. Trong khe truyền, một chuỗi các xung thời gian và dữ liệu sẽ được quảng bá. Hai xung Kênh dữ liệu Loran Trạm phát truyền các hiệu chỉnh / dữ liệu của nó thông Trạm phát xác nhận các hiệu chỉnh đến và định dạng (Loran Data Chanel - LDC) theo định dạng điều chế eLoran qua một kênh dữ liệu chúng để phát sóng LDC theo chuỗi xung thời gian. Trạm phát Đối với người dùng trái phép, thời gian của hai khe truyền liên tiếp của một máy phát dường như ngẫu nhiên. Tuy nhiên, Trung tâm điều khiển chuyển thời gian là giả ngẫu nhiên với Khóa mã hóa truyền dẫn tiếp các chỉnh sửa đến Trạm phát thích hợp Trạm giám sát thu tín hiệu và áp dụng các hiệu chỉnh để (Transmission Encryption Key - TEK) chỉ được phân phối cho cung cấp tính toàn vẹn người dùng được xác thực thông qua Khóa mã hóa dữ liệu Kênh dữ liệu Loran (data channel Data Encryption Key - DEK) được Trạm tham chiếu vi sai mã hóa hoặc được cung cấp trước thông qua một phương tiện Trung tâm giám sát & điều khiển Trung tâm điều khiển xác nhận Trạm giám sát nhận tín hiệu và tạo ra các hiệu chỉnh liên lạc quân sự an toàn khác. và lưu trữ các sửa chữa từ Trạm giám sát Giải pháp công nghệ của eLoran bao gồm 03 thành phần cơ Hình 12. Bản tin kênh dữ liệu eLoran bản: hệ thống phát eLoran (Transmition Systems), hệ thống eLoran tham chiếu chỉnh sai số (Differential eLoran Reference Systems), hệ thống giám sát và điều khiển (Control & Monitor Systems). 3.1. Hệ thống phát eLORAN (Transmition Systems) Tất cả các máy phát eLoran đều sử dụng công nghệ điều khiển và máy phát trạng thái rắn (SSX) hiện đại, có bộ nguồn liên tục (UPS) đảm bảo không có sự cố nguồn điện làm gián đoạn hoặc ảnh hưởng đến tín hiệu truyền đi. Trạm phát eLoran được đồng bộ hóa với UTC có thể nhận dạng, chứng nhận công khai bằng một phương pháp hoàn toàn độc lập với GNSS. Điều này cho phép nhà cung cấp dịch vụ eLoran hoạt động với thang thời gian được đồng bộ hóa nhưng hoạt động độc lập với thang thời gian GNSS. Đồng bộ hóa với nguồn thời gian chung cũng sẽ cho phép máy thu sử dụng hỗn hợp tín hiệu eLoran và tín hiệu vệ tinh. Hệ thống máy phát UrsaNav bao gồm một máy phát và một hệ thống tạo, giám sát và điều khiển tín hiệu eLoran. Hình 13 cho thấy giải pháp máy phát được đề xuất cho một trạm 250KW. Trạm phát cung cấp công suất phát hiệu quả 250 KW kết hợp với hệ thống ăng ten eLoran cao 165m được xây dựng thích hợp. Dự phòng của tất cả các thành phần quan trọng của hệ thống đảm bảo đáp ứng các yêu cầu sẵn có. Triết lý thiết kế cho các thiết bị dự phòng là cho chuyển đổi tự động nếu một đơn vị lỗi, và hầu hết các thiết bị là có thể hoán đổi nóng. Hình 13. Ví dụ về trạm máy phát eLoran 3.2. Hệ thống eLORAN tham chiếu chỉnh sai số (Differential eLoran reference systems) Các trạm giám sát được xây dựng nằm trong vùng phủ sóng của eLoran nhằm cung cấp thông tin giám sát cho người sử dụng. Các máy thu được sử dụng để giám sát các tín hiệu eLoran và cung cấp thông tin thời gian thực cho trung tâm điều khiển về tín hiệu trong không gian. Các trạm tham chiếu vi sai bao gồm 1 tủ thiết bị 19 inch tiêu chuẩn duy nhất cho máy tính và UPS. Tủ thiết bị này thường được đặt trong một tòa nhà hoặc nhà trạm thiết bị hiện có hoặc nếu cần thiết có thể được xây dựng thành một nhà trạm thiết bị viễn thông tiêu chuẩn như hình 14. Hình 14. Trạm tham chiếu vi sai eLoran Thiết bị trạm tham chiếu yêu cầu kết nối điện áp tiêu chuẩn và kiểm 1002
soát môi trường sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (Hệ thống điều hòa và bảo ôn) tiêu chuẩn. 3.3. Hệ thống màn hình giám sát và điều khiển (Control & Monitor Systems) Một trạm Giám sát và điều khiển Hệ thống (MCS) thường được đặt cùng tại một trung tâm hoạt động hiện có như sơ đồ hình 15. Các trạm MCS có người giám sát. MCS theo dõi sức khỏe của thiết bị đặt tại các vị trí máy phát và các vị trí trạm tham chiếu và cung cấp khả năng điều khiển thiết bị tại các địa điểm này trong trường hợp lỗi hoặc lỗi thiết bị. Nói chung, các trạm phát và tham chiếu tiếp tục hoạt động trong trường hợp lỗi thiết bị bằng cách tự động chuyển sang thiết bị dự phòng. Khả năng buộc chuyển sang thiết bị dự phòng hoặc dự phòng cũng có sẵn tại MCS. MCS yêu cầu kết nối điện áp tiêu chuẩn và kiểm soát môi trường Hệ thống điều hòa và bảo ôn tiêu chuẩn. MCS cũng sẽ cần một kết nối internet an toàn để cung cấp khả năng điều khiển và giám sát từ xa các trạm phát và các trạm tham chiếu. Các yêu cầu băng thông cho trạm MCS phụ thuộc vào số lượng các trạm phát và các trạm tham chiếu nhưng thường ít hơn vài Mbps. Điều quan trọng là lỗi của MCS không ảnh hưởng đến sự sẵn có của hệ thống. Hệ thống này thông báo cho người dùng về sự gián đoạn tín hiệu, thông tin thông qua các kênh liên lạc, đáp ứng xử lý nhanh các sự cố và duy trì mức độ sẵn sàng, liên tục cao. Hình 15. Sơ đồ khối trạm giám sát 3.4. Thiết bị người dùng đầu cuối và điều khiển Thiết bị của Người sử dụng hoặc thiết bị thu eLoran (Receiver Module (RM)). Nói chung, các yêu cầu chức năng và hiệu suất cốt lõi được đáp ứng trong thiết bị thương mại. Việc triển khai hiện tại của thiết bị người dùng là hai thành phần: máy thu và ăng-ten tích hợp 3.5. Ưu điểm và hạn chế của eLORAN a) Ưu điểm - Tín hiệu được truyền với công suất lên tới 1 MW (mạnh gấp 3-5 triệu lần so với GPS/GNSS). Độ tin cậy và tính khả dụng 99,999%; dải tín hiệu cỡ 1.200 dặm (~2000 km). Phổ tần số từ 90 kHz - 110 kHz được bảo mật quốc tế và gần như không thể bị gián đoạn, tắc nghẽn hoặc giả mạo; - Tín hiệu có thể sử dụng ở mọi nơi, xuyên qua tất cả các tòa nhà, công trình, đường hầm, dưới nước (độ sâu tương đối) mà không cần khuếch đại; - eLORAN cung cấp hướng/phương vị tại chỗ cho người sử dụng, thiết bị anten tích hợp với thiết bị thu và không cần lắp đặt trên cao hoặc bên ngoài tòa nhà; - Liên tục đồng bộ hóa với hệ thống thời gian quốc tế (UTC), có độ chính xác thời gian cao; - Cung cấp dịch vụ gần giống như GPS nên rất dễ tích hợp với các hệ thống sử dụng GPS. Tín hiệu thu độc lập nhưng có thể tương tác với GPS/GNSS; - Cung cấp phạm vi bao phủ diện tích rất rộng, có thể mở rộng về vùng phủ sóng nếu thêm máy phát ngoài lãnh thổ Việt Nam. b) Hạn chế Đây là hệ thống định vị, dẫn đường mặt đất có khả năng bảo mật, chống nhiễu cao nhưng quy mô rất lớn, công nghệ rất phức tạp (định vị ba chiều 3D đòi hỏi phải tích hợp các cảm biến khác như máy đo độ cao khí quyển vào thiết bị sử dụng; độ chính xác định vị bằng công nghệ eLORAN kém hơn so với GPS), cần nhiều thời gian khảo sát, nghiên cứu đánh giá hiệu quả. Trong những năm qua tại một số nước (Mỹ, Nga, Nhật Bản, Hàn Quốc, Anh, ...) đã nghiên cứu, phát triển hệ thống định vị mặt đất (LPS) nhằm khắc phục khả năng bị ngắt sóng hoặc giả mạo tín hiệu định vị vệ tinh. Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống LPS là không có phạm vi phủ sóng toàn cầu, sử dụng các trạm phát trên mặt đất có phạm vi hạn chế, máy thu phải nằm trong vùng phủ sóng, kinh phí đầu tư xây dựng và duy trì vận hành hoạt động của hệ thống rất lớn, khoảng hơn một trăm triệu USD cho xây dựng 01 hệ thống gồm 05 trạm phát sóng radio trên mặt đất (chưa tính đến chế tạo mới các thiết bị sử dụng cuối liên quan để 1003
thu tín hiệu hệ thống). 3.6. Một số kết quả triển khai ứng dụng giải pháp eLORAN trên thế giới Tại Anh đã triển khai các trạm eLORAN vi sai nhằm mục đích quản lý, bảo vệ bờ biển và vùng biển lãnh hải (Sơ đồ vị trí và kết quả độ chính xác định vị mặt phẳng như Hình 17 và Bảng 2). Bảng 2. Độ chính xác định vị tại các trạm vi sai Độ Độ Vị trí trạm Sai khác chính xác chính xác eLoran vi sai với model (lý thuyết) (thực tế) Tốt hơn Harwich 8,9 m 6,59 m 25,9% Tốt hơn Dover 10,2 m 6,87 m 32,6% Tốt hơn Sheerness 9,3 m 7,78 m 16,3% Middlesborough 5,8 m - - Tốt hơn Leith 8,4 m 7,14 m 15% Kém hơn Aberdeen 7,2 m 7,33 m 1,8% Tốt hơn Hình 16. Vị trí các trạm eLoran vi sai ở Anh Humber 6,4 m 6,24 m 2,5% Ở Hàn Quốc cũng đã triển khai các trạm eLoran nhằm mục đích quản lý, bảo vệ chủ quyền biên giới lãnh thổ, bờ biển và lãnh hải an ninh quốc gia (Sơ đồ vị trí và kết quả độ chính xác định vị mặt phẳng như Hình 18 và Bảng 3). Bảng 3: Độ chính xác định vị tại các trạm eLoran Vị trí trạm Độ chính xác (95%) Incheon 10,16 m Pyeongtaek 8,72 m Dangjin 10,09 m Andong 12,73 m Gumi 8,87 m Jeonju 8,49 m Gwangju 12,13 m Hình 17. Sơ đồ các trạm eLoran ở Hàn Quốc 1004
4. Giải pháp PeLS Trong khi eLoran là một hệ thống mở được tiêu chuẩn hóa, Private eLoran (PeLS) giúp cho nhà cung cấp dịch vụ quyền kiểm soát những người có thể sử dụng tín hiệu bằng cách giới hạn quyền truy cập chỉ đối với những người dùng được ủy quyền. PeLS thậm chí còn khó bị nhiễu hơn eLoran vì nó không chỉ yêu cầu công suất rất cao mà còn yêu cầu tín hiệu sóng công suất cao liên tục vì các tín hiệu PeLS có bản chất gần như là ngẫu nhiên. Vì hệ thống PeLS sử dụng khe thời gian cố định bằng một khe thời gian giả ngẫu nhiên và khoảng cách giữa các nhóm linh hoạt thay vì cố định như eLoran được kế thừa từ Lorran-C, trong đó các tín hiệu được mã hóa nên không thể giả mạo. PeLS cũng có 03 thành phần chính kế thừa từ eLoran: máy phát, trạm tham chiếu vi sai và hệ thống điều khiển & giám sát: 4.1. Hệ thống trạm phát Hình 18. Mô hình kiến trúc anten trạm phát Hình 19. Mô hình kiến trúc trạm phát PeLS PeLS Máy phát được kết nối thông qua một đường cấp dữ liệu đến một đơn cực tải trên cùng (TLM- Top Loaded Monopole). Máy phát khi được ghép nối với hệ thống anten thích hợp sẽ tạo và phát ra tín hiệu eLoran. Máy phát và thiết bị điện tử điều khiển lắp đặt trong tòa nhà hoặc nơi trú ẩn thiết bị tiêu chuẩn có HVAC dự phòng và tùy thuộc vào mã cục bộ có thể cần hệ thống phát hiện cháy và/hoặc dập lửa. Trạm cũng cần kết nối internet an toàn (~ 200 Kbps) để điều khiển hệ thống và nhận dữ liệu khác biệt từ các vị trí của trạm tham chiếu. 4.2. Trạm tham chiếu vi sai Trạm tham chiếu cũng cần một kết nối an toàn để cung cấp khả năng điều khiển và giám sát từ xa của thiết bị trạm tham chiếu và gửi dữ liệu điều chỉnh vi sai đến trạm máy phát (Hình 21). Các máy thu được sử dụng tại các địa điểm này giám sát các tín hiệu eLoran và cung cấp thông tin thời gian thực cho các trung tâm điều khiển về các tín hiệu trong không gian. Người dùng được thông báo ngay lập tức nếu phát hiện bất kỳ điều Hình 20. Trạm tham chiếu vi sai PeLS gì bất thường. 4.3. Hệ thống điều khiển giám sát Hệ thống kiểm soát và giám sát (MCS) hoạt động của máy phát và thiết lập trạng thái tại từng vị trí của máy phát, thiết lập trạng thái tại mỗi trạm tham chiếu eLoran khác biệt. MCS theo dõi tình trạng của thiết bị đặt tại các trạm phát, các trạm tham chiếu và cung cấp khả năng điều khiển thiết bị tại các địa điểm này trong trường hợp lỗi hoặc lỗi thiết bị. MCS cũng cần một kết nối internet an toàn để cung cấp khả năng điều khiển và giám sát từ xa các trạm phát và các trạm tham chiếu. 5. Đề xuất triển khai PeLS tại Việt Nam Ở Việt Nam, công nghệ eLORAN vẫn còn mới mẻ chưa được nghiên cứu ứng dụng nhiều. Trong quân sự, việc đảm bảo yếu tố bí mật và duy trì hoạt động liên tục đối với các phương tiện, thiết bị có ứng dụng 1005
công nghệ định vị là rất cần thiết và quan trọng, đặc biệt đối với các hoạt động định vị dẫn đường trên không, trên biển và trên đất liền. Vì vậy cần thiết nghiên cứu giải quyết bài toán định vị đối với các phương tiện, thiết bị quân sự trong trường hợp không thu được tín hiệu vệ tinh. Các trạm phát được triển khai xây dựng trải dài trên cả nước. Căn cứ vào tình hình thực tế, nhóm nghiên cứu đề xuất phương án triển khai có thể thực hiện theo 03 giai đoạn: - Giai đoạn 1: Thiết kế xây dựng 03 trạm phát và 15 trạm tham chiếu được xây dựng sẽ bao phủ toàn bộ Miền Bắc và cung cấp khả năng điều khiển giám sát cho hạ tầng hệ thống cùng với việc cung cấp dịch vụ cho Quân đội. Hình 21. Tính toán giả định vùng phủ giai đoạn 1 Hình 22. Cường độ tín hiệu mô phỏng giả định giai đoạn 1 - Giai đoạn 2: Mở rộng triển khai hệ thống ở khu vực miền Trung Việt Nam (bao gồm 02 trạm phát và 05 trạm tham chiếu). - Giai đoạn 3: Thiết lập dịch vụ đến phần phía Nam để hoàn thiện hệ thống, bao phủ cả nước và toàn bộ vùng biển thuộc kiểm soát của Việt Nam (triển khai thêm 03 trạm phát và 05 trạm tham chiếu). Trong các giai đoạn, việc thực hiện đầu tư bao gồm: - Xây dựng mới toàn bộ các trạm phát; - Cải tạo và sửa chữa hạ tầng trạm giám sát điều khiển, đầu tư mới trang thiết bị; - Đối với các trạm tham chiếu có 02 lựa chọn tùy thuộc vào vị trí chỉ định: + Đầu tư mới ở các vị chí chiến lược; + Nâng cấp cải tạo các trạm viễn thông, tháp phát thanh truyền hình đủ tiêu chuẩn và trang bị thiết bị mới. 1006
Hình 23. Tính toán giả định vùng phủ giai đoạn 2 Hình 24. Tính toán giả định vùng phủ giai đoạ 6. Kết luận Hiện nay, chỉ một số nước trên thế giới có tiềm lực kinh tế và trình độ khoa học công nghệ phát triển hoặc có vị trí địa chính trị phức tạp trong bảo vệ chủ quyền an ninh đất nước, thường xuyên bị gây nhiễu tín hiệu định vị vệ tinh mới nghiên cứu phát triển đưa vào ứng dụng cung cấp tín hiệu độc lập hoàn toàn thay thế cho tín hiệu định vị vệ tinh. Qua kết quả nghiên cứu, có thể thấy eLoran có khả năng khắc phục những điểm yếu của GPS/GNSS là nhiễu và giả mạo. Kết quả triển khai giải pháp eLoran trên một số quốc gia cho thấy độ chính xác của eLoran là khá tốt tuy không thể chính xác như GPS/GNSS (2-5m) nhưng rất khả quan. Nên xét về chất lượng và bảo mật so với GPS/GNSS, eLoran là giải pháp mang lại rất nhiều lợi ích đặc biệt trong lĩnh vực an ninh quốc phòng. Trong những năm gần đây eLoran vẫn tiếp tục phát triển và nghiên cứu chuyên sâu hơn để cải thiện độ chính xác cũng như tăng tính bảo mật của hệ thống. PeLS sẽ còn khó gây nhiễu và hầu như không thể giả mạo hơn so với eLoran, nếu không biết khóa mã hóa truyền dẫn (Transmission Encryption Key-TEK) chỉ được phân phối cho người dùng được xác thực thông qua khóa mã hóa dữ liệu kênh dữ liệu Loran (Data Channel Data Encryption Key-DEK). PeLS là giải pháp tiềm năng mang lại nhiều lợi ích không chỉ trong lĩnh vực dân sự mà nó còn đảm bảo các yêu tố khắt khe trong quân sự đặc biệt an toàn thông tin trong lĩnh vực an ninh quốc phòng cần được nghiên cứu. PeLS sẽ cung cấp một kênh dữ liệu mới an toàn và rất mạnh mẽ để phát các thông báo khẩn cấp ngắn tới các nhà điều hành quân sự cụ thể hoặc những người ứng cứu đầu tiên của quốc gia khác. Việc phân đoạn khả năng nhắn tin này đảm bảo chỉ một nhóm hoặc tổ chức người dùng nhất định sẽ nhận được tin nhắn. Tài liệu tham khảo AIR NAVIGATION SERVICES NEWS, 25 March 2022. Iran-U.S. RQ-170 incident - Wikipedia. http://edesgroup.com/CNM-GBAS.html. Thousands using GPS jammers on UK roads pose risks, say experts | GPS | The Guardian. Sổ tay hàng hải. eLORAN a terrestrial alternative to GPS (microcontrollertips.com). Enhanced Loran (eLoran). Gerard Offermans, Erik Johannessen, Stephen Bartlett, Charles Schue, Andrei Grebnev, UrsaNav, Martin Bransby, Paul Williams, Chris Hargreaves, General Lighthouse Authorities, 2015,eLoran Initial Operational Capability in the United Kingdom-First results. 1007
Joon Hyo Rhee, SangHuyn Kim, Pyo Woong Son and Jiwon Seo, 2021, Enhanced Accuracy Simulator for future Korean Nationwide eLoran System. Resiliency in PNT: GPS/GNSS Jamming and Spoofing-Orolia. Alexander Ruegamer and Dirk Kowalewski (Germany), Jamming and Spoofing of GNSS Signals-An Underestimated Risk, 2015. ABSTRACT Research the possibility of deploying eLORAN solution in Vietnam Kim Xuan Bach1, *, Nguyen Van Dong1, Dang Huy Toan2 1 Mapping department / General Staff/ Ministry of Defence 2 Zodiac investment corporation Nowaday, the global navigation satellite system (GNSS/GPS) and localization technologies have become compact and highly efficient. Although GNSS/GPS has been shown to be jammed due to weak signal strength and most GNSS/GPS applications are snoop-able. Compared with GNSS/GPS, eLORAN has better anti-jamming ability and is recommended as an alternative solution. The report presents the results of deployment of ground positioning technology solutions (eLORAN) in some countries and proposes to study the possibility of deploying eLORAN solutions for Security and Defense in the Vietnam territory by calculating, simulating process and proposing research in future. Keywords: jamming, snooping, eLORAN, PeLS, TEK, DEK and GPS/GNSS 1008