Xây dựng thuật toán hỗ trợ dẫn đường cho phi công máy bay Iak-52 trên cơ sở sử dụng hệ thống TSB-Iak

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> XÂY DỰNG THUẬT TOÁN HỖ TRỢ DẪN ĐƯỜNG<br /> CHO PHI CÔNG MÁY BAY IAK-52<br /> TRÊN CƠ SỞ SỬ DỤNG HỆ THỐNG TSB-IAK<br /> Lê Huy Phong*<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày các thuật toán hỗ trợ dẫn đường cho phi công máy<br /> bay Iak-52. Đó là thuật toán xác định các chỉ lệnh điều khiển trên màn hình đa<br /> năng của hệ thống TSB-Iak, hỗ trợ phi công điều khiển máy bay ở chế độ bán tự<br /> động bay theo hành trình đặt trước hoặc bay về sân bay hạ cánh.<br /> Từ khóa: Máy bay Iak-52; Hệ thống tham số bay; Bay hành trình.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Máy bay huấn luyện Iak-52 là máy bay sơ cấp với các hệ thống đồng hồ đo và chỉ thị<br /> tham số bay kiểu cũ, không được trang bị các tổ hợp lái - dẫn đường hiện đại, không có<br /> khả năng hỗ trợ dẫn đường cho phi công [1,2,3]. Vì vậy có thể ứng dụng các hệ thống đo<br /> và hiển thị các tham số dẫn đường bay kiểu mới (hệ thống TSB-Iak) để thay thế các đồng<br /> hồ kiểu cũ và bổ sung thêm tính năng hỗ trợ phi công thực hiện các thao tác dẫn đường<br /> như bay theo hành trình đặt trước, bay về sân bay hạ cánh từ bất kì vị trí nào trong không<br /> vực hoạt động của máy bay.<br /> 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TSB-IAK<br /> Hệ thống TSB-Iak dùng để đo và hiển thị các tham số dẫn đường, tham số bay, tham<br /> số động cơ của máy bay như: góc nghiêng; góc chúc ngóc; góc hướng; góc hướng về đài<br /> dẫn đường; cự ly về sân bay cất hạ cánh; góc hướng và cự ly tới đích; độ cao khí áp; tốc<br /> độ; tốc độ lên xuống; tốc độ lượn vòng; quá tải đứng; vị trí của máy bay; thời gian bay; tốc<br /> độ vòng quay động cơ; nhiệt độ đầu xi lanh động cơ; áp suất dầu nhờn; áp suất nhiên liệu;<br /> nhiệt độ dầu nhờn.<br /> Các tham số trên được hiển thị trên màn hình máy tính đặt ở buồng lái sau của máy<br /> bay (xem Hình 1).<br /> <br /> 1<br /> 2<br /> 3<br /> <br /> <br /> 4<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Bảng đồng hồ buồng lái sau máy bay Iak-52.<br /> Trong đó:<br /> 1 – Máy tính và màn hình của hệ thống TSB-Iak;<br /> 2 - Đồng hồ tốc độ;<br /> 3 – Máy chỉ góc nghiêng, góc chúc ngóc của hệ thống АГД-1;<br /> 4 - Đồng hồ độ cao.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 21<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> Hệ thống TSB-Iak có sơ đồ chức năng được thể hiện trên Hình 2. Hệ thống gồm có 4<br /> khối thiết bị thành phần: Khối truyền cảm tổng hợp (TC-TH), khối máy tính – màn hình<br /> (MT-MH), khối kết nối tổng hợp (KN-TH) và khối truyền cảm khí áp (TC-KA) [4]. Ở<br /> chế độ hoạt động độc lập, hệ thống sử dụng thông tin từ khối TC-TH là một hệ thống<br /> dẫn đường quán tính kết hợp GPS. Khối TC-TH cung cấp đầy đủ các tham số bay cơ bản<br /> như các góc nghiêng, chúc ngóc, hướng bay, các thành phần tốc độ góc, các thành phần<br /> gia tốc chuyển động tịnh tiến theo các trục của hệ tọa độ liên kết với máy bay, các thành<br /> phần tốc độ dài, vị trí của máy bay, độ cao bay. Ở chế độ làm việc phối hợp, hệ thống<br /> TSB-Iak có thể nhận, chuyển đổi thông tin từ các hệ thống, các truyền cảm trên máy bay<br /> thông qua khối KN-TH. Nhờ vậy hệ thống có thể đo và hiển thị đầy đủ tất cả các thông<br /> tin cần thiết cho phi công và về nguyên tắc, có thể thay thế tất cả các đồng hồ kiểu cũ<br /> trên bảng đồng hồ.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ khối chức năng hệ thống TSB-Iak.<br /> Điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống là khối MT-MH. Khối MT-MH thực hiện<br /> các chức năng thu thập, xử lý, lưu trữ, hiển thị thông tin. Ngoài ra, khối MT-MH cũng<br /> thực hiện các thuật toán hỗ trợ dẫn đường cho phi công, các thuật toán xác định tham số<br /> giới hạn, cảnh báo cho phi công trong chuyến bay. Với máy tính và màn hình hiển thị, hệ<br /> thống TSB-Iak cho phép phi công có thể lựa chọn các chế độ, các tham số hiển thị một<br /> cách linh hoạt. Những tính năng đó cho phép nâng cao chất lượng của hệ thống đồng hồ,<br /> nâng cao an toàn và hiệu quả thực hiện các nhiệm vụ bay.<br /> 3. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN HỖ TRỢ PHI CÔNG BAY<br /> THEO HÀNH TRÌNH ĐẶT TRƯỚC TRÊN CƠ SỞ<br /> XỬ LÝ THÔNG TIN CỦA HỆ THỐNG TSB-IAK<br /> Như đã trình bày trong Mục 2, hệ thống TSB-Iak liên tục cung cấp các tham số: kinh<br /> độ (λ), vĩ độ (φ), độ cao (H), hướng bay (ψ), tốc độ theo hướng bắc (VN), tốc độ theo<br /> <br /> <br /> 22 Lê Huy Phong, “Xây dựng thuật toán hỗ trợ dẫn đường … sử dụng hệ thống TSB-Iak.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> hướng đông (VE) của máy bay. Trên cơ sở các tham số này sẽ xây dựng thuật toán tính<br /> toán các tín hiệu hỗ trợ cho phi công trong quá trình điều khiển máy bay.<br /> Bay theo hành trình đặt trước thực chất là quá trình bay qua các điểm trung gian có tọa<br /> độ cho trước trên bề mặt trái đất (các điểm PPM) [5,6]. Nói chung, quá trình này bao gồm<br /> hai giai đoạn: giai đoạn dẫn máy bay về một điểm PPM và giai đoạn chuyển tiếp khi bay<br /> qua điểm PPM đó.<br /> Việc dẫn máy bay về một điểm PPM có thể thực hiện theo hai cách: theo hành trình và<br /> theo đường bay thẳng. Khi dẫn theo hành trình, các tham số cần xác định là: độ lệch cạnh<br /> (Z) của máy bay so với đường đoản trình thành phần; tốc độ thay đổi của độ lệch cạnh<br /> ( Z ); khoảng cách (S) từ điểm chiếu của máy bay vào đường đoản trình tới điểm PPM.<br /> Khi dẫn theo đường bay thẳng, các tham số cần xác định là: khoảng cách ( D Z ) từ máy<br /> bay tới điểm PPM; góc ( q Z ) hợp bởi véc tơ tốc độ hành trình và đường nối máy bay -<br /> điểm PPM (xem Hình 3).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Các tham số của máy bay theo đường đoản trình.<br /> Khi dẫn theo hành trình, trước hết cần xác định các tham số của đường đoản trình thành<br /> phần nối hai điểm hành trình PPMi và PPMi+1.<br /> Giả sử tọa độ địa lý (kinh độ, vĩ độ) của các điểm PPMi và PPMi+1 lần lượt là λi, φi và<br /> λi+1, φi+1 và ΨZ = ПZ (xem Hình 4a) khi đó, các tham số của đường đoản trình thành phần<br /> PPMi – PPMi+1 là:<br /> - Góc phương vị của điểm hành trình PPMi+1 so với điểm PPMi:<br /> B1<br />  Z  arctg , 1<br /> B2<br /> trong đó:<br /> <br /> B1  sin  90 i1  sin  i1  i   sin DZ sin Z ;<br /> <br /> B2  cos  90 i1  sin  90 i   sin  90 i1  cos  90 i  cos  i1  i   sin DZ cos Z .<br /> - Kinh độ địa lý (λORT) của điểm giao nhau giữa đường đoản trình và đường xích đạo<br /> địa lý và vĩ độ địa lý (φB) của điểm cao nhất trên đường đoản trình (Hình 4b) được tính<br /> theo các công thức (2) và (3):<br /> B<br /> ORT  arctg 2 ;  2<br /> B3<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 23<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> B22  B32<br />  B  arctg ,  3<br /> B1<br /> trong đó:<br /> B1  sin 180  Z  sin  90  i   sin  90  G  sin G  sin 90 sin  90  B   cos B ;<br /> B2  cos 180  Z  sin i  sin 180  Z  cos i cos  90  i   cos  90  G  sin G <br /> cos  90  B  sin ORT  sin  90  B  cos ORT cos90  sin B sin ORT ;<br /> B3   cos 180  Z  cos i  sin 180  Z  sin i cos  90  i   cos G <br />  cos  90  B  cos ORT  sin  90  B  sin ORT cos90  sin B cos ORT .<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Biểu diễn quỹ đạo bay hành trình theo bề mặt trái đất.<br /> - Góc lệch giữa kinh tuyến địa lý và kinh tuyến đoản trình (Hình 4c):<br /> B1<br />  i  arctg ,  4<br /> B2<br /> trong đó:<br /> B1  sin B sin  ORT  90  i   sin  90    sin i ;<br /> B2  cos B sin  90  i   sin B cos  90  i  cos  ORT  90  i   sin  90    cos i ;<br /> <br /> <br /> <br /> 24 Lê Huy Phong, “Xây dựng thuật toán hỗ trợ dẫn đường … sử dụng hệ thống TSB-Iak.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Giả sử tọa độ địa lý (kinh, vĩ độ) của máy bay là λ, φ, khi đó, các tọa độ đoản trình của<br /> máy bay (xem Hình 4d):<br />  B 2  B32<br />   90  arctg 1 ;<br />  B2<br />  (5)<br />    arctg B3 ,<br />  B1<br /> <br /> trong đó:<br /> B1  sin  90   sin    ORT  90   sin  90    sin  90    ;<br /> B2  cos  90   cosB  sin  90   sin B cos    ORT  90   cos  90    ;<br /> B3  cos  90   sin B  sin  90   cosB cos    ORT  90   sin  90    cos  90    ;<br /> Từ các tọa độ đoản trình, có thể xác định độ lệch cạnh Z và cự ly tới điểm hành trình:<br /> Z   ;  6<br /> S     PPM    ;<br /> trong đó: ρ - khoảng cách từ tâm trái đất tới trọng tâm máy bay.<br /> Để hỗ trợ cho phi công, trên màn hình hiển thị của hệ thống TSB-Iak cần hiển thị độ<br /> lệch cạnh Z ở dạng vạch chỉ vị trí của máy bay so với đường đoản trình (vạch số 1 Hình<br /> 5). Khi máy bay ở bên phải đường đoản trình, vạch chỉ vị trí dịch chuyển sang trái so với<br /> vòng tròn trung tâm, khi máy bay ở bên trái, vạch chỉ chuyển sang phải (xem Hình 5);<br /> Ngoài ra, cần hiển thị góc nghiêng đặt trước ở dạng kim chỉ lệnh điều khiển theo kênh<br /> nghiêng (kim 4 Hình 5). Khi kim lệnh nghiêng sang trái so với vòng tròn trung tâm, phi<br /> công cần điều khiển máy bay nghiêng trái cho tới khi kim lệnh trở về vị trí trung lập.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Vị trí các vạch chỉ lệch và kim chỉ lệnh trên đồng hồ hệ thống TSB-Iak.<br /> Khi máy bay nằm trong “vùng bay thẳng” là hành lang rộng 2km về hai phía của<br /> đường đoản trình ( Z  2km ), tín hiệu góc nghiêng đặt trước (  ZAD ) được xác định theo<br /> công thức:<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 25<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> 1  <br /> <br />  ZAD  K<br />  1 Z  K 2 Z  (7)<br /> 2 p 1  <br />  V khi V  50 m / s;<br /> với: Z <br /> 50 SignV  khi V  50 m / s.<br /> trong đó: p- toán tử Laplace;<br /> K1,K2- Các hệ số tỷ lệ;<br /> Vδ – thành phần của tốc độ bay theo trục δ của hệ tọa độ đoản trình.<br /> <br /> Khi máy bay nằm ngoài "vùng bay thẳng", việc dẫn máy bay về điểm hành trình cho<br /> trước được bắt đầu bằng việc vòng máy bay về "vùng bay thẳng" theo đường ngắn nhất.<br /> Nếu khoảng cách từ máy bay tới đường đoản trình thành phần Z  R  1.9 km, quỹ<br /> đạo vòng sẽ bao gồm hai đoạn (xem Hình 6):<br /> - Đoạn 1 vuông góc với đường đoản trình;<br /> - Đoạn 2 vòng góc 900.<br /> Nếu khoảng cách từ máy bay tới đường đoản trình thành phần 2  Z  R  1.9 km,<br /> quỹ đạo vòng sẽ bao gồm một đoạn với góc nghiêng 300.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Cơ động vào vùng bay thẳng.<br /> 0<br /> Khi đó, nếu δ00, hướng đoản trình đặt trước cho máy bay là:  OZ  180    H ;<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 26 Lê Huy Phong, “Xây dựng thuật toán hỗ trợ dẫn đường … sử dụng hệ thống TSB-Iak.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Góc nghiêng đặt trước, trong trường hợp máy bay nằm ngoài "vùng bay thẳng" được<br /> xác định theo công thức:<br /> 1  <br /> <br />  ZAD   0  K2 Z  ; (9)<br /> 2 p 1 <br /> <br /> Tín hiệu Z lúc này được xác định theo công thức:<br />  W sin q Z khi W sin q Z  50 m / s;<br /> Z <br /> 50 SignV  khi W sin q Z  50 m / s.<br /> V<br /> qZ   OZ  0  TR ;  0    i ; TR  arctg E  .<br /> VN<br /> Khi dẫn máy bay theo đường bay thẳng, cần xác định hai tham số: góc q Z và khoảng<br /> cách DZ từ máy bay về điểm PPM. Ta có:<br />  B1<br />  qZ   Z   TR  arctg B   TR ;<br />  2<br />  2 2<br /> (10)<br />  D   D   arctg B1  B2 ,<br />  Z Z<br /> B3<br /> <br /> <br /> B1  sin  90 i1  sin  i1     sin DZ sin Z ;<br /> <br /> B2  cos  90 i1  sin  90    sin  90 i1  cos  90   cos  i1     sin DZ cos Z ;<br /> <br /> B3  cos  90 i1  cos  90    sin  90 i1  sin  90   cos  i1     cos DZ .<br /> <br /> Góc q Z được thể hiện bằng kim chỉ hướng đặt trước còn khoảng cách DZ được thể<br /> hiện bởi chỉ số cự ly trên màn hình (Hình 7). Khi đó, phi công điều khiển máy bay về<br /> hướng đặt trước để bay thẳng tới điểm PPM và khi cự ly tiến đến 0 là lúc máy bay bay qua<br /> điểm đó.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Góc hướng đặt trước và cự ly tới điểm hành trình.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 27<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> Khi máy bay bay qua điểm PPMi+1 một khoảng 2km sẽ bắt đầu giai đoạn chuyển tiếp<br /> tới điểm hành trình tiếp theo. Trong giai đoạn này, máy bay được dẫn theo đường bay<br /> thẳng tới điểm hành trình PPMi+2 (Hình 8).<br /> Góc q Z và khoảng cách DZ được tính theo công thức (10) khi thay λi+1, φi+1 bằng λi+2,<br /> φi+2. Ngoài việc điều khiển máy bay theo kim chỉ góc hướng đặt trước, phi công cũng có<br /> thể điều khiển theo kim chỉ lệnh góc nghiêng. Góc nghiêng đặt trước được tính theo công<br /> thức (9) trong đó:<br />  <br /> W sin qZ khi W sin qZ  50 m / s và qZ  45 or qZ  315 ; <br /> Z  (11)<br /> 50 SignV  khi W sin qZ  50 m / s or 45  qZ  315 .<br />  <br /> <br /> <br /> Việc điều khiển theo kim chỉ hướng đặt trước hoặc theo kim chỉ lệnh góc nghiêng sẽ<br /> bảo đảm đưa máy bay vòng về phía điểm PPMi+2. Khi thỏa mãn điều kiện sẽ kết thúc giai<br /> đoạn chuyển tiếp. Máy bay nằm trong "vùng tuyến tính" của đường đoản trình cơ bản nối<br /> điểm cố định là vị trí của máy bay (λCĐ, φCĐ ) khi thỏa mãn điều kiện (12) và điểm PPMi+2<br /> (λi+2, φi+2 ).<br /> 0  qZ  5 hoặc 355  qZ  360 (12)<br /> Việc dẫn máy bay trong vùng này được thực hiện theo các công thức từ (1) đến (7) với<br /> sự thay thế λi+1, φi+1 bằng λi+2, φi+2; λi, φi bằng λCĐ, φCĐ .<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Dẫn máy bay trong vùng chuyển tiếp<br /> Các giai đoạn dẫn máy bay theo hành trình được thực hiện lần lượt từ điểm hành trình<br /> ban đầu tới điểm hành trình cuối cùng. Sau đó là giai đoạn dẫn máy bay về sân bay hạ<br /> cánh.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> <br /> TSB-Iak là hệ thống đo và hiển thị các tham số bay kiểu mới, có khả năng đo và hiển<br /> thị đầy đủ các tham số dẫn đường, tham số bay, tham số động cơ. Trên cơ sở các tham số<br /> đo được, sử dụng máy tính trên khoang thực hiện các thuật toán đã trình bày, xác định các<br /> chỉ lệnh điều khiển (thể hiện trên màn hình đa năng) cho phi công, có thể bổ sung thêm<br /> chức năng mới, hiện đại hơn cho hệ thống, hỗ trợ phi công trong quá trình thực hiện<br /> chuyến bay. Một trong số các chức năng đó là giúp phi công thực hiện các thao tác dẫn<br /> <br /> <br /> <br /> 28 Lê Huy Phong, “Xây dựng thuật toán hỗ trợ dẫn đường … sử dụng hệ thống TSB-Iak.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> đường, điều khiển bay hành trình, bay về sân bay hạ cánh, từ đó nâng cao chất lượng, hiệu<br /> quả và mức độ an toàn bay cho máy bay Iak-52.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Техническое описание: Учебно- тренировочный спортивный самолет Як-52,<br /> Москва «ПАТРИОТ»,1991. 159с.<br /> [2]. Самолёт IAK-52. Книга 3. Авиационное оборудование.<br /> [3]. Техническое описание: Авиационное и радиоэлектронное оборудование самолета<br /> Як-52, Москва «ПАТРИОТ»,1990. 30с.<br /> [4]. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống đo và hiển thị các tham số dẫn đường, tham số<br /> bay cho máy bay Iak-52 trên cơ sở hoàn thiện công nghệ đã áp dụng cho trực thăng<br /> họ Mi. Viện kỹ thuật PK-KQ. 2016, 114 trang.<br /> [5]. Giáo trình huấn luyện phi công Iak-52, NXB Quân đội nhân dân, Hà Nội – 2007 – 383<br /> trang.<br /> [6]. А. М. Белкин Воздушная навигация: Справодчник. М.: Транспорт. 1988. -303с.<br /> ABSTRACT<br /> BUILDING ALGORITHMS TO SUPPORT FOR IAK-52 PILOTS<br /> IN NAVIGATION BY APPLYING THE TSB-Iak SYSTEM<br /> The paper presents algorithms to support for Iak-52 pilots in navigation by using<br /> the TSB-Iak system. Those are algorithms which control command bars on<br /> multifunctional screen of the TSB Iak system. These command bars guide pilots in<br /> direct modes which navigate aircraft to a preset course or a destination airport.<br /> Keywords: Iak-52 aircraft; Flight data system; Tracking the course.<br /> <br /> Nhận bài ngày 09 tháng 10 năm 2018<br /> Hoàn thiện ngày 10 tháng 11 năm 2018<br /> Chấp nhận đăng ngày 11 tháng 12 năm 2018<br /> <br /> <br /> Địa chỉ: Viện Kỹ thuật PK-KQ.<br /> *<br /> Email: lehuyphong1965@yahoo.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 29<br />