Nghiên cứu hệ thống ADS-B và xử lý tín hiệu tại Sân bay Barcelona

Phạm Tiến Dũng Thu và xử lý tín hiệu ADS-B MỞ ĐẦU Hệ thống giám sát phụ thuộc tự động - quảng bá (ADS-B) là một trong những cải tiến quan trọng nhất của hệ thống radar được sử dụng để trao đổi thông tin trạng thái trực tiếp giữa các máy bay. Đề tài bao gồm nghiên cứu về tín hiệu ADS-B nhận được từ sân bay Barcelona. Thiết bị giá rẻ RTL-SDR được sử dụng để thu tín hiệu và sau đó được Matlab xử lý. Thông qua việc thực hiện bản demo Matlab, những thông tin này có thể được rút ra, ví dụ, độ cao, vị trí, vận tốc, nhận dạng máy bay, v.

Những thông tin này trong chuyến bay thường được hiển thị trên buồng lái, để nâng cao nhận thức của phi công về tình trạng và độ an toàn của chuyến bay. Thông qua Simulink, phổ của tín hiệu ADS-B có thể thu được và được nghiên cứu. Việc thu tín hiệu được thực hiện ở những nơi khác nhau để xem ảnh hưởng của khoảng cách đến quá trình nhận tín hiệu. Đề tài được tổ chức theo cấu trúc như sau: trước tiên, có một cái nhìn tổng quan về hệ thống ADS-B trên thế giới.

Chương thứ hai nói về nền tảng của hệ thống ADS-B và nghiên cứu sâu hơn về nó. Sau đó, nghiên cứu về tín hiệu thu được của RTL-SDR. Các nghiên cứu về không lưu được theo sau các nghiên cứu về tín hiệu. Ở phần cuối cùng, kết luận được trình bày.

1 Phạm Tiến Dũng Thu và xử lý tín hiệu ADS-B Chương 1. Tổng quan Với sự phát triển chưa từng có trong lĩnh vực hàng không, việc giám sát radar truyền thống là không đủ để đáp ứng nhu cầu kiểm soát không lưu cho cả quân sự và hàng không dân dụng. Xung đột về nhu cầu đối với tài nguyên không phận với sự thiếu hụt tài nguyên không phận sẵn có ngày càng nghiêm trọng, phương pháp giám sát mới là cần thiết. Cho đến nay, ADS-B (Giám sát phụ thuộc tự động - quảng bá) được coi là sự thay thế an toàn và hiệu quả hơn cho radar trong ngành hàng không.

Đây là một giám sát trên không dựa trên GPS và thông tin liên kết dữ liệu không đối không (A/A), không đối đất (A/G). Được tích hợp với các công nghệ khác, tối đa công suất của ATC, và đặc biệt, bù đắp cho sự thiếu hụt trong các hệ thống radar tại sân bay. Thông qua công nghệ ADS-B có thể cải thiện nhận thức về tình trạngkhông lưu của phi công và tăng sự an toàn hàng không. So với hệ thống giám sát radar, ADS-B có thể cung cấp dữ liệu chính xác cao hơn và tốc độ cập nhật dữ liệu nhanh hơn.

Phi công có thể thấy vị trí của máy bay liền kề và các thông tin khác như đích bay, vận tốc, góc chỉ hướng và cập nhật thời tiết thông qua CDTI (Hiển thị thông tin không lưu trên buồng lái), duy trì phân cách an toàn ngay cả giảm khoảng phân cách. Điều này cho thấy loại công nghệ này cho phép tình trạng có thể có chuyến bay tự do và có thể làm giảm công việc của ATC nếu phi công nhận ra được tình trạngxung quanh. Bằng cách sử dụng hệ thống ADS-B có thể thực hiện việc theo dõi trong thời gian thực đối với các mục tiêu máy bay dù đang trong chuyến bay hay trên mặt đất, máy bay thực hiện giám sát và cảnh báo tự động, tránh khoảng cách nguy hiểm và giúp giảm khoảng cách giữa máy bay. Do đó, đạt được tăng mật độ bay và tăng khả năng sử dụng không phận và sân bay.

Từ đó, nâng cao mức độ quản lý của ATC để đảm bảo an toàn cho chuyến bay. Cho đến nay, hầu hết các hãng hàng không đã bắt đầu trang bị cho đội bay của họ các bộ tiếp sóng ADS-B để sẵn sàng khi công nghệ trở nên bắt buộc. Ở châu Âu, vào 2 Phạm Tiến Dũng Thu và xử lý tín hiệu ADS-B đầu tháng 6 năm 2020, việc cài đặt ADS-B là bắt buộc, cũng như ở Mỹ, vào đầu năm 2020, bất cứ nơi nào bộ phát đáp Mode C được yêu cầu [1]. Mục tiêu nghiên cứu Mục đích của đề tài này là nghiên cứu hệ thống ADS-B, bằng cách sử dụng máy thu RTL-SDR có khả năng nhận tín hiệu ADS-B từ Sân bay Barcelona giữa máy bay với máy bay và giữa máy bay với trạm mặt đất.

Công việc bao gồm phát triển một phần mềm dựa trên bản demo do Matlab cung cấp, để thu và phân tích tín hiệu và kiểm tra một số khía cạnh của không lưu. Phương pháp Phần mềm Matlab và máy thu RTL-SDR là các công cụ chính được sử dụng trong đề tài này để đạt được mục tiêu. RTL-SDR với bộ điều chỉnh R820T2 đang được thiết lập như một radar không gian ADS-B để có hiệu suất tốt nhất ở 1090 MHz, do nó có độ nhạy tốt nhất ở tần số này. Cần có ăng ten phân cực đứng được điều chỉnh đến 1090 MHz để nhận tín hiệu.

Và Matlab là phần mềm được chọn để nhận và giải mã tín hiệu ADS-B. Công việc thực hiện được trình bày như mô tả sau: + Chương đầu tiên là giới thiệu toàn bộ đề tài bao gồm: tổng quan về đề tài, mục đích và đối tượng của công việc. + Chương tiếp theo là phần đánh giá tài liệu về hệ thống ADS-B, chương này nói về nền tảng của ADS-B, việc triển khai, dịch vụ, lợi ích, v. + Chương sau đó là một nghiên cứu về tín hiệu ADS-B thu được và so sánh đặc tính của nó ở những nơi khác nhau.

+ Chương áp chót là phân tích không lưu dựa trên thông tin thu được. + Chương cuối cùng là một kết luận của đề tài. 3 Phạm Tiến Dũng Thu và xử lý tín hiệu ADS-B Chương 2. TỔNG QUAN HỆ THỐNG ADS-B 2.

Cơ sở ADS-B là một công nghệ giám sát mới được thiết kế để giúp hiện đại hóa hệ thống giao thông hàng không. Nó cung cấp công nghệ nền tảng cho việc cải tiến có liên quan đến NextGen và SESAR. Cả hai đều là những dự án giống nhau mà mục tiêu của chúng là thay đổi hệ thống ATC để hỗ trợ số lượng máy bay lớn hơn hiệu quả hơn. Kiểm soát không lưu (ATC) và radar lần đầu tiên được sử dụng cùng nhau vào năm 1943 khi các kiểm soát viên không lưu của không quân bắt đầu sử dụng thiết bị tiếp cậnđược kiểm soát từ mặt đất GCA (Ground Controlled Approach) để giúp phi công quân sự hạ cánh an toàn trong tầm nhìn kém.

Và hai năm sau, lần đầu tiên nó được sử dụng trong hàng không dân dụng tại sân bay La Guardia. Sau đó, nó được thay thế bởi hệ thống hạ cánh bằng thiết bị ILS (Instrument Landing System) vào giữa những năm 1950. Nhiều thay đổi trong radar đã được phát triển cùng với sự gia tăng lưu lượng hàng không trong suốt những năm 1960. Các radar hiện đại sử dụng hiệu ứng Doppler để phân biệt giữa các mục tiêu di chuyển và đứng yên để đo tốc độ bão.

Vào những năm 1970, Hệ thống dẫn đường Radar kiểm soát không lưu ATCRBS (Air Traffic Control Radar Beacon System), còn được gọi là Radar giám sát thứ cấp SSR (Secondary Surveillance Radar), đã được nâng cấp để cải thiện hiệu suất giám sát trong không phận dày đặc và truyền tín hiệu giữa mặt đất và máy bay.Vào những năm 1980, hệ thống giám sát không đối không đầu tiên đã được phát triển, hệ thống tránh va chạm trên không ACAS (Airborne Collision Avoidance System), được yêu cầu trên tất cả các máy bay thương mại hoạt động ở Hoa Kỳ và Châu Âu. Trong những năm 1990, radar giám sát đường băng và đường lăn đã được thêm vào. Công nghệ giám sát tiếp theo được đưa ra sau ACAS là hệ thống tránh va chạm giao thông, như tên gọi của nó, nó giúp phát hiện các xung đột không phận tiềm ẩn. Và gần đây, ADS-B đã được phát triển để phát vị trí và vận tốc của máy bay theo 3 chiều cho các máy bay khác thông qua một hướng truyền dữ liệu không đối không và đến các trạm mặt đất thông qua một hướng truyền dữ liệu không đối đất [2].

4 Phạm Tiến Dũng Thu và xử lý tín hiệu ADS-B 2. Định nghĩa ADS-B  A (Tự động): Không cần hoạt động của con người hoặc tín hiệu hỏi bên ngoài, nó có thể tự động và định kỳ (ít nhất một lần mỗi giây) truyền thông tin về vị trí và vận tốc.  D (Phụ thuộc): Chức năng theo đúng nghĩa liên quan đến việc truyền thông tin và thiết bị trên máy bay.  S (Giám sát): Giám sátvị trí máy bay, độ cao, vận tốc, hướng bay, số nhận dạng và thông tin khác.

 B (Quảng bá): Không dành riêng cho một thiết bị sử dụng nào, thông tin của ADS-B được phát đến tất cả các máy bay và trạm mặt đất cài đặt máy thu ADS-B. Nguyên lý hoạt động Thông tin chính của ADS-B là thông tin vị trí máy bay (kinh độ, vĩ độ, độ cao và thời gian), thông tin bổ sung khác (thông tin cảnh báo xung đột, thông tin đầu vào điều khiển, góc đường bay, điểm rẽ, v.) và thông tin máy bay (số nhận dạng và thể loại). Hơn nữa, một thông tin như hướng bay, tốc độ máy bay, tốc độ gió, hướng gió và nhiệt độ bên ngoài cũng được truyền đi. Thông tin này có thể thu được bởi thiết bị như GNSS, INS, TRS, FMS và các cảm biến khác trên máy bay (ví dụ: hệ thống dữ liệu máy bay).

Hệ thống ADS-B được chia thành hai phần: trên không và mặt đất. Thiết bị trên không có được thông tin vị trí thời gian thực của máy bay và vectơ vận tốc thông qua GNSS. Bằng cách sử dụng hệ thống dữ liệu máy bay thu được thông tin về áp suất và độ cao. Và thông qua bộ thu phát trên không, việc quảng bá thông tin như được đề cập phần trước và các thông tin bổ sung khác như mã nhận dạng và loại máy bay cho máy bay gần đó và các trạm mặt đất, trong khi đó, máy bay này cũng sẽ nhận được thông tin của các máy bay khác.

Vì vậy, cả máy bay dưới mặt đất và trên không đều có thể nhìn thấy nhau. 5 Phạm Tiến Dũng Thu và xử lý tín hiệu ADS-B 2. Các loại hệ thống ADS-B Theo hướng truyền, có hai loại dịch vụ của hệ thống ADS-B: ADS-B OUT và ADS-B IN, tương ứng với việc truyền tín hiệu và nhận tín hiệu tương ứng. ADS-B OUT ADS-B OUT hoạt động như một máy phát, nó quảng bá thông tin máy bay đến các máy bay khác và trạm mặt đất thông qua một liên kết dữ liệu kỹ thuật số (1090 MHz).

Các tín hiệu ADS-B truyền theo tầm nhìn thẳng (LOS) từ máy phát đến máy thu.