Tài liệu Ứng dụng VHF offset trong liên lạc hàng không dân dụng Việt Nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Minh Ngọc ỨNG DỤNG VHF OFFSET TRONG LIÊN LẠC HÀNG KHÔNG DÂN DỤNG VIỆT NAM Ngành: Công nghệ Điện tử – Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử. Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. Nguyễn Viết Kính Hà Nội - 2009 14 Lời mở đầu: Trong lịch sử xây dựng và phát triển hơn nửa thế kỷ qua, ngành Hàng không dân dụng Việt Nam đã có những bước phát triển đáng tự hào, tạo được những điều kiện tương đối vững chắc để không bị tụt hậu và có thể từng bước hòa nhập với sự phát triển chung của Hàng không thế giới. Trong đó Quản lý bay là một trong ba chuyên ngành mũi nhọn của ngành Hàng không dân dụng Việt Nam và ngày càng đóng góp những cố gắng trong việc đưa Hàng không Việt Nam lên một tầm cao mới xứng với sự phát triển của khu vực và thế giới. Luận văn “Ứng dụng VHF offset trong liên lạc hàng không dân dụng Việt Nam” nghiên cứu về kỹ thuật VHF offset – một kỹ thuật thông tin liên lạc thoại giữa kiểm soát viên không lưu và phi công sử dụng sóng vô tuyến VHF được làm trễ, có thể phát cùng một tần số trên nhiều trạm và giải quyết bài toán xây dựng tuyến truyền thông VHF offset giữa các trạm với nhau cũng như giữa các trạm với tàu bay. Đây là một trong nhiều kỹ thuật được đề ra để nghiên cứu, lựa chọn phương án thay thế cho trạm thu phát VHF Tam Đảo. Và kỹ thuật này đã được chọn nhờ lợi thế về tính đơn giản, hiệu quả và kinh tế khi nâng cấp hệ thống VHF cũ, đó là: Vẫn là truyền dẫn VHF truyền thống, nên thay đổi về mặt công nghệ kỹ thuật không nhiều và có thể đào tạo cho người vận hành khai thác trong một thời gian ngắn. Đảm bảo được tầm phủ sóng rộng sau khi bỏ trạm VHF Tam Đảo. Chỉ cần đầu tư trang thiết bị mới cho phần hệ thống VHF offset mà không phải toàn bộ dây chuyền. Giúp cho kiểm soát viên không lưu đường dài thuận tiện hơn trong điều hành bay. Trong quá trình thực hiện luận văn này không tránh khỏi nhiều thiếu sót, tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp để luận văn được hoàn thiện hơn nữa. Qua lời mở đầu này, tôi xin được gửi lời trân trọng cảm ơn Phó Giáo sư, Tiến sĩ Nguyễn Viết Kính, tập thể các giảng viên Khoa Sau đại học, trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, đội ngũ cán bộ kỹ thuật Công ty bảo đảm hoạt động bay miền Bắc cùng các đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt luận văn này. Xin chân thành cảm ơn! 15 CHƢƠNG 1: QUẢN LÝ BAY VIỆT NAM – HIỆN TRẠNG VÀ KHÓ KHĂN 1. 1. Hoạt động của Trung tâm quản lý bay dân dụng Việt Nam (VATM) – hiện chuyển tên là Tổng công ty bảo đảm hoạt động bay Việt Nam (VANSCORP): Trung tâm quản lý bay dân dụng Việt Nam là công ty nhà nước có nhiệm vụ cung ứng bảo đảm hoạt động bay nhằm bảo đảm hoạt động bay an toàn, điều hoà, liên tục và hiệu quả. Chức năng và nhiệm vụ chính của VATM là: Cung cấp các dịch vụ không lưu bao gồm:  Dịch vụ điều hành không lưu cho tại sân (TWR), vùng tiếp cận (APP) và đường dài (ACC).  Công tác thông báo bay (FIS) và các dịch vụ cảnh báo (ALRS).  Quản lý vùng trời, không phận quốc gia:  Quản lý các phương tiện cơ sở hạ tầng cho không vận.  Thiết lập các đường bay và phối hợp trong việc sử dụng vùng trời. Ngoài ra còn có các dịch vụ khác như dịch vụ khí tượng, tìm kiếm cứu nguy, huấn luyện, đào tạo,... Cùng với yêu cầu phát triển của ngành hàng không quốc tế, tổ chức hàng không dân dụng quốc tế ICAO đã có những giám sát, khuyến nghị hướng dẫn các quốc gia trong các hệ thống tổ chức quản lý không lưu. Theo ICAO yêu cầu, để cung cấp các dịch vụ tốt nhất theo yêu cầu của các khách hàng thì một hệ thống quản lý bay cần phải cung cấp tất cả các dịch vụ cơ bản là:  Quản lý không lưu – ATN: Quản lý chung các dịch vụ cung cấp, phối kết hợp đồng bộ các dịch vụ để đạt được kết quả tốt nhất.  Dịch vụ không lưu – ATS: Điều hành bay trực tiếp các tàu bay trong vùng thông báo bay.  Dịch vụ thông tin liên lạc – CS: Hay còn gọi là các dịch vụ thông tin cố định hàng không, bao gồm: thông tin thoại, số liệu giữa các đơn vị kiểm soát không lưu nội địa, quốc tế với nhau và với tàu bay. Mạng bao gồm các hệ thống thông tin trực thoại, hệ thống chuyển tiếp điện văn tự động sử dụng các đường truyền dẫn viễn thông quy mô lớn.  Dịch vụ giám sát – SS: giám sát tất cả các hoạt động bay trong vùng thông báo bay, sử dụng các Radar tại các trạm thu thập xử lý, lưu trữ và phân phát các dữ liệu bay về trung tâm phục vụ cho việc điều hành bay.  Dịch vụ dẫn đường – NS: Sử dụng các phương tiện dẫn đường như đèn hiệu, NDB, VOR/DME hoặc vệ tinh để dẫn đường cho các tàu bay. 16  Dịch vụ khí tượng hàng không – MS: Giám sát các hiện tượng thời tiết trong vùng thông báo bay, xử lý các số liệu thời tiết và cấp phát cho tất cả các đơn vị liên quan.  Dịch vụ cảnh báo, tìm kiếm và cứu nạn – SAR: tổ chức tốt các mạng lưới tìm kiếm, cứu nguy trên quy mô quốc gia, quốc tế, sẵn sàng ứng phó với các tình huống lâm nạn của tàu bay. Ngoài ra việc huấn luyện, đào tạo chuyên môn cũng có vai trò to lớn trong việc duy trì và phát triển hệ thống, đây cũng là một loại dịch vụ không thể thiếu được trong việc quản lý nguồn nhân lực cho ngành quản lý bay. 1. 2. Hiện trạng của các hệ thống hiện tại: Không phận Việt Nam được chia thành 2 vùng thông báo bay (FIR) là FIR Hà Nội và FIR Hồ Chí Minh. Việc điều hành hoạt động bay trong FIR Hà Nội do Trung tâm quản lý bay miền Bắc – nay là Công ty bảo đảm hoạt động bay miền Bắc, đảm trách. Hình 1 – 1: FIR Hà Nội và FIR Hồ Chí Minh FIR Hà Nội bao gồm 16 đường bay, trong đó có 5 đường bay quốc tế (A202, A206, B465, R474, R471) và 11 đường bay nội địa (W1, W2, W3, W4, W5, W6, 17 W10, W14, W20, W21, W22) với 2 sân bay quốc tế (Nội Bài, Cát Bi) và 4 sân bay quốc nội (Điện Biên, Nà Sản (đang tạm ngừng để nâng cấp), Vinh, Đồng Hới). Nó được chia thành 2 phân khu, phân khu Bắc và phân khu Nam có nhiệm vụ cung cấp các dịch vụ không lưu cho các tàu bay đến/đi và quá cảnh qua FIR Hà Nội. Hình 1 – 2: Các trạm VHF và tầm phủ sóng tương ứng trên lãnh thổ Việt Nam. Hệ thống thông tin trực thoại hàng không sử dụng các tuyến truyền dẫn VSAT, Viba và cáp quang cung cấp các dịch vụ trực thoại đường dây nóng giữa các Trung tâm chỉ huy bay. Việc liên lạc không – địa sử dụng các hệ thống điều khiển xa VHF với cơ chế điều biên AM 25kHz công suất phát lớn đến 250W tạo nên mạng lưới các trạm VHF bao phủ toàn bộ FIR và hệ thống thu phát HF đơn biên. Cụ thể như sau: - Hệ thống thiết bị VHF Nội Bài (VHF EXICOM 50W) được đặt tại ACC Hà Nội và lắp đặt và đưa vào sử dụng từ năm 1993, trang bị cho cả hai phân khu điều hành bay của FIR Hà Nội (phân khu Bắc và phân khu Nam). 18 - Trạm VHF Tam Đảo (VHF EXICOM 50W) được sử dụng để phủ sóng cho phân khu Bắc và một phần phân khu Nam. Trạm VHF Vinh (VHF EXICOM 50W) được triển khai, lắp đặt và đưa vào sử dụng từ năm 1997 với mục đích đáp ứng việc phủ sóng cho phân khu Nam. Trạm VHF Sơn Trà được thiết lập với mục đích ban đầu để phục vụ công tác điều hành bay cho phân khu I ACC Hồ Chí Minh. Đến năm 2000 triển khai thêm hệ thống VHF để bổ trợ cho các trạm VHF Vinh và VHF Nội Bài. - Hệ thống thiết bị VHF Vinh, Điện Biên, Cát Bi đều dùng thiết bị thu phát công suất 7W. Hệ thống chuyển tiếp điện văn tự động AMSC được đặt tại các trung tâm HAN, DNA, HCM và Trung tâm điều hành chỉ huy bay kết nối sử dụng các phương tiện truyền dẫn nêu trên. Hệ thống giám sát được cơ cấu bởi các trạm Radar sơ cấp PSR tầm phủ 80 dặm và các trạm Radar thứ cấp SSR tầm phủ 250 dặm có nhiệm vụ thu thập các thông tin tàu bay cung cấp cho các trung tâm xử lý số liệu Radar tại hai FIR. Sơ đồ trạm và tầm phủ được mô tả như hình 1 – 3 dưới đây. - Hình 1 – 3: Tầm phủ Radar trên lãnh thổ Việt Nam Dich vụ dẫn đƣờng được cung cấp bởi các đài NDB và VOR/DME trải dài trên các tuyến bay nội địa và quốc tế. Tại các sân bay với yêu cầu cao về lưu lượng có sự 19 phối hợp giữa các đài NDB, hệ thống đèn tín hiệu và các phương tiện hạ cánh ILS lắp đặt tại đường băng. Dịch vụ cảnh báo, tìm kiếm và cứu nạn SAR được tổ chức thành ba trung tâm chịu sự quản lý trực tiếp bởi VATM, bao gồm: - 2 trung tâm tìm kiếm và cứu nạn tại HAN và HCM. - 1 trung tâm con tại DNA. Các trung tâm trên hoạt động có sự phối hợp cùng các nhà chức trách, các cụm cảng hàng không và trung tâm tìm kiếm cứu nạn quốc gia đảm bảo dịch vụ nhanh nhất trong mọi trường hợp khẩn cấp. Hình 1 – 4: Hệ thống các phương tiện dẫn đường kết hợp 1. 3. Phân tích đánh giá hiện trạng của hệ thống VHF tại FIR Hà Nội:[1] Do đặc điểm địa hình phần phân khu Bắc rộng có dãy núi Hoàng Liên Sơn chia cắt làm 2 phần, phần phía Tây hẹp nhưng núi non hiểm trở, có nhiều núi cao, phần phía Đông rộng gồm núi cao, đồng bằng, biển. Phân khu Nam hẹp nhưng lại dài. Do 20 đặc thù của địa hình nêu trên, nên mặc dù hiện nay, trong FIR Hà Nôị đã lắp đặt 4 trạm VHF (Nội Bài, Tam Đảo, Vinh, Sơn Trà) phục vụ công tác điều hành bay nhưng thực tế cho thấy vùng phủ sóng VHF của các trạm này còn có nhiều hạn chế: - Phân khu Bắc với 2 trạm thu/phát sóng VHF đặt tại Nội Bài và Tam Đảo (Kiểm soát viên không lưu chỉ chọn được một trong hai trạm) cũng đã phủ sóng phần lớn vùng trách nhiệm, tuy nhiên vẫn còn những vùng chưa được phủ sóng như phần phía Tây Bắc nơi có 2 sân bay Nà Sản và Điện Biên trên đường W4, các vùng biển khu vực Hải Phòng, Quảng Ninh, trên đường bay W10 ở các mực bay thấp. - Phân khu Nam với 3 trạm thu/phát sóng VHF đặt tại Nội Bài, Vinh, Sơn Trà trên thực tế tại một thời điểm chỉ phát được trên một trạm VHF. Hiện nay phân khu Nam được điều hành chính bằng trạm VHF Vinh. Trạm VHF Sơn Trà chỉ để dự phòng trong trường hợp trạm Vinh có sự cố kỹ thuật. Với cách tổ chức hiện nay, tầm phủ sóng VHF của trạm VHF Vinh chưa đảm bảo phủ sóng toàn bộ phân khu Nam. Cụ thể một số đường bay như W20, một phần của đường bay W1, W2, W10. Vấn đề nhiễu sóng VHF có và không có khả năng khắc phục cũng là điểm cần chú ý. Do việc quản lý về tần số đồng thời phương thức điều chế AM hiện đang dùng là phương thức phổ thông và không có mã hoá chống nhiễu nên còn bị nhiễu tần số tại các vùng cục bộ. Ta chỉ có thể khắc phục tạm thời là sử dụng các tần số dự phòng khác đã đăng ký. Như vậy, hiện trạng của hệ thống trên không thể đảm bảo cho nhu cầu lưu lượng bay hiện nay. Theo số liệu thống kê thì đối với FIR Hà Nội tính từ năm thành lập 1993 đến năm 2003, tổng số chuyến bay được điều hành đã đạt trên 230000 chuyến (dựa trên báo cáo hàng năm của VATM). Tính từ ngày 1 tháng 1 đến ngày 30 tháng 9 năm 2009, FIR Hà Nội đã điều hành bay được khoảng 49000 chuyến bao gồm cả quốc tế và quốc nội (được lấy từ số liệu bay của công ty bảo đảm hoạt động bay miền Bắc). Do lưu lượng bay tăng lên, nhu cầu về cung cấp dịch vụ không lưu trên một vùng trời cũng tăng lên. Đối với các tiêu chuẩn phân cách và trang thiết bị hiện tại, số lượng các chuyến bay không thể lựa chọn đường bay tối ưu ngày càng tăng. Nếu tại thời điểm năm 1995 ta có thể giải quyết bằng cách tăng thêm các trạm thiết bị, nhưng hiện nay thì không thể áp dụng phương pháp này mà cần phải nâng cấp hệ thống CNS để bắt kịp sự phát triển của toàn cầu và tránh các chi phí phụ trội, lãng phí do tắc nghẽn hàng không gây ra. Sự thay đổi này cũng giống như công nghệ điện thoại di động, khi không thể tăng thêm số Cell (GSM) do thuê bao tăng thêm nữa thì cần có sự nâng cấp hoặc thay đổi dịch vụ như tiến lên các thế hệ tiếp theo. Trong luận văn này chỉ đề cập đến giải pháp khắc phục cho hệ thống thông tin liên lạc VHF hàng không và sẽ được trình bày chi tiết trong các chương sau. 21 CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT (TRONG QUẢN LÝ BAY) Dải tần thông tin liên lạc VHF hàng không từ 118 – 137MHz và được dùng chủ yếu cho thông tin liên lạc thoại ATC. Ban đầu dải VHF được chia thành 760 kênh với phân cách 25kHz và DSB-AM, hệ thống thông tin liên lạc tương tự được dùng cho đến ngày nay. Hệ thống thoại DSB-AM này được dùng để phân cách và hướng dẫn máy bay từ những năm 40. Thoại vô tuyến hoạt động theo kiểu PTT đơn, với cùng tần số được sử dụng cho các truyền dẫn liên kết phát (kiểm soát viên không lưu phát tín hiệu huấn lệnh đến phi công) và liên kết thu (phi công yêu cầu hay xác nhận huấn lệnh đến kiểm soát viên không lưu). Điều này cho phép mỗi thành viên trong nhóm người dùng (bao gồm các kiểm soát viên không lưu và tất cả các tàu bay ở trong một dịch vụ xác định) giám sát đàm thoại. Đặc tính này được biết là “đường nhóm” làm tăng nhận biết tình trạng của phi công. Ngày nay sự kết hợp giữa kiểm soát viên không lưu và các tàu bay được hỗ trợ bởi một tần số thông tin liên lạc VHF R/T1 cho mỗi phân vùng. Với giả thuyết rằng mỗi phân vùng phải dùng kênh VHF được dành cho nó, những nhà quản lý tần số làm việc chăm chỉ để đạt được hiệu suất phổ tốt nhất có thể trong dải VHF. Tuy nhiên, việc tìm ra cách phân chia kênh VHF mới để mở rộng dung lượng dải VHF qua việc tổ chức lại và giảm kích thước phân vùng ATC đang trở nên hầu như là không thể được. Vì thế, dải VHF có thể được cho là hoàn toàn dùng được với các kênh VHF được phân. Khi các kênh thoại VHF tại Châu Âu đã sử dụng hết và số lượng không lưu vẫn tiếp tục tăng, phân cách kênh 8,33kHz được đề nghị và đã được thực hiện cách đây không lâu. Việc này đã làm tăng thêm một chút dung lượng kênh và tạm thời đẩy lùi thời điểm hết kênh dùng đến tương lai. EUROCONTROL cho rằng giới hạn dung lượng đối với hệ thống thông tin liên lạc thoại hiện nay sẽ đạt được trong vòng từ năm 2015 cho đến năm 2020. Vì thế nó phải được thay thế bằng một hệ thống hỗ trợ cả thoại và bản tin dữ liệu có đủ dung lượng phổ được tìm ra cho phép truyền dẫn như một hệ thống vô tuyến mới. Một vài kỹ thuật mới cho liên lạc hàng không tương lai đã được thảo luận từ trước, phải thực hiện đủ các mong đợi sau: 22 - Hỗ trợ tăng dung lượng cho cả thoại và dữ liệu. - Triển khai phải khả thi. - Dùng lại kỹ thuật hiện đã biết đến. Nhiều đề xuất được cho là chương trình cần nhiều thời gian để hoàn thành. Những đề xuất này xếp từ phân cách đơn giản 25kHz sang phân cách 8,33kHz với hệ thống liên kết dữ liệu riêng biệt (VDL mode 2) qua các khái niệm hệ thống tích hợp dữ liệu và thoại số đến các hệ thống dải rộng trạm mặt đất (CDMA 2000) và vệ tinh (SDLS). Các khái niệm liên kết dữ liệu của hai đề xuất đầu tiên được dựa trên đường quét tần số hiện nay, bằng cách sử dụng các kỹ thuật băng hẹp và phải cùng tồn tại với hệ thống thoại băng hẹp trong suốt giai đoạn truyền dẫn kéo dài. Các kỹ thuật khác yêu cầu thêm phổ bảo vệ được cho là để dành cho thông tin liên lạc hàng không hay một cơ sở hạ tầng khác [6]. 2.1.VHF Datalink [2,9,15,16]: VHF datalink hay VHF Digital Link (VDL) là một phương tiện gửi thông tin giữa tàu bay và các trạm mặt đất (với trường hợp VDL mode 4 là truyền thông tin giữa các tàu bay). Các liên kết dữ liệu VHF hàng không sử dụng dải 117.975 – 137Mhz do hiệp hội viễn thông thế giới ITU phân cho các dịch vụ định tuyến di động hàng không AMRS. Đây là một chuẩn ngành hàng không (AEEC) cho VHF datalink ACARS được lắp trên khoảng 14000 tàu bay và các chuẩn ICAO được xác định bởi Tổ chức thông tin liên lạc di động hàng không AMCP năm 1990. VDL mode 2 là mode duy nhất được triển khai hoạt động hỗ trợ thông tin liên lạc datalink kiểm soát viên không lưu – phi công CPDLC. VDL mode 1: AMCP ICAO xác định mode này cho những mục đích hợp thức hoá. Nó giống với VDL mode 2 ngoại trừ việc sử dụng liên kết VHF tương tự như ACARS VHF nên nó có thể được triển khai nhờ sử dụng vô tuyến tương tự trước khi triển khai vô tuyến số VHF được hoàn thành. AMCP ICAO hoàn toàn xác nhận VDL mode 1 và 2 vào năm 1994, sau đó mode 1 không còn cần thiết nữa và đã được loại khỏi các chuẩn của ICAO. VDL mode 2: VDL mode 2 ICAO là phiên bản chính của VDL. Nó được triển khai trong một chương trình EUROCONTROL link 2000+ và được quy định là liên kết chính trong chuẩn EU single sky mới được chấp nhận yêu cầu tất cả các tàu bay đang bay trong Châu Âu phải được trang bị CPDLC. Trước CPDLC, VDL mode 2 đã được triển khai với xấp xỉ 2000 tàu bay để chuyển các bản tin ACARS đơn giản hoá phần thêm vào của CPDLC. Mạng lưới các trạm mặt đất cung cấp dịch vụ VDL mode 2 đã được ARINC và SITA triển khai với các mức tầm phủ khác nhau. 23 Chuẩn ICAO cho VDL mode 2 xác định 3 lớp, là: lớp vật lý, lớp liên kết và lớp mạng con. Lớp mạng con tuân thủ những yêu cầu về chuẩn mạng viễn thông hàng không (ATN) ICAO để xác định giao thức dữ liệu đầu cuối được dùng trên nhiều mạng con mặt đất và không - địa bao gồm cả VDL. Lớp liên kết VDL mode 2 được tạo thành từ hai lớp con, lớp con dịch vụ liên kết dữ liệu và lớp con điều khiển truy nhập môi trường (MAC). Giao thức liên kết dữ liệu dựa trên các chuẩn ISO được dùng cho HDLC quay số truy nhập vào các mạng X25. Nó cung cấp cho tàu bay một thiết lập liên kết tích cực tới một trạm mặt đất và xác định một bảng địa chỉ cho các trạm mặt đất. Giao thức MAC là một phiên bản của đa truy nhập phát hiện sóng mang CSMA. Lớp vật lý VDL mode 2 xác định cách sử dụng kênh VHF rộng 25kHz kiểu điều chế D8PSK bằng cách cung cấp tốc độ dữ liệu 31.5kbit/s. Đây là tốc độ dữ liệu cao nhất có thể đạt được trong kênh 25kHz với phạm vi tối đa là 200NM. Điều này yêu cầu triển khai VHF vô tuyến số. VDL mode 3: Chuẩn ICAO cho VDL mode 3 xác định một giao thức cung cấp cho tàu bay cả thông tin liên lạc dữ liệu và thoại được số hoá do US FAA xác định với sự hỗ trợ của Mitre. Hỗ trợ thoại số hoá làm cho giao thức mode 3 phức tạp hơn VDL mode 2. Các gói dữ liệu và thoại số hoá vào các khe đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA được phân bởi các trạm mặt đất. FAA thực hiện một hệ thống mẫu vào năm 2003 nhưng không thành công khi thuyết phục các hãng hàng không lắp đặt các điện tử hàng không VDL mode 3 và đến năm 2004 thì huỷ bỏ. VDL mode 4: Chuẩn ICAO cho VDL mode 4 xác định một giao thức cho phép tàu bay trao đổi dữ liệu với các trạm mặt đất và với tàu bay khác. VDL mode 4 sử dụng một giao thức đa truy nhập phân chia theo thời gian tự tổ chức STDMA (được Hakan Lans, người Thụy Điển phát minh vào năm 1988) cho phép nó tự tổ chức, tức là không đòi hỏi một trạm mặt đất chính. Vì thế nên nó dễ triển khai hơn VDL mode 3. Tháng 11 năm 2001, giao thức này được ICAO chấp nhận như là một chuẩn toàn cầu. Chức năng chính của nó là cung cấp lớp vật lý tần số VHF cho các truyền dẫn ADS-B. Tuy nhiên, nó đã bắt kịp như là liên kết cho ADS-B nhờ hoạt động liên kết radar mode S trong dải 1090MHz và được Hội nghị dẫn đường hàng không ICAO chọn là liên kết chính vào năm 2003. Môi trường VDL mode 4 cũng có thể được dùng cho chuyển đổi không - địa. Tốt nhất là dùng cho các truyền dẫn bản tin ngắn giữa một lượng lớn người sử dụng, ví dụ: cung cấp nhận thức tình huống, quản lý thông tin hàng không số D-AIM, .. Những thử nghiệm hiện đại hoá quản lý không lưu Châu Âu đã triển khai ADS-B và các truyền dẫn không - địa bằng cách sử dụng các hệ thống VDL mode 4. Tuy 24 nhiên, trên tàu bay không vận, hoạt động triển khai ADS-B sẽ dùng liên kết mode S và CPDLC sẽ dùng VDL mode 2. Hai hệ thống VDL mode 2 và VDL mode 4 đã được phát triển và sử dụng tại Châu Âu và Mỹ. Việt Nam vừa đưa vào sử dụng hệ thống VDL mode 4 (đang trong giai đoạn thử nghiệm) tại FIR Hồ Chí Minh. 2.2. B – VHF [5,6,7]: 2.2.1. Nguyên lý: B-VHF là một hệ thống thông tin liên lạc mặt đất với các trạm mặt đất GS hoạt động như một kiểm soát viên mạng và cung cấp đa dịch vụ trong các tế bào B-VHF. Mỗi tế bào sử dụng kênh thông tin liên lạc băng rộng chuyên dụng và cung cấp tầm phủ vật lý cho vùng không phận tương ứng. Nếu tầm phủ vật lý của một tế bào nhỏ hơn tầm phủ vận hành dịch vụ yêu cầu thì dịch vụ này sẽ được cài đặt tại một số tế bào láng giềng thích hợp với vùng bao phủ chồng lấn nhau. Trong suốt quá trình chuyển giao dịch vụ được thực hiện khi một tàu bay bay qua đường biên giữa các tế bào liên quan – điều này có thể xảy ra trong suốt quá trình phát thoại liên tục giữa kiểm soát viên và phi công. Khi hệ thống B-VHF có thể cung cấp tầm phủ dịch vụ thoại và dữ liệu trên phạm vi rộng lớn, rất hiệu quả khi tách khỏi cấu trúc không phận và chuẩn bị cho các khái niệm ATM tương lai bao gồm quản lý không phận động. B-VHF là một hệ thống song công dựa trên TDD (song công phân chia theo thời gian) tách rời liên kết phát (FL tức là trạm mặt đất phát) và liên kết thu (RL tức là tàu bay phát). Hình 2 – 1: Cấu trúc khung B-VHF Dữ liệu người dùng, thoại được số hóa và các khối dữ liệu hệ thống được chuyển vào các khung ngắn (hình 2 – 1). Các loại khung này bao gồm các khung FL và RL mang lưu lượng của người dùng cũng tốt như các khung FL quảng bá và các khung RL truy cập ngẫu nhiên mang dữ liệu hệ thống. Cấu trúc khung sau đó được xếp vào các đa khung, các siêu khung và các hyper-frames. Hệ thống hỗ trợ dịch vụ đường thoại truyền thống tốt như liên kết dữ liệu và thoại quảng bá từ GS đến tàu bay. Thông tin 25 dữ liệu điểm – điểm (PP) giữa tàu bay và GS đều được hỗ trợ tốt. Hệ thống cung cấp tùy ý thông tin thoại không – địa được định địa chỉ tại GS dùng các địa chỉ tàu bay rời rạc. Khi tất cả các truyền dẫn RL luôn có hướng đến GS điều khiển, các dịch vụ thông tin liên lạc đòi hỏi kết nối không – không giống như đường dây thoại hay chuyển đổi dữ liệu không – không phải được xây dựng lại bằng cách sử dụng một phát lại tự động qua GS. Nếu vài GS liên quan được kết nối qua mạng mặt đất – thông tin được phát lại trên tất cả các GS. B-VHF sử dụng lớp vật lý một hệ thống đa sóng mang dựa trên ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM. B-VHF sẽ hoạt động trong phổ thông tin liên lạc VHF hiện tại được dùng bởi các hệ thống thông tin liên lạc băng hẹp, sử dụng lại tập các sóng mang OFDM “có sẵn” được xác định trong kênh B-VHF băng rộng cấp cho tế bào. Chòm sao của các sóng mang “có sẵn” cho một tế bào cho trước tùy thuộc vào cấu trúc chi tiết của các thiết bị phát và thu băng hẹp hoạt động trong dải thông kênh B-VHF trong tế bào và vài vùng quanh tế bào. Một phân tích tỉ mỉ về việc sử dụng cục bộ các kênh băng hẹp được thực hiện trước khi triển khai tế bào. B-VHF được bảo đảm hoạt động không gây nhiễu sang các hệ thống băng hẹp lân cận và bảo đảm hệ B-VHF bản thân nó sẽ không bị nhiễu bởi các hệ thống đó. Các kênh truyền tải B-VHF được tạo ra bằng cách kết hợp một số thích hợp các sóng mang OFDM điều chế. Sóng mang của một kênh truyền tải thông thường được chèn, lựa chọn từ các vùng không liên tục khác nhau trong kênh B-VHF băng rộng. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA được dùng cho FL để truyền thông tin người dùng trên vài sóng mang OFDM, làm tăng tính năng hệ thống có trong nhiễu băng hẹp. Trên RL, toàn bộ tàu bay thông dụng trong một tế bào cho trước dùng cùng một tập các sóng mang OFDM khi được dùng bởi GS trên FL, nhưng tàu bay khác dùng các nhóm không chồng lấn của các sóng mang OFDM. Tùy chọn trải phổ có thể được áp dụng cho dữ liệu người dùng RL trong mỗi nhóm OFDM bằng cách sử dụng kỹ thuật đa truy nhập đa sóng mang trải phổ SS – MC – MA. Bất kỳ kênh truyền tải vật lý FL hay RL có thể được mô tả bởi chòm sao các sóng mang con OFDM được dùng, nhờ kế hoạch điều chế, và tỷ lệ mã hóa. Trong FL, mã và chiều dài trải phổ theo lý thuyết phải được thêm vào. Các truyền dẫn B-VHF RL được tách riêng khỏi các truyền dẫn FL và được đồng bộ chính xác với GS điều khiển. Tất cả các ký hiệu RL đến GS theo thời gian thích hợp nên GS có thể dễ dàng phân biệt và giải điều chế cùng một lúc các sóng mang RL của nhiều tàu bay. Ngoại lệ duy nhất là phần mào trong tế bào B-VHF trong trường hợp truy cập ngẫu nhiên tàu bay không đồng bộ được dùng, nên những truyền dẫn RL của vài người dùng tại GS về mặt lý thuyết có thể chồng lấn. Tuy nhiên, xác suất của những xung đột này ít được chấp nhận, khi số thời cơ truy nhập đủ để hỗ trợ số lượng lớn tàu bay đi vào. Trên lớp vật lý đa sóng mang, lớp liên kết dữ liệu và lớp con mạng con được xác định theo hình 2 – 2. 26 Hình 2 – 2: Sắp xếp giao thức B-VHF DLL sử dụng vài loại kênh logic và kênh truyền tải, sắp xếp hiệu quả thông tin của người dùng vào các kênh truyền tải vật lý. DLL bao gồm đa MAC tồn tại để quản lý định thời cục bộ khi đặt/ trích thông tin vào/ra các khung FL/RL vật lý. Các lớp con DLL khác – các dịch vụ B-VHF đặc trưng BSS, các dịch vụ liên kết dữ liệu DLS, và thực thể quản lý liên kết LME – phân đoạn các gói dữ liệu người dùng vào các đơn vị để có thể xử lý nhờ lớp vật lý B-VHF, sắp xếp các đoạn này vào các kênh logic và truyền tải, thực hiện các cơ chế tính toán, bảo đảm dữ liệu và điều khiển dòng (FEC và CRC), và cung cấp hỗ trợ cho các thủ tục hệ thống đặc trưng (ví dụ: khởi tạo mạng, vào/ra mạng, chuyển giao giữa các tế bào, quản lý tài nguyên, hay quản lý ưu tiên). Lớp con mạng con B-VHF thực hiện một giao diện cho mạng viễn thông hàng không ATN và hỗ trợ những cung cấp tùy chọn cho thông tin liên lạc IP. Phần thoại của hệ B-VHF dùng bộ vocoder (mã hóa thoại) tốc độ thấp 4.8 kbps được ICAO phê chuẩn và thông qua cho mạng con VDL mode 3. Ba khung vocoder được kết hợp thành một khung dữ liệu đơn và được phát trong FL hay RL B-VHF. 2.2.2. Cấu trúc: Cấu trúc mặt đất B-VHF được biểu diễn trong hình 2 – 3. Nó tương tự với cấu trúc dự định của VDL mode 3 và bao gồm nhiều GS, mỗi GS gồm kiểm soát viên trạm mặt đất GSC và các thiết bị thu và phát B-VHF, còn được gọi là giao diện mạng mặt đất GNI. 27 Hình 2 – 3: Cấu trúc B-VHF mặt đất Lớp vật lý và lớp con MAC của DLL được thực hiện trực tiếp trong các khối vô tuyến. GSC thực hiện các yếu tố của lớp liên kết dữ liệu B-VHF và quản lý các cơ chế B-VHF đặc trưng (ví dụ: phát lại tự động thoại RL của phi công để xây dựng lại tính năng đường thoại của hệ thống thoại tương tự). GNI cung cấp các giao diện để mở rộng các hệ thống liên kết dữ liệu (DLS 1, DLS 2) và thoại (VCS 1, VCS 2), thực hiện lớp con mạng con B-VHF, cung cấp truy nhập vào liên kết dữ liệu và thiết lập đa GS thành các cụm để cung cấp tầm phủ theo yêu cầu cho các dịch vụ dữ liệu và thoại vượt ngoài tầm phủ vật lý của một GS đơn. Cấu trúc B-VHF trên tàu bay (hình 4) phần lớn giống với cấu trúc hiên nay. Mỗi khối vô tuyến B-VHF vật lý có khả năng cung cấp đồng thời đa dịch vụ thoại và dữ liệu. Các đơn vị vô tuyến vật lý VHF được điều khiển qua các bảng quản lý vô tuyến RMP. Các phụ trợ thoại của phi công (ví dụ headset_ống nghe nói choàng đầu), phím PTT, và các vô tuyến vật lý đều được nối qua các dây tương tự đến hệ thống quản lý âm tần AMS hoạt động như các khóa chuyển mạch âm tần. 28 Hình 2 – 4: Cấu trúc B – VHF trên tàu bay Về lâu dài, cấu trúc trên tàu bay và truyền dẫn có thể được số hóa hoàn toàn, nhưng cấu trúc hiện nay và truyền dẫn tương tự vẫn được dùng rộng rãi tại thời điểm ban đầu khi giới thiệu hệ thống B-VHF. Hơn nữa, cách phi công dùng kỹ thuật B-VHF mới vẫn còn dùng với các thủ tục hiện hành và thực hành như những thủ tục đó đang được dùng trong nhiều năm – kết hợp với các kỹ thuật truyền thống – trong các vùng mà độ khẩn cấp của các hệ thống thông tin mới không cao như ở Châu Âu hay Mỹ. Ba khối vô tuyến B-VHF trên tàu bay được tính toán độc lập nhau, mỗi cái có thể cung cấp dịch vụ thoại và/hoặc liên kết dữ liệu độc lập. Người dùng các dịch vụ liên kết dữ liệu B-VHF qua khối quản lý thông tin liên lạc CMU được nối qua các cáp chuyên dụng hàng không đến hệ quản lý bay FMS và có thể các hệ thống dữ liệu hàng không khác. Phi công tác động vào hệ thống liên kết dữ liệu trên tàu bay qua các giao diện thích hợp: - Khối hiển thị và điều khiển đa mục đích MCDU - Khối hiển thị và điều khiển chuyên dụng DCDU. Để duy trì các tính năng hiện nay của thoại đã đạt được bằng cách nhân đôi thiết bị thoại tàu bay, tất cả chức năng được yêu cầu cho hoạt động thoại B-VHF phải được đặt trong khối vô tuyến vật chất mà không cần yêu cầu thêm hỗ trợ bên ngoài như CMU. Điều này cho phép bổ sung các thiết bị thu phát B-VHF trên tàu bay bằng cách mở rộng chuẩn ARINC 750 đã bao gồm các chế độ đa hoạt động, kể cả thoại tương tự, VDL mode 2 và mode 3. 29 Ngược lại với thoại, các chức năng liên kết dữ liệu mức cao được thực hiện trong CMU khi đó là hoạt động thông thường để kết hợp với các mạng con ATN không – địa khác. Các tính năng thoại tiên tiến như là xác nhận người nói hay các cuộc gọi khẩn nguy sẽ có lợi từ cơ sở hạ tầng số hoàn toàn. Có thể là tại thời điểm nào đó trong tương lai toàn bộ hệ thống con liên kết dữ liệu có thể được tăng gấp đôi do sự gia tăng những yêu cầu tính năng liên kết dữ liệu trong khi những yêu cầu tính năng thoại có thể ít chặt chẽ hơn. Giả sử rằng những thay đổi được biết đến trước khi việc chuẩn hóa hệ thống B-VHF được hoàn thành, chúng có thể được điều chỉnh dễ dàng trong cấu trúc hệ thống B-VHF trên tàu bay. 2.2.3. Các dịch vụ hỗ trợ: Hệ thống B-VHF được thiết kế để hỗ trợ một phạm vi rộng lớn hoạt động của các dịch vụ thông tin. Các dịch vụ “tương tự” được phân loại thành các nhóm, mỗi nhóm có các yêu cầu về QoS riêng. Các đặc tính QoS này được đề cập đến trong thiết kế hệ thống B-VHF. Bất kỳ dịch vụ mới nào có thể xuất hiện trong tương lai và có thể được xếp vào nhóm bất kỳ ở trên và được hỗ trợ tự động bởi hệ thống B-VHF (QoS được cung cấp bởi hệ B-VHF phải phù hợp với QoS được trông đợi). Sau đó tập hợp các nhóm dịch vụ này theo danh sách các dịch vụ thông tin liên lạc B-VHF sau: - Dịch vụ thoại đường dây chung (B-VP). - Dịch vụ thoại quảng bá (B-VB). - Dịch vụ thoại chọn lựa (B-VS). - Dịch vụ liên kết dữ liệu có xác nhận (B-DA). - Dịch vụ liên kết dữ liệu quảng bá (B-DB). - Dịch vụ liên kết dữ liệu không xác nhận (B-DN). Các kênh thoại quảng bá (B-VB) và đường dây chung (B-VP) được gán cố định cho các phân vùng ATC và các chức năng (giống như hệ thống thoại tương tự hiện hành). Điều này là cần thiết vì những yêu cầu tính năng chặt chẽ (thời gian thiết lập dịch vụ) cho loại dịch vụ thoại này. Kênh thoại đường dây chung RL được chia sẻ giữa các phi công với truy nhập PTT nhưng kênh FL lại được gán cố định cho kiểm soát viên, cho phép kiểm soát viên ngắt lời/chồng lên truyền dẫn RL đường dây chung đang diễn ra (tính năng giành quyền không có trong hệ thống hiện hành). Chuyển giao giữa các tế bào cung cấp tương đương cho thoại đường dây chung truyền thống các giải pháp tầm phủ vùng rộng dựa trên hoạt động trễ sóng mang (CLIMAX). Ngược với các kênh thoại đường dây chung, các kênh thoại chọn lựa (tùy ý) được gán động bởi GS bằng cách yêu cầu ngoài trực tiếp (cả kiểm soát viên và phi công có thể yêu cầu các kênh thoại chọn lựa). Các kỹ thuật bên trong hệ thống cho phép các yêu cầu này được đặt và các thông báo kết hợp được hiển thị cho kiểm soát viên. Mặc dù thoại ATC chọn lựa (B-VS) rõ ràng là không được yêu cầu nữa, tính năng này được dùng tiếp trong thiết kế hệ thống B-VHF vì nó có thể được quan tâm với thông tin liên lạc thoại AOC. 30 Dịch vụ B-DA thực hiện những yêu cầu của một liên kết dữ liệu không – địa ATN có thể được dùng cho cả các ứng dụng AOC và các ứng dụng ATM khác. Nó cung cấp hỗ trợ cho hiện tại và có thể hỗ trợ cho các dịch vụ liên kết dữ liệu hoạt động trong tương lai. GS B-VHF có thể cung cấp thông tin bay và thông tin không lưu đặc biệt đến tàu bay đang bay bằng cách dùng dịch vụ liên kết dữ liệu B-DB trong chế độ quảng bá không xác nhận. Dịch vụ B-DN dành cho liên lạc dựa trên việc cung cấp các tham số tàu bay, vị trí của nó, và chú ý đến các trạm mặt đất. Một hệ thống thông tin liên lạc hàng không mặt đất băng rộng mới (B-VHF) đang được triển khai theo dự án B-VHF của EC FP6. Các phần trước mô tả các nguyên lý hoạt động, cấu trúc, các dịch vụ thông tin liên lạc cơ bản của hệ thống BVHF và bản chất các cơ chế trong việc cấu hình và vận hành hệ thống. Nó có thể gồm các thành phần hệ thống tất cả các tính năng chức năng của các hệ thống thông tin liên lạc băng hẹp hiện nay, cung cấp tính năng tương đương cho các dịch vụ liên kết dữ liệu và thoại diện rộng. Hệ thống B-VHF được thiết kế theo các sự cần thiết hàng không đặc trưng cung cấp một phạm vi rộng của các dịch vụ thông tin liên lạc ATM và AOC, và có thể trở thành một động lực mạnh mẽ cho phép các khái niệm ATM toàn cầu và European mới trong các thế kỷ tiếp theo. 2.3. VHF – Offset: Do môi trường và cơ sở hạ tầng bị hạn chế, vài tầm phủ của phân vùng điều khiển không thể đạt được chỉ bằng một trạm mặt đất. Để đối phó với những hạn chế hoạt động này, cần phải dùng đồng thời vài trạm mặt đất độc lập hoạt động trên cùng một tần số. Về mặt kỹ thuật có thể thực hiện được 5 trạm (theo Annex 10 của ICAO, nhưng thường giới hạn trong 4 trạm), quá trình này gọi là trễ sóng mang (offset carrier) [8]. Phần dưới đây chỉ giới thiệu qua một chút về VHF offset để tiện đánh giá so sánh, và sẽ được trình bày chi tiết trong chương 3. 2.3.1. Mục đích [8]: Thực thi trễ sóng mang mục đích chính là để:  Giảm nhiễu bề mặt địa lý, đặc biệt ở các phân vùng mức thấp.  Cho phép mở rộng phạm vi phủ sóng.  Đối phó với việc không có hay thiếu vị trí thích hợp cho các trạm mặt đất hiện nay.  Hỗ trợ dự phòng. Ở Châu Âu, phần lớn các tần số trễ sóng mang hoạt động tại 2 điểm (68%) hoặc 3 điểm (28%). 2.3.2. Mô tả hoạt động: Có thể tóm tắt hoạt động của hệ thống VHF offset [8] như sau: 31 Khi phát sóng địa - không (từ kiểm soát viên không lưu đến phi công), tín hiệu âm tần cùng lúc được phát bởi tất cả các trạm mặt đất có liên quan. Để giảm nhiễu giao thoa trong vùng phủ chồng lấn của thiết bị phát, các sóng mang con được làm trễ trong khi vẫn ở trong phạm vi độ rộng kênh (25kHz). Bằng cách này, tín hiệu thu được từ việc kết hợp các sóng mang tại máy thu trên máy bay sẽ được dịch ra ngoài dải thông âm tần. Ví dụ, các trễ của các hệ thống 2 sóng mang được đặt là ±5kHz. Khi phát sóng không - địa (từ phi công đến kiểm soát viên không lưu), tín hiệu âm tần từ tất cả hoặc một phần các trạm mặt đất này (tuỳ thuộc vào vị trí tương ứng với máy bay) được gửi ngược trở lại VCS. Để ngăn chặn việc tạo phách gây ra giảm chất lượng tín hiệu thoại, tần số của trạm phát sẽ đuợc dịch đi một tần số cố định so với tần số trung tâm của kênh. Hoạt động của offset carrier được miêu tả chi tiết trong Annex 10 của tổ chức ICAO như dưới đây: Số trạm Tần số phát trạm 1 Tần số phát trạm 2 Tần số phát trạm 3 Tần số phát trạm 4 Tần số phát trạm 5 fc + 5 kHz fc – 5 kHz N/A N/A N/A fc + 7,5 kHz fc fc – 7,5kHz N/A N/A fc + 7,5 kHz fc – 7,5kHz fc +2,5kHz fc -2,5kHz N/A fc –2,5 kHz fc – 7,5kHz fc fc +2,5kHz fc + 7,5 kHz Bảng 2.1: Bảng tần số sóng mang ứng với số trạm trong mạng VHF offset Các giá trị offset được dựa trên nguyên tắc giảm các phách được tạo ra trong băng âm tần, nâng cao đáng kể chất lượng thoại. 2 3 4 5 2. 4. Đánh giá: Từ giới thiệu về 3 kỹ thuật VHF mới ở trên, ta có thể đưa ra các đánh giá như sau:  VHF datalink thực hiện truyền dữ liệu qua sóng VHF, các trạm mặt đất và tàu bay thường xuyên cung cấp số liệu lẫn nhau (về vị trí, về độ cao, về tốc độ, ..) để định tuyến bay tự động. Kỹ thuật này được dùng cho ACC và APP, còn TWR thì vẫn sử dụng kỹ thuật VHF truyền thống để liên lạc với tàu bay.  B-VHF được đưa ra để giải quyết vấn đề hạn chế băng tần VHF hàng không cho các nước có mật độ bay cao sử dụng kỹ thuật MC – CDMA dựa trên OFDM. Hệ thống B-VHF sẽ phát VHF băng rộng điều chế số, việc này đòi hỏi phải thay đổi tất cả các thiết bị thu phát trạm mặt đất và trên tàu bay.  VHF offset là VHF truyền thống được đưa ra để giải quyết việc giảm tải cho kiểm soát viên không lưu đường dài. Với các nước có địa hình trải dài như Việt Nam thì một trạm VHF không thể phủ kín nên phải có các trạm VHF rải rác dọc địa hình, một tàu bay bay từ Nam ra Bắc phải qua nhiều trạm VHF. Tùy theo vị trí của tàu bay mà kiểm soát viên không lưu đường dài chọn trạm VHF thích hợp để làm việc. Nếu mật độ bay đông thì việc chọn trạm sẽ hết sức khó khăn. Hệ thống VHF offset cho phép kiểm soát viên không lưu phát đồng thời trên các trạm không cần quan tâm đến vị trí của tàu bay nữa, và cũng không gây 32 ra nhiễu giữa các trạm tại tàu bay đặc biệt là không cần phải thay đổi công nghệ trên tàu bay. Từ nhận định này, việc lựa chọn kỹ thuật VHF offset là phù hợp và khả thi cho FIR Hà Nội. Công ty bảo đảm hoạt động bay Việt Nam mới triển khai bắt đầu từ tháng 12 năm 2007 cho đến hết tháng 3 năm 2008, hoạt động thử nghiệm từ tháng 4 năm 2008 và đến tháng 9 năm 2008 thì chính thức đưa vào sử dụng. Trong chương sau sẽ mô tả chi tiết về kỹ thuật này cũng như tính toán cho tuyến liên lạc VHF tại các trạm cũng như thiết lập thời gian trễ tại mỗi trạm.