Giải pháp xây dựng hệ thống ra đa cảnh giới biển vượt đường chân trời tại Việt Nam

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 81 GIẢI PHÁP XÂY DỰNG HỆ THỐNG RA ĐA CẢNH GIỚI BIỂN VƯỢT ĐƯỜNG CHÂN TRỜI TẠI VIỆT NAM Hà Huy Dũng1*, Lê Duy Hiệu1, Bùi Ngọc Mỹ2 Nguyễn Xuân Thái3, Phan Khắc Cương4 Tóm tắt: Ra đa cảnh giới biển vượt đường chân trời có phạm vi quan sát vượt qua giới hạn tầm nhìn thẳng quang học của các chủng loại ra đa cảnh giới truyền thống. Chủng loại ra đa này được phát triển ở những quốc gia có đường bờ biển dài. Tùy thuộc vào các điều kiện kinh tế, môi trường và đặc trưng địa lý mà cấu trúc các ra đa này tại các vùng lãnh thổ là khác nhau. Tại Việt Nam nhiệm vụ xây dựng một hệ thống ra đa cảnh giới biển vượt đường chân trời là một nhu cầu cấp thiết. Vì vậy cần giải quyết vấn đề xác định giải pháp phù hợp khả thi và đảm bảo áp dụng được những thành tựu công nghệ hiện đại trong xây dựng hệ thống ra đa này. Từ khóa: Cảnh giới biển; Vượt đường chân trời; Đặc trưng địa lý; Ra đa tầm xa; OTH-R. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Với sự phát triển chung của nhân loại, những vùng biển xa xôi trước đây có rất ít các hoạt động, ngày nay đã trở nên tấp nập với những đường giao thông, hoạt động thăm dò thử nghiệm, hoạt động quân sự. Nhu cầu quan sát những vùng biển này ngày càng trở nên cần thiết đối với các quốc gia lân cận nhằm quản lý thông tin và có những cảnh báo sớm đối với nhiều tình huống nhạy cảm. Việc thực hiện chức năng quản lý các vùng biển xa xôi có nhiều phương pháp (ảnh vệ tinh, ra đa tầm nhìn thẳng, ). Tuy vậy, những phương án này đều có những hạn chế của nó (sự đầy đủ thông tin cần thiết, tính chất mục tiêu hoặc kinh phí duy trì hoạt động),. Một phương án giảm bớt các hạn chế trên đó là sử dụng hệ thống ra đa có phạm vi quan sát vượt qua giới hạn phạm vi tầm nhìn thẳng, được biết đến với tên gọi ra đa cảnh giới biển vượt đường chân trời OTH-R (Over The Horizon Radar). Với gần 70 năm phát triển, OTH-R đã có được vị trí quan trọng đối với một số quốc gia có đường bờ biển dài, nhiều hệ thống OTH-R với cấu trúc khác nhau áp dụng công nghệ tiên tiến đã được khai thác với độ hiệu quả cao[4]. Các hệ thống OTH-R được thiết kế, xây dựng tùy thuộc vào mục đích sử dụng, tiềm lực của quốc gia và tính chất địa lý của quốc gia đó. Với tầm quan trọng như vậy, bài báo đề xuất giải pháp xây dựng một hệ thống ra đa cảnh giới biển vượt đường chân trời theo các điều kiện cụ thể của Việt Nam. 2. TỔNG QUAN HỆ THỐNG RA ĐA CẢNH GIỚI BIỂN VƯỢT ĐƯỜNG CHÂN TRỜI TRÊN THẾ GIỚI OTH-R là chủng loại ra đa sử dụng tần số phát xạ dải HF từ 3-30Mhz [1]. Đặc điểm của dải tần số này là khả năng lan truyền dọc theo bề mặt trái đất– sóng bề mặt và lan truyền nhờ phản xạ tại tầng điện ly – sóng bầu trời. Đây chính là lý do để OTH-R có thể quan sát được những cự ly rất xa từ 200 hải lý (sóng bề mặt) đến hàng nghìn hải lý (sóng bầu trời) [3] như minh họa trên hình 1. Các hệ thống OTH-R được phân loại theo phương thức lan truyền hoặc cấu hình hệ thống. Phân loại theo phương thức lan truyền: - Ra đa sử dụng sóng bề mặt ( OTH – Surface Wave Radar): Tín hiệu phát, phản xạ lan truyền theo mặt cong trái đất. - Ra đa sử dụng sóng bầu trời (OTH – Sky Wave Radar): Tín hiệu phát, phản xạ lan truyền nhờ đặc trưng phản xạ tại tầng điện ly. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử H. H. Dũng, , P. K. Cương, “Giải pháp xây dựng vượt đường chân trời tại Việt Nam.” 82 - Ra đa lai ghép sóng bầu trời-bề mặt (Sky-Surface wave): Loại ra đa này sử dụng một trạm phát xạ tín hiệu theo đường lan truyền sóng bầu trời kết hợp với phát xạ tín hiệu sóng bề mặt tại các trạm thu sóng bề mặt. Hình 1. Đường truyền HF theo hai phương thức lan truyền. Phân loại theo cấu hình hệ thống: - Cấu hình hai trạm (Bi-Station): Ra đa sử dụng trạm thu và phát tách biệt về địa lý với khoảng cách từ hàng chục đến hàng trăm km. - Cấu hình giả lập đơn trạm (Mono-Station): Trạm thu và phát của cấu hình ra đa này vẫn là tách biệt tuy nhiên khoảng cách giữa chúng nhỏ hơn 2 km. - Cấu hình đa trạm (Multi-Station): Ra đa sử dụng một trạm phát và nhiều trạm thu(phát), khoảng cách giữ trạm thu và phát thường lên tới hàng trăm km. Mặc dù còn có nhiều phương pháp đánh giá các chủng loại OTH-R như cấu trúc ăng ten hay mô hình thiết lập, tuy nhiên những phân loại này không thể hiện được tính năng cụ thể của đài ra đa nên thường không được đề cập đến. Bảng 1 liệt kê một số chủng loại ra đa tiêu biểu của các quốc gia có bề dày lịch sử nghiên cứu và vận hành OTH-R trên thế giới. Bảng 1. Các hệ thống OTH-R tiêu biểu. TT Quốc gia Hệ thống OTH-R Phương thức Cấu hình hệ thống 1 Austraylia JORN Sóng bầu trời Hai trạm 2 Canada SWR-503 Sóng bề mặt Đơn trạm SWR-610 Sóng bề mặt Đơn trạm 3 Pháp Velensole Sóng bầu trời Đơn trạm Notradamus Sóng bầu trời Đơn trạm 4 Nga IRIDA Sóng bề mặt Hai trạm 5 Anh Atenia Marconi Sóng bề mặt Đa trạm Overseer Sóng bề mặt Đa trạm 6 Mỹ AN/FPS Lai ghép Đa trạm MADRE Lai ghép Đa trạm WARF Lai ghép Đa trạm 7 Trung Quốc Chưa công bố Lai ghép Đa trạm Trong nhóm các quốc gia có hệ thống OTH-R phát triển mạnh, Mỹ và Trung quốc có khả năng tự thiết kế chế tạo các chủng loại OTH-R phức hợp với sự đa dạng về cấu trúc hệ thống lẫn giải pháp lan truyền. Các hệ thống phức hợp này đảm bảo khả năng quan sát các cự ly vươn tới 3000km với các góc quạt tập trung vào các khu vực trọng điểm. Tóm lại, với bức tranh khá toàn cảnh về OTH-R đã được trình bày với những đặc điểm về dải tần HF, phương thức lan truyền sóng bề mặt (phạm vi 370km), sóng bầu trời (phạm Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 83 vi 3000km). Tại mỗi quốc gia, tùy vào mục đích hay mục tiêu sử dụng và khả năng cho phép về địa lý triển khai đều phát triển những hệ thống phù hợp nhất. Dựa trên những nền tảng này, phần tiếp theo của bài báo sẽ phân tích cụ thể một giải pháp OTH-R áp dụng với điều kiện của Việt Nam. 3. GIẢI PHÁP XÂY DỰNG HỆ THỐNG RA ĐA VƯỢT ĐƯỜNG CHÂN TRỜI TẠI VIỆT NAM 3.1. Tính cấp thiết, mục tiêu sử dụng Hiện nay, giám sát hàng triệu km vuông mặt biển của Việt Nam chưa đáp ứng được yêu cầu của Đảng và nhà nước, nhiều tình huống nhạy cảm xa bờ chúng ta không chủ động được. Xây dựng hệ thống OTH-R có thể giải quyết được yêu cầu này, ngoài ra thông tin của OTH-R còn hỗ trợ các ngành kinh tế biển, công tác phòng chống thiên tai, cứu hộ cứu nạn... Do vậy Đảng, Nhà nước, Quân đội xác định phải xây dựng hệ thống OTH-R tại Việt Nam có phạm vi quan sát giám sát 200 hải lý tính từ bờ biển, từ Vịnh Bắc bộ đến cửa biển Vũng Tàu. 3.2. Lựa chọn giải pháp Để đáp ứng các mục tiêu đề ra, Việt Nam cần xây dựng một hệ thống OTH-R hoạt động trong dải tần HF (3÷30Mhz). Trong đó: Phương thức truyền sóng: OTH-R sóng bầu trời có cự ly hoạt động hàng nghìn km nhưng vùng mù lại rất lớn, điều này không phù hợp với mục đích quan sát vùng đặc quyền kinh tế của Việt Nam. Như vậy, chỉ có hai phương án phù hợp là OTH-R sóng bề mặt và OTH-R lai ghép. Hệ thống OTH-R lai ghép có chi phí thực hiện rất cao và đòi hỏi khoảng cách trạm phát nằm sâu trong nội địa, cách bờ biển hàng trăm km hiện chưa phù hợp tại Việt Nam. Do đó, OTH-R sóng bề mặt là giải pháp được lựa chọn. Cấu hình hệ thống:Với phương thức truyền sóng đã xác định, cấu hình đa trạm được loại bỏ. Cấu hình hai trạm tách biệt tuy khả thi, dễ thực hiện nhưng khi đó cơ cấu tổ chức sẽ cồng kềnh và cần yêu cầu về cơ sở hệ thống thông tin để đồng bộ hoạt động giữa các trạm. Phương án xây dựng cấu hình này là các trạm thu được thiết lập tại các đảo xa bờ, điều này gần như không khả thi với điều kiện và cơ sở vật chất của Việt Nam. Cấu hình đơn trạm có tính phù hợp rất cao đối với hạ tầng cơ sở cũng như công tác tổ chức biên chế tại Việt Nam. Tuy nhiên yêu cầu về các đặc trưng địa lý là một vấn đề khó khăn cần có khảo sát thực tế khi lựa chọn vị trí xây dựng trạm. Giải pháp tổ hợp OTH-R: Để giải quyết mục tiêu đã đề ra với vùng quan sát trải dài từ Vịnh Bắc bộ tới cửa biển Vũng tàu. Việt Nam cần nhiều hơn một trạm hay hệ thống OTH- R được thiết lập dọc theo bờ biển. Nhóm trạm OTH-R này cần được liên kết để tạo ra một tổ hợp OTH-R cung cấp phạm vi quan sát theo yêu cầu. Từ chiều dài bờ biển Việt Nam 3260 km và cự ly quan sát xấp xỉ 370 km của mỗi trạm theo hai hướng bắc nam. Số trạm OTH-R đủ phải là 07 trạm, tối thiểu là 05 trạm khi chỉ quan sát khu vực trọng điểm. 3.3. Giải pháp kỹ thuật trạm OTH-R HF-SFW ra đa thường sử dụng tín hiệu phát dạng FMICW (Frequency-Modulated Interuptive Continuos Wave). Dạng tín hiệu này có khả năng bao phủ miền tần số Doppler rộng và công suất trung bình nhỏ. Tín hiệu phát được điều tần tuyến tính trong xung [1]. Mô hình trạm ăng ten đơn trạm có góc quạt quan sát 1200 như mô tả trên hình 2. Trong đó, cụm ăng ten phát gồm 4 ăng ten cao 16m, với hai hàng cách nhau 0,5λ, và khoảng cách 2 ăng ten cùng hàng là 0,15λ. Có hệ số khuếch đại Gt = 6dBi, công suất đỉnh Pt = 400W . Cụm ăng ten thu gồm 2 hàng 16 ăng ten cao 9m với các khoảng cách ăng ten xấp xỉ 0,45λ. Khoảng cách giữa hai cụm ăng ten cần đạt 700-750m. Hệ số khuếch đại của bộ ăng ten thu Kỹ thuật điều khiển & Điện tử H. H. Dũng, , P. K. Cương, “Giải pháp xây dựng vượt đường chân trời tại Việt Nam.” 84 Gt > 3dBi, độ nhạy Pr = -168dBm. Yêu cầu về địa điểm lắp đặt là một không gian phẳng, thoáng có chiều dài bờ biển sử dụng khoảng 1500m [6]. Hình 2. Hệ thống ăng ten OTH-R HF SFW. Một trạm OTH-R có cấu trúc hệ thống đề xuất như hình 3 sử dụng các công nghệ cơ khí vật liệu mới nhất trong chế tạo ăng ten và các bộ xử lý tín hiệu FFT tốc độ cao cùng với phần mềm bám sát xử lý thông tin ra đa là những yếu tố đảm bảo cho yêu cầu ứng dụng các công nghệ hiện đại trong thiết kế ra đa cảnh giới biển tầm xa của Việt Nam [1]. Hình 3. Cấu hình trạm ra đa cảnh giới biển tầm xa. 4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG Chứng minh, xác định tính khả thi của hệ thống OTH-R đã lựa chọn với mục tiêu đã đề ra là nội dung chính được thực hiện trong mục này của bài báo. Theo mô hình trạm OTH-R đã lựa chọn, cần thực hiện quá trình nghiên cứu khảo sát về khả năng đáp ứng các tiêu chuẩn về địa lý và môi trường điện từ. Kết quả khảo sát thực tế: khảo sát và đo đạc thực tế vị trí lắp đặt hệ thống tại nhiều địa phương trên lãnh thổ Việt Nam (địa phương cụ thể trong hồ sơ khảo sát), các địa phương đó đều đạt tiêu chuẩn về địa hình lắp đặt và điều kiện môi trường nhiễu. Trên hình 4 đưa ra kết quả khảo sát tại bờ biển thuộc Thành phố Huế. Như vậy với ảnh thực địa, về diện tích triển khai là hoàn toàn có thể đáp ứng. Nửa dưới hình 4 là khảo sát về môi trường điện từ, vạch sáng màu thể hiện điểm nhiễu mạnh cần Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 85 tránh. Có thể thấy các dải tần số sạch có độ rộng lớn hơn băng thông hoàn toàn có thể đáp ứng cho hoạt động chức năng của trạm OTH-R. Hình 4. Kết quả khảo sát tại Huế. Một trạm OTH-R có ăng ten thu phát cùng vị trí có phương trình ra đa tương tự như phương trình ra đa kinh điển với những biến thể tham số phù hợp [4]. Cụ thể: APS rtt r LLLR GGP P 43 2 )4(    (1) Diện tích phản xạ hiệu dụng đối với dải tần HF được tính theo (2). Với f là tần số làm việc theo Mhz, theo khảo sát f = 4Mhz là giải tần khả thi tại Việt Nam, D là tham số xác định độ lớn mục tiêu [3]. 352 fD (m2) (2) LS –Suy hao hệ thống. LS = 3dB với các hệ thống đang được triển khai. LA – Suy hao theo đặc trưng môi trường tín hiệu.Bao gồm các ảnh hưởng của nhiễu biển, nhiễu tầng điện ly và nhiễu môi trường điện từ. Theo tiêu chuẩn và khảo sát của ITU- GRWAVE LA = 8dB với cấp sóng biển trung bình. LP –Suy hao đường truyền sóng. Được tính theo (3). Trong đó A là tham số tùy chỉnh theo cấp sóng biển (A ≤ 1). 4 4 A R LP    (3) Thay thế (2) và (3) vào (1) ta có công thức tính cự ly (4): 5 4 433 )4( 52 ASr rtt LLP AfDGGP R    (4) Để tính Rmax mục tiêu được chọn có kích thước lớn, tương đương với các tàu buôn,D = 15 m và tham số A được chọn trong điều kiện lý tưởng, A = 1. Thay thế các giá trị đã xác Kỹ thuật điều khiển & Điện tử H. H. Dũng, , P. K. Cương, “Giải pháp xây dựng vượt đường chân trời tại Việt Nam.” 86 định vào (4) ta thu được Rmax = 365,82 km. Giá trị này xấp xỉ 200 hải lý, đảm bảo được yêu cầu bao phủ vùng quan sát như mục tiêu đã để ra. Kết quả vùng bao phủ theo mô phỏng của tổ hợp OTH-R như nội dung đề xuất trong bài báo đảm bảo quan sát toàn bộ vùng đặc quyền kinh tế của Việt Nam được mô tả trên hình 5. Bao gồm 8 miền góc quạt 1200, với bán kính theo Rmax đã tính toán. Hình 5. Vùng quản lý của tổ hợp cảnh giới biển tầm xa tối ưu tại Việt Nam. 5. KẾT LUẬN Với chiều dài bờ biển Việt Nam 3260 km và cự ly quan sát xấp xỉ 370 km của mỗi trạm theo hướng Bắc-Nam. Tổ hợp OTH-R Cần 07 trạm OTH-R và tối thiểu là 05 trạm. Cấu hình đơn trạm. Mỗi trạm sử dụng phương pháp lan truyền sóng theo bề mặt biển có: Dải tần số công tác HF (3÷30Mhz); Tín hiệu phát dạng FMICW; Anten phát gồm 4 chấn tử cao 16m; Cụm anten thu gồm 2 hàng 16 chấn tử cao 9m; Khoảng cách giữa hai cụm anten thu (700 -750)m; Chiều dài bờ biển khoảng 1500m. Những thiết kế và mô hình toán chi tiết phục vụ cho quá trình chế tạo và thử nghiệm OTH-R tại Việt Nam sẽ được nhóm nghiên cứu tiếp tục hoàn thiện. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Anshu Cupta,”Theory and Measurement Validation of Novel HF SWR Receiver Architecture: Antenna design clutter suppressional detection”, Haburg,Germany,trang 65-141,2015. [2]. LI,Y.J,WEI,Y.S “Analysis of first-order sea clutter spectrum characteristics for HF sky-surface wave radar”, Internation Conference on Radar,trang 368- 373,2013. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 87 [3]. Bin-YiLin,“HF Over-The-Horizon radar system performance analysis”, Monterey-California, trang 15-42,2007. [4]. Hing C.Chan,”Detection and tracking of low antitude aircraft using HF surface wave radar”,Defence reseach establishment Ottawa,trang 14-42,1998. [5]. A.Dzvonkovskaya,K.-W.Gurpel “Low power high frequency surface wave radar application for ship dection and tracking”,Radar conference,Austraylia, trang 654-659,2008. [6]. ABSTRACT OVER-THE-HORIZON COASTAL RADAR: DEVELOPMENT TREND IN THE WORLD AND A PROPOSED SOLUTION FOR ITS IMPLEMENTATION IN VIETNAM Over-The-Horizon coastal surveillance radar is capable of detect targets at very long ranges beyond the radar horizon, which is the range limit for traditional radar. This type of radar has been developed in countries with long coastlines. Depends on the economic, environmental, and geographical characteristics of each region, the radar architecture for that region is different. In Vietnam, it is an urgent need to develop an over-the-horizon coastal surveillance. Therefore, it's critical to identify feasible solutions, and ensure the application of state of the art technologies in the development of such radar. Keywords: Coastal surveillance; Over-the-horizon; Geographical characteristics; Long range radars; OTH-R. Nhận bài ngày 30 tháng 01 năm 2019 Hoàn thiện ngày 27 tháng 3 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 16 tháng 4 năm 2019 Địa chỉ: 1 Viện Ra đa, Viện KH – CN quân sự; 2 Phòng Đào tạo, Viện KH – CN quân sự; 3 Phòng Ra đa, Bộ tham mưu,Quân chủng hải quân; 4 Khoa Binh chủng, Trường Sỹ quan lục quân 1. * Email: dungsystemdesigner@gmail.com.