Nghiên cứu xây dựng hệ thống định vị vệ tinh hỗ trợ phi công trên máy bay SU-22M4 - Huỳnh Thị Lệ Quyên

Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CNTT, 12 - 2017 295 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH HỖ TRỢ PHI CÔNG TRÊN MÁY BAY SU-22M4 Huỳnh Thị Lệ Quyên*, Nguyễn Quang Minh Tóm tắt: Bài báo đề xuất xây dựng một hệ thống bao gồm một phần mềm hỗ trợ sỹ quan dẫn đường lập kế hoạch bay và một thiết bị hỗ trợ phi công lái máy bay SU- 22M4 xác định vị trí trên bản đồ. Thiết bị trên máy bay sẽ sử dụng các thông tin thu được từ hệ thống định vị GPS (Global Positioning System) được tích hợp bên trong cùng các linh kiện khác. Thiết bị này có thể hoạt động độc lập hoặc lấy dữ liệu bài tập bay được thiết kế sẵn, dữ liệu thu được sau quá trình bay có thể được xem lại và so sánh với dữ liệu bài tập phục vụ cho công tác kiểm tra, đánh giá. Từ khóa: GPS, Su-22M4, Dẫn đường, Huấn luyện, Thiết bị chuyên dụng 1. MỞ ĐẦU Hiện nay trong nước đã có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến công nghệ định vị vệ tinh phục vụ giám sát quản lý các trang thiết bị, phương tiện đường bộ, đường không. Các ứng dụng này dựa trên cơ sở các thiết bị định vị vệ tinh để đọc thông tin và xử lý [1]. Tuy nhiên, trong lĩnh vực quân sự thiết bị định vị dành riêng cho máy bay Su-22M4 vẫn chưa có giải pháp cụ thể. Đây là loại máy bay đời cũ, khi phi công bay biển xa, cách xa đài ra đa trung tâm sẽ khó liên lạc với trạm chỉ huy, khó xác định được địa tiêu như khi bay trên đất liền. Loại máy bay này sử dụng một hệ thống dẫn đường dựa vào tín hiệu radio để xác định vị trí và tốc độ của máy bay (RSBN-6S tại mặt đất, A-312 đặt trên máy bay) và một hệ thống dẫn đường quán tính. Các máy thu sóng radio (vô tuyến) đặt trên máy bay chỉ có thể làm việc với các máy phát sóng của hệ thống định vị mặt đất tại các sân bay trong bán kính nhỏ hơn 300 km. Đồng thời, các trạm phát sóng radio trên mặt đất cũng chỉ có tầm phủ sóng dưới 300 km [2,3]. Bên cạnh đó, vì đặc thù là máy bay quân sự, các vị trí trên buồng lái đều có những chức năng riêng, khi muốn đặt thêm bất cứ một thiết bị nào cũng phải được đo đạc, lắp ráp phù hợp. Do vậy, việc xây dựng một thiết bị dành riêng cho máy bay Su-22M4, có thể hỗ trợ phi công hoàn thành nhiệm vụ bay biển xa là một điều rất cần thiết. Nội dung bài báo bao gồm 04 mục, mục 1 - Mở đầu, tập trung vào việc phân tích các đặc tả và yêu cầu của bài toán. Mục 2 - Thiết kế hệ thống, đưa ra mô hình, kiến trúc hệ thống. Mục 3 - Xây dựng hệ thống và mục 4 - Kết luận, là những đánh giá cũng như hướng phát triển tiếp theo của hệ thống. 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG Hệ thống hỗ trợ phi công trên máy bay Su-22M4 được chỉ ra trong hình 1, bao gồm 2 phân hệ chính: - Phần mềm lập kế hoạch bay; - Thiết bị đặt trên máy bay Su-22M4. Nhiệm vụ các khối trong sơ đồ - Chip GPS: Thu nhận tín hiệu vệ tinh, trả về dữ liệu theo định dạng mặc định chuẩn NMEA 0183. 296 các s hình d 22M4, là kh kh ho máy bay thu nh 2.1. H 2.2. - Ph - Thi ối nguồn) đ - Ph ạch bay dựa tr - Máy tính H H. T. L. Quyên, N. Q. Minh ần mềm hỗ trợ dẫn đ ố liệu kinh độ, vĩ độ, ph ư ần mềm lập kế hoạch bay ệ thống phần mềm lập kế hoạch bay ệ thống đặt tr ới dạng chữ số v ết bị tr ối chứa các th ên Su ận đ : cài đ ược ên các công th cài đ ược, vẽ biểu đồ, hỗ trợ chỉ huy đánh giá b ặt phần mềm lập kế hoạch bay ên máy bay Su à v -22M4 ặt phần mềm hỗ trợ dẫn đ , “ ương v ị trí tr : ành ph Nghiên c ường Lắp đặt tại vị trí cố định tr ức hỗ trợ dẫn đ Hình 1. ên b ần phần cứng (máy tính, chip GPS, m : có ch : Đ ị, cự ly, ản đồ số. -22M4 ứu xây dựng hệ thống định vị vệ tinh Su ọc dữ liệu từ GPS, xử lý v Sơ đ ức năng hỗ trợ sỹ quan dẫn đ độ cao, hiển thị các số liệu tr ư ồ khối hệ thống. ờng, xử lý các số liệu do thiết bị tr ư ờng. ên bu ài ồng lái máy bay Su bay c Công ngh à phân tách thành ủa phi công. ư ệ thông tin ờng lập kế -22M4 ên màn àn hình, .” - ên Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CNTT, 12 - 2017 297 - Vỏ hộp chứa các linh kiện được thiết kế và lắp ráp theo bản vẽ; - Module hỗ trợ dẫn đường: Được tích hợp máy thu GPS, thu nhận dữ liệu định vị của máy bay, hiển thị trên màn hình các số liệu cần thiết hỗ trợ phi công xác định vị trí hiện tại. 2.3. Hoạt động của hệ thống Máy vi tính được cài đặt phần mềm lập kế hoạch bay, đặt tại mặt đất gồm hỗ trợ sỹ quan dẫn đường: Cập nhật tỉnh thành, cập nhật sân bay, địa tiêu; Lập kế hoạch bay, tính toán các số liệu dựa trên lý thuyết dẫn đường; Bài tập bay được thiết kế sẵn và lưu vào một USB có thể chuyển lên thiết bị trên máy bay để hỗ trợ phi công theo dõi đường bay bài tập đồng thời để lưu trữ dữ liệu bay sau khi phi công hoàn thành bài bay. Dữ liệu này được dùng để so sánh với số liệu của trạm ra đa dẫn đường ghi nhận được Thiết bị lắp trên máy bay, hoạt động độc lập sử dụng nguồn điện của máy bay được cài đặt phần mềm hỗ trợ dẫn đường, hệ thống được xây dựng và hoạt động dựa trên nguyên lý dẫn đường hệ thống định vị toàn cầu GPS, ở đây người sử dụng chính là hệ thống thu nhận tín hiệu vệ tinh được đặt trên máy bay. Phần mềm cài đặt trên thiết bị sẽ phân tích các dữ liệu trả về từ chip GPS thành các thành phần kinh độ, vĩ độ, độ cao, tốc độ và hướng hiện thời của máy bay và hiển thị lên màn hình gồm các số liệu bằng số và hình ảnh trực quan dưới dạng ký hiệu trên nền bản đồ số [4, 5, 6, 7]. 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG 3.1. Lựa chọn linh kiện và thiết kế, lắp đặt phần cứng hệ thống Buồng lái của máy bay rất nhỏ do vậynhóm tác giả tiến hành đo các kích thước của giá đỡ thiết bị, dự kiến sẽ chế tạo phần vỏ hộp thiết bị mới vừa vặn lắp đặt lên phần giá đỡ có sẵn. Kích thước đo đạc được lần lượt theo chiều rộng, dài và cao là 160mm, 200mm và 80mm. Với phần vỏ hộp kích thước nhỏ như thế này tiếp tục sẽ tiến hành lựa chọn các linh kiện cho phù hợp. GPS: Chipset Condor C1722 Anten tích cực Megnetic Mount Máy tính công nghiệp Artigo A1100 Màn hình cảm ứng 5inch GD50TN33-GTT050RDH03/XX-XX Ngoài các thiết bị này còn có các nguyên vật liệu khác kèm theo như dây điện chống cháy, dây nguồn, đầu cắm, usb 3.1.1. Thiết kế mạch in bộ thu GPS tiêu chuẩn 298 3.1.2 phi công khi bay, đ gi có th m 3.1.3 Đ ả đ ặt b H. T. L. Quyên, N. Q. Minh . Thi ể đảm bảo khi lắp đặt thiết bị không ảnh h ã đo đ ể lắp đặt vừa vặn m ên đ . Sơ đ ết kế vỏ hộp thiết bị tr ể lắp l ạc v ồ lắp ráp các linh kiện của thiết bị à thi Hình 4. Hình 2. ên bu ồng thời ết kế phần vỏ hộp thiết bị với kích th ồng lái không v Hình 3. Sơ đ M à không che khu , “ ạch in lớp tr , ồ lắp ráp các linh kiện trong hộp thiết bị. Nghiên c ên máy bay có th Thi ể dễ d ết kế tổng thể ư ứu xây dựng hệ thống định vị vệ tinh Su ớng v ên và m àng quan sát màn hình thi ất tầm nh ào kính che bu ạch in lớp d ư c ởng đến thao tác v ìn c ủa vỏ hộp. ủa phi công khi bay (vát một ước 80 x 160 x 200 mm, ồng lái) ưới. Công ngh à t ết bị, nhóm tác ầm nh ệ thông tin -22M4 ìn c .” ủa Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CNTT, 12 - 2017 299 Thiết bị sử dụng nguồn điện áp 27V từ điện ắc quy trên máy bay, hệ thống nguồn của thiết bị cần độ ổn định cao do các điều kiện vận hành khắc nghiệt. Điện áp cấp từ máy bay thay đổi dải rộng có nhiều xung áp cao do quá trình khởi động máy bay, các thiết bị công suất lớn trên máy bay hoạt động. 3.1.4. Kiểm tra các thông số hoạt động của chip GPS bằng phần mềm Sử dụng phần mềm Trimble GPS Studio Application để kiểm tra chức năng thu nhận tín hiệu từ GPS sau khi đã lắp ráp chipset theo bản vẽ. Phần mềm này giúp người dùng cấu hình GPS, với giao diện dễ sử dụng, phần mềm làm việc với cổng kết nối serial qua chuẩn USB. Qua kiểm tra bộ thu GPS bằng phần mềm cho thấy tín hiệu GPS thu nhận tốt, bộ thu đảm bảo các tiêu chuẩn về thiết kế. 3.2. Giao diện và chức năng của hệ phần mềm Hệ thống được xây dựng với các chức năng chính: - Quản lý danh mục chung: Hình ảnh sân bay, địa tiêu, các loại máy bay, ký hiệu quân sự, thiết lặp các thông số chung cho hệ thống (màu sắc, đồ hình phương vị, tỉ lệ bản đồ); - Vẽ các bài bay theo kế hoạch; - Theo dõi trực tiếp vị trí của máy bay trên màn hình thiết bị. Hình 5. Giao diện của phân hệ hỗ trợ dẫn đường cho máy bay. Hình 6. Giao diện phân hệ hỗ trợ lập kế hoạch bay. Hiển thị phương vị, cự ly, độ cao, tốc độ và hướng của máy bay. Hiển thị phương vị, cự ly so với sân bay, địa tiêu gần nhất. Lưu trữ danh sách các điểm cố định. Hiển thị đầy đủ các số liệu về phương vị, cự ly, độ cao, tốc độ và hướng của máy bay, ngoài ra còn hiển thị hình ảnh ký hiệu máy bay trực quan trên nền bản đồ số giúp phi công xác định vị trí hiện tại của máy bay. Ghi lại toàn bộ số liệu bay của phi công, giúp phi công và người chỉ huy xem lại đường bay và đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ. Thiết bị sử dụng đường bay kế hoạch được lập bởi sỹ quan dẫn đường để giúp phi công theo dõi đường bay và bay đúng ý định người chỉ huy. Phần mềm lập kế hoạch bay giúp sỹ quan dẫn đường lập các đường bay kế hoạch trên nền bản đồ số dễ dàng, có thể chỉnh sửa các điểm trên đường bay nhanh chóng. Công nghệ thông tin H. T. L. Quyên, N. Q. Minh, “Nghiên cứu xây dựng hệ thống định vị vệ tinh Su-22M4.” 300 Thông số kỹ thuật hệ thống Kiểu thiết bị L1 frequency, C/A code, thu 22 kênh Thời gian thu 0.5 - 3.5 phút Độ chính xác Vị trí: ± 5 m Tốc độ: 0.1 knots Độ cao: ± 8m Thời gian: UTC Hiển thị Màn hình LCD, TFT 5inch cảm ứng, hiển thị đa sắc Tốc độ cập nhật vị trí 2 lần 1 giây lên đến 5 lần 1 giây Đặc tính vật lý Kích thước 8Hx16Wx20D (cm) Nguồn điện 27VDC Nhiệt độ Bộ thu: -40 đến +85oC Độ ẩm 5% đến 95% tại 60oC 3.3. Lắp đặt và thử nghiệm thiết bị Hình 7. Thiết bị lắp đặt trên máy bay. Hình 8. Thiết bị hoạt động trên máy bay. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CNTT, 12 - 2017 301 Hình 9. Quy trình thử nghiệm thiết bị trên máy bay. 4. KẾT LUẬN Nhóm tác giả đề xuất và thử nghiệm thành công hệ thống thiết bị hỗ trợ cho phi công xác định vị trí khi bay trên máy bay Su-22M4 dựa trên các thông tin thu được từ hệ thống định vị GPS. Thông tin của máy bay được xử lý và hiện thị trên bản đồ số với giao diện trực quan và dễ sử dụng, qua đó cho phép phi công có thể xác định được vị trí của máy bay. Hệ thống đã được thử nghiệm và cho kết quả tốt tại Trung đoàn 937/Sư đoàn 370. Tuy nhiên, màn hình thiết bị hiển thị vẫn còn nhỏ, dưới điều kiện ánh sáng mặt trời ban ngày vẫn chưa phát huy tối đã tác dụng. Để bài toán được giải quyết triệt để, nhóm tác giả cần phải tối ưu giao diện hiển thị của thiết bị, chuyển các nút bấm trên màn hình cảm ứng sang nút bấm vật lý để hỗ trợ phi công thao tác tốt hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Thanh Hải, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị định vị vệ tinh phục vụ giám sát, quản lý phương tiện giao thông đường bộ, đường sắt”, Đề tài dự án cấp nhà nước, 2010. [2]. Bộ tư lệnh không quân, “Sổ tay dẫn đường”, Phòng tham mưu không quân, 1968. Công nghệ thông tin H. T. L. Quyên, N. Q. Minh, “Nghiên cứu xây dựng hệ thống định vị vệ tinh Su-22M4.” 302 [3]. Quân chủng phòng không không quân, “Tổ chức thông tin Rada bảo đảm bay của trung, sư đoàn không quân”, Nhà xuất bản quân đội nhân dân, Hà Nội 2008. [4]. Agnew, D.C. and Larson, K.M. “Finding the repeat times of the GPS constellation”. GPS Solutions (Springer) 11 (1): 71–76, 2007. [5]. El-Rabbany, A. “Introduction to GPS: The Global Positioning System”. 2nd revised edition.Artech House Publishers, Boston, USA, 2006, ISBN 1- 59693-016-0. [6]. MapInfo Pitney Bowes Software Inc. [7]. NMEA Reference Manual, SiRF Technology, Inc. ABSTRACT RESEARCH ON BUILDING THE DEVICE INTEGRATED GLOBAL POSITIONING SYSTEM TO SUPPORT THE PILOT ON SU-22M4 AIRCRAFT In the article, the construction of a system that includes the software of navigator guidance to plan flight and one device that supports the pilot on SU-22M4 aircraft located on the map is proposed. The device will use the information obtained from the GPS (Global Positioning System) integrated within the same components. This device can operate independently or retrieve pre-designed flight data, data obtained after flight can be reviewed and compared with exercise data for inspection and evaluation. Keywords: GPS, Su-22M4, Navigation, Training, Specialized equipment. Nhận bài ngày 16 tháng 8 năm 2017 Hoàn thiện ngày 26 tháng 11 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 28 tháng 11 năm 2017 Địa chỉ: Viện Công nghệ thông tin - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự. *Email: lequyenk41@gmai.com.