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 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 21 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN HỖ TRỢ DẪN ĐƯỜNG CHO PHI CÔNG MÁY BAY IAK-52 TRÊN CƠ SỞ SỬ DỤNG HỆ THỐNG TSB-IAK Lê Huy Phong* Tóm tắt: Bài báo trình bày các thuật toán hỗ trợ dẫn đường cho phi công máy bay Iak-52. Đó là thuật toán xác định các chỉ lệnh điều khiển trên màn hình đa năng của hệ thống TSB-Iak, hỗ trợ phi công điều khiển máy bay ở chế độ bán tự động bay theo hành trình đặt trước hoặc bay về sân bay hạ cánh. Từ khóa: Máy bay Iak-52; Hệ thống tham số bay; Bay hành trình. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Máy bay huấn luyện Iak-52 là máy bay sơ cấp với các hệ thống đồng hồ đo và chỉ thị tham số bay kiểu cũ, không được trang bị các tổ hợp lái - dẫn đường hiện đại, không có khả năng hỗ trợ dẫn đường cho phi công [1,2,3]. Vì vậy có thể ứng dụng các hệ thống đo và hiển thị các tham số dẫn đường bay kiểu mới (hệ thống TSB-Iak) để thay thế các đồng hồ kiểu cũ và bổ sung thêm tính năng hỗ trợ phi công thực hiện các thao tác dẫn đường như bay theo hành trình đặt trước, bay về sân bay hạ cánh từ bất kì vị trí nào trong không vực hoạt động của máy bay. 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TSB-IAK Hệ thống TSB-Iak dùng để đo và hiển thị các tham số dẫn đường, tham số bay, tham số động cơ của máy bay như: góc nghiêng; góc chúc ngóc; góc hướng; góc hướng về đài dẫn đường; cự ly về sân bay cất hạ cánh; góc hướng và cự ly tới đích; độ cao khí áp; tốc độ; tốc độ lên xuống; tốc độ lượn vòng; quá tải đứng; vị trí của máy bay; thời gian bay; tốc độ vòng quay động cơ; nhiệt độ đầu xi lanh động cơ; áp suất dầu nhờn; áp suất nhiên liệu; nhiệt độ dầu nhờn. Các tham số trên được hiển thị trên màn hình máy tính đặt ở buồng lái sau của máy bay (xem Hình 1). Hình 1. Bảng đồng hồ buồng lái sau máy bay Iak-52. Trong đó: 1 – Máy tính và màn hình của hệ thống TSB-Iak; 2 - Đồng hồ tốc độ; 3 – Máy chỉ góc nghiêng, góc chúc ngóc của hệ thống АГД-1; 4 - Đồng hồ độ cao. 1 2 4 3 Tên lửa & Thiết bị bay Lê Huy Phong, “Xây dựng thuật toán hỗ trợ dẫn đường sử dụng hệ thống TSB-Iak.” 22 Hệ thống TSB-Iak có sơ đồ chức năng được thể hiện trên Hình 2. Hệ thống gồm có 4 khối thiết bị thành phần: Khối truyền cảm tổng hợp (TC-TH), khối máy tính – màn hình (MT-MH), khối kết nối tổng hợp (KN-TH) và khối truyền cảm khí áp (TC-KA) [4]. Ở chế độ hoạt động độc lập, hệ thống sử dụng thông tin từ khối TC-TH là một hệ thống dẫn đường quán tính kết hợp GPS. Khối TC-TH cung cấp đầy đủ các tham số bay cơ bản như các góc nghiêng, chúc ngóc, hướng bay, các thành phần tốc độ góc, các thành phần gia tốc chuyển động tịnh tiến theo các trục của hệ tọa độ liên kết với máy bay, các thành phần tốc độ dài, vị trí của máy bay, độ cao bay. Ở chế độ làm việc phối hợp, hệ thống TSB-Iak có thể nhận, chuyển đổi thông tin từ các hệ thống, các truyền cảm trên máy bay thông qua khối KN-TH. Nhờ vậy hệ thống có thể đo và hiển thị đầy đủ tất cả các thông tin cần thiết cho phi công và về nguyên tắc, có thể thay thế tất cả các đồng hồ kiểu cũ trên bảng đồng hồ. Hình 2. Sơ đồ khối chức năng hệ thống TSB-Iak. Điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống là khối MT-MH. Khối MT-MH thực hiện các chức năng thu thập, xử lý, lưu trữ, hiển thị thông tin. Ngoài ra, khối MT-MH cũng thực hiện các thuật toán hỗ trợ dẫn đường cho phi công, các thuật toán xác định tham số giới hạn, cảnh báo cho phi công trong chuyến bay. Với máy tính và màn hình hiển thị, hệ thống TSB-Iak cho phép phi công có thể lựa chọn các chế độ, các tham số hiển thị một cách linh hoạt. Những tính năng đó cho phép nâng cao chất lượng của hệ thống đồng hồ, nâng cao an toàn và hiệu quả thực hiện các nhiệm vụ bay. 3. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN HỖ TRỢ PHI CÔNG BAY THEO HÀNH TRÌNH ĐẶT TRƯỚC TRÊN CƠ SỞ XỬ LÝ THÔNG TIN CỦA HỆ THỐNG TSB-IAK Như đã trình bày trong Mục 2, hệ thống TSB-Iak liên tục cung cấp các tham số: kinh độ (λ), vĩ độ (φ), độ cao (H), hướng bay (ψ), tốc độ theo hướng bắc (VN), tốc độ theo Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 23 hướng đông (VE) của máy bay. Trên cơ sở các tham số này sẽ xây dựng thuật toán tính toán các tín hiệu hỗ trợ cho phi công trong quá trình điều khiển máy bay. Bay theo hành trình đặt trước thực chất là quá trình bay qua các điểm trung gian có tọa độ cho trước trên bề mặt trái đất (các điểm PPM) [5,6]. Nói chung, quá trình này bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn dẫn máy bay về một điểm PPM và giai đoạn chuyển tiếp khi bay qua điểm PPM đó. Việc dẫn máy bay về một điểm PPM có thể thực hiện theo hai cách: theo hành trình và theo đường bay thẳng. Khi dẫn theo hành trình, các tham số cần xác định là: độ lệch cạnh (Z) của máy bay so với đường đoản trình thành phần; tốc độ thay đổi của độ lệch cạnh ( Z ); khoảng cách (S) từ điểm chiếu của máy bay vào đường đoản trình tới điểm PPM. Khi dẫn theo đường bay thẳng, các tham số cần xác định là: khoảng cách ( ZD ) từ máy bay tới điểm PPM; góc ( Zq ) hợp bởi véc tơ tốc độ hành trình và đường nối máy bay - điểm PPM (xem Hình 3). Hình 3. Các tham số của máy bay theo đường đoản trình. Khi dẫn theo hành trình, trước hết cần xác định các tham số của đường đoản trình thành phần nối hai điểm hành trình PPMi và PPMi+1. Giả sử tọa độ địa lý (kinh độ, vĩ độ) của các điểm PPMi và PPMi+1 lần lượt là λi, φi và λi+1, φi+1 và ΨZ = ПZ (xem Hình 4a) khi đó, các tham số của đường đoản trình thành phần PPMi – PPMi+1 là: - Góc phương vị của điểm hành trình PPMi+1 so với điểm PPMi:  1 2 arctg , 1Z B B   trong đó:               1 1 1 2 1 1 1 sin 90 sin sin sin ; cos 90 sin 90 sin 90 cos 90 cos sin cos . i i i Z Z i i i i i i Z Z B D B D                                    - Kinh độ địa lý (λORT) của điểm giao nhau giữa đường đoản trình và đường xích đạo địa lý và vĩ độ địa lý (φB) của điểm cao nhất trên đường đoản trình (Hình 4b) được tính theo các công thức (2) và (3):  2 3 arctg ; 2ORT B B   Tên lửa & Thiết bị bay Lê Huy Phong, “Xây dựng thuật toán hỗ trợ dẫn đường sử dụng hệ thống TSB-Iak.” 24   2 2 2 3 1 arctg , 3B B B B    trong đó:                       1 2 3 sin 180 sin 90 sin 90 sin sin90 sin 90 cos ; cos 180 sin sin 180 cos cos 90 cos 90 sin cos 90 sin sin 90 cos cos90 sin sin ; cos 180 cos sin 180 Z i G G B B Z i Z i i G G B ORT B ORT B ORT Z i B B B                                                                sin cos 90 cos cos 90 cos sin 90 sin cos90 sin cos . Z i i G B ORT B ORT B ORT                       Hình 4. Biểu diễn quỹ đạo bay hành trình theo bề mặt trái đất. - Góc lệch giữa kinh tuyến địa lý và kinh tuyến đoản trình (Hình 4c):  1 2 arctg , 4i B B   trong đó:             1 2 sin sin 90 sin 90 sin ; cos sin 90 sin cos 90 cos 90 sin 90 cos ; B ORT i i B i B i ORT i i B B                                 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 25 Giả sử tọa độ địa lý (kinh, vĩ độ) của máy bay là λ, φ, khi đó, các tọa độ đoản trình của máy bay (xem Hình 4d): 2 2 1 3 2 3 1 90 arctg ; (5) arctg , B B B B B              trong đó:                           1 2 3 sin 90 sin 90 sin 90 sin 90 ; cos 90 cos sin 90 sin cos 90 cos 90 ; cos 90 sin sin 90 cos cos 90 sin 90 cos 90 ; ORT B B ORT B B ORT B B B                                                          Từ các tọa độ đoản trình, có thể xác định độ lệch cạnh Z và cự ly tới điểm hành trình:     ; 6 ;PPM Z S        trong đó: ρ - khoảng cách từ tâm trái đất tới trọng tâm máy bay. Để hỗ trợ cho phi công, trên màn hình hiển thị của hệ thống TSB-Iak cần hiển thị độ lệch cạnh Z ở dạng vạch chỉ vị trí của máy bay so với đường đoản trình (vạch số 1 Hình 5). Khi máy bay ở bên phải đường đoản trình, vạch chỉ vị trí dịch chuyển sang trái so với vòng tròn trung tâm, khi máy bay ở bên trái, vạch chỉ chuyển sang phải (xem Hình 5); Ngoài ra, cần hiển thị góc nghiêng đặt trước ở dạng kim chỉ lệnh điều khiển theo kênh nghiêng (kim 4 Hình 5). Khi kim lệnh nghiêng sang trái so với vòng tròn trung tâm, phi công cần điều khiển máy bay nghiêng trái cho tới khi kim lệnh trở về vị trí trung lập. Hình 5. Vị trí các vạch chỉ lệch và kim chỉ lệnh trên đồng hồ hệ thống TSB-Iak. Khi máy bay nằm trong “vùng bay thẳng” là hành lang rộng 2km về hai phía của đường đoản trình ( kmZ 2 ), tín hiệu góc nghiêng đặt trước ( ZAD ) được xác định theo công thức: Tên lửa & Thiết bị bay Lê Huy Phong, “Xây dựng thuật toán hỗ trợ dẫn đường sử dụng hệ thống TSB-Iak.” 26 1 2 1 (7) 2 1 ZAD K Z K Z p          với:          ./5050 ;/50 smVkhiVSign smVkhiV Z   trong đó: p- toán tử Laplace; K1,K2- Các hệ số tỷ lệ; Vδ – thành phần của tốc độ bay theo trục δ của hệ tọa độ đoản trình. Khi máy bay nằm ngoài "vùng bay thẳng", việc dẫn máy bay về điểm hành trình cho trước được bắt đầu bằng việc vòng máy bay về "vùng bay thẳng" theo đường ngắn nhất. Nếu khoảng cách từ máy bay tới đường đoản trình thành phần 1.9Z R  km, quỹ đạo vòng sẽ bao gồm hai đoạn (xem Hình 6): - Đoạn 1 vuông góc với đường đoản trình; - Đoạn 2 vòng góc 900. Nếu khoảng cách từ máy bay tới đường đoản trình thành phần 9.12  RZ km, quỹ đạo vòng sẽ bao gồm một đoạn với góc nghiêng 300. Hình 6. Cơ động vào vùng bay thẳng. Khi đó, nếu δ<00, hướng đoản trình đặt trước cho máy bay là:   22 1.9 arctg 2 1.9; (8)1.9 0 1.9; OZ H R Z khi Z R R R Z khi Z R                 trong đó: R – bán kính vòng của máy bay: 2 2 2 2 ;N E MAX MAX W W V V R g tg g tg         g – gia tốc trọng trường; γMAX=30 o. Nếu δ>00, hướng đoản trình đặt trước cho máy bay là: ;180 HOZ    Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 27 Góc nghiêng đặt trước, trong trường hợp máy bay nằm ngoài "vùng bay thẳng" được xác định theo công thức: 2 1 0 2 1 ZAD K Z p          ; (9) Tín hiệu  Z lúc này được xác định theo công thức:          ./50sin50 ;/50sinsin smqWkhiVSign smqWkhiqW Z Z ZZ  0 0; ; arctg . E Z OZ TR i TR N V q V              Khi dẫn máy bay theo đường bay thẳng, cần xác định hai tham số: góc Zq và khoảng cách DZ từ máy bay về điểm PPM. Ta có: 1 2 2 2 1 2 3 ; (10) , Z Z TR TR Z Z B q arctg B B B D D arctg B                                              1 1 1 2 1 1 1 3 1 1 1 sin 90 sin sin sin ; cos 90 sin 90 sin 90 cos 90 cos sin cos ; cos 90 cos 90 sin 90 sin 90 cos cos . i i Z Z i i i Z Z i i i Z B D B D B D                                                          Góc Zq được thể hiện bằng kim chỉ hướng đặt trước còn khoảng cách DZ được thể hiện bởi chỉ số cự ly trên màn hình (Hình 7). Khi đó, phi công điều khiển máy bay về hướng đặt trước để bay thẳng tới điểm PPM và khi cự ly tiến đến 0 là lúc máy bay bay qua điểm đó. Hình 7. Góc hướng đặt trước và cự ly tới điểm hành trình. Tên lửa & Thiết bị bay Lê Huy Phong, “Xây dựng thuật toán hỗ trợ dẫn đường sử dụng hệ thống TSB-Iak.” 28 Khi máy bay bay qua điểm PPMi+1 một khoảng 2km sẽ bắt đầu giai đoạn chuyển tiếp tới điểm hành trình tiếp theo. Trong giai đoạn này, máy bay được dẫn theo đường bay thẳng tới điểm hành trình PPMi+2 (Hình 8). Góc Zq và khoảng cách DZ được tính theo công thức (10) khi thay λi+1, φi+1 bằng λi+2, φi+2. Ngoài việc điều khiển máy bay theo kim chỉ góc hướng đặt trước, phi công cũng có thể điều khiển theo kim chỉ lệnh góc nghiêng. Góc nghiêng đặt trước được tính theo công thức (9) trong đó:            .31545/50sin50 ;31545/50sinsin   ZZ ZZZZ qorsmqWkhiVSign qorqvàsmqWkhiqW Z  (11) Việc điều khiển theo kim chỉ hướng đặt trước hoặc theo kim chỉ lệnh góc nghiêng sẽ bảo đảm đưa máy bay vòng về phía điểm PPMi+2. Khi thỏa mãn điều kiện sẽ kết thúc giai đoạn chuyển tiếp. Máy bay nằm trong "vùng tuyến tính" của đường đoản trình cơ bản nối điểm cố định là vị trí của máy bay (λCĐ, φCĐ ) khi thỏa mãn điều kiện (12) và điểm PPMi+2 (λi+2, φi+2 ). 0 5Zq    hoặc 355 360 (12)Zq    Việc dẫn máy bay trong vùng này được thực hiện theo các công thức từ (1) đến (7) với sự thay thế λi+1, φi+1 bằng λi+2, φi+2; λi, φi bằng λCĐ, φCĐ . Hình 8. Dẫn máy bay trong vùng chuyển tiếp Các giai đoạn dẫn máy bay theo hành trình được thực hiện lần lượt từ điểm hành trình ban đầu tới điểm hành trình cuối cùng. Sau đó là giai đoạn dẫn máy bay về sân bay hạ cánh. 4. KẾT LUẬN TSB-Iak là hệ thống đo và hiển thị các tham số bay kiểu mới, có khả năng đo và hiển thị đầy đủ các tham số dẫn đường, tham số bay, tham số động cơ. Trên cơ sở các tham số đo được, sử dụng máy tính trên khoang thực hiện các thuật toán đã trình bày, xác định các chỉ lệnh điều khiển (thể hiện trên màn hình đa năng) cho phi công, có thể bổ sung thêm chức năng mới, hiện đại hơn cho hệ thống, hỗ trợ phi công trong quá trình thực hiện chuyến bay. Một trong số các chức năng đó là giúp phi công thực hiện các thao tác dẫn Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 29 đường, điều khiển bay hành trình, bay về sân bay hạ cánh, từ đó nâng cao chất lượng, hiệu quả và mức độ an toàn bay cho máy bay Iak-52. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Техническое описание: Учебно- тренировочный спортивный самолет Як-52, Москва «ПАТРИОТ»,1991. 159с. [2]. Самолёт IAK-52. Книга 3. Авиационное оборудование. [3]. Техническое описание: Авиационное и радиоэлектронное оборудование самолета Як-52, Москва «ПАТРИОТ»,1990. 30с. [4]. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống đo và hiển thị các tham số dẫn đường, tham số bay cho máy bay Iak-52 trên cơ sở hoàn thiện công nghệ đã áp dụng cho trực thăng họ Mi. Viện kỹ thuật PK-KQ. 2016, 114 trang. [5]. Giáo trình huấn luyện phi công Iak-52, NXB Quân đội nhân dân, Hà Nội – 2007 – 383 trang. [6]. А. М. Белкин Воздушная навигация: Справодчник. М.: Транспорт. 1988. -303с. ABSTRACT BUILDING ALGORITHMS TO SUPPORT FOR IAK-52 PILOTS IN NAVIGATION BY APPLYING THE TSB-Iak SYSTEM The paper presents algorithms to support for Iak-52 pilots in navigation by using the TSB-Iak system. Those are algorithms which control command bars on multifunctional screen of the TSB Iak system. These command bars guide pilots in direct modes which navigate aircraft to a preset course or a destination airport. Keywords: Iak-52 aircraft; Flight data system; Tracking the course. Nhận bài ngày 09 tháng 10 năm 2018 Hoàn thiện ngày 10 tháng 11 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 11 tháng 12 năm 2018 Địa chỉ: Viện Kỹ thuật PK-KQ. *Email: lehuyphong1965@yahoo.com.