Hệ thống thông tin, dẫn đường, giám sát phục vụ quản lý không lưu CNS/ATM

Hệ thống thông tin, dẫn đường, giám sát phục vụ quản lý không lưu CNS/ATM 11:35, 27/07/2007 ThS. Nguyễn Thị Xuân Mỹ Giới thiệu Quản lý không lưu (Air Traffic Management - ATM) có thể hiểu là quản lý sự lưu thông của tàu bay di chuyển trên không. Sự lưu thông của tàu bay trên các tuyến đường bay cần phải tuân theo sự điều hành của bộ phận kiểm soát không lưu dưới mặt đất để đảm bảo hoạt động bay an toàn, điều hoà, và hiệu quả. Tuy nhiên, khác với dưới mặt đất, để xác định tuyến đường bay trên không, tàu bay cần dựa vào mốc tín hiệu phát lên của các thiết bị phù trợ dẫn đường, dẫn hướng. Việc giám sát hoạt động bay của bộ phận kiểm soát không lưu không thể thực hiện bằng mắt thường mà cần tới sự hỗ trợ của các thiết bị radar. Liên lạc giữa kiểm soát viên không lưu dưới đất với phi công trên trời cần nhờ tới các trang thiết bị thông tin đất đối không (ví dụ như HF, VHF). Ngoài ra nhu cầu trao đổi thông tin giữa các bộ phận dưới đất liên quan tới quản lý không lưu cũng cần tới sự giúp đỡ của hạ tầng thông tin mặt đất. Tuy nhiên, hạ tầng kỹ thuật phục vụ quản lý không lưu hiện nay đã bộc lộ nhiều mặt hạn chế. Khi lưu lượng bay đạt tới một ngưỡng nào đó, những hạn chế này sẽ là rào cản khiến hệ thống sẽ không đủ an toàn và hiệu quả để đáp ứng các yêu cầu của quản lý không lưu. Vào năm 1983, tổ chức hàng không dân dụng quốc tế ICAO (International Civil Aviation Organization) đã tiến hành nghiên cứu tìm giải pháp cho vấn đề này. Đây là một cơ quan của tổ chức liên hợp quốc, có trách nhiệm lập ra các nguyên tắc và kỹ thuật của dẫn đường hàng không quốc tế, tạo điều kiện đối với các kế hoạch và phát triển của nền không vận quốc tế để đảm bảo sự phát triển an toàn và hợp lệ. Sau thời gian nghiên cứu, ICAO nhận thấy rằng chỉ khi thay thế toàn bộ hạ tầng thông tin, dẫn đường, giám sát (Communication, Navigation, Serveillance - CNS) hiện tại bằng một hệ thống mới cùng với phương thức quản lý không lưu trên đó mới có khả năng khắc phục những hạn chế của hệ thống trên phương diện toàn cầu. ICAO cũng đồng thời đưa ra một mô hình CNS/ATM mới ứng dụng các công nghệ viễn thông hiện đại, trong đó nổi bật là liên kết dữ liệu và vệ tinh. Năm 1991, đề xuất này chính thức được phê chuẩn. Sau khi khái niệm CNS/ATM ra đời, nhiều nhóm nghiên cứu đã được thành lập để xây dựng các tiêu chuẩn cho hệ thống. Đây là một hệ thống lớn nên xây dựng hệ thống và chuyển đổi từ hệ thống cũ sang hệ thống mới là cả một quá trình lâu dài, với sự hợp tác của tất cả các quốc gia trên toàn cầu cùng với nhiều tổ chức liên quan khác - như các tổ chức hàng không, các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông, các nhà cung cấp thiết bị... Các hoạt động xây dựng hệ thống CNS/ATM được diễn ra dưới sự chỉ đạo của ICAO. Khái niệm hệ thống Theo định nghĩa của ICAO, CNS/ATM là các hệ thống thông tin, dẫn đường, giám sát, sử dụng các công nghệ số, bao gồm các hệ thống vệ tinh cùng với nhiều mức tự động khác nhau, áp dụng để hỗ trợ hệ thống quản lý không lưu hợp nhất trên toàn cầu. Hệ thống quản lý không lưu (ATM) là hệ thống có chức năng cung cấp các dịch vụ không lưu (Air Traffic Service - ATS), quản lý luồng không lưu (Air Traffic Flow Management - ATFM), quản lý không phận (Airspace Management) và các mặt liên quan tới ATM của hoạt động bay (Flight Operation). Hệ thống ATM được vận hành khai thác bởi nguồn nhân lực quản lý không lưu (ATM Human Resources) và được trợ giúp bởi hệ thống hỗ trợ quản lý không lưu (ATM Support System). Các dịch vụ không báo (Air Information Service - AIS), và khí tượng (MET) đóng vai trò cung cấp các thông tin cần thiết cho ATM để quản lý không lưu đảm bảo an toàn, điều hoà, và hiệu quả. Mọi hoạt động của ATM được diễn ra trên cơ sở hạ tầng CNS. Bản chất CNS là tập hợp các hệ thống thông tin, dẫn đường, giám sát. Thông tin (C) có nhiệm vụ phân bố, trao đổi thông tin giữa các bộ phận mặt đất, tàu bay, kết nối các thành phần trong hệ thống với nhau, và với những nhà cung cấp, người dùng liên quan khác. Dẫn đường (N) có chức năng xác định vị trí, tốc độ, hướng dịch chuyển của tàu bay, giúp tàu bay di chuyển đúng hướng. Giám sát (S) cung cấp cho các bộ phận kiểm soát không lưu dưới mặt đất vị trí, hoạt động của các tàu bay trên trời. Hình 1 mô tả hệ thống CNS/ATM. Hình 1. Mô hình CNS/ATM Ưu điểm lớn nhất của CNS/ATM so với các hệ thống hàng không cũ là khả năng kết nối giữa các hệ thống. Phần lớn các hệ thống hàng không hiện đang hoạt động là những hệ thống rời rạc. Thông tin, dẫn đường, giám sát là các hệ thống hoạt động độc lập, không liên quan tới nhau. Xét riêng về thông tin, thông tin đất đối không và thông tin mặt đất cũng là hai mảng độc lập, dựa trên các phương tiện và các mạng độc lập. Chính vì không có sự kết nối giữa các hệ thống nên cơ sở hạ tầng các trang thiết bị rất lớn và cồng kềnh, nhưng khả năng lại hạn chế bởi không có sự bổ trợ lẫn nhau, việc nâng cấp cũng khó khăn và tốn kém. Hệ thống CNS/ATM yêu cầu các thành phần hệ thống đều phải tuân theo một tiêu chuẩn chung thống nhất. Trên cơ sở đó, tất cả các hệ thống đều có khả năng kết nối với nhau, mở rộng tầm hoạt động của hệ thống trên diện rộng toàn cầu. Bên cạnh đó, sự tương tác giữa các chức năng của hệ thống cho phép phát triển khả năng tự động hoá ở nhiều mức, nâng cao hiệu quả quản lý không lưu và giảm tải lượng công việc của người sử dụng, đáp ứng được yêu cầu khi lưu lượng bay tăng cao. Trong các công nghệ được ứng dụng trong CNS/ATM, công nghệ vệ tinh là công nghệ nòng cốt, khắc phục được những hạn chế của hệ thống cũ bởi khả năng bao phủ mọi nơi, kể cả đại dương xa xôi, núi non hiểm trở, sa mạc rộng lớn. Ưu điểm này cho phép mở rộng thêm nhiều đường bay mới, rút ngắn độ dài đường bay, hoạt động tàu bay linh hoạt hơn theo hành trình mong muốn. Để thấy rõ hơn những ưu điểm của CNS/ATM, sau đây ta sẽ tìm hiểu qua một số công nghệ được ứng dụng trong CNS/ATM. Thông tin Khi nhắc tới CNS/ATM thì mạng viễn thông hàng không (Aeronautical Telecommunication Network - ATN) là khái niệm không thể tách rời. Đây là mạng chuyên dụng trong ngành hàng không, kết nối tất cả các bộ phận liên quan tới quản lý không lưu dưới mặt đất và tàu bay hoạt động trên trời. Tiêu chuẩn ATN được xây dựng dựa trên mô hình tham chiếu OSI 7 lớp. Nó có khả năng sử dụng bất kỳ thiết bị, mạng thông tin dữ liệu nào để làm phương tiện truyền dẫn. Bởi vậy ATN tận dụng được hạ tầng thông tin sẵn có của các hệ thống cũ. ATN bao hàm cả mảng thông tin mặt đất và trên không. Phần thông tin mặt đất của ATN có thể là các mạng X25, ISDN, Frame Relay... Phần thông tin đất đối không có thể là các trạm thu phát sóng HF, VHF, vệ tinh... Ứng dụng thông tin vệ tinh trong ATN giúp ATN đảm bảo tính bao phủ toàn cầu. Hiện nay, Inmarsat là mạng vệ tinh địa tĩnh được dùng trong thông tin hàng không, và tiến tới sẽ là một phần hạ tầng của ATN. Hình 2. Mạng ATN ATN là nền tảng, trên đó tích hợp mọi ứng dụng của quản lý không lưu. Hơn nữa, các ứng dụng trên nền ATN áp dụng được phương thức thông tin số liệu thay vì chỉ có thông tin thoại truyền thống, tạo nên tính đa dạng trong thông tin và khắc phục được những hạn chế của thông tin thoại. Hiện tại ICAO đã xây dựng tiêu chuẩn cho một số ứng dụng, bao gồm các ứng dụng đất đối không như Quản lý khung cảnh (Context Management - CM), Giám sát phụ thuộc tự động (Automatic Dependent Surveillance - ADS), Thông tin liên kết dữ liệu giữa kiểm soát viên không lưu và phi công (Controller-Pilot Datalink Communications - CPDLC), và các ứng dụng mặt đất như Hệ thống trao đổi điện văn dịch vụ không lưu (Air Traffic Service Message Handling System - AMHS), Thông tin dữ liệu giữa các hệ thống dịch vụ không lưu (Air Traffic Service Inter-facility Data Communication - AIDC). Thực tế, thông tin liên kết số liệu đã có trong hàng không trước khi có khái niệm CNS/ATM. Đó là hệ thống báo cáo và liên lạc với tàu bay (Aircraft Communication Addressing and Reporting System - ACARS) dùng cho các hoạt động khai thác bay (Aeronautical Operational Control - AOC). Tuy nhiên loại liên kết dữ liệu này là định hướng ký tự trong khi các ứng dụng liên kết dữ liệu của CNS/ATM lại là định hướng bit. Thời gian đầu, bộ chuẩn về ATN chưa hoàn thành xong, nhưng do muốn sớm nhận được các lợi ích của CNS/ATM mang lại, một số nhà cung cấp dịch vụ không lưu và hãng hàng không đã dùng mạng ACARS để thực hiện các ứng dụng liên kết dữ liệu CPDLC, ADS, song phải có bộ chuyển đổi giữa hai định dạng hướng ký tự và hướng bit. Giao thức chuyển đổi giữa hai định dạng là ARINC 622, được quy định trong FANS-1/A do hai nhà sản suất Boeing và Airbus xây dựng. Để đảm bảo tính thông suốt, liền một mạch của dịch vụ trên một diện rộng, các mạng thông tin của các nhà cung cấp dịch vụ liên kết dữ liệu phải được kết nối với nhau. Đây có thể xem như một bước chuyển tiếp từ hệ thống cũ sang hệ thống CNS/ATM hiện đại. Dẫn đường Chức năng dẫn đường trong quản lý không lưu sẽ không còn bị hạn chế về tầm phủ và những tuyến đường bay cố định do khả năng và số lượng có hạn của các thiết bị dẫn đường mặt đất truyền thống cùng với vị trí có thể lắp đặt được thiết bị khi áp dụng công nghệ dẫn đường bằng vệ tinh của CNS/ATM. Các hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Global Navigation Satellite Systems - GNSS) đảm bảo cung cấp dịch vụ liên tục tại mọi nơi, kể cả đại dương và những khu vực xa xôi. GNSS có khả năng đáp ứng các yêu cầu về an toàn và mang lại hiệu quả kinh tế tới người dùng; có thể thay thế toàn bộ các thiết bị dẫn đường truyền thống (tuy nhiên trước đó cần phải giải quyết xong một số vấn đề về thủ tục hành chính, khai thác, và kỹ thuật). Hiện nay GPS và GLONASS là hai hệ thống vệ tinh dẫn đường chính đang được hàng không sử dụng. GPS đã hoạt động đầy đủ các chức năng, còn GLONASS vẫn chưa hoàn thành xong. Chúng bao phủ toàn cầu, đảm bảo tại bất kỳ vị trí nào trên thế giới, tàu bay cũng nhìn thấy tối thiểu 3 - 4 quả vệ tinh của cùng một hệ. Tín hiệu nhận được từ ít nhất 3 quả vệ tinh sẽ giúp tàu bay xác định được vị trí của mình. Toạ độ tính toán trong GNSS dựa theo hệ toạ độ hệ thống đo đạc thế giới (World Geodetic System WGS84). Do ảnh hưởng của một số tác nhân khiến kết quả tính toán vị trí tàu bay của GNSS bị sai lệch. Hiện ba loại hệ thống bổ trợ cho GPS và GLONASS đang được xây dựng, đó là hệ thống tăng cường cơ sở vệ tinh (Satellite-Based Augmetation Systems - SBAS), hệ thống tăng cường cơ sở mặt đất (Ground-Based Augmetation System - GBAS), Hệ thống tăng cường cơ sở tàu bay (Aircraft-Based Augmentation Systems - ABAS). Mục đích của những hệ thống này nhằm sửa các sai số trong xác định vị trí của GNSS, giúp tàu bay xác định được chính xác vị trí hiện thời. Chòm vệ tinh GPS được minh hoạ trong hình 3. Hình 3 Giám sát Trong hệ thống cũ, giám sát là chức năng của các thiết bị radar. Tại những nơi không nằm trong phạm vi quét của radar, vị trí tàu bay phải được báo về bộ phận kiểm soát mặt đất thông qua thoại. Đây là một hạn chế rất lớn của hạ tầng kỹ thuật cũ. Với CNS/ATM mới, nhờ áp dụng công nghệ dẫn đường bằng vệ tinh và liên kết dữ liệu, chức năng giám sát thực hiện được bởi hệ thống giám sát phụ thuộc tự động ADS, một trong các ứng dụng liên kết dữ liệu. Hệ thống hoạt động theo nguyên tắc: tàu bay truyền thông tin về vị trí và tốc độ nhận được từ GNSS cùng với thông tin của bản thân tàu bay, ví dụ như nhận dạng tàu bay, và các dữ liệu cần thiết khác theo liên kết dữ liệu xuống tới các bộ phận kiểm soát không lưu dưới mặt đất. Việc phát thông tin của tàu bay phụ thuộc vào điều kiện bộ phận kiểm soát không lưu đặt ra, bao gồm phát theo chu kỳ, phát khi xảy ra một sự kiện nào đó, hoặc phát khi có yêu cầu. Đối với giám sát phụ thuộc quảng bá ADS-B, thông tin được phát theo chu kỳ trên một kênh liên kết dữ liệu quảng bá cho phép tất cả người dùng nằm trong phạm vi quảng bá, dù là trên không hay dưới đất, đều có thể nhận và sử dụng thông tin đó. Điều này giúp khả năng giám sát thực hiện được trên một phạm vi rất rộng, có thể toàn cầu nếu phạm vi quảng bá là toàn cầu. Khả năng hỗ trợ của CNS trong Quản lý không lưu Hạ tầng kỹ thuật mới cho phép thay đổi các phương thức khai thác quản lý không lưu, đáp ứng được lưu lượng bay đang tăng với tốc độ ngày càng nhanh chóng. Liên lạc giữa phi công và kiểm soát viên không lưu sẽ thực hiện được qua liên kết dữ liệu thay vì thoại thông thường. Hơn nữa, qua liên kết dữ liệu, hệ thống trên máy bay có khả năng truy cập vào các hệ thống thông tin dưới mặt đất để lấy những thông tin cần thiết thay vì phải yêu cầu kiểm soát viên không lưu cung cấp như trước đây. Hệ thống quản lý không lưu khi này là một hệ thống hợp nhất, tích hợp tất cả các chức năng. Các chức năng được liên kết, tương tác với nhau qua các liên kết dữ liệu, tạo ra những khả năng mà hệ thống hiện tại không thể có. Hệ thống có thể nhận, ghi lại và xử lý các thông tin một cách tự động. Ví dụ nó có khả năng đo đạc phân cách giữa các tàu bay, phát hiện, dự đoán trước những đụng độ xảy ra, và tự động phát hiệu lệnh ngăn chặn hậu hoạ một cách kịp thời. Với khả năng tự động hoá cao như thế, vai trò của con người cũng có thể thay đổi, người kiểm soát viên không lưu không cần phải trực tiếp điều khiển như trước mà chỉ cần giám sát và can thiệp khi cần thiết. Ngoài ra, do tính toàn cầu của hệ thống, trách nhiệm kiểm soát không lưu trong không phận của từng quốc gia có thể uỷ quyền cho những tổ chức bên ngoài lãnh thổ. Tầm hoạt động của hệ thống là không biên giới. Dưới tầm phủ rộng khắp toàn cầu của hệ thống, hệ thống cho phép mở thêm nhiều đường bay mới với mật độ lớn, độ phân cách cho phép giảm, giúp khắc phục được tình trạng tắc nghẽn có thể xảy ra khi lưu lượng bay quá lớn. Tàu bay cũng được phép lựa chọn tuyến đường theo ý muốn, hoặc thay đổi tuyến đường bay một cách linh hoạt khi gặp chướng ngại vật trên đường, giúp sự lưu thông thông suốt, an toàn, hiệu quả và kinh tế. Kế hoạch xây dựng CNS/ATM CNS/ATM là một dự án mang tính toàn cầu, do ICAO chỉ đạo, với sự tham gia thực hiện của tất cả các quốc gia thành viên của ICAO trên toàn thế giới cùng với sự tham gia của các tổ chức liên quan như các nhà cung cấp thiết bị, các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông, các tổ chức tài chính... Việc thực hiện được phân chia theo từng khu vực, và do đại diện của ICAO tại khu vực chỉ đạo. Việt Nam thuộc khu vực châu Á Thái Bình Dương. Quá trình thực hiện ở các nước không giống nhau, phụ thuộc vào năng lực của từng nước, tuy nhiên về cơ bản vẫn theo trình tự hướng dẫn của ICAO, và có sự hợp tác đồng bộ giữa các nước. Các thành phần hệ thống có thể thực hiện song song một cách đồng thời. Để xây dựng hệ thống hoàn chỉnh đầy đủ các tính năng sẽ cần một khoảng thời gian dài. Trong thời gian ấy nhiều công nghệ mới ra đời hoặc được nâng cấp ưu việt hơn. Chính vì thế mà ICAO đưa ra chiến lược thực hiện đến đâu, sử dụng đến đấy để tận dụng được lợi ích tối đa của hệ thống từ công nghệ hiện thời, đồng thời trong quá trình thực hiện cũng liên tục cập nhật công nghệ để nhận được những lợi ích tối ưu. Sau thời gian xây dựng tiêu chuẩn cho hệ thống và lên kế hoạch thực hiện, hệ thống CNS/ATM chính thức bắt đầu được triển khai vào năm 1998 và dự kiến tới khoảng năm 2020 thì hoàn thiện. Australia là một trong những nước đi đầu trong quá trình thực hiện. Tình hình xây dựng CNS/ATM tại Việt Nam Hàng không Việt Nam cũng đang trong quá trình xây dựng hệ thống CNS/ATM. Theo báo cáo trong cuộc họp lần thứ 5 của nhóm thực hiện hệ thống dẫn đường hàng không tương lai Đông nam Á diễn ra tại TP. Hồ Chí Minh từ ngày 16 đến 19/1/2007 vừa rồi, hệ thống quản lý không lưu tự động (Automation Air Traffic Management System - ATMS) đã được lắp đặt tại cơ quan kiểm soát không lưu Hồ Chí Minh năm 2004 và năm 2006 chính thức đi vào hoạt động. Hệ thống tích hợp rất nhiều chức năng, trong đó hỗ trợ các chức năng liên kết dữ liệu, giám sát sử dụng ADS, thông tin mặt đất sử dụng AIDC, thông tin đất đối không sử dụng CPDLC. Mang đầy đủ các chức năng, ATMS chính là một hệ thống trung tâm, có khả năng chọn, xử lý, tích hợp tất cả thông tin, dữ liệu cần thiết từ nhiều nguồn, cung cấp cho các dịch vụ kiểm soát không lưu, quản lý luồng không lưu, quản lý không phận. Hiện tại, mạng ATN chưa được triển khai tại Việt Nam, vì vậy hệ thống ADS/CPDLC của ATMS sẽ được thực hiện qua liên kết dữ liệu do ARINC cung cấp. Hệ thống đang trong quá trình thử nghiệm. Trong thời gian tới, Việt Nam sẽ tiếp tục đầu tư, cài đặt thêm các trạm liên kết dữ liệu VHF tại các tỉnh Hà Nội, Đà Nẵng, Quy Nhơn, TP. Hồ Chí Minh, và Cà Mau; thiết lập kết nối AIDC giữa ATMS với các trung tâm kế cận và kiểm soát không lưu Nội Bài; thiết lập kết nối ATN tới các nước Lào, Singapore, Hồng Kông, và Thái Lan theo khuyến cáo của ICAO; triển khai hệ thống AMHS. Kết luận Những lợi ích tiềm năng mà CNS/ATM mang lại thật lớn: nâng cao mức độ an toàn hàng không, giảm chi phí vận chuyển, giảm thời gian trễ, tăng sức chứa của vùng không phận, và nâng cao hiệu suất của kiểm soát viên không lưu. Tuy nhiên để triển khai CNS/ATM cần phải xem xét nhiều vấn đề, còn nhiều thách thức cần phải vượt qua, ví dụ như hệ thống phải xây dựng thế nào để đảm bảo tính an toàn, đáp ứng được yêu cầu như mong đợi, vấn đề khả năng tài chính, và các vấn đề chính sách... Tài liệu tham khảo [1]. International Civil Aviation Organization Asia and Pacific Office (2000), Guidance Material on CNS/ATM Operations in the Asia/Pacific Region, ICAO Asia Pacific Regional Office Bangkok. [2]. CANSO CNS/ATM Working Group (1999), Demystifying CNS/ATM, [3]. EATCHEAP (1997), Overal CNS/ATM architecture for EATCHEAP, EUROCONTROL [4]. www.icao.int [5].