Xây dựng thành công Công nghệ điều khiển bay và thu hồi khí cầu tầng bình lưu

Đề tài VT-CN.04/17-20 thuộc Chương trình khoa học và công nghệ cấp quốc gia CNVT/16-20. 

Đề tài “Nghiên cứu tiếp cận công nghệ sử dụng khinh khí cầu thả ở tầng bình lưu tích hợp công nghệ trạm thu phát thông tin để giám sát, dẫn đường, tìm kiếm cứu hộ và đo đạc thông số vật lý môi trường tầng khí quyển” nhằm mục tiêu nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm khinh khí cầu tầng bình lưu mang hệ thống thiết bị ứng dụng trong việc đo đạc thám không; truyền tin cảm biến môi trường, cảnh báo thiên tai; giám sát, dẫn đường cho các tàu đi biển xa, người hoặc phương tiện trong các; chỉ báo vị trí khẩn tìm kiếm cứu hộ. Để đạt được các mục tiêu nêu trên, vấn đề quan trọng được đặt ra là làm thế nào để điều khiển các khí cầu chênh áp duy trì độ cao ở tầng có hướng gió theo kế hoạch bay được lập lịch theo yêu cầu mục tiêu ứng dụng cụ thể. Sau hàng loạt các thử nghiệm nhiều bước, ngày 18/06/2020 đánh dấu lần đầu tiên một khí cầu được thả lên đến tầng bình lưu, điều khiển đường bay, hạ xuống không cần dù toàn vẹn và tiếp tục phát sóng chỉ dẫn đội tìm kiếm thu hồi ở vị trí không xa nơi thả lên.

Công nghệ vô tuyến và IoT là các thành phần nền tảng của Cách mạng công nghiệp lần thứ 4. Theo dự báo, đến năm 2025 toàn thế giới sẽ có 45 tỷ nối kết IoT hỗ trợ bởi công nghệ LPWAN. Để chuẩn bị cho việc phủ sóng thông tin vô tuyến diện rộng, các ý tưởng đột phá hàng đầu thế giới đều hướng đến sử dụng các hệ thống hạ tầng cao không (High Altitude Platform System – HAPS) để làm nền tảng truyền dẫn. Vài năm trước đây là các ý tưởng về lập mạng khí cầu tầng bình lưu (dự án Loon do Google khởi xướng thử nghiệm thả hàng trăm khí cầu lên độ cao 20km, có gắn các thiết bị thu phát vô tuyến và pin năng lượng mặt trời, với phương pháp điều khiển đường bay của chúng bằng cách lựa chọn lớp hướng gió thích hợp trên tầng bình lưu của khí quyển), và trong 2 năm trở lại đây các dự án lập mạng vệ tinh thu phát băng thông rộng liên tiếp được công bố và phóng tên lửa thử nghiệm (Chòm sao của Facebook, Starlink của SpaceX, Kuiper của Amzon và OneWeb với việc phóng hàng ngàn vệ tinh lên quỹ đạo Trái đất tầm thấp (Low Earth Orbit).

Trạm thu phát sóng và khí cầu của Google’s Loon năm 2017 ở Puerto Rico

Mô phỏng vệ tinh Starlink và hình ảnh phóng tên lửa tháng 4/2020 của SpaceX 

Năm 2017, Chương trình Khoa học Công nghệ cấp quốc gia về Công nghệ Vũ trụ CBVT/16-20 đã phê duyệt đề xuất đề tài “Nghiên cứu tiếp cận công nghệ sử dụng khinh khí cầu thả ở tầng bình lưu tích hợp công nghệ trạm thu phát thông tin để giám sát, dẫn đường, tìm kiếm cứu hộ và đo đạc thông số vật lý môi trường tầng khí quyển” của PGS.TS. Phạm Hồng Quang – Trung tâm Tin học và Tính toán thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Sản phẩm ứng dụng của đề tài bao gồm các thành phần chính như sau:
1. Hệ thống hạ tầng cao không (HAPS) sử dụng bóng thám không có khả năng đưa lên độ cao đến hơn 30km các thiết bị đo đạc thám không, truyền tin vô tuyến mạng diện rộng năng lượng thấp (Low Power Wide Area Network – LPWAN) để thu thập các thông số đo đạc dự báo thời tiết đồng thời trung chuyển truyền thông từ các thiết bị giám sát dẫn đường, chỉ dẫn vị trí cứu hộ khẩn cấp, thiết bị Vạn vật kết nối Internet cảnh báo thiên tai từ các vùng sâu vùng xa như biên giới, rừng núi, biển xa, triền sông về các trung tâm xử lý thông tin khác nhau.
2. Trạm thu phát liên lạc cao không để theo dõi, truyền tìn từ các HAPS và thiết bị mặt đất ở khoảng cách xa.
3. Trạm thu phát di động để gắn trên các phương tiện mặt đất hoặc máy bay đi tìm kiếm thiết bị chỉ báo vị trí khẩn cấp, HAPS rơi trong các khu vực hiểm trở hoặc trôi biển.
4. Thiết bị cầm tay cá nhân (Personal Location Beacon -PLB) hoặc thiết bị gắn trên các phương tiện tàu, ô tô di động (Emergency Position Indication Radio Beacon – EPIRB) phát tín hiệu giám sát hành trình hoặc chỉ báo vị trí trong trường hợp cần cứu hộ cứu nạn khẩn cấp (phi công, người đi biển, tàu xe hoạt động ở xa các khu vực có phủ sóng điện thoại di động)
5. Thiết bị truyền tin có khả năng gắn các cảm biến phụ trợ đo đạc thông số môi trường cảnh bảo thiên tai như cháy rừng, sạt lở đất, lũ quét…
Sau 3 năm nghiên cứu và thử nghiệm, các sản phẩm trên đã được thiết kế chế tạo hoàn toàn làm chủ bởi người Việt. Hệ thống đã được đăng ký bản quyền sở hữu trí tuệ dạng sáng chế phát minh. Các sản phẩm công nghệ tiêu biểu bao gồm:
1. 3 loại HAPS:
a. Thiết bị radiopilot cỡ siêu nhỏ nhẹ (dưới 50 gram, sử dụng bóng thám không 350 gram), thay thế cho các thám không vô tuyến nhập ngoại (radiosonde) hiện đang thả hàng ngày bởi mạng lưới đài cao không Việt Nam để thu thập thông tin dự báo thời tiết va khí hậu. Thiết bị cung cấp đầy đủ các thông số đo đạc như một radiosonde tiêu chuẩn (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, điểm sương, hướng và tốc độ gió cao không), có khả năng bay lên ở tốc độ tiêu chuẩn 5m/s đến độ cao trên 30km, chịu được điều kiện khắc nghiệt về nhiệt độ (dưới -800C) và bức xạ mặt trời. Đồng thời ở độ cao 20km thiết bị có khả năng liên lạc với Trạm thu phát cao không cố định ở khoảng cách đến 400km, trạm thu phát di động ở khoảng cách đến 250km, với các thiết bị PLB và EPIRB ở khoảng cách tương ứng đến 100km, 250km, với các thiết bị IoT từ khoảng cách 100 đến 150km. Thời gian hoạt động trên không (có điều khiển) của RadiosondePilot có thể đến 6 giờ (thời gian giữa các lần thả thám không tiêu chuẩn của khí tượng cao không).
b. Thiết bị HAPS nhỏ với trọng lượng dưới 150 gram, sử dụng bóng nâng 600 đến 800 gram, có khả năng tích hợp năng lượng tái tái hoạt động trên tầng bình lưu đến 12h. Hệ thống thông tin liên lạc của HAPS nhỏ ở độ cao 20km có khả năng liên lạc với Trạm thu phát cao không cố định ở khoảng cách đến 500km, trạm thu phát di động ở khoảng cách đến 400km, với các thiết bị PLB và EPIRB ở khoảng cách tương ứng đến 100km, 350km, với các thiết bị IoT từ khoảng cách 100 đến 250km.
c. Thiết bị HAPS chuyên dụng với trọng lượng 2500 gram, có thể mạng đến 3kg thiết bị đo đạc khoa học lên sử dụng bóng nâng 1600 hoặc 3000 gram, có khả năng tích hợp năng lượng tái tái hoạt động trên tầng bình lưu trên 24h. Hệ thống thông tin liên lạc ở độ cao gần 30km có khả năng liên lạc với Trạm thu phát cao không cố định ở khoảng cách đến 800km. Trong 24h, với tốc độ gió trung bình ở tầng bình lưu từ 70 đến 160km/h, hệ thống có thể di chuyển đến hàng ngàn km. HAPS có thể được tích hợp thiết bị liên lạc vệ tinh tầng thấp để gửi thông tin về trung tâm.

3 loại hệ thống hạ tầng cao không: Radiosonde pilot, HAPS nhỏ và HAPS lớn

2. Các trạm thu phát cố định và di động, kèm theo các thiết bị máy tính công nghiệp di động lắp trên tàu xe, máy bay tìm kiếm cứu hộ cứu nạn. Hệ thống phần mềm tính toán đường bay, hiển thị vị trí và đường đi của các thiết bị mặt đất.

Ăng ten trạm thông tin di động và trạm thong tin tĩnh

3. Các thiết bị chỉ báo vị trí khẩn cấp, giám sát hành trình cá nhân (PLB), gắn trên các phương tiện/tàu thuyền (EPIRB) và thiết bị truyền tin cho các cảm biến IoT.

Thiết bị PLB, EPIRB và đường đi theo dõi phương tiện mang thiết bị trên bản đồ trung tâm

Các khác biệt cơ bản giữa khí cầu vỏ co dãn (điển hình là bóng thám không) và khí cầu vỏ không co dãn là khả năng duy trì độ cao và giá thành. Khí câu vỏ co dãn luôn có xu thế bay thẳng lên trời, sau đó nổ ở độ cao nhất định. Thiết bị đi theo khí cầu co dãn nếu đắt tiền, muốn thu hồi cần gắn theo dù và thường khó thu hồi do dù có thể không mở khi độ cao rơi từ 30km xuống. Khí cầu vỏ cứng bay lên đến một độ cao nhất định sẽ nổi và duy trì lâu dài trên không trung, có thể thay đổi độ cao, hạ xuống thu hồi tái sử dụng. Khí cầu vỏ co dãn cũng rẻ gấp hàng chục đến hàng trăm lần khí cầu vỏ không co dãn. Do vậy các khí càu vỏ co dãn thường chỉ dùng để đo đạc thám không. Đề tài đã nghiên cứu  công nghệ và sản xuất ra thiết bị điều khiển độ cao bóng thám không rẻ tiền theo lập trình trước khi bay cũng như trong khi bay. Hệ thống hạ tầng cao không có thể điều khiển được hướng bay bằng cách lựa chọn lớp gió trên tầng bình lưu có hướng theo mong muốn điều khiển, đồng thời có thể điều khiển hạ xuống thu hồi bằng cách điều khiển tốc độ hạ của khí cầu thích hợp. Công nghệ này là chìa khóa đem lại tính khả dụng của toàn bộ hệ thống trong hàng loạt các ứng dụng giám sát, dẫn đường, tìm kiếm, cứu hộ cứu nạn, truyền dẫn thông tin cho mạng lưới cảm biến môi trường cảnh báo thiên tai. Với tầm phủ sóng bán kính đến hàng trăm km, hàng ngày các đài cao không của Tổng cục Khí tượng thủy văn thả lên trời 2 đến 4 lần bóng thám không ở mỗi điểm, thiết bị HAPS hoặc radiosonde pilot sản phẩm của đề tài có thể bay lên với tốc độ tiêu chuẩn 5m/s, truyền về các thông số đo đạc cao không phục vụ khí tượng thủy văn. Khi hoàn thành nhiệm vụ (ở độ cao khoảng 30km), hệ thống sẽ tự động chuyển sang chế độ bay nổi ở tầng gió tối ưu, thực hiện việc truyền dẫn thông tin cho mạng lưới thiết bị mặt đất về trung tâm trong nhiều giờ sau đó.

Đường bay dự kiến và thực tế của khí cầu thả lúc 10 giờ sáng ngày 18 tháng 6 năm 2020.

Sau nhiều lần thả thử nghiệm, hệ thống đã thực hiện thành công chuyến bay có điều khiển lần đầu tiên ngày 18/6/2020. Khí cầu bay lên trong tầng đối lưu hướng gió Tây Nam. Khi gần đến tầng bình lưu, gió đổi thành hướng Đông. Khí cầu chuyển sang chế độ duy trì độ cao. Sau một thời gian, khí cầu được cấp lệnh hạ xuống. Đến 14h khí cầu hạ xuống vùng rừng gần chân Tam Đảo với tốc độ 1m/s, cách điểm rơi tính toán 4km. Đội thu hồi khi đến chân Tam Đảo mở trạm thu di động đã nhận được các gói tin chỉ báo vị trí chính xác của hệ thống, qua đó vào thu hồi được toàn bộ khí cầu và HAPS nguyên vẹn.

Đội thu hôi triển khai trạm di động; Bóng thám không bị cắt thiết bị bởi người làm ở công trường xây dựng gần điểm rơi

Với hệ thống truyền dẫn sử dụng khí cầu tầng bình lưu có điều khiển, Việt Nam có khả năng triển khai mạng lưới IoT rộng khắp với giá thành rẻ phục vụ các mục tiêu cứu hộ cứu nạn trên biển và núi rừng, giám sát hành trình tàu cá xa bờ, thu thập thông tin lũ quét, sạt lở đất, cháy rừng, dẫn đường thông tin liên lạc cho các tàu hải quân mà không cần các thiết bị truyền dẫn thông qua vệ tinh đắt tiền và đòi hỏi năng lượng lớn. Các bóng thả HAPS lên có thể từ mạng lưới đài cao không hiện có hoặc dễ dàng với một bình khí Hydro hoặc Heli, bóng cao su dạng nhẹ nhất. Sản phẩm nghiên cứu của đề tài nếu được nhà nước phê duyệt áp dụng sẽ tạo ra một hạ tầng mạng LPWAN dùng chung cho nhiều ngành tù dân dụng đến an ninh quốc phòng, nhanh chóng đưa Việt Nam hội nhập cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 trong lĩnh vực thông tin IoT hiện đại.

Tính toán đường bay 2 khí cầu có điều khiển từ Vinh và Đà Nẵng trong cùng một thời điểm để thu thập thông tin giám sát hành trình toàn bộ các thiết bị IoT khu vực miền trung và  tàu cá khu vực Biển Đông