Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.
TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA KHÍ QUYỂN ĐẾN TRUYỀN SÓNGVÔTUYẾN
Truyền sóng vô tuyến trongk h í quyển
Khí quyển của trái đất là lớp khí bao quanh hành tinh, được giữ lại bởi lực hấp dẫn và có khối lượng khoảng 5.10^18 kg Tầng khí quyển đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ sự sống, hấp thụ bức xạ cực tím từ mặt trời, làm ấm bề mặt trái đất thông qua hiệu ứng nhà kính, và giảm sự chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm Khối lượng khí quyển chủ yếu tập trung ở độ cao khoảng 11 km, và lớp khí quyển trở nên mỏng hơn khi độ cao tăng Mặc dù không có ranh giới rõ ràng giữa khí quyển và không gian, độ cao 100 km thường được coi là giới hạn (đường Kármán).
Hình 1.1 Môi trường truyền dẫn vô tuyến trong khí quyển.
Bầu khí quyển có cấu trúc phân lớp và được chia thành các khu vực riêng biệt, bao gồm tầng đối lưu (troposphere), tầng bình lưu (stratosphere), và tầng điện li (ionosphere) Ngoài ra, còn có tầng trung lưu (mesosphere) nằm giữa tầng bình lưu và tầng điện li Phía ngoài tầng điện li là ngoại quyển hay tầng ngoài (exosphere).
Tầng đối lưu là lớp khí quyển thấp nhất, kéo dài từ mặt đất lên đến 8-10 km ở vĩ tuyến cực, 10-12 km ở vĩ tuyến trung bình và 16-18 km ở miền nhiệt đới Nhiệt độ trong tầng này giảm dần theo độ cao, trung bình giảm 0,6 °C mỗi 100 m, và có thể xuất hiện lớp nghịch nhiệt với nhiệt độ tăng theo chiều cao Không khí trong tầng đối lưu có sự chuyển động mạnh mẽ theo chiều thẳng đứng và nằm ngang, dẫn đến sự thay đổi trạng thái của nước và nhiều quá trình vật lý khác Các hiện tượng thời tiết như mưa, mưa đá, gió, tuyết, sương giá và sương mù đều xảy ra tại đây Nghiên cứu cho thấy tốc độ gió và mật độ năng lượng gió ở độ cao 50-200 m cao hơn nhiều so với gần mặt đất (20 m), đặc biệt ở vùng ven biển.
Hình 1.2 Thành phần không khí khô ở mặt đất (% theo thể tích). c
Tầng bình lưu nằm trên biên giới của tầng đối lưu, có độ cao khoảng 50-60 km Tại đây, không khí rất loãng với lượng nước và bụi hạn chế, chủ yếu chuyển động theo chiều ngang và ổn định Một đặc điểm nổi bật của tầng này là nhiệt độ gần như không thay đổi theo độ cao.
Tầng điện li, nằm ở độ cao từ 60 km đến 1000 km, là một lớp khí quyển mỏng và bị ion hóa mạnh mẽ Sự ion hóa chủ yếu do bức xạ từ mặt trời, cùng với bức xạ từ các vì sao và tia vũ trụ, cũng như chuyển động của các thiên thạch Tầng này chủ yếu chứa các điện tử tự do và các ion.
Khí quyển bao gồm 78,1% nitơ, 20,9% ôxy và 0,9% argon, với ba loại khí này chiếm 99,96% tổng thể khí quyển Phần còn lại 0,04% chứa các thành phần quan trọng cho sự sống và khí hậu, trong đó có sol khí (aerosol) Sol khí là các hạt rắn, lỏng lơ lửng trong không khí, có kích thước từ vài nanomet đến hàng chục micromet, bao gồm khói, sương, mù và bụi Chúng có nguồn gốc tự nhiên từ đất, đại dương, sa mạc, và các đám cháy thực vật, cũng như từ hoạt động của con người như đốt chất thải và nhiên liệu hóa thạch.
Hình 1.3 Tán xạ đàn hồi trên các hạt có kích thước khác nhau với bước sóng kích thích.
Khí quyển chứa nhiều thành phần vật chất dạng hạt với hình dạng và kích thước khác nhau, dẫn đến hiện tượng tán xạ đàn hồi được mô tả theo lý thuyết tán xạ Mie – Rayleigh, thường gọi là tán xạ Mie Tán xạ Rayleigh là trường hợp đặc biệt xảy ra khi kích thước của tâm tán xạ nhỏ hơn nhiều so với bước sóng kích thích, trong đó tán xạ Mie chuyển về theo quy luật của tán xạ Rayleigh, được gọi là tán xạ Rayleigh hay tán xạ phân tử Hình 1.3 minh họa mối liên hệ giữa kích thước hạt tán xạ và lý thuyết tán xạ, với a s là đường kính hạt và λ s là bước sóng kích thích.
Sóng vô tuyến truyền từ máy phát đến máy thu qua nhiều phương thức, được phân loại thành sóng đất và sóng trời Các hệ thống thông tin, vô tuyến và định vị dẫn đường chịu ảnh hưởng từ tầng đối lưu và tầng điện li, trong khi tầng bình lưu ổn định hơn Sóng vô tuyến có tần số từ 3Hz đến 300 GHz, tương ứng với bước sóng từ 10^8 m đến 10^-6 m Phổ tần vô tuyến được chia thành các băng tần khác nhau dựa trên tính chất vật lý và đặc điểm lan truyền Băng sóng cực dài (dưới 30 kHz) được sử dụng cho vô tuyến đạo hàng và thông tin dưới nước, trong khi băng sóng dài (LF) và băng sóng trung (MF) phục vụ cho phát thanh và thông tin hàng hải Băng sóng ngắn (HF) hỗ trợ phát thanh cự ly xa và ra-đa ngoài đường chân trời Băng sóng mét (VHF) được dùng cho phát thanh điều tần và truyền hình, còn băng sóng decimét (UHF) phục vụ cho truyền hình và thông tin di động Cuối cùng, băng sóng centimét (SHF) và milimét (EHF) được ứng dụng trong thông tin vệ tinh và ra-đa quân sự, cũng như quan sát khí tượng.
Sóng vi ba, hay còn gọi là vi sóng, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như truyền thông, mạng, thiên văn học và kỹ thuật y sinh Đây là loại sóng vô tuyến có bước sóng rất nhỏ, với tần số từ 1 GHz (bước sóng 30 cm) đến 30 GHz (bước sóng 1 cm), và giới hạn trên của phổ tần vi ba thường là 300 GHz, tương ứng với bước sóng mm Tín hiệu vi sóng được phân loại thành các tần số cực cao (UHF), tần số siêu cao (SHF) và tần số cực kỳ cao (EHF), trong khi tần số trên EHF được gọi là bức xạ terahertz Các kênh vô tuyến thương mại thường nằm trong dải tần 300 MHz đến khoảng 90 GHz, theo khuyến nghị ITU-R F.746 Dải tần từ 1 GHz đến 40 GHz chủ yếu được sử dụng cho thông tin vệ tinh, được phân chia thành các băng tần con như L.
S, C, X, Ku, K, Ka, trong đó các băng tần C, Ku, Kađược sử dụng phổ biến hơn Hệ thống ra-đa sử dụng băng sóng ở hầu hết các dải tần vô tuyến, bao gồm cả dải tần cho thông tin vệ tinh Hệ thống thông tin di động có xu hướng sử dụng nhiều tài nguyên ở dải tần ngày càng cao do nhu cầu truyền dữ liệu tốc độc a o
Sóng vô tuyến với bước sóng ngắn và tần số cao thường truyền thẳng hơn, yêu cầu kích thước ăng-ten nhỏ hơn và có cự ly truyền sóng ngắn hơn Điều này xảy ra do sự hấp thụ phân tử trong tầng đối lưu tăng theo tần số, dẫn đến suy hao trong quá trình truyền sóng cũng cao hơn.
Phân tích các phương pháp xác định chỉ số khúc xạv ô tuyến
Sóng vô tuyến khi đi qua tầng đối lưu của khí quyển sẽ bị bẻ cong do sự thay đổi chỉ số khúc xạ trong môi trường truyền sóng Chỉ số khúc xạ này có thể được xác định qua hai phương pháp: trực tiếp và gián tiếp Phương pháp trực tiếp sử dụng máy đo khúc xạ kế tần số vô tuyến, trong khi phương pháp gián tiếp liên quan đến việc đo nhiệt độ, áp suất và độ ẩm để chuyển đổi thành chỉ số khúc xạ Sự phát triển công nghệ đã dẫn đến việc ra đời các máy đo khúc xạ kế thế hệ mới, cho phép tính toán chỉ số khúc xạ thông qua hàm lượng khí.
Các phương pháp đo độ dịch chuyển CO2 dựa trên giao thoa laser của vật liệu etalon đã được đề xuất, tuy nhiên, việc đo chiết suất trực tiếp gặp khó khăn do nguyên lý phức tạp và thiết bị cồng kềnh, mặc dù độ chính xác cao hơn Sự thiếu hụt máy đo khúc xạ phổ biến dẫn đến việc sử dụng dữ liệu thời tiết để xác định chỉ số khúc xạ theo phương pháp gián tiếp Máy đo khúc xạ tần số vô tuyến cho phép đo với độ chính xác cao hơn so với cảm biến khí tượng Các máy đo khúc xạ nhẹ được phát triển cho phép đo bằng bóng thám không và ống thả, mặc dù độ chính xác thấp hơn so với máy đo khúc xạ thông thường, nhưng vẫn tốt hơn so với phương pháp gián tiếp.
Phân tích các phương pháp đo chỉ số khúc xạ tầng đối lưu bao gồm phương pháp đo trực tiếp và phương pháp đo gián tiếp thông qua các thông số nhiệt độ, áp suất và độ ẩm theo khuyến nghị ITU-R P.453-14 Việc lựa chọn phương pháp xác định chỉ số khúc xạ phù hợp là cơ sở quan trọng cho nội dung nghiên cứu của luận án.
1.2.1 Phương pháp xác định chỉ số khúc xạ vôtuyến
Chỉ số khúc xạ vô tuyến là tỉ số giữa tốc độ truyền sóng điện từ trong chân không và tốc độ truyền sóng trong môi trường vật chất, được xác định theo công thức cụ thể.
Chỉ số khúc xạ vô tuyếnncó thể được xác định từ độ khúc xạN(hay chỉ số chiết suất) theo công thức [16][60]:
𝑛 = 𝑁 10 –6 (1.2) Độ khúc xạ vô tuyếnNcó thể được tính thông qua các thông số môi trường là nhiệt đô, độ ẩm và áp suất như sau [16] [73][77]:
Áp suất khí quyển tổng cộng (hPa), áp suất hơi (hPa) và nhiệt độ tuyệt đối (K) là những yếu tố quan trọng trong tính toán Để đơn giản hóa, công thức (1.3) thường được thay thế bằng công thức (1.4), mặc dù độ chính xác giảm xuống với sai số dưới 0,02% trong khoảng nhiệt độ từ -50 °C đến +40 °C, theo các nguồn [16] [60] [73][77].
Trong đó:T( 0 K) nhiệt độ tuyệt đối,P(mbar) áp suất toàn phần,e(mbar) áp suất thành phần hơinước.
Mặc dù khuyến nghị hiện thời nêu ở phiên bản ITU-R P.453-14 (2019)
Chỉ số khúc xạ vô tuyến được xác định bởi công thức không giới hạn cho dải tần số nào, áp dụng cho tất cả các tần số Theo ITU-R P.453-10 (2012), công thức (1.4) được sử dụng cho tần số lên đến 100 GHz với sai số dưới 0,5% Các mô hình liên quan đến nhiệt độ, áp suất toàn phần và áp suất hơi nước có thể tham khảo trong khuyến nghị ITU-R P.835.
Trong điều kiện khí quyển bình thường, chỉ số khúc xạ vô tuyến khoảng 1,000350 (n-units), dẫn đến độ khúc xạ là 350 (N-units) Giá trị N thay đổi theo độ cao do áp suất, nhiệt độ và độ ẩm biến đổi theo độ cao Áp suất hơi (hPa) có thể được tính từ độ ẩm tương đối H (%) và áp suất hơi bão hòa es (hPa) theo công thức cụ thể.
𝑒 = = K.e 100 c (1.5) Áp suất hơi bão hòae s (hPa) phụ thuộc vào nhiệt đột( o C) và áp suất khí quyển toàn phầnP(hPa) theo công thức ITU-R [73] [76] [77]:
Trongđó:EFlà kết quả của phép tính trung gian trong các trường hợp cụ thể là nước (water) hay nước đá (ice) thì có cách xác định khác nhau [73][ 7 7 ] :
𝐸𝐹 𝑎.water= 1 + 10 –4 [7,2 + (0,0320 + 5,9.10 𝑃 –6 𝑡 2 )] a=6,1121b,678c%7,14d#4,5 (trong phạm vi -40 o C đến +50 0 C) và
𝐸𝐹 𝑎 ice = 1 + 10 –4 [2,2 + 𝑃(0,0383 + 6,4.10 –6 𝑡 2 )] a=6,1115b#,036c'9,82d33,7 (trong phạm vi -80 o C đến 0 0 C)
Trong nghiên cứu luận án, áp dụng cho trường hợp nước để xác định EF DoP (hPa) là áp suất khí quyển tổng cộng, trong khi áp suất hơi (hPa) có thể tính toán từ mật độ hơi nước 𝜌 (g/m³) theo khuyến nghị [80] Áp suất hơi bão hòa cũng có thể được xác định thông qua nhiệt độ ẩm t theo công thức trong [64], cùng với nhiều phương pháp khác được nêu trong [42] Theo khuyến nghị ITU-RP.453 về chỉ số khúc xạ, giá trị chỉ số khúc xạ phụ thuộc vào độ cao và được xác định qua hàm lũy thừa cơ số e [73][77].
Công thức n = h) = 1 + N.0 10 –6 exp(− ⁄h) h) 0) (1.7) mô tả mối quan hệ giữa độ khúc xạ khí quyển và độ cao Trong đó, N 0 là giá trị trung bình của độ khúc xạ khí quyển so với mực nước biển, được coi là độ khúc xạ tham chiếu, và h 0 là độ cao tham chiếu Các giá trị N 0 và h 0 có thể được xác định thông qua phương pháp thống kê trong các điều kiện khí hậu khác nhau, với giá trị thông thường là N 0 = 315 N-units và h 0 = 7,35 km.
Mặt cắt chuẩn hay cấu hình chuẩn (reference profile) là công cụ quan trọng để tính toán giá trị độ khúc xạ N s tại bề mặt trái đất dựa trên N 0.
Sự khác biệt giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến được xác định hoặc tính toán theo công thức (1.3) và giá trị từ mô hình ITU-RP.453 được thể hiện qua độ lệch tuyệt đối so với giá trị mô hình đã được xác định.
Độ khúc xạ N.h (đơn vị N-units) được tính ở độ cao xác định dựa trên các thông số khí quyển như nhiệt độ, áp suất và độ ẩm theo công thức (1.3) Trong khi đó, N.c (đơn vị N-units) là độ khúc xạ được xác định theo hàm lũy thừa từ mô hình ITU-R, cụ thể là công thức (1.8) Độ lệch tương đối giữa giá trị tính toán được từ công thức (1.3) và giá trị từ mô hình ITU-R được thể hiện qua công thức tương ứng.
Với ∆𝑁 (N-units) là độ lệch tuyệt đối so với giá trị mô hình tính theo công thức (1.9), N.c(N-units) là đoạn khúc x tính theo công thức hàm lũy thừa từ mô hình của ITU-R Mô hình này được xác định ở độ cao và dựa trên công thức (1.8) của ITU-R P.453.
Chỉ số khúc xạ vô tuyến được xác định theo định nghĩa và công thức (1.1) thông qua phương pháp đo trực tiếp Phương pháp này sử dụng khúc xạ kế tần số vô tuyến, một dụng cụ nhạy với vận tốc truyền sóng, để đo chỉ số khúc xạ một cách chính xác Ngoài ra, chỉ số khúc xạ cũng có thể được xác định theo công thức (1.3) thông qua phương pháp đo gián tiếp.
Mô hình ít chính xác nhất sử dụng công thức hàm số mũ toàn cầu dựa trên nhiệt độ, áp suất và độ ẩm để xác định chỉ số khúc xạ Phương pháp này được khuyến nghị theo ITU-R P.453 và được thể hiện qua công thức (1.8).
Bảng 1.1 So sánh các phương pháp xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến.
Cách thức thực hiện Khả năng áp dụng Phạm viápdụng
Gián tiếp Khôngchính xác bằng phương pháp trực tiếp
Sử dụng khúc xạ kế vô tuyến
Sử dụng sốliệuquan trắc bềmặtlà nhiệt độ, độẩmvà ápsuất
Yêu cầu kỹ năng vận hành
Yêu cầutínhtoán lớn khicónhiều sốliệubề mặt
Cho một vị trí cụ thể Cho mộtkhuvực
Ảnh hưởng của khí quyển đối lưu đến truyền sóngv ô tuyến
1.3.1 Các tham số khí quyển trên đường truyền sóng vôtuyến
Khí quyển tầng đối lưu của trái đất được đặc trưng bởi các thông số như áp suất, nhiệt độ, độ ẩm, hướng và tốc độ gió, lượng mưa và bốc hơi, tất cả đều thay đổi liên tục Những biến động này ảnh hưởng đáng kể đến cách thức truyền sóng vô tuyến, cả về không gian lẫn thời gian Do tính không đồng nhất của tầng đối lưu, việc truyền sóng ở đây mang bản chất khúc xạ, được mô tả qua chỉ số khúc xạ vô tuyến Nghiên cứu về chỉ số khúc xạ trên các đường truyền được thực hiện thông qua nhiều phương pháp khác nhau, được trình bày trong Chương 2 và Chương 3 của luận án.
Tia sóng khi truyền qua tầng đối lưu của khí quyển sẽ bị uốn cong do hiện tượng khúc xạ được mô tả theo công thức [78]:
Độ cong của tia sóng, ký hiệu 1/𝜌, có giá trị dương khi chỉ số khúc xạ khí quyển giảm theo độ cao (dn/dh < 0), dẫn đến quỹ đạo tia sóng có bề lõm hướng xuống dưới, được gọi là khúc xạ dương Ngược lại, khúc xạ âm xảy ra khi độ cong của tia sóng có giá trị âm, làm cho quỹ đạo tia sóng có bề lõm hướng lên trên.
Trongthựctếcựlytruyềnsónglớnhơnnhiềulầnđộcaoan-ten,tiasóng gần như nằm ngang𝜌 ≈ 0cùng với𝑛 = ≈ 1công thức (1.15) trởthành:
Nếu chỉ số khúc xạ không đổi, quỹ đạo của tia sóng sẽ là một cung tròn Trong trường hợp không có hiện tượng khúc xạ, tức là khi chỉ số khúc xạ theo phương thẳng đứng là 0, tia sóng sẽ di chuyển theo đường thẳng.
Để đánh giá ảnh hưởng của khúc xạ khí quyền, phương pháp thường được sử dụng là coi cả tia tới trực tiếp và tia phản xạ trên mặt đất là những đường truyền thẳng trên một mặt cầu giả định có bán kính tương đương với R e Việc thay thế các tia sóng thực và mặt đất thực bằng các tia sóng đi thẳng và mặt đất tương đương yêu cầu phải thỏa mãn điều kiện về độ cong tương đối, tức là độ cong giữa mặt đất thực và tia sóng thực phải tương đương với độ cong giữa mặt đất giả định và tia sóng đi thẳng.
Hệ số bán kính trái đất hiệu dụng (k-factor) là tỷ số giữa bán kính hiệu dụng (R e) và bán kính thực của trái đất (a), được thể hiện qua công thức k = R e / a.
Với:abán kính thực của trái đất,R e bán kính trái đất hiệu dụng.
Từ các công thức (1.16) và (1.18), ta thấy rằng độ cong của tia sóng 1/𝜌 tương đương với độ cong trái của trái đất 1/R e Khi tia sóng đi qua tầng thấp của khí quyển, độ cong này phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của chỉ số khúc xạ khí quyển theo độ cao, mà không phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối của nó Với bán kính thực của trái đất 𝑎 ≈ 6370 km, hệ số k được tính gần đúng theo công thức đã nêu.
157)VớiG = dN/dhlà biến thiên độ khúc xạ vô tuyến theo phương thẳng đứng (gradient) hay độ dốc khúc xạ vô tuyến.
Từ công thức tính hệ sốk, công thức (1.19), cho kết quả như Hình 1.5 là đường cong thể hiện mối quan hệ giữakvàG[50] Ở bề mặt trái đất, độ khúc xạ
Nthường giảm theo độ cao (tương ứng với độ dốc âm) và có giá trị( dN ) ≈ −40 dh
N-units/km,khiđó𝑘≈4⁄3g iọilàđiềukiệnkhúcxạthường(normalrefraction) hay khúc xạ tiêu chuẩn (standard refraction) Trong điều kiện khúc xạ tiêu chuẩn, tính toán cho thấy, đối với hệ thống thông tin tầm nhìn thẳng do ảnh hưởngcủahiệntượngkhúcxạ,cựlitruyềntăngthêm15%sovớikhikhôngcó khúcxạkhíquyển(tứclàtruyềnthẳng,k=1)[81].
Hình 1.5 Sự phụ thuộc của k vào G
Các giá trị tương ứng của G và k được thể hiện qua các mối quan hệ như sau: G = 314 (k = 0.33), 157 (k = 0.5), 0 (k = 1), -157 (k = ∞), -314 (k = -1) Ngược lại, các giá trị k và G tương ứng là k = 1 (G = 0), 4/3 (G = -40), 2 (G = -80), ∞ (G = -157), và k < 1 (G > 0) Những thông tin này được trình bày rõ ràng trong Bảng 1.3 và Bảng 1.4.
Bảng 1.3 Giá trị Gvàk Bảng 1.4 Giá trị k và G
KhiG< -157 (k< 0) là điều kiện để xảy ra điều kiện khúc xạ ống dẫn.
Mô-đun khúc xạ hay độ khúc xạ vô tuyến thay thế được tính theo công thức:
Hàm chuyển này tương tự như việc ánh xạ sang mô hình trái đất phẳng với các đặc tính khí quyển được xác định bởi tham số M Tham số M có thể được áp dụng trong nghiên cứu về điều kiện khúc xạ trong ống dẫn khi sử dụng mô hình trái đất phẳng Bán kính trái đất được ước tính khoảng.
6370 km, công thức (1.20) trở thành:
Lấy vi phân hai vế của công thức (1.21) có được biến thiên mô-đun khúc xạ theo độcao: dM= 𝐺+ 157 (M-units/km) (1.22) dh
Biến thiên mô-đun khúc xạ theo độ cao dM/dh= 0 khi biến thiên độ khúc xạ G= -157, cho thấy giá trị âm trong điều kiện khúc xạ ống dẫn Điều này liên quan đến các khuyến nghị của ITU-R P.453 về điều kiện khúc xạ ống dẫn.
[76] [77] dựa trên các thống kê trong vòng 20 năm (1977-1996) từ 661 điểm quan trắc bóng thám không trên thế giới hay có ở[89].
Hình 1.6, 1.7 và 1.8 tóm tắt các giá trị M, N trong các trường hợp độ dốc khúc xạ khác nhau Trong Hình 1.6, điều kiện truyền sóng thông thường cho thấy độ khúc xạ N giảm dần theo độ cao, biểu hiện cho trường hợp độ dốc âm Nhiệt độ giảm theo chiều cao với sự thay đổi tuyến tính, trong khi áp suất và độ ẩm giảm theo cách phi tuyến Đặc biệt, độ ẩm có sự biến đổi lớn ở độ cao thấp và ít thay đổi ở độ cao lớn.
Hình 1.6 Điều kiện truyền sóng thông thường với độ dốc khúc xạ âm.
Hình 1.7 Điều kiện truyền sóng bất thường với độ dốc khúc xạ dương.
Hình 1.8 Điều kiện truyền sóng bất thường với độ dốc khúc xạ âm.
Điều kiện truyền sóng bất thường được thể hiện qua hai hiện tượng khác nhau Hình 1.7 mô tả hiện tượng khúc xạ phụ với độ dốc dương, xảy ra khi nhiệt độ và độ ẩm thay đổi bất thường, trong khi áp suất vẫn ổn định Ngược lại, Hình 1.8 thể hiện hiện tượng siêu khúc xạ với độ dốc âm, gây ra đa đường và khúc xạ ống dẫn khi nhiệt độ thay đổi bất thường, trong khi áp suất và độ ẩm vẫn giữ nguyên.
Chỉ số khúc xạ vô tuyến (độ khúc xạ N) là một tham số quan trọng của khí quyển tầng đối lưu Thông qua chỉ số này, có thể xác định các tham số khác như k, Gh, và My, từ đó làm cơ sở cho việc xác định điều kiện truyền sóng.
1.3.2 Ảnh hưởng của các tham số khí quyển đến truyềnsóng Độ khúc xạ vô tuyến thay đổi theo độ cao và theo thời gian làm cho tia sóng bị uốn cong khi truyền trong khí quyển tầng đối lưu Các đo đạc thực nghiệm chỉ ra phạm vi biến thiên của độ dốc khúc xạGnhư ở Hình 1.9.
Hình 1.9 Phân bố xác suất của độ dốc khúc xạ vô tuyến [89].
Kết quả nghiên cứu cho thấy giá trị của G có thể dao động từ dương sang âm, với giá trị dương của G chỉ xuất hiện ở những tỷ lệ nhỏ Giá trị trung bình được xác định là 50% và khoảng -40 N-units/km, được gọi là khúc xạ tiêu chuẩn Khi G lớn hơn 0, hiện tượng này được gọi là khúc xạ âm, với quỹ đạo tia sóng có bề lõm hướng lên Ngược lại, khi G nhỏ hơn 0, quỹ đạo tia sóng có bề lõm hướng xuống được gọi là khúc xạ dương.
Tình hình nghiên cứu liên quan đến nội dungl u ậ n án
1.4.1 Tình hình nghiên cứu ở ngoàinước
Nghiên cứu khúc xạ khí quyển đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất hệ thống vô tuyến, vì nó ảnh hưởng lớn đến truyền sóng điện từ trong tầng đối lưu Việc xác định trạng thái khúc xạ khí quyển tại các vị trí và thời điểm khác nhau trong năm là cần thiết cho thiết kế và triển khai hiệu quả các hệ thống thông tin vô tuyến Để đánh giá tác động của khí quyển tầng đối lưu đối với truyền sóng vô tuyến, cần áp dụng các phương pháp ước lượng chỉ số khúc xạ khí quyển Các nghiên cứu về chỉ số khúc xạ đã được thực hiện từ lâu, với nhiều công trình tiêu biểu.
Có nhiều phương pháp để xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến, bao gồm ba loại chính: sử dụng số liệu mô hình toàn cầu của ITU-R, đo trực tiếp và đo gián tiếp Phương pháp đo trực tiếp sử dụng các thiết bị như tháp khí tượng, cột khí tượng, bóng thám không và cảm biến vô tuyến Trong khi đó, phương pháp gián tiếp dựa trên khuyến nghị của ITU-R P.453, cho phép xác định chỉ số khúc xạ thông qua các thông số khí quyển như nhiệt độ, độ ẩm và áp suất Các phương pháp đo viễn thám, vốn thuộc loại đo gián tiếp, bao gồm việc dự đoán hiệu ứng tán xạ sóng điện từ và âm thanh trong khí quyển, được phân loại thành vô tuyến thụ động, vô tuyến tích cực, vô tuyến định vị, laser và âm thanh vô tuyến.
Mỗi phương pháp đo lường khúc xạ đều có những đặc điểm riêng biệt Phương pháp trực tiếp sử dụng khúc xạ kế vô tuyến mang lại độ chính xác cao, nhưng lại gặp hạn chế về số lượng thiết bị quan trắc và thời gian thao tác, không phù hợp cho các khu vực rộng lớn hoặc không gian mở Ngược lại, các phương pháp gián tiếp khắc phục những nhược điểm này nhưng thường có độ chính xác thấp hơn Đặc biệt, phương pháp sử dụng mô hình toàn cầu theo khuyến nghị của ITU-R P.453 cho phép xác định chỉ số khúc xạ ở bất kỳ độ cao nào, dựa trên bộ dữ liệu quan trắc trong 5 năm (1955-1960).
Phương pháp sử dụng mô hình cho kết quả nhanh nhưng thiếu tính cụ thể cho từng khu vực, trong khi phương pháp viễn thám từ vệ tinh cung cấp độ chính xác cao hơn trong việc xác định độ khúc xạ vô tuyến toàn cầu, mặc dù nguồn dữ liệu còn hạn chế Dữ liệu từ vệ tinh COSMIC-1 chỉ có từ 2006-2020 Ngược lại, phương pháp bóng thám không cung cấp số liệu thực tế về trạng thái khí quyển và cho phép xác định giá trị độ khúc xạ vô tuyến chính xác hơn Tuy nhiên, phương pháp này cũng gặp phải hạn chế về số lượng điểm thả bóng, độ cao tối đa và thời điểm thả bóng Cả hai phương pháp viễn thám và bóng thám không đều có chi phí thực hiện cao.
Nghiên cứu về độ khúc xạ vô tuyến đã được thực hiện thông qua các phương pháp thực nghiệm, với nhiều tài liệu đề cập đến phương pháp gián tiếp để xác định độ khúc xạ (xem [29], [46], [58], [103]) Các phương pháp đo lường độ ẩm, nhiệt độ và chỉ số khúc xạ vô tuyến ở bề mặt với tần số cao cũng đã được nghiên cứu (xem [106]) Gần đây, có các nghiên cứu liên quan đến mối quan hệ giữa các thông số khí tượng và hệ số bán kính trái đất hiệu dụng [105], ước tính độ dốc khúc xạ vô tuyến từ các thông số môi trường như nhiệt độ, áp suất và độ ẩm tương đối [104], cùng với sự thay đổi của các thông số khí tượng ảnh hưởng đến độ khúc xạ bề mặt [102] Một nghiên cứu khác đã sử dụng dữ liệu trong 41 năm (1980-2020) từ cơ sở dữ liệu MERRA-2 để tính toán chỉ số khúc xạ theo khuyến nghị của ITU-R, cho thấy mối tương quan giữa các yếu tố như lượng mưa, độ ẩm tương đối và áp suất không khí là mạnh, trong khi nhiệt độ có tương quan yếu và tốc độ gió không có tương quan Cuối cùng, nghiên cứu cũng so sánh các biến thể của mạng nơ-ron hồi quy để dự đoán chỉ số khúc xạ vô tuyến [101] và sự thay đổi theo vĩ độ, theo mùa của độ khúc xạ bề mặt [85].
Phương pháp sử dụng số liệu bóng thám không áp dụng để xác định phạm vi thay đổi của chỉ số khúc xạ và hệ số bán kính trái đất hiệu dụng Nghiên cứu về điều kiện khúc xạ trong ống dẫn và điều kiện truyền sóng dị thường cũng có ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của ra-đa thời tiết.
Phương pháp đề xuất trong luận án này sử dụng số liệu sóng vô tuyến thăm dò, hay còn gọi là cắt lớp vô tuyến, là một kỹ thuật đo viễn thám có cơ sở vật lý dựa trên mối quan hệ giữa sự thay đổi của cường độ và tần số tín hiệu với chỉ số khúc xạ Nghiên cứu về đo khúc xạ theo phương pháp này đã được thực hiện trong nhiều năm Kết quả đo theo mùa về chỉ số khúc xạ và độ dốc từ tín hiệu đài truyền hình, khi so sánh với bóng thám không, đã chứng minh tính hiệu quả của thiết bị và công nghệ được áp dụng.
Hình 1.15 Kết quả đo đạc từ thiết bị (đường liền) và so sánh với bóng thám không (đường với ô trắng).
Phương pháp cắt lớp sử dụng sóng vô tuyến khác biệt với phương pháp ra-đa đắt tiền, tập trung vào việc nghiên cứu trạng thái khí quyển bằng cách khai thác sóng vô tuyến từ các nguồn có sẵn như các đài truyền hình Phương pháp này không chỉ dựa vào sóng vô tuyến mặt đất mà còn áp dụng sóng từ vệ tinh như GPS và NOAA, giúp xác định tổng lượng hơi nước trong tầng đối lưu khí quyển và nghiên cứu mật độ điện tử tầng điện li Thiết bị thu sóng GPS có thể được lắp đặt trên các vệ tinh tầm thấp, máy bay, UAV, bóng thám không hoặc tại các trạm mặt đất.
Mô hình toàn cầu về chỉ số khúc xạ là một công cụ quan trọng, áp dụng cho mọi vị trí trên bề mặt trái đất và cho các độ cao khác nhau Độ khúc xạ, một tham số cơ bản của khí quyển, luôn thay đổi theo nhiệt độ, áp suất và độ ẩm Việc đánh giá khả năng áp dụng mô hình của ITU-R cho khu vực nhiệt đới, như Việt Nam, là cần thiết do sự biến đổi rõ rệt của các mùa Hiệu suất của các tuyến thông tin vô tuyến, đặc biệt là trong các hệ thống radar và định vị, phụ thuộc vào cấu trúc không gian của chỉ số khúc xạ tầng đối lưu Do đó, nghiên cứu và lựa chọn giải pháp công nghệ phù hợp để ước lượng chỉ số khúc xạ vô tuyến và đánh giá khả năng áp dụng của mô hình toàn cầu cho khu vực này là rất quan trọng.
1.4.2 Tình hình nghiên cứu trongnước
Vấn đề truyền sóng trong khí quyển có các giáo trình như [10] [11] [28]
Trong các tài liệu nghiên cứu, cơ sở lý thuyết về hiện tượng khúc xạ trong tầng đối lưu được trình bày rõ ràng Tuy nhiên, các nghiên cứu trong nước về truyền sóng trong tầng đối lưu vẫn còn hạn chế Các tác giả chủ yếu tập trung vào việc khai thác dữ liệu từ máy thu GPS, được lắp đặt trên mặt đất hoặc vệ tinh tầm thấp, nhằm nghiên cứu hơi nước trong khí quyển và đánh giá mật độ điện tử tổng cộng trong tầng điện li.
Nghiên cứu sử dụng các nguồn bức xạ vô tuyến điện hiện có để xác định các tham số khí quyển nhằm phục vụ dự báo một số hiện tượng thời tiết Bên cạnh đó, việc áp dụng số liệu COSMIC/FORMOSAT-3 để đánh giá các chỉ số đối lưu trong khí quyển cũng đang được chú trọng Tuy nhiên, nghiên cứu về điều kiện truyền sóng trong tầng đối lưu vẫn còn nhiều hạn chế.
Nghiên cứu về đường truyền thông tin vệ tinh quốc tế tại Việt Nam đã chỉ ra nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về hệ số suy giảm trong môi trường truyền sóng di động dải tần 900 MHz cũng được thực hiện Đặc biệt, mô phỏng suy hao tín hiệu do mưa đã cung cấp những nhận xét quan trọng cho việc thiết kế các tuyến truyền dẫn vi ba mặt đất tầm nhìn thẳng (LOS) phù hợp với khí hậu Việt Nam Hơn nữa, nghiên cứu về thuật toán ước lượng tham số tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến đã cải tiến độ phân giải và độ chính xác, qua đó nâng cao dung lượng và chất lượng hệ thống Các giải pháp như cảm nhận phổ không sử dụng thông tin trạng thái kênh (CSI) và kiến trúc máy thu mới cũng được đề xuất nhằm cải thiện hiệu suất sử dụng phổ và chất lượng ước lượng hướng sóng tới (DOA) trong các hệ thống thông tin và định vị vô tuyến.
Nghiên cứu về viễn thám bầu khí quyển và bề mặt bên dưới sử dụng bức xạ của hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu đã được đề cập trong tài liệu [7], nơi giải quyết vấn đề chẩn đoán bầu khí quyển thông qua bức xạ vệ tinh Phương pháp chẩn đoán tình hình khí tượng và trạng thái khúc xạ của tầng đối lưu dựa trên tín hiệu định vị đã được phát triển, với mô hình hàm ánh xạ tính đến hình cầu của tầng đối lưu nhằm mô tả chính xác hơn độ trễ của tầng này Trong công trình [4], đặc điểm của lớp phản xạ trong tầng đối lưu được xác định dựa trên cường độ tín hiệu VHF gần chân trời, từ đó đưa ra phương pháp xác định sự thay đổi độ cao, vận tốc nâng và hệ số phản xạ của lớp này Bài báo [6] trình bày khả năng sử dụng nguồn bức xạ nhân tạo như tín hiệu truyền hình và vệ tinh để đánh giá các thông số khí quyển, đề xuất phương pháp ước tính khúc xạ tầng đối lưu dựa trên hệ số suy giảm của tín hiệu TV trên đường truyền chân trời, điều này cũng gần gũi với nội dung nghiên cứu của luận án.
Các nghiên cứu về ước lượng chỉ số khúc xạ để xác định trạng thái và các tham số khí quyển trong truyền sóng vô tuyến ở Việt Nam còn hạn chế Cần chú trọng đến việc áp dụng phương pháp cắt lớp vô tuyến và phương pháp gián tiếp để xác định chỉ số khúc xạ thông qua các yếu tố khí quyển như nhiệt độ, độ ẩm và áp suất Điều này sẽ giúp cải thiện hiểu biết về điều kiện truyền sóng trong khí quyển tầng đối lưu.
Kết luậnChương1
Chương 1 của bài viết trình bày ảnh hưởng của khí quyển trái đất, đặc biệt là tầng đối lưu, đến việc lan truyền sóng vô tuyến và ứng dụng các dải băng tần trong thực tế Chỉ số khúc xạ vô tuyến được phân tích sâu sắc như một tham số quan trọng ảnh hưởng đến truyền sóng trong tầng đối lưu Mặc dù phương pháp đo trực tiếp bằng khúc xạ kế có độ chính xác cao, nhưng khó thực hiện do chi phí và bảo trì Thay vào đó, quan trắc gián tiếp có thể thực hiện thông qua bóng thám không và cắt lớp vô tuyến qua vệ tinh Bóng thám không cho phép xác định chỉ số khúc xạ theo chiều cao, nhưng chỉ khả thi trên đất liền và giới hạn số lần đo trong ngày Ngược lại, phương pháp cắt lớp vô tuyến dùng vệ tinh là tương đối mới, cho phép xác định chỉ số khúc xạ tại nhiều địa điểm, kể cả trên biển, mang lại nhiều lợi thế hơn.
Luận án nhằm đánh giá quy luật biến đổi của điều kiện truyền sóng tầng đối lưu qua việc phân tích chỉ số khúc xạ theo thời gian, sử dụng số liệu từ bóng thám không và cắt lớp vô tuyến tại Hà Nội Nghiên cứu này cũng thực hiện phân tích so sánh với mô hình chỉ số khúc xạ theo khuyến nghị ITU-R P.453, được trình bày trong Chương 2 và Chương 3 của luận án.
CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TRUYỀN SÓNG
VÔ TUYẾN TRONG KHÍ QUYỂN SỬ DỤNG SỐ LIỆU
Viễn thám, theo nghĩa rộng, là môn khoa học nghiên cứu việc đo đạc và thu thập thông tin về đối tượng thông qua thiết bị đo gián tiếp, như các bước sóng ánh sáng Nó không chỉ nghiên cứu bề mặt trái đất hay các hành tinh mà còn có khả năng thăm dò các lớp sâu bên trong Trên trái đất, viễn thám có thể được thực hiện thông qua máy bay dân dụng, máy bay chuyên dụng hoặc vệ tinh nhân tạo để thu nhận và phát tín hiệu ảnh viễn thám.
Chương này giới thiệu phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh, một kỹ thuật viễn thám với nhiều ưu điểm như vùng phủ rộng, độ chính xác cao và khả năng hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết Dữ liệu cắt lớp vô tuyến giúp xác định cấu trúc không gian của chỉ số khí quyển, từ đó đánh giá điều kiện truyền sóng Tuy nhiên, phương pháp này không hiệu quả ở độ cao thấp của tầng đối lưu do ảnh hưởng của địa hình và hơi nước, dẫn đến hiện tượng đa đường trong khí quyển Vì vậy, cần kết hợp với phương pháp bóng thám không để cải thiện độ chính xác Phụ lục 2, mục 2.1 và Phụ lục 3, mục 3.2.1 sẽ trình bày chi tiết về cơ chế thu thập, cấu trúc và lưu trữ dữ liệu cắt lớp phục vụ nghiên cứu điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển.
Độ khúc xạ vô tuyến và cấu trúc không gian của nó trong khí quyển tầng đối lưu có vai trò quan trọng trong các hệ thống định vị, dẫn đường và thông tin vô tuyến Chương này sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến từ vệ tinh COSMIC-1 trong giai đoạn 2014-2016 để xác định độ khúc xạ vô tuyến và điều kiện truyền sóng vô tuyến tại khu vực Hà Nội.
Phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụngv ệ tinh
Kỹ thuật cắt lớp vô tuyến, một phần quan trọng trong sứ mệnh thám hiểm vũ trụ của NASA, đã được áp dụng ở khí quyển trái đất thông qua tín hiệu GPS Kỹ thuật này lần đầu tiên được chứng minh bằng thử nghiệm GPS/MET vào năm 1995, mở ra tiềm năng lớn cho nhiều lĩnh vực như khí tượng học, khí hậu học và vật lý tầng điện li.
Phương pháp cắt lớp vô tuyến nghiên cứu bề mặt và khí quyển của trái đất bằng tín hiệu từ hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu Nguyên lý của phương pháp này dựa vào hiện tượng khúc xạ khi tín hiệu GPS/GNSS đi qua khí quyển và được thu bởi các vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO) dưới đường chân trời Góc bị uốn cong của tín hiệu là tham số quan trọng cho hệ thống đồng hóa, giúp xác định biến thiên theo phương thẳng đứng của chỉ số khúc xạ Biến thiên này liên quan đến các tham số khí quyển như nhiệt độ, áp suất tổng cộng, áp suất hơi nước và mật độ điện tích Phương pháp cắt lớp vô tuyến nổi bật với vùng phủ rộng, độ chính xác cao, khả năng hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, và sự hội tụ dữ liệu tốt giữa các nhiệm vụ không gian và vệ tinh khác nhau.
Hiện nay, nhiều vệ tinh quỹ đạo trái đất thấp (LEO) đã được phóng lên để thu thập dữ liệu cắt lớp, bao gồm các vệ tinh như GPS/MET (Hoa Kỳ), CHAMP (Đức), SAC-C (Argentina), Orsted (Đan Mạch), COSMIC/FORMOSAT-3 (Hoa Kỳ và Đài Loan-Trung Quốc), FedSat (Úc) và ACE+ (Châu Âu).
2.1.1 Nội dung của phương pháp cắt lớp vôtuyến
Hệ thống GPS, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế và quản lý, sử dụng vệ tinh nhân tạo để xác định vị trí Đây là một hệ thống đa mục đích, hoạt động hiệu quả trong mọi điều kiện thời tiết và có phạm vi toàn cầu, phục vụ cho các ứng dụng như định vị, điều hướng và khảo sát Phần không gian của GPS bao gồm 24 vệ tinh chính và 3 vệ tinh dự phòng, được đặt trên quỹ đạo quanh Trái Đất.
Hình 2.1 Phổ công suất của tín hiệu GPS Phía bên trái là khoảng thời gian đối với từng loại vệ tinh [40].
Tín hiệu GPS được phát từ vệ tinh với tần số sóng mang chủ yếu ở băng tần L, bao gồm L1 (1.57542 GHz), L2 (1.22760 GHz) và L5 (1.11765 GHz), trong đó L5 vẫn chưa chính thức Các tín hiệu này bao gồm nhiều mã khác nhau như C/A (loại thô), P (loại tinh) và thông tin hàng hải, cùng với tín hiệu mã M (dành cho quân sự) và loại L1C/L2C (dành cho dân sự, trong đó L2C chưa chính thức).
Phương pháp cắt lớp vô tuyến cho thấy trạng thái bắt đầu bị che khuất khi tín hiệu vô tuyến giữa GPS và LEO đi vào tầng cao của khí quyển Tia sáng nằm sâu trong khí quyển bị uốn cong do tác động của gia tốc trọng trường.
Phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh là kỹ thuật dựa vào việc theo dõi tín hiệu từ vệ tinh GPS ở hai băng tần L1 và L2 Kỹ thuật này được thực hiện bởi các vệ tinh khí tượng ở quỹ đạo thấp (LEO) khi tín hiệu bị che lấp bởi trái đất ở phía dưới đường chân trời (OTH).
Hình 2.3 Quá trình tạo ra các lát cắt theo chiều dọc do sự di chuyển tương đối giữa vệ tinh GPS và vệ tinh khí tượng LEO.
Tín hiệu vệ tinh định vị di chuyển qua bầu khí quyển trái đất đến máy thu bị trễ và uốn cong do gia tốc trọng trường Trong khoảng thời gian bị che khuất khoảng 3 phút, vệ tinh khí tượng thu tín hiệu ở các độ cao khác nhau, tạo ra các lát cắt theo chiều dọc của khí quyển Các bộ thu hiện đại có khả năng thu được nhiều lát cắt hơn, với tốc độ lấy mẫu có thể đạt tới 3000 tia sóng hoặc hơn Dựa vào tín hiệu thu được, các tham số khí quyển như chỉ số khúc xạ, nhiệt độ, áp suất, hơi nước, độ cao và mật độ điện tích ở tầng điệnli được xác định, hình thành một lớp dữ liệu đặc trưng theo chiều dọc.
Thống kê dữ liệu đặc trưng hàng ngày của một số vệ tinh LEO trang bị thiết bị thu sóng GPS được thực hiện thông qua phương pháp cắt lớp vô tuyến, như được trình bày trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1 Dữ liệu đặc trưng của một số nhiệm vụ không gian
Nhiệm vụkhônggian Dữ liệu đặctrưng
Có nhiều biến thể khác đã áp dụng thành công phương pháp cắt lớp vô tuyến, trong đó sử dụng thiết bị thu sóng GPS lắp đặt trên máy bay.
Bóng thám không được sử dụng để xác định các lớp dữ liệu đặc trưng trong khí quyển, với nguyên lý tương tự như ứng dụng ban đầu của phương pháp này trong các máy thu không gian Trong tầng đối lưu của khí quyển, các bước tính toán các thông số khí quyển được minh họa rõ ràng, với giả định rằng các tín hiệu 1 ở băng tần L.
PAZ 300 điều chế với mã C/A, P và thông điệp dữ liệu điều hướng) vàs 2 là tín hiệu ở
L 2(điều chế với mã P và thông điệp dữ liệu điều hướng).
Hình 2.4 Các bước xác định tham số khí quyển.
Phương pháp cắt lớp theo kỹ thuật quang hình học, như thể hiện trong Hình 2.5, đã được chứng minh mang lại kết quả tốt ở tầng trên của khí quyển Tuy nhiên, ở tầng thấp của khí quyển đối lưu, sự hiện diện của một lượng đáng kể hơi nước có thể dẫn đến hiện tượng đa đường, gây ảnh hưởng tiêu cực đến kết quả nghiên cứu.
Hình 2.5 Các góc và các tham số được sử dụng ở kỹ thuật cắt lớp vô tuyến. r r
Yếu tố địa hình ở tầng thấp của khí quyển ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp cắt lớp vô tuyến, đặc biệt ở độ cao thấp Để cải thiện độ chính xác, cần xác định chính xác quỹ đạo của vệ tinh GPS và LEO, điều này được thực hiện thông qua mạng trạm mặt đất và các vệ tinh GPS khác Thông tin chi tiết về quy trình và tác động của việc hiệu chỉnh có thể tham khảo tại các tài liệu [37][49].
Trong khí quyển hình cầu, góc uốn cong có thể biểu thị bằng công thức [49]:
𝛼(𝑎 ) =−2𝑎 ∫ œdSn(n) dr (2.1) r rr t dr ƒn 2 r 2 –a 2
Khoảng cách từ tâm đến đường cong tia sóng được ký hiệu là r, trong khi a r là tham số ảnh hưởng, với tích phân được lấy từ phần khí quyển bên trên bán kính ở độ cao tiếp tuyến r t Đặt x = nr, được gọi là bán kính khúc xạ, biểu thị tích của chỉ số khúc xạ và bán kính cong tia sóng Phương trình này có thể được đảo ngược thông qua hàm chuyển Abel, và n(r) có thể được tính bằng hàm lũy thừa.
Mặt cắt chỉ số khúc xạ (profile) được biểu diễn dưới dạng hàm củar, cho phép xác định góc uốn cong thông qua phương trình (2.1) Ngược lại, từ mặt cắt góc uốn cong, có thể tính toán chỉ số khúc xạ theo phương trình (2.2) Độ khúc xạ vô tuyến được xác định dựa trên chỉ số khúc xạ theo công thức [49].
Trong đó: a 1 , a 2 , a w , a i : là các hằng số
T: nhiệt độ e: áp suất thành phần hơi nước n e : mật độ điện tích f: tần số của tín hiệu
W w,i : tổng lượng nước đá và hơi nước n: chỉ số khúc xạ vô tuyến
Xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội sử dụng số liệu cắt lớpvôtuyến
Hà Nội sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến.
Hệ thống COSMIC/FORMOSAT-3, hay còn gọi là COSMIC-1, là một chương trình không gian hợp tác giữa Đài Loan (Trung Quốc) và Mỹ, được triển khai vào tháng 4 năm 2006 Chương trình này bao gồm 6 vệ tinh quan trắc khí tượng, tầng điện li và khí hậu, hoạt động ở độ cao từ 700 đến 800 km trên quỹ đạo tầm thấp trái đất.
Để xác định điều kiện truyền sóng, các vệ tinh được trang bị thiết bị thu tín hiệu GPS, từ đó xử lý dữ liệu GPS để tính toán các thông số trong khí quyển tầng đối lưu Dữ liệu cắt lớp vô tuyến từ vệ tinh giúp xác định cấu trúc không gian của chỉ số khúc xạ, phục vụ cho việc nghiên cứu và xác định điều kiện truyền sóng trong khí quyển Trình tự các bước xác định các tham số khí quyển và điều kiện truyền sóng được mô tả chi tiết trong hình 2.6.
Nguồn dữ liệu trong nghiên cứu này được lấy từ vệ tinh COSMIC-1, do CDAAC - Trung tâm lưu trữ và phân tích dữ liệu COSMIC phân phối, yêu cầu đăng ký Đây là trung tâm dữ liệu viễn thám lớn tại Đài Loan, cung cấp dữ liệu từ các nhiệm vụ không gian như COSMIC-1, COSMIC-2, MetOp, GRACE, SACC, GPSMET, và KOMPSAT5RT Việc thu thập dữ liệu được thực hiện theo phương pháp cắt lớp vô tuyến ở độ cao thấp, nơi nhiễu do hơi nước và địa hình ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu Cần xử lý dữ liệu để loại bỏ các giá trị không hợp lệ, như giá trị bị thiếu được gán là -999 Dữ liệu cắt lớp khu vực Hà Nội được định nghĩa với kinh độ 105.80 o E và vĩ độ 21.01 o N trong phạm vi bán kính 2 o Cấu trúc không gian của độ khúc xạ vô tuyến bao gồm các yếu tố vị trí, từ đó xác định các tham số khí quyển và điều kiện truyền sóng.
Dữ liệu thu thập được dưới dạng file nén (tar file) trên hệ thống Unix, với tổng dung lượng gần 85 GB, được lưu trữ theo từng năm Mỗi file dữ liệu chứa nhiều file profile ẩm (wetPrf) từ các vệ tinh khác nhau, và số liệu profile ẩm được định dạng netCDF, một định dạng dữ liệu khoa học mở, tự mô tả và cho phép lưu trữ dữ liệu nhiều chiều.
Câu lệnh ncdump trên hệ điều hành Linux cho phép người dùng xem cấu trúc và dữ liệu có trong file netCDF Ví dụ, khi sử dụng lệnh ncdump -h wetPrf_C001.2014.121.00.02.G27_2014, người dùng có thể xem các trường dữ liệu của file profile ẩm, giúp hiểu rõ hơn về dữ liệu cắt lớp trong file này.
Hình 2.7 Các trường dữ liệu cắt lớp trong file profile ẩm.
Bài viết này đề cập đến các thông số quan trọng, bao gồm độ cao so với mực nước biển (MSL_alt) dao động từ 0,1 km đến 39,9 km, với khoảng cách giữa mỗi lớp dữ liệu là 0,1 km Ngoài ra, các thông số cũng bao gồm vĩ độ (Lat) và kinh độ (Long).
Độ khúc xạ vô tuyến (Ref) có thể được tính toán dựa trên các thông số như áp suất (Pres), nhiệt độ (Temp) và độ ẩm tương đối (Vp) theo công thức (1.3) Thông tin chi tiết về các trường dữ liệu này được trình bày trong file profile ẩm, có thể tham khảo tại Phụ lục 4.
Mô hình không gian của độ khúc xạ vô tuyến được cấu thành từ một mảng bốn chiều, bao gồm các tọa độ không gian và giá trị tương ứng của độ khúc xạ vô tuyến.
R 4 = Array [(Lat,Lon,Alt,Ref)] (2.8)
Trongđó:Latlàvĩđộ,Lonlàkinhđộ,Altlàcaođộ,Reflàđộkhúcxạvô tuyến.
Dựa vào dữ liệu profile ẩm và thông tin tọa độ vĩ (Lat) cùng tọa độ kinh (Lon), chúng ta có thể xác định dữ liệu cắt lớp cho khu vực Hà Nội Cụ thể, một điểm trên trái đất với vị trí X (Xlat, Xlon) được xác định nằm trong khu vực Hà Nội nếu thỏa mãn điều kiện bán kính 2 độ, với công thức ƒ(𝑋Sat−𝐻𝑁.Sat)2+(𝑋Son−𝐻𝑁.Son)2≤2.
Với HN (HNlat, HNlon) là tâm của hình tròn, có vị trí ở 21.01 o N độ vĩ bắc và 105.80 o E độ kinhđông.
Kết hợp thông tin về độ cao (MSL_alt) và độ khúc xạ (Ref) sẽ giúp xây dựng mô hình không gian độ khúc xạ vô tuyến cho khu vực Hà Nội.
Từ mô hình không gian của độ khúc xạ, xác định được cấu trúc không gian (hai chiều) của độ khúc xạ vô tuyếnN(h)sẽ códạng:
𝑁 ℎ)( )=𝐴𝑟)𝑟)𝑎𝑦[(𝑁(𝑁.[ h i, ℎ) i )] (2.10) Độ khúc xạ vô tuyến trung bình𝑁 ℎ) 𝑖 ở độ caoh i là một phần tử trong mảng hai chiều, ở công thức (2.10), được xác định như sau: h i
Với:𝑁.hij(N-units)làđộkhúcxạthứjởđộcaoh i (km),h i làgiátrịcủa caođộAlttừ0,1- 39,9kmvớikhoảngcáchgiữamỗilớpdữliệulà0,1km.
Biến thiên độ khúc xạ vô tuyến theo độ caoG(h)được tính như sau:
𝐺 = dN = ∆N hi = N hi –N hi—1 (N-units/km) (2.13) h i dh ∆h i h i –h i—1
Với:𝑁 h i (N-units),𝑁 h i—1 (N-units) là các giá trị độ khúc xạ vô tuyến ở các độ caoh i vàh i-1
Do khoảng cách giữa mỗi lớp (profile) dữ liệu là 0,1 km tức làh i -h i-1 =0 , 1 k m c h o n ê n c ô n g t h ứ c ( 2 1 3 ) t r ở thành:
𝐺 hi (𝑁 hi −𝑁 hi—1 ) (N-units/km) (2.14)
TừG ( h ) s ẽt í n h đ ư ợ c h ệ s ố b á n k í n h t r á i đ ấ t h i ệ u d ụ n gk ( h ) t h e oc ô n g thức:
157 (2.16) Ở đây𝐺 hi ,𝑘 hi là độ dốc độ khúc xạ vô tuyến và hệ số bán kính trái hiệu dụng ở độ caoh i
Việc thu thập dữ liệu cắt lớp cho phép tính toán độ khúc xạ N(h) và xác định độ dốc khúc xạ G(h) Hệ số bán kính trái đất hiệu dụng k(h) được xác định dựa trên các thông số này, tạo cơ sở cho việc phân tích đặc điểm lan truyền sóng vô tuyến trong khí quyển.
2.2.2 Kết quả đạt được và phân tích đánh giá
Từ dữ liệu thu thập được, thống kê dữ liệu có trong các năm (tar file) và số lượng file profile ẩm (wetPrf) tương ứng như ở Bảng2.2.
Bảng 2.2 Thu thập số liệu cắt lớp vô tuyến
Năm File dữ liệu Profile ẩm Năm File dữ liệu Profile ẩm
Khu vực Hà Nội có khí hậu nhiệt đới gió mùa với bốn mùa rõ rệt: xuân, hạ, thu và đông Mỗi mùa mang đến những đặc điểm thời tiết khác nhau, ảnh hưởng đến đời sống và hoạt động của người dân trong thành phố.
Vị trí địa lý 21.01°N và 105.80°E, theo công thức (2.9), cho thấy số ngày có dữ liệu cắt lớp vô tuyến tại khu vực Hà Nội được trình bày trong Bảng 2.3.
Bảng 2.3 Thu thập số liệu cắt lớp khu vực Hà Nội
Trong giai đoạn từ 2006 đến 2013 và năm 2020, khu vực Hà Nội không có số liệu cắt lớp, trong khi từ 2017 đến 2019 chỉ có rất ít ngày có số liệu, dưới 50 ngày mỗi năm Nghiên cứu này sử dụng số liệu COSMIC-1 từ các năm 2014 đến 2016, khi có nhiều ngày có số liệu cắt lớp hơn, cụ thể là 87 ngày vào năm 2014, 86 ngày vào năm 2015 và 100 ngày vào năm 2016.
Năm Số ngày Năm Số ngày Năm Số ngày Năm Số ngày
Độ khúc xạ vô tuyến được xác định từ số liệu trong Bảng 2.3, cho thấy giá trị trung bình của độ khúc xạ vô tuyến ở khu vực Hà Nội trong các năm 2014-2019 như thể hiện trong Bảng 2.4 Cụ thể, độ khúc xạ vô tuyến có xu hướng giảm ở độ cao lớn và tăng ở độ cao thấp Tại độ cao khoảng 40 km, giá trị độ khúc xạ vô tuyến dao động từ 0,89-1,32 N-units, trong khi ở độ cao 0,1 km, giá trị này lên tới 330-368 N-units Chênh lệch giá trị lớn nhất của độ khúc xạ vô tuyến trong giai đoạn 2014-2016 không vượt quá 11 N-units, và nếu tính cả các năm 2017 trở đi, sự biến động này vẫn giữ ở mức tương tự.
GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TRONG KHÍ QUYỂNSỬDỤNG SỐ LIỆU BÓNG THÁM KHÔNG
Phương pháp bóngthámkhông
Bóng thám không là loại bóng bay chuyên dụng để đo lường các yếu tố khí tượng như áp suất khí quyển, nhiệt độ, độ ẩm và hướng, tốc độ gió ở độ cao Hành trình của bóng thám không thường kéo dài khoảng thời gian nhất định, giúp thu thập dữ liệu quan trọng cho nghiên cứu khí hậu.
Trong vòng 2 giờ, các phép đo cơ bản có thể được thực hiện từ mặt đất đến độ cao lên tới 35 km hoặc hơn, tùy thuộc vào điều kiện thời tiết và lượng khí bơm vào, với tầm xa có thể đạt vài trăm km tùy theo tốc độ gió Kết quả đo sẽ được gửi về thiết bị theo dõi trên mặt đất mỗi 1-2 giây qua sóng vô tuyến Bóng thám không hoạt động như một trạm quan trắc trên không, được gắn vào các quả bóng, bay tự do và được thả từ gần 900 địa điểm toàn cầu Hơn hai phần ba trong số này thực hiện quan sát vào thời điểm 00Z (+7 GMT) và 12Z (+19 GMT), với khoảng 100 đến 200 điểm thực hiện quan sát mỗi ngày Ngoài ra, những điểm cần đo bổ sung sẽ được thực hiện một lần mỗi ngày, và thời gian thả bóng thám không, số lượng tham số quan trắc khí quyển và chia sẻ dữ liệu đều tuân theo quy định của Tổ chức khí tượng Thế giới (WMO).
Tại Trạm khí tượng cao không Tân Sơn Hòa (Nhà Bè, Thành phố Hồ Chí Minh), hình ảnh quả bóng thám không được sử dụng để đo các thông số khí quyển.
Hình 3.1 Bóng thám không mang thiết bị đo các thông số khí quyển.
Nước ta có 5 điểm thả bóng thám không, bao gồm Điện Biên Phủ (ICAO 48811), Hà Nội (VVNB, 48820), Bạch Long Vỹ (48839), Vinh (VVVH, 48845), Đà Nẵng (48855) và TP Hồ Chí Minh (VVTS, 48900) Các hoạt động này được tổ chức và quản lý bởi Tổng cục Khí tượng Thủy văn - Bộ Tài nguyên và Môi trường Tại Hà Nội, bóng thám không được thả hai lần trong ngày vào lúc 00Z (+7GMT) và 12Z (+19GMT) từ Đài khí tượng cao không tại Láng Thượng, Đống Đa.
Mỗi ngày, Sài Gòn thả bóng khủng lên trời nhằm đo đạc thời tiết Hoạt động này không chỉ mang tính khoa học mà còn thu hút sự chú ý của người dân và du khách Việc thả bóng giúp cung cấp thông tin chính xác về điều kiện khí tượng, góp phần nâng cao nhận thức về thời tiết trong cộng đồng.
_gl=1*u1v66s*_gcl_au*MjMzNTc3NzUzLjE2ODg1NDExNDc.
Thông qua việc quan trắc các thông số khí quyển như áp suất, nhiệt độ và độ ẩm, chúng ta có thể xác định chỉ số khúc xạ một cách gián tiếp Dữ liệu từ bóng thám không đủ để xác định cấu trúc không gian của độ khúc xạ vô tuyến, do đó sẽ được áp dụng trong nghiên cứu này.
Xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội sử dụng số liệu bóngthámkhông
Hà Nội sử dụng số liệu bóng thámkhông
Các bước xác định các tham số khí quyển trên đường truyền và điều kiện truyền sóng sử dụng dữ liệu bóng thám không được mô tả như ở Hình 3.3.
Hình 3.2 Các bước xác định điều kiện truyền sóng sử dụng số liệu bóng thám không.
Nguồn dữ liệu sơ cấp cho bóng thám không ở khu vực Hà Nội được lấy từ Tổng cục Khí tượng Thủy văn - Bộ Tài nguyên và Môi trường, cùng với số liệu từ trang web của Đại học Wyoming, nơi cung cấp dữ liệu cho hầu hết các điểm thả bóng trên toàn thế giới Trong quá trình thả bóng, sự thay đổi độ cao đột ngột dẫn đến độ trễ của các cảm biến đo các thông số khí quyển, tạo ra các bộ dữ liệu không mong muốn Do đó, việc xử lý dữ liệu để loại bỏ các thông tin không phù hợp, như độ cao bị thiếu thông tin về nhiệt độ, độ ẩm hay áp suất khí quyển, là rất cần thiết Độ khúc xạ được xác định theo phương pháp gián tiếp, và cấu trúc không gian của độ khúc xạ vô tuyến bao gồm các yếu tố vị trí như kinh độ, vĩ độ và độ cao.
Dữ liệu bóng thám không trong nghiên cứu này được thu thập từ trạm Hà Nội (mã VVNB) và có thể truy cập trên trang web của Đại học Wyoming Phụ lục 2, mục 2.2 và Phụ lục 3, mục 3.2.2 mô tả chi tiết về cơ chế thu thập, cấu trúc và lưu trữ dữ liệu bóng thám không, nhằm phục vụ cho việc xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển.
Dữ liệu ngày được lưu trữ dưới định dạng CSV, tương ứng với hai thời điểm thả bóng trong ngày, và được phân loại theo từng năm Thời gian thu thập số liệu trải dài từ 1990 đến 2020, với thống kê chi tiết được trình bày trong Bảng 3.1 Nghiên cứu này chủ yếu sử dụng dữ liệu từ các năm 2016-2018 do tính đầy đủ của thông tin Cần lưu ý rằng không có dữ liệu từ các năm 1994-1998, trong khi các năm 2001-2015 chỉ có rất ít thông tin, và các năm 1990-1993 cùng 1999 cũng thiếu dữ liệu.
2000 thiếu nhiều dữ liệu, các năm 2019- 2020 không có đầy đủ số liệu (năm
2019 không có số liệu tháng 6 và 8, năm 2020 thiếu số liệu nhiềun g à y )
Bảng 3.1 Thu thập số liệu thám không
Năm File Năm File Năm File Năm File
File CSV chứa dữ liệu quan trắc bằng bóng thám không có cấu trúc, bao gồm các thông số như độ cao (HGHT) từ bề mặt trái đất đến 20 km, cùng với độ khúc xạ vô tuyến được tính toán dựa trên áp suất (PRES), nhiệt độ (TEMP) và độ ẩm tương đối (RHLH) Ngoài ra, dữ liệu còn cung cấp thông tin về hướng gió, điểm sương, và các yếu tố khác Do dữ liệu thu thập được là các lớp dữ liệu đặc trưng ở các độ cao khác nhau, dữ liệu bóng thám không có thể coi là một dạng dữ liệu cắt lớp Chi tiết về dữ liệu và các trường trong file CSV được trình bày trong Phụ lục 5.
Hình 3.3 Dữ liệu quan trắc tại trạm khí tượng Hà Nội, ngày 30/08/2021, thời điểm 00Z (+7 GMT) tức 7h sáng
Trường độ cao (HGHT) bao gồm nhiều độ cao quan sát khác nhau với khoảng cách không cố định Để xử lý dữ liệu, cần chuyển đổi về các độ cao cách đều nhau từ 0,1 km đến 20 km theo phương pháp trung bình trượt Ở mỗi độ cao, độ khúc xạ vô tuyến được xác định gián tiếp thông qua các yếu tố như áp suất, nhiệt độ và độ ẩm tương đối theo công thức đã nêu.
Chi tiết về cách tính N(h), G(h) và k(h) đã được trình bày trong mục 2.2.1 Việc sử dụng dữ liệu bóng thám không đủ để xác định chỉ số khúc xạ cũng như đặc điểm lan truyền sóng vô tuyến trong khí quyển.
3.2.2 Kết quả đạt được và phân tích đánhgiá
Trong nghiên cứu về độ khúc xạ vô tuyến trong 5 năm gần nhất đến năm 2021, kết quả cho thấy độ khúc xạ thấp ở độ cao lớn và cao ở độ cao thấp Cụ thể, ở độ cao khoảng 20 km, độ khúc xạ dao động từ 38-41 N-units, trong khi ở độ cao 0,1 km, giá trị này lên tới 365-370 N-units Từ năm 2016 đến 2020, độ khúc xạ vô tuyến nằm trong khoảng từ 38-370 N-units, với chênh lệch giá trị trung bình cao nhất không quá 4 N-units và thấp nhất chưa đến 3 N-units Đặc biệt, trong giai đoạn 2016-2018, sự khác biệt này rất nhỏ, với chênh lệch tối đa không quá 1 N-units Năm 2016, khi so sánh với dữ liệu vệ tinh COSMIC-1 ở cùng độ cao 0,1 km, độ khúc xạ vô tuyến đo được bằng phương pháp thám không (368,49 N-units) cao hơn 12 N-units so với phương pháp cắt lớp vô tuyến (356,65 N-units).
Bảng 3.2 Phạm vi độ khúc xạ vô tuyến trung bình (bóng thám không)
Giá trị Độ khúc xạ vô tuyến ( N - U n i t s )
Hình 3.4 Phânbố độkhúc xạ vô tuyến năm2016.
Hình 3.5 Phânbố độkhúc xạ vô tuyến năm2017.
Hình 3.6 Phânbố độkhúc xạ vô tuyến năm2018.
Hình 3.7 Độ khúc xạ vôtuyếnnăm2016.
Hình 3.8 Độ khúc xạ vôtuyếnnăm2017.
Hình 3.9 Độ khúc xạ vô tuyến năm
Kết quả tính toán phân bố độ khúc xạ vô tuyến trong các tháng của năm 2016, 2017, và 2018 cho thấy độ cao tối đa thường đạt khoảng 17 km Đặc biệt, trong tháng 1/2018, độ cao tối đa của bóng thám không gần 20 km, điều này có thể do loại bóng hoặc lượng khí bơm vào khác nhau Mặc dù vậy, các đường cong đều cho thấy giá trị độ khúc xạ có xu hướng giảm khi độ cao tăng.
Biến thiên độ khúc xạ vô tuyến trung bình theo độ cao được thể hiện qua các hình 3.7, 3.8, 3.9, trong đó đường nét liền (trên) là kết quả đo thực tế từ bóng thám không, còn đường nét đứt (dưới) là giá trị theo mô hình chuẩn của ITU-R Độ khúc xạ vô tuyến của từng năm cho thấy rằng độ khúc xạ thực tế thường thấp hơn so với giá trị tính toán theo mô hình Khi độ cao tăng, giá trị độ khúc xạ tính toán có xu hướng giảm, gần với giá trị theo mô hình Đặc biệt, vào năm 2018, ở độ cao gần 20 km, độ khúc xạ tính toán và giá trị theo mô hình gần như tương đương.
Sự khác biệt giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến tính toán được và giá trị mô hình ITU-RP.453 thể hiện qua độ lệch tuyệt đối so với giá trị chuẩn, như được chỉ ra trong công thức (1.8) Độ lệch giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến trung bình sử dụng phương pháp bóng thám không và giá trị theo mô hình ITU-RP.453 được tính theo công thức (1.9), với kết quả minh họa ở Hình 3.10, 3.11, 3.12 Kết quả cho thấy rằng sự sai khác luôn dương, cho thấy giá trị theo mô hình thấp hơn giá trị tính toán được Đặc biệt, sự sai khác không đồng đều ở các độ cao khác nhau: độ khúc xạ vô tuyến gần giống với giá trị trong mô hình chuẩn ở độ cao lớn, thể hiện qua giá trị sai khác ít, trong khi ở độ cao nhỏ, sự khác biệt tăng nhanh Cụ thể, ở độ cao trên 5 km, sự khác biệt giữa giá trị tính toán được và giá trị từ mô hình chỉ dưới 20 N-units, và ở độ cao tới 20 km, sự khác biệt này giảm xuống dưới 10 N-units trong phạm vi khí quyển tầm thấp.
(100 m) giá trị độ khúc xạ vô tuyến đo được lớn hơn ở mô hình chuẩn khoảng
Trong năm 2018, sự khác biệt giữa độ khúc xạ tính toán và giá trị mô hình ở độ cao gần 20 km gần như không đáng kể, với độ chênh lệch chỉ ở mức 0 N-units.
Độ lệch tương đối giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến theo phương pháp bóng thám không và giá trị từ mô hình ITU-RP.453 được tính toán theo công thức (1.10), cho kết quả như thể hiện trong Hình 3.13, 3.14, 3.15 Biến thiên của độ lệch tương đối giữa các năm không hoàn toàn giống nhau, đặc biệt là sự khác biệt trong biến thiên của năm 2016.
Năm 2018 có sự khác biệt trong phân bố độ khúc xạ vô tuyến so với các năm 2016 và 2017, đặc biệt là độ cao tối đa của bóng thám không đạt gần 20 km, trong khi các năm trước chỉ ở mức 17 km Trong phạm vi dưới 17 km, sự biến thiên giá trị độ lệch tương đối giữa các năm 2016-2018 tương đối giống nhau Tại khu vực Hà Nội, với độ cao tầng đối lưu từ 16-18 km, độ lệch tương đối cũng có sự tương đồng Ở độ cao thấp, độ lệch tương đối có giá trị dương dưới 20 %, với mức thấp nhất khoảng 10 % ở 5 km và cao nhất 25 % ở 15 km Ở độ cao lớn hơn 15 km, độ lệch tương đối giảm dần về 0 % gần 20 km Điều này cho thấy trong tầng đối lưu khu vực Hà Nội, độ khúc xạ tính toán luôn lớn hơn giá trị mô hình, với độ lệch tương đối cao nhất là 25 % và thấp nhất là 10 %, đồng thời có xu hướng thay đổi theo độ cao.
Hình 3.10 Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2016 với giá trị theo mô hình ITU-RP.453.
Hình3.11.Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2017 với giá trị theo mô hình ITU-RP.453.
Hình 3.12 Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2018 với giá trị theo mô hình ITU-RP.453.
Hình 3.13 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2016 với giá trị theo mô hình ITU-RP.453.
Hình 3.14 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2017 với giá trị theo mô hình ITU-RP.453.
Hình 3.15 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2018 với giá trị theo mô hình ITU-RP.453.
Hình 3.16 Phạm vi giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm2 0 1 6
Hình 3.17 Phạm vi giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm2 0 1 7
Hình 3.18 Phạm vi giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm2 0 1 8
Phạm vi thay đổi giá trị độ khúc xạ vô tuyến trong năm được thể hiện qua các tháng, với giá trị nhỏ nhất ổn định ở mức 40 N-units, ngoại trừ năm 2018 khi tháng 1 và tháng 5 có giá trị thấp hơn Điều này dẫn đến độ khúc xạ vô tuyến nhỏ nhất của năm 2018 cũng thấp hơn so với các năm khác Ngược lại, giá trị độ khúc xạ lớn nhất giữa các tháng có sự biến động rõ rệt, đặc biệt trong mùa hè từ tháng 4 đến tháng 10, khi nhiệt độ cao hơn trung bình, đạt đỉnh vào tháng 7-9 Trong khi đó, mùa đông xuân với nền nhiệt độ thấp hơn lại cho thấy xu hướng giảm của độ khúc xạ vô tuyến.
Biến thiên độ khúc xạ vô tuyến trung bình theo độ cao cho thấy rằng độ dốc khúc xạ vô tuyến không thay đổi đồng nhất theo độ cao Đặc biệt, độ lớn của độ dốc (giá trị tuyệt đối) có xu hướng giảm khi độ cao tăng Ở độ cao thấp, độ khúc xạ vô tuyến biến đổi nhiều hơn so với ở độ cao lớn Cụ thể, dưới 3,75 km, giá trị G thường dao động quanh -40 N-units/km, trong khi trên 3,75 km, biên độ thay đổi giảm Trong khoảng từ 10-16 km, giá trị G ổn định hơn, giúp hướng truyền lan sóng vô tuyến trở nên đáng tin cậy Ngược lại, dưới 10 km, độ khúc xạ vô tuyến thay đổi mạnh theo độ cao, ảnh hưởng đáng kể đến quỹ đạo của tia sóng Đặc biệt, vào năm 2018, đã ghi nhận sự thay đổi bất thường ở độ cao từ 16 km đến 17,5 km.
Xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến và số liệu bóngt h á m k h ô n g
Hà Nội áp dụng số liệu cắt lớp vô tuyến và số liệu bóng thám không để xác định điều kiện truyền sóng Bài viết đề xuất phương pháp gián tiếp xác định độ khúc xạ sóng vô tuyến thông qua việc kết hợp số liệu cắt lớp vô tuyến (profile ẩm, level 2) từ vệ tinh COSMIC-1 và số liệu thám không Kết quả của hai phương pháp này sẽ được so sánh nhằm đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển.
Dựa trên dữ liệu bóng thám không và dữ liệu cắt lớp vô tuyến từ vệ tinh COSMIC-1 thu thập ở khu vực Hà Nội, kết quả tính toán các tham số khí quyển được thực hiện bằng cách sử dụng số liệu trung bình trong khoảng thời gian quan sát Cụ thể, số liệu từ COSMIC-1 trong các năm 2014-2016 và số liệu bóng thám không từ năm 2016-2018 được sử dụng để so sánh hai phép đo, nhờ vào sự phong phú của dữ liệu trong các khoảng thời gian này.
Hình 3.25 Các bước xác định điều kiện truyền sóng sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến và số liệu bóng thám không.
Các bước xác định điều kiện truyền sóng sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến và số liệu bóng thám không như ở Hình 3.25.
3.3.2 Kết quả đạt được và phân tích đánhgiá
Từ kết quả tính toán phạm vi độ khúc xạ vô tuyến trung bình trong các năm 2016-2019, cho thấy dữ liệu COSMIC-1 và dữ liệu thám không cho ra kết quả khác biệt Cụ thể, độ khúc xạ vô tuyến trung bình lớn nhất theo phương pháp bóng thám không luôn vượt trội so với phương pháp cắt lớp vô tuyến Năm 2016, chênh lệch giá trị lớn nhất đạt 11,84 N-units, tiếp theo là 15,96 N-units (2017), 38,5 N-units (2018), và 19,81 N-units (2019) Tính trung bình trong các năm khảo sát cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa hai phương pháp này.
2018) và đối với cắt lớp vô tuyến (2014-2016) thì độ chênh giá trị lớn nhất độ khúc xạ là 6,32N-units.
Kết quả tính toán độ khúc xạ vô tuyến trung bình theo độ cao được trình bày trong Hình 3.26 và 3.27 Đường nét liền ở trên thể hiện kết quả đo gián tiếp, trong khi đường nét đứt ở dưới là giá trị tính theo mô hình chuẩn ITU-R, theo công thức (1.8).
Hình 3.26 Độ khúc xạ vô tuyến
(bóng thám không) Hình 3.27 Độ khúc xạ vô tuyến
Đường cong thể hiện sự phụ thuộc của độ khúc xạ vô tuyến vào độ cao từ hai phương pháp thám không và cắt lớp vô tuyến có sự tương đồng đáng kể với mô hình chuẩn ITU-R, cho thấy độ khúc xạ vô tuyến giảm dần theo độ cao Ở các độ cao lớn, độ khúc xạ vô tuyến gần giống với giá trị trong mô hình chuẩn Tuy nhiên, trong phạm vi khí quyển tầm thấp, giá trị độ khúc xạ vô tuyến tính toán được cao hơn so với mô hình chuẩn, với độ chênh lệch lớn nhất lên đến 60 N-units Ở độ cao trên 3,75 km, sự khác biệt này giảm xuống dưới 20 N-units, và ở độ cao trên 17,5 km, nó còn dưới 10 N-units Đặc biệt, ở độ cao trên 20 km, sự khác biệt giữa giá trị tính toán và giá trị mô hình gần như không đáng kể, chỉ ở mức ±0 N-units.
Sự khác biệt giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến tính toán và giá trị mô hình ITU-R, như được thể hiện trong công thức (1.8), cho thấy độ lệch so với giá trị chuẩn Độ lệch này giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến trung bình ghi nhận và giá trị theo mô hình ITU-R cần được phân tích để hiểu rõ hơn về sự khác biệt trong các ứng dụng thực tế.
R P.453, công thức (1.9), như ở Hình 3.28, 3.29 Cho thấy độ lệch không đồng đều và thay đổi theo độ cao Khí quyển tầm thấp có độ lệch lớn nhất ở mức dưới
Trong khoảng cách 3,75 km, sự khác biệt về N-units đạt mức dưới 20 N-units Ở độ cao 17,5 km, sự khác biệt này giảm xuống dưới 10 N-units Đặc biệt, ở độ cao trên 20 km, sự khác biệt có giá trị nhỏ, khoảng ±0 N-units, cho thấy giá trị tính toán và giá trị mô hình gần như tương đồng.
Hình 3.28 Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến (bóng thám không) với giá trị theo mô hình ITU-
Hình 3.29 Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến (COSMIC-1) với giá trị theo mô hình ITU-R
Tính toán độ lệch tương đối giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến theo phương pháp bóng thám không và phương pháp cắt lớp vô tuyến với giá trị từ mô hình ITU-R P.453 cho thấy kết quả như ở Hình 3.30 và 3.31 Ở độ cao từ 0,1-5 km, độ lệch tương đối có xu hướng giảm từ mức 20% xuống còn 10%.
% Từ độ cao 5-15 km độ lệch tương đối có xu hướng tăng theo độ cao (10% lên 25 %) Sau đó lại giảm ở các độ cao 15-20 km (25 % về 0 %) Trên độ cao
Ở độ cao 20 km, độ lệch có xu hướng giảm tiếp tục và có thể giảm xuống tới -40% ở độ cao 36 km Từ 36-40 km, giá trị độ lệch tương đối có sự biến động bất thường, dao động từ -40% đến 80% Tuy nhiên, ở các độ cao lớn, giá trị độ khúc xạ dần trở về 0 N-units, khiến cho sự biến động của độ lệch tương đối không mang nhiều ý nghĩa thực tiễn.
Hình 3.30 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến (bóng thám không) với giá trị theo mô hình
Hình 3.31 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến (COSMIC-1) với giá trị theo mô hình ITU-R P.453.
Sự khác biệt về giá trị độ khúc xạ vô tuyến được xác định qua hai phương pháp: thám không và cắt lớp vô tuyến, cho thấy độ lệch tuyệt đối so với giá trị cắt lớp đã được xác định.
Trong bài viết này, chúng tôi đề cập đến hai loại đơn vị N: 𝑁.r (N-units) và 𝑁.c (N-units) 𝑁.r là độ khúc xạ được xác định ở độ cao nhất định thông qua phương pháp bóng thám không Trong khi đó, 𝑁.c là độ khúc xạ được tính theo phương pháp cắt lớp vôtuyến.
Hình 3.32 Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ tính được bằng phương pháp bóng thám không và phương pháp cắt lớp vô tuyến.
Hình 3.33 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ tính được bằng phương pháp bóng thám không và phương pháp cắt lớp vô tuyến.
Độ chênh tuyệt đối giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến tính toán bằng phương pháp thám không và phương pháp cắt lớp vô tuyến ở độ cao dưới 20 km cho thấy rằng phương pháp thám không thường cho giá trị lớn hơn Tuy nhiên, ở độ cao 2,5 km, 7,5 km và 15,0 km, giá trị từ phương pháp cắt lớp lại cao hơn nhưng chỉ dưới 2 N-units Sự khác biệt lớn nhất giữa hai phương pháp là dưới 13 N-units, cho thấy ước lượng theo phương pháp cắt lớp thấp hơn so với phương pháp thám không Kết quả này tương tự với dữ liệu năm 2016 từ hai phương pháp Độ chênh giá trị trung bình lớn nhất giữa hai phương pháp là 6,32 N-units, do độ khúc xạ vô tuyến không cao ở độ cao nhỏ trong các năm 2014 và 2015 Sự khác biệt giữa hai phương pháp rõ ràng hơn ở độ cao dưới 6,25 km, với sự khác biệt tăng dần khi giảm độ cao Độ lệch tương đối giữa hai phương pháp được tính theo công thức cụ thể.
Độ lệch tuyệt đối độ khúc xạ được tính theo phương pháp bóng thám không và phương pháp cắt lớp vô tuyến được biểu thị bằng ∆𝑁 rc (N-units), trong khi độ khúc xạ theo phương pháp cắt lớp vô tuyến được ký hiệu là 𝑁 c (N-units) Kết quả tính toán độ lệch tương đối giữa hai phương pháp cho thấy sự biến thiên từ giá trị dương sang âm, không phân biệt độ cao Giá trị dương lớn nhất của độ lệch tương đối dưới 4%, trong khi giá trị âm nhỏ nhất ở trên -3% So sánh giữa hai phương pháp, độ lệch tương đối giữa bóng thám không và cắt lớp vô tuyến, dựa trên dữ liệu từ mô hình ITU-RP.453, cho thấy độ lệch tương đối của hai phương pháp này có giá trị tuyệt đối dưới 4%.
Tính toán biến thiên độ khúc xạ vô tuyến trung bình theo độ cao cho thấy độ dốc khúc xạ giảm khi độ cao tăng Dưới 10 km, độ khúc xạ vô tuyến biến đổi mạnh mẽ, ảnh hưởng đến quỹ đạo của tia sóng Cụ thể, ở độ cao dưới 3,75 km, giá trị G dao động quanh -40 N-units/km, trong khi từ 3,75-10 km, G > -40 N-units/km Từ 10-36 km, G ổn định hơn, nhưng có sự thay đổi bất thường ở độ cao 36-40 km do hiện tượng nghịch nhiệt, khi nhiệt độ lớp khí quyển trên cao cao hơn lớp dưới, dẫn đến sự gia tăng chỉ số khúc xạ Hiện tượng này thường xảy ra vào mùa Đông khi không khí ổn định và đêm kéo dài.
Hình 3.34 Độ dốc khúc xạ vô tuyến
(bóng thám không) Hình 3.35 Độ dốc khúc xạ vô tuyến
Hệ số bán kính trái đất hiệu dụng k trung bình được sử dụng để xác định hướng lan truyền của tia sóng trong khí quyển, như thể hiện trong hình 3.36 và 3.37 Kết quả tính toán cho thấy giá trị của hệ số k phụ thuộc vào độ cao.
(bóng thám không) Hình 3.37 Hệ số k
Kết luậnChương3
Chương này đề xuất giải pháp kết hợp số liệu cắt lớp vô tuyến từ vệ tinh và số liệu bóng thám không để ước lượng độ khúc xạ vô tuyến, xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển tầng đối lưu khu vực Hà Nội Giải pháp này tận dụng nguồn số liệu viễn thám và khí tượng sẵn có, đáng tin cậy và miễn phí trong thời gian dài, với chi phí hợp lý, phù hợp với điều kiện kinh tế và công nghệ trong nước Kết quả đạt được nhanh chóng, mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.
Nghiên cứu này đã chỉ ra quy luật biến thiên độ khúc xạ vô tuyến và đặc điểm lan truyền sóng vô tuyến trong khí quyển tầng đối lưu khu vực Hà Nội, thông qua việc xác định gián tiếp độ khúc xạ bằng số liệu bóng thám không và so sánh với kết quả từ phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh, cũng như mô hình theo khuyến nghị ITU-R P.453 Cuối cùng, nghiên cứu đề xuất sử dụng số liệu hiện trường để có được giá trị độ khúc xạ chính xác hơn trong việc nghiên cứu điều kiện truyền sóng vô tuyến, đặc biệt là ở phạm vi khí quyển tầm thấp Đồng thời, quy trình ứng dụng số liệu cắt lớp vô tuyến và bóng thám không để ước lượng chỉ số khúc xạ của khí quyển tầng đối lưu cũng đã được trình bày.
Kết quả của chương này thể hiện trong công bố ở Tạp chí [J2] [J3].
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Trong kỹ thuật viễn thông, nghiên cứu điều kiện truyền sóng giúp hiểu tác động của môi trường và dự đoán phạm vi hệ thống vô tuyến, từ đó cải thiện chất lượng thông tin và giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực Việc ứng dụng chỉ số khúc xạ trong truyền tin, đo độ cao địa hình, hệ thống radar, theo dõi vệ tinh, và dẫn đường máy bay, tên lửa là rất quan trọng Xác định chính xác chỉ số khúc xạ của bầu khí quyển, đặc biệt ở khu vực có bốn mùa như Hà Nội, sẽ tối ưu hóa hiệu suất hệ thống vô tuyến cho các hoạt động liên lạc, định vị và dẫn đường trong hàng không, công nghiệp, quốc phòng và an ninh.
Kết luận của luận án
Hai đóng góp mới trong quá trình thực hiện luận án đó là:
Đề xuất giải pháp ước lượng chỉ số khúc xạ vô tuyến tầng đối lưu sử dụng dữ liệu thực nghiệm từ phương pháp cắt lớp vô tuyến Nghiên cứu sinh đã thu thập dữ liệu vệ tinh COSMIC-1 từ năm 2006 đến 2020, với trọng tâm vào các năm 2014-2016, nhằm tổ chức dữ liệu, xây dựng thuật toán và lập trình ứng dụng để xác định cấu trúc không gian của chỉ số khúc xạ Các tham số khí quyển và điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển tầng đối lưu khu vực Hà Nội cũng được tính toán Kết quả cho thấy ở độ cao 100 m, chênh lệch giữa giá trị từ phương pháp cắt lớp vô tuyến và mô hình chỉ số khúc xạ ITU-R P.453 đạt tới 70 N-units, cho thấy tính khả thi của giải pháp cho phạm vi nghiên cứu rộng.
Do vậy khuyến nghị sử dụng số liệu thực nghiệm khi nghiên cứu về điều kiện truyền sóng trong khí quyển tầng đốilưu.
Đề xuất giải pháp ước lượng chỉ số khúc xạ vô tuyến tầng đối lưu dựa trên dữ liệu thực nghiệm từ phương pháp bóng thám không, với việc thu thập dữ liệu cho khu vực Hà Nội từ 1990-2020 (sử dụng số liệu 2016-2018) Phương pháp này nhằm xác định gián tiếp chỉ số khúc xạ và cấu trúc không gian của nó thông qua các thông số khí quyển như nhiệt độ, độ ẩm và áp suất Kết quả cho thấy tại độ cao 100 m, sự chênh lệch giữa giá trị từ phương pháp bóng thám không và mô hình ITU-R P.453 có thể lên tới 60 N-units Đồng thời, việc kết hợp số liệu từ vệ tinh COSMIC-1 cho thấy sự khác biệt độ khúc xạ giữa hai phương pháp lên tới 13 N-units Vì vậy, khuyến nghị sử dụng số liệu thực nghiệm, đặc biệt là số liệu hiện trường, khi nghiên cứu điều kiện truyền sóng trong tầng đối lưu khí quyển.
So sánh số liệu bóng thám không và số liệu cắt lớp vô tuyến cho thấy độ lệch tuyệt đối dưới 13 N-units và độ lệch tương đối dưới 4% Luận án đề xuất quy trình ứng dụng số liệu cắt lớp vô tuyến và bóng thám không để ước lượng chỉ số khúc xạ của khí quyển đối lưu, ưu tiên sử dụng số liệu thực nghiệm Nếu không có số liệu thực nghiệm, sẽ áp dụng số liệu tính theo mô hình chỉ số khúc xạ theo khuyến nghị ITU-R P.453 Nghiên cứu này có thể mở rộng để áp dụng cho nhiều khu vực khác nhằm lập bản đồ truyền sóng.
Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá độ chính xác của mô hình toàn cầu về chỉ số khúc xạ vô tuyến theo khuyến nghị ITU-R P.453 Kết quả tính toán cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa độ khúc xạ theo mô hình và số liệu thực nghiệm, đặc biệt là ở độ cao thấp (100 m).
Dữ liệu cắt lớp từ vệ tinh cho thấy sự chênh lệch lên tới 70 N-units giữa giá trị mô hình và giá trị tính toán, trong khi dữ liệu bóng thám không ghi nhận chênh lệch 60 N-units Kết quả nghiên cứu trong luận án này có thể làm nền tảng cho các ủy ban của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) trong việc đưa ra khuyến nghị về chỉ số khúc xạ vô tuyến ở tầng thấp của khí quyển.
Hướng phát triển trong thời gian tới
Nghiên cứu về điều kiện truyền sóng trong khí quyển tầng đối lưu nhằm xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến còn hạn chế tại Việt Nam Do đó, trong thời gian tới, nghiên cứu sinh sẽ tiếp tục mở rộng các nội dung liên quan đến vấn đề này.
- Hoàn thiện thuật toán, tiếp tục thử nghiệm và đánh giá trong khoảng thời gian dàihơn.
Tiến hành thu thập dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm số liệu từ hệ thống mạng trạm mặt đất, cho các khu vực như Đông Bắc Bộ và Tây Bắc Bộ, nhằm đánh giá tổng quan về chỉ số khúc xạ và điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển trên toàn lãnh thổ.
Nghiên cứu ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) trong mô hình hóa khí quyển tầng đối lưu nhằm ước lượng chỉ số khúc xạ vô tuyến Dự án này kết hợp với các nguồn dữ liệu hiện có để xây dựng bản đồ GIS theo thời gian thực, phản ánh phân bố chỉ số khúc xạ và điều kiện truyền sóng.
Kết quả nghiên cứu luận án đã xác định được đặc tính môi trường truyền sóng, bao gồm chỉ số khúc xạ và điều kiện truyền sóng của khí quyển tầng đối lưu khu vực Hà Nội Điều này có ý nghĩa quan trọng cả về mặt khoa học và thực tiễn trong lĩnh vực kỹ thuật viễn thông, giúp nâng cao chất lượng và hiệu quả của đường truyền sóng vô tuyến Hướng nghiên cứu này cần được tiếp tục mở rộng đến các khu vực khác ở Việt Nam.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
Phạm Chí Công, Nguyễn Xuân Anh và Trần Hoài Trung đã nghiên cứu về điều kiện lan truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội bằng cách sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến Nghiên cứu này được công bố trong Tạp chí Khoa học công nghệ thông tin và Truyền thông của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, số 04 (CS.01), trang 34-42, năm 2021, với mã ISSN 2525-2224.
In the article "Determination of Radio Wave Propagation Conditions in the Atmosphere of Hanoi Using Meteorological Data," authors Chi Cong Pham, Xuan Anh Nguyen, and Hoai Trung Tran explore how atmospheric conditions in Hanoi affect radio wave propagation The research, published in the Journal of Science and Technique by Le Quy Don, utilizes meteorological data to analyze and determine the factors influencing radio wave behavior in the region.
TechnicalUniversity, ISSN 1859-0209,vol 10, no 02, pp 32-49,1 2 / 2 0 2 1
In their study, Cong Pham Chi and Xuan Anh Nguyen investigate the radio wave propagation conditions in Hanoi's atmosphere by analyzing radiosonde data collected from balloons Their research, published in the Journal of Information & Communications Technology Express, provides valuable insights into the factors affecting radio wave transmission in urban environments.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
[J4] Nguyen Xuan Anh, Lutsenko V I., Popov D O.,Cong Pham Chi, Trung Tran
Hoai, “Remote sensing of atmosphere and underlying surface using radiation of global navigation satellite systems,”Journal of Marine Science andTechnology,
[J5] Nguyen Xuan Anh, V.I Lutsenko, I.V Lutsenko, I.V Popov, A.V.Soboliak,Pham
Chi Cong, Tran Hoai Trung, “Determination of the Characteristics of Inversion
Reflecting Layers in the Troposphere on Changes in the Signal Intensity on the Near-Earth Over-The-Horizon Routes in the Middle Latitudes,”Journal of
Military Science and Technology,ISSN 1859-1043, no 72A, pp 13- 21,2021.
[1] Adewumi A S., Alade O M., Adewumi K H., “Influence of Air Temperature,
Relative Humidity and Atmospheric Moisture on UHF Radio Propagation in South Western Nigeria,”International Journal of Science and Research,
[2] Afullo T J [et al.], “Estimates of refractivity gradient and k-factor ranges for
[3] Afullo T.J., Motsoela T., Molotsi D.F., “Refractivity Gradient and k-factor in
[4] Anh Nguyen Xuan [et al.], “Determination of the Characteristics of Inversion