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.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 SÓNG VÔ TUYẾN
Truyền sóng vô tuyến trong khí quyển
Khí quyển của Trái đất là lớp khí bao quanh hành tinh, được giữ lại bởi lực hấp dẫn và có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ sự sống Nó hấp thụ bức xạ cực tím từ mặt trời, làm ấm bề mặt Trái đất qua hiệu ứng nhà kính và giảm thiểu sự chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm Khối lượng của khí quyển khoảng 5.10^18 kg, với ba phần tư khối lượng tập trung ở độ cao khoảng 11 km Khi độ cao tăng, lớp khí quyển trở nên mỏng hơn, và không có ranh giới rõ ràng giữa khí quyển và không gian bên ngoài, mặc dù độ cao 100 km thường được xem là ranh giới này (đường Kármán).
Hình 1.1 Môi trường truyền dẫn vô tuyến trong khí quyển
Bầu khí quyển được cấu trúc phân lớp và 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 trên tầng bình lưu trước khi đến tầng điện li Phía ngoài tầng điện li được gọi là ngoại quyển hay tầng ngoài (exosphere).
Tầng đối lưu là lớp khí quyển thấp nhất, trải dài từ mặt đất lên đến khoảng 8-10 km ở các vĩ tuyến cực, 10-12 km ở vĩ tuyến trung bình và 16-18 km ở miền nhiệt đới Đặc trưng của tầng này là sự chuyển động của không khí nóng từ bề mặt bốc lên, sau đó lạnh đi, với nhiệt độ giảm khoảng 0,6 °C cho mỗi 100 m chiều cao Trong tầng đối lưu có thể xuất hiện các lớp nghịch nhiệt, nơi nhiệt độ tăng theo chiều cao Không khí ở đây 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 trong tầng đối lưu Nghiên cứu cho thấy tốc độ gió và mật độ năng lượng gió ở độ cao 50-200 m lớn hơn nhiều so với gần mặt đất (20 m), đặc biệt là ở các vùng ven biển.
Hình 1.2 Thành phần không khí khô ở mặt đất (% theo thể tích)
Tầng bình lưu nằm ở độ cao khoảng 50-60 km, bắt đầu từ biên trên của tầng đối lưu Tại đây, không khí rất loãng, với lượng nước và bụi tối thiểu, và chủ yếu có chuyển động không khí theo chiều ngang, tạo nên sự ổn định Một đặc điểm nổi bật của tầng bình lưu là nhiệt độ gần như không thay đổi theo độ cao.
Tầng điện li nằm ở độ cao từ 60 km đến 1000 km, nơi khí quyển rất 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, tia vũ trụ và chuyển động của thiên thạch, tạo nên một miền chứa chủ yếu là điện tử tự do và ion.
Khí quyển chủ yếu bao gồm nitơ (78,1%), ôxy (20,9%) và argon (0,9%), 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 và lỏng lơ lửng trong không khí, có kích thước từ vài nanomet đến hàng chục micromet, bao gồm khói, sương, mù và bụi Các sol khí có nguồn gốc tự nhiên từ đất, đại dương, sa mạc và các đám cháy thực vật, cũng như nguồn gốc nhân tạo từ việc 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 Trong trường hợp tán xạ trên phân tử khí, tán xạ Rayleigh xuất hiện khi kích thước của hạt tán xạ rất nhỏ so với bước sóng kích thích, lúc này tán xạ Mie tuân theo quy luật của tán xạ Rayleigh, được gọi là tán xạ Rayleigh hay tán xạ phân tử Hình 1.3 minh họa mối tương quan giữa kích thước hạt tán xạ (as) và bước sóng kích thích (λs).
Sóng vô tuyến truyền từ máy phát đến máy thu qua nhiều phương thức khác nhau, được phân loại thành sóng đất và sóng trời Các hệ thống thông tin, vô tuyến và định vị dẫn đường chịu ảnh hưởng lớn từ tầng đối lưu và tầng điện li, trong khi tầng bình lưu khá ổn định Sóng vô tuyến là sóng điện từ có tần số từ 3 Hz 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, với mỗi băng sóng phục vụ cho các hệ thống thông tin cụ thể Băng sóng cực dài (VLF, ULF, SLF, ELF) có tần số dưới 30 kHz, được sử dụng trong vô tuyến đạo hàng và thông tin dưới nước Băng sóng dài (LF) và băng sóng trung (MF) phục vụ cho thông tin phát thanh nội địa và hàng hải Băng sóng ngắn (HF) được dùng cho phát thanh cự ly xa và ra-đa ngoài đường chân trời, trong khi băng sóng mét (VHF) và băng sóng decimét (UHF) chủ yếu phục vụ cho phát thanh điều tần và truyền hình.
Băng sóng centimét (SHF, 3-30 GHz, 1-10 cm) được ứng dụng trong thông tin vi ba số băng rộng và thông tin vệ tinh, trong khi băng sóng milimét (EHF, 30-300 GHz, 1-10 mm) chủ yếu được sử dụng cho thông tin vũ trụ, ra-đa bắt bám mục tiêu quân sự, và quan sát khí tượng với độ phân giải cao.
Sóng vi ba (microwave) là loại sóng vô tuyến có bước sóng nhỏ và tần số cao, thường được sử dụng trong lĩnh vực truyền thông, mạng, thiên văn học và kỹ thuật y sinh Phạm vi tần số của sóng vi ba thường nằm trong khoảng từ 1 GHz đến 300 GHz, tương ứng với bước sóng từ 30 cm đến 1 mm Tín hiệu vi sóng được chia thành các dải tần số khác nhau, bao gồm tần số cực cao (UHF), tần số siêu cao (SHF) và tần số cực kỳ cao (EHF), trong khi tần số phía trên EHF được gọi là bức xạ terahertz Các kênh vô tuyến thương mại thường có phổ tần nằm trong dải 300 MHz đến 90 GHz, với sự phân bố dải tần số được quy định trong khuyến nghị ITU-R F.746.
S, C, X, Ku, K, Ka, trong đó các băng tần C, Ku, Ka được sử dụng phổ biến hơn
Hệ thống ra-đa hoạt động trên nhiều dải tần vô tuyến, bao gồm cả dải tần dành cho thông tin vệ tinh Trong khi đó, hệ thống thông tin di động ngày càng sử dụng nhiều tài nguyên ở dải tần cao hơn để đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao.
Sóng vô tuyến có bước sóng ngắn và tần số cao thường truyền thẳng hơn, yêu cầu kích thước anten 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 nhiều hơn trong quá trình truyền sóng.
Phân tích các phương pháp xác định chỉ số khúc xạ vô 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 của sóng vô tuyến có thể được điều chỉnh bởi các yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ và áp suất không khí Sự biến đổi này ảnh hưởng đến khả năng truyền tải tín hiệu, làm cho sóng có thể đi xa hơn hoặc bị suy giảm Việc hiểu rõ về chỉ số khúc xạ là rất quan trọng trong việc thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống truyền thông vô tuyến.
Có hai phương pháp xác định chỉ số khúc xạ: phương pháp đo trực tiếp và gián tiếp Phương pháp trực tiếp sử dụng máy đo khúc xạ kế tần số vô tuyến, nhạy với vận tốc truyền sóng Trong khi đó, phương pháp gián tiếp, được nghiên cứu trong luận án, 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 cho ra đời các thế hệ máy đo khúc xạ kế gián tiếp, trong đó chỉ số khúc xạ được tính toán dựa trên hàm lượng khí CO2.
Đề xuất đo độ dịch chuyển chính xác dựa trên phép đo giao thoa laser của vật liệu etalon mang lại độ chính xác tốt hơn, mặc dù phương pháp đo chiết suất trực tiếp có nguyên lý phức tạp và thiết bị cồng kềnh Việc thiếu máy đo khúc xạ phổ biến đã 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 kế tần số vô tuyến cho phép đạt độ chính xác cao hơn so với cảm biến khí tượng Các máy đo khúc xạ đơn giản, phát triển cho phép đo bằng bóng thám không và ống thả, có độ chính xác thấp hơn máy đo khúc xạ thông thường nhưng vẫn cao hơn so với phương pháp đo gián tiếp.
Phân tích các phương pháp đo chỉ số khúc xạ tầng đối lưu bao gồm hai cách tiếp cận chính: phương pháp đo trực tiếp và phương pháp đo gián tiếp thông qua các thông số như nhiệt độ, áp suất và độ ẩm theo khuyến nghị ITU-R P.453-14 Những phương pháp này đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn phương pháp xác định chỉ số khúc xạ phù hợp cho nghiên cứu trong luận án.
1.2.1 Phương pháp xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến
Chỉ số khúc xạ vô tuyến n là tỉ số giữa tốc độ truyền sóng điện từ trong chân không và tốc độ truyền sóng trong môi trường vật chất Công thức tính chỉ số khúc xạ này được thể hiện như sau: n = c/v, trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không và v là tốc độ sóng trong môi trường.
Chỉ số khúc xạ vô tuyến n có thể được xác định từ độ khúc xạ N (hay chỉ số chiết suất) theo công thức [16] [60]:
𝑛 = 1 + 𝑁 10 (1.2) Độ khúc xạ vô tuyến N có 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 (P) được đo bằng hPa, trong khi áp suất hơi (e) cũng được tính bằng hPa và nhiệt độ tuyệt đối (T) được biểu diễn bằng Kelvin (o K) Để đơn giản hóa quá trình tính toán, công thức (1.3) thường được xấp xỉ theo công thức (1.4), mặc dù độ chính xác giảm đi với sai số dưới 0,02% Đặc biệt, công thức này áp dụng cho nhiệt độ trong khoảng từ -50 o C đến +40 o C, theo các tài liệu [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 hơi nước
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 bằng công thức trong tài liệu [73], áp dụng cho tất cả các dải tần số vô tuyến mà không giới hạn Trong khi đó, phiên bản ITU-R P.453-10 (2012) [76] cung cấp công thức (1.4) cho độ khúc xạ vô tuyến, cho thấy độ chính xác cao với sai số dưới 0,5% cho tần số lên đến 100 GHz Các mô hình nhiệt độ, áp suất toàn phần và áp suất hơi nước được trình bày trong khuyến nghị ITU-R P.835 [79].
Trong điều kiện khí quyển bình thường, chỉ số khúc xạ vô tuyến đạt khoảng 1,000350 (n-units), tương ứng với độ khúc xạ là 350 (N-units) Giá trị N biến đổi theo độ cao do sự thay đổi của áp suất, nhiệt độ và độ ẩm.
18 Áp suất hơi e (hPa) có thể được tính thông qua độ ẩm tương đối H (%) và áp suất hơi bão hòa es (hPa) theo công thức [73] [76] [77]:
𝑒 = (1.5) Áp suất hơi bão hòa es (hPa) phụ thuộc vào nhiệt độ t ( o C) và áp suất khí quyển toàn phần P (hPa) theo công thức ITU-R [73] [76] [77]:
EF là kết quả của phép tính trung gian, và cách xác định nó có sự khác biệt tùy thuộc vào trạng thái của chất, cụ thể là nước (water) hoặc nước đá (ice).
𝐸𝐹 = 1 + 10 [7,2 + 𝑃(0,0320 + 5,9.10 𝑡 )] a=6,1121 b,678 c%7,14 d#4,5 (trong phạm vi -40 o C đến +50 0 C) và
Trong nghiên cứu luận án này, chúng tôi áp dụng phương pháp xác định hệ số hiệu ứng (EF) cho nước, dựa trên áp suất khí quyển tổng cộng P (hPa) và áp suất hơi e (hPa), được tính từ mật độ hơi nước 𝜌 (g/m³) theo khuyến nghị [80] Bên cạnh đó, áp suất hơi bão hòa es có thể xác định thông qua nhiệt ẩm tm theo công thức ở [64], cùng với nhiều phương pháp khác được nêu tại [42] Theo khuyến nghị ITU-R P.453, giá trị chỉ số khúc xạ phụ thuộc vào độ cao và được tính bằng hàm lũy thừa cơ số e [73][77].
Công thức 𝑛(ℎ) = 1 + 𝑁 10 exp(−ℎ ℎ⁄ ) mô tả mối quan hệ giữa chỉ số khúc xạ khí quyển và độ cao Trong đó, N0 là giá trị trung bình của độ khúc xạ khí quyển so với mực nước biển, được coi là độ khúc xạ tham chiếu, còn h0 là độ cao tham chiếu Các giá trị N0 và h0 có thể được xác định để tính toán chính xác hơn.
19 định bằng phương pháp thống kê trong các điều kiện khí hậu khác nhau, thông thường trong tính toán lấy N0 = 315 N-units, h0 = 7,35 km
Mặt cắt chuẩn, hay còn gọi là cấu hình chuẩn (reference profile), có thể được áp dụng để tính toán giá trị độ khúc xạ Ns tại bề mặt trái đất dựa trên N0.
𝑁 = 𝑁 exp(−ℎ ℎ⁄ ) (N-units) (1.8) Với: hs (km) là độ cao so với mực nước biển
Sự khác biệt giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến xác định hoặc tính toán bằng công thức (1.3) và giá trị từ mô hình ITU-R P.453 được thể hiện qua độ lệch tuyệt đối so với giá trị mô hình đã xác định.
Độ khúc xạ N (N-units) tại độ cao h (km) được tính toán dựa trên các thông số khí quyển như nhiệt độ, áp suất và độ ẩm theo công thức (1.3) Trong khi đó, giá trị N (N-units) cũng có thể được xác định thông qua công thức hàm lũy thừa từ mô hình ITU-R P.453 theo công thức (1.8) Sự chênh lệch tương đối giữa giá trị khúc xạ tính toán và giá trị từ mô hình được thể hiện qua công thức ∆𝑁 = 𝑁 − 𝑁.
Với ∆𝑁 (N-units) là độ lệch tuyệt đối so với giá trị mô hình theo công thức (1.9), và 𝑁 (N-units) là độ khúc xạ được tính theo công thức hàm lũy thừa từ mô hình ITU-R P.453, theo công thức (1.8).
Ảnh hưởng của khí quyển đối lưu đến truyền sóng vô tuyến
1.3.1 Các tham số khí quyển trên đường truyền sóng vô tuyến
Khí quyển tầng đối lưu của trái đất có các thông số như áp suất, nhiệt độ, độ ẩm, và hướng gió, tất cả đều thay đổi liên tục, ảnh hưởng đến việc truyền sóng vô tuyến Sự không đồng nhất của tầng đối lưu khiến cho việc truyền sóng có tính khúc xạ, được đặc trưng bởi chỉ số khúc xạ vô tuyến n Nghiên cứu về chỉ số khúc xạ n trong các đường truyền được trình bày chi tiết 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]:
Trong nghiên cứu về khúc xạ ánh sáng, bán kính cong của tia sóng (𝜌) và sự biến thiên của chỉ số khúc xạ khí quyển theo chiều cao (dn/dh) là những yếu tố quan trọng Khi chỉ số khúc xạ giảm theo độ cao (dn/dh < 0), độ cong của tia sóng (1/𝜌) sẽ có giá trị dương, 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, với quỹ đạo tia sóng có bề lõm hướng lên trên.
Trong thực tế cự ly truyền sóng lớn hơn nhiều lần độ cao an-ten, tia sóng gần như nằm ngang 𝜑 ≈ 0 cùng với 𝑛 ≈ 1 công thức (1.15) trở thành:
Nếu dn/dh không thay đổi, quỹ đạo của tia sóng sẽ tạo thành một cung tròn Trong trường hợp không có hiện tượng khúc xạ khí quyển, tức là dn/dh = 0, chỉ số khúc xạ không biến đổi theo phương thẳng đứng, dẫn đến việc tia sóng di chuyển theo đường thẳng.
Để đánh giá ảnh hưởng của khúc xạ khí quyển, phương pháp phổ biến là coi cả tia tới trực tiếp và tia phản xạ trên mặt đất đều di chuyển theo quỹ đạo thẳng, không phải theo quỹ đạo lan truyền trên mặt cầu bán kính a, mà trên một mặt cầu giả định có bán kính tương đương Re Việc thay thế tia sóng thực và mặt đất thực bằng tia sóng đi thẳng và mặt đất tương đương cần phải đảm bảo rằng độ cong tương đối giữa mặt đất thực và tia sóng thực phải bằng độ cong tương đối giữa mặt đất tương đương và tia sóng đi thẳng, tức là phải thỏa mãn một phương trình nhất định.
Hệ số bán kính trái đất hiệu dụng k (hay k-factor) được định nghĩa là tỉ số giữa bán kính tương đương (bán kính hiệu dụng Re) và bán kính thực của trái đất (a) Công thức tính k được biểu diễn như sau: k = Re/a.
Với: a bán kính thực của trái đất, Re bán kính trái đất hiệu dụng
Độ cong của tia sóng 1/𝜌 và độ cong trái của trái đất 1/Re khi tia sóng đi qua tầng thấp của khí quyển phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của chỉ số khúc xạ khí quyển theo độ cao, 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 xấp xỉ theo công thức [50] [81].
Với G = dN/dh là biến thiên độ khúc xạ vô tuyến theo phương thẳng đứng (gradient) hay độ dốc khúc xạ vô tuyến
Công thức tính hệ số k (1.19) cho thấy mối quan hệ giữa k và G, được minh họa qua Hình 1.5 Trên bề mặt trái đất, độ khúc xạ đóng vai trò quan trọng trong việc xác định giá trị này.
N thường giảm theo độ cao (tương ứng với độ dốc âm) và có giá trị ( ) ≈ −40
N-units/km, khi đó 𝑘 ≈ 4 3⁄ gọi là điều kiện khúc xạ thường (normal refraction) 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 hưởng của hiện tượng khúc xạ, cự li truyền tăng thêm 15% so với khi không có khúc xạ khí quyển (tức là truyền thẳng, k = 1) [81]
Hình 1.5 Sự phụ thuộc của k vào G
Các giá trị tương ứng của G và k thường được tham chiếu qua lại như sau: G = 314 (k = 0.33), 157 (k = 0.5), 0 (k = 1), -157 (k = ∞), -314 (k = -1) Tương tự, các giá trị k và G cũng có mối quan hệ tương ứng như k = 1 (G = 0), 4/3 (G = -40), 2 (G = -80), ∞ (G = -157), và 0), được thể hiện trong Bảng 1.3 và Bảng 1.4.
Khi G < -157 (k < 0), điều kiện khúc xạ ống dẫn được thiết lập Mô-đun khúc xạ hay độ khúc xạ vô tuyến thay thế có thể được tính toán bằng công thức cụ thể.
𝑀 = 𝑁 + 10 ℎ/𝑎 (M-units) (1.20) Với h (km) là độ cao trên bề mặt trái đất, a bán kính trái đất
Hàm chuyển này tương tự như ánh xạ sang mô hình trái đất phẳng với điều kiện khí quyển có đặc tính M, trong đó tham số M là yếu tố quan trọng trong nghiên cứu điều kiện khúc xạ ống dẫn Với bán kính trái đất a ≈ 6370 km, công thức (1.20) được áp dụng để phân tích sâu hơn về khúc xạ trong môi trường này.
𝑀 = 𝑁 + 157ℎ (M-units) (1.21) Ở đây h có đơn vị km, là độ cao trên bề mặt trái đất
Lấy vi phân hai vế của công thức (1.21) có được biến thiên mô-đun khúc xạ theo độ cao:
Biến thiên mô-đun khúc xạ theo độ cao dM/dh = 0 khi 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.
[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, 1.8 tổng kết giá trị M, N trong các trường hợp độ dốc khúc xạ khác nhau Hình 1.6 thể hiện điều kiện truyền sóng thông thường với độ khúc xạ N giảm dần theo độ cao, phản ánh trường hợp độ dốc âm Nhiệt độ giảm theo chiều cao một cách tuyến tính, trong khi áp suất và độ ẩm giảm theo cách phi tuyến Đặc biệt, độ ẩm thay đổi nhiều 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
Hình 1.7 mô tả điều kiện truyền sóng bất thường với độ dốc dương, dẫn đến hiện tượng khúc xạ phụ gây nhiễu xạ khi nhiệt độ và độ ẩm thay đổi bất thường, trong khi áp suất vẫn ổn định Ngược lại, Hình 1.8 thể hiện điều kiện truyền sóng bất thường với độ dốc âm, gây ra hiện tượng siêu khúc xạ và đa đường/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 n (hay độ khúc xạ N) là tham số quan trọng trong khí quyển tầng đối lưu, cần thiết để xác định các tham số khác như k, G và M Những thông số này đóng vai trò cơ sở trong việc xác định điều kiện truyền sóng.
Tình hình nghiên cứu liên quan đến nội dung luận án
1.4.1 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước
Nghiên cứu khúc xạ khí quyển đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất các hệ thống vô tuyến, vì nó là một yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng tín hiệu.
Việc xác định trạng thái khúc xạ khí quyển trong tầng đối lưu là rất quan trọng cho thiết kế và triển khai hệ thống thông tin vô tuyến Để đánh giá ảnh hưởng của khí quyển tầng đối lưu đến truyền sóng vô tuyến, cần áp dụng các phương pháp ước lượng chỉ số khúc xạ khí quyển Nghiên cứu về chỉ số khúc xạ đã được thực hiện từ lâu, với nhiều công trình tiêu biểu.
Có nhiều phương pháp khác nhau để xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến, và chúng được phân loại thành ba loại chính, trong đó bao gồm việc sử dụng số liệu mô hình toàn cầu của ITU.
R, đo trực tiếp và đo gián tiếp Các phương pháp đo trực tiếp sử dụng tháp khí tượng, cột khí tượng, bóng thám không, khúc xạ vô tuyến, cảm biến vô tuyến Phương pháp gián tiếp đề cập trong nội dung nghiên cứu của luận án dựa trên khuyến nghị của ITU-R P.453 về chỉ số khúc xạ, cho phép xác định chỉ số khúc xạ thông qua các thông số khí quyển là nhiệt độ, độ ẩm và áp suất Các phương pháp đo viễn thám đều có bản chất là đo gián tiếp, đó là các phép đo dựa vào hiệu ứng tán xạ sóng điện từ và âm thanh trong khí quyển có thể phân loại là: vô tuyến thụ động, vô tuyến tích cực, vô tuyến định vị, laser và âm thanh vô tuyến
Mỗi phương pháp đo đạc khúc xạ có những đặc điểm riêng Phương pháp trực tiếp sử dụng khúc xạ kế vô tuyến mang lại độ chính xác cao nhưng hạn chế về số lượng thiết bị và thời gian thao tác, không phù hợp cho các khu vực rộng lớn Ngược lại, các phương pháp gián tiếp khắc phục nhược điểm này nhưng có độ chính xác thấp hơn Phương pháp 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 dữ liệu quan trắc từ gần 1000 trạm trong giai đoạn 1955-1959 Mặc dù phương pháp này cho kết quả nhanh chóng, nhưng không mang tính cụ thể cho từng khu vực Cuối cùng, phương pháp viễn thám sử dụng vệ tinh cung cấp độ chính xác tốt hơn trong việc xác định độ khúc xạ vô tuyến trên toàn cầu.
Mô hình toàn cầu của ITU-R có 41 phương pháp, nhưng hạn chế lớn là nguồn dữ liệu còn thiếu, như dữ liệu cắt lớp từ vệ tinh COSMIC-1 chỉ có từ 2006-2020 Phương pháp bóng thám không cung cấp dữ liệu thực tế về trạng thái khí quyển, cho phép xác định chính xác độ khúc xạ vô tuyến hơn so với viễn thám vệ tinh Dù có ưu điểm là nguồn dữ liệu khí tượng cơ bản đã tồn tại lâu, phương pháp bóng thám không vẫn gặp khó khăn về số lượng điểm thả bóng, độ cao tối đa và thời điểm thả Cả hai phương pháp bóng thám không và viễn thám vệ tinh đều có chi phí cao.
Nghiên cứu thực nghiệm về độ khúc xạ vô tuyến theo phương pháp gián tiếp đã được thực hiện trong nhiều công trình, bao gồm việc đo độ ẩm, nhiệt độ và chỉ số khúc xạ ở lớp bề mặt với tần số cao Gần đây, có nhiều nghiên cứu liên quan đến mối quan hệ giữa các thông số khí tượng và hệ số bán kính trái đất hiệu dụng, ước tính độ dốc khúc xạ vô tuyến từ các thông số môi trường cơ bản như nhiệt độ, áp suất và độ ẩm tương đối Các nghiên cứu cũng đã chỉ ra sự thay đổi của các thông số khí tượng ảnh hưởng đến độ khúc xạ bề mặt, đồng thời phân tích chỉ số khúc xạ vô tuyến dựa trên dữ liệu 41 năm từ cơ sở dữ liệu MERRA-2, cho thấy mối tương quan mạnh với lượng mưa, độ ẩm tương đối và áp suất không khí, trong khi nhiệt độ có tương quan yếu và tốc độ gió không có tương quan Cuối cùng, nghiên cứu còn so sánh các biến thể của mạng nơ-ron hồi quy để dự đoán chỉ số khúc xạ vô tuyến và phân tích sự thay đổi theo vĩ độ và theo mùa của độ khúc xạ này.
Phương pháp sử dụng số liệu bóng thám không được sử dụng để xác định
Nghiên cứu về phạm vi thay đổi của chỉ số khúc xạ và hệ số bán kính trái đất hiệu dụng đã chỉ ra những điều kiện quan trọng ảnh hưởng đến khúc xạ trong ống dẫn Bên cạnh đó, việc tìm hiểu các điều kiện truyền sóng dị thường cũng có tác động đáng kể đến hiệu suất của radar 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 phương pháp đo viễn thám Cơ sở vật lý của phương pháp này dựa trên mối quan hệ giữa sự thay đổi của thông số tín hiệu, bao gồm cường độ và tần số, với giá trị 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 theo tín hiệu đài truyền hình cho thấy tính hiệu quả của thiết bị và công nghệ sử dụng, được minh họa qua hình ảnh (Hình 1.15).
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 khí quyển sử dụng sóng vô tuyến từ các nguồn có sẵn như đài truyền hình, khác với phương pháp ra-đa đắt tiền cần chế độ tích cực phát sóng Phương pháp này giúp nghiên cứu trạng thái khí quyển và dự báo thời tiết hiệu quả hơn.
Phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng sóng vô tuyến từ vệ tinh như GPS và NOAA để nghiên cứu các hiện tượng thời tiết nguy hiểm và truyền sóng hiệu quả Việc đo đạc tín hiệu vệ tinh cho phép xác định tổng lượng hơi nước trong tầng đối lưu khí quyển và nghiên cứu mật độ điện tử trong tầng điện li Thiết bị thu sóng GPS có thể được lắp đặt trên vệ tinh tầm thấp (LEO), máy bay, UAV, bóng thám không, hoặc tại các trạm mặt đất.
Mô hình toàn cầu về chỉ số khúc xạ, dựa trên dữ liệu thống kê, có khả năng áp dụng cho mọi vị trí trên bề mặt trái đất ở các độ cao khác nhau Độ khúc xạ, một tham số cơ bản của khí quyển, luôn biến đổi do ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất và độ ẩm Việc đánh giá khả năng áp dụng mô hình của ITU-R cho khu vực nhiệt đới, nơi có sự thay đổi rõ rệt về mùa, là rất cần thiết Hiệu suất của các tuyến thông tin vô tuyến phụ thuộc nhiều vào cấu trúc không gian của chỉ số khúc xạ tầng đối lưu, đặc biệt trong các hệ thống radar và định vị 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 mô hình toàn cầu cho khu vực này là rất quan trọng.
1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Vấn đề truyền sóng trong khí quyển có các giáo trình như [10] [11] [28]
Trong các tài liệu hiện có, 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 đặt trên mặt đất hoặc vệ tinh tầm thấp để nghiên cứu về hơi nước trong khí quyển và đánh giá mật độ điện tử tổng cộng của tầng điện li.
Nghiên cứu sử dụng 44 xạ vô tuyến điện để xác định các tham số khí quyển hỗ trợ dự báo hiện tượng thời tiết Bên cạnh đó, số liệu từ COSMIC/FORMOSAT-3 cũng được áp dụng để đánh giá các chỉ số đối lưu trong khí quyển Tuy nhiên, nghiên cứu về điều kiện truyền sóng tầng đối lưu theo hướng này vẫn còn thiếu sót.
Nghiên cứu về đường truyền thông tin vệ tinh quốc tế 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 đã được thực hiện Đặc biệt, mô phỏng suy hao tín hiệu vô tuyến do mưa đã cung cấp những nhận xét quan trọng cho 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 cải tiến thuật toán ước lượng các tham số tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến nhằm nâng cao độ phân giải và tính chính xác, từ đó nâng cao dung lượng và chất lượng hệ thống Đề xuất giải pháp cảm nhận phổ không cần thông tin trạng thái kênh (CSI) và kiến trúc máy thu mới cũng góp phần nâng cao 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.
Kết luận Chương 1
Chương 1 trình bày ảnh hưởng của tầng đối lưu trong khí quyển trái đất đến sự lan truyền sóng vô tuyến và ứng dụng của các dải tần số Bài viết phân tích chỉ số khúc xạ vô tuyến, một tham số quan trọng ảnh hưởng đến việc truyền sóng trong tầng đối lưu Mặc dù phương pháp đo trực tiếp bằng khúc xạ kế cho độ chính xác cao, nhưng do các yếu tố kinh tế-kỹ thuật, việc áp dụng trong thực tế gặp nhiều khó khăn Thay vào đó, quan trắc gián tiếp có thể thực hiện thông qua bóng thám không và cắt lớp vô tuyến qua vệ tinh.
Sử dụng bóng tham không tuy có độ chính xác thấp hơn trực tiếp nhưng cho
Phương pháp xác định chỉ số khúc xạ theo chiều cao chỉ có thể thực hiện trên đất liền và giới hạn khoảng 3 lần/ngày tại một điểm, gây ra một số nhược điểm Trong khi đó, phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh là một phương pháp tương đối mới, cho phép xác định chỉ số khúc xạ ở nhiều địa điểm, bao gồm cả trên biển, mang lại nhiều lợi thế cho việc đo đạc này.
Luận án nhằm đánh giá quy luật biến đổi của điều kiện truyền sóng tầng đối lưu thông qua việc phân tích chỉ số khúc xạ theo thời gian, dựa trên dữ liệu từ bóng thám không và cắt lớp vô tuyến tại Hà Nội Nghiên cứu cũng tiến hành so sánh với mô hình chỉ số khúc xạ theo khuyến nghị ITU-R P.453 Các nội dung này được thực hiện 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 và sự vật thông qua thiết bị đo gián tiếp, như bước sóng ánh sáng Nó không chỉ khám phá bề mặt trái đất và các hành tinh, mà còn có khả năng thăm dò các lớp sâu bên trong Trên trái đất, viễn thám được thực hiện thông qua việc sử dụng máy bay dân dụng, máy bay chuyên dụng và vệ tinh nhân tạo để thu nhận và phát các ảnh viễn thám.
Chương này trình bày phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh, một kỹ thuật viễn thám nổi bật 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 khúc xạ, từ đó đánh giá điều kiện truyền sóng trong khí quyển Tuy nhiên, phương pháp này không hiệu quả ở độ cao thấp của tầng đối lưu do ảnh hưởng của các tham số địa hình và sự hiện diện của hơi nước, dẫn đến hiện tượng đa đường trong khí quyển có thể làm sai lệch kết quả đo.
Cần thiết phải áp dụng thêm phương pháp bóng thám không để hỗ trợ cho phương pháp cắt lớp vô tuyến.
Mục 2.1 và Phụ lục 3, mục 3.2.1 mô tả cơ chế thu thập, cấu trúc và lưu trữ dữ liệu cắt lớp nhằm phục vụ nghiên cứu về điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển.
Độ khúc xạ vô tuyến và cấu trúc không gian của nó trong tầng đối lưu của khí quyển 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 để phân tích các đặc điểm này.
Nghiên cứu sử dụng dữ liệu từ vệ tinh COSMIC-1 trong giai đoạn 2014-2016 nhằm xác định độ khúc xạ vô tuyến và điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội.
Phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh
Kỹ thuật cắt lớp vô tuyến, một phần quan trọng trong sứ mệnh thám hiểm vũ trụ của NASA, đã được áp dụng trong khí quyển trái đất thông qua tín hiệu GPS Kỹ thuật này được chứng minh lần đầu tiên trong 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 trái đất thông qua tín hiệu từ hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu Nguyên lý của phương pháp này dựa vào hiện tượng khúc xạ xảy ra khi tín hiệu GPS/GNSS đi qua khí quyển và được thu bởi vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO) ở bên dưới đường chân trời Góc bị uốn cong của tín hiệu là tham số quan trọng cho hệ thống đồng hóa, cho phép xác định các đặc tính khí quyển tức thời Biến thiên theo phương thẳng đứng của chỉ số khúc xạ 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 dụng trong mọi điều kiện thời tiết và độ hội tụ số liệu cao 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 nhằm 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 vô tuyến
Hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, GPS, do
Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ phát triển và quản lý hệ thống GPS, một hệ thống đa mục đích hoạt động hiệu quả trong mọi điều kiện thời tiết và trên toàn cầu Hệ thống này được sử dụng cho các ứng dụng định vị, điều hướng, khảo sát và nhiều lĩnh vực khác Phần không gian của GPS bao gồm 24 vệ tinh chính và 3 vệ tinh dự phòng đang hoạt động 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 sóng liên tục từ vệ tinh với tần số ở băng tần L, chủ yếu là 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 mã C/A (loại thô), P (loại tinh) và thông tin hàng hải Bên cạnh đó, còn có 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 rằng trạng thái bắt đầu bị che khuất khi tín hiệu vô tuyến giữa GPS và LEO đi vào tầng cao của khí quyển Tia sóng khi đi sâu vào khí quyển sẽ bị uốn cong do tác động của gia tốc trọng trường.
Phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh dựa vào việc theo dõi tín hiệu từ vệ tinh định vị GPS ở hai băng tần L1 và L2, do vệ tinh khí tượng ở quỹ đạo trái đất thấp (LEO) thực hiện Phương pháp này đặc biệt hữu ích khi tín hiệu GPS 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 từ vệ tinh định vị di chuyển qua bầu khí quyển trái đất đến máy thu bị trễ và uốn cong do ảnh hưởng của 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, quét qua bề mặt trái đất và tạo ra các lát cắt theo chiều dọc của khí quyển Các bộ thu hiện đại có khả năng thu nhiều lát cắt ở độ cao khác nhau, với tốc độ lấy mẫu thực tế có thể đạt tới 3000 tia sóng hoặc cao 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 điện li sẽ được xác định Dữ liệu từ sự che khuất tạo thành một lớp dữ liệu đặc trưng theo chiều dọc.
Trong bài viết này, chúng tôi thống kê dữ liệu đặc trưng trong ngày của một số vệ tinh LEO trang bị thiết bị thu sóng GPS, áp dụng phương pháp cắt lớp vô tuyến phổ biến hiện nay, như được trình bày trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1 Dữ liệu đặc trưng của một số nhiệm vụ không gian
Nhiệm vụ không gian Dữ liệu đặc trưng
Phương pháp cắt lớp vô tuyến đã được triển khai thành công với các biến thể khác, bao gồm việc sử dụng thiết bị thu sóng GPS được 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 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, như thể hiện trong Hình 2.4 Giả định rằng các tín hiệu s1 ở băng tần L1 được áp dụng trong quá trình này.
52 điều chế với mã C/A, P và thông điệp dữ liệu điều hướng) và s2 là tín hiệu ở L2
(điều chế với mã P và thông điệp dữ liệu điều hướng)
Hình 2.4 Các bước xác định tham số khí quyển
Kỹ thuật cắt lớp theo phương pháp quang hình học, như thể hiện ở Hình 2.5, đã được nghiên cứu và cho thấy hiệu 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 gây ra hiện tượng đa đường, 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
Ảnh hưởng của các yếu tố địa hình ở tầng thấp của khí quyển làm giảm độ chính xác của phương pháp cắt lớp vô tuyến 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 Chi tiết về cách thực hiện và tác động của hiệu chỉnh có thể tham khảo ở các tài liệu [37] và [49].
Trong khí quyển hình cầu, góc uốn cong có thể biểu thị bằng công thức [49]:
Khoảng cách từ tâm đến đường cong tia sóng được ký hiệu là r, trong khi ar là tham số ảnh hưởng, với tích phân lấy từ khí quyển phía trên bán kính tại độ cao tiếp tuyến rt Đặt x = nr, ta có bán kính khúc xạ, là 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, cho phép tính n(r) qua hàm lũy thừa.
Xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến
Hà Nội sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến
COSMIC/FORMOSAT-3 là hệ thống vệ tinh quan trắc khí tượng, tầng điện li và khí hậu, còn được gọi là COSMIC-1 Đây là chương trình hợp tác không gian giữa Đài Loan (Trung Quốc) và Mỹ, được triển khai vào tháng 4 năm 2006 với việc đưa 6 vệ tinh lên quỹ đạo thấp trái đất ở độ cao từ 700 đến 800 km.
Các bước xác định điều kiện truyền sóng sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến được thực hiện thông qua thiết bị thu tín hiệu GPS lắp trên vệ tinh Dựa vào việc xử lý số liệu GPS thu được, các thông số trong khí quyển tầng đối lưu của trái đất sẽ được tính toán Dữ liệu cắt lớp vô tuyến từ vệ tinh cho phép xác định cấu trúc không gian của chỉ số khúc xạ, từ đó phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo.
Để xác định điều kiện truyền sóng trong khí quyển, cần thực hiện một trình tự các bước nhằm xác định các tham số khí quyển trên đường truyền Hình 2.6 mô tả chi tiết các bước này, giúp hiểu rõ hơn về điều kiện truyền sóng.
Nguồn dữ liệu nghiên cứu được sử dụng là 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 viễn thám lớn tại Đài Loan cung cấp dữ liệu từ các nhiệm vụ không gian như COSMIC-1, COSMIC-2 và các nhiệm vụ khác như MetOp, GRACE Dữ liệu được thu thập theo phương pháp cắt lớp vô tuyến ở tầng đối lưu, nơi có sự nhiễu loạn do hơi nước và ảnh hưởng địa hình, làm giảm chất lượng tín hiệu Việc xử lý dữ liệu để loại bỏ các giá trị không hợp lệ, như giá trị -999 cho dữ liệu thiếu, là cần thiết Dữ liệu cắt lớp khu vực Hà Nội được xác định trong phạm vi kinh độ 105.80° E và vĩ độ 21.01° N với bán kính 2° Cấu trúc không gian của độ khúc xạ vô tuyến bao gồm các yếu tố vị trí như kinh độ, vĩ độ và cao độ, giúp xác định các tham số khí quyển và điều kiện truyền sóng.
Dữ liệu thu thập được ở dạng file nén (tar file) trên hệ thống Unix-based, với tổng dung lượng gần 85 GB, được lưu trữ trong thư mục 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 dưới dạng netCDF Đây là định dạng dữ liệu khoa học mở, tự mô tả, 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 trong file netCDF Ví dụ, để kiểm tra file dữ liệu cắt lớp wetPrf_C001.2014.121.00.02.G27_2014, người dùng có thể sử dụng câu lệnh ncdump -h wetPrf_C001.2014.121.00.02.G27_2014, từ đó hiển thị các trường dữ liệu có trong file profile ẩm.
Hình 2.7 Các trường dữ liệu cắt lớp trong file profile ẩm
Bài viết đề cập đến các thông số quan trọng trong nghiên cứu khí quyển, bao gồm độ cao so với mực nước biển (MSL_alt) 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 khác như vĩ độ (Lat), kinh độ (Lon) và độ khúc xạ vô tuyến (Ref) cũng được tính toán dựa trên áp suất (Pres), nhiệt độ (Temp) và độ ẩm tương đối (Vp) theo công thức (1.3).
59 dữ liệu khác Chi tiết về dữ liệu và các trường dữ liệu có trong file profile ẩm có ở Phụ lục 4
Mô hình không gian của độ khúc xạ vô tuyến là một mảng bốn chiều, bao gồm các tọa độ trong không gian cùng với giá trị độ khúc xạ vô tuyến được xác định.
R 4 = Array [(Lat, Lon, Alt, Ref)] (2.8)
Trong đó: Lat là vĩ độ, Lon là kinh độ, Alt là cao độ, Ref là độ khúc xạ vô tuyến
Dựa trên 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) sẽ được xác định là nằm trong khu vực Hà Nội nếu nó nằm trong bán kính 2 độ và thỏa mãn các điều kiện cần thiết.
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 kinh đông
Kết hợp thông tin về độ cao (MSL_alt) và độ khúc xạ (Ref) sẽ cho phép xây dựng mô hình không gian độ khúc xạ vô tuyến cho khu vực Hà Nội, theo công thức (2.8).
Từ mô hình không gian của độ khúc xạ, xác định được cấu trúc không gian (hai chiều) của độ khúc xạ vô tuyến N(h) sẽ có dạng:
𝑁(ℎ) = 𝐴𝑟𝑟𝑎𝑦[(𝑁 , ℎ )] (2.10) Độ khúc xạ vô tuyến trung bình 𝑁 ℎ 𝑖 ở độ cao hi là một phần tử trong mảng hai chiều, ở công thức (2.10), được xác định như sau:
Độ khúc xạ thứ j tại độ cao hi (km) được biểu thị bằng N (N-units), trong đó hi là giá trị của cao độ Alt dao động từ 0,1 đến 39,9 km, với khoảng cách giữa mỗi lớp dữ liệu là 0,1 km.
Biến thiên độ khúc xạ vô tuyến theo độ cao G(h) được tính như sau:
Với: 𝑁 (N-units), 𝑁 (N-units) là các giá trị độ khúc xạ vô tuyến ở các độ cao hi và hi-1
Do khoảng cách giữa mỗi lớp (profile) dữ liệu là 0,1 km tức là hi - hi-1 0,1 km cho nên công thức (2.13) trở thành:
Từ G(h) sẽ tính được hệ số bán kính trái đất hiệu dụng k(h) theo công thức:
𝑘 ≈ 1 + (2.16) Ở đây 𝐺 , 𝑘 là độ dốc độ khúc xạ vô tuyến và hệ số bán kính trái hiệu dụng ở độ cao hi
Việc thu thập dữ liệu cắt lớp cho phép tính toán độ khúc xạ N(h), từ đó xác định độ dốc khúc xạ G(h) và hệ số bán kính trái đất hiệu dụng k(h) Những thông số này là cơ sở quan trọng để 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 Bảng 2.2
Bảng 2.2 Thu thập số liệu cắt lớp vô tuyến
Khu vực Hà Nội có khí hậu nhiệt đới gió mùa với bốn mùa rõ rệt: xuân, hạ, thu và đông Theo tính toán trong bán kính 20 độ kinh vĩ quanh vị trí 21.01° N và 105.80° E, số ngày có dữ liệu cắt lớp vô tuyến quét qua Hà Nội được thể hiện trong Bảng 2.3.
Bảng 2.3 Thu thập số liệu cắt lớp khu vực Hà Nội
Năm Số ngày Năm Số ngày Năm Số ngày Năm Số ngày
Nhận thấy, các năm 2006-2013, 2020 không có số liệu cắt lớp ở khu vực
Hà Nội, năm 2017-2019 có rất ít ngày có số liệu (dưới 50 ngày trong năm) Trong nội dung nghiên cứu ở đây, sử dụng số liệu COSMIC-1 các năm 2014-
2016 do nhiều ngày có số liệu cắt lớp ở các năm này cụ thể năm 2014 có 87 ngày, năm 2015 (86 ngày) và năm 2016 (100 ngày)
Độ khúc xạ vô tuyến tại Hà Nội, được xác định từ số liệu trong Bảng 2.3, cho thấy giá trị trung bình trong giai đoạn 2014-2019 như nêu trong Bảng 2.4 Giá trị độ khúc xạ vô tuyến giảm ở độ cao lớn và tăng ở độ cao thấp, với phạm vi từ 0,89-1,32 N-units ở độ cao 40 km và 330-368 N-units ở độ cao 0,1 km Sự chênh lệch lớn nhất về độ khúc xạ vô tuyến trong các năm 2014-2016 không vượt quá 11 N-units, bao gồm cả số liệu từ năm 2017.
Từ năm 2017 đến 2019, giá trị độ khúc xạ vô tuyến tại khu vực Hà Nội đạt 38 N-units do thiếu dữ liệu cắt lớp ở độ cao thấp, nơi có giá trị khúc xạ lớn Điều này dẫn đến giá trị cao nhất của độ khúc xạ vô tuyến trong giai đoạn này thấp hơn so với các năm khác Ngược lại, giá trị thấp nhất của độ khúc xạ vô tuyến trong các năm này chỉ dao động quanh mức 1 N-units, cho thấy không có sự thay đổi đáng kể.
Bảng 2.4 Phạm vi độ khúc xạ vô tuyến trung bình (COSMIC-1)
Giá trị Độ khúc xạ vô tuyến (N-Units)
Kết luận Chương 2
Chương này giới thiệu phương pháp cắt lớp vô tuyến qua vệ tinh và nghiên cứu sử dụng dữ liệu từ vệ tinh COSMIC-1 để ước lượng độ khúc xạ vô tuyến cũng như xác định điều kiện truyền sóng trong khí quyển tầng đối lưu khu vực Hà Nội Phương pháp này tận dụng nguồn số liệu cắt lớp sẵn có, lâu dài, đáng tin cậy và miễn phí, với chi phí hợp lý, phù hợp với điều kiện kinh tế và công nghệ trong nước Giải pháp mang lại kết quả nhanh chóng, có giá trị khoa học và thực tiễn cao.
Nghiên cứu này đã chỉ ra đặc điểm lan truyền sóng vô tuyến trong khí quyển tầng đối lưu khu vực Hà Nội thông qua việc xác định độ khúc xạ vô tuyến Kết quả từ phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh được so sánh với dữ liệu từ mô hình ITU-R để đánh giá độ chính xác của mô hình Tuy nhiên, cần thực hiện thêm các so sánh với các phương pháp khác để kiểm chứng các kết quả này.
Kết quả của chương này thể hiện trong công bố ở Tạp chí [J1]
GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TRONG KHÍ QUYỂN SỬ DỤNG SỐ LIỆU BÓNG THÁM KHÔNG
Phương pháp bóng thám không
Bóng thám không là loại bóng bay chuyên dụng để đo lường các yếu tố khí tượng ở độ cao, bao gồm áp suất khí quyển, nhiệt độ, độ ẩm và gió (hướng và tốc độ) 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.
Bóng thám có khả năng thực hiện các phép đo cơ bản 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 Các kết quả đo được truyền 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, mà được thả từ khoảng 900 địa điểm trên toàn cầu Hơn hai phần ba số địa điểm này thực hiện quan sát vào lúc 00Z (+7 GMT) và 12Z (+19 GMT), với khoảng 100 đến 200 điểm quan sát mỗi ngày, cùng với một số điểm thực hiện đo bổ sung ba lần mỗi ngày.
Vào ngày 71, việc thả bóng thám không được thực hiện, với số lượng các tham số quan trắc khí quyển và việc chia sẻ dữ liệu được tuân thủ theo quy định của Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO).
Hình 3.1 minh họa một quả bóng thám không đang được sử dụng để đo các thông số khí quyển tại Trạm khí tượng cao không Tân Sơn Hòa, nằm ở Nhà Bè, Thành phố Hồ Chí Minh.
Hình 3.1 Bóng thám không mang thiết bị đo các thông số khí quyển
Việt Nam 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) 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 ở Láng Thượng, Đống Đa.
Mỗi ngày tại Sài Gòn, một quả bóng khủng được thả lên trời nhằm mục đích đo lường thời tiết Hoạt động này không chỉ thu hút sự chú ý của người dân mà còn đóng góp vào việc nghiên cứu khí hậu địa phương Quá trình thả bóng khủng giúp các nhà khoa học thu thập dữ liệu chính xác về điều kiện thời tiết, từ đó cải thiện dự báo khí tượng Sự kiện này mang lại trải nghiệm thú vị cho cả cộng đồng và góp phần nâng cao nhận thức về tầm quan trọng của việc theo dõi thời tiết.
3674821.html?_gl=1*u1v66s*_gcl_au*MjMzNTc3NzUzLjE2ODg1NDExNDc
Thông qua các thông số khí quyển như áp suất, nhiệt độ và độ ẩm, chỉ số khúc xạ có thể được xác định theo phương pháp gián tiếp Dữ liệu từ bóng thám không không đủ để xác định cấu trúc không gian của độ khúc xạ vô tuyến, do đó, nó sẽ được sử dụng trong nghiên cứu này.
Xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội sử dụng số liệu bóng thám không
Hà Nội sử dụng số liệu bóng thám không
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 tại khu vực Hà Nội được lấy từ Tổng cục Khí tượng Thủy văn - Bộ Tài nguyên và Môi trường Số liệu trong nghiên cứu luận án được thu thập từ trang web của đại học Wyoming, nơi cung cấp dữ liệu từ hầu hết các điểm thả bóng trên toàn cầu Trong giai đoạn đầu thả bóng, sự thay đổi độ cao đột ngột gây ra độ trễ ở các cảm biến đo lường khí quyển, dẫn đến việc xuất hiện các bộ dữ liệu không mong muốn Để xử lý dữ liệu, cần loại bỏ những thông tin không phù hợp, đặc biệt là các độ cao thiếu dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm và áp suất khí quyển.
Để xác định độ khúc xạ vô tuyến, cần áp dụng phương pháp gián tiếp như trong công thức (1.3) Cấu trúc không gian của độ khúc xạ vô tuyến bao gồm các yếu tố vị trí như kinh độ, vĩ độ và cao độ.
Dữ liệu bóng thám không được sử dụng trong nghiên cứu này đến từ trạm Hà Nội (mã VVNB) và có thể được tìm thấy trên trang web của Đại học Wyoming.
Phụ lục 2, mục 2.2 và Phụ lục 3, mục 3.2.2 mô tả cơ chế thu thập, cấu trúc và lưu trữ dữ liệu từ bóng thám không, phục vụ cho nghiên cứu 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 tổ chức theo từng năm Thời gian thu thập số liệu trải dài từ 1990 đến 2020, với thống kê cụ thể được trình bày trong Bảng 3.1 Nghiên cứu này tập trung vào dữ liệu của các năm 2016-2018 do tính đầy đủ của thông tin Trong khi đó, các năm 1994-1998 không có dữ liệu, và khoảng thời gian từ 2001-2015 chỉ có rất ít thông tin, trong khi các năm 1990-1993 và 1999 cũng gặp khó khăn tương tự.
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 nhiều ngày)
Bảng 3.1 Thu thập số liệu thám không
Năm File Năm File Năm File Năm File
Trong một file CSV, các trường dữ liệu lưu trữ thông tin quan trắc bằng bóng thám không có cấu trúc, như minh họa trong Hình 3.2 Dữ liệu này bao gồm độ cao (HGHT) tính từ bề mặt trái đất lên đến 20 km, so với mực nước biển.
Độ cao khúc xạ vô tuyến 74 được tính toán dựa trên áp suất (PRES), nhiệt độ (TEMP) và độ ẩm tương đối (RHLH) theo công thức (1.3) Bên cạnh đó, thông tin về hướng gió và điểm sương cũng được xem xét Dữ liệu thu thập được bao gồm các lớp dữ liệu đặc trưng ở các độ cao khác nhau, do đó, dữ liệu bóng thám không thể được coi là một dạng dữ liệu cắt lớp Thông tin chi tiết về dữ liệu và các trường dữ liệu trong file CSV có thể tham khảo ở 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 giữa các độ cao 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 Tại mỗi độ cao này, độ khúc xạ vô tuyến được xác định.
75 định gián tiếp thông qua áp suất, nhiệt độ và độ ẩm tương đối theo như cách ở trên, công thức (1.3)
Cách tính các chỉ số N(h), G(h) và k(h) đã được trình bày chi tiết ở mục 2.2.1 Việc sử dụng dữ liệu từ 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 đánh giá
Trong bài báo [J2] năm 2021, việc tính toán độ khúc xạ vô tuyến trong 5 năm gần nhất đã chỉ ra rằng độ khúc xạ có giá trị nhỏ ở độ cao lớn và giá trị lớn ở độ cao thấp Cụ thể, ở độ cao khoảng 20 km, độ khúc xạ nằm trong khoảng 38-41 N-units, trong khi ở độ cao 0,1 km, giá trị này dao động từ 365-370 N-units.
Trong năm 2020, độ khúc xạ vô tuyến dao động từ 38-370 N-units, với chênh lệch giá trị trung bình cao nhất không vượt quá 4 N-units và thấp nhất chưa đến 3 N-units Đặc biệt, từ năm 2016 đến 2018, sự khác biệt về độ khúc xạ vô tuyến rất nhỏ, với chênh lệch tối đa chỉ 1 N-units Năm 2016 là năm duy nhất có dữ liệu tương đồng, khi so sánh với dữ liệu cắt lớp từ vệ tinh COSMIC-1 ở độ cao 0,1 km, giá trị độ khúc xạ vô tuyến bằng phương pháp thám không đạt 368,49 N-units, cao hơn khoảng 12 N-units so với phương pháp cắt lớp vô tuyến (356,65 N-units) như được trình bày trong Bảng 2.4.
Bảng 3.2 Phạm vi độ khúc xạ vô tuyến trung bình (bóng thám không)
Giá trị Độ khúc xạ vô tuyến (N-Units)
Hình 3.4 Phân bố độ khúc xạ vô tuyến năm 2016
Hình 3.7 Độ khúc xạ vô tuyến năm 2016
Hình 3.5 Phân bố độ khúc xạ vô tuyến năm 2017
Hình 3.8 Độ khúc xạ vô tuyến năm 2017
Hình 3.6 Phân bố độ khúc xạ vô tuyến năm 2018
Hình 3.9 Độ khúc xạ vô tuyến năm
Kết quả phân bố độ khúc xạ vô tuyến trong các tháng của năm 2016, 2017, 2018 cho thấy độ cao tối đa thường đạt khoảng 17 km, với tháng 1/2018 ghi nhận độ cao gần 20 km Sự khác biệt này có thể do loại bóng thám không và lượng khí bơm vào khác nhau Tuy nhiên, các đường cong đều cho thấy 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, với đường nét liền là kết quả đo bóng thám không và đường nét đứt là giá trị theo mô hình chuẩn ITU-R (công thức 1.8) Độ khúc xạ vô tuyến của từng năm cho thấy sự tương đồng, với độ khúc xạ giảm dần theo độ cao và luôn lớn hơn giá trị tính theo mô hình Khi độ cao tăng, giá trị độ khúc xạ tính toán được tiến gần đến 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-R P.453 thể hiện qua độ lệch tuyệt đối so với giá trị chuẩn Kết quả cho thấy độ lệch giữa giá trị độ khúc xạ trung bình theo phương pháp bóng thám không và giá trị mô hình luôn có giá trị dương, cho thấy giá trị theo mô hình thấp hơn giá trị tính toán được Sự sai khác không đồng đều ở các độ cao khác nhau, với độ khúc xạ vô tuyến gần giống giá trị trong mô hình chuẩn ở độ cao lớn, trong khi ở độ cao nhỏ, sự khác biệt tăng nhanh Ở độ cao trên 5 km, sự khác biệt giữa các giá trị này đáng chú ý.
Mô hình cho thấy giá trị tính toán đạt được dưới 20 N-units ở độ cao tối đa 20 km, với sự khác biệt chỉ 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
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 bóng thám không
Hà Nội áp dụng số liệu cắt lớp vô tuyến và số liệu bóng thám không để xác định điều kiện truyền sóng Bằng cách sử dụng phương pháp xác định gián tiếp độ khúc xạ qua vô tuyến, nghiên cứu kết hợp số liệu cắt lớp vô tuyến (profile ẩm, level 2) từ vệ tinh COSMIC-1 và số liệu thám không Kết quả từ hai phương pháp này được đối sánh nhằm xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển.
Dựa trên dữ liệu từ bóng thám không và dữ liệu cắt lớp vô tuyến của vệ tinh COSMIC-1 thu thập tại khu vực Hà Nội, kết quả tính toán các tham số khí quyển được thực hiện dựa trên số liệu trung bình trong khoảng thời gian quan sát Cụ thể, số liệu COSMIC-1 từ các năm 2014-2016 và số liệu bóng thám không từ các năm 2016-2018 được sử dụng, vì đây là những khoảng thời gian có nhiều dữ liệu nhất.
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 đánh giá
Trong giai đoạn 2016-2019, dữ liệu từ COSMIC-1 và dữ liệu bóng thám không cho thấy độ khúc xạ vô tuyến trung bình lớn nhất theo phương pháp bóng thám không luôn cao hơn so với phương pháp cắt lớp vô tuyến Cụ thể, năm 2016 có sự chênh lệch lớn nhất là 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, độ chênh giá trị lớn nhất của độ khúc xạ giữa thám không (2016-2018) và cắt lớp vô tuyến (2014-2016) là 6,32 N-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 phía trên thể hiện kết quả đo gián tiếp, trong khi đường nét đứt phía dưới phản ánh giá trị tính toán theo mô hình chuẩn của ITU-R, theo công thức (1.8).
Hình 3.26 Độ khúc xạ vô tuyến
Hình 3.27 Độ khúc xạ vô tuyến
Đường cong khúc xạ vô tuyến cho thấy sự tương đồng giữa hai phương pháp thám không và cắt lớp vô tuyến, với giá trị gần giống và hơi cao hơn so với mô hình chuẩn của ITU-R.
Độ khúc xạ vô tuyến giảm dần theo độ cao, với giá trị gần giống mô hình chuẩn ở độ cao lớn Trong khí quyển tầm thấp, giá trị khúc xạ vô tuyến tính toán lớn hơn mô hình chuẩn, với độ chênh lên tới 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, chênh lệch còn dưới 10 N-units Đặc biệt, ở độ cao trên 20 km, sự khác biệt gần như không đáng kể, chỉ ở mức ±0 N-units, cho thấy giá trị tính toán và giá trị mô hình gần như tương đồng.
Sự khác biệt giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến tính toán được và giá trị mô hình ITU-R theo công thức (1.8) cho thấy độ lệch so với giá trị chuẩn Đặc biệt, độ lệch giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến trung bình ghi nhận và giá trị theo mô hình ITU-R P.453, như thể hiện trong công thức (1.9) và Hình 3.28, 3.29, cho thấy sự không đồng đều và thay đổi theo độ cao Trong khí quyển tầm thấp, độ lệch lớn nhất được ghi nhận ở mức dưới 60 N-units, trong khi đó, ở phạm vi trên 3,75 km, sự khác biệt này duy trì ở mức dưới.
Tại độ cao 17,5 km, sự khác biệt giữa 20 N-units là dưới 10 N-units, trong khi ở độ cao trên 20 km, sự khác biệt giảm xuống còn ±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 sự giảm dần của độ lệch này khi tăng độ cao từ 0,1 đến 5 km, cụ thể là từ 20% xuống 10% Hình 3.30 và 3.31 minh họa kết quả này.
% 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
Tại độ cao 20 km, độ lệch có xu hướng giảm 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 độ cao lớn, giá trị khúc xạ dần trở về 0 N-units, khiến cho sự biến động của độ lệch tương đối không còn 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 thông qua hai phương pháp là thám không và cắt lớp vô tuyến, cho thấy độ lệch tuyệt đối so với giá trị cắt lớp đã được xác định.
Độ khúc xạ được xác định bằng phương pháp bóng thám không được ký hiệu là \(N_r\) (N-units), trong khi độ khúc xạ tính theo phương pháp cắt lớp vô tuyến được ký hiệu là \(N_c\) (N-units) Sự chênh lệch giữa hai giá trị này được tính theo công thức ∆N rc = N r - N c.
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 khí quyển đối lưu dưới 20 km được thể hiện trong Hình 3.32 Kết quả cho thấy, giá trị độ khúc xạ vô tuyến theo phương pháp thám không thường lớn hơn so với phương pháp cắt lớp, ngoại trừ ở độ cao 2,5 km, 7,5 km và 15,0 km, nơi giá trị phương pháp cắt lớp chỉ cao hơn một chút (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 lên đến 13 N-units Kết quả này tương đồng với dữ liệu năm 2016 từ cả hai phương pháp Độ chênh giá trị trung bình lớn nhất giữa phương pháp thám không và phương pháp cắt lớp là 6,32 N-units, được giải thích bởi độ khúc xạ vô tuyến không đạt giá trị lớn nhất ở độ cao thấp trong các năm 2014 và 2015.
Sự khác biệt giữa hai phép đo độ cao là rõ ràng hơn ở độ cao dưới 6,25 km, với giá trị độ khúc xạ thể hiện sự chênh lệch lớn hơn so với các độ cao trên 6,25 km Đặc biệt, khi giảm xuống độ cao thấp, sự khác biệt này càng trở nên nổi bật Độ lệch tương đối giữa giá trị tính toán theo phương pháp bóng thám không và phương pháp cắt lớp vô tuyến được xác định bằng công thức cụ thể.
Độ lệch tuyệt đối của độ khúc xạ được tính theo phương pháp bóng thám không và phương pháp cắt lớp vô tuyến được biểu thị bằng ∆𝑁 (N-units) Theo công thức (3.1), N (N-units) là độ khúc xạ từ phương pháp cắt lớp vô tuyến Kết quả tính toán độ lệch tương đối giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến từ hai phương pháp này được trình bày trong Hình 3.33, cho thấy biến thiên độ lệch tương đối chuyển từ dương sang âm, không phụ thuộc vào độ cao Độ lệch tương đối đạt giá trị dương lớn nhất dưới 4% và giá trị âm nhỏ nhất trên -3% So sánh giữa hai phương pháp bóng thám không (Hình 3.30) và cắt lớp vô tuyến (Hình 3.31) với dữ liệu từ mô hình ITU-R P.453 cho thấy độ lệch tương đối giữa chúng thấp hơn nhiều, với giá trị tuyệt đối dưới 4%.
Kết luận Chương 3
Chương này đề xuất giải pháp kết hợp dữ liệu cắt lớp vô tuyến từ vệ tinh và số liệu bóng thám không để ước lượng độ khúc xạ vô tuyến, nhằm xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong tầng khí quyển đối lưu.
Giải pháp này sử dụng nguồn số liệu quan trắc viễn thám và khí tượng sẵn có, đảm bảo tính tin cậy và miễn phí trong thời gian dài, với chi phí hợp lý Nó phù hợp với điều kiện kinh tế và công nghệ trong nước, mang lại kết quả nhanh chóng và có ý nghĩa khoa học cũng như 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 tại Hà Nội Độ khúc xạ vô tuyến được xác định gián tiếp thông qua 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 của ITU-R P.453 Cuối cùng, bài viết đề xuất sử dụng số liệu hiện trường để có giá trị độ khúc xạ chính xác hơn khi nghiên cứu điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển, đặc biệt ở phạm vi khí quyển tầm thấp, cùng với quy trình ứng dụng số liệu cắt lớp và bóng thám không để ước lượng chỉ số khúc xạ của khí quyển tầng đối lưu.
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 Ứng dụng chỉ số khúc xạ trong truyền tin, đo độ cao địa hình, hệ thống radar, và theo dõi vệ tinh là rất quan trọng Việc 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 các hệ thống vô tuyến cho hoạt động thông tin 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 dựa trên 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 (sử dụng số liệu từ 2014-2016) Nghiên cứu bao gồm 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, đồng thời tính toán các tham số khí quyển và điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển tầng đối lưu khu vực Hà Nội Giải pháp này phù hợp cho phạm vi nghiên cứu rộng, với 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 theo khuyến nghị ITU-R P.453 lên tới 70 N-units.
Do vậy khuyến nghị sử dụng số liệu thực nghiệm khi nghiên cứu về điều kiện truyền sóng trong khí quyển tầng đối lưu
Đề xuất giải pháp ước lượng chỉ số khúc xạ vô tuyến tầng đối lưu dựa trên số liệu thực nghiệm từ phương pháp bóng thám không, tập trung vào việc thu thập dữ liệu tại Hà Nội từ 1990-2020 (sử dụng số liệu 2016-2018) Phương pháp này giúp 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, 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 Ngoài ra, việc sử dụng số liệu từ vệ tinh COSMIC-1 cho thấy sự khác biệt giữa phương pháp bóng thám không và phương pháp cắt lớp vô tuyến là 13 N-units Do đó, khuyến nghị nên sử dụng số liệu thực nghiệm, đặc biệt là số liệu hiện trường, trong nghiên cứu điều kiện truyền sóng trong khí quyển tầng đối lưu.
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% Dựa trên kết quả này, luận án đã đề xuất quy trình ứng dụng số liệu cắt lớp vô tuyến và số liệu bóng thám không để ước lượng chỉ số khúc xạ của khí quyển đối lưu, ưu tiên sử dụng số liệu thực nghiệm trước Nếu không có số liệu thực nghiệm, sẽ sử dụng số liệu theo mô hình chỉ số khúc xạ từ khuyến nghị ITU-R P.453 Nghiên cứu trong luận án có thể mở rộng và áp dụng cho nhiều khu vực khác để xây dựng 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 được xác định bởi mô hình ITU-R P.453 và các 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 giữa giá trị theo mô hình và giá trị tính toán đạt tới 70 N-units, trong khi dữ liệu bóng thám không cho kết quả là 60 N-units Kết quả nghiên cứu trong luận án có thể làm cơ sở cho các ủy ban của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đưa ra khuyến nghị về việc xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến ở tầng thấp của khí quyển đối lưu.
Hướng phát triển trong thời gian tới
Nghiên cứu về điều kiện truyền sóng trong khí quyển tầng đối lưu và 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 phát triển các nội dung liên quan để nâng cao hiểu biết và ứng dụng trong lĩnh vực này.
- Hoàn thiện thuật toán, tiếp tục thử nghiệm và đánh giá trong khoảng thời gian dài hơn
Tiến hành thu thập dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, kết hợp với số liệu từ hệ thống mạng trạm mặt đất tại 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 việc mô hình hóa khí quyển tầng đối lưu nhằm ước lượng chỉ số khúc xạ vô tuyến Dự án kết hợp 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 xác định đặc tính môi trường truyền sóng, bao gồm chỉ số khúc xạ và điều kiện truyền sóng trong khí quyển tầng đối lưu khu vực Hà Nội, có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật viễn thông Nghiên cứu này không chỉ nâng cao chất lượng mà còn cải thiện hiệu quả của đường truyền sóng vô tuyến Do đó, cần tiếp tục mở rộng nghiên cứu này cho các khu vực khác tại 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, sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến Nghiên cứu này được công bố trên Tạp chí Khoa học công nghệ thông tin và Truyền thông của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, với mã ISSN 2525-2224, số 04 (CS.01), trang 34.
In their 2021 study published in the Journal of Science and Technique, Chi Cong Pham, Xuan Anh Nguyen, and Hoai Trung Tran investigate the radio wave propagation conditions in Hanoi's atmosphere by analyzing meteorological data Their research, found in volume 10, issue 02, pages 32-49, provides valuable insights into the factors affecting radio wave transmission in urban environments.