Tóm tắt: 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.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ ĐIỀU KIỆN TRUYỀN SĨNG VƠ TUYẾN TẦNG ĐỐI LƯU KHU VỰC HÀ NỘI SỬ DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP CẮT LỚP VÔ TUYẾN VÀ BĨNG THÁM KHƠNG NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THƠNG MÃ SỐ: 9.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN ÁN HÀ NỘI - 2023 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Giao thơng Vận tải Tập thể hướng dẫn khoa học: Hướng dẫn 1: Hướng dẫn 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Luận án bảo vệ Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Giao thông Vận tải Vào hồi … ,… ngày … tháng … năm 2023 Có thể tìm thấy luận án tại: Trung tâm thông tin thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải, Thư viện Quốc gia LỜI MỞ ĐẦU Lý lựa chọn luận án Nghiên cứu [1] cho thấy số khúc xạ yếu tố quan trọng dự đoán hoạt động tuyến thông tin vô tuyến, cấu trúc chiết suất tầng đối lưu nguyên nhân gây trễ đường truyền nhiều chế phức tạp hiệu ứng đa đường, hấp thụ, tán xạ tín hiệu vơ tuyến v.v Các kết tổng hợp cho thấy số khúc xạ có tính quy luật theo mùa, thay đổi theo ngày đêm, theo vùng miền [84] [107] Hiệu hệ thống dẫn đường, ra-đa thông tin liên lạc phần lớn phụ thuộc vào điều kiện truyền sóng vơ tuyến phía phát phía thu xác định trạng thái khúc xạ khí quyển, phân bố khơng gian độ khúc xạ Do đó, việc nghiên cứu độ khúc xạ, tạo mơ hình thống kê có vai trị quan trọng để dự đốn phạm vi hệ thống vơ tuyến cho mục đích khác Việc có quy luật xác số khúc xạ góp phần hiệu chỉnh số liệu vệ tinh đo độ cao Ngồi cịn có ứng dụng khác sử dụng số khúc xạ khí hệ thống ra-đa chân trời; tốn xác định vị trí quỹ đạo vệ tinh từ trạm mặt đất; toán vật lý khí quyển, khí hậu chuyển động hỗn loạn khí quyển, vật lý vi mơ khí quyển, nghiên cứu cán cân xạ v.v Lợi dụng tượng khúc xạ khí tầng đối lưu sử dụng để truyền sóng xa phía đường chân trời, ứng dụng hệ thống ra-đa tầm soát vượt đường chân trời Nghiên cứu tượng siêu khúc xạ ứng dụng để truyền sóng xa Truyền sóng tán xạ tầng đối lưu gặp phải mơi trường có khơng đồng chiết suất có thay đổi gần độ dài bước sóng nghiên cứu ứng dụng thông tin quân Như vậy, tốn đánh giá ảnh hưởng tầng đối lưu có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao Trong nội dung luận án, hướng nghiên cứu ước lượng số khúc xạ để xác định điều kiện truyền sóng vơ tuyến khí tầng đối lưu khu vực Hà Nội thực Xác định xác số khúc xạ bầu khí truyền sóng vơ tuyến khu vực có bốn mùa thay đổi, Hà Nội, giúp tối ưu hiệu suất hệ thống vô tuyến cho hoạt động liên lạc, định vị, dẫn đường lĩnh vực hàng khơng, cơng nghiệp, quốc phịng an ninh Mục tiêu luận án Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng phương pháp cắt lớp vơ tuyến bóng thám khơng Mục tiêu cụ thể: Tính tốn phân tích thay đổi số khúc xạ vơ tuyến qua số liệu cắt lớp vô tuyến cho khu vực Hà Nội Tính tốn, phân tích so sánh thay đổi số khúc xạ vô tuyến với số liệu thu thập từ bóng thám khơng Đánh giá khả áp dụng mơ hình tồn cầu số khúc xạ vô tuyến theo khuyến nghị ITU-R P.453 cho khu vực Hà Nội thơng qua việc phân tích đối sánh với số liệu tính tốn từ phương pháp trên, từ đưa khuyến cáo cụ thể sử dụng số khúc xạ Các đóng góp luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án hướng đến đề xuất giải pháp sử dụng số liệu thực nghiệm để ước lượng số khúc xạ khí đối lưu Các đóng góp luận án bao gồm: - Đề xuất giải pháp ước lượng số khúc xạ vô tuyến tầng đối lưu sử dụng số liệu thực nghiệm từ phương pháp cắt lớp vô tuyến - Đề xuất giải pháp ước lượng số khúc xạ vô tuyến tầng đối lưu sử dụng số liệu thực nghiệm từ phương pháp bóng thám khơng Các đóng góp thể báo khoa học nằm danh mục cơng trình cơng bố [J1, J2, J3] Kết đạt có độ tin cậy, phù hợp với điều kiện công nghệ nước ta Nội dung nghiên cứu áp dụng để lập đồ truyền sóng Hiệu kinh tế xã hội Việc nghiên cứu sử dụng nguồn số liệu khí tượng sẵn có để xác định điều kiện truyền sóng vơ tuyến khí tầng đối lưu khu vực Hà Nội cho kết nhanh, với chi phí hợp lý thành cơng luận án Kết nghiên cứu sử dụng mơ hình chạy Viện Vật lý Địa cầu số nguồn liệu đầu vào giúp cải thiện kết tính tốn mơ hình dự báo Bố cục luận án Luận án gồm 03 chương Chương nghiên cứu tổng quan ảnh hưởng khí đến truyền sóng vơ tuyến Chương đề xuất giải pháp xác định điều kiện truyền sóng vơ tuyến khí sử dụng số liệu cắt lớp vơ tuyến Giải pháp xác định điều kiện truyền sóng vơ tuyến khí sử dụng số liệu bóng thám không đề xuất Chương CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA KHÍ QUYỂN ĐẾN TRUYỀN SĨNG VƠ TUYẾN 1.1 Truyền sóng vơ tuyến khí Bầu khí có cấu trúc phân lớp thường chia thành khu vực riêng biệt: tầng đối lưu, tầng bình lưu tầng điện li Truyền sóng khí đối lưu phân loại thành sóng đất sóng trời Phổ tần vơ tuyến chia thành phân đoạn khác dựa vào tính chất vật lý, đặc điểm lan truyền hình thành lên băng tần (sóng) khác Mỗi băng sóng ứng dụng cho hệ thống thơng tin cụ thể Nói chung, sóng vơ tuyến có bước sóng ngắn có xu hướng truyền thẳng nhiều hơn, kích thước an-ten nhỏ cự ly truyền sóng ngắn nguyên nhân hấp thụ phân tử tầng đối lưu tăng theo tần số [89], suy hao q trình truyền sóng nhiều [66] 1.2 Phân tích phương pháp xác định số khúc xạ vơ tuyến Chỉ số khúc xạ vơ tuyến xác định phương pháp đo trực tiếp gián tiếp [16] [60] Phương pháp trực tiếp việc sử dụng với dụng cụ đo nhạy với vận tốc truyền sóng gọi máy đo khúc xạ kế tần số vô tuyến hay khúc xạ kế vô tuyến; phương gián tiếp, đề cập đến nội dung nghiên cứu luận án, liên quan đến phép đo nhiệt độ, áp suất độ ẩm chuyển đổi thành số khúc xạ Sự phát triển công nghệ dẫn đến đời hệ máy đo khúc xạ kế theo phương pháp gián tiếp số khúc xạ tính thơng qua hàm lượng khí CO [108], hay đề xuất đo độ dịch chuyển xác dựa phép đo giao thoa laser vật liệu etalon [110] Phương pháp đo trực tiếp không dễ thực thực tế nguyên lý đo phức tạp khối lượng lớn thiết bị đo, bù lại có độ xác tốt Do việc thiếu sử dụng phổ biến máy đo khúc xạ dẫn tới phải sử dụng loại liệu thời tiết để xác định số khúc xạ theo phương pháp gián tiếp Máy đo khúc xạ kế tần số vơ tuyến có độ xác cao so với độ xác mà cảm biến khí tượng đạt Các máy đo khúc xạ trọng lượng nhẹ (light-weight) phát triển cho phép đo bóng thám khơng thiết bị bay khơng xác khúc xạ kế vơ tuyến xác so với phương pháp đo gián tiếp 1.2.1 Phương pháp xác định số khúc xạ vô tuyến Chỉ số khúc xạ vô tuyến n định nghĩa tỉ số tốc độ truyền sóng điện từ chân khơng (hay khơng gian tự do) c0 với tốc độ truyền sóng mơi trường vật chất c định nghĩa công thức: 𝑛= (1.1) Chỉ số khúc xạ vơ tuyến n xác định từ độ khúc xạ N theo công thức: 𝑛 = + 𝑁 10 (1.2) Độ khúc xạ vơ tuyến N tính thơng qua thông số môi trường nhiệt đô, độ ẩm áp suất sau [16] [73] [77]: 𝑁 = 77,6 − 5,6 + 3,75 10 (N-units) (1.3) Trong đó: P áp suất khí tổng cộng (hPa), e áp suất (hPa), T nhiệt độ tuyệt đối (oK) Mặt cắt chuẩn hay cấu hình chuẩn (reference profile) sử dụng để tính tốn giá trị độ khúc xạ Ns bề mặt trái đất theo N0 sau [73] [77]: 𝑁 = 𝑁 exp(−ℎ ⁄ℎ ) (N-units) (1.4) Ở đây: N0 giá trị trung bình độ khúc xạ khí so với mực nước biển (độ khúc xạ tham chiếu), h0 độ cao tham chiếu, hs (km) độ cao so với mực nước biển N0 h0 xác định phương pháp thống kê điều kiện khí hậu khác nhau, thơng thường tính tốn lấy N0 = 315 N-units, h0 = 7,35 km Sự khác biệt giá trị độ khúc xạ vô tuyến xác định hay tính tốn cơng thức (1.3) giá trị từ mơ hình ITU-R P.453 thể độ lệch tuyệt đối so với giá trị mơ hình xác định sau: ∆𝑁 = 𝑁 − 𝑁 (N-units) (1.5) Trong đó: 𝑁 (N-units) độ khúc xạ tính độ cao h (km) qua thơng số khí nhiệt độ, áp suất độ ẩm theo cơng thức (1.3), 𝑁 (N-units) độ khúc xạ tính theo cơng thức hàm số mũ từ mơ hình ITU-R P.453, công thức (1.4) Độ lệch tương đối giá trị tính tốn theo cơng thức (1.3) giá trị từ mơ hình thể công thức: ∆ 𝑅 = 100 ∙ (%) (1.6) Với ∆𝑁 (N-units) độ lệch tuyệt đối so với giá trị mơ hình tính theo cơng thức (1.5), 𝑁 (Nunits) độ khúc xạ tính theo cơng thức hàm số mũ từ mơ hình, cơng thức (1.4) Xác định số khúc xạ vô tuyến theo định nghĩa, công thức (1.1), gọi phương pháp đo trực tiếp Chỉ số khúc xạ vơ tuyến đo trực tiếp với dụng cụ đo nhạy với vận tốc truyền sóng gọi khúc xạ kế tần số vô tuyến Xác định số khúc xạ theo công thức (1.3) gọi phương pháp đo gián tiếp thông qua nhiệt độ, áp suất độ ẩm Xác định số khúc xạ theo khuyến nghị ITU-R P.453 gọi phương pháp sử dụng mơ hình, cơng thức (1.4) 1.2.2 Phương pháp đo gián tiếp số khúc xạ vô tuyến Đo số khúc xạ bề mặt dùng liệu từ quan trắc bề mặt nhiệt độ, áp suất độ ẩm phép đo tiêu chuẩn dịch vụ thời tiết (weather service) khắp giới từ hệ thống ghi nhận liệu tự động Đo độ dốc số khúc xạ khí tầm thấp sử dụng tháp đo, tháp cao đến 300 m, cách sử dụng nhiều cảm biến dọc theo tháp Đo số khúc xạ tầm cao sử dụng khinh khí cầu có gắn máy thăm dị vơ tuyến 1.2.3 Phương pháp đo trực tiếp số khúc xạ vô tuyến Các khúc xạ kế tần số vô tuyến hoạt động theo nguyên lý cộng hưởng khoang mở tụ điện sử dụng khí làm chất điện môi thường gọi khúc xạ kế vi sóng (Microwave Refractometer) gồm có khúc xạ kế Crain [26] [27], khúc xạ kế Birnbaum [20], khúc xạ kế Vetter [92], v.v Các khúc xạ kế trọng lượng nhẹ (khoảng pound, khoảng 2,7 kg), độ xác khơng máy đo khúc xạ kế vi sóng có ưu điểm nhẹ Một số khúc xạ kế Deam, hay khúc xạ kế Hay, v.v Các khúc xạ kế trọng lượng nhẹ gắn vào bóng thám khơng thiết bị bay khơng người lái (UAV) để quan trắc khí 1.3 Ảnh hưởng khí đối lưu đến truyền sóng vơ tuyến 1.3.1 Các tham số khí đường truyền sóng vơ tuyến Trong phạm vi nghiên cứu luận án, xác định số khúc xạ n đường truyền sử dụng phương pháp gián tiếp nêu khuyến nghị ITU-R [73] [76] [77], phiên thời áp dụng P.453-14 (8/2019) [73] Hệ số bán kính trái đất hiệu dụng k (hay k-factor) tỉ số bán kính tương đương hay bán kính hiệu dụng Re với bán kính thực trái đất a, với k = Re/a, Lấy bán thực trái đất 𝑎 ≈ 6370 km hệ số k tính xấp xỉ theo công thức [50] [81]: 𝑘≈ (1.8) = 1+ Với G = dN/dh biến thiên độ khúc xạ vô tuyến theo phương thẳng đứng (gradient) hay độ dốc khúc xạ vô tuyến Như vậy, số khúc xạ vô tuyến n (hay độ khúc xạ N) tham số khí tầng đối lưu, cần phải có Thơng qua xác định tham số khác k, G sở để xác định điều kiện truyền sóng 1.3.2 Ảnh hưởng tham số khí đến truyền sóng Hệ số k trạng thái khí ảnh hưởng đến quỹ đạo tia sóng, sử dụng để phân loại dạng khúc xạ khác [13] [46] Đó khúc xạ phụ, khúc xạ tiêu chuẩn, siêu khúc xạ khúc xạ ống dẫn Hệ số k liên quan đến trạng thái khí tham số phụ thuộc vào chu kỳ hàng ngày theo mùa vào điều kiện khí Khuyến nghị ITU-R hệ số k thông thường nằm khoảng 4/3 > k > 0,42 [2] Trong phạm vi 0,4 < k < 4/3, dựa vào hệ số k, biết điều kiện truyền sóng với thời tiết địa [31] [88] Truyền sóng vơ tuyến khí tầng đối lưu, ngồi việc quỹ đạo tia sóng bị thay đổi tượng khúc xạ, cịn có yếu tố khác ảnh hưởng đến đường truyền trễ đối lưu Phương pháp xác định độ trễ thiên đỉnh (theo hướng thẳng đứng) tầng đối lưu tín hiệu vệ tinh định vị ZTD (Zenith Tropospheric Delay) tính theo cơng thức [69]: 𝑍𝑇𝐷 = 10 ∫ 𝑁(ℎ)𝑑ℎ = 10 ∑ 𝑁 ∆𝑠 (m) (1.9) Với: 𝑁 (N-units) độ khúc xạ mức thứ i, ∆𝑠 khoảng cách (m) mức thứ i i+1 Thông qua ZTD xác định độ trễ theo hướng xiên (slant) khác việc sử dụng hàm ánh xạ (mapping function), hàm phụ thuộc vào góc nâng góc phương vị [99] 1.4 Tình hình nghiên cứu liên quan đến nội dung luận án 1.4.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước Để đánh giá ảnh hưởng khí tầng đối lưu đến truyền sóng vơ tuyến, cần thực phương pháp ước lượng số khúc xạ khí Nghiên cứu số khúc xạ có từ lâu, tiêu biểu cơng trình [16] [60] Các nghiên cứu liên quan phương pháp thực nghiệm để xác định độ khúc xạ vô tuyến theo phương pháp gián tiếp có [29] [46] [58] [103] Gần có: Nghiên cứu mối quan hệ thơng số khí tượng hệ số bán kính trái đất hiệu hiệu dụng [105]; Nghiên cứu ước tính độ dốc khúc xạ vô tuyến từ thông số môi trường đo nhiệt độ, áp suất độ ẩm tương đối [104]; Nghiên cứu thay đổi thơng số khí tượng vào độ khúc xạ bề mặt [102]; Nghiên cứu số khúc xạ vô tuyến dựa liệu đo lường 41 năm (1980 đến 2020) từ sở liệu MERRA-2, để tính tốn số khúc xạ dựa khuyến nghị ITU-R Nghiên cứu đưa so sánh biến thể khác mạng nơ-ron hồi quy để dự đốn số khúc xạ vơ tuyến [101]; Nghiên cứu thay đổi theo vĩ độ theo mùa độ khúc xạ vô tuyến bề mặt [85] Phương pháp sử dụng số liệu bóng thám không sử dụng để xác định phạm vi thay đổi số khúc xạ hệ số bán kính trái đất hiệu dụng [3], nghiên cứu điều kiện khúc xạ ống dẫn [61], nghiên cứu điều kiện truyền sóng dị thường ảnh hưởng đến ra-đa thời tiết [18] v.v Phương pháp đề xuất sử dụng luận án sử dụng số liệu sóng vơ tuyến thăm dị hay cịn gọi cắt lớp vơ tuyến [54] [55] [56], phương pháp đo viễn thám Cơ sở vật lý phương pháp mối quan hệ thay đổi thông số tín hiệu (cường độ tần số) vào giá trị số khúc xạ Đo khúc xạ theo phương pháp nghiên cứu từ nhiều năm [54] [55] Kết đo theo mùa số khúc xạ độ dốc (gradient) theo tín hiệu đài truyền hình, so sánh với bóng thám khơng cho thấy tính hiệu thiết bị công nghệ sử dụng (Hình 1.1) Hình 1.1 Kết đo đạc từ thiết bị (đường liền) so sánh với bóng thám khơng (đường với ô trắng) Phương pháp cắt lớp khác với phương pháp sử dụng ra-đa đắt tiền (sử dụng chế độ tích cực phát sóng để nghiên cứu khí quyển) [12] [14] Đặc trưng phương pháp sử dụng sóng vơ tuyến từ nguồn sẵn có (các đài truyền hình chẳng hạn) để nghiên cứu trạng thái khí từ dự báo điều kiện truyền sóng tượng thời tiết nguy hiểm Ngồi sử dụng sóng vơ tuyến sẵn có mặt đất, phương pháp cắt lớp vơ tuyến cịn áp dụng với sóng vơ tuyến vệ tinh GPS, NOAA, v.v Các đo đạc sử dụng tín hiệu vệ tinh cho phép xác định tổng lượng nước tầng đối lưu khí quyển, nghiên cứu mật độ điện tử tầng điện li [45] Thiết bị thu sóng GPS đặt vệ tinh tầm thấp trái đất (LEO), thiết bị bay (máy bay, UAV), bóng thám khơng trạm mặt đất Mơ hình tồn cầu số khúc xạ mơ hình dựa số liệu thống kê, có từ lâu, áp dụng cho vị trí bề mặt trái đất độ cao khác Cho nên việc đánh giá khả áp dụng mơ hình tồn cẩu ITU-R cho khu vực nhiệt đới, nơi có mùa năm thay đổi rõ rệt nước ta cần thiết Cùng với đó, hiệu suất tuyến thơng tin vô tuyến phụ thuộc nhiều vào cấu trúc không gian số khúc xạ tầng đối lưu, hệ thống ra-đa, hệ thống định vị, theo dõi mục tiêu, điều khiển dẫn dường, v.v Việc nghiên cứu lựa chọn giải pháp công nghệ phù hợp để ước lượng số khúc xạ vô tuyến đánh giá khả áp dụng mơ hình toàn cầu cho khu vực đáng quan tâm 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nước Vấn đề truyền sóng khí có giáo trình [10] [11] [28] [65] Trong tài liệu có trình bày sở lý thuyết tượng khúc xạ tầng đối lưu Các nghiên cứu nước liên quan đến vấn đề truyền sóng tầng đối lưu cịn hạn chế Các tác giả nước tập trung chủ yếu vào khai thác nguồn số liệu có máy thu GPS đặt mặt đất vệ tinh tầm thấp để nghiên cứu nước khí quyển, đánh giá mật độ điện tử tổng cộng tầng điện li [5] [62] [63] Nghiên cứu sử dụng nguồn xạ vô tuyến điện sẵn có để xác định tham số khí phục vụ dự báo số tượng thời tiết [9] Hay nghiên cứu sử dụng số liệu COSMIC/FORMOSAT-3 để đánh giá số đối lưu khí [8], nghiên cứu điều kiện truyền sóng tầng đối lưu theo hướng chưa có Ngồi có số nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng thông tin vệ tinh quốc tế Việt Nam [91] hay nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm hệ số suy giảm mơi trường truyền sóng thơng tin di động dải tần 900 MHz [23] Bước đầu nghiên cứu mơ suy hao tín hiệu vơ tuyến mưa, từ đưa số nhận xét phục vụ cho việc thiết kế tuyến truyền dẫn vi ba mặt đất tầm nhìn thẳng (LOS) phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam [68] Thuật tốn ước lượng tham số tín hiệu hệ thống thông tin vô tuyến [71] cải tiến số thuật tốn để nâng cao độ phân giải, tính xác ước lượng tham số tín hiệu nhằm nâng cao dung lượng chất lượng hệ thống thơng tin vơ tuyến Viễn thám bầu khí bề mặt bên sử dụng xạ hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu nội dung nghiên cứu [7], giải vấn đề chẩn đốn bầu khí cách sử dụng xạ vệ tinh dẫn đường tồn cầu Mơ hình hàm ánh xạ có tính đến hình cầu tầng đối lưu cho phép mơ tả xác giá trị thực độ trễ tầng đối lưu đề xuất Hay cơng trình [4], ước tính vận tốc nâng hệ số phản xạ lớp phản xạ ngược dựa kết đo đạc mức tín hiệu VHF gần vùng che khuất hình học khu vực vĩ độ trung bình liệu bóng thám khơng thu Bài báo [6], trình bày khả sử dụng nguồn xạ nhân tạo, chẳng hạn tín hiệu truyền hình (TV) vệ tinh để đánh giá thơng số khí Phương pháp ước tính khúc xạ tầng đối lưu hệ số suy giảm tín hiệu TV đường truyền chân trời đề xuất nghiên cứu gần với nội dung luận án Nhìn chung, nghiên cứu chuyên sâu việc ước lượng số khúc xạ n để xác lập trạng thái khí tham số khí đường truyền sóng vơ tuyến nước chưa có Hướng nghiên cứu sử dụng phương pháp cắt lớp vô tuyến phương pháp gián tiếp xác định số khúc xạ thơng qua thơng số khí nhiệt độ, độ ẩm áp suất để xác định điều kiện truyền sóng khí tầng đối lưu cần lưu ý thực 1.5 Kết luận Chương Trong Chương trình bày khái quát ảnh hưởng khí đối lưu đến lan truyền sóng vơ tuyến ứng dụng dải băng tần thực tế Nội dung sâu phân tích số khúc xạ vơ tuyến, phương pháp xác định số khúc xạ Phương pháp cắt lớp vô tuyến dùng vệ tinh phương pháp tương đối cho phép xác định nhiều địa điểm kể biển đem lại nhiều lợi cho việc xác định số khúc xạ vô tuyến Luận án đặt mục tiêu đánh giá quy luật biến đổi điều kiện truyền sóng tầng đối lưu qua việc phân tích đặc điểm số khúc xạ theo thời gian dựa số liệu bóng thám không cắt lớp vô tuyến khu vực Hà Nội, phân tích so sánh với mơ hình số khúc xạ nêu khuyến nghị ITU-R P.453 Đây nội dung thực Chương Chương luận án CHƯƠNG GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TRUYỀN SĨNG VƠ TUYẾN TRONG KHÍ QUYỂN SỬ DỤNG SỐ LIỆU CẮT LỚP VÔ TUYẾN Chương sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến (số liệu profile ẩm, level2) vệ tinh COSMIC-1 năm 2014-2016 để xác định độ khúc xạ vô tuyến điều kiện truyền sóng vơ tuyến khí khu vực Hà Nội 2.1 Phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh Nguyên lý phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh định vị dựa vào tượng khúc xạ khí quyển, xảy tín hiệu GPS/GNSS qua bầu khí trái đất thu vệ tinh quỹ đạo trái đất thấp bên đường chân trời [47] [52] [92] Hiện nhiều vệ tinh quỹ đạo trái đất thấp phóng lên để thu thập liệu cắt lớp 2.1.1 Nội dung phương pháp cắt lớp vô tuyến Phương pháp cắt lớp vô tuyến phương pháp dựa vào việc vệ tinh khí tượng quỹ đạo trái đất thấp (LEO) theo dõi tín hiệu phát từ vệ tinh định vị GPS hai băng tần L1 L2 bị che lấp trái đất phía đường chân trời (OTH) Hình 2.1 Quá trình tạo lát cắt theo chiều dọc di chuyển tương đối vệ tinh GPS vệ tinh khí tượng LEO Sóng vơ tuyến phát di chuyển qua bầu khí tới máy thu bị trễ bị uốn cong gia tốc trọng trường Trong suốt khoảng thời gian bị che lấp, vệ tinh khí tượng thu tín hiệu độ cao tối thiểu khác nhau, quét qua bề mặt trái đất Tạo lát cắt theo chiều dọc khí (Hình 2.1) Dữ liệu có từ che khuất lớp liệu đặc trưng (profile) theo chiều dọc bao gồm số khúc xạ, nhiệt độ, áp suất, nước, độ cao mật độ điện tích tầng điện li 2.1.2 Ưu nhược điểm phương pháp cắt lớp vô tuyến Phương pháp cắt lớp vơ tuyến (RO) có nhiều ưu điểm vùng phủ rộng, độ xác cao, khả dụng điều kiện thời tiết Ở độ cao thấp độ xác giảm có thêm nhiều tham số ảnh hưởng liên quan đến bề mặt Độ phân giải theo phương thẳng đứng tầng đối tới 0,1 km gần bề mặt trái đất Một đặc điểm liệu RO độc lập với nhiệm vụ không gian vệ tinh khác nhau, liệu từ sứ mệnh khơng gian khác ln có độ hội tụ cao Nhờ điểm này, liệu RO bổ sung tốt cho Dù vậy, phương pháp cắt lớp vơ tuyến có hạn chế khơng thích hợp tầng thấp khí mà lượng đáng kể nước có mặt, gây tượng đa đường khí quyển, ảnh hưởng tham số địa hình tác động đến kết phương pháp cắt lớp vô tuyến [82] 2.2 Xác định điều kiện truyền sóng vơ tuyến khí khu vực Hà Nội sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến 2.2.1 Giải pháp thực COSMIC/FORMOSAT-3 hệ thống bao gồm vệ tinh quan trắc khí tượng, tầng điện li khí hậu (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate-1) hay gọi COSMIC-1, chương trình khơng gian hợp tác Đài Loan (Trung Quốc) Mỹ triển khai năm 4/2006 với việc đưa vệ tinh lên quỹ đạo trái đất thấp độ cao 700-800 km Ở vệ tinh lắp thiết bị thu tín hiệu GPS Trên sở xử lý tín hiệu GPS thu được, thơng số khí tầng đối lưu trái đất tính tốn Dữ liệu cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh cho phép xác định cấu trúc không gian số khúc xạ nên nghiên cứu áp dụng để xác định điều kiện truyền sóng khí Các bước để xác định điều kiện truyền sóng sử dụng liệu cắt lớp vơ tuyến mơ tả Hình 2.2 Hình 2.2 Các bước xác định điều kiện truyền sóng sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến Nguồn liệu lấy từ CDAAC - Trung tâm lưu trữ phân tích liệu COSMIC [24] Số liệu profile ẩm sử dụng nội dung nghiên cứu vệ tinh COSMIC/FORMOSAT-3 CDAAC phân phối, yêu cầu phải đăng ký Việc thu thập liệu thực Phụ lục 3, mục 3.2.1 2.2.2 Kết đạt phân tích đánh giá Độ khúc xạ vơ tuyến có giá trị nhỏ độ cao lớn ngược lại có giá trị lớn độ cao thấp Ở độ cao gần 40 km, phạm vi giá trị độ khúc xạ vơ tuyến 0,89÷1,32 N-units, độ cao thấp 0,1 km giá trị phạm vi 330÷368 N-units Chênh lệch giá trị lớn độ khúc xạ vô tuyến năm 2014-2016 khơng q 11 N-units, tính năm 2017-2019 giá trị lên tới 38 N8 Chương trình bày phương pháp cắt lớp vơ tuyến sử dụng vệ tinh giải pháp nghiên cứu sử dụng số liệu cắt lớp vệ tinh COSMIC-1 để ước lượng độ khúc xạ vô tuyến xác định điều kiện truyền sóng vơ tuyến khí tầng đối lưu khu vực Hà Nội Giải pháp có ưu điểm sử dụng nguồn số liệu cắt lớp sẵn có thời gian dài, tin cậy, miễn phí, với chi phí hợp lý Phù hợp với điều kiện kinh tế, công nghệ nước Giải pháp cho kết nhanh, có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao Nội dung nghiên cứu đặc điểm lan truyền sóng vơ tuyến khí tầng đối lưu khu vực Hà Nội thông qua việc xác định độ khúc xạ vô tuyến, kết đạt đem đối sánh với liệu từ mơ hình ITU-R Tuy nhiên cần có đối sánh với phương pháp khác để kiểm chứng kết Kết chương thể cơng bố Tạp chí [J1] CHƯƠNG GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TRUYỀN SĨNG VƠ TUYẾN TRONG KHÍ QUYỂN SỬ DỤNG SỐ LIỆU BĨNG THÁM KHƠNG Chương sử dụng số liệu COSMIC-1 đề cập Chương 2, với số liệu bóng thám khơng để xác định gián tiếp độ khúc xạ vô tuyến điều kiện truyền sóng vơ tuyến khí khu vực Hà Nội Đối sánh kết phép đo thực phần nội dung sử dụng kết hợp hai loại liệu 3.1 Phương pháp bóng thám khơng Bóng thám khơng loại bóng bay dùng để mang theo thiết bị đo yếu tố khí tượng theo độ cao áp suất khí quyển, nhiệt độ, độ ẩm gió (hướng tốc độ) Các kết đo gửi trở lại thiết bị theo dõi mặt đất sau đến hai giây sóng vơ tuyến Thời điểm thả bóng thám khơng ngày, số lượng tham số quan trắc khí chia sẻ liệu tuân theo quy định Tổ chức khí tượng Thế giới (WMO) Nước ta có điểm thả bóng thám khơng Tại Hà Nội, bóng thám khơng thả hai lần ngày vào thời điểm 00Z (+7GMT) 12Z (+19GMT) từ địa điểm Đài khí tượng cao không (Láng Thượng, Đống Đa, Hà Nội) Sử dụng số liệu bóng thám khơng cho phép xác đinh cấu trúc không gian độ khúc xạ vô tuyến điều kiện truyền sóng sử dụng nội dung nghiên cứu 3.2 Xác định điều kiện truyền sóng vơ tuyến khí khu vực Hà Nội sử dụng số liệu bóng thám khơng 3.2.1 Giải pháp thực Các bước để xác định điều kiện truyền sóng sử dụng liệu bóng thám khơng Hình 3.1 Hình 3.1 Các bước xác định điều kiện truyền sóng sử dụng số liệu bóng thám khơng 13 Nguồn liệu sơ cấp bóng thám khơng cho khu vực Hà Nội lấy từ Tổng cục Khí tượng Thủy văn - Bộ Tài nguyên Môi trường Trong nội dung nghiên cứu luận án, số liệu lấy từ trang Web đại học Wyoming [90], nơi cung cấp số liệu hầu hết điểm thả bóng khắp nơi giới Chi tiết liệu file CSV có Phụ lục 3.2.2 Kết đạt phân tích đánh giá Trong nội dung nghiên cứu sử dụng số liệu năm 2016-2018 có đầy đủ liệu Tính tốn độ khúc xạ vơ tuyến cho năm gần tính đến thời điểm cơng bố báo [J2], năm 2021, cho thấy, độ khúc xạ vơ tuyến có giá trị nhỏ độ cao lớn ngược lại có giá trị lớn độ cao thấp Ở độ cao gần 20 km, giá trị độ khúc xạ nằm dải 38-41 N-units, độ cao thấp 0,1 km giá trị phạm vi 365-370 N-units Chênh lệch giá trị trung bình cao độ khúc xạ vô tuyến năm không N-units, chênh lệch giá trị trung bình thấp độ khúc xạ vô tuyến mức chưa đến N-units Kết tính tốn phân bố độ khúc xạ vô tuyến theo tháng năm 2016, 2017, 2018 Hình 3.2, 3.3, 3.4 Thể phân bố độ khúc xạ theo tháng năm, độ cao tối đa thường mức 17 km, riêng tháng 1/2018 độ cao tối đa bóng thám khơng mức gần 20 km Các đường cong thể giá trị độ khúc xạ giảm theo độ cao Biến thiên độ khúc xạ vơ tuyến trung bình theo độ cao Hình 3.5, 3.6, 3.7 với đường nét liền (bên trên) kết đo bóng thám khơng, đường nét đứt (bên dưới) giá trị theo mô hình chuẩn ITU-R, cơng thức (1.4) Thể độ khúc xạ vô tuyến năm, với đường nét liền thể độ khúc xạ tính tốn được, đường nét đứt giá trị tính theo mơ hình ITU Nhận thấy, độ khúc xạ vô tuyến năm tương đồng, độ khúc xạ vô tuyến giảm theo độ cao lớn độ khúc xạ tính theo mơ hình Khi độ cao tăng giá trị độ khúc xạ tính tốn tiến gần đến giá trị độ khúc xạ theo mơ hình Năm 2018, độ cao gần 20 km, độ khúc xạ tính tốn giá trị theo mơ hình gần giống Sự khác biệt giá trị độ khúc xạ vơ tuyến tính tốn giá trị mơ hình ITU-R công thức (1.5) thể độ lệch tuyệt đối so với giá trị chuẩn Độ lệch giá trị độ khúc xạ vơ tuyến trung bình sử dụng phương pháp bóng thám khơng với giá trị theo mơ hình ITU-R P.453, tính theo cơng thức (1.4), cho kết Hình 3.8, 3.9, 3.10 Thể sai khác độ khúc xạ tính tốn so với giá trị mơ hình từ ITU-R P.453 Kết cho thấy sai khác ln có giá trị dương giá trị theo mơ hình giá trị tính tốn được, sai khác khơng độ cao khác nhau, độ khúc xạ vô tuyến gần giống với giá trị mơ hình chuẩn độ cao lớn thể giá trị sai khác ít, độ cao nhỏ khác biệt tăng nhanh Ở độ cao km, khác biệt giá trị tính tốn giá trị từ mơ hình mức 20 N-units, độ cao tới 20 km khác biệt mức 10 N-units Trong phạm vi khí tầm thấp (100 m) giá trị độ khúc xạ vô tuyến đo lớn mơ hình chuẩn khoảng 60 N-units Riêng năm 2018 khơng có khác biệt độ khúc xạ tính tốn giá trị mơ hình độ cao gần 20 km, tức khác biệt mức N-units Kết luận quan trọng rút ở độ cao thấp, giá trị từ mơ hình ITU-R có khác biệt nhiều so với giá trị tính tốn được, cần thiết phải sử dụng số liệu trường (in-situ), số liệu bóng thám khơng chẳng hạn để ước lượng số khúc xạ vơ tuyến Tính tốn độ lệch tương đối, công thức (1.6), giá trị độ khúc xạ vơ tuyến theo phương pháp bóng thám khơng giá trị từ mơ hình ITU-R P.453 cho kết Hình 3.11, 3.12, 3.13 Dạng biến thiên giá trị độ lệch tương đối năm khơng hồn toàn giống nhau, cụ thể, dạng biến thiên năm 2016 2017 giống khác so với dạng biến thiên năm 2018 14 Hình 3.2 Phân bố độ khúc xạ vơ tuyến năm 2016 Hình 3.3 Phân bố độ khúc xạ vơ tuyến năm 2017 Hình 3.4 Phân bố độ khúc xạ vơ tuyến năm 2018 15 Hình 3.5 Độ khúc xạ vơ tuyến năm 2016 Hình 3.8 Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2016 với giá trị theo mơ hình ITU-R P.453 Hình 3.6 Độ khúc xạ vơ tuyến năm 2017 Hình 3.9 Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vơ tuyến năm 2017 với giá trị theo mơ hình ITU-R P.453 Hình 3.7 Độ khúc xạ vơ tuyến năm 2018 Hình 3.10 Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2018 với giá trị theo mơ hình ITU-R P.453 Phạm vi thay đổi giá trị độ khúc xạ vô tuyến giá trị nhỏ giá trị lớn tháng Hình 3.14, 3.15, 3.16 Thể phạm vi độ khúc xạ vô tuyến tháng năm 16 Kết cho thấy, giá trị nhỏ độ khúc xạ tháng có thay đổi mức 40 N-units, riêng năm 2018 tháng tháng có thay đổi giá trị nhỏ độ khúc xạ mức thấp so với tháng khác, kết độ khúc xạ vô tuyến nhỏ năm 2018 thấp so với năm khác Giá trị độ khúc xạ lớn tháng có thay đổi nhiều Kết cho thấy mùa hè thu với nhiệt độ cao so với nhiệt độ trung bình năm tháng 4-10, giá trị lớn độ khúc xạ vô tuyến tăng đạt đỉnh vào tháng 7-9 Mùa đơng xn, có nhiệt độ thấp hơn, tháng khác năm cho kết độ khúc xạ vơ tuyến có xu hướng giảm Tính tốn biến thiên độ khúc xạ vơ tuyến trung bình theo độ cao (độ dốc khúc xạ vô tuyến) cho kết Hình 3.17, 3.18, 3.19 Cho thấy, khơng giống độ khúc xạ vô tuyến, biến thiên độ khúc xạ vô tuyến không tăng/giảm túy theo độ cao Nhưng độ lớn độ dốc (giá trị tuyệt đối) có xu hướng giảm độ cao tăng Ở độ cao thấp độ khúc xạ vô tuyến thay đổi với biên độ nhiều thay đổi độ cao lớn Ở độ cao 3,75 km, G thay đổi nhiều quanh giá trị -40 N-units/km Độ cao 3,75 km biên độ thay đổi Trong phạm vi từ 10-16 km, G thay đổi làm cho hướng truyền lan sóng vơ tuyến ổn định Trong phạm vi 10 km, độ khúc xạ vô tuyến thay đổi nhiều theo độ cao ảnh hưởng nhiều đến quỹ đạo tia sóng Năm 2018, G có thay đổi bất thường độ cao 16 km -17.5 km Hệ số bán kính trái đất hiệu dụng k (hay k-factor) trung bình dùng để xác định hướng lan truyền tia sóng khí quyển, kết tính tốn Hình 3.20, 3.21, 3.22 Cho thấy hệ số bán kính trái đất hiệu dụng k thay đổi phụ thuộc vào độ cao Dù xét cách tổng thể hệ số k có xu hướng giảm theo độ cao Hệ số k ln có giá trị dương, tức truyền sóng điều kiện khúc xạ phụ miền siêu khúc xạ không xảy tượng khúc xạ ống dẫn tương ứng với trường hợp -∞ < k < Nguyên nhân khu vực Hà Nội mang đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa hàng năm xuất nhiều bão nhiệt đới, mà tượng siêu khúc xạ thường xảy trước bão [70] có tượng siêu khúc xạ trình truyền sóng Năm 2016-2017, phạm vi từ 10-17.5 km, hệ số k nằm dải 1.2 > k > 1.0 tức truyền sóng lý tưởng, tương ứng với điều kiện thời tiết khơng có lớp bề mặt với sương mù, địa hình khơ, miền núi, khơng sương mù, tia sóng có bề lõm hướng xuống Năm 2018, độ cao 16 km-17.5 km có số thời điểm hệ số k < tia sóng có bề lõm hướng lên phần lớn độ cao khác có k > tia sóng có bề lõm hướng xuống dưới, độ cao 10-16 km 17.5 km-20 km hệ số k nằm dải 1.2 > k > 1.0 điều kiện truyền sóng lý tưởng tia sóng có bề lõm hướng xuống truyền sóng độ cao 10-16 km ổn định độ cao 17.5 km-20 km có G thay đổi Nguyên nhân phân bố độ khúc xạ vô tuyến năm 2018 khác so với năm 2016 2017 tháng 1/2018 độ cao tối đa bóng thám khơng mức gần 20 km độ cao tối đa tháng năm 2016-2018 thường mức 17 km Trong phạm vi 17 km dạng biến thiên giá trị độ lệch tương đối năm 2016-2018 Khu vực Hà Nội nằm miền nhiệt đới gió mùa, độ cao tầng đối lưu 16-18 km, tính riêng tầng đối lưu dạng biến thiên giá trị độ lệch tương đối năm 2016-2018 giống Ở độ cao thấp, độ lệch tương đối cớ giá trị dương mức 20%; xung quanh độ cao km độ lệch tương đối có giá trị dương nhỏ quanh mức 10%; xung quanh độ cao 15 km độ lệch tương đối có giá trị dương lớn quanh mức 25%; độ cao lớn 15 km độ lệch tương đối giảm dần mức 0% độ cao gần 20 km Như phạm vi tầng đối lưu khu vực Hà Nội, độ lệch tương đối có giá trị dương, tức giá trị độ khúc xạ tính tốn phương pháp bóng thám khơng ln lớn hợn giá trị mơ hình, có độ lệch tương đối lớn mức 25% nhỏ mức 10%, độ cao km độ lệch tương đối giảm theo độ cao, độ cao từ 5-15 km độ lệch tăng theo độ cao, độ cao từ 15-17 km độ lệch lại có xu hướng giảm theo độ cao 17 Hình 3.11 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2016 với giá trị theo mơ hình ITU-R P.453 Hình 3.14 Phạm vi giá trị độ khúc xạ vơ tuyến năm 2016 Hình 3.12 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2017 với giá trị theo mơ hình ITU-R P.453 Hình 3.15 Phạm vi giá trị độ khúc xạ vơ tuyến năm 2017 Hình 3.13 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vơ tuyến năm 2018 với giá trị theo mơ hình ITU-R P.453 Hình 3.16 Phạm vi giá trị độ khúc xạ vơ tuyến năm 2018 18 Hình 3.17 Độ dốc khúc xạ vơ tuyến năm 2016 Hình 3.20 Hệ số k năm 2016 Hình 3.18 Độ dốc khúc xạ vơ tuyến năm 2017 Hình 3.21 Hệ số k năm 2017 Hình 3.19 Độ dốc khúc xạ vơ tuyến năm 2018 Hình 3.22 Hệ số k năm 2018 Dữ liệu bóng thám không loại liệu đo đạc trường (in-situ), số nguồn liệu dùng để hiệu chuẩn phép đo phương pháp khác Mục đích nội dung nghiên cứu tìm quy luật độ khúc xạ vơ tuyến đánh giá độ xác mơ hình số khúc xạ ITU-R P.453 cách so sánh với phép đo bóng thám khơng chỗ Kết cho thấy độ cao thấp tầng đối lưu giá trị độ khúc xạ vô tuyến xác định sai khác (lớn hơn) so với giá trị tính tốn từ mơ hình lên tới 60 N-units Do vậy, khuyến nghị sử dụng số liệu 19 bóng thám khơng (nếu có thể) để có độ khúc xạ xác nghiên cứu điều kiện truyền sóng đối lưu 3.3 Xác định điều kiện truyền sóng vơ tuyến khí khu vực Hà Nội sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến số liệu bóng thám khơng Phần sử dụng phương pháp đo gián tiếp độ khúc xạ vô tuyến việc sử dụng đồng thời số liệu cắt lớp vô tuyến (số liệu profile ẩm, level2) vệ tinh COSMIC-1 số liệu thám không đối sánh kết hai phương pháp để xác định điều kiện truyền sóng vơ tuyến khí khu vực Hà Nội 3.3.1 Giải pháp thực Trên sở có liệu bóng thám khơng liệu cắt lớp vô tuyến vệ tinh COSMIC1 thu thập được, kết tính tốn tham số khí dựa số liệu trung bình khoảng thời gian quan sát để làm sở đối sánh hai phép đo Cụ thể sử dụng số liệu COSMIC-1 năm 2014-2016 số liệu bóng thám khơng năm 2016-2018 Hình 3.23 Các bước xác định điều kiện truyền sóng sử dụng số liệu cắt lớp vơ tuyến số liệu bóng thám khơng Các bước xác định điều kiện truyền sóng sử dụng số liệu cắt lớp vơ tuyến số liệu bóng thám khơng Hình 3.23 3.3.2 Kết đạt phân tích đánh giá Từ kết tính tốn phạm vi độ khúc xạ vơ tuyến trung bình số liệu COSMIC-1 với số liệu bóng thám khơng, năm 2016-2019, có liệu COSMIC-1 liệu thám khơng độ khúc xạ vơ tuyến trung bình lớn phương pháp bóng thám khơng ln lớn phương pháp cắt lớp vô tuyến Cụ thể năm 2016 chênh lệch giá trị lớn độ khúc xạ vô tuyến 11,84 N-units Độ chênh giá trị đo năm sau: 15,96 N-units (2017), 38,5 N-units (2018), 19,81 N-units (2019) Tính trung bình năm sử dụng liệu để khảo sát thám không (2016-2018) cắt lớp vô tuyến (2014-2016) độ chênh giá trị lớn độ khúc xạ 6,32 N-units Kết tính tốn biến thiên độ khúc xạ vơ tuyến trung bình theo độ cao Hình 3.24, 3.25 với đường nét liền (bên trên) kết đo xác định gián tiếp độ khúc xạ vô tuyến, đường nét đứt (bên dưới) giá trị tính theo mơ hình chuẩn ITU-R, công thức (1.4) Đường cong thể phụ thuộc độ khúc xạ vô tuyến vào độ cao hai phương pháp thám không cắt lớp vô tuyến tương đồng, gần giống lớn với giá trị tính theo mơ hình chuẩn ITU-R, độ khúc xạ vô tuyến giảm dần theo độ cao Độ khúc xạ vô tuyến gần giống với giá trị mơ hình chuẩn độ cao lớn Trong phạm vi khí tầm thấp khí giá trị độ khúc xạ vơ tuyến tính tốn lớn so với giá trị mơ hình chuẩn, độ chênh lớn 60 N-units Trong 20 phạm vi 3,75 km khác biệt mức 20 N-units, độ cao 17,5 km khác biệt mức 10 N-units, độ cao 20 km khác biệt có giá trị nhỏ mức ±0 N-units, tức giá trị tính tốn giá trị mơ hình gần tương tự nhau.Sự khác biệt giá trị độ khúc xạ vô tuyến tính tốn giá trị mơ hình ITU-R công thức (1.5) thể độ lệch so với giá trị chuẩn Hình 3.24 Độ khúc xạ vơ tuyến (bóng thám khơng) Hình 3.25 Độ khúc xạ vơ tuyến (COSMIC-1) Độ lệch giá trị độ khúc xạ vô tuyến trung bình ghi nhận giá trị theo mơ hình ITU-R P.453, cơng thức (1.4), Hình 3.26, 3.27 Cho thấy độ lệch không đồng thay đổi theo độ cao Khí tầm thấp có độ lệch lớn mức 60 N-units Trong phạm vi 3,75 km khác biệt mức 20 N-units, độ cao 17,5 km khác biệt mức 10 N-units, độ cao 20 km khác biệt có giá trị nhỏ mức ±0 N-units, tức giá trị tính tốn giá trị mơ hình gần tương tự Hình 3.26 Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vơ tuyến (bóng thám khơng) với giá trị theo mơ hình ITU-R P.453 Hình 3.27 Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến (COSMIC-1) với giá trị theo mơ hình ITU-R P.453 Tính tốn độ lệch tương đối, cơng thức (1.6), giá trị độ khúc xạ vơ tuyến theo phương pháp bóng thám không phương pháp cắt lớp vô tuyến với giá trị từ mơ hình ITU-R P.453 cho kết Hình 3.28, 3.29 Ở độ cao từ 0,1-5 km, độ lệch tương đối so với giá trị mô hình có xu hướng giảm theo độ cao từ mức 20% 10% Từ độ cao 5-15 km độ lệch tương đối có xu hướng tăng theo độ cao (10% lên 25%) Sau lại giảm độ cao 15-20 km (25% 0%) Trên độ cao 20 km, độ lệch cịn có xu hướng tiếp tục giảm giảm tới mức -40 % độ cao tới 36 km Ở độ cao từ 36-40 km có thay đổi bất thường giá trị độ lệch tương đối, có phạm vi biến động khoảng từ -40% đến 80% Tuy nhiên, độ cao lớn giá trị độ khúc xạ dần trở N-units 21 biến động nhiều độ lệch tương đối không mang nhiều ý nghĩa thực tiễn Sự khác biệt giá trị độ khúc xạ vô tuyến đo phương pháp thám không phương pháp cắt lớp vô tuyến thể độ lệch tuyệt đối so với giá trị cắt lớp xác định sau: ∆Nrc = Nr - Nc (N-units) (3.1) Trong đó: 𝑁 (N-units) độ khúc xạ xác định phương pháp thám khơng, 𝑁 (N-units) độ khúc xạ tính theo phương pháp cắt lớp vơ tuyến Hình 3.28 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vơ tuyến (bóng thám khơng) với giá trị theo mơ hình ITU-R P.453 Hình 3.29 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vơ tuyến (COSMIC-1) với giá trị theo mơ hình ITU-R P.453 Xác định độ chênh tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vơ tuyến tính tốn phương pháp thám không phương pháp cắt lớp vô tuyến khí đối lưu có độ cao 20 km cho kết Hình 3.30 Thể độ lệch giá trị độ khúc xạ tính tốn phương pháp thám không phương pháp cắt lớp vô tuyến Nhận thấy rằng, giá trị độ khúc xạ vô tuyến phương pháp thám không phần lớn độ cao có giá trị lớn giá trị phương pháp cắt lớp vô tuyến Chỉ riêng xung quanh độ cao 2,5 km, 7,5 km 15,0 km giá trị phương pháp cắt lớp vơ tuyến lớn giá trị phương pháp thám không không nhiều mức N-units Sự khác biệt giá trị lớn hai phép đo mức 13 N-units Trong độ chênh giá trị trung bình lớn phương pháp thám khơng phương pháp cắt lớp vô tuyến 6,32 N-units Điều giải thích năm 2014, 2015 độ khúc xạ vơ tuyến khơng có giá trị lớn độ cao bé, độ chênh tuyệt đối theo độ cao hai phép đo khác Ở độ cao 6,25 km khác biệt giá trị hai phép đo cao độ cao lớn Ở độ cao thấp khác biệt thể nhiều Độ lệch tương đối giá trị tính tốn theo phương pháp bóng thám khơng phương pháp cắt lớp vơ tuyến tính theo cơng thức: 𝑅 = 100 ∙ ∆ (%) (3.2) Với ∆𝑁 (N-units) độ lệch tuyệt đối so với giá trị cắt lớp vơ tuyến, tính theo cơng thức (3.1), 𝑁 (N-units) độ khúc xạ tính theo phương pháp cắt lớp vơ tuyến Tính tốn độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến tính tốn phương pháp thám khơng phương pháp cắt lớp vô tuyến cho kết Hình 3.31 Biến thiên độ lệch tương đối thay đổi từ giá trị dương sang giá trị âm, không phân biệt độ cao bé hay độ cao lớn Giá trị dương lớn độ lệch tương đối mức 4%, giá trị âm bé độ lệch mức -3% So 22 sánh độ lệch tương đối phương pháp, cụ thể bóng thám khơng (Hình 3.28) cắt lớp vơ tuyến (Hình 3.29), với số liệu từ mơ hình ITU-R P.453 độ lệch tương đối hai phương pháp bóng thám khơng phương pháp cắt lớp vơ tuyến nhiều, có độ lớn (giá trị tuyệt đối) mức 4% Hình 3.30 Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ tính phương pháp bóng thám khơng phương pháp cắt lớp vơ tuyến Hình 3.31 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ tính phương pháp bóng thám khơng phương pháp cắt lớp vơ tuyến Tính tốn biến thiên độ khúc xạ vơ tuyến trung bình theo độ cao (độ dốc) cho kết Hình 3.32, 3.33 Xét cách tổng thể độ lớn độ dốc khúc xạ (giá trị tuyệt đối) có xu hướng giảm độ cao tăng Trong phạm vi 10 km, độ khúc xạ vô tuyến thay đổi nhiều theo độ cao ảnh hưởng nhiều quỹ đạo tia sóng Cụ thể độ cao 3,75 km, giá trị G thay đổi nhiều quanh mức G = -40 N-units/km, phạm vi 3,75-10 km, giá trị G thay đổi mức G > -40 N-units/km Trong phạm vi từ 10-36 km, giá trị G thay đổi, hướng lan truyền tia sóng ổn định Biến thiên độ khúc xạ vơ tuyến có thay đổi bất thường độ cao 36-40 km, điều liên quan đến tượng nghịch nhiệt hay đảo nhiệt xảy ra, mà nhiệt độ lớp khí cao lớn nhiệt độ lớp khí phía dẫn đến số khúc xạ tăng theo độ cao gây thay đổi bất thường giá trị G Hiện tượng thường xảy với tần suất cao vào mùa Đông khơng khí ổn định, đêm kéo dài có khơng khí lạnh tràn Hình 3.32 Độ dốc khúc xạ vơ tuyến (bóng thám khơng) Hình 3.33 Độ dốc khúc xạ vơ tuyến (COSMIC-1) Hình 3.34, 3.35, hệ số bán kính trái đất hiệu dụng k trung bình dùng để xác định hướng lan truyền tia sóng khí Kết tính tốn cho thấy, giá trị hệ số k phụ thuộc vào độ 23 cao Nhìn chung hệ số k có xu hướng giảm theo độ cao Hệ số bán kính trái đất hiệu dụng ln có giá trị k > 0, kết tia sóng truyền điều kiện khúc xạ phụ miền siêu khúc xạ, tia sóng có bề lõm hướng xuống với k > 1, bề lõm hướng lên với k < không xảy tượng khúc xạ ống dẫn tương ứng với trường hợp -∞ < k < Truyền sóng điều kiện siêu khúc xạ khu vực Hà Nội có đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa hàng năm có bão, mưa giơng mà tượng siêu khúc xạ lại thường xảy trước bão [70] có tượng siêu khúc xạ q trình truyền sóng Ở độ cao từ 10-36 km, hệ số k thay đổi khoảng 1,0-1,2 truyền sóng điều kiện lý tưởng, khơng có lớp bề mặt, truyền xa khơng có khúc xạ Hình 3.34 Hệ số k (bóng thám khơng) Hình 3.35 Hệ số k (COSMIC-1) Trễ đối lưu tốc độ truyền sóng tầng đối lưu ln nhỏ truyền không gian tự (hay chân không) Đây nguyên nhân gây sai số vị trí hệ thống định vị, dẫn đường, điều khiển không lưu, v.v Hình 3.36 kết tính tốn độ trễ đối lưu bé theo phương thẳng đứng (trễ thiên đỉnh), cơng thức (1.9), sử dụng số liệu bóng thám khơng 2/2016 Hình 3.36 Độ trễ thiên đỉnh sử dụng số liệu bóng thám khơng Trễ thiên đỉnh đại lượng biến thiên, hầu hết thời gian giá trị mức 2,12 m, tính theo mơ hình ITU-R P.453 độ trễ không đổi, mức 2,12 m (đường nằm 24 ngang) Sự thay đổi độ trễ nguyên nhân làm cho kết phép đo định vị bị thay đổi gây sai số Do vậy, việc bù trễ lượng thích hợp cần thiết để tăng độ xác phép đo hệ thống Dữ liệu thám không loại liệu đo đạc trường (in-situ), nguồn liệu thực tế cho phép tính tốn số khúc xạ xác Vì vậy, đề xuất cần hiệu chỉnh ảnh hưởng độ trễ tầng đối lưu sử dụng số liệu Hạn chế áp dụng cho phạm vi nhỏ, yêu cầu vị trí khác khơng có số liệu bóng thám khơng dùng đến liệu COSMIC1 hay mơ hình thay Dữ liệu COSMIC-1 cho phép khảo sát số khúc xạ vô tuyến phạm vi rộng (quốc gia, vùng lãnh thổ) xác hơn, số liệu có chưa nhiều (mặc dù có số liệu tồn cầu 14 năm, số liệu cho khu vực chưa nhiều), cụ thể tính tốn giá trị độ khúc xạ vơ tuyến trung bình, khác biệt phương pháp cắt lớp vô tuyến so với phương pháp thám khơng mức tới 13 N-units Tính tốn số khúc xạ theo mơ hình ITU-R P.453 cho phép áp dụng phạm vi tồn cầu, độ xác khơng thể số liệu bóng thám khơng hay COSMIC-1, đặc biệt khơng ứng dụng cho tốn cần xác định độ trễ đối lưu xác tới vài cm ứng dụng vệ tinh đo độ cao Với kết đạt Chương đề xuất giải pháp xác định điều kiện truyền sóng vơ tuyến khí sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến Chương đề xuất giải pháp xác định điều kiện truyền sóng vơ tuyến khí sử dụng số liệu bóng thám khơng cho thấy quy luật độ khúc xạ liên quan đến điều kiện truyền sóng vơ tuyến Một số quy luật biến thiên độ khúc xạ vô tuyến rút thời gian thực luận án có đặc điểm sau: (1) Khí khu vực Hà Nội nơi có xẩy tượng siêu khúc xạ không xẩy tượng khúc xạ ống dẫn (2) Ở phần lớn độ cao tượng khúc xạ khí xẩy khúc xạ dương, tức tia sóng có bề lõm quay xuống Hiện tượng khúc xạ âm có xuất số độ cao, với phạm vi nhỏ Trong hai trường hợp cự li truyền xa so với khơng có khúc xạ khí (3) Độ khúc xạ vơ tuyến có giá trị giảm theo độ cao Giá trị giảm N-unit thay đổi độ cao lớn Ở độ cao bé giá trị độ khúc xạ vô tuyến thay đổi nhiều vào độ cao ảnh hưởng đến hướng truyền sóng (4) Ở khí tầm thấp (100m), giá trị độ khúc xạ vô tuyến mức 370 N-unit, giá trị phổ biến bầu khí trái đất 350 N-unit Sự sai khác độ khúc xạ vơ tuyến tính tốn giá trị theo mơ hình ITU-R P.453 lên tới 60-70 N-units (5) Độ khúc xạ vô tuyến thay đổi theo mùa, giá trị tăng vào mùa hè giảm vào mùa đông Trong trường hợp tổng quát, nghiên cứu sinh đề xuất quy trình ứng dụng số liệu cắt lớp vô tuyến số liệu bóng thám khơng để ước lượng số khúc xạ khí đối lưu Chi tiết có luận án 3.4 Kết luận Chương Chương trình bày giải pháp sử dụng đồng thời số liệu cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh số liệu bóng thám khơng để ước lượng độ khúc xạ vơ tuyến xác định điều kiện truyền sóng vơ tuyến khí tầng đối lưu khu vực Hà Nội Phần cuối đưa đề xuất sử dụng số liệu trường để có giá trị độ khúc xạ xác nghiên cứu điều kiện truyền sóng vơ tuyến khí quyển, phạm vi khí tầm thấp Cùng với quy trình ứng dụng số liệu cắt lớp vơ tuyến số liệu bóng thám khơng để ước lượng số khúc xạ khí tầng đối lưu Kết chương thể công bố Tạp chí [J2] [J3] 25 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Trong kỹ thuật viễn thông, nghiên cứu điều kiện truyền sóng để hiểu tác động mơi trường (khí quyển) dự đốn phạm vi hệ thống vô tuyến cho mục đích khác nhau, giúp cải thiện chất lượng tuyến thông tin giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực Các toán cụ thể ứng dụng số khúc xạ truyền tin sử dụng hạt tán xạ khí quyển, đo độ cao địa hình mặt đất, hệ thống ra-đa, theo dõi vệ tinh, hệ thống dẫn đường máy bay, tên lửa, v.v Xác định xác số khúc xạ bầu khí truyền sóng vơ tuyến khu vực có bốn mùa thay đổi, Hà Nội, giúp tối ưu hiệu suất hệ thống vô tuyến cho hoạt động thông tin liên lạc, định vị, dẫn đường lĩnh vực hàng khơng, cơng nghiệp, quốc phịng an ninh Kết luận luận án Hai đóng góp q trình thực luận án là: - Đề xuất giải pháp ước lượng số khúc xạ vô tuyến tầng đối lưu sử dụng số liệu thực nghiệm từ phương pháp cắt lớp vơ tuyến Giải pháp thích hợp cho phạm vi cần nghiên cứu rộng - Đề xuất giải pháp ước lượng số khúc xạ vô tuyến tầng đối lưu sử dụng số liệu thực nghiệm từ phương pháp bóng thám khơng Giải pháp thích hợp cho khu vực cụ thể Khi đối sánh số liệu bóng thám khơng số liệu cắt lớp vơ tuyến cho kết độ lệch tuyệt đối hai phương pháp mức 13 N-units độ lệch tương đối mức 4% Luận án đề Quy trình ứng dụng số liệu cắt lớp vơ tuyến số liệu bóng thám khơng để ước lượng số khúc xạ khí đối lưu Trong ưu tiên sử dụng số liệu thực nghiệm trước, sau số liệu tính theo mơ hình số khúc xạ nêu khuyến nghị ITU-R P.453 Với mục đích đánh giá độ xác mơ hình tồn cầu số khúc xạ vơ tuyến nêu khuyến nghị ITU-R P.453 Các kết tính tốn cho thấy việc xác định độ khúc xạ theo mơ hình khuyến nghị ITU-R P.453 có khác biệt rõ rệt với số liệu thực nghiệm đặc biệt độ cao thấp (100 m) Cụ thể, đối sánh với liệu cắt lớp chênh lệch giá trị theo mơ hình giá trị tính tốn lên tới 70 N-units, cịn với liệu bóng thám khơng số 60 N-units Do vậy, kết nghiên cứu luận án sử dụng làm sở để ủy ban liên minh viễn thông quốc tế ITU đưa khuyến nghị cho việc xác định số khúc xạ vơ tuyến tầng thấp khí đối lưu Hướng phát triển thời gian tới Nghiên cứu điều kiện truyền sóng khí theo hướng xác định số khúc xạ vơ tuyến khơng có nhiều nước ta, thời gian tới nghiên cứu sinh tiếp tục phát triển nội dung sau: Hồn thiện thuật tốn, tiếp tục thử nghiệm đánh giá khoảng thời gian dài hơn; Tiến hành thu thập liệu từ nhiều nguồn khác kết hợp với số liệu từ mạng trạm mặt đất cho để lập đồ (GIS) theo thời gian thực phân bố số khúc xạ điều kiện truyền sóng; Nghiên cứu ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để mơ hình hóa khí đối lưu cho mục đích xác định số khúc xạ điều kiện truyền sóng vơ tuyến khí Kết đạt thời gian thực luận án khẳng định việc nghiên cứu xác định đặc tính mơi trường truyền sóng, cụ thể số khúc xạ điều kiện truyền sóng tầng đối lưu khí khu vực Hà Nội có ý nghĩa khoa học thực tiễn kỹ thuật viễn thơng, góp phần nâng cao chất lượng hiệu đường truyền sóng vơ tuyến Hướng nghiên cứu cần tiếp tục quan tâm mở rộng cho khu vực khác Việt Nam./ 26 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ [J1] Phạm Chí Cơng, Nguyễn Xuân Anh, Trần Hoài Trung, “Xác định điều kiện lan truyền sóng vơ tuyến khí khu vực Hà Nội sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến,” Tạp chí Khoa học cơng nghệ thơng tin Truyền thơng, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, ISSN 2525-2224, số 04 (CS.01), pp 34-42, 2021 [J2] Chi Cong Pham, Xuan Anh Nguyen, Hoai Trung Tran, “Determination of radio wave propagation conditions in the atmosphere of Hanoi using the meteorological data,” Journal of Science and Technique, Le Quy Don Technical University, ISSN 1859-0209, vol 10, no 02, pp 32-49, 12/2021 [J3] Cong Pham Chi, Xuan Anh Nguyen, “Determination of radio wave propagation conditions in the atmosphere of Hanoi using the radiosonde data of balloons,” Journal of Information & Communications Technology Express, ISSN 2405-9595 (SCIE, Q1), vol 8, no 4, pp 611-617, 2022 [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 and Technology, ISSN 18593097, vol 17, no 4B, pp 1-7, 2017 [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-TheHorizon Routes in the Middle Latitudes,” Journal of Military Science and Technology, ISSN 1859-1043, no 72A, pp 13-21, 2021