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 được giữ lại bởi lực hấp dẫn của trái đất Tầng khí quyển bảo vệ sự sống trên trái đất nhờ sự hấp thụ các bức xạ cực tím của mặt trời, làm nóng bề mặt Trái đất qua hiệu ứng nhà kính và làm giảm sự khác biệt về nhiệt độ giữa ban ngày và ban đêm Tầng khí quyển có khối lượng khoảng 5.10 18 kg, ba phần tư khối lượng này tập trung ở khoảng 11 km tính từ mặt đất Lớp khí quyển càng mỏng khi độ cao càng tăng, không có giới hạn rõ ràng giữa tầng khí quyển và không gian bên ngoài Người ta cũng thường coi độ cao 100 km là ranh giới giữa tầng khí quyển và không gian bên ngoài (đường Kármán)
Hình 1.1 Môi trường truyền dẫn vô tuyến trong khí quyển
Bầu khí quyển có cấu trúc phân lớp thường được chia thành các khu vực riêng biệt (Hình 1.1): tầng đối lưu (troposphere), tầng bình lưu (stratosphere) và tầng điện li (ionosphere) Ngoài ra, còn cách phân chia khác đó là sự có mặt của tầng trung lưu (mesosphere) nằm trên tầng bình lưu rồi mới đến tầng điện li Bên ngoài tầng điện li gọi là ngoại quyển hay tầng ngoài (exosphere)
Tầng đối lưu là tầng dưới cùng của khí quyển trải từ mặt đất lên đến độ cao khoảng 8 – 10 km ở các vĩ tuyến cực, khoảng 10 – 12 km ở các vĩ tuyến trung bình và 16 – 18 km ở miền nhiệt đới Đặc trưng của tầng này đó là các dòng đối lưu của không khí nóng từ bề mặt bốc lên cao và lạnh đi Nhiệt độ của không khí trong tầng đối lưu giảm theo độ cao, thông thường cứ mỗi 100 m nhiệt độ giảm 0,6 °C Trong tầng đối lưu có thể tồn tại các lớp nghịch nhiệt, khi đó nhiệt độ tăng theo chiều cao Không khí trong tầng đối lưu chuyển động theo chiều thẳng đứng và nằm ngang rất mạnh làm cho nước thay đổi cả ba trạng thái, gây ra hàng loạt quá trình thay đổi vật lý Những hiện tượng thời tiết như mưa, mưa đá, gió, tuyết, sương giá, sương mù, v.v đều diễn ra ở tầng đối lưu Đây là khu vực có nhiều biến động, chẳng hạn, nghiên cứu ở [41] chỉ ra tốc độ gió và mật độ năng lượng gió ở cách mặt đất từ 50–200 m có giá trị cao hơn nhiều so với mức gần mặt đất (20 m) cũng như ở gần các vùng ven biển có giá trị cao hơn đáng kể so với đất liền
Hình 1.2 Thành phần không khí khô ở mặt đất (% theo thể tích)
Tầng bình lưu bắt đầu từ biên trên của tầng đối lưu và có phạm vi khoảng 50-60 km Ở đây không khí loãng, nước và bụi rất ít, không khí chuyển động theo chiều ngang là chính, rất ổn định Đặc điểm của tầng này là nhiệt độ hầu như không thay đổi theo độ cao
Tầng điện li tồn tại ở độ cao khoảng từ 60 km đến 1000 km Lớp khí quyển ở tầng này rất mỏng và bị ion hóa rất mạnh chủ yếu là do bức xạ của mặt trời, ngoài ra còn có bức xạ của các vì sao, các tia vũ trụ, chuyển động của các thiên thạch tạo thành một miền bao gồm chủ yếu là các điện tử tự do và các ion
Khí quyển gồm có nitơ (78,1% theo thể tích), ôxy (20,9%) và với một lượng nhỏ argon (0,9%) là một loại khí trơ Ba loại khí trên chiếm 99,96% khí quyển Phần còn lại 0,04% chứa một số thành phần rất quan trọng đối với sự sống và khí hậu của trái đất trong đó có sol khí (aerosol) (Hình 1.2) Sol khí là các hạt rắn, lỏng tồn tại lơ lửng trong không khí như (khói, sương, mù, bụi, v.v.) cú kớch thước cỡ từ vài nanomet (nm) tới hàng chục micromet (àm) Những sol khí có nhiều nguồn gốc khác nhau, có thể là nguồn gốc tự nhiên như từ đất, đại dương, sa mạc, các đám cháy thực vật hoặc cũng có thể do con người tạo ra từ việc đốt các chất thải, nhiên liệu hóa thạch, v.v
Hình 1.3 Tán xạ đàn hồi trên các hạt có kích thước khác nhau với bước sóng kích thích
Do khí quyển tồn tại nhiều thành phần vật chất có cấu tạo dạng hạt với hình dạng và kích thước khác nhau, tán xạ đàn hồi xảy ra trên các hạt được miêu tả tổng quát theo lý thuyết tán xạ Mie – Rayleigh, thông thường được gọi là tán xạ Mie Với trường hợp tán xạ trên phân tử khí, tán xạ Rayleigh là trường hợp đặc biệt khi kích thước của tâm tán xạ rất nhỏ so với bước sóng kích thích, khi đó tán xạ Mie trở về theo quy luật của lý thuyết tán xạ Rayleigh và được gọi là tán xạ Rayleigh hay tán xạ phân tử Hình 1.3 thể hiện sự tương ứng giữa kích thước hạt tán xạ và lý thuyết tán xạ, trong đó as là đường kính hạt và λs là bước sóng kích thích
Sóng vô tuyến có thể truyền từ máy phát đến máy thu theo nhiều cách khác nhau Truyền sóng trong khí quyển trái đất được phân loại thành sóng đất và sóng trời Các hệ thống thông tin, vô tuyến, định vị dẫn đường bị ảnh hưởng nhiều bởi tầng đối lưu và tầng điện li, tầng bình lưu khá ổn định nên ít ảnh hưởng Sóng vô tuyến chính là sóng điện từ có tần số nằm trong khoảng từ 3 Hz ÷ 300 GHz hay bước sóng 10 8 m ÷ 10 -6 m Phổ tần vô tuyến được chia thành các phân đoạn khác nhau dựa vào tính chất vật lý, đặc điểm lan truyền hình thành lên các băng tần (sóng) khác nhau Mỗi băng sóng được ứng dụng cho các hệ thống thông tin khác nhau để đạt được hiệu quả cao nhất Băng sóng cực dài là những sóng có tần số thấp hơn 30 kHz hay có buớc sóng lớn hơn 10 km (bao gồm các băng tần có tên VLF, ULF, SLF, ELF) sử dụng trong vô tuyến đạo hàng, thông tin trong hầm mỏ, thông tin dưới nước Băng sóng dài (LF, 30-300 kHz, 1-10 km) và băng sóng trung (MF, 300-3000 kHz, 100-1000 m) được sử dụng cho thông tin phát thanh nội địa, điều biên; thông tin hàng hải; vô tuyến đạo hàng Băng sóng ngắn (HF, 3-30 MHz, 10-100 m) sử dụng cho phát thanh điều biên cự ly xa, ra-đa ngoài đường chân trời và một số dạng thông tin đặc biệt Băng sóng mét (VHF, 30-300 MHz, 1-10 m) được sử dụng cho phát thanh điều tần và truyền hình Băng sóng decimét (UHF, 300-3000 MHz, 1-10 dm) được sử dụng cho truyền hình, các hệ thống thông tin vi ba số băng hẹp, thông
15 tin di động Băng sóng centimét (SHF, 3-30 GHz, 1-10 cm) được sử dụng cho thông tin vi ba số băng rộng, thông tin vệ tinh Băng sóng milimét (EHF, 30-300 GHz, 1-10 mm) được dùng cho thông tin vũ trụ, ra-đa bắt bám mục tiêu quân sự, quan sát khí tượng với độ phân giải cao
Sóng vi ba hay còn gọi là vi sóng (microwave) được sử dụng nhiều trong lĩnh vực truyền thông, mạng, thiên văn học, kỹ thuật y sinh, v.v Đó là những sóng vô tuyến có bước sóng rất nhỏ, ứng với phạm vi tần số rất cao và có bước sóng vào khoảng từ 30 cm (tần số 1 GHz) đến bước sóng ở vùng hồng ngoại (bước sóng cỡ 1 cm, tần số 30 GHz) Giới hạn trên của phổ tần vi ba thường được lấy là 300 GHz, ứng với bước sóng mm Tín hiệu vi sóng thường được chia thành: tần số cực cao (UHF, tần số siêu cao (SHF) và tần số cực kỳ cao (EHF) Tần số phía trên EHF được gọi là bức xạ terahertz Trong thực tế, các kênh vô tuyến thương mại có phổ tần nằm trong dải 300 MHz đến khoảng 90 GHz, sự phân bố dải tần số này được nêu ở khuyến nghị ITU-R F.746 [72] Chi tiết tên các băng tần và dải tần số được thể hiện ở [22] Dải tần từ 1 GHz đến 40 GHz dùng cho thông tin vệ tinh, được sắp xếp theo các băng tần con có tên là L,
S, C, X, Ku, K, Ka, trong đó các băng tần C, Ku, Ka được sử dụng phổ biến hơn
Hệ thống ra-đa sử dụng băng sóng ở hầu hết các dải tần vô tuyến, bao gồm cả dải tần cho thông tin vệ tinh Hệ thống thông tin di động có xu hướng sử dụng nhiều tài nguyên ở dải tần ngày càng cao do nhu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao
Nói chung, sóng vô tuyến có bước sóng càng ngắn (hay tần số cao) thì sẽ có xu hướng truyền thẳng nhiều hơn, kích thước an-ten nhỏ hơn và cự ly truyền sóng sẽ ngắn hơn nguyên nhân là do hấp thụ phân tử của tầng đối lưu tăng theo tần số [89], suy hao trong quá trình truyền sóng cũng nhiều hơn [66].
Phân tích các phương pháp xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến
Sóng vô tuyến đi qua tầng đối lưu khí quyển bị bẻ cong do sự thay đổi chỉ số khúc xạ trong môi trường truyền sóng Chỉ số khúc xạ vô tuyến có thể được
16 xác định bằng phương pháp đo trực tiếp hoặc gián tiếp [16] [60] Phương pháp trực tiếp bằng việc sử dụng với dụng cụ đo nhạy với vận tốc truyền sóng gọi là máy đo khúc xạ kế tần số vô tuyến hay khúc xạ kế vô tuyến; phương gián tiếp, được đề cập đến trong nội dung nghiên cứu của luận án, liên quan đến phép đo nhiệt độ, áp suất và độ ẩm và chuyển đổi thành chỉ số khúc xạ Sự phát triển của công nghệ đã dẫn đến sự ra đời của các thế hệ máy đo khúc xạ kế theo phương pháp gián tiếp như chỉ số khúc xạ được tính thông qua hàm lượng khí CO2
[108], hay đề xuất đo độ dịch chuyển chính xác dựa trên phép đo giao thoa laser của vật liệu etalon [110] Phương pháp đo chiết suất trực tiếp không dễ thực hiện trong thực tế do nguyên lý đo phức tạp và khối lượng lớn của thiết bị đo, bù lại thì có độ chính xác tốt hơn Do việc thiếu sử dụng phổ biến các máy đo khúc xạ dẫn tới phải sử dụng các loại 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 có khả năng đo độ chính xác cao hơn một bậc so với độ chính xác mà cảm biến khí tượng đạt được Các máy đo khúc xạ đơn giản (light-weight) được phát triển cho các phép đo bằng bóng thám không và ống thả phản xạ độ chính xác thấp hơn so với máy đo khúc xạ thông thường nhưng cũng hơn so với phương pháp đo gián tiếp
Trong nội dung của phần này, đi vào phân tích các phương pháp đo chỉ số khúc xạ tầng đối lưu, bao gồm phương pháp đo trực tiếp [16] [60] và phương pháp đo gián tiếp qua các thông số nhiệt độ, áp suất và độ ẩm nêu trong khuyến nghị ITU-R P.453-14 [73] [77], là cơ sở cho việc lựa chọn phương pháp xác định chỉ số khúc xạ phù hợp cho nội dung nghiên cứu của luận án
1.2.1 Phương pháp xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến
Chỉ số khúc xạ vô tuyến n được định nghĩa là tỉ số giữa tốc độ truyền sóng điện từ trong chân không (hay không gian tự do) co với tốc độ truyền sóng trong môi trường vật chất c được định nghĩa bằng công thức [16] [60]:
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]:
Trong đó: P áp suất khí quyển tổng cộng (hPa), e áp suất hơi (hPa), T nhiệt độ tuyệt đối ( o K) Để đơn giản trong tính toán, công thức (1.3) thường được tính xấp xỉ theo công thức (1.4) với độ chính xác giảm đi, có sai số ở mức dưới 0,02%, ở nhiệt độ nằm trong khoảng -50 o C ÷ +40 o C, theo [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)
[73] đưa ra công thức xác định chỉ số khúc xạ không đề cập đến việc áp dụng cho dải tần số vô tuyến nào cho nên được hiểu là áp dụng cho tất cả các dải tần số Tuy nhiên, phiên bản cũ hơn là ITU-R P.453-10 (2012) [76] chỉ ra công thức xác định độ khúc xạ vô tuyến, công thức (1.4), được áp dụng cho tất cả các tần số vô tuyến; với tần số tới 100 GHz, sai số ít hơn 0,5% Các mô hình về nhiệt độ, áp suất toàn phần, áp suất hơi nước có ở khuyến nghị ITU-R P.835 [79]
Trong điều kiện khí quyển thường, chỉ số khúc xạ vô tuyến có giá trị vào khoảng 1,000350 (n-units), khi đó độ khúc xạ sẽ là 350 (N-units) Giá trị của N thay đổi theo độ cao do áp suất, nhiệt độ và độ ẩm đều thay đổi theo độ cao
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]:
Trong đó: EF là kết quả của phép tính trung gian trong các trường hợp cụ thể là nước (water) hay nước đá (ice) thì có cách xác định khác nhau [73] [77]:
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 nội dung nghiên cứu của luận án, áp dụng với trường hợp là nước để xác định EF Do P (hPa) là áp suất khí quyển tổng cộng, áp suất hơi e (hPa) có thể được tính thông qua mật độ hơi nước 𝜌 (g/m 3 ), nêu ở khuyến nghị [80] Ngoài ra áp suất hơi bão hòa es còn có thể được xác định thông qua nhiệt ẩm tm theo công thức như ở [64] và còn nhiều phương pháp khác xác định áp suất hơi bão hòa es có thể tìm thấy ở [42] Ở khuyến nghị ITU-R P.453 về chỉ số khúc xạ, giá trị chỉ số khúc xạ phụ thuộc vào độ cao và được xác định thông qua hàm lũy thừa cơ số e [73] [77]:
𝑛(ℎ) = 1 + 𝑁 10 exp(−ℎ ℎ⁄ ) (1.7) Ở đây: N0 giá trị trung bình của độ khúc xạ khí quyển so với mực nước biển (độ khúc xạ tham chiếu), h0 độ cao tham chiếu N0 và h0 có thể được xác
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 cấu hình chuẩn (reference profile) có thể được sử dụng để tính toán giá trị của độ khúc xạ Ns ở bề mặt trái đất theo N0 như sau [73] [77]:
𝑁 = 𝑁 exp(−ℎ ℎ⁄ ) (N-units) (1.8) Với: hs (km) là độ cao so với mực nước biển
Sự khác biệt giá trị độ khúc xạ vô tuyến xác định được hay tính toán được bằng công thức (1.3) và giá trị từ mô hình ITU-R P.453 thể hiện độ lệch tuyệt đối so với giá trị mô hình được xác định như sau:
∆𝑁 = 𝑁 − 𝑁 (N-units) (N-units) (1.9) Trong đó: 𝑁 (N-units) là độ khúc xạ tính được ở độ cao h (km) qua các thông số khí quyển là nhiệt độ, áp suất và độ ẩm theo công thức (1.3), 𝑁 (N- units) là độ khúc xạ tính theo công thức hàm lũy thừa từ mô hình của ITU-R P.453, công thức (1.8) Độ lệch tương đối giữa giá trị xác định được hay tính toán được theo công thức (1.3) và giá trị từ mô hình được thể hiện như ở công thức:
Với∆𝑁 (N-units) là độ lệch tuyệt đối so với giá trị mô hình tính theo công thức (1.9), 𝑁 (N-units) là độ khúc xạ tính theo công thức hàm lũy thừa từ mô hình của ITU-R P.453, 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 được đặc trưng bởi một số thông số khác nhau: áp suất, nhiệt độ, độ ẩm, hướng và tốc độ của gió, lượng mưa, bốc hơi, v.v Các thông số này luôn thay đổi, do đó, tầng đối lưu ảnh hưởng nhiều đến cách thức truyền sóng vô tuyến cả trên quy mô không gian và thời gian Do tính không đồng nhất của tầng đối lưu cho nên truyền sóng ở tầng đối lưu có bản chất là truyền sóng khúc xạ, được đặc trưng bởi chỉ số khúc xạ vô tuyến n Nghiên cứu xác định chỉ số khúc xạ n trên đường truyền sử dụng các phương pháp khác nhau có ở 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 đó: 𝜌 bán kính cong của tia sóng, dn/dh biến thiên chỉ số khúc xạ khí quyển theo phương thẳng đứng, h độ cao bề mặt, 𝜑 góc tới của tia sóng so với phương nằm ngang Độ cong của tia sóng 1/𝜌 có giá trị dương là khi chỉ số khúc xạ khí quyển giảm theo độ cao (dn/dh < 0), quỹ đạo tia sóng có bề lõm hướng xuống dưới và được gọi là khúc xạ dương Khúc xạ âm là khi độ cong của tia sóng có giá trị âm, 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:
Do vậy nếu dn/dh là không đổi thì quỹ đạo của tia sóng sẽ là một cung tròn Khi không có hiện tượng khúc xạ khí quyển dn/dh = 0, tức là không có sự biến thiên chỉ số khúc xạ theo phương thẳng đứng, khi đó tia sóng đi thẳng
27 Để xét ảnh hưởng của khúc xạ khí quyền, phương pháp hay dùng là coi cả tia tới trực tiếp và tia phản xạ trên mặt đất đều được truyền theo quỹ đạo thẳng không phải truyền lan trên mặt đất cầu bán kính a mà trên 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 phải thỏa mãn điều kiện 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 Nghĩa là phương trình sau được thỏa mãn:
Hệ số bán kính trái đất hiệu dụng k (hay k-factor) là tỉ số giữa bán kính tương đương hay bán kính hiệu dụng Re với bán kính thực của trái đất a, với k Re/a, công thức (1.17) trở thành:
Với: a bán kính thực của trái đất, Re bán kính trái đất hiệu dụng
Như vậy, từ (1.16) và (1.18) cho thấy độ cong của tia sóng 1/𝜌 cũng như độ cong trái của đất tương đương 1/Re khi tia sóng đi qua tầng thấp của khí quyển trái đất phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của chỉ số khúc xạ khí quyển theo độ cao mà không phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối của nó Lấy bán thực của trái đất 𝑎 ≈ 6370 km thì 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
Từ công thức tính hệ số k, công thức (1.19), cho kết quả như Hình 1.5 là đường cong thể hiện mối quan hệ giữa k và G [50] Ở bề mặt trái đất, độ khúc xạ
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 hay sử dụng để tham chiếu qua lại với nhau đó là G = 314 (k = 0.33), 157 (0.5), 0 (1), -157 (∞), -314 (-1) Ngược lại, các giá trị k và G tương ứng sẽ là k = 1 (G = 0), 4/3 (-40), 2 (-80), ∞ (-157), 0), thể hiện như ở Bảng 1.3 và Bảng 1.4
Khi G < -157 (k < 0) là điều kiện để xảy ra điều kiện khúc xạ ống dẫn Mô-đun khúc xạ hay độ khúc xạ vô tuyến thay thế được tính theo công thức:
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 giống như ánh xạ sang mô hình trái đất phẳng với điều kiện khí quyển có đặc tính M Do đó tham số M hay được sử dụng khi nghiên cứu về điều kiện khúc xạ ống dẫn với mô hình trái đất phẳng Lấy bán kính trái đất a ≈ 6370 km, công thức (1.20) trở thành:
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 biến thiên độ khúc xạ G = -157, giá trị này có giá trị âm trong điều kiện khúc xạ ống dẫn Liên quan đến điều kiện khúc xạ ống dẫn có trong các khuyến nghị của ITU-R P.453 [73]
[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]
Các Hình 1.6, 1.7, 1.8 tổng kết lại các giá trị M, N trong các trường hợp độ dốc khúc xạ khác nhau Ở Hình 1.6, là điều kiện truyền sóng thông thường, độ khúc xạ N giảm theo độ cao (trường hợp độ dốc âm) Nhiệt độ giảm, thay đổi tuyến tính theo độ cao Áp suất và độ ẩm giảm, thay đổi phi tuyến theo độ cao, trong đó 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, là điều kiện truyền sóng bất thường (độ dốc dương) là hiện tượng khúc xạ phụ gây ra nhiễu xạ khi nhiệt độ và độ ẩm thay đổi bất thường, áp suất thay đổi bình thường Còn ở Hình 1.8, là điều kiện truyền sóng bất thường (độ dốc âm) là hiện tượng siêu khúc xạ gây ra đa đường/khúc xạ ống dẫn khi nhiệt độ thay đổi bất thường, áp suất và độ ẩm thay đổi bình thường [89]
Như vậy, chỉ số khúc xạ vô tuyến n (hay độ khúc xạ N) là tham số cơ bản của khí quyển tầng đối lưu, cần phải có Thông qua đó sẽ xác định được các tham số khác là k, G hay M là cơ sở để 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 về khúc xạ khí quyển có vai trò rất lớn trong việc tối ưu hiệu suất của các hệ thống vô tuyến do nó là một trong những yếu tố ảnh hưởng
40 chính đến truyền sóng điện từ trong tầng đối lưu Việc xác định trạng thái khúc xạ khí quyển của các vị trí vào các thời điểm khác nhau trong năm, có tầm quan trọng trong việc thiết kế, phát triển và triển khai hiệu quả các hệ thống thông tin vô tuyến Để đánh giá ảnh hưởng của khí quyển tầng đối lưu đến truyền sóng vô tuyến, cần thực hiện các phương pháp ước lượng chỉ số khúc xạ khí quyển Nghiên cứu về chỉ số khúc xạ đã có từ lâu, tiêu biểu là các công trình ở [16]
[60] Có nhiều phương pháp thực hiện khác nhau để xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến, được chia thành ba loại đó là 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 đều có những đặc điểm riêng, cụ thể: phương pháp trực tiếp sử dụng khúc xạ kế vô tuyến có ưu điểm về độ chính xác, tuy nhiên hạn chế của nó nằm ở số lượng thiết bị quan trắc, thời gian thao tác, không thích hợp với những khu vực rộng hay trong không gian Các phương pháp gián tiếp khắc phục được các hạn chế của phương pháp trực tiếp nhưng có độ chính xác ít hơn Phương pháp sử dụng mô hình toàn cầu nêu trong khuyến nghị của ITU-R P.453 về việc xác định chỉ số khúc xạ [73] [76], cho phép xác định được chỉ số khúc xạ ở bất kỳ độ cao nào, mô hình dựa trên bộ dữ liệu quan trắc trong 5 năm (1955-1959) từ gần 1000 trạm quan trắc bề mặt trên thế giới [73] [76] [77] Phương pháp sử dụng mô hình cho kết quả nhanh, nhưng không mang tính cụ thể cho một khu vực nào Phương pháp viễn thám sử dụng vệ tinh cho phép xác định được độ khúc xạ vô tuyến trong phạm vi toàn cầu với độ chính xác tốt hơn
41 phương pháp sử dụng mô hình toàn cầu của ITU-R, nhưng hạn chế của nó là nguồn dữ liệu có được chưa nhiều, chẳng hạn dữ liệu cắt lớp của vệ tinh COSMIC-1 có dữ liệu từ 2006-2020 Phương pháp sử dụng bóng thám không, là loại số liệu thực tế tại hiện trường phản ánh trạng thái hiện thời của khí quyển, phương pháp này cũng cho phép xác định được giá trị độ khúc xạ vô tuyến, cho nên chính xác hơn phương pháp viễn thám sử dụng vệ tinh Điểm thuận lợi đó là nguồn dữ liệu khí tượng cơ bản, đã có từ lâu Nhưng hạn chế của phương pháp bóng thám không nằm ở số lượng điểm thả bóng, độ cao tối đa và thời điểm thả bóng Cả phương pháp bóng thám không và phương pháp viễn thám sử dụng vệ tinh đều là các phương pháp đắt tiền
Các nghiên cứu liên quan bằng phương pháp thực nghiệm để xác định độ khúc xạ vô tuyến theo phương pháp gián tiếp có ở [29] [46] [58] [103] Phương pháp đo độ ẩm, nhiệt độ và chỉ số khúc xạ vô tuyến ở lớp bề mặt với tần số cao như ở [106] Thời gian gần đây có: Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số khí tượng và hệ số bán kính trái đất hiệu hiệu dụng [105]; Nghiên cứu ước tính độ dốc khúc xạ vô tuyến từ các thông số môi trường cơ bản đo được là nhiệt độ, áp suất và độ ẩm tương đối [104]; Nghiên cứu sự thay đổi của các thông số khí tượng vào độ khúc xạ bề mặt [102]; Nghiên cứu về chỉ số khúc xạ vô tuyến dựa trên dữ liệu đo lường trong 41 năm (1980 đến 2020) từ cơ sở dữ liệu MERRA-2, để tính toán chỉ số khúc xạ được dựa trên khuyến nghị của ITU-R Kết quả nghiên cứu cho thấy tương quan chỉ số khúc xạ được phân thành loại mạnh, loại yếu và không tương quan Lượng mưa, độ ẩm tương đối và áp suất không khí là loại tương quan mạnh, nhiệt độ là tương quan yếu, trong khi tốc độ gió là không tương quan Nghiên cứu cũng đưa ra sự so sánh các biến thể khác nhau của mạng nơ-ron hồi quy để dự đoán chỉ số khúc xạ vô tuyến [101]; Nghiên cứu sự thay đổi theo vĩ độ và theo mùa của độ khúc xạ vô tuyến bề mặt [85]
Phương pháp sử dụng số liệu bóng thám không được sử dụng để xác định
42 phạm vi thay đổi của chỉ số khúc xạ và hệ số bán kính trái đất hiệu dụng [3], nghiên cứu về điều kiện khúc xạ ống dẫn [61], nghiên cứu về điều kiện truyền sóng dị thường ảnh hưởng đến ra-đa thời tiết [18] v.v
Phương pháp đề xuất sử dụng trong luận án này sử dụng số liệu sóng vô tuyến thăm dò hay còn gọi là cắt lớp vô tuyến [54] [55] [56], đây là một phương pháp đo viễn thám Cơ sở vật lý của phương pháp này là mối quan hệ giữa sự thay đổi của thông số tín hiệu (cường độ và tần số) vào giá trị chỉ số khúc xạ Đo khúc xạ theo phương pháp này đã được nghiên cứu từ nhiều năm nay [54] [55] Kết quả đo theo mùa về chỉ số khúc xạ và độ dốc (gradient) theo tín hiệu đài truyền hình, so sánh với bóng thám không cho thấy tính hiệu quả của thiết bị và công nghệ sử dụng (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 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 của phương pháp là sử dụng sóng vô tuyến từ các nguồn sẵn có (các đài truyền hình chẳng hạn) để nghiên cứu trạng thái của khí quyển và từ đó dự báo điều
43 kiện truyền sóng cũng như các hiện tượng thời tiết nguy hiểm Ngoài sử dụng sóng vô tuyến sẵn có trên mặt đất, phương pháp cắt lớp vô tuyến còn được áp dụng với sóng vô tuyến của các vệ tinh như GPS, NOAA, v.v Các đo đạc sử dụng tín hiệu vệ tinh cho phép xác định tổng lượng hơi nước trong tầng đối lưu khí quyển, nghiên cứu mật độ điện tử tầng điện li [45] Thiết bị thu sóng GPS có thể được đặt trên các vệ tinh tầm thấp của trái đất (LEO), thiết bị bay (máy bay, UAV), bóng thám không hoặc ở trạm mặt đất
Mô hình toàn cầu về chỉ số khúc xạ là một mô hình dựa trên các số liệu thống kê, đã có từ lâu, áp dụng được cho mọi vị trí trên bề mặt trái đất ở các độ cao khác nhau Độ khúc xạ là một tham số cơ bản của khí quyển luôn thay đổi các yếu tố môi trường là nhiệt độ, áp suất và độ ẩm Cho nên việc đánh giá khả năng áp dụng mô hình toàn cẩu của ITU-R cho khu vực nhiệt đới, nơi có các mùa trong năm thay đổi rõ rệt như ở nước ta là cần thiết Cùng với đó, do 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, nhất là đối với các hệ thống ra-đa, hệ thống định vị, theo dõi mục tiêu, điều khiển dẫn dường, v.v cho nên, việc nghiên cứu lựa chọn giải pháp công nghệ phù hợp để ước lượng chỉ số khúc xạ vô tuyến và đánh giá được khả năng áp dụng của mô hình toàn cầu cho khu vực này rất đáng được quan tâm
1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Vấn đề truyền sóng trong khí quyển có các giáo trình như [10] [11] [28]
[65] Trong các tài liệu này có trình bày cơ sở lý thuyết về hiện tượng khúc xạ trong tầng đối lưu Các nghiên cứu trong nước liên quan đến vấn đề truyền sóng trong tầng đối lưu còn ít và hạn chế Các tác giả trong nước tập trung chủ yếu vào khai thác các nguồn số liệu đã có của máy thu GPS đặt trên mặt đất hoặc trên vệ tinh tầm thấp để nghiên cứu hơi nước trong khí quyển, đánh giá mật độ điện tử tổng cộng tầng điện li [5] [62] [63] Nghiên cứu sử dụng các nguồn bức
44 xạ vô tuyến điện sẵn có để xác định tham số khí quyển phục vụ dự báo một số hiện tượng thời tiết [9] Hay nghiên cứu sử dụng số liệu COSMIC/FORMOSAT-3 để đánh giá các chỉ số đối lưu trong khí quyển [8], nghiên cứu về điều kiện truyền sóng tầng đối lưu theo hướng này là chưa có
Liên quan đến đường truyền đã có một số nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng thông tin vệ tinh quốc tế Việt Nam [91] hay nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hệ số suy giảm của môi trường truyền sóng thông tin di động dải tần 900 MHz [23] Bước đầu nghiên cứu mô phỏng suy hao tín hiệu vô tuyến do mưa, từ đó đưa ra một số nhận xét phục vụ cho việc thiết kế các tuyến truyền dẫn vi ba mặt đất tầm nhìn thẳng (LOS) phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam [68] Hay như nghiên cứu về thuật toán ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến, cải tiến một số thuật toán để nâng cao độ phân giải, tính chính xác trong ước lượng các tham số của tín hiệu nhằm nâng cao dung lượng và chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến; đề xuất giải pháp cảm nhận phổ không sử dụng thông tin trạng thái kênh CSI nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng phổ và đề xuất kiến trúc máy thu mới nhằm nâng cao chất lượng ước lượng hướng sóng tới DOA trong các hệ thống thông tin và định vị vô tuyến [71]
Kết luận Chương 1
Trong Chương 1 trình bày khái quát ảnh hưởng của khí quyển trái đất, chủ yếu là tầng đối lưu, đến lan truyền sóng vô tuyến và các ứng dụng các dải băng tần trong thực tế Nội dung tiếp theo đã đi sâu phân tích chỉ số khúc xạ vô tuyến là tham số có ảnh hường rất lớn đến truyền sóng tầng đối lưu Phương pháp đo trực tiếp giá trị này tuy có độ chính xác cao hơn bằng việc sử dụng khúc xạ kế, nhưng khó có thể thực hiện trên thực tế với các lý do kinh tế-kỹ thuật (kinh phí cao, bảo trì, bảo dưỡng khó khăn) Việc quan trắc gián tiếp có thể thực hiện được bằng phương pháp là 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
46 phép xác định chỉ số khúc xạ theo chiều cao, phương pháp này cũng có nhược điểm là chỉ thực hiện được ở trên đất liền và trong ngày tại một điểm chỉ có khoảng 3 lần/ngày Phương pháp cắt lớp vô tuyến dùng vệ tinh là phương pháp tương đối mới và cho phép xác định ở nhiều địa điểm kể cả trên biển đem lại nhiều lợi thế cho việc xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến
Luận án đặt ra mục tiêu đánh giá được quy luật biến đổi của điều kiện truyền sóng tầng đối lưu qua việc phân tích đặc điểm chỉ số khúc xạ theo thời gian dựa trên số liệu bóng thám không và cắt lớp vô tuyến tại khu vực Hà Nội, phân tích so sánh với mô hình chỉ số khúc xạ nêu ở khuyến nghị ITU-R P.453 Đây là các nội dung được thực hiện ở 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
Theo nghĩa rộng, viễn thám (Remote Sensing) là môn khoa học nghiên cứu việc đo đạc, thu thập thông tin về một đối tượng, sự vật bằng cách sử dụng thiết bị đo qua tác động một cách gián tiếp (ví dụ như qua các bước sóng ánh sáng) với đối tượng nghiên cứu Viễn thám không chỉ tìm hiểu bề mặt của trái đất hay các hành tinh mà nó còn có thể thăm dò được cả trong các lớp sâu bên trong Trên trái đất, người ta có thể sử dụng máy bay dân dụng, chuyên dụng hay các vệ tinh nhân tạo để thu phát các ảnh viễn thám
Chương này trình bày về phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh, cũng là một kỹ thuật viễn thám Phương pháp này có nhiều ưu điểm như vùng phủ rộng, độ chính xác cao, luôn khả dụng và trong mọi điều kiện thời tiết Dữ liệu cắt lớp vô tuyến cho phép xác định được cấu trúc không gian của chỉ số khúc xạ để xác định điều kiện truyền sóng trong khí quyển Tuy nhiên phương pháp này lại không thích hợp ở độ cao thấp của tầng đối lưu do có mặt của các tham số địa hình, khi mà một lượng đáng kể hơi nước có mặt, có thể xảy ra hiện tượng đa đường trong khí quyển làm ảnh hưởng đến kết quả của phép đo [82]
Do đó cần thiết phải sử dụng thêm phương pháp khác, cụ thể là phương pháp bóng thám không để hỗ trợ thêm cho phương pháp cắt lớp vô tuyến Ở Phụ lục
2, mục 2.1 và Phụ lục 3, mục 3.2.1 trình bày cơ chế thu thập, cấu trúc và lưu trữ dữ liệu cắt lớp phục vụ nghiên cứu xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển
Xác định độ khúc xạ vô tuyến và cấu trúc không gian của nó ở khí quyển tầng đối lưu đóng 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 (số liệu profile
48 ẩm, ở level2) của vệ tinh COSMIC-1 các năm 2014-2016 để 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 đã tồn tại từ lâu là một phần của sứ mệnh thám hiểm vũ trụ của NASA [32] [51] Áp dụng kỹ thuật này ở khí quyển trái đất sử dụng tín hiệu GPS được phát triển sau đó [34] [98] và được chứng minh lần đầu tiên bằng thử nghiệm với GPS/MET vào năm 1995 [95] Tiềm năng của kỹ thuật này đã tạo ra rất nhiều sự quan tâm từ một số ngành bao gồm khí tượng học, khí hậu học và vật lý tầng điện li
Phương pháp cắt lớp vô tuyến được đề cập ở đây nghiên cứu bề mặt và khí quyển của trái đất sử dụng tín hiệu hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu Nguyên lý của phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh định vị dựa vào hiện tượng khúc xạ trong khí quyển, xảy ra khi tín hiệu GPS/GNSS đi qua bầu khí quyển trái đất và được thu bởi vệ tinh quỹ đạo trái đất thấp LEO ở bên dưới đường chân trời [47] [52] [92] Trong giai đoạn này, góc bị uốn cong (bending angle) của tín hiệu được coi là tham số quan trọng để hệ thống đồng hóa (assimilation systems) hoạt động Các đặc tính khí quyển tức thời có được thông qua góc bị uốn cong này là để xác định biến thiên theo phương thẳng đứng chỉ số khúc xạ theo đường tín hiệu Biến thiên theo phương thẳng đứng có mối quan hệ với các tham số khí quyển là nhiệt độ, áp suất tổng cộng, áp suất thành phần hơi nước và mật độ điện tích Phương pháp cắt lớp vô tuyến có một đặc điểm là vùng phủ rộng, độ chính xác cao, khả dụng trong mọi điều kiện thời tiết, độ hội tụ số liệu cao giữa các nhiệm vụ không gian và các vệ tinh khác nhau [96]
Hiện nay nhiều vệ tinh quỹ đạo trái đất thấp LEO được phóng lên quỹ đạo để thu thập dữ liệu cắt lớp 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), ACE+ (Châu Âu) v.v
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 thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý Đó là một hệ thống đa mục đích có khả năng hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, phạm vi toàn cầu được sử dụng trong các ứng dụng định vị, điều hướng, khảo sát và nhiều ứng dụng khác [19] Phần không gian của hệ thống GPS bao gồm một chùm 24 vệ tinh và 3 vệ tinh dự phòng trên quỹ đạo quanh trái đất, cách mặt 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 vệ tinh liên tục phát quảng bá với tần số sóng mang ở băng tần L chủ yếu là L1 (1.57542 GHz ~19 cm), L2 (1.22760 GHz ~24.4 cm) và L5 (1.11765 GHz ~26.8 cm) trong đó L5 chưa chính thức Bao gồm nhiều mã (code) khác nhau cụ thể: C/A (loại thô), P (loại tinh) và cho thông tin hàng hải Ngoài ra còn có tín hiệu mã M (cho quân sự) và loại L1C/L2C (cho dân sự, L2C chưa chính thức) như ở Hình 2.1
Hình 2.2 Phương pháp cắt lớp vô tuyến (1) trạng thái bắt đầu bị che khuất khi đường truyền vô tuyến giữa GPS và LEO đi vào tầng cao của khí quyển (2) tia sóng nằm sâu trong khí quyển, nó bị uốn cong do gia tốc trọng trường
Phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh là phương pháp dựa vào việc vệ tinh khí tượng ở quỹ đạo trái đất thấp (LEO) theo dõi tín hiệu phát ra từ vệ tinh định vị GPS ở hai băng tần L1 và L2 khi nó 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 của vệ tinh định vị di chuyển qua bầu khí quyển trái đất tới máy thu bị trễ và bị uốn cong do gia tốc trọng trường (Hình 2.2) Trong suốt khoảng
51 thời gian bị che khuất (~ 3 phút), vệ tinh khí tượng thu được tín hiệu ở các độ cao tối thiểu khác nhau, quét qua bề mặt của trái đất Tạo ra các lát cắt theo chiều dọc của khí quyển (Hình 2.3) Các bộ thu hiện đại có thể thu được nhiều lát cắt hơn ở các độ cao khác nhau (tùy thuộc vào cấu hình) Tốc độ lấy mẫu trên thực tế có thể đạt tới 3000 tia sóng hoặc có thể lớn hơn trong khoảng thời gian này Dựa vào tín hiệu thu được sẽ xác định các tham số khí quyển theo đường truyền Tính toán dữ liệu có được từ sự che khuất là một lớp dữ liệu đặc trưng (profile) theo chiều dọc bao gồm chỉ số khúc xạ, nhiệt độ, áp suất, hơi nước, độ cao và mật độ điện tích ở tầng điện li
Thống kê dữ liệu đặc trưng trong ngày của một số vệ tinh LEO có thiết bị thu sóng GPS sử dụng phương pháp cắt lớp vô tuyến phổ biến hiện nay như ở 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
Trong thực tế, còn có các biến thể khác đã triển khai thành công phương pháp cắt lớp vô tuyến đó là sử dụng thiết bị thu sóng GPS đặt trên máy bay [36]
[39] hay sử dụng bóng thám không [35] để xác định các lớp dữ liệu đặc trưng trong khí quyển với nguyên lý tương tự mặc dù ứng dụng chính ban đầu của phương pháp này là các máy thu nằm trong không gian Ở khí quyển tầng đối lưu, các bước tính toán các thông số khí quyển được minh họa như ở Hình 2.4 Với giả định rằng các tín hiệu s1 ở băng tần L1 (được
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
Cách tiếp cận của kỹ thuật cắt lớp theo phươmg pháp quang hình học thể hiện như ở Hình 2.5 Các nghiên cứu đã cho thấy phương pháp cắt lớp cho kết quả tốt ở tầng trên của khí quyển Tuy nhiên ở tầng thấp của khí quyển đối lưu, khi mà một lượng đáng kể hơi nước có mặt, có thể xảy ra hiện tượng đa đường, làm ảnh hường không tốt đến kết quả [82]
Hình 2.5 Các góc và các tham số được sử dụng ở kỹ thuật cắt lớp vô tuyến
Hơn nữa cùng với ảnh hưởng của các yếu tố địa hình ở tầng thấp của khí quyển cũng làm cho phương pháp cắt lớp vô tuyến trở nên ít chính xác hơn ở các độ cao thấp Ngoài ra cần phải biết chính xác quỹ đạo của vệ tinh GPS và LEO, điều này có được bằng mạng trạm mặt đất và tất cả các vệ tinh GPS khác Chi tiết cách thực hiện và tác động của hiệu chỉnh ở [37] [49]
Trong khí quyển hình cầu, góc uốn cong có thể biểu thị bằng công thức [49]:
Trong đó: r là khoảng cách từ tâm đến đường cong tia sóng, ar là tham số ảnh hưởng và tích phân được lấy từ phần khí quyển bên trên bán kính ở độ cao tiếp tuyến rt Lấy x = nr gọi là bán kính khúc xạ (đó là tích của chỉ số khúc xạ và bán kính cong tia sóng), phương trình trên có thể đảo ngược lại thông qua hàm chuyển Abel và n(r) có thể được tính thông qua hàm lũy thừa [32]:
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 bao gồm các vệ tinh quan trắc khí tượng, tầng điện li và khí hậu (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate-1) hay còn gọi là COSMIC-1, là chương trình không gian hợp tác giữa Đài Loan (Trung Quốc) và Mỹ triển khai năm 4/2006 với việc đưa 6 quả vệ tinh lên quỹ đạo tầm thấp trái đất ở độ cao 700-800 km
Hình 2.6 Các bước xác định điều kiện truyền sóng sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến Ở các vệ tinh này lắp thiết bị thu tín hiệu GPS Trên cơ sở xử lý số liệu GPS thu được, các thông số trong khí quyển tầng đối lưu của trái đất sẽ được tính toán như ở Hình 2.4 Dữ liệu cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh cho phép xác định được cấu trúc không gian của chỉ số khúc xạ nên sẽ được nghiên cứu áp
57 dụng để xác định điều kiện truyền sóng trong khí quyển Trình tự các bước xác định các tham số khí quyển trên đường truyền và điều kiện truyền sóng như mô tả ở Hình 2.6
Nguồn dữ liệu sử dụng trong nội dung nghiên cứu ở đây là của vệ tinh COSMIC-1 do CDAAC - Trung tâm lưu trữ và phân tích dữ liệu COSMIC phân phối, yêu cầu phải đăng ký [24] Đây là trung tâm dữ liệu viễn thám lớn ở Đài Loan (Trung Quốc) cung cấp dữ liệu cắt lớp của các nhiệm vụ không gian COSMIC-1, COSMIC-2 và một số nhiệm cụ không gian khác nữa như MetOp, GRACE, SACC, GPSMET, KOMPSAT5RT, v.v Việc thu thập dữ liệu được thực hiện như ở Phụ lục 3, mục 3.2.1 Với phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh, ở độ cao thấp của tầng đối lưu nhiễu gây ra do sự có mặt của một lượng đáng kể hơi nước có thể gây ra hiện tượng đa đường trong khí quyển, cùng với đó là ảnh hưởng của các tham số địa hình cũng là nguyên nhân ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu thu và các tính toán sau này Xử lý dữ liệu để loại bỏ các dữ liệu không phù hợp, chẳng hạn những dữ liệu không tồn tại (missing value) được gán cho giá trị là -999 thì cần thiết phải loại bỏ Dữ liệu cắt lớp khu vực Hà Nội được định nghĩa là dữ liệu có kinh độ, vĩ độ nằm xung quanh vị trí 21.01 o N độ vĩ bắc và 105.80 o E độ kinh đông, trong phạm vi bán kính 2 o kinh vĩ Cấu trúc không gian của độ khúc xạ vô tuyến là giá trị độ khúc xạ vô tuyến trong không gian có chứa các yếu tố về vị trí là kinh độ, vĩ độ và cao độ Trên cơ sở xác định được cấu trúc không gian của chỉ số khúc xạ sẽ xác định được các tham số khí quyển và điều kiện truyền sóng
Dữ liệu thu thập được là dạng file nén (tar file - định dạng file trên hệ thống Unix-based) được lưu trong thư mục của từng năm với tổng dung lượng gần 85 GB Trong một file dữ liệu thu thập có nhiều file profile ẩm (wetPrf) từ các vệ tinh khác nhau Số liệu profile ẩm có định dạng là netCDF [67] Đây là định dạng dữ liệu khoa học mở, tự mô tả, cho phép lưu trữ dữ liệu nhiều chiều
Sử dụng câu lệnh ncdump (ở hệ điều hành linux) cho phép xem được cấu trúc và dữ liệu có trong file netCDF [33] Chẳng hạn với file dữ liệu cắt lớp là wetPrf_C001.2014.121.00.02 G27_2014, sử dụng câu lệnh như sau: ncdump -h wetPrf_C001.2014.121.00.02.G27_2014 (2.7) kết quả là xem được các trường dữ liệu của dữ liệu cắt lớp có trong một file profile ẩm (Hình 2.7)
Hình 2.7 Các trường dữ liệu cắt lớp trong file profile ẩm
Bao gồm các thông số: độ cao so với mực nước biển (MSL_alt) từ 0,1 km đến 39,9 km, khoảng cách giữa mỗi lớp dữ liệu là 0,1 km; vĩ độ (Lat); kinh độ (Lon); độ khúc xạ vô tuyến (Ref) có thể được tính từ các thông số áp suất (Pres), nhiệt độ (Temp), độ ẩm tương đối (Vp) như ở công thức (1.3) và một số trường
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 gồm các tọa độ trong không gian và giá trị của độ khúc xạ vô tuyến được xác định như sau:
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
Từ dữ liệu profile ẩm, dựa vào thông tin về tọa độ vĩ (Lat) và tọa độ kinh (Lon) sẽ xác định được dữ liệu cắt lớp cho khu vực Hà Nội Đó là, với một điểm trên trái đất có vị trí là X (Xlat, Xlon) được xác định là nằm ở khu vực Hà Nội, trong phạm vi bán kính 2 o khi điều kiện sau thỏa mãn:
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
Sau đó sử dụng kết hợp với thông tin về độ cao (MSL_alt) và độ khúc xạ (Ref) sẽ xây dựng được mô hình không gian của độ khúc xạ vô tuyến cho khu vực Hà Nội theo như (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:
Với: 𝑁 (N-units) là độ khúc xạ thứ j ở độ cao hi (km), hi là giá trị của cao độ Alt từ 0,1 - 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
Như vậy, từ việc thu thập dữ liệu cắt lớp sẽ tính được độ khúc xạ N(h), sau đó xác định được độ dốc khúc xạ G(h) và hệ số bán kính trái đất hiệu dụng k(h) là cơ sở để xác định 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 mang đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa chia thành bốn mùa rõ rệt trong năm là xuân, hạ, thu, đông Tính toán trong phạm vi bán kính 2 0 kinh vĩ xung quanh vị trí 21.01 o N độ vĩ bắc và 105.80 o E độ kinh đông, theo như công thức (2.9), số ngày có dữ liệu cắt lớp vô tuyến quét qua khu vực Hà Nội được thể hiện ở 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)
62 Độ khúc xạ vô tuyến được xác định dựa trên số liệu ở Bảng 2.3, phạm vi giá trị độ khúc xạ vô tuyến trung bình các năm 2014-2019 có dữ liệu cắt lớp ở khu vực Hà Nội như ở Bảng 2.4 Độ khúc xạ vô tuyến có giá trị nhỏ ở độ cao lớn và ngược lại có giá trị lớn ở các độ cao thấp Ở độ cao gần 40 km, phạm vi giá trị độ khúc xạ vô tuyến là 0,89-1,32 N-units, ở độ cao thấp 0,1 km giá trị này trong phạm vi là 330-368 N-units, chênh lệch giá trị lớn nhất độ khúc xạ vô tuyến ở các năm 2014-2016 không quá 11 N-units, nếu tính cả các năm 2017-
2019 thì giá trị này lên tới 38 N-units nguyên nhân là do các năm 2017-2019 có ít dữ liệu cắt lớp ở các độ cao thấp tại khu vực Hà Nội mà độ khúc xạ vô tuyến lại có giá trị lớn ở các độ cao thấp cho nên giá trị cao nhất độ khúc xạ vô tuyến các năm 2017-2019 thấp hơn các năm khác Giá trị thấp nhất độ khúc xạ vô tuyến ở các năm là nhỏ, không có sự thay đổi nhiều, xung quanh mức 1 N-units
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 trình bày về phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh và giải pháp nghiên cứu sử dụng số liệu cắt lớp của vệ tinh COSMIC-1 để ước lượng độ khúc xạ vô tuyến và xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển tầng đối lưu khu vực Hà Nội Giải pháp có ưu điểm là sử dụng được nguồn số liệu cắt lớp sẵn có trong thời gian dài, tin cậy, miễn phí, với một chi phí hợp lý Phù hợp với điều kiện kinh tế, công nghệ ở trong nước Giải pháp cho kết quả nhanh, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao
Nội dung nghiên cứu ở đây đã chỉ ra được 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 xác định độ khúc xạ từ phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh được đem đối sánh với dữ liệu từ mô hình ITU-R để đánh giá độ chính xác của mô hình Tuy nhiên cần có sự đối sánh với các phương pháp khác để kiểm chứng các kết quả trên
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 một loại bóng bay được dùng để mang theo thiết bị đo các yếu tố khí tượng theo độ cao như áp suất khí quyển, nhiệt độ, độ ẩm và gió (hướng và tốc độ) Hành trình của bóng thám không thường kéo dài khoảng
2 giờ, thực hiện các phép đo cơ bản từ ngay trên mặt đất đến độ cao lên tới 35 km hoặc có thể hơn tùy điều kiện thời tiết và lượng khí bơm vào, tầm xa có thể đạt được vài trăm km tùy theo tốc độ gió Các kết quả đo sẽ gửi trở lại thiết bị theo dõi trên mặt đất cứ sau một đến hai giây bằng sóng vô tuyến Bóng thám không hoạt động giống như một trạm quan trắc trên không, được gắn vào các quả bóng, bay tự do và được thả từ gần 900 địa điểm trên toàn thế giới Hơn hai phần ba địa điểm trong số này quan sát ở thời điểm 00Z (+7 GMT) và 12Z (+19 GMT) và có khoảng 100 đến 200 điểm thực hiện quan sát một lần mỗi ngày Ngoài ra có những điểm cần đo bổ sung sẽ thực hiện ba lần một ngày Thời điểm
71 thả bóng thám không trong ngày, số lượng các tham số quan trắc khí quyển và chia sẻ dữ liệu được tuân theo quy định của Tổ chức khí tượng Thế giới (WMO)
Hình 3.1 là hình ảnh một quả bóng thám không mang thiết bị đo các thông số khí quyển tại Trạm khí tượng cao không Tân Sơn Hòa (Nhà Bè, Thành phố Hồ Chí Minh) 2
Hình 3.1 Bóng thám không mang thiết bị đo các thông số khí quyển
Nước ta có 5 điểm thả bóng thám không lần lượt ở Điện Biên Phủ (mã ICAO là 48811), Hà Nội (VVNB, 48820), Bạch Long Vỹ (48839), Vinh (VVVH, 48845), Đà Nẵng (48855), TP Hồ Chí Minh (VVTS, 48900) do Tổng cục Khí tượng Thủy văn - Bộ Tài nguyên và Môi trường tổ chức thực hiện và quản lý Tại Hà Nội, bóng thám không được thả hai lần trong ngày vào các thời điểm 00Z (+7GMT) và 12Z (+19GMT) từ địa điểm Đài khí tượng cao không (Láng Thượng, Đống Đa, Hà Nội)
2 Thả bóng khủng lên trời Sài Gòn mỗi ngày để đo thời tiết, https://video.vnexpress.net/tin-tuc/nhip- song/tha-bong-khung-len-troi-sai-gon-moi-ngay-de-do-thoi-tiet-
3674821.html?_gl=1*u1v66s*_gcl_au*MjMzNTc3NzUzLjE2ODg1NDExNDc
Thông qua các thông số khí quyển quan trắc được là áp suất, nhiệt độ và độ ẩm sẽ xác định được chỉ số khúc xạ theo phương pháp gián tiếp Số liệu bóng thám không cho phép xác định được cấu trúc không gian của độ khúc xạ vô tuyến cho nên sẽ được sử dụng trong nội dung nghiên cứu ở đây.
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 của bóng thám không cho khu vực Hà Nội có thể được lấy từ Tổng cục Khí tượng Thủy văn - Bộ Tài nguyên và Môi trường Trong nội dung nghiên cứu của luận án, số liệu được lấy từ trang Web của đại học Wyoming [90], đây là nơi cung cấp số liệu của hầu hết các điểm thả bóng ở khắp nơi trên thế giới Với phương pháp bóng thám không, ở giai đoạn đầu thả bóng, do sự thay đổi độ cao đột ngột, các cảm biến đo các thông số khí quyển có độ trễ là nguyên nhân dẫn đến sự xuất hiện của các bộ dữ liệu không mong muốn Xử lý dữ liệu để loại bỏ các dữ liệu không phù hợp, chẳng hạn những độ cao bị thiếu thông tin về nhiệt độ, độ ẩm hay áp suất khí quyển, thì sẽ phải bị
73 loại bỏ Xác định độ khúc xạ theo phương pháp gián tiếp như ở công thức (1.3) Cấu trúc không gian của độ khúc xạ vô tuyến là giá trị độ khúc xạ vô tuyến trong không gian có chứa các yếu tố về vị trí là kinh độ, vĩ độ và cao độ
Số liệu bóng thám không sử dụng trong nội dung nghiên cứu này là của trạm Hà Nội (mã VVNB), có thể tìm thấy ở trang Web của đại học Wyoming
[90] Ở Phụ lục 2, mục 2.2 và Phụ lục 3, mục 3.2.2 trình bày cơ chế thu thập, cấu trúc và lưu trữ dữ liệu bóng thám không phục vụ nghiên cứu xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển
Dữ liệu ngày có định dạng là CSV tương ứng với hai thời điểm thả bóng trong ngày là hai file dữ liệu Dữ liệu ngày được lưu trong thư mục của từng năm Thu thập số liệu trong khoảng thời gian từ 1990-2020 và thống kê số liệu trong các năm như ở Bảng 3.1 Trong nội dung nghiên cứu ở đây sử dụng số liệu của các năm 2016-2018 do có đầy đủ dữ liệu nhất Các năm 1994-1998 không có dữ liệu, các năm 2001-2015 có rất ít dữ liệu, các năm 1990-1993 và 1999-
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
Các trường dữ liệu có trong một file CSV lưu phần số liệu quan trắc bằng bóng thám không có cấu trúc như ở Hình 3.2 Dữ liệu thông số bao gồm độ cao (HGHT) tính từ bề mặt trái đất đến 20 km (độ cao so với mực nước biển), ở mỗi
74 độ cao độ khúc xạ vô tuyến được tính thông qua áp suất (PRES), nhiệt độ (TEMP), độ ẩm tương đối (RHLH) như ở công thức (1.3) Ngoài ra còn các thông tin khác liên quan đến hướng gió, điểm sương, v.v Do dữ liệu thu thập được là các lớp dữ liệu đặc trưng (profile) ở các độ cao khác nhau, cho nên dữ liệu bóng thám không cũng có thể được xem là một dạng dữ liệu cắt lớp Chi tiết về dữ liệu và các trường dữ liệu trong file CSV có 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
Như ở Hình 3.2, trường độ cao (HGHT) gồm có nhiều độ cao quan sát khác nhau, khoảng cách giữa các độ cao không cố định Do vậy cần tiến hành xử lý dữ liệu và chuyển về các độ cao cách đều nhau là 0,1; 0,2; 0,3; … đến 20 km theo phương pháp trung bình trượt Ở mỗi độ cao, độ khúc xạ vô tuyến được xác
75 định gián tiếp thông qua áp suất, nhiệt độ và độ ẩm tương đối theo như cách ở trên, công thức (1.3)
Chi tiết về cách tính N(h), G(h) và k(h) giống như đã nêu ở mục 2.2.1 Như vậy, bằng việc sử dụng dữ liệu bóng thám không cho phép xác định được chỉ số khúc xạ và đặc điểm lan truyền sóng vô tuyến trong khí quyển
3.2.2 Kết quả đạt được và phân tích đánh giá
Tính toán độ khúc xạ vô tuyến cho 5 năm gần nhất tính đến thời điểm công bố bài báo [J2], năm 2021, kết quả như ở Bảng 3.2 Cho thấy, độ khúc xạ vô tuyến có giá trị nhỏ ở độ cao lớn và ngược lại có giá trị lớn ở các độ cao thấp Ở độ cao gần 20 km, giá trị độ khúc xạ nằm trong dải 38-41 N-units, ở độ cao thấp 0,1 km giá trị này trong phạm vi 365-370 N-units Trong các năm 2016-
2020, độ khúc xạ vô tuyến nằm trong khoảng từ 38-370 N-units Chênh lệch giá trị trung bình cao nhất độ khúc xạ vô tuyến giữa các năm không quá 4 N-units, trong khi đó chênh lệch giá trị trung bình thấp nhất độ khúc xạ vô tuyến ở mức chưa đến 3 N-units Riêng trong các năm 2016-2018, sự khác biệt độ khúc xạ vô tuyến rất nhỏ, cụ thể, chênh lệch ở giá trị cao nhất độ khúc xạ vô tuyến không quá 1 N-units Trong năm 2016, là năm duy nhất có cùng dữ liệu năm, khi so sánh với dữ liệu cắt lớp sử dụng vệ tinh COSMIC-1 như ở Chương 2, ở cùng độ cao 0,1 km thì giá trị của độ khúc xạ vô tuyến bằng phương pháp thám không (368,49 N-units) lớn một lượng gần 12 N-units so với phương pháp cắt lớp vô tuyến (356,65 N-units) như ở 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 tính toán phân bố độ khúc xạ vô tuyến theo các tháng trong các năm 2016, 2017, 2018 như ở Hình 3.4, 3.5, 3.6 Thể hiện phân bố độ khúc xạ theo các tháng trong năm, độ cao tối đa thường ở mức 17 km, riêng tháng 1/2018 độ cao tối đa của bóng thám không ở mức gần 20 km, điều này được giải thích có thể là do loại bóng được sử dụng hoặc lượng khi bơm vào có sự khác nhau cho nên trần độ cao khác nhau Dù vậy các đường cong đều thể hiện giá trị độ khúc xạ có xu hướng giảm khi độ cao tăng
Biến thiên độ khúc xạ vô tuyến trung bình theo độ cao như ở Hình 3.7, 3.8, 3.9 với đường nét liền (bên trên) là kết quả đo bóng thám không, đường nét đứt (bên dưới) là giá trị theo mô hình chuẩn của ITU-R, công thức (1.8) Thể hiện độ khúc xạ vô tuyến của từng năm, với đường nét liền thể hiện độ khúc xạ tính toán được, đường nét đứt là giá trị tính theo mô hình của ITU Nhận thấy, độ khúc xạ vô tuyến của các năm khá tương đồng, độ khúc xạ vô tuyến giảm theo độ cao và lớn hơn độ khúc xạ tính theo mô hình Khi độ cao tăng giá trị độ khúc xạ tính toán được tiến gần đến giá trị độ khúc xạ theo mô hình Năm 2018, ở độ cao gần 20 km, độ khúc xạ tính toán được và giá trị theo mô hình gần giống nhau
Sự khác biệt giá trị độ khúc xạ vô tuyến tính toán được và giá trị mô hình ITU-R như ở công thức (1.8) thể hiện độ lệch tuyệt đối so với giá trị chuẩn Độ lệch giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến trung bình sử dụng phương pháp bóng thám không với giá trị theo mô hình ITU-R P.453, tính theo công thức (1.9), cho kết quả như ở Hình 3.10, 3.11, 3.12 Thể hiện sự sai khác giữa độ khúc xạ tính toán được so với giá trị mô hình từ ITU-R P.453 Kết quả cho thấy rằng sự sai khác luôn có giá trị dương do giá trị theo mô hình ít hơn giá trị tính toán được, sự sai khác không đều ở các độ cao khác nhau, độ khúc xạ vô tuyến gần giống với giá trị trong mô hình chuẩn ở các độ cao lớn thể hiện ở giá trị sai khác ít, ở độ cao nhỏ sự khác biệt tăng nhanh Ở độ cao trên 5 km, sự khác biệt giữa giá trị
78 tính toán được và giá trị từ mô hình ở mức dưới 20 N-units, ở độ cao tới 20 km sự khác biệt này chỉ ở mức 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 sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến và số liệu bóng thám không Ở các nội dung trước đã đề xuất giải pháp xác định điều kiện truyền sóng bằng việc sử dụng số liệu thực nghiệm theo các phương pháp khác nhau Phần này sử dụng phương pháp xác định gián tiếp độ khúc xạ bằng vô tuyến bằng việc sử dụng đồng thời số liệu cắt lớp vô tuyến (số liệu profile ẩm, ở level2) của vệ tinh COSMIC-1 và số liệu thám không cũng như đối sánh kết quả của hai phương pháp trên để xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển
Trên cơ sở có được dữ liệu bóng thám không và dữ liệu cắt lớp vô tuyến của vệ tinh COSMIC-1 thu thập được ở khu vực Hà Nội như ở Phụ lục 3, mục 2.2.1 và 2.2.2, kết quả tính toán các tham số khí quyển dựa trên số liệu trung bình trong khoảng thời gian quan sát được sử dụng để làm cơ sở đối sánh hai phép đo trên Cụ thể sử dụng số liệu COSMIC-1 các năm 2014-2016 và số liệu bóng thám không các năm 2016-2018 do ở trong các khoảng thời gian này 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
Từ kết quả tính toán phạm vi độ khúc xạ vô tuyến trung bình Bảng 2.4 (đối với số liệu COSMIC-1) và Bảng 3.2 (đối với số liệu bóng thám không), thì trong các năm 2016-2019, có cả dữ liệu COSMIC-1 và dữ liệu thám không thì độ khúc xạ vô tuyến trung bình lớn nhất bằng phương pháp bóng thám không luôn lớn hơn phương pháp cắt lớp vô tuyến Cụ thể năm 2016 chênh lệch giá trị lớn nhất độ khúc xạ vô tuyến là 11,84 N-units Độ chênh giá trị đo các năm tiếp theo như sau: 15,96 N-units (2017), 38,5 N-units (2018), 19,81 N-units (2019) Tính trung bình trong các năm sử dụng dữ liệu để khảo sát đối với thám không (2016-2018) và đối với cắt lớp vô tuyến (2014-2016) thì độ chênh giá trị lớn nhất độ khúc xạ là 6,32 N-units
Kết quả tính toán biến thiên độ khúc xạ vô tuyến trung bình theo độ cao như ở Hình 3.26, 3.27 với đường nét liền (bên trên) là kết quả đo xác định gián tiếp độ khúc xạ vô tuyến, đường nét đứt (bên dưới) là giá trị tính theo mô hình chuẩn của ITU-R, công thức (1.8)
Hình 3.26 Độ khúc xạ vô tuyến
Hình 3.27 Độ khúc xạ vô tuyến
(COSMIC-1) Đường cong thể hiện sự phụ thuộc độ khúc xạ vô tuyến vào độ cao của hai phương pháp thám không và cắt lớp vô tuyến khá tương đồng, gần giống và hơi lớn hơn với giá trị tính theo mô hình chuẩn của ITU-R, đó là độ khúc xạ vô
86 tuyến giảm dần theo độ cao Độ khúc xạ vô tuyến gần giống với giá trị ở mô hình chuẩn đối với các độ cao lớn Trong phạm vi khí quyển tầm thấp khí quyển giá trị độ khúc xạ vô tuyến tính toán được lớn hơn so với giá trị ở mô hình chuẩn, độ chênh lớn nhất là 60 N-units Trong phạm vi trên 3,75 km sự khác biệt này ở mức dưới 20 N-units, độ cao trên 17,5 km sự khác biệt này ở mức dưới 10 N-units, ở độ cao trên 20 km sự khác biệt có giá trị nhỏ ở mức ±0 N-units, tức là giá trị tính toán được và giá trị mô hình là gần như tương tự nhau
Sự khác biệt giá trị độ khúc xạ vô tuyến tính toán được và giá trị mô hình ITU-R như ở công thức (1.8) thể hiện độ lệch so với giá trị chuẩn Độ lệch giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến trung bình ghi nhận được và giá trị theo mô hình ITU-R P.453, công thức (1.9), như ở Hình 3.28, 3.29 Cho thấy độ lệch không đồng đều và thay đổi theo độ cao Khí quyển tầm thấp có độ lệch lớn nhất ở mức dưới 60 N-units Trong phạm vi trên 3,75 km sự khác biệt này ở mức dưới
20 N-units, độ cao trên 17,5 km sự khác biệt này ở mức dưới 10 N-units, ở độ cao trên 20 km sự khác biệt có giá trị nhỏ ở mức ±0 N-units, tức là giá trị tính toán được và giá trị mô hình là gần như tương tự nhau
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, công thức (1.10), 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 kết quả như ở Hình 3.30, 3.31 Ở độ cao từ 0,1-5 km, độ lệch tương đối có xu hướng giảm theo độ cao từ mức 20 % về 10
% Từ độ cao 5-15 km độ lệch tương đối có xu hướng tăng theo độ cao (10% lên 25 %) Sau đó lại giảm ở các độ cao 15-20 km (25 % về 0 %) Trên độ cao
20 km, độ lệch còn có xu hướng tiếp tục giảm và giảm tới mức -40 % ở các độ cao tới 36 km Ở độ cao từ 36-40 km có sự thay đổi bất thường giá trị của độ lệch tương đối, có phạm vi biến động trong khoảng từ -40 % đến 80 % Tuy nhiên, do ở các độ cao lớn giá trị của độ khúc xạ dần trở về 0 N-units cho nên sự biến động nhiều của độ lệch tương đối không mang nhiều ý nghĩa thực tiễn
Hình 3.30 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến (bóng thám không) với giá trị theo mô hình
Hình 3.31 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến (COSMIC-1) với giá trị theo mô hình ITU-R P.453
Sự khác biệt giá trị độ khúc xạ vô tuyến xác định bằng phương pháp thám không và phương pháp cắt lớp vô tuyến thể hiện độ lệch tuyệt đối so với giá trị cắt lớp được xác định như sau:
∆N rc =N r -N c (N-units) (3.1) Trong đó: 𝑁 (N-units) là độ khúc xạ xác định bằng phương pháp bóng thám không, 𝑁 (N-units) là độ khúc xạ tính theo phương pháp cắt lớp vô tuyến
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.
Xác định độ chênh tuyệt đối giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến tính toán được bằng phương pháp thám không và phương pháp cắt lớp vô tuyến ở khí quyển đối lưu có độ cao dưới 20 km cho kết quả ở Hình 3.32 Thể hiện độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ tính toán được bằng phương pháp thám không và phương pháp cắt lớp vô tuyến Nhận thấy rằng, giá trị độ khúc xạ vô tuyến ở phương pháp thám không trong phần lớn các độ cao có giá trị lớn hơn giá trị ở phương pháp cắt lớp vô tuyến Chỉ riêng ở xung quanh độ cao 2,5 km, 7,5 km và 15,0 km thì giá trị phương pháp cắt lớp vô tuyến lớn hơn giá trị phương pháp thám không nhưng không nhiều ở mức dưới 2 N-units Sự khác biệt giá trị độ khúc xạ lớn nhất của hai phương pháp xác định được ở mức dưới 13 N-units Tức là ước lượng theo phương pháp cắt lớp nhỏ hơn ước lượng theo phương pháp bóng thám không ở mức lên đến 13 N-units Kết quả này cũng khá tương đồng khi so sánh dữ liệu năm 2016 của phương pháp cắt lớp vô tuyến (Bảng 2.4) và phương pháp bóng thám không (Bảng 3.2) Trong khi đó độ chênh giá trị trung bình lớn nhất ở phương pháp thám không và phương pháp cắt lớp vô tuyến là 6,32 N-units Điều này được giải thích là do ở các năm 2014, 2015 độ khúc xạ vô tuyến không có giá trị lớn nhất ở độ cao bé, cho nên độ chênh tuyệt đối theo
89 từng độ cao ở hai phép đo là khác nhau Ở độ cao dưới 6,25 km sự khác biệt giá trị độ khúc xạ của hai phương pháp rõ hơn so với các độ cao trên 6,25 km Càng trở về độ cao thấp sự khác biệt thể hiện nhiều hơn Độ lệch tương đối giữa giá trị tính toán được theo phương pháp bóng thám không và phương pháp cắt lớp vô tuyến được tính theo công thức:
Với∆𝑁 (N-units) là độ lệch tuyệt đối độ khúc xạ tính theo phương pháp bóng thám không và phương pháp cắt lớp vô tuyến, theo công thức (3.1), 𝑁 (N- units) là độ khúc xạ tính theo phương pháp cắt lớp vô tuyến Tính toán độ lệch tương đối giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến tính toán được bằng phương pháp thám không và phương pháp cắt lớp vô tuyến cho kết quả ở Hình 3.33 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 nhất của độ lệch tương đối ở mức dưới 4 %, giá trị âm bé nhất của độ lệch ở trên mức -3 % So sánh độ lệch tương đối của từng phương pháp, cụ thể đối với bóng thám không (Hình 3.30) và cắt lớp vô tuyến (Hình 3.31), với số liệu từ mô hình ITU-R P.453 thì độ lệch tương đối giữa hai phương pháp bóng thám không và phương pháp cắt lớp vô tuyến ít hơn nhiều, có độ lớn (giá trị tuyệt đối) ở mức dưới 4 %
Kết luận Chương 3
Chương này trình bày về giải pháp sử dụng đồng thời số liệu cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh và số liệu bóng thám không để ước lượng độ khúc xạ vô tuyến và xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển tầng đối lưu
97 khu vực Hà Nội Giải pháp có ưu điểm là sử dụng được nguồn số liệu quan trắc viễn thám và khí tượng sẵn có trong một khoảng thời gian dài, tin cậy và miễn phí, với một chi phí hợp lý Phù hợp với điều kiện kinh tế, công nghệ ở trong nước Giải pháp cho kết quả nhanh, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao
Nội dung nghiên cứu ở đây đã chỉ ra được quy luật biến thiên độ khúc xạ vô tuyến và đặc điểm lan truyền sóng vô tuyến trong khí quyển tầng đối lưu ở khu vực Hà Nội thông qua việc xác định gián tiếp độ khúc xạ vô tuyến bằng việc sử dụng số liệu bóng thám không cũng như đối sánh với kết quả xác định được từ phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh và phương pháp sử dụng mô hình theo khuyến nghị ở ITU-R P.453 Phần cuối đã đưa ra đề xuất sử dụng số liệu hiện trường để có được giá trị độ khúc xạ chính xác khi nghiên cứu về điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển, nhất là ở phạm vi khí quyển tầm thấp Cùng với đó là 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 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 về điều kiện truyền sóng là để hiểu được tác động của môi trường (khí quyển) và dự đoán phạm vi của các hệ thống vô tuyến cho các mục đích khác nhau, giúp cải thiện chất lượng tuyến thông tin và giảm thiểu được các ảnh hưởng tiêu cực Các bài toán cụ thể ứng dụng chỉ số khúc xạ như truyền tin sử dụng các hạt tán xạ trong khí quyển, đo độ cao địa hình trên mặt đất, hệ thống ra-đa, theo dõi vệ tinh, hệ thống dẫn đường máy bay, tên lửa, v.v Xác định được chính xác chỉ số khúc xạ của bầu khí quyển đối với truyền sóng vô tuyến nhất là đối với khu vực có bốn mùa thay đổi, như Hà Nội, sẽ giúp tối ưu hiệu suất của các hệ thống vô tuyến cho các hoạt động thông tin liên lạc, định vị, dẫn đường trong các lĩnh vực hàng không, công nghiệp, quốc phòng và an ninh
Kết luận của luận án
Hai đóng góp mới trong quá trình thực hiện luận án đó là:
- Đề xuất giải pháp ước lượng chỉ số khúc xạ vô tuyến tầng đối lưu sử dụng số liệu thực nghiệm từ phương pháp cắt lớp vô tuyến Để làm được điều này, nghiên cứu sinh đã tiến hành thu thập dữ liệu vệ tinh COSMIC-1 trong khoảng thời gian 2006-2020 (nội dung luận án sử dụng số liệu các năm 2014-2016), tổ chức dữ liệu, xây dựng thuật toán, lập trình ứng dụng để xác định cấu trúc không gian của chỉ số khúc xạ, 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 thích hợp cho một phạm vi cần nghiên cứu rộng Các tính toán đã cho thấy ở độ cao 100 m chênh lệch giữa giá trị có được từ phương pháp cắt lớp vô tuyến và giá trị tính theo mô hình chỉ số khúc xạ của 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 sử dụng số liệu thực nghiệm từ phương pháp bóng thám không Bắt đầu bằng việc thu thập dữ liệu bóng thám không cho khu vực Hà Nội trong khoảng thời gian từ 1990-2020 (nội dung luận án sử dụng số liệu các năm 2016-2018), để gián tiếp xác định chỉ số khúc xạ và cấu trúc không gian của chỉ số khúc xạ thông qua các thông số của khí quyển là nhiệt độ, độ ẩm và áp suất Giải pháp thích hợp cho một khu vực cụ thể Các kết quả chỉ ra ở độ cao 100 m chênh lệch giữa giá có được từ phương pháp bóng thám không và giá trị tính theo mô hình chỉ số khúc xạ của khuyến nghị ITU-R P.453 lên tới 60 N-units Cùng với việc kết hợp sử dụng số liệu thu thập từ vệ tinh COSMIC-1 đã cho thấy sự khác biệt giá trị độ khúc xạ giữa phương pháp bóng thám không và phương pháp cắt lớp vô tuyến lên tới 13 N-units Do vậy khuyến nghị sử dụng số liệu thực nghiệm, nhất là số liệu hiện trường, khi nghiên cứu về điều kiện truyền sóng trong khí quyển tầng đối lưu
Khi đối sánh giữa số liệu bóng thám không và số liệu cắt lớp vô tuyến cho kết quả về độ lệch tuyệt đối của hai phương pháp ở mức dưới 13 N-units và độ lệch tương đối ở mức dưới 4% Với các kết quả đạt được, 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 Trong đó ưu tiên sử dụng các số liệu thực nghiệm trước, trường hợp không có số liệu thực nghiệm thì sẽ sử dụng số liệu tính theo mô hình chỉ số khúc xạ nêu ở khuyến nghị ITU-R P.453 Nội dung nghiên cứu của luận án có thể được mở rộng, áp dụng cho nhiều khu vực khác để lập ra bản đồ truyền sóng
Với mục đích đánh giá độ chính xác của mô hình toàn cầu về chỉ số khúc xạ vô tuyến nêu ở khuyến nghị của ITU-R P.453 Các kết quả tính toán đã cho thấy việc xác định độ khúc xạ theo mô hình của khuyến nghị ITU-R P.453 có sự khác biệt rõ rệt với các số liệu thực nghiệm đặc biệt là ở độ cao thấp (100 m)
Cụ thể, đối sánh với dữ liệu cắt lớp sử dụng vệ tinh chênh lệch giữa giá trị theo mô hình và giá trị tính toán được lên tới 70 N-units, còn với dữ liệu bóng thám không thì con số này là 60 N-units Do vậy, kết quả nghiên cứu trong luận án có thể được sử dụng làm cơ sở để các ủy ban của liên minh viễn thông quốc tế ITU đưa ra khuyến nghị cho 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 theo hướng xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến không có nhiều ở nước ta, cho nên trong thời gian tới nghiên cứu sinh sẽ tiếp tục phát triển các nội dung sau:
- 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 cho từng khu vực địa khác nhau như Đông Bắc Bộ, Tây Bắc Bộ v.v và xa hơn nữa là cho phạm vi toàn lãnh thổ hay rộng hơn Là cơ sở để có được những đánh giá tổng quan và đầy đủ nhất về chỉ số khúc xạ và điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển
- Nghiên cứu ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để mô hình hóa khí quyển tầng đối lưu cho mục đích ước lượng chỉ số khúc xạ vô tuyến Kết hợp với các nguồn dữ liệu sẵn có hướng đến lập ra bản đồ (GIS) theo thời gian thực về phân bố chỉ số khúc xạ và điều kiện truyền sóng
Kết quả đạt được trong thời gian thực hiện luận án khẳng định việc nghiên cứu xác định được đặc tính của môi trường truyền sóng, cụ thể chỉ số khúc xạ và điều kiện truyền sóng của khí quyển tầng đối lưu khu vực Hà Nội có ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong kỹ thuật viễn thông, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả đường truyền sóng vô tuyến Hướng nghiên cứu này cần được tiếp tục quan tâm và mở rộng cho các khu vực khác ở Việt Nam./
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
[J1] Phạm Chí Công, Nguyễn Xuân Anh, Trần Hoài Trung, “Xác định điều kiện lan truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến,” Tạp chí Khoa học công nghệ thông tin và Truyền thông, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, ISSN 2525-2224, số 04 (CS.01), pp 34-
[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