luận án tiến sĩ 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 ---PHẠM CHÍ CÔNG NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ ĐIỀU KIỆN TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TẦNG ĐỐI LƯU KHU VỰC HÀ NỘI SỬ DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP CẮT LỚP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

-PHẠM CHÍ CÔNG

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội - 2023

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

-PHẠM CHÍ CÔNG

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 Ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số ngành: 9.52.02.08

LUẬN ÁN TIẾN SĨ Người hướng dẫn khoa học:

Hướng dẫn 1: TS Trần Hoài Trung Hướng dẫn 2: TS Phạm Xuân Thành

Hà Nội - 2023

i

LỜI CAM ĐOAN

Luận án “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” được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Trần Hoài Trung và TS Phạm Xuân Thành

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả

Phạm Chí Công

ii LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Trần Hoài Trung – Giảng viên Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Giao thông Vận tải và TS Phạm Xuân Thành – Phòng Vật lý Khí quyển, Viện Vật lý Địa Cầu đã hướng dẫn, giúp đỡ rất nhiều để tôi có điều kiện thực hiện những ý tưởng của mình, chuẩn bị những kiến thức cơ bản cho việc thực hiện luận án

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS Nguyễn Xuân Anh – Viện trưởng, Viện Vật lý Địa Cầu, người đã tận tình chỉ bảo từ những ngày đầu tiên khi tôi nhận quyết định công nhận nghiên cứu sinh trúng tuyển Trong quá trình làm luận án, TS Nguyễn Xuân Anh luôn giúp đỡ và sẵn sàng thảo luận về các kết quả nghiên cứu đạt được, kịp thời động viên tôi vượt qua những khó khăn trong cả quãng thời gian dài đã qua

Tôi xin chân thành cảm ơn tới các Thầy, Cô ở khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông – Vận tải đã giúp đỡ rất nhiều khi học tập tại Trường; Các Anh, Chị ở Phòng Vật lý Khí quyển - Viện Vật lý Địa cầu đã hỗ trợ trong quá trình tìm hiểu và thu thập dữ liệu phục vụ nội dung nghiên cứu của luận án; Đồng nghiệp tại Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa luôn chia sẻ kinh nghiệm và tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành luận án

Cuối cùng, tôi xin gửi lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè thân thiết đã luôn bên tôi để động viên, hỗ trợ trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Trân trọng./

Tác giả

Phạm Chí Công

iii MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG vi

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xv

LỜI MỞ ĐẦU 1

Lý do lựa chọn luận án 1

Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 5

Phương pháp nghiên cứu 6

Các đóng góp chính của luận án 7

Hiệu quả kinh tế xã hội 8

Bố cục của luận án 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA KHÍ QUYỂN ĐẾN TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN 11

1.1 Truyền sóng vô tuyến trong khí quyển 11

1.2 Phân tích các phương pháp xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến 15

1.2.1 Phương pháp xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến 16

1.2.2 Phương pháp đo gián tiếp chỉ số khúc xạ vô tuyến 21

1.2.3 Phương pháp đo trực tiếp chỉ số khúc xạ vô tuyến 24

1.3 Ảnh hưởng của khí quyển đối lưu đến truyền sóng vô tuyến 25

1.3.1 Các tham số khí quyển trên đường truyền sóng vô tuyến 25

1.3.2 Ảnh hưởng của các tham số khí quyển đến truyền sóng 31

1.4 Tình hình nghiên cứu liên quan đến nội dung luận án 39

1.4.1 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước 39

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 43

1.5 Kết luận Chương 1 45

iv

CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TRONG KHÍ QUYỂN SỬ DỤNG SỐ LIỆU CẮT LỚP VÔ

TUYẾN 47

2.1 Phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh 48

2.1.1 Nội dung của phương pháp cắt lớp vô tuyến 49

2.1.2 Ưu và nhược điểm của phương pháp cắt lớp vô tuyến 55

2.2 Xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến 56

2.2.1 Giải pháp thực hiện 56

2.2.2 Kết quả đạt được và phân tích đánh giá 61

2.3 Kết luận Chương 2 69

CHƯƠNG 3 GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TRONG KHÍ QUYỂN SỬ DỤNG SỐ LIỆU BÓNG THÁM

3.2.2 Kết quả đạt được và phân tích đánh giá 75

3.3 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 84

3.3.1 Giải pháp thực hiện 84

3.3.2 Kết quả đạt được và phân tích đánh giá 85

3.4 Kết luận Chương 3 96

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 98

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 101

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 102

v

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

PHỤ LỤC 115

Phụ lục 1 Phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh 115

Phụ lục 2 Cấu trúc dữ liệu phục vụ nội dung nghiên cứu của luận án 122

Phụ lục 3 Xây dựng phần mềm thu thập dữ liệu phục vụ nghiên cứu xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến 126

Phụ lục 4 Dữ liệu cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh 136

Phụ lục 5 Dữ liệu bóng thám không 162

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG STT Ký hiệu Mô tả

1 �㔌 Mật độ điện tích toàn phần 2 1/a Độ cong của trái đất

3 1/�㔌 Độ cong của tia sóng 4 a Bán kính trái đất

5 ai Hệ số ảnh hưởng của nhiệt độ

7 bi Hệ số ảnh hưởng của áp suất hơi nước 8 ci Hệ số ảnh hưởng của áp suất

9 dM/dh Biến thiên mô-đun theo phương thẳng đứng

10 dn/dh Biến thiên chỉ số khúc xạ theo phương thẳng đứng 11 dN/dh Biến thiên độ khúc xạ theo phương thẳng đứng

13 es Áp suất hơi bão hòa 14 G Độ dốc khúc xạ vô tuyến 15 g Gia tốc trọng trường 16 h Độ cao trên bề mặt trái đất 17 h0 Độ cao tham chiếu

18 k, k-factor Hệ số bán kính trái đất hiệu dụng

19 ke Giá trị của k, vượt quá 99,99% thời gian

20 M Mô-đun khúc xạ hay độ khúc xạ vô tuyến thay thế 21 md, m Khối lượng phân tử trung bình của khí khô/ẩm

vii STT Ký hiệu Mô tả

22 n Chỉ số khúc xạ vô tuyến hay chỉ số khúc xạ khí quyển 23 N Độ khúc xạ vô tuyến hay độ khúc xạ khí quyển

24 N0 Độ khúc xạ tham chiếu 25 ne Mật độ điện tích

26 Nh Độ khúc xạ tính theo phương pháp gián tiếp ở độ cao h 27 Ns Độ khúc xạ tính theo mô hình ITU-R P.453 ở độ cao hs

28 P Áp suất khí quyển toàn phần 29 Re Bán kính trái đất tương đương 30 RH Độ ẩm tương đối (%)

31 Ru Hằng số chất khí 32 s1 Tín hiệu ở băng tần L1

33 s2 Tín hiệu ở băng tần L2

34 T Nhiệt độ tuyệt đối (oK) 35 Wi, w Tổng lượng hơi nước/đá 36 α Góc uốn cong trung tâm

37 α1 Góc uốn cong của tín hiệu ở băng tần L1

38 α2 Góc uốn cong của tín hiệu ở băng tần L2

39 λs Bước sóng kích thích 40 ρd,m Mật độ khí khô/ẩm

41 �㔌 Bán kính cong của tia sóng

42 �㔑 Góc tới của tia sóng so với phương nằm ngang

viii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

STT Chữ viết tắt Tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 1 BeyDou BeiDou Navigation

Satellite System Hệ thống vệ tinh dẫn đường Bắc Đẩu (Trung Quốc)

2 CDAAC COSMIC Data Analysis

and Archive Center Trung tâm lưu trữ và phân tích dữ liệu COSMIC 3 CDL Common Data Language Ngôn ngữ dữ liệu chung 4 COSMIC Constellation Observing

System for Meteorology, Ionosphere, and Climate

Hệ thống quan sát chòm sao cho khí tượng, tầng điện ly và khí hậu

5 CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh 6 CSV Comma Separated Values Giá trị được phân tách

bằng dấu phẩy 7 DOA Direction Of Arrival Hướng sóng tới 8 GALILEO Galileo Navigation

Satellite System Hệ thống vệ tinh dẫn đường Galileo (Châu Âu)

10 GMT Greenwich Mean Time Giờ chuẩn Greenwich 11 GNSS Global Navigation Satellite

System Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu 12 GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

(Hoa Kỳ) 13 ICAO International Civil Aviation

Organization Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế 14 ITU International

Telecommunication Union Liên minh Viễn thông Quốc tế

ix

STT Chữ viết tắt Tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 15 ITU-R ITU Radiocommunication

Sector Bộ phận Thông tin vô tuyến của ITU 16 LEO Low Earth Orbit Quỹ đạo trái đất thấp

18 NASA National Aeronautics and

Space Administration Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia (Hoa Kỳ) 19 netCDF Network Common Data

Format Định dạng dữ liệu chung mạng 20 NOAA National Oceanic and

21 OTH Over-The-Horizon Vượt qua đường chân trời

24 TEC Total Electron Content Lượng điện tích tổng cộng 25 UHF Ultra high frequency Tần số cực cao

26 VHF Very high frequency Tần số rất cao

28 WMO World Meteorological

Organization Tổ chức khí tượng thế giới 29 ZTD Zenith Tropospheric Delay Trễ thiên đỉnh tầng đối lưu

x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Môi trường truyền dẫn vô tuyến trong khí quyển 11

Hình 1.2 Thành phần không khí khô ở mặt đất (% theo thể tích) 12

Hình 1.3 Tán xạ đàn hồi trên các hạt có kích thước khác nhau với bước sóng kích thích 13

Hình 1.4 Mức độ chính xác được mong đợi trong phép đo chỉ số khúc xạ 22

Hình 1.5 Sự phụ thuộc của k vào G 28

Hình 1.6 Điều kiện truyền sóng thông thường với độ dốc khúc xạ âm 30

Hình 1.7 Điều kiện truyền sóng bất thường với độ dốc khúc xạ dương 30

Hình 1.8 Điều kiện truyền sóng bất thường với độ dốc khúc xạ âm 30

Hình 1.9 Phân bố xác suất của độ dốc khúc xạ vô tuyến [89] 31

Hình 1.10 Quỹ đạo tia sóng ở mô hình trái đất thực và tia sóng bị uốn cong 34

Hình 1.11 Quỹ đạo tia sóng ở mô hình trái đất tương đương và tia sóng đi

Hình 1.15 Kết quả đo đạc từ thiết bị (đường liền) và so sánh với bóng thám không (đường với ô trắng) 42

Hình 2.1 Phổ công suất của tín hiệu GPS Phía bên trái là khoảng thời gian đối với từng loại vệ tinh [40] 49

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 50

xi

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 50

Hình 2.4 Các bước xác định tham số khí quyển 52

Hình 2.5 Các góc và các tham số được sử dụng ở kỹ thuật cắt lớp vô tuyến 52

Hình 2.6 Các bước xác định điều kiện truyền sóng sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến 56

Hình 2.7 Các trường dữ liệu cắt lớp trong file profile ẩm 58

Hình 2.8 Độ khúc xạ vô tuyến năm 2014 63

Hình 2.11 Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2014 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453 63

Hình 2.9 Độ khúc xạ vô tuyến năm 2015 63

Hình 2.12 Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2015 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453 63

Hình 2.10 Độ khúc xạ vô tuyến năm 2016 63

Hình 2.13 Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2016 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453 63

Hình 2.14 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2014 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453 65

Hình 2.15 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2015 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453 65

Hình 2.16 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2016 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453 65

Hình 2.17 Độ dốc khúc xạ vô tuyến năm 2014 67

xii

Hình 3.1 Bóng thám không mang thiết bị đo các thông số khí quyển 71

Hình 3.2 Các bước xác định điều kiện truyền sóng sử dụng số liệu bóng thám không 72

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 74

Hình 3.4 Phân bố độ khúc xạ vô tuyến năm 2016 76

Hình 3.7 Độ khúc xạ vô tuyến năm 2016 76

Hình 3.5 Phân bố độ khúc xạ vô tuyến năm 2017 76

Hình 3.8 Độ khúc xạ vô tuyến năm 2017 76

Hình 3.6 Phân bố độ khúc xạ vô tuyến năm 2018 76

Hình 3.9 Độ khúc xạ vô tuyến năm 2018 76

Hình 3.10 Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2016 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453 79

Hình 3.13 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2016 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453 79

Hình 3.11 Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2017 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453 79

Hình 3.14 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2017 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453 79

Hình 3.12 Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2018 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453 79

Hình 3.15 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2018 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453 79

Hình 3.16 Phạm vi giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2016 80

Hình 3.17 Phạm vi giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2017 80

Hình 3.18 Phạm vi giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2018 80

Hình 3.19 Độ dốc khúc xạ vô tuyến năm 2016 82

Hình 3.22 Hệ số k năm 2016 82

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 84

Hình 3.26 Độ khúc xạ vô tuyến (bóng thám không) 85

Hình 3.27 Độ khúc xạ vô tuyến (COSMIC-1) 85

Hình 3.28 Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến (bóng thám không) với giá trị theo mô hình ITU-R P.453 86

Hình 3.29 Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến (COSMIC-1) với giá trị theo mô hình ITU-R P.453 86

Hình 3.30 Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến (bóng thám không) với giá trị theo mô hình ITU-R P.453 87

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 87

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 88

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 88

Hình 3.34 Độ dốc khúc xạ vô tuyến (bóng thám không) 90

Hình 3.35 Độ dốc khúc xạ vô tuyến (COSMIC-1) 90

Hình 3.36 Hệ số k (bóng thám không) 90

Hình 3.37 Hệ số k (COSMIC-1) 90

Hình 3.38 Độ trễ thiên đỉnh sử dụng số liệu bóng thám không 91

Hình 3.39 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 94

xiv

Hình P1.1 Các góc và các tham số được sử dụng ở kỹ thuật cắt lớp vô tuyến.

117

Hình P2.1 Ví dụ về dữ liệu netCDF Bên trái là nhiệt độ, bên phải là áp suất phân bố trong một khu vực cụ thể 122

Hình P2.2 Ví dụ về dữ liệu ba chiều (bên trái), dữ liệu thay đổi theo thời gian và dữ liệu bốn chiều (bên phải), dữ liệu thay đổi theo độ cao 123

Hình P2.3 Ví dụ về dữ liệu của file CDL 123

Hình P2.4 Cấu trúc của một file CSV 124

Hình P3.1 Mô hình phát triển phần mềm 127

Hình P3.2 Cấu trúc (CDL) của một profile ẩm 130

Hình P3.3 Dữ liệu quan trắc tại trạm khí tượng Hà Nội, ngày 30/08/2021, thời điểm 0h (+7 GMT) tức 7h sáng 133

Hình P4.1 Cách xem dữ liệu trong file netCDF 136

Bảng 1.5 Phân loại các dạng khúc xạ khí quyển 33

Bảng 1.6 Điều kiện truyền sóng với các hệ số k khác nhau 38

Bảng 2.1 Dữ liệu đặc trưng của một số nhiệm vụ không gian 51

Bảng 2.2 Thu thập số liệu cắt lớp vô tuyến 61

Bảng 2.3 Thu thập số liệu cắt lớp khu vực Hà Nội 61

Bảng 2.4 Phạm vi độ khúc xạ vô tuyến trung bình (COSMIC-1) 62

Bảng 3.1 Thu thập số liệu thám không 73

Bảng 3.2 Phạm vi độ khúc xạ vô tuyến trung bình (bóng thám không) 75

Bảng 3.3 So sánh các giải pháp ước lượng chỉ số khúc xạ vô tuyến 93

1 LỜI MỞ ĐẦU Lý do lựa chọn luận án

Khí quyển trái đất ảnh hưởng nhiều đến truyền sóng vô tuyến, các ảnh hưởng này rất khác nhau tùy theo tính chất phân vùng của khí quyển Ảnh hưởng nhiều nhất của khí quyển đó là hiện tượng khúc xạ và phản xạ Khúc xạ có thể xảy ra ở tầng đối lưu và tầng điện li Khúc xạ tầng đối lưu xảy ra do tính không đồng nhất của tầng đối lưu, chỉ số khúc xạ khí quyển (hay chiết suất) n thường giảm theo độ cao là nguyên nhân làm thay đổi quỹ đạo của tia sóng Thậm chí tia sóng còn có thể bị uốn cong trở về mặt đất và phản xạ trên mặt đất (siêu khúc xạ) Trong khi đó hiện tượng khúc xạ tầng điện li xảy ra do sở hữu nhiều điện từ tự do và các thành tố ion tạo ra bởi quá trình ion hóa khí quyển Sự thay đổi của mật độ điện tích ne là nguyên nhân gây ra hiện tượng khúc xạ Phản xạ ở tầng điện li cũng có thể xảy ra với góc tới và tần số thích hợp (dưới 40 MHz) Bầu khí quyển đối lưu còn gây ra suy giảm tín hiệu vô tuyến do sự hấp thụ của các phân tử không khí, phân tử nước và lượng mưa (mưa)

Theo định luật Snell, sóng vô tuyến đi qua tầng đối lưu khí quyển bị bẻ cong do sự thay đổi chỉ số khúc xạ (chiết suất) n trong môi trường truyền sóng Lý thuyết về hướng nghiên cứu này được phát triển từ lâu, tiêu biểu là các công trình [16] [87] [100] Hệ số bán kính trái đất hiệu dụng k (còn gọi là k-factor) cho biết trạng thái khúc xạ của khí quyển ảnh hưởng đến hướng truyền của tia sóng Do vậy hệ số k là tham số chính để dự đoán điều kiện truyền sóng trong khí quyển Bởi vì hệ số k phụ thuộc chủ yếu vào biến thiên chỉ số khúc xạ theo phương thẳng đứng mà không phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối của chỉ số khúc xạ [3] [29], kết quả là sự thay đổi chỉ số khúc xạ n theo độ cao làm cho tia sóng bị uốn cong khi truyền qua các lớp khác nhau trong khí quyển

Hiệu suất của tuyến thông tin phần lớn phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn giữa phía phát và phía thu Không giống như truyền dẫn hữu tuyến thì kênh

2

truyền là cố định và có thể dự đoán được, còn truyền sóng vô truyến trong khí quyển thì lại khác do phụ thuộc vào các đặc tính vật lý của khí quyển là áp suất, nhiệt độ, độ ẩm và các hạt lơ lửng [57] Sự toàn vẹn của thông tin nhận được ở máy thu phụ thuộc vào mức độ biến dạng của tín hiệu trong môi trường, do nhiễu trong quá trình truyền tín hiệu vô tuyến bởi sự thay đổi của thời tiết cũng như các yếu tố môi trường [59] Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng mức độ hoặc cách thức biến đổi của chỉ số khúc xạ theo độ cao có ảnh hưởng rõ rệt đến sóng vô tuyến ở dải tần VHF, UHF và sóng vi ba [3] Các kết quả tổng hợp cho thấy sự thay đổi khúc xạ ảnh hướng đáng kể đến cường độ tín hiệu thu được ở tần số UHF, chỉ số khúc xạ có tính quy luật theo mùa, thay đổi theo ngày và đêm, theo vùng miền [84] Theo dõi sự thay đổi theo mùa và theo ngày (ẩm ướt) cho thấy có tương quan với sự thay đổi cường độ tín hiệu VHF và UHF Điều kiện truyền sóng xấu được thấy vào buổi chiều, khi có mức tín hiệu thấp nhận được tại phía thu đặc biệt từ các trạm ở xa, khả năng xảy ra nhiễu giữa các trạm và các trạm ở xa truyền cùng tần số sẽ bị giảm đi rất nhiều liên quan đến độ khúc xạ thấp nhất ghi nhận trong khoảng thời gian này [107] Nghiên cứu ở [1] cho thấy chỉ số khúc xạ là yếu tố quan trọng dự đoán hoạt động của tuyến thông tin vô tuyến, cấu trúc chiết suất của tầng đối lưu là nguyên nhân gây ra nhiều cơ chế phức tạp như hiệu ứng đa đường, hấp thụ, tán xạ tín hiệu vô tuyến v.v làm ảnh hưởng đến độ chính xác của việc theo dõi các nguồn tín hiệu sóng vô tuyến (chẳng hạn từ các ngôi sao) bằng kính viễn vọng vô tuyến, hệ thống ra-đa, theo dõi vệ tinh (như vệ tinh GPS), phạm vi dẫn đường máy bay, tên lửa, v.v Hiểu được tác động của khí quyển sẽ giúp cải thiện chất lượng, nâng cao hiệu suất tuyến thông tin vô tuyến và giảm thiểu được ảnh hưởng trên

Do giá trị của chỉ số khúc xạ n là số rất gần và lớn hơn một đơn vị chỉ số khúc xạ (n-units), cho nên trong thực tế chỉ số khúc xạ thường hay được sử dụng thông qua độ khúc xạ (chỉ số chiết suất) N Độ khúc xạ N là tham số cơ bản của khí quyển, có giá trị thay đổi theo thời gian, theo độ cao và phụ thuộc vào nhiệt

3

độ, độ ẩm và áp suất [73] Đã có nhiều phương pháp khác nhau được phát triển để tính toán các thông số cơ bản của khí quyển là nhiệt độ, áp suất và độ ẩm theo chỉ số chiết suất và ngược lại [45] [48] Biến đổi chậm của chỉ số khúc xạ liên quan đến các quá trình có quy mô vừa và trong ngày, biến đổi nhanh do ảnh hưởng của chuyển động hỗn loạn (turbulent motion) trong khí quyển

Sóng vô tuyến truyền trong khí quyển tầng đối lưu, xác định biến đổi pha và góc sóng tới là các bài toán cần giải quyết khi thiết kế hệ thống thiết bị thu và nghiên cứu sóng lan truyền Hiệu quả của các hệ thống dẫn đường, ra-đa và thông tin liên lạc phần lớn phụ thuộc vào điều kiện lan truyền của sóng vô tuyến được xác định bởi trạng thái khúc xạ khí quyển Đó là sự phân bố theo không gian của độ khúc xạ N Do đó, việc nghiên cứu sự phân bố theo mùa, hàng ngày và theo độ cao của N, tạo ra mô hình thống kê là có vai trò quan trọng để dự đoán phạm vi của các hệ thống vô tuyến cho các mục đích khác nhau cũng như đánh giá độ chính xác của việc đo tọa độ của hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS) Đây là bài toán được nghiên cứu trong suốt thời gian qua, những kết quả chính được tổng kết và đưa vào trong các khuyến nghị của ITU về chỉ số khúc xạ [77], ảnh hưởng của khúc xạ tầng đối lưu đối với sự lan truyền sóng vô tuyến [78] v.v hay rộng hơn là tổng hợp các khuyến nghị về truyền sóng (P Series) [44] Các vấn đề cơ bản về truyền sóng được nêu trong nhiều tài liệu, chẳng hạn như ở [74]

Sai số xác định vị trí của các hệ thống định vị vệ tinh như GPS, GLONASS bị ảnh hưởng mạnh bởi tầng điện li và tầng đối lưu khí quyển [45] Điểm mấu chốt để giải quyết vấn đề liên quan đến định vị và chẩn đoán chính xác bầu khí quyển sử dụng hệ thống định vị toàn cầu là nghiên cứu ảnh hưởng của các quá trình xảy ra ở tầng đối lưu và tầng điện li đối với sự lan truyền của sóng vô tuyến cũng như phát triển các mô hình những hiện tượng này và dựa trên chúng là các phương pháp sửa lỗi Khúc xạ tầng đối lưu và tầng điện li dẫn

4

đến sai số đo tọa độ, tuy nhiên trong trường hợp khúc xạ tầng điện li, độ trễ có thể được bù, ở một mức độ lớn hơn, bằng cách sử dụng chế độ hoạt động hai tần số của hệ thống GNSS (GPS, GLONASS, BeyDou) Đối với độ trễ của tầng đối lưu, phụ thuộc vào sự phân bố không gian của chỉ số khúc xạ dọc theo đường truyền, do vậy cần phải tạo một mô hình để mô tả nó hoặc số liệu quan trắc trực tiếp chỉ số khúc xạ

Số liệu chỉ số khúc xạ tầng đối lưu cũng ứng dụng trong đo độ cao dùng vệ tinh (satellite altimetry) Ngày nay các vệ tinh đo độ cao như Seltinel là một kỹ thuật quan sát trái đất mạnh mẽ và hấp dẫn, có tầm quan trọng lớn trong một số ứng dụng như đo độ cao địa hình trên mặt đất, nghiên cứu sự thay đổi mực nước biển trung bình (một chỉ báo biến đổi khí hậu quan trọng), quan sát sự tan chảy của các tảng băng lục địa Bài báo [30] trình bày tổng quan về ảnh hưởng của tầng đối lưu tới tín hiệu của vệ tinh đo độ cao, tức là độ trễ đường đối lưu PD (Path Delay), và các hiệu chỉnh tương ứng Yêu cầu về chỉ số khúc xạ (để xác định độ trễ tầng đối lưu) là rất cao để đảm bảo yêu cầu của các ứng dụng ngày càng tăng của đo độ cao vệ tinh là từ 1-3 cm Việc có được quy luật chính xác về chỉ số khúc xạ góp phần hiệu chỉnh số liệu của vệ tinh đo độ cao Ngoài các ứng dụng trên còn có các ứng dụng khác sử dụng chỉ số khúc xạ khí quyển như ở hệ thống ra-đa tầm soát vượt đường chân trời; bài toán xác định vị trí quỹ đạo của vệ tinh từ trạm mặt đất; các bài toán trong vật lý khí quyển, khí hậu như chuyển động hỗn loạn trong khí quyển, vật lý vi mô khí quyển, nghiên cứu cán cân bức xạ v.v

Nhìn chung, ảnh hưởng của khí quyển đến các hệ thống thông tin vô tuyến, định vị dẫn đường, các ứng dụng đo độ cao v.v hầu hết đều là bất lợi Tuy nhiên, trong thực tế, lợi dụng hiện tượng khúc xạ khí quyển tầng đối lưu có thể được sử dụng để truyền sóng đi xa phía dưới đường chân trời, ứng dụng dò tìm và định vị bằng sóng vô tuyến trong các hệ thống ra-đa chân trời Nghiên

5

cứu về hiện tượng như siêu khúc xạ có thể ứng dụng để truyền sóng đi được rất xa Ở tầng điện li lợi dụng hiện tượng phản xạ cũng được sử dụng với mục đích tương tự Truyền sóng tán xạ tầng đối lưu là khi gặp phải môi trường có sự không đồng nhất về chiết suất và có sự thay đổi gần bằng độ dài của bước sóng cũng được nghiên cứu ứng dụng trong thông tin quân sự

Như vậy, bài toán đánh giá ảnh hưởng tầng điện li và tầng đối lưu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn và phải thực hiện đồng thời Việc nghiên cứu môi trường truyền sóng, cụ thể là tầng đối lưu khí quyển, là bài toán quan trọng trong kỹ thuật viễn thông để dự đoán phạm vi của các hệ thống vô tuyến cho các mục đích khác nhau, để cải thiện hiệu quả, nâng cao chất lượng đường truyền tuyến thông tin vô tuyến trong khí quyển Trong nội dung của luận án, hướng nghiên cứu ước lượng chỉ số khúc xạ để xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển tầng đối lưu khu vực Hà Nội được thực hiện 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 liên lạc, định vị, dẫn đường trong các lĩnh vực hàng không, kinh tế, quốc phòng và an ninh

Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát: 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

Mục tiêu cụ thể: Tính toán và phân tích được sự thay đổi chỉ số khúc xạ vô tuyến qua số liệu cắt lớp vô tuyến cho khu vực Hà Nội Tính toán phân tích và so sánh sự thay đổi chỉ số khúc xạ vô tuyến với số liệu thu thập từ bóng thám không Đánh giá khả năng áp dụng mô hình toàn cầu về chỉ số khúc xạ vô tuyến theo khuyến nghị ITU-R P.453 cho khu vực Hà Nội thông qua việc phân tích đối

6

sánh với số liệu tính toán từ các phương pháp trên, từ đó đưa ra các khuyến nghị cụ thể về sử dụng chỉ số khúc xạ

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Luận án nghiên cứu các vấn đề liên quan tới ảnh hưởng của khí quyển tầng đối lưu đến lan truyền sóng vô tuyến, cụ thể cho khu vực Hà Nội Trên cơ sở đó, để đánh giá điều kiện truyền sóng thì cần phải có các phương án để ước lượng chỉ số khúc xạ và các tham số khí quyển trên đường truyền sóng vô tuyến

Phạm vi nghiên cứu: Bao gồm phân tích các phương pháp xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến tầng đối lưu Áp dụng phương pháp gián tiếp để xác định chỉ số khúc xạ khí quyển từ các nguồn dữ liệu viễn thám và dữ liệu khí tượng sẵn có Đưa ra phương án khai thác số liệu nhằm dự báo điều kiện truyền sóng cho khu vực Hà Nội Ở đây, khu vực Hà Nội được định nghĩa là khu vực có tọa độ nằm xung quanh vị trí 21.01oN độ vĩ bắc và 105.80oE độ kinh đông, nằm trong bán kính 2o độ kinh vĩ

Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết các phương pháp đo chỉ số khúc xạ, ưu nhược điểm của từng phương pháp Nghiên cứu giải pháp sử dụng số liệu phương pháp cắt lớp vô tuyến bằng vệ tinh kết hợp với số liệu bóng thám không để ước lượng chỉ số khúc xạ khí quyển theo phương pháp gián tiếp Xác định cấu trúc không gian của chỉ số khúc xạ để xác lập trạng thái khí quyển tác động đến truyền sóng vô tuyến Phương pháp thống kê để đưa ra quy luật truyền sóng

Những nội dung nghiên cứu chính

Trong khuôn khổ luận án sẽ tập trung nghiên cứu chuyên sâu vào các nội dung sau, cụ thể: Nghiên cứu tổng quan ảnh hưởng của khí quyển đến lan truyền sóng vô tuyến; Phân tích các phương pháp xác định chỉ số khúc xạ khí quyển tầng đối lưu Lựa chọn phương pháp thực hiện; Thu thập, xây dựng cơ sở dữ liệu

7

lưu trữ phục vụ nghiên cứu ảnh hưởng khí quyển đến truyền sóng vô tuyến; Xây dựng thuật toán, lập trình ứng dụng đánh giá ảnh hưởng khí quyển đến truyền sóng vô tuyến; Ứng dụng, thử nghiệm cho khu vực Hà Nội

Kết quả nghiên cứu cần đạt được

Đánh giá được ảnh hưởng của khí quyển tầng đối lưu đến truyền sóng vô tuyến ở khu vực Hà Nội trong các điều kiện khác nhau Ứng dụng số liệu thu thập được cho mục đích dự báo điều kiện truyền sóng vô tuyến, cho việc tính toán trên mô hình và các ứng dụng khác Đề xuất hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo của luận án

Các đóng góp chính của luận án

Bản chất của truyền sóng tầng đối lưu là truyền sóng khúc xạ Chiết suất của môi trường gây ra trễ đường truyền, sự thay đổi chỉ số khúc xạ làm cong quỹ đạo của tia sóng, cấu trúc chiết suất của tầng đối lưu là nguyên nhân của nhiều cơ chế phức tạp như hiệu ứng đa đường, hấp thụ, tán xạ tín hiệu vô tuyến v.v Do vậy, cơ sở khoa học của luận án chính là nghiên cứu ước lượng chỉ số khúc xạ vô tuyến của khí quyển tầng đối lưu để xác định điều kiện truyền sóng Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án hướng đến là nghiên cứu, đề xuất các giải pháp sử dụng số liệu thực nghiệm sẵn có để ước lượng chỉ số khúc xạ trong khí quyển đối lưu

Các đóng góp chính của luận án bao gồm:

- 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

- 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

Các đóng góp này được thể hiện ở các bài báo khoa học nằm trong danh mục các công trình đã công bố [J1, J2, J3] Kết quả đạt được có độ tin cậy, phù hợp với điều kiện kinh tế, công nghệ nước ta hiện nay Nội dung nghiên cứu của luận án có thể áp dụng cho nhiều khu vực khác để lập ra bản đồ truyền sóng

8 Hiệu quả kinh tế xã hội

Việc nghiên cứu sử dụng các nguồn số liệu viễn thám và khí tượng sẵn có để ước lượng chỉ số khúc xạ và xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển tầng đối lưu khu vực Hà Nội cho kết quả nhanh, có độ tin cậy và với chi phí hợp lý là thành công của luận án Kết quả nghiên cứu ở đây có thể được sử dụng ở các mô hình đang chạy tại Viện Vật lý Địa cầu như là một trong số các nguồn dữ liệu đầu vào giúp cải thiện kết quả tính toán trên mô hình dự báo

Bố cục của luận án

Cơ sở khoa học của luận án là đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển tầng đối lưu thông qua việc xác định gián tiếp chỉ số khúc xạ khí quyển Để làm được điều này, luận án sẽ nghiên cứu sử dụng số liệu thực nghiệm phương pháp cắt lớp vô tuyến và phương pháp bóng thám không để ước lượng chỉ số khúc xạ vô tuyến trong khí quyển Từ chỉ số khúc xạ, các tham số khác của khí quyển cũng được xác định Sau đó, trên cơ sở tính toán được các tham số khí quyển sẽ xác định được trạng thái khí quyển ảnh hưởng đến truyền sóng vô tuyến, giới hạn trong phạm vi khí quyển khu vực Hà Nội

Theo địa lý tự nhiên, nước ta được chia thành 3 miền là Bắc, Trung, Nam Khu vực Hà Nội nằm ở Miền Bắc Tại tờ trình Thủ tướng Chính phủ, Bộ Kế hoạch và Đầu tư đã đề xuất phân chia cả nước thành 7 vùng kinh tế - xã hội1 để triển khai kịp thời, đồng bộ các quy định của Luật Quy hoạch, thay vì 6 vùng như hiện nay Đó là vùng Đông Bắc (7 tỉnh), Vùng Tây Bắc (7 tỉnh), Vùng Đồng bằng sông Hồng (11 tỉnh/thành phố) trong đó có thành phố: Hà Nội, Vùng Bắc Trung Bộ (gồm 5 tỉnh), Vùng Nam Trung Bộ (gồm 11 tỉnh/thành phố), Vùng Đông Nam Bộ (9 tỉnh/thành phố), Vùng Đồng bằng sông Cửu Long (13 tỉnh/thành phố) Trong khoa học việc chia khu vực thường có hai dạng là chia theo ô hình vuông kích thước 1x1, 2x2, 5x5, v.v độ kinh vĩ, hay ô hình tròn bán kính 1o, 2o, 5o v.v độ kinh vĩ Ở phạm vi nghiên cứu của luận án, khu vực Hà

1 https://vietnamnet.vn/chia-ca-nuoc-thanh-7-vung-doi-moi-va-dot-pha-tat-ca-dong-y-499714.html

9

Nội được định nghĩa là khu vực có tọa độ nằm xung quanh vị trí 21.01oN độ vĩ bắc và 105.80oE độ kinh đông, trong phạm vi bán kính 2o độ kinh vĩ

Với định hướng như vậy, luận án được trình bày trong 03 chương chính ngoài phần mở đầu, kết luận và các phụ lục, cụ thể nội dung được bố cục như sau:

Chương 1 Nghiên cứu tổng quan ảnh hưởng của khí quyển đến truyền sóng vô tuyến Chương này trình bày khái quát ảnh hưởng của khí quyển đến lan truyền sóng vô tuyến Do môi trường truyền sóng ở khí quyển tầng đối lưu không đồng nhất, chỉ số khúc xạ khí quyển là nguyên nhân gây ra quỹ đạo cong của tia sóng, tạo ra độ trễ trên đường truyền Điều này gây ra các ảnh hưởng bất lợi đến hệ thống thông tin vô tuyến, định vi, dẫn đường, các ứng dụng đo độ cao địa hình trên mặt đất, v.v Nghiên cứu về chỉ số khúc xạ nhằm giảm thiểu những tác động trên Tiếp theo trình bày về các phương pháp đo chỉ số khúc xạ khí quyển Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và đặc điểm riêng Việc nghiên cứu ảnh hưởng của khí quyển đối lưu đến truyền sóng vô tuyến theo hướng xác định chỉ số khúc xạ trong điều kiện ở nước ta là chưa có cho nên sẽ được nghiên cứu thực hiện trong luận án này 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 của ITU-R P.453

Chương 2 Giải pháp xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến Chương này trình bày về phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh Phương pháp này có nhiều ưu điểm khi nghiên cứu về khí quyển tầng đối lưu đó là 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 cho nên được nghiên cứu và sử dụng Chương

10

này sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến (số liệu profile ẩm, ở level2) của vệ tinh COSMIC-1 để xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội Kết quả đã đưa ra khuyến nghị sử dụng số liệu thực nghiệm khi nghiên cứu về điều kiện truyền sóng trong khí quyển đối lưu

Chương 3 Giải pháp xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển sử dụng số liệu bóng thám không Dữ liệu bóng thám không là loại dữ liệu khí tượng cơ bản dùng để quan trắc bề mặt trái đất, đã có từ lâu Đây là dữ liệu thực tế tại hiện trường cho phép xác định được cấu trúc không gian của chỉ số khúc xạ để xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển cho nên được nghiên cứu và sử dụng Chương này sử dụng phương pháp gián tiếp xác định độ khúc xạ vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội Cùng với đó, việc kết hợp sử dụng số liệu thu thập từ vệ tinh COSMIC-1, như đã nêu ở Chương 2, cho phép sử dụng hiệu quả số liệu để xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội Kết quả đã đưa ra khuyến nghị sử dụng số liệu thực nghiệm và đề xuất được quy trình ứng dụng số liệu bóng thám không và số liệu cắt lớp vô tuyến để ước lượng chỉ số khúc xạ khi nghiên cứu về điều kiện truyền sóng trong khí quyển đối lưu

Cuối cùng là phần kết luận và những định hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án

11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA KHÍ QUYỂN ĐẾN TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN

1.1 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 5.1018 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)

12

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)

13

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.) có kích thước cỡ từ vài nanomet (nm) tới hàng chục micromet (µm) 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

14

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 108 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]

1.2 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]:

�㕛 = (1.1)

17

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]:

�㕛 = 1 + �㕁 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]:

�㕁 = 77,6 − 5,6 + 3,75 10 (N-units) (1.3) Trong đó: P áp suất khí quyển tổng cộng (hPa), e áp suất hơi (hPa), T nhiệt độ tuyệt đối (oK)

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 -50oC ÷ +40oC, theo [16] [60] [73] [77]

�㕁 = , (�㕃 + ) (N-Units) (1.4) Trong đó: T (0K) 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]:

�㕒 = . (1.5) Áp suất hơi bão hòa es (hPa) phụ thuộc vào nhiệt độ t (oC) và áp suất khí quyển toàn phần P (hPa) theo công thức ITU-R [73] [76] [77]:

�㕒 = �㔸�㔹 �㕎 �㕒�㕥�㕝 . (1.6) 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]: 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 �㔌 (g/m3), 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]:

�㕛(ℎ) = 1 + �㕁 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]:

�㕁 = �㕁 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:

∆�㕁 = �㕁 − �㕁 (N-units) (N-units) (1.9) Trong đó: �㕁 (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), �㕁 (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:

�㕅 = 100 ∙∆ (%) (1.10) Với∆�㕁 (N-units) là độ lệch tuyệt đối so với giá trị mô hình tính theo công thức (1.9), �㕁 (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).

Xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến theo định nghĩa, công thức (1.1), gọi là phương pháp đo trực tiếp Chỉ số khúc xạ vô tuyến có thể được đo trực tiếp với dụng cụ đo nhạy với vận tốc truyền sóng gọi là khúc xạ kế tần số vô tuyến Xác định chỉ số khúc xạ theo công thức (1.3) gọi là phương pháp đo gián tiếp thông

20

qua nhiệt độ, áp suất và độ ẩm Xác định chỉ số khúc xạ theo khuyến nghị của ITU-R P.453 gọi là phương pháp sử dụng mô hình, công thức (1.8)

Bảng 1.1 So sánh các phương pháp xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến Phương

pháp Độ xác chính Cách thức thực hiện Khả năng áp dụng Phạm vi áp dụng Trực tiếp Chính xác

nhất Sử dụng khúc xạ kế vô tuyến Yêu cầu kỹ năng vận hành Cho một vị trí cụ thể Gián tiếp Không chính phương pháp trực tiếp sử dụng các máy đo khúc xạ kế tần số vô tuyến, còn phương pháp gián tiếp sử dụng các số liệu quan trắc thời tiết tiêu chuẩn để xác định chỉ số khúc xạ cho nên phương pháp trực tiếp có độ chính xác tốt hơn vì độ chính xác phụ thuộc vào một loại cảm biến duy nhất chứ không phải là ba cảm biến và không yêu cầu tính toán có thể dẫn đến sai số Tuy nhiên, máy đo khúc xạ là thiết bị tương đối phức tạp và đắt tiền, đòi hỏi một số kỹ năng để vận hành Do đó, máy đo khúc xạ không được sử dụng phổ biến hoặc thậm chí không đủ số lượng để cho phép lập bản đồ tỷ lệ hay cấu trúc chỉ số khúc xạ Phần lớn bản đồ chỉ số khúc xạ hiện nay vẫn dựa trên phương pháp đo gián tiếp [17] Phương pháp sử dụng mô hình cho phép xác định được chỉ số khúc xạ theo độ cao ở bất kỳ vị trí nào dựa trên các số liệu thống kê từ khoàng 1000 trạm quan trắc bề mặt trên thế giới [73] [76] [77] Phương pháp mô hình cho kết quả ban đầu về chỉ số khúc xạ, dùng làm số liệu tham khảo khi chưa có các số liệu từ các phương pháp khác Mặc dù khúc xạ kế là một thiết bị ưu việt cho mục đích khảo sát, lấy mẫu trong phạm vi nhỏ; đo gián tiếp chỉ số khúc xạ sẽ đóng vai trò chính trong việc

21

cung cấp thông tin về cấu trúc chỉ số khúc xạ quy mô lớn Một trong những khó khăn của phép đo gián tiếp là việc chuyển đổi các thông số thời tiết đo được thành chỉ số khúc xạ nhất là khi phải thao tác với số lượng lớn dữ liệu

1.2.2 Phương pháp đo gián tiếp chỉ số khúc xạ vô tuyến 1.2.2.1 Yêu cầu độ chính xác của các cảm biến khí tượng

Chỉ số khúc xạ vô tuyến là khái niệm cơ bản khi nghiên cứu về điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển Biến thiên chỉ số khúc xạ vô tuyến theo độ cao sẽ xác định hiện tượng khúc xạ trong môi trường truyền sóng Chỉ số khúc xạ vô tuyến n được xác định qua độ khúc xạ vô tuyến N, được tính theo công thức (1.3), hay tính gần đúng theo công thức (1.4) Độ chính xác của độ khúc xạ sẽ bị giới hạn bởi độ chính xác của các cảm biến riêng lẻ, được tính bằng vi phân hai vế của công thức (1.4) đó là [16][60]:

�㕑�㕁 = �㕑�㕇 + �㕑�㕒 + �㕑�㕃 (1.11) Công thức (1.11) có thể được biểu thị cho các điều kiện trung bình và cho những thay đổi nhỏ ở N như công thức [16][60]:

22

Bảng 1.2 thể hiện các giá trị điển hình của ai, bi và ci cho một số độ cao với độ ẩm tương đối là 60% Có thể nhận thấy rằng ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất (hệ số ci) là các hằng số tương đối theo độ cao và ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ (hệ số ai) giảm dần với độ cao nhưng ảnh hưởng của áp suất hơi nước (hệ số bi) tăng theo độ cao Do đó, các yêu cầu về độ chính xác của cảm biến đối với độ ẩm tăng lên khi độ cao được tăng lên

Hình 1.4 Mức độ chính xác được mong đợi trong phép đo chỉ số khúc xạ Kết quả ở [16] đã chỉ ra, với giả thiết độ ẩm tương đối là 60% và không có sai số từ phương trình tính N, phương trình (1.3), thì sai số từ các phép đo đạc

23

khí tượng tăng theo nhiệt độ từ ±1,73 N-units (-50 0C) lên tới ±14,19 N-units (+40 0C) với các sai số khi đo áp suất (±2 mbar), nhiệt độ (±1 °C), độ ẩm tương đối (±5%) Sai số từ các quan trắc thời tiết bề mặt tăng theo nhiệt độ từ ±0,38 N-units (-50 0C) lên tới ±2.83 N-units (+40 0C) với các sai số khi đo áp suất (±1 mbar), nhiệt độ (±0,1 °C), độ ẩm tương đối (±1%)

Hình 1.4 minh họa mức độ chính xác được mong đợi khi đo chỉ số khúc xạ như một hàm của các độ chính xác cảm biến đối với điều kiện mực nước biển Giả định rằng các lỗi là phần thêm vào do đó sẽ phản ánh ở sai số tối đa Các máy có độ chính xác như nhau được hiển thị cho các độ chính xác: ± 0,1 N; ± 0,5 N; ± l, 0 N và ± 2,0 N Có thể thấy rằng sai số đo là ± l,0 N có thể được tạo bởi mỗi cảm biến nếu độ chính xác của các cảm biến không nằm trong phạm vi: ± 0,8 oC đối với cảm biến nhiệt độ, ± 3,7 mbar đối với áp suất toàn phần và ± 0,22 mbar đối với các phép đo áp suất hơi Bởi vì sai số tổng sẽ là sự kết hợp của các sai số thành phần nên độ chính xác của các cảm biến riêng lẻ sẽ phải tốt hơn đáng kể so với yêu cầu của phép đo độ khúc xạ vô tuyến

1.2.2.2 Thực hiện đo chỉ số khúc xạ vô tuyến

Đo chỉ số khúc xạ bề mặt có thể dùng dữ liệu từ các quan trắc bề mặt về nhiệt độ, áp suất và độ ẩm là các phép đo tiêu chuẩn của các dịch vụ thời tiết (weather service) trên khắp thế giới hoặc từ các hệ thống ghi nhận dữ liệu tự động Đo độ dốc chỉ số khúc xạ đối với khí quyển tầm thấp có thể sử dụng tháp đo, tháp có thể cao đến 300 m, bằng cách sử dụng nhiều cảm biến dọc theo tháp Đo chỉ số khúc xạ tầm cao sử dụng khinh khí cầu trên đó có gắn các máy thăm dò vô tuyến (radiosonde) để đo các thông số cơ bản của khí quyển là nhiệt độ, áp suất và độ ẩm Sau đó tính ra được chỉ số khúc xạ theo công thức (1.2) và công thức (1.3) Kết quả của phép đo chỉ số khúc xạ theo phương pháp này không khả quan khi nhiệt độ và độ ẩm thấp, được đánh giá có ý nghĩa rất nhỏ nếu độ ẩm tương đối dưới 15% ở nhiệt độ 200C, hoặc 20% ở nhiệt độ 00C, hoặc