Trên cơ sở phân tích các công cụ tính toán theo Khuyến nghị ITU-R PI.372-6 và ITU-R P.368-7, phần mềm NOISEDAT, GRWAVE, và đề xuất phương pháp xác định giới hạn vùng biển A2 và tính toán
Trang 1Phương pháp xác định giới hạn vùng biển A2 trong GMDSS
TS Trần Xuân Việt
Bài viết phân tích đặc điểm truyền sóng trong vùng biển A2 Trên cơ sở phân tích các công cụ tính toán theo Khuyến nghị ITU-R PI.372-6 và ITU-R P.368-7, phần mềm NOISEDAT, GRWAVE, và đề xuất phương pháp xác định giới hạn vùng biển A2 và tính toán vùng phủ sóng cho một số đài duyên hải MF của Việt Nam
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
GMDSS (Global Maritime Distress and Safety System), Hệ thống thông tin an toàn và cứu nạn hàng hải toàn cầu được Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO) đề xướng và phát triển, với sự tham gia của các quốc gia thành viên và sự hợp tác của tổ chức quốc tế khác như: Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU), Tổ chức Thông tin Di động quốc tế (INMARSAT), Hệ thống vệ tinh trợ giúp tìm kiếm cứu nạn (COSPAS- SARSAT)
Các chức năng thông tin của GMDSS có thể phân làm ba nhóm lớn:
- Thông tin phục vụ mục đích tìm kiếm và cứu nạn trên biển
- Thông tin phục vụ mục đích an toàn hàng hải
- Thông tin phục vụ mục đích thương mại, khai thác và quản lý đội tàu
GMDSS đảm bảo thông tin hàng hải trên toàn cầu với sự phân chia thành 4 vùng hoạt động của tàu biển như sau:
- Vùng biển A1 là vùng biển được phủ sóng bởi ít nhất một đài bờ VHF - thoại, có trực canh báo động liên tục bằng phương thức DSC (Digital Selective Calling) Thông tin thoại dải tần VHF truyền lan theo phương thức truyền thẳng, nên cự ly thông tin thường nằm trong khoảng 20-30 hải lý
- Vùng biển A2 là vùng biển nằm ngoài A1, được phủ sóng bởi ít nhất một dải bờ MF- thoại,
có trực canh báo động liên tục bằng phương thức DSC Thông tin thoại dải tần MF truyền lan theo phương thức sóng đất, nên cự ly thông tin nằm trong khoảng 100-150 hải lý
- Vùng biển A3 là vùng biển, nằm ngoài các vùng A1 và A2, được phủ sóng bởi các vệ tinh địa tĩnh trong hệ thống INMARSAT Vùng phủ sóng của các vệ tinh thông tin địa tĩnh trong khoảng từ 70 vĩ độ Bắc đến 70 vĩ độ Nam
- Vùng biển A4 là vùng biển nằm ngoài các vùng A1, A2 và A3 Đó là vùng biển gần hai cực trái đất
Việt Nam là một nước thành viên của IMO, với hơn 3000 km chiều dài bờ biển, nằm ở vùng
vĩ tuyến thấp (từ 10o Bắc đến 23o Bắc), vùng thông tin qua vệ tinh địa tĩnh INMARSAT có độ tin cậy cao Vị trí địa lý và các yếu tố kinh tế kỹ thuật đó ảnh hưởng lớn đến quy hoạch tổng thể hệ thống thông tin hàng hải của Việt Nam
Một trong các giải pháp quy hoạch tổng thể hệ thống thông tin hàng hải của Việt Nam trong
Hệ thống GMDSS [4] là thiết lập vùng biển A2, đảm bảo thông tin mặt đất ở dải sóng MF
như là một trong các phương thức quan trọng trong thông tin hàng hải của Việt Nam
2 ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG TRONG VÙNG BIỂN A2
Vùng biển A2 là vùng biển nằm trong vùng phủ sóng của ít nhất một đài MF thoại có trực canh liên tục DSC Các phương thức thông tin an toàn và cứu nạn hàng hải sử dụng trong vùng biển A2 gồm:
- Phương thức thoại đơn biên (SSB) tần số 2182 kHz,
- Phương thức DSC tần số 2187,5 kHz và
- Phương thức NBDP tần số 2174,5 kHz
Thủ tục khai thác thông tin mặt đất trong hệ thống GMDSS quy định như sau: các thông tin
an toàn và cứu nạn được loan báo bằng phương thức DSC, sau đó sử dụng hoặc phương thức thoại, hoặc phương thức NBDP (Narrow band Direct Printing) để trao đổi thông tin tiếp theo
Trang 2Các phương thức DSC và NBDP là các phương thức thông tin số, trong dải tần MF, HF có tốc
độ truyền tin chậm (100bps), dải thông hẹp (dưới 500 Hz), lại sử dụng các phương thức kiểm soát lỗi (ARQ hoặc FEC), nên thiết bị thu thường có độ nhạy cao, ảnh hưởng của tạp âm vô tuyến nhỏ, cự ly thông tin lớn hơn so với phương thức thoại Vì vậy, cự ly thông tin trong vùng biển A2 được quyết định bởi cự ly thông tin bằng phương thức thoại, với cùng công suất phát và điều kiện truyền sóng trên biển
Thông tin trong vùng biển A2 là thông tin nhiều chiều, tàu-bờ, bờ-tàu và tàu-tàu Thông thường, thông tin theo chiều bờ-tàu có cự ly lớn hơn vì máy phát đài bờ cho phép thiết kế với công suất phát lớn hơn, mặt khác điều kiện mặt bằng ở đài bờ cho phép sử dụng anten kích thước phù hợp với điều kiện bức xạ tối ưu Do đó, cự ly thông tin theo chiều tàu-bờ (nhỏ hơn)
sẽ quyết định cự ly thông tin hai chiều trong vùng biển A2
Thường thì sóng trung truyền lan bằng hai phương thức: sóng đất và sóng trời, tuy nhiên sóng đất được xem là phương thức chủ yếu và ổn định hơn Điều kiện truyền sóng trung thay đổi theo thời gian trong ngày và tính chất điện của mặt đất trên đường truyền Sự giao thoa giữa sóng đất và sóng trời làm biến đổi cường độ trường tại điểm thu Đó là hiện tượng pha đinh
Để làm giảm ảnh hưởng của pha đinh đến sự thăng giá của cường độ trường tại điểm thu, người ta có thể dùng anten có hướng tính cao trong mặt phẳng đứng, nghĩa là anten bức xạ năng lượng tập trung mạnh theo hướng mặt đất Với hướng tính của anten như vậy, thành phần sóng trời sẽ giảm, còn thành phần sóng đất sẽ được tăng cường, và miền pha đinh do giao thoa giữa sóng trời và sóng đất sẽ lùi xa đài phát hơn và mức độ thăng giáng tín hiệu thu cũng giảm đi Đối với anten đơn cực đặt thẳng đứng trên mặt đất, tỷ số độ dài anten trên bước sóng tối ưu để hạn chế hiện tượng pha đinh là 0,53 Ở dải 2 MHz điều kiện đó khó đạt được đối với một anten phát lắp đặt dưới tàu biển Vì vậy, cần phải tính tới yếu tố ảnh hưởng của hiện tượng pha đinh trong điều kiện truyền sóng theo chiều thông tin từ tàu tới bờ
Trên cơ sở đó, Nghị quyết A801 (19) ngày 23/11/1995 của IMO đã đưa ra các quy định thiết lập vùng biển A2 như sau:
- Cự ly thông tin ở dải sóng 2MHz bị giới hạn bởi công suất bức xạ cũng như điều kiện truyền sóng và tạp âm khí quyển, các yếu tố này thay đổi theo vị trí địa lý và thời gian trong ngày
- Về lý thuyết, cự ly thông tin được tính toán với điều kiện truyền lan sóng đất trên mặt biển, theo Khuyến nghị ITU-R P.368-7 (Ground-Wave Propagation Curves for Frequency between
10 kHz and 30 MHz)
- Mức tín hiệu nhỏ nhất ở điểm thu phải đảm bảo lấn áp tạp âm và được tính toán theo Khuyến nghị ITU-R PI.372-6 (Radio Noise)
- Vùng biển A2 là vùng biển nằm trong một vòng tròn bán kính B (hải lý) có tâm là vị trí đặt anten thu của đài bờ và ngoài vùng biển A1
Bán kính B có thể xác định cho mỗi đài bờ với các điều kiện sau:
- Phương thức thông tin: thoại đơn biên (J3E)
- Công suất phát đài tàu: 60W
- Hiệu suất anten đài tàu: 25%
- Phương thức truyền sóng: sóng đất
- Tần số: 2182 kHz
- Dải thông: 3kHz
- Độ dự trữ pha đinh: 3dB
- Tỷ số S/N (RF): 9dB (voice)
Cự ly thông tin vùng biển A2 phải được thẩm định thực tế bằng việc đo cường độ trường
3 PHÂN TÍCH CÁC CÔNG CỤ TÍNH TOÁN
a Khuyến nghị ITU-R.PI.372 - 6 và phần mềm NOISEDAT
Trang 3Khuyến nghị ITU-R PI.372-6 là phiên bản được ITU đưa ra năm 1994 Nội dung cơ bản của Khuyến nghị là trình bày các đặc tính của các loại tạp âm và giá trị ước tính của tạp âm các điều kiện khác nhau, như: dải tần, băng thông, vị trí địa lý, thời gian
Phân loại tạp âm
Tạp âm là những tín hiệu không mong muốn hoặc không cần thiết trong hệ thống thông tin,
nó luôn là yếu tố hạn chế hiệu quả thông tin Có nhiều nguồn tạp âm, ngoài tạp âm nội bộ của
hệ thống thông tin, các nguồn tạp âm bên ngoài có thể kể đến là:
- Tạp âm khí quyển: bức xạ từ các nguồn sáng, các tầng khí quyển
- Tạp âm vũ trụ: bức xạ từ các thiên thể trong vũ trụ
- Tạp âm nhân tạo: bức xạ từ các thiết bị điện, điện tử, các đường truyền điện năng
Ở đây chưa kể đến các loại nhiễu vô tuyến cùng kênh hoặc xuyên kênh trong các hệ thống thông tin vô tuyến liên kênh, liên vùng
Đối với chấn tử nửa sóng trong không gian tự do, cường độ trường tạp âm được tính theo: En=Fa+20logf + ∆ - 99 [dB (µV/m)] (1)
Trong đó, Fa là hệ số tạp âm (dB); f(MHz) là tần số trung tâm tín hiệu; ∆ là dải thông tín hiệu (dB/Hz)
Như vậy, từ giá trị ước tính của hệ số tạp âm Fa (dB), có thể xác định giá trị tương ứng của
En
Ước tính giá trị Fa
Các nội dung tiếp theo của Khuyến nghị ITU-R PI 372-6 trình bày các phương pháp ước tính giá trị Fa từ các số liệu thực nghiệm đo đạc ở nhiều vùng địa lý khác nhau trên thế giới với thời gian là một năm Các giá trị này được cho dưới dạng các bản đồ phân bố theo mùa và theo thời gian trong ngày
Phần mềm NOISEDAT
Các đặc tính của tạp âm vô tuyến và cơ sở dữ liệu (CSDL) trong toàn bộ Khuyến nghị ITU- R
PI 372.- 6 được tính toán tự động hoá bằng phần mềm NOISEDAT Phần mềm NOISEDAT,
phiên bản 2.0, có thể được tải từ địa chỉ: http/www itu.itnt/brgs/sg3/databank
Phần mềm NOISEDAT là trình ứng dụng để tính giá trị tạp âm vô tuyến khí quyển, tạp âm nhân tạo, tạp âm vũ trụ và giá trị tạp âm tổng cộng phù hợp với các đặc tính và cơ sở dữ liệu trong Khuyến nghị ITU-R PI.372-6 NOISEDAT được viết bằng ngôn ngữ FORTRAN, sau khi dịch thành trình ứng dụng, chương trình chạy trên nền hệ điều hành DOS, với dung lượng chương trình chưa đến 300 KB
Gói phần mềm NOISEDAT có 15 tệp
- 3 tệp chương trình: NOIS1, EXE, NOIS2, NOIBW.EXE
- 3 tệp chương trình nguồn: NOIS1 FOR, NOIS2.FOR, NOISBW.FOR
- 4 tệp CSDL các tham số phụ của 4 mùa: VD COF1, VDCOF2, VDCOF3, VDCOF4
- Tệp NOISEDAT.DOC hướng dẫn sử dụng phầm mềm
Khi chạy chương trình, phần mềm tự sinh thêm các tệp ghi số liệu đầu ra là: NOIS.LST và NOISBW OUT Có thể ghi toàn bộ các tệp trên hoặc những tệp lựa chọn cho ứng dụng cụ thể vào một thư mục có tên là NOISEDAT, chạy trên nền hệ điều hành MSDOS
Các tệp chương trình NOIS1.EXE và NOIS2.EXE dùng để tính các giá trị tạp âm khí quyển, tạp âm nhân tạo và tạp âm vũ trụ theo Khuyến nghị ITU-R PI.372-6 Sự khác nhau duy nhất giữa 2 tệp này là tên tệp xuất dữ liệu ra
Tệp chương trình NOISBW.EXE cung cấp toàn bộ các tham số liên quan đên tạp âm khí quyển, bao gồm cả Vd và σ Vd Dữ liệu ra ghi vào tệp NOISBW.OUT
Khi chạy chương trình trên nền hệ điều hành MS DOS, trong thư mục NOISEDAT, gõ NOIS1, NOIS2 hoặc NOISBWW (tuỳ chọn ứng dụng) Chương trình yêu cầu đưa các tham số vào theo từng bước và kết quả tính toán được đưa ra các tệp đầu ra tương ứng
Trang 4b Khuyến nghị ITU-RP.368-7 và phần mềm GRWAVE
Khuyến nghị ITU-R P.368-7 là phiên bản được ITU đưa ra năm 1992, với tiêu đề: Đồ thị truyền lan sóng đất trong dải tần từ 10kHz đến 30 MHz (Ground-Wave Propation Curves for
Frequencies between 10 kHz and 30 MHz)
Nội dung cơ bản của Khuyến nghị là đưa ra các đồ thị biểu diễn quan hệ giữa cường độ trường tín hiệu và khoảng cách, trong phương thức truyền lan sóng đất với các tần số khác nhau trong dải sóng dài, trung, ngắn, và với các tính chất điện của các chất đất khác nhau Khuyến nghị có 3 phần
- Phần 1: Đồ thị tính toán truyền lan sóng đất trong miền đất đồng nhất
- Phần 2: Đồ thị tính toán truyền lan sóng đất qua các miền đất không đồng nhất
- Phần 3: Là lời ghi chú rằng: công cụ tính toán để thiết lập các đồ thị trong các phần mềm trên là phần mền GRWAVE
Phần mềm GRWAVE
Phần mềm GRWAVE là trình ứng dụng để tính toán cường độ trường sóng đất ở dải tần từ 10
kHz đến 30 MHz GRWAVE, có thể được tải từ địa chỉ: htttp//ww.itu.int/brgs/sg3/databanks
Phần mềm GRWAVE được viết bằng ngôn ngữ Fortran, sau khi dịch thành trình ứng dụng, chương trình chạy trên nền hệ điều hành DOS, dung lượng chương trình khoảng 300KB Gói phần mềm Grwave có 3 tệp:
- Chương trình chính: Grwave.exe
- Chương trình nguồn: Grwave.For
- Hướng dẫn sử dụng: Grwusr.man
- Cách sử dụng chương trình Grwave được trình bày trong Grwusr.man
4 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN VÙNG BIỂN A2 CỦA MỘT ĐÀI DUYÊN HẢI MF
Từ việc phân tích các công cụ tính toán trên, bài toán tính cự ly phủ sóng vùng biển A2 của một đài bờ MF, được phát biểu như sau:
Từ vị trí đặt anten thu của một đài bờ MF xác định, tính bán kính B (hải lý) của vòng tròn giới hạn biên của vùng biển A2 tương ứng, với các điều kiện cụ thể là:
- Tần số: 2182MHz; dải thông ∆: 3000Hz hay ∂ = 10 lg∆ = 34,77 dB (Hz)
- Phương thức: sóng đất; phân cực sóng: Thẳng đứng; loại anten: đơn cực, thẳng đứng
- Tính chất điện chất đất: mặt biển, độ mặn trung bình, σ = 5 (S/m), ε' = 70
- Công suất phát: 60w, hiệu suất anten phát: 25%
- Tỷ số S/N (RF): 9 dB; độ dự trữ pha đinh: 3dB
a, Sử dụng phần mềm Grwave, xác định bán kính B:
Bán kính B là hàm phụ thuộc nhiều tham số:
B = f(σ, ε', f, Es')
Trong đó:
- Các tham số σ, ε', f là xác định
- Es' - Cường độ trường yêu cầu tương đương
Grwave tính cường độ trường theo khoảng cách với công suất bức xạ của đài phát là 1kw, Es’
là cường độ trường tại khoảng cách B tới đài phát Trong khi đó, công suất bức xạ của đài phát chỉ là: 60W x 25% = 0,015 kW, cường độ trường tại cùng khoảng cách B sẽ đạt được là
Es, nhỏ hơn Es' Quan hệ giữa Es và Es' xác định như sau:
( )kW P Es
Es= ' Hay tính theo dB:
Es = Es' + 10 lg P(kw) = Es' + 10lg 0,015 = Es' - 18,24 Tức là: Es' = Es + 18,24 (dB) (2)
Như vậy, để xác định được Es’ cần xác định được Es
Trang 5b, Es là cường độ trường cực tiểu tại điểm cách đài phát tàu khoảng cách B
Giá trị này phải đủ lấn áp tạp âm tại điểm thu, với tỷ số S/N (RF) là 9dB, và tính tới cả yếu tố pha đinh, cần phải có độ dự trữ là 3dB, do vậy có thể xác định Es từ En:
Es = En + 9 + 3 = En + 12 (dB) (3)
Trong đó, En là giá trị cường độ trường tạp âm cực đại (theo thời gian) tại điểm thu, điểm đặt anten thu của đài bờ: En = max {Ent}; Ent là giá trị thống kê của cường độ trường tạp âm ứng với các thời gian trong một năm tại điểm thu, và được tính theo:
Ent = Fa + 20 lgf (MHz) + ∂ - 95,5(dB) (4)
Thay các giá trị: f = 2,182 MHz và ∂ = 10 lg∆ = 10lg 3000 = 34,77dB, ta được:
Ent = Fa - 53,95 (dB)
Các giá trị Fa tương ứng được tính toán trên cơ sở phần mềm Noisedat, với các tham số vị trí đài bờ
c Thuật toán tính bán kính phủ sóng vùng biển A2 của một đài bờ
Từ các phân tích trên, thuật toán tính bán kính phủ sóng vùng biển A2 của một đài bờ theo các bước sau:
Bước 1: Sử dụng phần mềm Noisedat tính hệ số Fa ứng với vị trí đặt anten thu đài bờ, ứng với
tất cả các khối thời gian trong ngày và các mùa trong một năm Mỗi giá trị Fa sẽ xác định được một giá trị Ent tương ứng Giá trị cực đại của các giá trị Ent được gán cho En, và từ đó xác định được Es và Es' (theo các công thức 2 4)
Bước 2: Sử dụng phầm mềm Grwave tính toán khoảng cách B tương ứng với giá trị Es' với
các tham số:
- Tần số: 2,182MHz
- Tính thô: gán dmin = 100km, dmax = 400km, dstep = 10km
- Tính chi tiết: Gán dmin và dmax lệch nhau 10km và xung quanh giá trị gần nhất tương ứng với Es' trong bước tính thô, với dstep = 1km
Đọc giá trị d gần nhất tương ứng với giá trị Es', với sai số tính ở bước này là 1km Đó chính là giá trị B cần tính
Lưu đồ thuật toán được trình bày như Hình 1
5 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÙNG PHỦ SÓNG CỦA MỘT SỐ ĐÀI BỜ MF CỦA VIỆT NAM
Bắt đầu
Nhập vị trí Đài bờ
Tính En
Tính Es
Tính bán kinh B
Kết thúc
Sử dụng phần mềm Noisedat
Áp dụng tiêu chuẩn A801
Sử dụng phần mềm Grwave
En : Giá trị tạp âm
vô tuyến cực đại
Es : Cường độ trường yêu cầu
B : Bán kính vùng biển A2
Hình 1
Trang 6Bán kính phủ sóng các đài bờ MF được tính toán theo phương pháp đã đề xuất ở phần 4 Kết quả tính toán đối với một số đài MF của Việt Nam được đưa ra trong bảng 1
Bảng 1: Bán kính vùng phủ sóng vùng biển A2 của một số đài bờ MF Việt Nam
Đài MF Vĩ độ Bắc Kinh độ Đông B (km) Giá trị Giá trị B (hải lý)
Hải Phòng 20044 106044 250 135
Đà Nẵng 16005 108013 199 107 Nha Trang 12015 109012 180 97 Vũng Tàu 10019 107004 188 101
6 KẾT LUẬN
Việc tính toán phủ sóng vùng biển A2 được dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn hướng dẫn của IMO theo Nghị quyết A.704 về cung cấp dịch vụ viễn thông trong hệ thống GMDSS và cách tính toán theo Khuyến nghị ITU-R P.368-7 về tạp âm vô tuyến (phần mềm Noisedat) và khuyến nghị ITU-R PI.372-6 về tính toán truyền lan sóng đất (phần mềm Grwave)
Phương pháp tính toán phủ sóng vùng biển A2 được sử dụng ở đây dựa trên CSDL về phân
bố tạp âm vô tuyến toàn cầu do ITU đo đạc thực nghiệm một số vị trí địa lý và dự báo số liệu cho các vị trí khác Do đó, kết quả tính toán chỉ có thể coi là thiết kế sơ bộ, kết quả đo lường thực nghiệm cường độ trường mới có tính ứng dụng thực tế
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phan Anh, Lý thuyết và kỹ thuật anten, NXB KHKT, Hà Nội 1998
[2] Phan Anh, Trường điện từ & truyền sóng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2000
[3] Trần Đắc Sửu (chủ biên), Trần Xuân Việt, , Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước,
KHCN 10-03, Hải Phòng, 1999
[4] Trần Xuân Việt, Nghiên cứu thiết lập hệ thống thông tin hàng hải Việt Nam trong hệ thống
GMDSS, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, Học viện KTQS, 2000
[5] Grwave software, Version 4.0, 1990,/http://www.itu.int/brgs/sg3/databanks
[6] Noisedat software, Version 2.0, 1993.1990, /http://www.itu.int/brgs/sg3/databanks
[7] GMDSS handbook./IMO, London, 1995
[8] Resulation A.704 (17), “Provision of Radio Services for GMDSS)/ IMO”, November 1991
[9] Recommendation P.368-7, Ground-Wave Propagation Curves for Frequencies between 10kHz
and 30 MH/ITU Radiocommunication, Bereau, 1992
[10] Recommendation PI.372-6, Radio Noise/ ITU, Radiocommunication Bureau, 1994