Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:187

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông "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" trình bày các nội dung chính sau: Nghiên cứu tổng quan ảnh hưởng của khí quyển đến truyền sóng vô tuyến; Giải pháp xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến; Giải pháp xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển sử dụng số liệu bóng thám không.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: 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 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
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 i
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 ii
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 iii
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 KHÔNG.............................................................................................................. 70 3.1. Phương pháp bóng thám không ................................................................... 70 3.2. Xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội sử dụng số liệu bóng thám không ....................................................................... 72 3.2.1. Giải pháp thực hiện ................................................................................... 72 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 iv
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 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG STT Ký hiệu Mô tả 1 𝜌 Mật độ điện tích toàn phần 2 1/a Độ cong của trái đất 3 1/𝜌 Độ cong của tia sóng 4 a Bán kính trái đất 5 ai Hệ số ảnh hưởng của nhiệt độ 6 as Đường kính hạt 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 12 e Áp suất hơi nước 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 vi
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 𝜌 Bán kính cong của tia sóng 42 𝜑 Góc tới của tia sóng so với phương nằm ngang vii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 1 BeyDou BeiDou Navigation Hệ thống vệ tinh dẫn Satellite System đường Bắc Đẩu (Trung Quốc) 2 CDAAC COSMIC Data Analysis Trung tâm lưu trữ và phân and Archive Center tích dữ liệu COSMIC 3 CDL Common Data Language Ngôn ngữ dữ liệu chung 4 COSMIC Constellation Observing Hệ thống quan sát chòm System for Meteorology, sao cho khí tượng, tầng Ionosphere, and Climate 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 Hệ thống vệ tinh dẫn Satellite System đường Galileo (Châu Âu) 9 GLONASS Globalnaya Hệ thống vệ tinh dẫn Navigatsionnaya đường toàn cầu (Liên bang Sputnikovaya Sistema Nga) 10 GMT Greenwich Mean Time Giờ chuẩn Greenwich 11 GNSS Global Navigation Satellite Hệ thống vệ tinh dẫn System đường toàn cầu 12 GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu (Hoa Kỳ) 13 ICAO International Civil Aviation Tổ chức Hàng không Dân Organization dụng Quốc tế 14 ITU International Liên minh Viễn thông Telecommunication Union Quốc tế viii
STT Chữ viết tắt Tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 15 ITU-R ITU Radiocommunication Bộ phận Thông tin vô Sector tuyến của ITU 16 LEO Low Earth Orbit Quỹ đạo trái đất thấp 17 LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng 18 NASA National Aeronautics and Cơ quan Hàng không và Space Administration Vũ trụ Quốc gia (Hoa Kỳ) 19 netCDF Network Common Data Định dạng dữ liệu chung Format mạng 20 NOAA National Oceanic and Cục quản lý Khí quyển và Atmospheric Đại dương Quốc gia (Hoa Administration Kỳ) 21 OTH Over-The-Horizon Vượt qua đường chân trời 22 PD Path Delay Trễ đường truyền 23 RO Radio Occultation Cắt lớp vô tuyến 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 27 wetPrf Wet Profile Mặt cắt ẩm 28 WMO World Meteorological Tổ chức khí tượng thế giới Organization 29 ZTD Zenith Tropospheric Delay Trễ thiên đỉnh tầng đối lưu ix
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 thẳng. ................................................................................................................... 34 Hình 1.12. Quỹ đạo tia sóng trong các điều kiện khí quyển khác nhau ở mô hình trái đất thực.......................................................................................................... 35 Hình 1.13. Quỹ đạo tia sóng trong các điều kiện khí quyển khác nhau ở mô hình trái đất phẳng. ...................................................................................................... 35 Hình 1.14. Quan hệ giữa hệ số ke và độ dài tuyến truyền sóng (nguồn khuyến nghị ITU-R. P.530 [74]). ..................................................................................... 37 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 x
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 Hình 2.20. Hệ số k năm 2014. ............................................................................. 67 Hình 2.18. Độ dốc khúc xạ vô tuyến năm 2015.................................................. 67 Hình 2.21. Hệ số k năm 2015. ............................................................................. 67 Hình 2.19. Độ dốc khúc xạ vô tuyến năm 2016. ................................................ 67 Hình 2.22. Hệ số k năm 2016. ............................................................................. 67 xi
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 xii
Hình 3.20. Độ dốc khúc xạ vô tuyến năm 2017.................................................. 82 Hình 3.23. Hệ số k năm 2017. ............................................................................. 82 Hình 3.21. Độ dốc khúc xạ vô tuyến năm 2018.................................................. 82 Hình 3.24. Hệ số k năm 2018. ............................................................................. 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 xiii
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 xiv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. So sánh các phương pháp xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến. ............ 20 Bảng 1.2. Các hằng số của khí quyển. ................................................................ 21 Bảng 1.3. Giá trị G và k....................................................................................... 28 Bảng 1.4. Giá trị k và G....................................................................................... 28 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 xv
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 1
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 2
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 3