BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN VIỆN VẬT LÝ ĐỊA CẦU ------------ Họ và tên tác giả luận án:
TRẦN THỊ LAN
TÊN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN
NGHIÊN CỨU NỒNG ĐỘ ĐIỆN TỬ TỔNG CỘNG, ĐẶC TRƯNG GRADIENT TẦNG ĐIỆN LY VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CHÚNG TỚI QUÁ TRÌNH TRUYỀN TÍN HIỆU VỆ TINH GPS Ở KHU VỰC VIỆT NAM
LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
HÀ NỘI - 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN VIỆN VẬT LÝ ĐỊA CẦU ------------ Họ và tên tác giả luận án:
TRẦN THỊ LAN
TÊN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN
NGHIÊN CỨU NỒNG ĐỘ ĐIỆN TỬ TỔNG CỘNG, ĐẶC TRƯNG GRADIENT TẦNG ĐIỆN LY VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CHÚNG TỚI QUÁ TRÌNH TRUYỀN TÍN HIỆU VỆ TINH GPS Ở KHU VỰC VIỆT NAM
Chuyên ngành: Vật lý địa cầu Mã số: 62 44 01 11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
Phản biện 1: PGS. TS. Đinh Văn Trung
Phản biện 2: PGS. TS. Đỗ Đức Thanh
Phản biện 3: TS. Dương Chí Công
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. Lê Huy Minh, Viện Vật lý Địa cầu Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam 2. TS. Patrick Lassudrie-Duchesne
Trường Đại học Viễn thông quốc gia Brest, Pháp HÀ NỘI – 2015
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu này là của riêng tôi, được thực hiện
tại Viện Vật lý Địa cầu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, không
sao chép của ai. Tất cả các số liệu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được
công bố ở bất kỳ công trình nào.
Tác giả của luận án
i
Trần Thị Lan
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới Tiến
sĩ Lê Huy Minh, Viện Vật lý Địa cầu, người đã tận tình hướng dẫn từ những ngày
đầu tiên khi tôi bước chân vào làm việc tại Đài Điện ly Phú Thụy. Trong toàn bộ
thời gian làm luận án, Tiến sĩ Lê Huy Minh luôn giúp đỡ và sẵn sàng thảo luận về
các kết quả nghiên cứu đạt được của tôi, kịp thời động viên tôi vượt qua những khó
khăn trong cả quãng thời gian dài đã qua.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Tiến sĩ Patrick Lassudrie-Duchesne và
TSKH Christine Amory-Mazaudier đã giúp đỡ để tôi có điều kiện thực hiện chuyến
công tác làm việc tại Trường Đại học Viễn thông quốc gia Brest, chuẩn bị những
kiến thức cơ bản cho việc thực hiện luận án. Tôi cũng chân thành cám ơn Tiến sĩ
Rolland Fleury, giảng viên Trường đại học viễn thông quốc gia Brest, Pháp, đã tận
tình giúp đỡ việc hoàn thiện chương trình tính toán mật độ điện tử tổng cộng tầng
điện ly từ số liệu GPS.
Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè đồng nghiệp tại Đài Điện ly và Phòng Địa
từ cũng như các bạn bè đồng nghiệp của Viện Vật lý Địa cầu luôn khuyến khích,
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.
Hà Nội, ngày tháng năm 2015
ii
Trần Thị Lan
MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU………………………………………………………….…………... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU…………… 6
1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới……………………………….. 6
1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước………………………………... 15
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ TẦNG ĐIỆN LY VÀ HỆ THỐNG
19 ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU
2.1 Tầng điện ly của Trái Đất................................................................... 19
2.1.1 Tầng điện ly và các lớp................................................................... 19
2.1.2 Lý thuyết hình thành các lớp điện ly và phân bố điện tử thẳng
đứng .................................................................................................................... 23
2.1.2.1 Sự hình thành các lớp điện ly…………………………… 23
2.1.2.2 Hợp phần ion trong tầng điện ly...……………………… 27
2.1.2.3 Hàm sinh ion của Chapman............................................... 29
2.1.3 Truyền sóng radio qua tầng điện ly……………………………… 31
2.1.4 Hoạt tính Mặt Trời……………………………………………..... 33
2.1.5 Tầng điện ly vùng xích đạo và nhiễu loạn điện ly……….............. 36
2.1.5.1 Tầng điện ly vùng xích đạo ……………………………. 36
2.1.5.2 Lớp E rời rạc (Sporadic E)……………………............... 38
2.1.5.3 Vết lớp F trải rộng (Spread-F)………………………….. 38
2.1.5.4 Các nhiễu loạn điện ly………………………………….. 39
2.2 Hệ thống định vị toàn cầu và cơ sở phân tích số liệu GPS 42
2.2.1 Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu............................................... 42
2.2.1.1 Bộ phận không gian…………………………………...... 43
2.2.1.2 Bộ phận điều khiển……………………………………… 45
2.2.1.3 Bộ phận sử dụng………………………………………… 45
2.2.2 Tín hiệu GPS……………………………………………………... 46
2.2.3 Khả năng quan sát của GPS……………………………………… 48
iii
2.2.3.1 Giả khoảng cách (code)…………………………………. 48
2.2.3.2 Quan sát pha mang (Carrier phase)……………………... 49
2.2.3.3 Quan sát Doppler ………………………………………. 50
2.2.4 Các nguồn lỗi của tín hiệu GPS………………………………….. 50
2.2.5 Ảnh hưởng của tầng điện ly lên tín hiệu GPS……………………. 53
2.2.5.1 Sự trễ nhóm – sai số khoảng cách tuyệt đối…………….. 54
2.2.5.2 Sự sớm pha – sai số khoảng cách tương đối…………..... 55
2.2.5.3 Sự trôi dạt Dopler-sai số khoảng cách do dịch chuyển 57
điện ly…………………………………………………………………..
2.2.5.4 Nhấp nháy tín hiệu……………………………………… 57
CHƯƠNG 3. NỒNG ĐỘ ĐIỆN TỬ TỔNG CỘNG TẦNG ĐIỆN LY VÀ
61 QUY LUẬT BIẾN ĐỔI THEO THỜI GIAN Ở KHU VỰC VIỆT NAM
3.1 Số liệu và phương pháp nghiên cứu................................................... 61
3.1.1. Số liệu ................................................................................. 61
3.1.2. Phương pháp nghiên cứu.................................................... 65
3.1.2.1 Rút ra thông tin nồng độ điện tử tổng cộng từ máy thu
GPS hai tần số …………………………………………………………. 65
3.1.2.2 Mô hình lớp đơn và hàm vẽ…………………………….. 67
3.1.2.3 Mô hình TEC toàn cầu GIMs............................................ 69
3.1.2.4 Xác định độ trễ phần cứng máy thu và vệ tinh................. 71
3.1.2.5 Chương trình tính toán nồng độ điện tử tổng cộng từ số
liệu GPS………………………………………………………………... 75
3.2. Biến thiên theo thời gian ngày đêm của TEC khu vực Việt Nam..... 79
3.3. Biến thiên theo mùa và sự phụ thuộc vào mức độ hoạt động mặt
trời …………………………………………………………………………….. 86
3.4 Đặc trưng phân bố theo vĩ độ……………………………………… 91
CHƯƠNG 4. ĐẶC TRƯNG XUẤT HIỆN NHẤP NHÁY ĐIỆN LY KHU
VỰC VIỆT NAM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ LÊN QUÁ TRÌNH
TRUYỀN TÍN HIỆU VỆ TINH GPS ……………………………………… 103
4.1 Thiết bị và phương pháp nghiên cứu…............................................. 103
iv
4.1.1 Thiết bị………………………………………………......... 103
4.1.2 Phương pháp nghiên cứu…….............................................. 103
4.2 Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy theo thời gian trong ngày………..... 106
4.3 Đặc trưng xuất hiện theo mùa và mức độ hoạt động mặt trời............ 108
4.4 Đặc trưng xuất hiện theo không gian………………......................... 117
4.5 Sử dụng dao động pha GPS nghiên cứu sự xuất hiện nhiễu loạn
điện ly khu vực Việt Nam……………………………………………………... 121
4.6 Ảnh hưởng của nhấp nháy điện ly lên quá trình truyền tín hiệu vệ
tinh GPS ………………………………………………………………………. 128
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................... 137
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ....................................... 140
v
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 141
Danh sách hình vẽ
Hình 1.1, Bản đồ TEC toàn cầu 7
Hình 1.2, Biến thiên theo mùa và theo thời gian của giá trị TEC trung bình 9
tháng tại một số trạm ở Ấn Độ
Hình 1.3, Bản đồ phân bố nhấp nháy điện ly toàn cầu tại 23hLT theo mô hình 11
dự báo WBMOD
Hình 1.4, Thống kê nhấp nháy theo thời gian, vĩ độ và theo mùa tại Ấn Độ 13
Hình 1.5, Vị trí các máy thu đặt trong vùng xích đạo của dự án PRIS 15
Hình 1.6, Vị trí ba máy thu GPS tại Việt Nam và vết vệ tinh quan sát tại độ 17
cao 400 km trên tầng điện ly
Hình 2.1, Sơ đồ tầng khí quyển và các lớp điện ly của Trái Đất 20
Hình 2.2, Hợp phần khí quyển và tầng điện ly trong thời gian ngày dựa trên 27
phép đo phổ kế khối lượng và vệ tinh
Hình 2.3, Phân bố tuyến mật độ thẳng đứng của lớp Chapman và tốc độ sinh 31
ion Chapman theo góc thiên đỉnh Mặt Trời từ 0o đến 85o với bước thay
đổi 5o
Hình 2.4, Mô hình truyền sóng qua tầng điện ly 32
Hình 2.5, Số vết đen mặt trời trung bình tháng từ năm 1965 đến 2014 34
Hình 2.6, Tọa độ và vị trí trạm quan sát Dst 35
Hình 2.7, Biến thiên của chỉ số Dst từ ngày 12/04 đến ngày 17/04/2006 36
Hình 2.8, Hiệu ứng vòi phun xích đạo 37
Hình 2.9, Mô hình Dynamo nhiễu loạn điện ly 40
Hình 2.10, Các bộ phận trong hệ thống GPS 42
Hình 2.11, Vệ tinh GPS và quỹ đạo bay trong 6 mặt phẳng nghiêng 55o 43
Hình 2.12, Vết các vệ tinh GPS trên mặt đất 44
Hình 2.13, Các trung tâm điều khiển GPS 45
Hình 2.14, Tín hiệu GPS 47
Hình 2.15, Thời gian truyền tín hiệu giữa vệ tinh và máy thu GPS 48
Hình 2.16, Phép đo pha trong nghiên cứu GPS 48
vi
Hình 2.17, Hiệu ứng đa đường truyền trong quan sát GPS 52
Hình 2.18, Nhấp nháy của tín hiệu vệ tinh khi truyền qua môi trường điện ly 58
nhiễu loạn về mật độ điện tử
Hình 2.19, Sự suy giảm tín hiệu trên dải tần L trong giai đoạn Mặt Trời hoạt 60
động mạnh (trái) và yếu (phải)
Hình 3.1, Hình ảnh bộ máy thu GSV4004 ở Việt Nam 62
Hình 3.2, Mô hình lớp đơn tầng điện ly 68
Hình 3.3, Ví dụ về bản đồ điện ly toàn cầu và vị trí các trạm thu GPS hiện 69
nay
Hình 3.4, Giá trị TEC tính từ mô hình toàn cầu tại Hà Nội, Huế và Tp Hồ 70
Chí Minh vào tháng 01/2010
Hình 3.5, Độ trễ thiết bị (vệ tinh+máy thu) trong tháng 10/2010 tại Hà Nội, 72
Huế và TP. Hồ Chí Minh
Hình 3.6, Giá trị TEC đã hiệu chỉnh độ trễ thiết bị của tất cả các vệ tinh nhìn 74
thấy, giá trị TEC trung bình cho từng thời điểm quan sát và TEC từ mô
hình toàn cầu trong ngày 02/01/2010 tại Hà Nội, Huế và Tp Hồ Chí
Minh.
Hình 3.7, Sơ đồ khối chương trình tính toán TEC 77
Hình 3.8, Biến thiên TECV hàng ngày trong tháng 10/2010 tại Hà Nội 78
Hình 3.9, Biến thiên ngày đêm trung bình tháng của TEC trong năm 2006 tại 80
các trạm Hà Nội, Huế và Tp Hồ Chí Minh
Hình 3.10, Biến thiên ngày đêm trung bình tháng của TEC trong năm 2007 81
tại các trạm Hà Nội, Huế và Tp Hồ Chí Minh
Hình 3.11, Biến thiên ngày đêm trung bình tháng của TEC trong năm 2008 82
tại các trạm Hà Nội, Huế và Tp Hồ Chí Minh
Hình 3.12, Biến thiên ngày đêm trung bình tháng của TEC trong năm 2009 83
tại các trạm Hà Nội, Huế và Tp Hồ Chí Minh
Hình 3.13, Biến thiên ngày đêm trung bình tháng của TEC trong năm 2010 84
tại các trạm Hà Nội, Huế và Tp Hồ Chí Minh
86 Hình 3.14 a) Biến thiên tần số f0F2 tại Phú Thụy; b) Biến thiên tần số f0F2 tại
vii
Thành phố Hồ Chí Minh
Hình 3.15, Biến thiên theo mùa trong năm 2009 và 2010 tại Hà Nội 87
Hình 3.16, Biến thiên theo mùa trong năm 2009 và 2010 tại Huế 87
Hình 3.17, Biến thiên theo mùa trong năm 2009 và 2010 tại TP. Hồ Chí 88
Minh
Hình 3.18, Sự biến đổi theo thời gian của mật độ các hợp phần khí lúc 12h00 89
LT tại độ cao 200km, trong năm 1989 theo mô hình điện ly MSIS-86
Hình 3.19, Biến thiên biên độ cực đại TEC tại a) Hà Nội, b) Huế, c) TP. Hồ 90
Chí Minh và d) Số vết đen mặt trời giai đoạn từ 2006 đến 2010
Hình 3.20, Vết của các vệ tinh với a) theo kinh độ và vĩ độ và b) theo vĩ độ 92
và thời gian trên độ cao 400 km của tầng điện ly nhìn thấy bởi các máy
thu tại Hà Nội, Huế và Tp Hồ Chí Minh ngày 29/05/2008
Hình 3.21, Bản đồ theo thời gian của TEC trung bình tháng trong năm 2006 93
khu vực Việt Nam. Khoảng cách giữa các đường đẳng trị là 2 TECu.
Hình 3.22, Bản đồ theo thời gian của TEC trung bình tháng trong năm 2007 94
khu vực Việt Nam. Khoảng cách giữa các đường đẳng trị là 2 TECu.
Hình 3.23, Bản đồ theo thời gian của TEC trung bình tháng trong năm 2008 95
khu vực Việt Nam. Khoảng cách giữa các đường đẳng trị là 2 TECu.
Hình 3.24, Bản đồ theo thời gian của TEC trung bình tháng trong năm 2009 96
khu vực Việt Nam. Khoảng cách giữa các đường đẳng trị là 2 TECu.
Hình 3.25, Bản đồ theo thời gian của TEC trung bình tháng trong năm 2010 97
khu vực Việt Nam. Khoảng cách giữa các đường đẳng trị là 2 TECu.
Hình 3.26, Số vết đen Mặt trời trung bình tháng; b) Biên độ đỉnh dị thường 99
TEC ngày đêm trung bình tháng ; c) vĩ độ đỉnh dị thường và d) thời gian
đạt cực đại, số liệu giai đoạn 2006-2010
Hình 3.27, Mô hình tổ hợp lý thuyết gió trung hòa chuyển qua xích đạo, vị trí 100
điểm gần Mặt Trời và gió thổi từ vùng cực về phía xích đạo vào thời kỳ
điểm chí với a) Hạ chí nằm ở bán cầu Bắc và b) Hạ chí nằm ở bán cầu
Nam
Hình 4.1, Giới hạn lọc biên độ nhấp nháy tương ứng với hai trường hợp tại 106
viii
trạm Huế: a) Môi trường không có nhấp nháy và b) Môi trường có nhấp
nháy.
Hình 4.2, Đặc trưng xuất hiện theo thời gian trong ngày của nhấp nháy trong 107
giai đoạn 2006 – 2010 trên cả ba trạm Hà Nội, Huế và Tp Hồ Chí Minh.
Hình 4.3, Thống kê sự xuất hiện nhấp nháy theo từng tháng trong năm và 109
theo độ lớn tại Hà Nội (trái), Huế (giữa) và Tp Hồ Chí Minh (phải) trong
giai đoạn 2006-2010
Hình 4.4, Số vết đen mặt trời và sự xuất hiện nhấp nháy theo hai mức độ lớn 110
tại Hà Nội, Huế và TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2006-2011
Hình 4.5, Biến thiên của thành phần nằm ngang H của trường địa từ tại Phú 111
Thụy, chỉ số Dst và kết quả thống kê sự xuất hiện nhấp nháy khu vực Việt
Nam trong trận bão từ ngày 11/10/2010, các mũi tên chỉ thời điểm bắt
đầu của pha đầu, pha chính và pha hồi phục của bão
Hình 4.6, Biến đổi của TEC theo vĩ độ và theo thời gian từ ngày 10 đến 112
14/10/2010. Khoảng cách giữa các đường đẳng trị là 5 TECu.
Hình 4.7, Biến thiên của thành phần nằm ngang H của trường địa từ tại Phú 113
Thụy, chỉ số Dst và kết quả thống kê sự xuất hiện nhấp nháy khu vực Việt
Nam trong trận bão từ ngày 24-25/10/2011, các mũi tên chỉ thời điểm bắt
đầu của pha đầu, pha chính và pha hồi phục của bão
Hình 4.8, Biến đổi của TEC theo vĩ độ và theo thời gian từ ngày 23 đến 114
27/10/2011. Khoảng cách giữa các đường đẳng trị là 5 TECu.
Hình 4.9,Sự thâm nhập của điện trường có nguồn gốc từ quyển xuống tầng 115
điện ly
Hình 4.10, Phân bố thống kê nhấp nháy xuất hiện theo không gian khu vực 117
Việt Nam và lân cận năm 2006
Hình 4.11, Phân bố thống kê nhấp nháy xuất hiện theo không gian khu vực 118
Việt Nam và lân cận năm 2007
Hình 4.12, Phân bố thống kê nhấp nháy xuất hiện theo không gian khu vực 118
Việt Nam và lân cận năm 2008
Hình 4.13, Phân bố thống kê nhấp nháy xuất hiện theo không gian khu vực 119
ix
Việt Nam và lân cận năm 2009
Hình 4.14, Phân bố thống kê nhấp nháy xuất hiện theo không gian khu vực 119
Việt Nam và lân cận năm 2010
Hình 4.15, Phân bố thống kê nhấp nháy xuất hiện theo không gian khu vực 120
Việt Nam và lân cận năm 2011
Hình 4.16, Thống kê xuất hiện nhấp nháy theo vĩ độ từ 2006-2011 trên cả ba 121
trạm quan sát
Hình 4.17, Phân bố nhiễu loạn điện ly toàn cầu sử dụng chỉ số ROTI từ các 123
dao động pha GPS trong trận bão từ 10/1/1997
Hình 4.18, Bản đồ dao động pha ROTI ( - ROTI < 1; - ROTI ≥1) chỉ 125
ra sự xuất hiện nhiễu loạn điện ly khu vực Việt Nam trong 5 ngày 10, 11,
12, 13 và 14/10/2010
126 Hình 4.19, Bản đồ dao động pha ROTI ( - ROTI < 1; - ROTI ≥1) chỉ
ra sự xuất hiện nhiễu loạn điện ly khu vực Việt Nam trong 5 ngày 23, 24,
25, 26 và 27/10/2011
128 Hình 4.20, Mô hình về ảnh hưởng của nhấp nháy điện ly lên tín hiệu vệ tinh
GPS
129 Hình 4.21, Nhấp nháy gây mất tín hiệu trên tần số f2 của vệ tinh thứ 23 trong
ngày 5/4/2011 tại Hà Nội
130 Hình 4.22, Thống kê nhấp nháy theo hai mức độ lớn trong tháng 10/2011 tại
Hà Nội, Huế và Tp Hồ Chí Minh
132 Hình 4.23, DOP và chùm vệ tinh nhìn thấy
134 Hình 4.24, Số vệ tinh nhìn thấy và giá trị GDOP tại a) Hà Nội, b) Huế và c)
TP. Hồ Chí Minh
135 Hình 4.25, Biên độ nhấp nháy trung bình và sai số khoảng cách tương ứng
x
(d=0,1) tại a) Hà Nội, b) Huế và c) Tp Hồ Chí Minh ngày 24/10/2011
Danh sách bảng biểu
Bảng 2.1 Các quá trình tạo và mất ion 26
Bảng 2.2 Tổng số vệ tinh GPS và tình trạng hoạt động 44
Bảng 2.3 Mô hình sai số chuẩn cho mã C/A 51
Bảng 2.4 Mối quan hệ giữa các tham số đo GPS và TEC tầng điện ly 56
Bảng 3.1: Vị trí các trạm thu GPS ở Việt Nam 61
Bảng 3.2: Các thông số thu nhận trực tiếp từ máy thu GSV4004 62
131 Bảng 4.1, Khả năng mất tín hiệu trên tần số f2
xi
Bảng 4.2, Đánh giá trị số GDOP trung bình 133
Danh sách ký tự viết tắt
1. AS: Anti-Spoofing, Chống nhái.
2. C/A code: Coarse/acquisition code, mã thu nhận/thô.
3. CAWSES: Climate and Weather Sun-Earth System, Khí hậu và Thời tiết Hệ
thống Mặt Trời-Trái Đất.
4. CODE: Center for Orbit Determination in Europe, Switzerland, Trung tâm
Xác định Quỹ đạo Châu Âu, Thụy Sỹ.
5. DCBs: Differential Code Biases, Độ lệch mã vi phân.
6. DOP: Dilution Of Precision, Giảm độ chính xác.
7. Dst: Disturbance – storm time, Chỉ số nhiễu loạn thời gian bão từ.
8. EMR: Energy, Mines and Resources, Canada, Năng lượng, Tài nguyên và
Khoáng sản, Canada.
9. ESA: European Space Agency, Germany, Cơ quan Không gian Vũ trụ Châu
Âu, Đức.
10. ESF: Equatorial Spread F, Vết lớp F trải rộng xích đạo.
11. GPS: Global Positioning System, Hệ thống định vị toàn cầu.
12. GEONET: GPS Earth Observation Network, Mạng lưới quan sát Trái Đất
bằng GPS.
13. GDOP: Geometric Dilution of Precision, Giảm độ chính xác hình học.
14. GIM: Global Ionospheric Mapping, Bản đồ điện ly toàn cầu.
15. GISM : Global Ionospheric Scintillation Model, Mô hình nhấp nháy điện ly
toàn cầu.
16. GISTM: GPS Ionospheric Scintillation & TEC Monitor, Theo dõi TEC và
nhấp nháy điện ly bằng GPS.
17. GLONASS: GLObal Navigation Satellite System, Hệ thống vệ tinh dẫn
đường toàn cầu của Nga.
18. GNSS: Global Navigation Setellite System, Hệ thống vệ tinh dẫn đường
toàn cầu.
19. IEEA: Informatique, Electromagnétisme, Electronique, Analyse numérique:
xii
Tin, điện từ, điện tử, phân tích số.
20. IGS: International GPS Service, Dịch vụ GPS quốc tế.
21. IRI: International Reference Ionosphere, Mô hình điện ly chuẩn quốc tế.
22. ISM: Ionospheric Scintillation Monitor, Theo dõi nhấp nháy điện ly.
23. JPL: Jet Propulsion Laboratory, USA, Phòng thí nghiệm Phản lực, Hoa Kỳ.
24. LSTIDs: Large-scale Traveling Ionospheric Disturbances, Các nhiễu loạn
điện ly dịch chuyển quy mô lớn.
25. LT: Local Time, Giờ địa phương.
26. MSTIDs: Medium-scale Traveling Ionospheric Disturbances, Các nhiễu
loạn điện ly dịch chuyển quy mô trung bình.
27. NASA: National Aeronautics and Space Administration, Cơ quan Hàng
không và Không gian quốc gia, Hoa Kỳ.
28. PCA: Polar Cap Absorption, Hấp thụ mũ cực.
29. PPS: Presice Positioning Service, Dịch vụ định vị chính xác.
30. PRIS : Prediction Ionospheric Scintillation, Nhấp nháy điện ly dự báo.
31. PRE: Preversal Electric Field Enhancecement, Sự gia tăng trường điện trước
khi đảo chiều.
32. PRN: Pseudo-Random Noise, Nhiễu giả-ngẫu nhiên.
33. ROT: Rate Of TEC, Tốc độ thay đổi TEC.
34. ROTI: Rate Of TEC Index, Chỉ số của tốc độ thay đổi TEC.
35. RT: Rayleigh-Taylor.
36. SSTIDs: Small-scale Traveling Ionospheric Disturbances, Các nhiễu loạn
điện ly dịch chuyển quy mô nhỏ.
37. SID: Sudden Ionospheric Disturbance, Nhiễu loạn điện ly bất ngờ.
38. TEC: Total Electron Content, Nồng độ điện tử tổng cộng.
39. TECV: Total Electron Content Vertical, Nồng độ điện tử tổng cộng thẳng
đứng.
40. TECu: Total Electron Content Unit, Đơn vị nồng độ điện tử tổng cộng.
41. TID: Traveling Ionospheric Disturbances, Các nhiễu loạn điện ly dịch
chuyển.
xiii
42. UERE: User Equivalent Range Error, Sai số khoảng cách tương đương
người sử dụng.
43. UPC: Polytechnical University of Catalonia, Spain, Trường đại học Bách
khoa Catalonia, Tây Ban Nha.
44. UT: Universal Time, Giờ quốc tế.
xiv
45. WBMOD : WideBand MODel, Mô hình dải rộng.
Mở đầu
MỞ ĐẦU
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là một hệ thống
dẫn đường bằng vệ tinh trong không gian ở mọi thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất,
được chính phủ Mỹ xây dựng và phát triển từ cuối những năm 1970 phục vụ cho
các mục đích dân sự và quân sự trong việc xác định chính xác vị trí, vận tốc và thời
gian ở khắp mọi nơi ở trên và gần mặt đất. Hệ thống gồm 24 vệ tinh (hoặc hơn),
phân bố trên 6 mặt phẳng quỹ đạo và bay xung quanh Trái đất ở độ cao khoảng
20200 km. Mỗi vệ tinh GPS truyền thông tin định vị trên hai tần số f1 (1,57542
GHz) và f2 (1,22760 GHz), một số vệ tinh GPS phóng từ 2010 được bổ xung thêm
tần số phát f5 (1,17645 GHz). Về nguyên tắc, GPS là một hệ thống đo khoảng cách
một chiều, tín hiệu được phát ra bởi một vệ tinh và thu được bởi một máy thu phù
hợp. Tín hiệu điện từ phát ra từ các vệ tinh GPS tới các máy thu trên mặt đất chịu
ảnh hưởng tán xạ của tầng điện ly và tầng khí quyển, vì thế mức độ chính xác của
phép định vị GPS phụ thuộc nhiều yếu tố: độ trễ gây bởi tầng điện ly, độ trễ gây bởi
tầng khí quyển, độ trễ đồng hồ của vệ tinh và máy thu, và nhiễu thu nhận tín hiệu...
Trong số các yếu tố này, ảnh hưởng gây bởi tầng điện ly là đáng kể nhất.
Tầng điện ly bao phủ vùng trong khoảng độ cao từ 50km tới 1500km phía
trên bề mặt Trái Đất và được đặc trưng bởi sự xuất hiện của một lượng đáng kể các
ion và electron tự do đủ để phản xạ hoặc ảnh hưởng tới các sóng điện từ truyền qua
nó. Đối với các sóng radio, tầng điện ly là môi trường tán xạ, chỉ số khúc xạ là một
hàm của tần số sóng, và hai tần số GPS sử dụng cũng bị tác động trực tiếp bởi tầng
điện ly khi truyền từ vệ tinh tới máy thu trên mặt đất. Nó gây ra sự sớm pha và sự
trễ nhóm khi tín hiệu GPS truyền qua, và mức độ ảnh hưởng tỷ lệ thuận với giá trị
nồng độ điện tử tổng cộng (Total Electron Content - TEC) trên đường truyền tín
hiệu tại thời điểm đó [46, 70, 79]. Bằng phép phân tích độ trễ giữa hai tín hiệu quan
sát sẽ cho phép rút ra thông tin về mật độ điện tử trong tầng điện ly từ số liệu máy
thu GPS hai tần số [79]. Tầng điện ly là môi trường plasma bất đồng nhất và bất
đẳng hướng, ở đó các vùng nhiễu loạn về mật độ điện tử xuất hiện ngẫu nhiên và
liên quan đến các quá trình động học diễn ra phức tạp trong tầng điện ly. Khi tín
1
hiệu GPS truyền qua một vùng nhiễu loạn về mật độ điện tử sẽ bị dao động nhanh
Mở đầu
về biên độ và pha của tín hiệu, hiện tượng này được gọi là nhấp nháy điện ly. Các
nhấp nháy làm giảm sự chính xác của phép đo khoảng cách và pha của các máy thu
GPS. Biên độ nhấp nháy mạnh đôi khi có thể gây ra sự sụt giảm công suất của tín
hiệu xuống dưới ngưỡng máy thu và do đó gây ra sự mất tín hiệu trong thời gian
quan sát. Pha nhấp nháy mạnh có thể gây ra sự trôi dạt Doppler trong tần số của tín
hiệu thu nhận và đôi khi có thể gây ra sự mất pha tín hiệu của máy thu [13, 28,
51].... và do đó sẽ ảnh hưởng tới độ chính xác trong phép đo định vị bằng GPS [34,
73, 80]. Như vậy ảnh hưởng của tầng điện ly là nguồn sai số trong phép đo đạc GPS
với mục đích định vị, nhưng lại là một nguồn số liệu quý giá cho phép nghiên cứu
tầng điện ly, và việc sử dụng tín hiệu thu được tại các máy thu GPS liên tục trên mặt
đất ở khu vực Việt Nam cho việc nghiên cứu điện ly là chủ đề của luận án này.
Xuất xứ đề tài luận án
Lãnh thổ Việt Nam nằm ở vùng vĩ độ thấp khu vực Đông Nam Á, trải dài từ vĩ độ
địa lý 8o37’30”N (chót mũi Cà Mau) tới vĩ độ địa lý 23o21’30”N (đỉnh Lũng Cú),
tương ứng trong khoảng vĩ độ từ (niên đại 2010,0) từ 0,84oN tới 16,89oN. Như vậy
xích đạo từ nằm cách chót mũi Cà Mau chưa đầy 100 km về phía Nam, và do ở vị
trí như vậy nên tầng điện ly ở khu vực Việt Nam có nhiều đặc trưng biến đổi phức
tạp hơn so với vùng vĩ độ khác liên quan tới hiệu ứng vòi phun xích đạo, hiện tượng
nhấp nháy điện ly... Trước năm 2005 mạng lưới trạm thu GPS liên tục trong vùng
còn chưa được lắp đặt và vấn đề nhấp nháy điện ly còn chưa được nghiên cứu. Từ
tháng 4/2005, trong trong khuôn khổ hợp tác giữa Viện Vật lý địa cầu (Viện Hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), Trường Đại học Tổng hợp Rennes 1 và
Trường Viễn thông Quốc gia Brest (Pháp), 3 trạm thu GPS đã được đặt tại Việt
Nam để theo dõi sự thay đổi theo thời gian của nồng độ điện tử tổng cộng và nhấp
nháy điện ly trong vùng xích đạo. Việc đặt ba trạm thu tín hiệu vệ tinh GPS liên tục
ở Hà Nội (21002’50’’N, 105047’59’’E), Huế (16027’33’’N, 107035’33’’E), và TP
Hồ Chí Minh (10050’54’’N, 106033’35’’E) đã mở ra một hướng nghiên cứu điện ly
mới ở Việt Nam so với trước đây chỉ sử dụng số liệu thăm dò thẳng đứng tầng điện
ly tại Phú Thụy và Tp. Hồ Chí Minh. Với nguồn số liệu liên tục từ ba trạm thu GPS
2
trải đều ở ba miền Bắc-Trung-Nam là một thuận lợi trong nghiên cứu tầng điện ly
Mở đầu
cho khu vực Việt Nam. Trong bối cảnh trên đề tài “Nghiên cứu nồng độ điện tử
tổng cộng, đặc trưng gradient tầng điện ly và ảnh hưởng của chúng tới quá trình
truyền tín hiệu vệ tinh GPS ở khu vực Việt Nam” được xây dựng dưới sự hướng
dẫn của TS. Lê Huy Minh (Việt Nam) và TS. Patrick Lassudrie-Duchesne (Pháp)
Mục đích và nhiệm vụ của luận án
Luận án nghiên cứu các đặc trưng biến thiên nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly,
nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam sử dụng chuỗi số liệu từ năm 2006 đến 2011
thu được từ ba máy thu GPS liên tục đặt tại Hà Nội, Huế và thành phố Hồ Chí
Minh. Với mục đích trên, luận án giải quyết những vấn đề sau:
1. Tìm hiểu phương pháp và thuật toán rút ra thông tin về tầng điện ly từ số
liệu vệ tinh GPS.
2. Nghiên cứu các đặc trưng biến đổi theo thời gian của TEC khu vực Việt
Nam như: biến thiên ngày đêm, biến thiên theo mùa và theo hoạt động mặt trời
trong giai đoạn nghiên cứu.
3. Thống kê sự xuất hiện nhấp nháy điện ly (gradient TEC) chỉ ra các các quy
luật xuất hiện theo thời gian, phân bố theo không gian, mối tương quan với mức
độ hoạt động của mặt trời và ảnh hưởng của chúng lên tín hiệu vệ tinh GPS.
Kết quả khoa học và ý nghĩa thực tiễn
1. Đây là công trình nghiên cứu lần đầu tiên ở Việt Nam về biến thiên nồng
độ điện tử tổng cộng và nhấp nháy điện ly sử dụng số liệu vệ tinh GPS.
2. Đã góp phần khẳng định về các đặc trưng biến thiên của TEC và sự xuất
hiện nhấp nháy điện ly ở khu vực Việt Nam.
3, Tạo dựng cơ sở dữ liệu quan trọng ban đầu phục vụ cho mục tiêu nghiên
cứu dự báo điện ly, nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam trong tương lai.
Các luận điểm bảo vệ
Luận điểm 1: Áp dụng phương pháp mới để xác định độ trễ thiết bị trong
phép tính nồng độ điện tử tổng cộng từ số liệu GPS. Sử dụng phương pháp tính
nồng độ điện tử đã hoàn thiện cho số liệu GPS liên tục ở Việt Nam, chỉ ra các đặc
trưng biến thiên của nồng độ điện tử tổng cộng theo thời gian, theo mùa và theo sự
3
hoạt động của Mặt Trời trong giai đoạn nghiên cứu.
Mở đầu
Luận điểm 2: Chỉ ra đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly cho khu vực Việt
Nam: quy luật xuất hiện theo thời gian ngày đêm, quy luật xuất hiện theo mùa và sự
phụ thuộc theo hoạt tính mặt trời.
Những đóng góp mới của luận án
1. Áp dụng phương pháp mới xác định độ trễ thiết bị trong phép tính nồng độ điện
tử tổng cộng từ số liệu GPS hai tần số, hoàn thiện chương trình tính nồng độ điện tử
tổng cộng tầng điện ly sử dụng phép đo giả khoảng cách.
2. Chỉ ra các đặc trưng biến thiên của nồng độ điện tử tổng cộng theo thời gian, theo
mùa và theo sự hoạt động của mặt trời. Xây dựng các bản đồ phân bố TEC theo thời
gian và vĩ độ cho khu vực Việt Nam giai đoạn 2006-2010.
3. Lần đầu tiên công bố các kết quả thống kê và chỉ ra đặc trưng xuất hiện nhấp
nháy điện ly cho khu vực Việt Nam.
Cấu trúc luận án
Luận án ngoài phần mở đầu và kết luận được chia thành 4 chương:
Chương 1 giới thiệu tổng quan về tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở
Việt Nam trong lĩnh vực của đề tài luận án.
Chương 2 giới thiệu cở sở lý thuyết về hai vấn đề: thứ nhất là tổng quan về
tầng điện ly một cách ngắn gọn, các lớp điện ly, lý thuyết hình thành và vai trò của
tầng điện ly trong quá trình truyền sóng, đặc trưng của tầng điện ly vùng xích đạo;
thứ hai là tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu, các tín hiệu GPS và các thông số
quan sát được từ hệ thống này, các nguồn gây nhiễu, và ảnh hưởng của tầng điện ly
lên tín hiệu vệ tinh GPS.
Chương 3 giới thiệu về kết quả nghiên cứu nghiên cứu nồng độ điện tử tổng
cộng ở Việt Nam bao gồm hai phần: Phần thứ nhất giới thiệu phương pháp tính giá
trị nồng độ điện tử tổng cộng từ số liệu GPS. Phần thứ hai là ứng dụng phương pháp
để tính và nghiên cứu cho tầng điện ly khu vực Việt Nam từ số liệu của ba trạm thu
GPS. Đưa ra các quy luật biến đổi TEC theo thời gian, theo mùa và theo hoạt động
của Mặt Trời trong vùng này. Bản đồ phân bố TEC cho khu vực Việt Nam theo vĩ
4
độ và thời gian cũng được xây dựng và công bố.
Mở đầu
Chương 4 giới thiệu phương pháp xử lý số liệu nhấp nháy, các kết quả thống
kê và chỉ ra đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam. Một số kết
quả bước đầu khi sử dụng dao động pha tín hiệu GPS chỉ ra hoạt động nhiễu loạn
điện ly trong khu vực và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS.
Trong phần kết luận sẽ tổng hợp lại các kết quả đạt được trong luận án, đưa
ra các kiến nghị và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.
Kết quả của luận án được công bố ở:
1) Hội nghị khoa học quốc tế về SEALION, Bangkok-Thailand, 2011.
2) Hội nghị khoa học quốc tế về Vật lý Địa cầu - Hợp tác và phát
triển bền vững, 14-17/11/2012, Hà Nội.
3) Hội nghị khoa học quốc tế GINESTRA về thăm dò và nghiên cứu
tầng điện ly vùng Châu Á - Thái Bình Dương, 24/1/2013, Hà Nội.
4) Hội nghị khoa học hàng năm của Viện Vật lý Địa cầu và đã đăng
05 bài báo trên Tạp chí Các Khoa học về Trái đất và quốc tế được
5
liệt kê trong danh mục công trình công bố của tác giả.
Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Từ những năm 1960 hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu đầu tiên của Mỹ
được xây dựng và phát triển (chương trình TRANSIT), những nghiên cứu sử dụng
hệ thống định vị vệ tinh với nhiều mục đích khác nhau được bắt đầu. Năm 1996
chương trình TRANSIT kết thúc, và hệ thống này được thay thế bởi hệ thống định
vị vệ tinh chính xác hơn được gọi là hệ thống định vị toàn cầu đo thời gian và
khoảng cách bằng vệ tinh dẫn đường (Navigation Satellite Timing and Ranging
Global Positioning System – NAVSTAR GPS, hoặc ngắn gọn hơn là hệ thống định
vị toàn cầu (Global Positioning System – GPS), các nghiên cứu về ảnh hưởng của
tầng điện ly tới sự truyền tín hiệu phát ra từ các vệ tinh GPS tới các máy thu đặt trên
bề mặt Trái Đất bắt đầu phát triển và sau đó các ứng dụng khoa học từ công nghệ
GPS ngày càng phát triển mạnh mẽ. Nhiều nhóm nghiên cứu xây dựng và phát triển
các thuật toán, phần mềm xử lý số liệu GPS từ mạng lưới dịch vụ hệ thống vệ tinh
dẫn đường toàn cầu (Global Navigation Setellite System - GNSS) để thu được các
bản đồ nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly ở phạm vi toàn cầu. Rất nhiều nhà
khoa học đã nỗ lực đưa ra các phương pháp đánh giá TEC tầng điện ly: Wilson et
al. [92] sử dụng số liệu từ mạng lưới máy thu GPS trên toàn cầu để mô hình hóa
TEC thẳng đứng bằng hàm điều hòa cầu; Sardon et al. [78] sử dụng phương pháp
lọc Kalman để nhận được đáng giá chính xác về độ trễ thiết bị và TEC; Liu et al.
[58] cung cấp một phương pháp rút ra giá trị TEC từ tổ hợp phép đo hiệu giả
khoảng cách và pha của máy thu GPS hai tần số, cho kết quả TEC có độ chính xác
cao...
Cộng đồng khoa học quốc tế đã cố gắng đưa ra các tiêu chuẩn quốc tế về thu
thập và xử lý số liệu GPS, và đến tháng 1/1994, dịch vụ GPS quốc tế (IGS) đã được
thành lập và chính thức đi vào hoạt động. Trong đó một nhóm gồm 5 trung tâm
phân tích về tầng điện ly của IGS (CODE, ESA, JPL, EMR và UPC) được thành lập
và bắt đầu hoạt động từ tháng 5/1998, chủ yếu cung cấp các bản đồ điện ly toàn cầu
hàng ngày với khoảng cách thời gian 2 giờ (Global Ionospheric Mapping - GIM) và
6
các thông tin về độ trễ phần cứng máy thu và vệ tinh (Differential Code Biases -
Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
DCBs) dựa trên số liệu các trạm thu GPS hai tần số trên toàn cầu [79]. Các bản đồ
phân bố TEC, độ trễ gây bởi phần cứng của vệ tinh (Satellite bias) và máy thu
(Receiver bias) được thông báo hàng ngày trong mô hình TEC toàn cầu và có thể tải
xuống từ website: http://www.aiub.unibe.ch/.
Komjathy et al. [52] đã giới thiệu công nghệ của Phòng thí nghiệm Phản lực
(Jet Propulsion Laboratory – JPL) tự động xử lý số liệu cho hơn 1000 trạm thu GPS
nghiên cứu hiệu ứng bão điện ly, dựa vào mô hình điện ly toàn cầu GIM để đánh
giá độ trễ máy thu. Tiếp theo đó Rideout et al. [75] giới thiệu một phần mềm tự
động xử lý số liệu GPS MIT để cho ra bản đồ TEC toàn cầu (MAPGPS). Hiện nay
các bản đồ điện ly ở phạm vi toàn cầu cung cấp thời gian thực chính xác hóa độ trễ
điện ly cho hệ thống định vị dẫn đường của Cơ quan Hàng không và Không gian
quốc gia, Hoa Kỳ (National Aeronautics and Space Administration - NASA) được
cung cấp hàng ngày trên website với khoảng cách thời gian là 5 phút.
Technology).
Hình 1.1, Bản đồ TEC toàn cầu (NASA JPL Home California Institute of
Từ những kết quả đó đã có hàng loạt các công trình nghiên cứu về nồng độ điện
tử tổng cộng tầng điện ly ở những phạm vi khác nhau sử dụng các máy thu GPS
toàn cầu hay khu vực được các nhà khoa học trên thế giới công bố như: các bản đồ
TEC ở phạm vi toàn cầu [62, 79]. Ở phạm vi quốc gia, Otsuka et al. [68] và Ma and
Maruyama [61] giới thiệu một phương pháp mới xây dựng bản đồ TEC hai chiều
7
khi sử dụng mạng lưới GEONET (GPS Earth Observation Network) với hơn 1000
Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
máy thu GPS ở Nhật Bản. Để đánh giá hiệu quả của các mô hình điện ly, Orús et al.
[67] đã so sánh TEC thu được từ số liệu vệ tinh TOPEX có độ chính xác cao và
TEC thu được từ các mô hình điện ly khác nhau, với mục đích cung cấp một hiệu
chỉnh chính xác về tầng điện ly, kết quả cho thấy TEC thu được từ mô hình GIMs
của NASA là phù hợp tốt nhất với số liệu TEC từ vệ tinh TOPEX trong phạm vi sai
số dưới 30%, tiếp đến là mô hình lý thuyết IRI với sai số là 41% và kém nhất khi sử
dụng mô hình Broadcast GPS của Châu Âu với sai số là 54%. Hiện nay một số
nước phát triển đã tự xây dựng các bản đồ TEC ở phạm vi quốc gia có độ chính xác
cao để phục vụ cho mục đích phát triển truyền thông quốc gia, ví dụ Nhật Bản cung
cấp các bản đồ điện ly phạm vi quốc gia trên trang web
http://wdc.nict.go.jp/IONO/contents/E011_TECmap.html , hay Trung tâm Dịch vụ
khí hậu không gian và truyền sóng của Úc cũng cung cấp thông tin về TEC phạm vi
toàn cầu và quốc gia cho khu vực này trên trang web
http://www.ips.gov.au/Satellite/2/1.
Như đã biết hệ thống mạng lưới các trạm thu GPS nằm rải rác trên toàn cầu
nhưng chủ yếu tập trung trong vùng vĩ độ cao và vĩ độ trung bình. Cho đến nay đã
có rất nhiều kết quả nghiên cứu toàn diện và chi tiết cho hai vùng vĩ độ trên được
công bố nên các thông tin thu được về tầng điện ly trong vùng vĩ độ cao và trung
bình là tương đối chi tiết và đầy đủ [32, 47, 62, 79, 83]. Trong khi đó các trạm thu
GPS được đặt trong vùng xích đạo lại rất thưa thớt cộng với những đặc thù phức tạp
và khác biệt của tầng điện ly vùng xích đạo gây bởi hiệu ứng vòi phun, sự hình
thành các bọng plasma… thì nghiên cứu tầng điện ly xích đạo và ảnh hưởng của nó
lên quá trình truyền tín hiệu vệ tinh đang là một chủ đề quan tâm của nhiều tác giả
trên thế giới. Vladimer et al. [88] đã nói rằng rất khó có thể cung cấp dự báo chính
xác TEC tại vùng vĩ độ thấp do các biến thiên mạnh về thời gian của tầng điện ly
vùng xích đạo. Nhiều nghiên cứu cho thấy các mô hình điện ly hiện nay chưa phản
ảnh hết được các đặc trưng của tầng điện ly trong vùng xích đạo. Bhuyan et al. [30]
sử dụng mạng lưới GPS ở khu vực Ấn Độ để nghiên cứu biến thiên TEC tại đây.
Các giá trị TEC thu được so sánh với TEC rút ra từ mô hình điện ly chuẩn quốc tế
8
(International Reference Ionosphere - IRI), cho thấy các giá trị TEC rút ra từ mô
Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
hình IRI thường lớn hơn TEC đo đạc ở hầu hết các thời điểm. Gần đây, Ouattara et
al. [69] đã so sánh giữa giá trị TEC quan sát được từ một trạm Koudougou
(12015’N, -2020’E) gần xích đạo và TEC thu được từ mô hình TEC toàn cầu GIM,
kết quả của ông cho thấy có sự sai lệch đáng kể giữa giá trị mô hình và quan sát
trong vùng này.
Nghiên cứu biến thiên TEC trong vùng xích đạo sử dụng số liệu từ một hay
nhiều trạm thu GPS đã được tiến hành bởi nhiều tác giả: Breed et al. [32] sử dụng
số liệu GPS thu được từ trạm Salisbury ở Nam Úc nghiên cứu biến thiên ngày đêm,
biến thiên theo mùa và theo vĩ độ của TEC ở khu vực quan tâm; Sử dụng mạng lưới
gồm 18 máy thu GPS ở khu vực Ấn Độ bao phủ một dải vĩ độ từ 10S tới 240N để
nghiên cứu biến thiên theo thời gian trong ngày, theo mùa, theo năm và theo mức
độ hoạt động mặt trời của TEC [30, 36, 74]. Các kết quả nghiên cứu tại đây cho
thấy TEC đạt giá trị cực tiểu vào khoảng 05hLT và cực đại trong khoảng từ 13h đến
14hLT, và một sự biến thiên theo mùa rõ rệt, biên độ biến thiên TEC phụ thuộc chủ
yếu vào vị trí trạm quan sát tương ứng với xích đạo từ [30].
Hình 1.2, Biến thiên theo mùa và theo thời gian của giá trị TEC trung bình tháng tại
9
một số trạm ở Ấn Độ (Rama Rao et al.[74]).
Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
Nghiên cứu biến đổi của TEC trong vùng đỉnh dị thường điện ly xích đạo, Tsai
et al. [83] chỉ ra biến thiên theo mùa của TEC trong vùng dị thường xích đạo Châu
Á khi sử dụng số liệu từ hai trạm thu tín hiệu GPS đặt ở hai vùng đỉnh dị thường
phía Bắc và phía Nam bán cầu cho một năm số liệu 1997, kết quả cho thấy giá trị
TEC của hai đỉnh dị thường đạt cực đại vào những tháng phân điểm nhưng dị
thường mùa đông không xuất hiện ở phía Nam bán cầu, thời gian đỉnh dị thường đạt
giá trị cực đại thường sớm hơn về mùa đông và muộn hơn về mùa hè, vị trí đỉnh dị
thường dịch chuyển về phía xích đạo vào mùa đông và dịch chuyển về phía cực vào
những tháng mùa hè và phân điểm. Tsai và các cộng sự cũng đưa ra luận điểm để
giải thích hiện tượng này bằng cách kết hợp giữa lý thuyết gió trung hòa thổi qua
xích đạo, vị trí điểm gần Mặt Trời trên Trái Đất và gió vùng cực thổi về phía xích
đạo. Rama Rao et al. [74] nghiên cứu biến thiên đỉnh dị thường phía Nam bán cầu
trong vùng Ấn Độ, kết quả nghiên cứu cho thấy đỉnh dị thường điện ly xích đạo tại
đây đạt giá trị cực đại trong khoảng thời gian từ 13h đến 16h LT và nằm trong
khoảng vĩ độ địa lý 150N đến 250N. Tác giả chỉ ra vị trí xuất hiện và cường độ của
đỉnh dị thường phụ thuộc chủ yếu vào độ lớn của dòng điện xích đạo, vị trí đỉnh dị
thường nằm càng xa xích đạo từ khi cường độ dòng điện xích đạo càng tăng.
Các nghiên cứu về hiệu ứng bão điện ly và các biến đổi của dị thường điện ly
xích đạo trong ngày bão từ cũng được nhiều tác giả đặc biệt chú ý [57, 59, 60, 96].
Liu et al. [59] sử dụng 9 máy thu đặt tại Đài Loan và một số máy thu lân cận để
nghiên cứu hiệu ứng của đỉnh dị thường điện ly trong ngày bão từ. Ông tìm thấy
rằng ngay sau khi bão từ bắt đầu bất ngờ xuất hiện thì cường độ đỉnh dị thường điện
ly xích đạo tại đây gia tăng và dịch chuyển về phía cực, vào một ngày sau khi bão
từ kết thúc thì cường độ đỉnh dị thường bị suy giảm đáng kể và dịch chuyển một
chút về phía xích đạo. Các nghiên cứu cho thấy thường có hai loại bão điện ly
dương và âm xuất hiện khi có bão từ xẩy ra. Bản chất của bão điện ly (bão dương
hay âm) phụ thuộc vào thời gian địa phương, vào mùa và vĩ độ. Tại các vĩ độ thấp
và trung bình, bão từ xuất hiện với pha chính vào thời gian ban đêm ở hầu hết các
mùa trong năm thường gây ra bão điện ly âm, những trận bão từ có pha chính xuất
10
hiện vào thời gian ngày vào mùa đông và tháng phân điểm thường gây ra bão điện
Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
ly dương và nếu vào mùa hè thì gây ra bão điện ly dương và kèm theo cả bão điện
ly âm [57]. Độ trễ thời gian giữa nhiễu loạn từ và các phản ứng xẩy ra trong tầng
điện ly phụ thuộc vào mùa, vào thời gian địa phương và vào vĩ độ [60].
Các nghiên cứu trước đây về hiện tượng nhấp nháy điện ly đã chỉ ra rằng nhấp
nháy thường biểu hiện rất mạnh ở vùng xích đạo từ và vùng cực [14, 94].
Hình 1.3, Bản đồ phân bố nhấp nháy điện ly toàn cầu tại 23hLT theo mô hình dự
báo WBMOD (http://www.ips.gov.au).
Khi ngành công nghệ vũ trụ phát triển thì nhấp nháy điện ly liên quan đến các
nhiễu loạn điện ly trở thành chủ đề chính cần xem xét trong lĩnh vực nghiên cứu về
ảnh hưởng thời tiết không gian lên hệ thống truyền thông, đặc biệt là tầng điện ly
xích đạo và vùng vĩ độ thấp. Basu et al. [25] đã phát biểu rằng dự báo nhấp nháy
điện ly trong vùng xích đạo vẫn còn là vấn đề thách thức. Đã có nhiều kết quả
nghiên cứu về đặc trưng tầng điện ly vùng vĩ độ thấp và sự xuất hiện các nhấp nháy
11
điện ly khu vực châu Mỹ. Basu et al. [23] sử dụng số liệu quan trắc tại Peru, Chile
Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
để nghiên cứu hiệu ứng nhấp nháy điện ly, tốc độ trôi dạt plasma và gió trung hòa
trong tầng điện ly xích đạo sau khi Mặt Trời lặn. Aarons et al. [15] và Chu et al.
[38] sử dụng một loạt các trạm đặt dọc theo vùng kinh tuyến châu Mỹ để nghiên
cứu dao động pha tín hiệu GPS trong vùng xích đạo vào năm Mặt Trời hoạt động
cực tiểu, kết quả cho thấy có sự xuất hiện các mảng nhiễu loạn dạng lông vũ
(plumes) tại các độ cao lớn gần đỉnh dị thường điện ly. Beach et al. [26], sử dụng số
liệu quan sát tại Ancon, Peru để chỉ ra mối liên hệ giữa nhấp nháy điện ly và giao
động pha GPS tại đây dao động trong khoảng từ 0,2 đến 0,5. Basu et. al. [24] sử
dụng số liệu vệ tinh tại đảo Ascension nghiên cứu nhấp nháy điện ly và dao động
pha, đã đi đến kết luận rằng khó có thể đánh giá định lượng biên độ nhấp nháy từ
chỉ số dao động pha do có sự tồn tại đồng thời các nhiễu loạn quy mô lớn và nhỏ
trong tầng điện ly vùng xích đạo vào giai đoạn trước nửa đêm, vào giai đoạn sau
nửa đêm các nhiễu loạn có kích thước Fresnel suy giảm mạnh do có sự gia tăng
khuếch tán do vậy chỉ còn các nhiễu loạn quy mô lớn gây ra dao động pha mà
không gây ra nhấp nháy biên độ. Anderson et al. [18] và Chen et al. [37] sử dụng số
liệu thống kê nhấp nháy quan sát được tại Ancon, Peru, Chile để dự báo hoạt động
nhấp nháy điện ly vùng xích đạo, kết hợp số liệu GPS và số liệu thăm dò thẳng
đứng chỉ ra mối liên hệ giữa sự xuất hiện Spread F và dao động pha. Valladares et
al. [86, 87] chỉ ra bức tranh xuất hiện nhấp nháy điện ly cho vùng kinh tuyến Nam
Mỹ khi sử dụng một loạt các máy thu GPS đặt dọc theo kinh tuyến hai bên xích đạo
từ, nghiên cứu một lần nữa cho thấy hiện tượng suy giảm TEC và sự xuất hiện
plumes xẩy ra đồng thời với các mức nhấp nháy xuất hiện trên tín hiệu GPS, đỉnh dị
thường điện ly xích đạo là nơi có sự tập trung nhấp nháy xuất hiện và có sự suy
giảm TEC mạnh nhất.
Nghiên cứu sự xuất nhiện nhấp nháy trong vùng Ấn Độ đã được bắt đầu [21, 35,
73]. Rama Rao et al. [73], đã giới thiệu bức tranh xuất hiện nhấp nháy cho vùng Ấn
Độ khi sử dụng mạng lưới quan trắc trong vùng, kết quả cho thấy nhấp nháy xuất
hiện chủ yếu vào khoảng thời gian sau khi Mặt Trời lặn đến trước nửa đêm và ít
xuất hiện vào thời điểm sau nửa đêm, nhấp nháy chủ yếu xuất hiện trong những
12
tháng phân điểm. Nghiên cứu tại đây cũng chỉ ra nhấp nháy hoạt động mạnh nhất
Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
xung quanh vùng đỉnh dị thường (150 đến 250N) và các nhấp nháy thường kèm theo
sự suy giảm về TEC trong vùng này.
Hình 1.4, Thống kê nhấp nháy theo thời gian, vĩ độ và theo mùa tại Ấn Độ (Rama
Rao et al.[73]).
Ở khu vực Đông Nam Á Thomas et al. [81] sử dụng mạng lưới máy thu dọc theo
vùng kinh tuyến từ châu Á đến châu Úc để chỉ ra hoạt động nhấp nháy điện ly trong
những năm Mặt Trời hoạt động mạnh (2000-2002), các kết quả này còn được sử
dụng để hiệu chỉnh mô hình nhấp nháy điện ly toàn cầu WBMOD (WideBand
MODel). Cervera et al. [34] sử dụng quan sát nhấp nháy GPS trong vùng kinh tuyến
Đông Nam Á để nghiên cứu các biến thiên theo vĩ độ và thời gian của nhiễu loạn
điện ly xích đạo. Saito et al. [77] dùng số liệu vệ tinh GPS tại Trung Quốc và Việt
Nam kết hợp với số liệu thăm dò thẳng đứng tại Nhật Bản và Úc để nghiên cứu
nhiễu loạn điện ly liên quan tới bọng plasma gây ra nhấp nháy điện ly trong vùng
này. Gần đây Abadi et al. [16] lần đầu tiên công bố kết quả nghiên cứu sự xuất hiện
nhấp nháy xung quanh đỉnh dị thường điện ly xích đạo vùng Indonesia, kết quả
cũng chỉ ra sự biến thiên theo thời gian, theo mùa và theo hoạt động Mặt Trời của
sự xuất hiện nhấp nháy điện ly tại đây... Kết hợp với việc quan sát và thống kê các
hiện tương thì các nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc tìm ra cơ chế, các dấu
hiệu hình thành nhiễu loạn gây ra nhấp nháy điện ly trong vùng xích đạo như spread
F, bọng plasma, sóng trọng lực khí quyển [65, 74, 85] tiến tới xây dựng mô hình dự
13
báo nhấp nháy điện ly chính xác cho vùng này.
Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
Nhiều tác giả đi vào đánh giá ảnh hưởng của nhấp nháy lên quá trình truyền tín
hiệu GPS khi khảo sát dao động pha tín hiệu GPS trong vùng xích đạo cho một số
trận bão từ sử dụng số liệu các máy thu GPS toàn cầu [34, 73, 74, 80]; ứng dụng
công nghệ GPS để nghiên cứu bức tranh nhiễu loạn điện ly cho vùng xích đạo [15,
38, 84]. Các nghiên cứu thống kê về ảnh hưởng của bão từ lên khả năng xuất hiện
nhấp nháy vùng xích đạo và vùng vĩ độ thấp cũng đã được tiến hành [17, 54, 93],
kết quả cho thấy tác động của bão từ có thể làm gia tăng cường độ xuất hiện nhấp
nháy hoặc làm suy giảm sự phát triển của bọng plasma gây ra nhấp nháy trong vùng
vĩ độ thấp phụ thuộc vào thời điểm thâm nhập trong ngày của bão.
Hiện nay chương trình thời tiết không gian của Mỹ coi các nhấp nháy điện ly
như là một thành phần quan trọng, chương trình đòi hỏi các hệ thống có khả năng
theo dõi, tính toán và dự báo các ảnh hưởng của Mặt Trời lên môi trường không
gian Trái Đất, kể cả hoạt động có tính toàn cầu của các bất thường và nhấp nháy
điện ly, và thực tế mạng lưới quan trắc hiện tượng nhấp nháy đang phát triển và
được sự hưởng ứng của nhiều tổ chức nghiên cứu khoa học trên thế giới. Có hai mô
hình dự báo nhấp nháy điện ly toàn cầu thông dụng nhất đó là WBMOD (WideBand
MODel) của Mỹ và mô hình GISM (Global Ionospheric Scintillation Model) của
Châu Âu. Fort et al. [44], đã so sánh số liệu nhấp nháy rút ra từ hai mô hình GISM
và WBMOD với số liệu quan sát tại Tucuman (Argentina), một trạm nằm gần đỉnh
dị thường điện ly xích đạo để phục vụ cho ứng dụng định vị dẫn đường bằng vệ
tinh. Mục đích của họ là kểm tra xem liệu mô hình dự báo nhấp nháy điện ly toàn
cầu hiện nay có thể dự báo được hoạt động nhấp nháy thực tế tại đây hay không, và
liệu có thể sử dụng mô hình này để đánh giá ảnh hưởng của nhấp nháy lên hệ thống
dẫn đường hay không? Kết quả nghiên cứu của
họ cho thấy, mô hình dự báo không đúng cả về thời gian lẫn vị trí xuất hiện nhấp
nháy trên đường truyền tín hiệu GPS. Khi các tác giả so sánh với số liệu quan sát
trong một ngày đơn lẻ, mô hình cũng cho thấy một sự thiếu chính xác trong lời giải
chi tiết và đi đến kết luận rằng các mô hình nhấp nháy điện ly còn nhiều hạn chế khi
14
ứng dụng dự báo cho trường hợp tín hiệu vệ tinh GPS.
Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
Từ 2004 đến nay, cơ quan IEEA (Informatique, Electromagnétisme,
Electronique, Analyse numérique) đã thực hiện một chiến dịch đo đạc có tên PRIS
(Prediction Ionospheric Scintillation) với mục đích thu thập số liệu nhấp nháy để cải
tiến mô hình dự báo nhấp nháy điện ly GISM. Hệ thống máy thu được đặt tại hai
vùng vĩ độ cao và vĩ độ thấp để thăm dò nồng độ điện tử tổng cộng và nhấp nháy
điện ly như được chỉ ra trên hình 1.5. Việt Nam cũng là một quốc gia được hưởng
lợi từ dự án này khi có ba máy thu được đặt tại đây. Các kết quả thu được sẽ là
nguồn tài liệu quan trọng để tiến tới xây dựng các mô hình dự báo nhấp nháy điện
ly có độ chính xác cao phục vụ cho mục đích định vị dẫn đường bằng vệ tinh.
Hình 1.5, Vị trí các máy thu đặt trong vùng xích đạo của dự án PRIS.
1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước:
Các nghiên cứu điện ly ở nước ta đã được tiến hành từ những năm trước, dựa
trên cơ sở số liệu thăm dò thẳng đứng thu được từ Đài điện ly Phú Thuỵ - Hà Nội,
trạm Nha Trang, Đài xích đạo từ Bạc Liêu và Đài quan trắc khí quyển Hóc Môn -
TP Hồ Chí Minh.
Phạm Văn Trì và nnk. [13] đã khảo sát biến thiên các thông số điện ly phục
vụ dự báo truyền sóng, giới thiệu một số đặc trưng biến thiên tại đài điện ly Phú
Thụy; Nghiên cứu những vấn đề vật lý trong tầng điện ly cũng được bắt đầu: Lê
Huy Minh và Phạm Văn Trì [8] sử dụng số liệu thăm dò thẳng đứng từ năm 1962
đến 2000 để chỉ ra biến thiên theo thời gian của lớp E và lớp F tại Phú Thụy; nghiên 15
Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
cứu về đặc điểm và cấu trúc các lớp điện ly khu vực phía nam khi sử dụng số liệu
quan sát tại trạm Nha Trang [2]; khảo sát các thông số điện ly tại Phú Thụy, Bạc
Liêu và mối liên hệ với hoạt động mặt trời trong nhiều năm quan sát số liệu [1, 5,
19, 49].
Các kết quả nghiên cứu cho thấy dáng điệu biến thiên ngày đêm của các
tham số giữa các lớp rất khác nhau và có sự phụ thuộc khác nhau vào quá trình
quang ion hóa, hoạt tính mặt trời... : Biến thiên ngày đêm của tần số tới hạn lớp F2
đạt giá trị cực tiểu vào khoảng 5hLT và một giá trị cực đại vào khoảng 14hLT tại
Phú Thụy, đạt hai giá trị cực đại vào khoảng 9h và 17hLT tại các trạm phía Nam
(Nha Trang, Bạc Liêu); Biến thiên chu kỳ dài của các tần số tới hạn có xu thế chung
phù hợp với chu kỳ 11 năm của hoạt động mặt trời, trong khi đó các chiều cao biểu
kiến của các lớp điện ly hầu như không phản ánh quy luật 11 năm theo hoạt động
mặt trời.
Nghiên cứu hiệu ứng bão từ và bão điện ly khu vực xích đạo sử dụng số liệu
thăm dò thẳng đứng tại Phú Thụy và Hóc Môn được tiến hành [9, 55], kết quả cho
thấy bão từ có sự ảnh hưởng mạnh tới lớp F của tầng điện ly và ít có ảnh hưởng ở
độ cao lớp E, chiều cao biểu kiến lớp F thường tăng lên trong pha chính của bão,
nồng độ điện tử trong tầng điện ly biến đổi phức tạp trong thời gian bão từ. Thời
gian gần đây, một số kết quả nghiên cứu về đặc trưng xuất hiện spread F khu vực
xích đạo Việt Nam cũng được công bố khi nghiên cứu đặc trưng xuất hiện spread F
quan sát được tại Đài điện ly Hóc Môn – TP Hồ Chí Minh [3, 4]; So sánh sự xuất
hiện spread F giữa hai vùng kinh tuyến Việt Nam và Brasil [56]. Kết quả quan sát
cho thấy đặc trưng xuất hiện spread F tại trạm Hóc Môn chủ yếu xuất hiện vào thời
điểm trước nửa đêm, sự xuất hiện spread F khác nhau đáng kể tại hai kinh tuyến
Brasil và kinh tuyến Việt Nam về cả thời gian và tần suất xuất hiện. Hiện nay những
hiểu biết về biến thiên ngày đêm, cơ chế hình thành spread F trong vùng xích đạo
vẫn còn là chủ đề nghiên cứu và tìm hiểu trong lĩnh vực nghiên cứu khí hậu không
gian [85].
Từ năm 2005, hưởng ứng chương trình hợp tác nghiên cứu khoa học quốc tế
16
của Hội Địa từ và Cao không quốc tế (Climate and Weather Sun-Earth System -
Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
CAWSES), trong khuôn khổ hợp tác quốc tế giữa Viện Vật lý địa cầu, Viện Hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và một số cơ quan nghiên cứu thuộc Trung
tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp, 3 trạm thu tín hiệu vệ tinh GPS được đặt
tại Hà Nội (Đài Điện ly Phú Thụy), Huế (Trường Đại học Khoa học) và thành phố
Hồ Chí Minh (Đài Quan trắc khí quyển Hóc Môn) đã được lắp đặt. Việc đặt ba trạm
thu tín hiệu vệ tinh GPS liên tục đã mở ra một hướng nghiên cứu mới góp phần thúc
đẩy và phát triển nghiên cứu vật lý địa cầu trong nước và trong khu vực.
Hình 1.6, Vị trí ba máy thu GPS tại Việt Nam và vết vệ tinh quan sát tại độ cao 400
km trên tầng điện ly.
Việc xây dựng thuật toán tính toán nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly từ
số liệu GSP được tìm hiểu lần đầu tiên tại Việt Nam [10, 12]. Sử dụng số liệu các
trạm GPS này cùng với các trạm GPS khác trong khu vực để nghiên cứu sự biến
thiên nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly khu vực dị thường điện ly xích đạo ở
Việt Nam và khu vực Đông Nam Á được bắt đầu [11]. Các nghiên cứu này cho thấy
rằng Việt Nam nằm ở vùng dị thường điện ly xích đạo, khu vực miền Bắc nằm ở
vùng đỉnh của dị thường, khu vực ở phía cực Nam lãnh thổ nằm ở vùng đáy dị
thường.
Ứng dụng công nghệ GPS để nghiên cứu tầng điện ly được các nhà khoa học
17
trên thế giới tiến hành khai thác từ nhiều năm trước và đã có một lượng lớn các
Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
công trình nghiên cứu được công bố để chỉ ra các đặc trưng cho từng vùng nghiên
cứu. Tuy nhiên, đặc điểm của tầng điện ly là mang tính đặc thù địa phương rõ rệt,
đặc biệt là tầng điện ly vùng xích đạo, trong khi Việt Nam vẫn còn là vùng thiếu
vắng thông tin trên bản đồ điện ly thế giới hiện nay. Sử dụng công nghệ GPS để
nghiên cứu tầng điện ly ở Việt Nam cũng mới bắt đầu được tiến hành trong những
năm gần đây và còn khá mới mẻ. Việc lắp đặt ba trạm thu GPS trải đều ở ba miền
Bắc-Trung-Nam là một thuận lợi trong nghiên cứu tầng điện ly cho toàn khu vực
Việt Nam. Để tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu này, luận án được xây dựng với
mục đích là sử dụng chuỗi số liệu từ ba máy thu tín hiệu vệ tinh GPS nghiên cứu
tầng điện ly cho khu vực Việt Nam. Các kết quả của luận án sẽ là nguồn tài liệu
quan trọng để tiến tới xây dựng mô hình dự báo điện ly, nhấp nháy điện ly cho khu
18
vực Việt Nam trong tương lai.
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ TẦNG ĐIỆN LY VÀ
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU
2.1 Tầng điện ly của Trái Đất
Phần này sẽ giới thiệu tổng quan về tầng điện ly của Trái Đất: các lớp điện ly,
lý thuyết hình thành và vai trò của tầng điện ly trong quá trình truyền sóng. Yếu tố
ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành và biến động trong tầng điện ly đó là hoạt
tính mặt trời. Đặc biệt giới thiệu chi tiết những đặc điểm tầng điện ly vùng xích đạo
để phục vụ cho mục đích nghiên cứu của luận án.
2.1.1 Tầng điện ly và các lớp
Tầng điện ly là một vùng khí quyển của Trái Đất được hình thành và tồn tại
dưới tác dụng của bức xạ mặt trời và nhiều quá trình vật lý khác. Quá trình ion hóa
trong tầng điện ly làm cho tầng điện ly có nồng điện tử và các ion đủ lớn có thể ảnh
hưởng tới sự truyền sóng radio. Tầng điện ly nằm ở khoảng độ cao từ 50 km tới
1000 km hoặc hơn so với mặt đất (hình 2.1), nó có thể được xem như nằm giữa tầng
khí quyển trung hòa và tầng khí quyển ion hóa hoàn toàn của Trái Đất do bức xạ
mặt trời. Mức độ ion hoá trong tầng điện ly phụ thuộc vào 3 yếu tố cơ bản sau:
- Năng lượng bức xạ ion hoá của Mặt Trời.
- Hệ số hấp thụ năng lượng này của các thành phần khí trong tầng điện ly.
- Mật độ khí quyển.
Đến một độ cao nào đó mà sự ion hoá hoà hợp được 3 yếu tố trên thì đạt
được mức độ ion hoá lớn nhất, quá trình đó dẫn đến giá trị cực đại của mật độ điện
tử theo chiều cao. Do trong tầng điện ly có nhiều loại phân tử khác nhau nên có
nhiều cực trị mật độ điện tử, dựa vào đó người ta đã phân tầng điên ly thành bốn
lớp: lớp D, lớp E, lớp F1 và lớp F2 như đươc chỉ ra trên hình 2.1. Đặc trưng cho mỗi
lớp là các tham số như:
+ độ cao của lớp: h
+ chiều dầy lớp: y
+ mật độ điên tử cực đại: Ne
Các tham số này đều phụ thuộc mạnh vào các yếu tố như: thời gian trong ngày, mùa
19
trong năm, mức độ hoạt động của Mặt Trời và vị trí địa lý của trạm quan sát.
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
Hình 2.1, Sơ đồ tầng khí quyển và các lớp điện ly của Trái Đất (H. Rishbeth and
O. K. Garriott, [76]).
Lớp D
Lớp D là lớp thấp nhất của tầng điện ly, nằm trong khoảng độ cao từ 60 đến
90 km. Nguồn ion hoá lớp D là bức xạ vạch Lyman alpha (Ly α), đối tượng ion hoá
là phân tử NO tạo ra NO+. Lớp này có hiệu ứng âm lên các sóng radio do nó chỉ hấp
thụ năng lượng sóng radio, đặc biệt với các tần số thấp hơn 7MHz. Lớp D xuất hiện
ngay sau khi Mặt Trời mọc và biến mất khi Mặt Trời lặn. Giá trị ion hoá cực đại của
lớp D đạt được khi góc thiên đỉnh của Mặt Trời bằng 0o. Quá trình tái hợp xảy ra rất
mạnh ở lớp D, hiệu ứng ion hóa thực là thấp, nhưng sự mất mát năng lượng sóng
chủ yếu gây bởi các va chạm thường xuyên của các điện tử. Kết quả là sóng radio
tần số cao (HF) không bị phản xạ bởi lớp D nhưng chịu sự mất mát năng lượng
trong lớp này. Người ta thấy rằng lớp D chủ yếu bị chi phối bởi năng lượng bức xạ
20
của Mặt Trời, có ba loại hấp thụ liên quan đến bùng nổ Mặt Trời trong lớp D:
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
+ SID (Sudden Ionospheric Disturbance)- nhiễu loạn điện ly bất ngờ, hấp thụ
SID diễn ra trong khoảng 30 phút đến 1 giờ vào thời gian ban ngày. Hiện tượng này
làm cho nồng độ điện tử trong vùng D tăng lên gây ra hiện tượng hấp thụ mạnh các
tín hiệu vô tuyến điện.
+ Loại hấp thụ xuất hiện ban đêm liên quan đến hiện tượng cực quang và
nhiễu loạn từ trong lớp D vùng cực.
+ Loại PCA (Polar Cap Absorption) liên quan đến các hạt năng lượng cao
xuyên vào lớp D do bùng nổ sắc cầu trên đĩa mặt trời gây ra.
Mật độ điện tử cực đại của lớp D không đo được bằng máy thăm dò thẳng
đứng mà thu được từ kết quả thăm dò bằng tên lửa: Nmax ≈ 103 e/cm3 và đạt được ở
độ cao khoảng 80 km. Hầu hết thông tin về biến thiên theo độ cao của nồng độ điện
tử và tần số va chạm trong lớp D của tầng điện ly thu được một cách gián tiếp từ các
nghiên cứu truyền sóng, các thông tin bổ xung thu được từ các tài liệu đo đạc bằng
tên lửa [46, 76].
Lớp E
Lớp E là lớp điện ly nằm ngay phía trên của lớp D ở độ cao khoảng từ 90 đến
150 km. Lớp E được hình thành bởi bức xạ ion hoá của Mặt Trời, chủ yếu là bức xạ
Rơngen. Lớp này chỉ có thể hấp thụ sóng radio có các tần số nhỏ hơn 5 MHz. Lớp E
xuất hiện ngay sau khi Mặt Trời mọc và biến mất sau khi Mặt Trời lặn vài giờ.
Thực tế vẫn tồn tại lớp E ban đêm và thường gọi là lớp E2, nhưng vì về đêm mật độ
+. Mật độ điện tử của lớp E
điện tử trong vùng E rất thấp nên không thể đo đạc được. Trong lớp E các ion chủ
+ và NO+, trong đó NO+ lớn hơn gấp 3 lần O2
yếu là O2
phụ thuộc vào các yếu tố như: thời gian trong ngày, mùa trong năm, vị trí địa lý và
sự hoạt động của Mặt Trời. Giá trị mật độ đạt cực đại vào giữa trưa với Nmax ≈ 105
e/cm3 vào thời kỳ mặt trời hoạt động yếu và Nmax ≈ 1,5*105 e/cm3 vào thời kỳ mặt
trời hoạt động mạnh.
Thăm dò điện ly thường phát hiện ra các lớp hoặc các mảng ion dày đặc
trong lớp E ở các độ cao từ 90 km đến 120 km, dường như không liên quan tới lớp
E ban ngày bình thường. Hiện tượng này được biết như là lớp E rời rạc hay lớp Es
21
vì nó không có dáng vẻ đều đặn. Đôi khi Es xuất hiện như là các bản mỏng che
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
khuất lớp F bên trên. Ở các thời điểm khác, nó có thể dưới dạng loang lổ trong suốt
từng phần đối với các sóng phản xạ từ các lớp cao hơn. Sự xuất hiện của Es liên
quan đến các dòng hạt năng lượng cao phát ra từ Mặt Trời xâm nhập vào khí quyển,
liên quan đến nhiễu loạn điện từ trường, hiện tượng cực quang, chế độ gió trong lớp
E và những chuyển động rối của khí quyển trong lớp E [46,76].
Lớp F
Lớp F là lớp cao nhất của tầng điện ly. Vào thời gian ban ngày, khi Mặt Trời
chiếu sáng lên phần trên của khí quyển chứa lớp F gây ra sự phân tách lớp F thành
hai lớp và được gọi là lớp F1 và lớp F2. Khi Mặt Trời lặn, độ cao của lớp lúc này
nằm trong khoảng từ 250 đến 500km. Lớp F có thể phản xạ các sóng radio có tần số
tới 20 MHz và thậm chí tới 25 MHz. Các ion ở phần dưới của lớp F chủ yếu là NO+
và phần trên là O+ chiếm ưu thế.
Lớp F1 là lớp trung gian giữa lớp E và lớp F2, nằm trong khoảng độ cao từ
150 đến 200 km, chỉ xuất hiện ban ngày khi có Mặt Trời chiếu sáng lên phần trên
của khí quyển chứa lớp F. Phần dưới của lớp F1 chủ yếu là các ion NO+ và O+, càng
lên cao thì ion O+ chiếm ưu thế. Lớp F1 phản xạ được các sóng radio có tần số đạt
tới 10 MHz. Giá trị cực đại của mật độ điện tử lớp F1 đạt được vào giữa trưa.
Lớp F2 là lớp quan trọng nhất của tầng điện ly, rộng nhất và biến đổi phức
tạp nhất. Lớp F2 thường phân bố ở độ cao từ 200 km trở lên. Các phép đo bằng phổ
kế khối lượng vệ tinh cho biết thành phần cơ bản của lớp F2 là ion nguyên tử N+ và
O+, trong đó O+ >>N+. Những đặc điểm của lớp F2 và sự biến đổi của chúng rất
phức tạp và có quan hệ mật thiết với các hoạt động xẩy ra trên đĩa mặt trời. Những
đặc điểm biến thiên này thường không phù hợp với kết luận trong lý thuyết hình
thành điện ly, sự sai lệch giữa thực tế quan sát được và lý thuyết được gọi là dị
thường lớp F2. Lớp F2 có các dị thường sau: dị thường ngày đêm, dị thường địa lý,
dị thường mùa và dị thường tháng 12. Lớp F2 có thể phản xạ được các sóng radio có
tần số đạt tới 50 MHz trong suốt một thời kỳ cực đại vết đen mặt trời và các tần số
cực đại có thể đạt tới 70 MHz trong một số trường hợp đặc biệt.
Tầng điện ly thường được phân thành 3 vùng địa lý khác nhau dựa trên các
22
đặc trưng, hình dáng và tính chất động học khác nhau của chúng. Tầng điện ly vùng
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
xích đạo và vĩ độ thấp (từ 00 đến ±300), tầng điện ly vùng vĩ độ trung bình (từ ±300
đến ±500) và tầng điện ly vùng vĩ độ cao (từ ±500 đến ±900) tính từ xích đạo từ ở hai
bán cầu của Trái Đất. Giá trị cực đại của mật độ điện tử thường nằm trong vùng
xích đạo của tầng điện ly, và thường vào đầu buổi chiều. Cũng có những vùng có
nồng độ điện tử rất cao tại các vĩ độ từ trong khoảng ±20o. Các cực đại của chúng
được gọi là dị thường xích đạo. Tầng điện ly ở vùng vĩ độ trung bình ít biến đổi. Nó
cũng được quan sát tốt nhất vì hầu hết các thiết bị thăm dò tầng điện ly đều tập
trung ở vùng này. Ở các vùng vĩ độ cao và vùng cực quang, cực đại mật độ điện tử
nhỏ hơn đáng kể so với vùng vĩ độ thấp. Tuy nhiên, vùng vĩ độ cao có rất nhiều
hiện tượng bất ổn định plasma, nghĩa là các biến thiên thời gian ngắn của mật độ
điện tử nói chung lớn hơn nhiều so với ở vùng vĩ độ thấp. Tại các chỏm cực, ở đó
góc thiên đỉnh của Mặt Trời gần như không đổi, biến thiên ngày đêm vẫn còn phát
hiện được. Điều đó chỉ ra rằng có nhân tử khác ngoài bức xạ mặt trời cũng đóng
một vai trò trong việc xác định mật độ điện tử trong tầng điện ly [46,76]..
2.1.2 Lý thuyết hình thành các lớp điện ly và phân bố điện tử thẳng đứng
2.1.2.1 Sự hình thành các lớp điện ly
Các quá trình quang hóa trong tầng điện ly có thể được phân ra thành hai
loại: loại gây ra sự tạo thành hoặc sự mất mát ion và loại gây ra sự vận chuyển ion.
Trong đó, quá trình chính để tạo ra các cặp ion-điện tử được cho là do sự quang ion
hóa mặt trời và do các hạt tích điện có năng lượng cao thâm nhập vào trong tầng khí
quyển. Các quá trình gây mất mát ion lớn có thể kể đến là: sự tái hợp ion-điện tử; sự
gắn kết của điện tử với các nguyên tử khí trung hòa xẩy ra trong lớp dưới của tầng
điện ly. Vì thế, luôn tồn tại một trạng thái cân bằng động trong đó nồng độ điện tử
tự do phụ thuộc vào tốc độ các quá trình sinh và mất của chính các điện tử này.
Để miêu tả các quá trình trên người ta xây dựng một phương trình liên tục
mà các số hạng của nó biểu thị cho các hiệu ứng khác nhau làm thay đổi mật độ
điện tử N như sau [76] :
[Tốc độ thay đổi mật độ điện tử] = [Tốc độ sinh điện tử]
23
- [Mất mát]
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
- [Thay đổi do dịch chuyển]
Nếu quá trình vận chuyển gây ra một vận tốc trôi dạt thực , thì thay đổi do vận
chuyển là đạo hàm của yếu tố thông lượng N . Dùng ký hiệu q và l để biểu thị quá
trình sinh và mất ion một cách tương ứng, chúng ta có phương trình liên tục :
(2.1)
Trong tầng điện ly, ở độ cao dưới 200km, thì quá trình vận chuyển không lớn và
nếu bỏ qua quá trình này thì ta thu được phương trình “quang hóa”. Trên độ cao
250km, vai trò của quá trình vận chuyển chiếm ưu thế và các số hạng quang hóa q
và l là không đáng kể.
Quang ion hóa mặt trời: Bức xạ mặt trời đóng một vai trò quan trọng trong việc
thành tạo tầng điện ly, quá trình ion hóa xẩy ra trong tầng khí quyển của Trái Đất
bởi một phổ rộng bức xạ tia X và bức xạ cực tím. Sự ion hóa, hay sự bứt các điện tử
khỏi các nguyên tử và phân tử, chủ yếu gây bởi sự va chạm của bức xạ cực tím của
Mặt Trời. Sự hấp thụ của ánh sáng cực tím tăng theo sự giảm của độ cao và theo sự
tăng của mật độ các phân tử khí trung hoà một cách tương ứng. Quá trình ion hóa
bắt đầu bằng các phản ứng quang phân (bức xạ mặt trời phân rã các phân tử khí
trung hòa thành các nguyên tử), sau đó là phản ứng ion hóa (các phần tử trung hòa
và nguyên tử bị ion hóa thành các ion và electron).
Ion hóa hạt: Sự quang ion hóa bởi bức xạ cực tím của Mặt Trời không phải là
nguồn duy nhất tạo ra plasma trong tầng điện ly mà còn do các hạt tích điện có năng
lượng cao thâm nhập vào trong tầng khí quyển. Độ sâu các hạt thâm nhập vào khí
quyển phụ thuộc vào năng lượng của chúng. Sự ion hóa bởi va chạm của một hạt
mang năng lượng với khí trung hòa là đặc biệt quan trọng ở những vùng vĩ độ cao.
Ánh sáng nhìn thấy cũng được phát ra khi các hạt va chạm mạnh vào trong tầng khí
quyển và tạo ra hiện tượng cực quang nhìn thấy.
Các phản ứng mất mát ion: Khi được tạo thành, các ion và electron có xu hướng
24
tái kết hợp và phản ứng với các phần tử khí khác để tiếp tục tạo ra các ion. Các kiểu
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
phản ứng quang hóa được cho là khống chế mật độ điện tử và gây ra sự mất mát ion
luôn tồn tại đó là:
(a) Sự tái hợp ion-ion (hệ số tái hợp αi):
X+ + Y- → X + Y
(b) Sự tái hợp điện tử-ion (hệ số tái hợp αe):
Ba vật thể: X+ + e + M → X + M
Bức xạ: X+ + e → X* → X + hν
Phân ly: XY+ + e → X* + Y*
Các dấu (*) chỉ ra rằng các nguyên tử có thể nằm trong trạng thái kích thích, và sau
đó bị mất mát năng lượng do bức xạ hoặc do va chạm với các hạt khác; X, Y là các
phân tử, nguyên tử khí; M ký hiệu hạt trung hòa có trao đổi năng lượng và mômen
động lượng nhưng không xảy ra phản ứng hóa học; e là các ion và hν là năng lượng
bức xạ. Quá trình ba vật thể có thể xẩy ra trong vùng D, nhưng rất hiếm xẩy ra ở độ
cao lớn hơn. Sự tái hợp các điện tử-ion chỉ có thể xẩy ra bởi quá trình bức xạ yếu.
Tại vùng trên cùng của lớp F, các quá trình vận chuyển hoàn toàn chiếm ưu thế. Tại
các độ cao trong vùng E và F, sự tái hợp phân ly là quá trình mất mát quan trọng
nhất.
(c) Thay đổi ion-nguyên tử (hệ số tỷ lệ γ ):
X+ + YZ → XY + Z
(d) Sự phân tách do va chạm (hệ số δ) theo chiều thuận và sự gắn 3 vật thể
(hệ số tỷ lệ at) diễn ra theo chiều ngược lại :
X- + M ↔ X + e + M
Phản ứng phân tách có thể xẩy ra dễ dàng nếu phân tử M ở trạng thái kích thích,
trong trường hợp đó phản ứng có thể được viết :
X- + M* → X + e + M
(e) Sự phân tách kết hợp theo chiều thuận và sự gắn kết phân tách diễn ra
theo chiều ngược lại :
X- + Y ↔ XY + e
(f) Sự quang phân ly (hệ số ρ) theo chiều thuận và sự gắn kết bức xạ (hệ số
25
tỷ lệ ar) theo chiều ngược lại :
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
X- + hν ↔ X + e
Trong đó ρ là tích của thông lượng bức xạ mặt trời gây ra hiện tượng phân ly và tiết
diện ngang hấp thụ của chất khí. Bảng 2.1 tổng kết các quá trình sinh và mất ion
trong tầng điện ly với những bình luận về độ lớn của chúng. Các giá trị hằng số của
các hệ số tỷ lệ được suy ra từ lý thuyết hoặc từ thực nghiệm nên có tính chất tham
khảo.
Quá trình
Vùng D 60-90km (xấp xỉ)
Vùng E 90-150km (xấp xỉ)
Vïng F 150-600km (xấp xỉ)
Đóng góp vào phương trình liên tục (phản ứng/đơn vị thể tích/đơn vị thời gian) và các giá trị của các hệ số
EUV 911-1027Å EUV 170-911 Å
q(h)
Bảng 2.1 Các quá trình tạo và mất ion [76]
Tạo ion Quang ion hóa mặt trời (các bức xạ chính chỉ ra trong dấu [ ])
[Ly 1216 Å] (ion hóa NO) Tia X 1-10 Å
[Ly 1026 Å] O2 bị ion hóa bởi <1027 Å Tia X 10-170 Å
[He II 304 Å, He I 584 Å] O bị ion hóa bởi <911 Å N2 bị ion hóa bởi <796 Å
q(h)
electrons>30keV Protons > 1MeV Các tia vũ trụ
Ion hóa hạt (rất quan trọng ở vùng vĩ độ cao, đặc biệt là vùng cực)
Electrons 1keV (Một lượng nhỏ; có thể đáng kể vào ban đêm)
Electrons 1- 30keV gây ra một số hiện tượng ion hóa ban đêm và lớp Es
Mất ion
Tái hợp ion-ion
Quan trọng
Ít ion âm tồn tại Rất ít ion âm tồn
tại
Tái hợp electron- ion:
iN+N- i ~ 10-7 cm3s-1 =10-13m3s-1 eN+Ne e=(h) e~10-12cm3s-1 =10-18m3s- 1
+ Tái hợp ba vật thể + Tái hợp bức xạ + Tái hợp phân ly
Quan trọng Không có ý nghĩa Quan trọng
Mật độ khí quá thấp Không quan trọng Cơ chế mất mát chiếm ưu thế
Mật độ khí quá thấp Không quan trọng Cơ chế mất mát chiếm ưu thế
e~10-7cm3s-1 =10-13m3s-1
Quan trọng
Quan trọng
+
(h)NA
+nMNA
Trao đổi ion-nguyên tử
+= hàm lượng
(NA
ion nguyên tử)
Có thể duy trì một số ion âm vào ban đêm
Không quan trọng, do chỉ có một lượng ít các ion nguyên tử tồn tại Gắn kết ba vật thể là quan trọng nhất
Gắn kết bức xạ cung cấp một nguồn rất yếu các ion âm
Gắn kết Bức xạ Ba vật thể
a(h)NearnXNe+ atnX nMNe ar~10-15cm3s-1 =10-21m-3s- 1
26
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
Rất quan trọng
Không đáng kể
at~10-30cm6s-1 =10-42m6s-1 (h) Ne nMN-
Quan trọng, đặc biệt về ban đêm
~10-20cm3s-1 =10-26m3s-1 ~10-10cm3s-1 =10-16m3s-1 ~10-10cm3s-1 =10-16m3s-1
Chỉ ảnh hưởng ban ngày
N- 1s-1
Tách rời do va chạm, ... : + Tách rời va chạm + Tách rời kết hợp + Tách rời bởi các phân tử siêu ổn định Quang phân ly do bức xạ nhìn thấy và tia UV dài
Nguyên nhân chính về sự thiếu vắng của các ion âm
Nguyên nhân chính của sự thay đổi ngày/đêm của ion âm và điện tử (N-/Ne)
2.1.2.2 Hợp phần ion trong tầng điện ly
Hợp phần ion và hợp phần khí trung hòa được rút ra từ tài liệu đo đạc bằng
tên lửa với các phổ kế khối lượng và vệ tinh, Johnson đã tổng kết các kết quả của
phép đo nồng độ sẵn có được minh họa trên hình 2.2.
Hình 2.2, Hợp phần khí quyển và tầng điện ly trong thời gian ngày dựa trên phép đo
phổ kế khối lượng và vệ tinh (H. Rishbeth and O. K. Garriott,[76]).
Ở phía dưới độ cao 100 km, N2 và O2 có cùng tỷ lệ như trong vùng khí quyển
dưới thấp là khoảng 4:1, và chiếm tỷ lệ trội hơn các thành phần khí khác. Từ hình
2.2 ta thấy rằng gần độ cao 110 km, lượng Oxy nguyên tử đạt tới lượng Oxy phân
tử, và phía trên độ cao khoảng 250 km thì mật độ Oxy nguyên tử vượt quá mật độ
của N2. Xu hướng này gây bởi hiện tượng quang phân ly O2 bởi bức xạ cực tím của
Mặt Trời. Sự chiếm ưu thế của Oxy nguyên tử trong hợp phần khí trung hòa được
phản ánh bởi hợp phần plasma. Ở phần bên trái của hình chỉ ra tuyến phân bố ion và
mật độ electron (được gán là e-). Gần đỉnh mật độ plasma, các ion chủ yếu là O+,
27
tương ứng với nồng độ cao của Oxy nguyên tử trong khí trung hòa. Khoảng độ cao
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
+ lại trở lên quan trọng và chiếm
từ 150 đến 500 km được gọi là lớp F, và độ cao mà mật độ điện tử đạt giá trị lớn
nhất được gọi là đỉnh F. Dưới đỉnh này, NO+ và O2
ưu thế trong plasma dưới khoảng 150 km. Khoảng độ cao từ 90 đến 150 km được
gọi là lớp E và tầng ion dưới 90 km được gọi là lớp D. Ở độ cao lớn trên 1000 km,
Hydro trở thành ion chiếm ưu thế và quyển này gọi là quyển proton.
Kết quả trên được áp dụng cho các điều kiện trung bình vào ban ngày đối với
thời kỳ vết đen mặt trời cực tiểu. Từ mô hình ta thấy rằng hợp phần khí trung hòa
+ theo các phương
chính trong nhiệt quyển đó là O, N2 và O2. Như vậy các ion chính được tạo ra bởi sự
quang ion hóa và tương tác trong nhiệt quyển là O+, NO+, O2
trình phản ứng quang hóa sau:
Quang hóa
+ + e
O + h O+ + e
+ + e
N2 + h N2
O2 + h O2
+ + O
Di chuyển hoặc thay đổi
O+ + O2 O2
+ + O NO+ + N
O+ + N2 NO+ + N
N2
+ + O O+ + N2
N2
+ + O2 O2
+ + N2
N2
+ + e O* + O**
Tái hợp phân ly
O2
+ + e N* + N**
NO+ + e N* + O*
N2
Chính sự tồn tại của nhiều loại phân tử, ion trong tầng điện ly đã dẫn đến sự
phân tách tầng điện ly thành các lớp tương ứng với các ion đặc trưng của từng lớp
28
như đã được nêu ra ở phần trên.
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
2.1.2.3 Hàm sinh ion của Chapman
Đối với trường hợp đơn giản nhất của một chùm bức xạ mặt trời đơn sắc
song song ion hóa một khí đẳng nhiệt đơn thành phần trong một lớp phân lớp
ngang, tốc độ tạo cặp ion được cho bởi hàm Chapman [76, 79]:
q(h,) = q0e(1-z-sec exp(-z)) với z=(h-h0)/ ∆h (2.2)
Trong đó q(h,χ) là tốc độ tạo ion; h là độ cao; χ là góc thiên đỉnh của Mặt Trời; q0 là
tốc độ sinh ion ở z=0; z là chiều cao rút gọn; h0 là độ cao sinh ion cực đại chuẩn khi
Mặt Trời ở trên đỉnh đầu (hoặc χ=0), và ∆h là độ cao tỷ lệ. Tốc độ tạo ion q0 được
cho bởi:
(2.3)
trong đó I∞ là mật độ thông lượng mặt trời bên ngoài tầng khí quyển tính bằng
photon trên một đơn vị diện tích; η là số cặp ion tạo ra bởi mỗi photon; và e là cơ số
hàm mũ tự nhiên.
Độ cao hmax ở đó xảy ra quá trình tạo ion cực đại thu được bằng cách vi phân
hàm Chapman (2.2), ta có:
(2.4) hmax = h0 + ∆h zmax với zmax = ln sec
Cực đại tạo ion là:
(2.5) qmax = q0 cos
Trong các lớp E và F1, các ion có thể bị tái hợp với các điện tử với tốc độ phụ thuộc
theo qui luật bậc hai vào mật độ điện tử Ne. Loại bỏ số hạng do các quá trình vận
chuyển, ta có phương trình liên tục sau:
(2.6)
Trong đó α là hệ số tái hợp trung bình đối với các ion phân tử. Chú ý rằng (2.6)
không đúng ở độ cao trong tầng điện ly – với mật độ thấp, tại đó tốc độ mất mát phụ
thuộc tuyến tính vào Ne.
Trong cân bằng quang hóa, tức là khi dNe/dt = 0, phân bố mật độ điện tử
29
tương ứng với hàm Chapman (2.2) là:
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
với (2.7)
trong đó Ne,0 là mật độ điện tử ở z = 0. Phân bố này được gọi là phân bố Alpha
Chapman hoặc đơn giản là lớp Chapman.
Độ cao ở đó mật độ điện tử cực đại đồng nhất với độ cao ở đó tốc độ sinh ion
là lớn nhất được cho bởi (2.4). Cực đại mật độ điện tử là:
(2.8)
Tốc độ tạo ion (2.2) và phân bố mật độ điện tử tương ứng (2.7) được chỉ ra
trên các hình 2.3. Với độ cao chuẩn h0 = 350 km, độ cao tỷ lệ ∆h = 100 km, và góc
thiên đỉnh mặt trời là χ=0, nghĩa là độ cao hmax bằng h0 được chỉ ra bằng đường
chấm chấm. Các tuyến đối với góc thiên đỉnh mặt trời: 5o, 10o, 15o, ..., 85o được vẽ
bằng các đường mảnh hơn. Thay đổi cường độ thông lượng mặt trời φ(∞) sẽ thay
đổi giá trị qmax và Ne,max, nhưng không ảnh hưởng tới độ cao tương ứng hmax.
Xem xét kỹ phân bố mật độ (2.7) ta thấy rằng vào buổi trưa Ne,max về mặt lý
thuyết đạt cực đại, và hmax đạt cực tiểu. Khi không có nguồn bức xạ mặt trời, mật độ
điện tử giảm. Ở bán cầu ban đêm, mật độ điện tử thấp và khá ổn định. Chúng ta
thấy rằng mật độ điện tử phụ thuộc mạnh vào vị trí tương đối của Mặt Trời và góc
thiên đỉnh của Mặt Trời, một cách tương ứng, điều này cho thấy có sự biến thiên
ngày đêm cũng như biến thiên theo mùa rõ rệt của mật độ điện tử. Sự phụ thuộc này
của trạng thái tầng điện ly vào vị trí của Mặt Trời có thể được sử dụng một cách có
hiệu quả trong việc mô hình hóa theo không gian và theo thời gian của mật độ điện
tử. Sau khi bị ion hóa, các điện tử tự do có xu hướng phản ứng lại với các phân tử
khác, điều đó cho thấy rằng không chỉ quá trình quang ion hóa mà cả các quá trình
vận chuyển quyết định phân bố không gian của các điện tử và các ion trong tầng
điện ly. Vì vậy tuyến mật độ điện tử thẳng đứng trong tầng điện ly thực tế có thể
30
khác với các tuyến rút ra từ lý thuyết Chapman [76, 79].
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
Hình 2.3, a) Phân bố tuyến mật độ thẳng đứng của lớp Chapman và b) Tốc độ sinh
ion Chapman theo góc thiên đỉnh mặt trời từ 0o đến 85o với bước thay đổi 5o.
2.1.3 Truyền sóng radio qua tầng điện ly
Như trên đã nêu tầng điện ly được xác định là một phần của khí quyển tầng
trên, ở đó tồn tại mật độ điện tử đủ lớn để gây ảnh hưởng lên quá trình truyền sóng
radio. Đối với các sóng radio có tần số nhỏ hơn 100 MHz, thì tầng điện ly được xem
là môi trường hấp thụ và phản xạ sóng. Đối với các sóng cực ngắn, có tần số lớn
31
hơn 100 MHz thì tầng điện ly đóng vai trò là một nguồn nhiễu.
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
Hình 2.4, Mô hình truyền sóng qua tầng điện ly
(http://radiojove.gsfc.nasa.gov/education/educ/radio/tran-rec/exerc/iono.htm).
Quá trình truyền sóng qua tầng điện ly được xác định bởi chỉ số khúc xạ của
môi trường. Chỉ số khúc xạ đối với môi trường ion nhận được từ phương trình
Appleton-Hartree và được biểu diễn như sau [46]:
(2.9)
trong đó X, Y, Z là các đại lượng vô hướng và được xác định như sau:
với: = 2πf, trong đó f là tần số hoạt động của hệ thống, tính bằng Hz và
2/0m, là tần số góc plasma, tính bằng Hz
N = Ne
B = Be /m, là tần số hồi chuyển của điện tử, tính bằng Hz
L = B cos, là thành phần theo phương kinh tuyến của tần số hồi chuyển
B
T = B sin, là thành phần theo phương ngang của tần số hồi chuyển B
B: mật độ thông lượng từ, Tesla
Ne : mật độ điện tử, tính bằng e/m3
32
e : điện tích của điện tử, = -1.602×10-19 Coulomb,
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
0 : hằng số điện môi trong chân không, = 8.854×10-12 farad/m,
m : khối lượng của điện tử, = 9.107×10-31 kg,
: là góc giữa phương truyền sóng và véc tơ trường từ,
: tần số va chạm giữa nguyên tử trung hòa và điện tử.
Trong trường hợp bình thường, chỉ số khúc xạ trong tầng điện ly n là một đại lượng
phức tạp và dấu (+) trong phương trình được dùng cho thành phần sóng radio bình
thường O (ordinary wave), dấu (-) được dùng cho sóng bất thường X (extraordinary
wave).
Khác với sự truyền sóng qua tầng đối lưu chủ yếu phụ thuộc vào áp suất,
nhiệt độ và nồng độ hơi nước, sự truyền sóng qua tầng điện ly ảnh hưởng chủ yếu
bởi mật độ điện tử tự do dọc theo đường truyền. Đó chính là đặc trưng quan trọng
của tầng điện ly mà cấu trúc của nó và cực đại mật độ điện tử thay đổi mạnh theo
thời gian trong ngày, theo mùa trong năm, theo vĩ độ địa lý, các nhiễu loạn địa từ và
nhiễu loạn mặt trời.
2.1.4 Hoạt tính mặt trời
Vì quá trình ion hóa trong tầng điện ly bị khống chế chủ yếu bởi bức xạ điện
từ và bức xạ hạt của Mặt Trời, nên nó là một hàm phụ thuộc vào hoạt tính mặt trời.
Trên bề mặt của Mặt Trời có những vệt tối gọi là vết đen mặt trời, lần đầu tiên được
nhận ra bởi Theophrastus khoảng năm 352 trước Công nguyên, đặc trưng cho hoạt
tính của Mặt Trời. Mức độ hoạt động của Mặt Trời thể hiện qua số vết đen trên bề
mặt quan sát được. Các vết đen mặt trời dường như là tối vì nhiệt độ bề mặt ở đó
thấp so với nhiệt độ của vầng hào quang xung quanh Mặt Trời. Các vết đen thường
có kích cỡ từ vài trăm km đến vài chục ngàn km. Thời gian sống của chúng biến đổi
khá rộng, một số vết đen chỉ kéo dài vài ngày, trái lại một số khác còn sống trong
vài chu kỳ quay của Mặt Trời khoảng 27 ngày. Do vết đen mặt trời xuất hiện thành
từng nhóm, trong đó có nhiều vết nhỏ khó mà đếm một cách chính xác nên vào năm
1848, J. R. Wolf ở đài thiên văn Zurich-Thụy Sĩ, đã đề nghị cách tính số vết đen
mặt trời bằng tổng số vết đen riêng biệt cộng với 10 lần số nhóm vết đen (vì mỗi
33
nhóm trung bình có khoảng 10 vết). Tuy nhiên, số này chỉ mang tính tương đối do
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
phụ thuộc nhiều vào quan sát viên, điều kiện và thiết bị quan sát. Số vết đen mặt
trời tính theo công thức của R. Wolf được gọi là số Wolt (W), hay số Rz, là kết quả
quan sát được tại đài quan sát Zurich:
Rz = k (10g + s) (2.10)
Trong đó: g - số nhóm vết đen
s - số vết đen riêng lẻ,
k – hệ số điều chỉnh (Wolf lấy hệ số k = 1)
Số vết đen mặt trời hàng tháng, hàng năm là giá trị trung bình của số vết đen hàng
ngày, có thể là số thập phân. Số Rz được thu thập từ năm 1848 và đến năm 1981
được nối tiếp bằng số vết đen mặt trời quốc tế Ri (International Sunsport Number).
Số này do trung tâm dữ liệu số vết đen mặt trời ở Bỉ cung cấp (Sunsport Index Data
Center - SIDC), dựa trên số liệu thu thập từ hơn 25 trạm quan sát trên nhiều nước.
Ngày nay số trạm trên toàn thế giới mở rộng đến hàng trăm trạm và số Ri được công
bố rộng rãi trên webside: http://www.sidc.be.
Hình 2.5, Số vết đen Mặt Trời trung bình tháng từ năm 1965 đến 2014
(http://www.sidc.be/silso/monthlyssnplot).
Hình 2.5 chỉ ra tiến trình của số vết đen mặt trời trung bình tháng từ năm 1965 đến
năm 2014. Phân tích phổ chuỗi thời gian trung bình tháng của số vết đen mặt trời
34
chỉ ra sự có mặt của các dao động chu kỳ khoảng 11 năm và các hài điều hòa của
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
nó. Trong khoảng thời gian từ 1965 tới 2014 tương ứng với hơn 4 chu kỳ hoạt động
mặt trời.
Khi trên bề mặt của Mặt Trời phát ra các luồng gió mặt trời mạnh, tương tác
với từ quyển của Trái Đất và gây ra nhiễu loạn từ trường của Trái Đất, gọi là bão từ.
Bão từ là một trong những hiện tượng vật lý phức tạp trong trường địa từ. Trong
thời gian bão từ trường từ quan sát được gây bởi nhiều nguồn khác nhau: hệ dòng
Sq trong tầng điện ly gây ra biến thiên ngày đêm đều đặn, các dòng điện ở ranh giới
từ quyển do tương tác của trường địa từ và gió mặt trời ở pha đầu của bão từ, dòng
chạy trong phần đuôi từ quyển, dòng vòng xích đạo, dòng nhiễu loạn trong tầng
điện ly... Các dòng này có độ lớn khác nhau và ở các pha khác nhau của bão. Tham
số thường dùng đặc trưng cho mỗi trận bão từ là chỉ số Dst (disturbance – storm
time). Chỉ số Dst được tính từ sự thay đổi trung bình toàn cầu của thành phần nằm
ngang trường địa từ tại xích đạo từ dựa trên số liệu của bốn trạm đo từ như chỉ ra
Tên trạm
Kinh độ
Vĩ độ
địa lý
địa lý
Hermanus
19.220
-
34.400
Kakioka
140.180
36.230
Honolulu
201.980
21.320
San Juan
292.880
18.110
trên hình 2.6.
Hình 2.6, Tọa độ và vị trí trạm quan sát Dst (http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp).
Dst được tính mỗi giờ một giá trị và ghi lại theo thời gian thực. Trong thời
gian yên tĩnh, giá trị Dst nằm trong khoảng +20 và -20 nano Tesla (nT). Trong một
trận bão từ thường có 3 pha: pha đầu, pha chính và pha hồi phục. Pha đầu thường
đặc trưng bởi chỉ số Dst tăng lên 20 đến 50 nT trong hàng chục phút. Những trận
bão có xuất hiện pha đầu thường gọi là bão từ bắt đầu bất ngờ. Tuy nhiên không
phải trận bão từ nào cũng có pha đầu và có sự tăng lên bất ngờ của chỉ số Dst. Pha
chính của bão được xác định khi giá trị Dst suy giảm đến giá trị cực tiểu (từ -50nT 35
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
đến -600nT), thời gian xuất hiện pha chính thường kéo dài từ 2 đến 8 giờ. Pha hồi
phục được tính là khi giá trị Dst thay đổi từ giá trị cực tiểu đến giá trị trong ngày
yên tĩnh từ, thời gian của pha hồi phục thường kéo dài từ vài giờ đến vài ngày. Độ
lớn của trận bão từ thường được phân thành 3 mức: trung bình (-100nT < Dst < -
50nT), mạnh (-250nT < Dst < -100nT) và siêu bão (Dst < -250nT).
các thời điểm bắt đầu của pha đầu, pha chính và pha hồi phục của bão từ.
Hình 2.7, Biến thiên của chỉ số Dst từ ngày 12/04 đến ngày 17/04/2006. Các mũi tên chỉ
2.1.5 Tầng điện ly vùng xích đạo và nhiễu loạn điện ly
2.1.5.1 Tầng điện ly vùng xích đạo
Tầng điện ly vùng xích đạo được xác định là vùng điện ly nằm trong khoảng
±200 ở hai phía xích đạo từ. Hình thái của tầng điện ly vùng xích đạo hoàn toàn
khác so với ở các vùng vĩ độ cao và vùng vĩ độ trung bình do đường sức trường từ
ở xích đạo từ gần như song song với bề mặt Trái Đất. Vào ban ngày, các dao
động triều khí quyển và dao động nhiệt trong lớp dưới của tầng điện ly do tác dụng
của bức xạ mặt trời làm di chuyển plasma lên trên và cắt ngang các đường sức từ
trường. Điều đó đã tạo nên một bản dòng trong lớp E cùng với một điện trường
hướng từ tây sang đông. Trường điện này trong lớp E cùng với trường từ nằm
ngang trong vùng xích đạo từ đã đẩy plasma dịch chuyển lên trên vào vùng F của
tầng điện ly (sự trôi dạt dưới tác dụng của lực ). Plasma đã được nâng lên phía
trên xích đạo từ tới các độ cao lớn hơn, đặc biệt khoảng độ cao 500 km, ở đó tốc độ
tái hợp xẩy ra rất chậm, sau đó plasma bị khuếch tán xuống dưới và dịch chuyển
dọc theo đường sức từ trường về phía hai cực dưới tác dụng của trọng lực và
36
gradient áp suất. Kết quả là, dị thường điện ly xích đạo được hình thành với sự suy
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
giảm mật độ ion của lớp F tại xích đạo và sự tăng ion ở hai đỉnh dị thường xung
quanh ±15° vĩ độ từ ở phía bắc và phía nam xích đạo từ (hình 2.8). Hiện tượng này
giống như hình ảnh của “vòi phun” nên người ta thường gọi là “hiệu ứng vòi phun
plasma xích đạo”.
Hình 2.8, Hiệu ứng vòi phun xích đạo
(http://www.everythingselectric.com/forum/index.php?topic=170.0).
Gần với thời điểm Mặt Trời lặn, động học trong tầng điện ly vùng vĩ độ thấp
bị chi phối bởi trường điện hướng đông tăng lên bất thường trước khi đảo chiều đổi
sang hướng tây (Preversal Electric Field Enhancecement - PRE). Trong những giờ
sau khi Mặt Trời lặn, mật độ plasma và động học trường điện trong vùng E giảm,
đồng thời đỉnh dị thường điện ly mất dần, trong khi đó tại thời gian này động học
trường điện bắt đầu phát triển trong vùng F. Với sự suy giảm mật độ ion trong vùng
E sau khi Mặt Trời lặn và sự phát triển trường điện trong vùng F làm hình thành
gradient mật độ plasma thẳng đứng hướng lên ngược với hướng của trọng lực trong
vùng đáy của lớp F. Trạng thái này gọi là trạng thái bất ổn định Rayleigh-Taylor
(RT) và là nguyên nhân phát sinh các dị thường mật độ trong tầng điện ly vùng xích
đạo và vùng vĩ độ thấp, đặc biệt tại vùng đỉnh dị thường. Sự phát triển không tuyến
tính của các bất ổn định này dẫn đến sự hình thành các vùng suy giảm điện ly lớn,
hiện tượng này thường quan sát thấy trong vùng điện ly xích đạo và gọi là bọng
37
plasma [46, 76, 89].
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
2.1.5.2 Lớp E rời rạc (Sporadic E)
Lớp E rời rạc hay còn được gọi là lớp Es xuất hiện trong vùng E của tầng
điện ly, nằm trong vùng độ cao từ 100 đến 130 km. Es là đặc trưng cho sự xuất hiện
các mảng nhiễu loạn trong vùng E, với kích thước khoảng vài trăm mét về độ dầy.
Sự xuất hiện của lớp Es là ngẫu nhiên và không có khả năng dự báo, có thể xuất
hiện bất kỳ thời điểm nào trong ngày, mùa trong năm và ở cả ba vùng vĩ độ, nhưng
xuất hiện thường xuyên nhất tại các vĩ độ gần xích đạo. Sự xuất hiện Es thường
xuyên tại xích đạo được cho là gây bởi các nhiễu loạn plasma liên quan tới dòng
điện xích đạo trong vùng E của tầng điện ly.
2.1.5.3 Vết lớp F trải rộng (Spread-F)
Thuật ngữ “Spread F” hay vết lớp F trải rộng (Fs) được sử dụng để gọi tên
vết khi có hiện tượng vết điện ly trải rộng trên điện ly ở độ cao nằm trong vùng F
của tầng điện ly. Khoảng thời gian xuất hiện hiện tượng này được gọi là thời kỳ của
Fs và các nhiễu loạn gây ra Fs được gọi là nhiễu loạn Fs. Nét đặc trưng chính trong
phân bố theo địa lý của Fs là tồn tại hai vùng thường xuyên xuất hiện đó là ± 200 vĩ
độ hai bên xích đạo từ và tại các vĩ độ cực. Thường xuất hiện trong khoảng độ cao
từ 250 đến 600 km, với kích thước nhiễu loạn đạt tới từ một vài mét tới hàng 100
km hoặc hơn. Spread F xích đạo (ESF-Equatorial Spread F), là hiện tượng biểu hiện
các bất ổn định plasma điện ly, thường xuất hiện trong vùng F khu vực xích đạo sau
khi Mặt Trời lặn. Cơ chế hình thành ESF chủ yếu gây bởi trạng thái bất ổn định
Rayleigh-Taylor (Gravitational Rayleigh-Taylor, GRT) trong mối liên hệ với các
quá trình vật lý khác trong tầng điện ly vùng xích đạo. Vào thời điểm sau khi Mặt
Trời lặn, dưới tác dụng của thành phần trường điện lớp F khu vực xích đạo từ được
nâng lên đột ngột đến một độ cao nơi có mật độ plasma thấp và sự va chạm plasma
hiếm xảy ra. Vùng gradient nồng độ điện tử dương tính của đáy lớp F tăng lên
nhanh chóng làm cho vùng điện ly trở nên mất ổn định và hỗn loạn dẫn tới sự tăng
trưởng bọt plasma. Trạng thái này ảnh hưởng lớn đến cấu trúc vùng đáy của lớp và
là điều kiện quan trọng cho sự hình thành các bất ổn định. Vào giai đoạn đầu của sự
hình thành spread F khi các cấu trúc bất ổn định cỡ nhỏ (vài chục cm đến vài chục
38
m) và các cấu trúc cỡ lớn (vài chục km đến vài trăm km) cùng tồn tại và làm nhiễu
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
loạn phần đáy lớp F. Sau đó khi các cấu trúc bất ổn định này phát triển lên phía trên,
xuyên qua toàn bộ lớp F lên đến phần đỉnh thì các bất ổn định nhỏ bị triệt tiêu chỉ
còn lại các cấu trúc bất ổn định lớn và hình thành các cấu trúc dạng bọt bong bóng
(bubble), đây được gọi là giai đoạn phân rã hay giai đoạn gần kết thúc của quá trình
phát triển ESF [22, 39, 85].
2.1.5.4 Các nhiễu loạn điện ly
Bằng các kỹ thuật khác nhau người ta quan trắc thấy phạm vi bất ổn định có
thể từ hàng chục centimét tới hàng trăm kilômét tạo thành các mảng nhiễu loạn điện
ly có kích thước khác nhau. Các nhiễu loạn điện ly di chuyển (traveling ionospheric
disturbances - TID) có thể gây nên những biến đổi ở mật độ điện tử tổng cộng
khoảng vài phần trăm. Người ta có thể chia các nhiễu loạn theo kích thước như sau:
- Các nhiễu loạn điện ly dịch chuyển quy mô lớn (Large-scale TIDs -
LSTIDs), có chu kỳ từ khoảng 30 phút tới 3 giờ và có bước sóng ngang lớn hơn
1000km.
- Các nhiễu loạn điện ly dịch chuyển quy mô trung bình (Medium-scale TIDs
- MSTIDs), có chu kỳ từ khoảng 10 phút tới 1 giờ và có bước sóng ngang khoảng
vài trăm km.
- Các nhiễu loạn điện ly dịch chuyển quy mô nhỏ (Small-scale TIDs -
SSTIDs), có chu kỳ cỡ vài phút và bước sóng ngang hàng chục km.
Nhiễu loạn điện ly là một hiện tượng có tính toàn cầu. Hiện nay chúng ta còn
chưa có nhiều hiểu biết về khí hậu học các nhiễu loạn điện ly. Các cấu trúc quy mô
nhỏ nhất ở phân bố mật độ điện tử gây nên những hiệu ứng thăng giáng, những biến
thiên nhanh ở nồng độ điện tử. Những thăng giáng điện ly chủ yếu xảy ra trong
vùng xích đạo, vùng vĩ độ cao và vùng cực.
Cuối cùng là những hiện tượng điện ly rất lớn, được gọi là bão điện ly.
Những hiện tượng này thường đi kèm với nhiễu loạn mạnh của trường từ (bão từ)
và những bùng nổ sắc cầu lớn của Mặt Trời. Bão điện ly thường tạo nên một số
lượng lớn điện tử. Kiểu bão điện ly, trong đó có các bất đối xứng theo vĩ độ và kinh
độ, có thể thay đổi đáng kể từ sự kiện này tới sự kiện khác, điều đó làm cho không
39
thể dự báo một cách chính xác các bão điện ly. Năm 1980 Blanc và Richmond [31]
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
đề xuất mô hình dynamo nhiễu loạn điện ly. Nguyên lý cơ bản của mô hình này
được trình bày trên hình 2.9, mô hình dynamo nhiễu loạn điện ly này có thể cho
phép hiểu được một cơ chế phát sinh quan trọng của các dòng và trường điện ở
vùng vĩ độ trung bình và vĩ độ thấp diễn ra sau quá trình đốt nóng vùng cực mạnh
mẽ trong thời gian bão từ.
Hình 2.9, Mô hình Dynamo nhiễu loạn điện ly (Blanc & Richmond, 1980 [31]).
Trong thời gian bão từ, tầng điện ly vùng cực bị đốt nóng do sự toả nhiệt Jun
của các dòng điện vùng cực quang và sự gia tăng của các luồng hạt gió mặt trời.
Nhiệt lượng toả ra được lan truyền đi một cách đồng nhất từ vùng vĩ độ cao tạo nên
gió trung hòa theo phương kinh tuyến hướng về phía xích đạo tại các độ cao vùng F
được ký hiệu là . Do tác động của lực Coriolis, gió kinh tuyến hướng xích đạo tạo
ra chuyển động vĩ hướng hướng về phía tây (véc tơ ). Chuyển động vĩ hướng
tổ hợp với thành phần trường từ hướng xuống dưới (được ký hiệu là ) tạo ra một
dòng Pedersen hướng về xích đạo ( ) ở trong tầng điện ly ở độ cao khoảng 150
km ở đó độ dẫn Pedersen của tầng điện ly là cao nhất. Dòng Pedersen có xu hướng
làm tích tụ các điện tích dương ở xích đạo thiết lập nên một điện trường hướng
ngược với hướng của dòng Pedersen và cuối cùng làm triệt tiêu dòng Pedersen.
Điện trường hướng về cực này được ký hiệu là và hướng vuông góc với thành
phần hướng xuống dưới của trường từ tác động
. Đến lượt mình, điện trường 40
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
với thành phần hướng xuống dưới của trường từ làm xuất hiện một dòng Hall
hướng về phía đông. Các dòng hướng về phía đông này được hy vọng là có cường
độ cực đại ở các vĩ độ trung bình. Dòng Hall được ký hiệu là . Dòng Hall này là
bị gián đoạn ở danh giới bình minh và hoàng hôn ở đó độ dẫn điện ly có gradient
dọc theo phương kinh tuyến lớn. Các dòng bị gián đoạn này tạo nên các hạt tích
điện phân cực ở các ranh giới bình minh và hoàng hôn tạo nên một điện trường
hướng từ phía hoàng hôn sang phía bình minh. Hơn nữa các dòng bị lệch đi về vùng
vĩ độ cao hơn và vùng vĩ độ thấp hơn do đó tạo nên 2 xoáy dòng như được chỉ ra
trên hình 2.9, một xoáy dòng ở vùng vĩ độ cao và một xoáy dòng ở vùng xích đạo.
Điều quan trọng phải nhấn mạnh rằng xoáy dòng nhiễu loạn ở vùng xích đạo xoay
theo chiều kim đồng hồ, nghĩa là có hướng ngược với hướng của xoáy dòng Sq bình
thường, điện trường liên quan với dòng nhiễu loạn này cũng hướng từ phía đông
sang phía tây ngược với hướng của điện trường liên quan với hệ dòng Sq [46, 76,
89]. Trong giai đoạn đầu của bão từ (pha chính), trường từ giữa các hành tinh
hướng về phía Nam, sự tương tác giữa trường từ giữa các hành tinh và gió mặt trời
sẽ tạo nên trường điện hướng từ phía bình minh sang phía hoàng hôn ở tầng điện ly
vùng cực. Sau đó trường điện này thâm nhập trực tiếp xuống vùng xích đạo, làm gia
tăng điện trường hướng đông ở điều kiện bình thường, làm gia tăng hiệu ứng vòi
phun và như vậy thường ở giai đoạn đầu của bão từ người ta quan sát được hiện
tượng gia tăng của mật độ điện tử của đỉnh dị thường (bão điện ly dương) và sự dịch
chuyển của đỉnh dị thường về phía cực. Ở giai đoạn sau của bão khi dynamo nhiễu
loạn điện ly phát triển tạo ra điện trường hướng ngược lại từ đông sang tây ở khu
vực xích đạo như đã phân tích, điện trường hướng đông suy giảm, làm suy giảm
hiệu ứng vòi phun kèm theo sự dịch chuyển về phía xích đạo của đỉnh dị thường
(bão âm). Tuy nhiên, gió không phải là nguyên nhân duy nhất của các hiệu ứng như
vậy. Nhiều cơ chế khác bao gồm sự thay đổi thành phần khí trung hòa, sự ion hóa
vận chuyển theo chiều ngang cùng với điện trường gây ra sự suy giảm mật độ…
[46, 57, 76]. Dấu hiệu từ của dynamo nhiễu loạn điện ly đã được Lê Huy Minh &
Mazaudier [63] chỉ ra trên số liệu các trạm địa từ ở khu vực xích đạo và ở các vùng
41
vĩ độ khác.
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
2.2 Hệ thống định vị toàn cầu và cơ sở phân tích số liệu GPS
Phần này sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu. Các tín hiệu
GPS và các thông số quan sát được từ hệ thống này. Các nguồn gây ảnh hưởng lên
tín hiệu GPS và giới thiệu chi tiết về ảnh hưởng của tầng điện ly lên tín hiệu vệ tinh
GPS.
2.2.1 Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu
Hệ thống định vị toàn cầu là một hệ thống dẫn đường bằng sóng radio trong
không gian ở mọi thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất và mọi thời điểm, được chính phủ
Mỹ phát triển và thực hiện phục vụ cho các mục đích dân sự và quân sự trong việc
xác định chính xác vị trí, vận tốc và thời gian ở khắp mọi nơi ở trên và gần mặt đất.
Ngày nay hệ thống định vị toàn cầu cũng được sử dụng rộng rãi trong các nghiên
cứu khoa học: nghiên cứu chuyển động kiến tạo mảng của vỏ Trái Đất, nghiên cứu
thời tiết vũ trụ, tầng khí quyển, tầng điện ly…
Về cơ bản, GPS là một hệ thống xác định khoảng cách 1 chiều, được chia
làm 3 bộ phận chính (hình 2.10): bộ phận trên không gian, bộ phận điều khiển, và
bộ phận sử dụng bao gồm nhiều loại máy thu.
Hình 2.10, Các bộ phận trong hệ thống GPS.
42
(https://www.elprocus.com/gps-based-voice-alert-system-for-blind-people/)
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
2.2.1.1 Bộ phận không gian
Bộ phận hoạt động trên không gian của hệ thống GPS chính là các vệ tinh,
bộ phận này có từ 24 đến 32 vệ tinh được xắp xếp bay trong 6 mặt phẳng quỹ đạo
nghiêng khoảng 55o so với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất và cách đều nhau một
góc 60o trên xích đạo. Các quỹ đạo vệ tinh là gần tròn, với một nửa trục chính
khoảng 26600 km, tương ứng với độ cao xấp xỉ 20200 km trên bề mặt Trái Đất
(hình 2.11).
Hình 2.11, Vệ tinh GPS và quỹ đạo bay trong 6 mặt phẳng nghiêng 55o
(http://www.gps.gov/systems/gps/space/). Vệ tinh GPS đầu tiên được chế tạo và phóng thành công vào ngày 22 tháng 2
năm 1978. Đến ngày 8 tháng 12 năm 1993, chùm 24 vệ tinh đã đi vào hoạt động
đầy đủ, cả chùm vệ tinh hoạt động liên tục mọi thời điểm trong ngày đảm bảo rằng
tại bất kỳ thời điểm nào ở bất kỳ vị trí nào trên hoặc gần mặt đất có thể nhìn thấy ít
nhất 4 vệ tinh. Hiện nay chùm vệ tinh của hệ thống GPS có tổng cộng 32 vệ tinh
hoạt động liên tục như được chỉ ra trong bảng 2.2. Hình 2.12 chỉ ra vết các vệ tinh
nhìn thấy trên mặt đất, với mật độ dầy đặc và chu kỳ vòng quay quỹ đạo mỗi vệ tinh
là khoảng 11 giờ 58 phút, gần như đúng một nửa ngày thiên văn, đảm bảo tại mỗi vị
trí trên Trái Đất có thể nhìn thấy ít nhất là 4 vệ tinh. Do chu kỳ quỹ đạo là bội chính
43
xác của chu kỳ quay của Trái Đất, nên các vệ tinh hoàn thành hai vòng quay quỹ
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu đạo trong khi Trái Đất quay được một góc 360o so với không gian quán tính. Tuy
nhiên, các vệ tinh xuất hiện ở một vị trí sớm hơn khoảng 4 phút ở mỗi ngày mặt
trời.
Bảng 2.2 Tổng số vệ tinh GPS và tình trạng hoạt động
(http://www.insidegnss.com/node/918)
Vệ tinh phóng
Thời gian Phóng
Hỏng
Vệ tinh đang bay trên quỹ đạo và tình trạng hiện nay
Thành công
Chuẩn bị phóng
Kế hoạch
Tên nhóm vệ tinh
1978–1985
10
1
0
Không còn hoạt động
0
(số liệu được cập nhật đến ngày 13/6/2014)
I
1989–1990
9
0
0
Không còn hoạt động
0
II
19
0
0
3 vệ tinh hoạt động
0
IIA 1990–1997
12
1
0
12 vệ tinh hoạt động
0
IIR 1997–2004
8
0
0
7 vệ tinh hoạt động
0
IIR-M 2005–2009
9
0
3
9 vệ tinh hoạt động
0
IIF Từ 2010
0
0
0
Chưa phóng
12
IIIA Từ 2016
-
0
0
0
Chưa phóng
8
IIIB
-
0
0
0
Chưa phóng
16
IIIC
67
2
3
32
36
Tổng số
Hình 2.12, Vết các vệ tinh GPS trên mặt đất.
(http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html)
Ngoài hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ, Liên Xô (nay là Nga) cũng phát
triển một hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu có tên gọi GLONASS (GLObal
Navigation Satellite System), có các đặc tính tương tự, hiện tại có 28 vệ tinh hoạt 44
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
động. Liên minh Châu Âu cũng đang phát triển hệ thống vệ tinh dẫn đường mang
tên Galileo, hiện tại có 6 vệ tinh đang hoạt động và dự kiến có khoảng 30 vệ tinh
hoạt động vào năm 2019. Tiếp đến là Trung Quốc đang phát triển hệ thống vệ tinh
dẫn đường mang tên BeiDou, đã có 14 vệ tinh hoạt động và dự kiến có khoảng 35
vệ tinh hoạt động bao phủ toàn cầu vào năm 2020. Tên gọi chung cho các hệ thống
vệ tinh này là hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Global Navigation Setellite
System - GNSS).
2.2.1.2 Bộ phận điều khiển
Bộ phận điều khiển gồm 4 trạm điều khiển và 1 trạm chủ. Trạm chủ được đặt
ở Colorado Springs, Hoa Kỳ. Bốn trạm điều khiển được đặt ở Hawaii, Kwajalein,
Ascension Island, Diego Garcia, (hình 2.13). Hệ thống các trạm điều khiển sử dụng
ăng-ten mặt đất, đảm bảo cho các vệ tinh bay đúng quỹ đạo, thực hiện việc đồng bộ
thời gian cho các đồng hồ nguyên tử, lịch thiên văn trên mỗi vệ tinh, cũng như cập
nhật được “thời tiết không gian".
Hình 2.13, Các trung tâm điều khiển GPS.
2.2.1.3 Bộ phận sử dụng
Các máy thu GPS chính là bộ phận sử dụng trong hệ thống GPS. Ngày nay,
các máy thu GPS được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới với nhiều loại máy thu
khác nhau, máy thu GPS thu nhận thông tin từ các vệ tinh sẽ cung cấp cho người
dùng vị trí, vận tốc di chuyển, thời gian thực... Phân khúc người dùng bao gồm một
số lượng người dùng Mỹ và đồng minh quân sự của Dịch vụ GPS định vị chính xác,
và rất nhiều người sử dụng phục vụ cho mục đích dân sự: thương mại, nghiên cứu
45
khoa học. Một vài ứng dụng nổi bật của công nghệ GPS có thể được kể đến như
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
sau:
- Cung cấp thang thời gian chuẩn toàn cầu phục vụ đồng bộ hệ thống năng
lượng, viễn thông, ngân hàng…
- Định vị dẫn đường trong không gian ba chiều, sử dụng để làm hoa tiêu
trong hàng không, đường thủy và cả vận tải đường bộ.
- Xác định vị trí chính xác, được sử dụng trong trắc địa, nghiên cứu chuyển
động kiến tạo của vỏ Trái Đất.
- Ứng dụng trong nghiên cứu hàm lượng hơi nước trong tầng đối lưu, nghiên
cứu tầng điện ly... cung cấp những thông tin rất hữu ích trong nghiên cứu khí tượng,
truyền thông, thời tiết không gian.
2.2.2 Tín hiệu GPS
Mỗi vệ tinh GPS là một máy dao động chất lượng cao, nó là một tập hợp các
đồng hồ nguyên tử Cesi và Rubidium, được dùng để phát ra kế tiếp nhau hai sóng
mang liên kết L1 và L2 tương ứng với hai tần số GPS là f1 và f2 (hình 2.14). Hai tần
số mang này được rút ra từ tần số cơ bản ν0 = 10,23 MHz: f1 = 154 ν0 = 1575,42
MHz; f2= 120 ν0 = 1227,60 MHz. Tương ứng là 2 bước sóng λ1= c / f1 = 190 mm,
λ2= c / f2 =244 mm, với c là vận tốc ánh sáng trong chân không bằng 299 792 458
m/s. Một số vệ tinh GPS phóng từ năm 2010 được bổ xung thêm sóng mang L5 có
tần số phát f5=1,17645 GHz. Hai sóng mang liên kết L1 và L2 được sử dụng để loại
bỏ ảnh hưởng của nguồn sai số như khúc xạ do tầng điện ly, là một trong những
mục đích chính đề cập tới trong luận án này.
Có hai mã nhiễu giả ngẫu nhiên (PRN) được điều biến trên hai sóng mang cơ
bản được phát ra trong quá trình truyền:
+ Mã thứ nhất là mã C/A có thể dùng cho mục đích dân sự. Mã C/A, được
chỉ định như phục vụ định vị chuẩn (SPS), có bước sóng hiệu dụng xấp xỉ 300m.
Mã C/A là một mã lặp lại nhiễu giả ngẫu nhiên tần số 1,023 MHz. Mã C/A hiện nay
được điều biến chỉ ở tần số f1 và được loại bỏ một cách có chủ ý khỏi tần số f2.
+ Mã thứ hai là mã P (mã chính xác) dành riêng cho quân đội Mỹ và những
người sử dụng được phép khác. Mã P, được chỉ định phục vụ định vị chính xác
(Presice Positioning Service-PPS ), có bước sóng hiệu dụng là 30m, có tần số 10,23 46
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
MHz. Mã P (P1 và P2) được điều biến trên cả hai sóng mang L1 và L2. Để ngăn chặn
không cho những người sử dụng dân sự dùng đầy đủ tính năng của hệ thống, thì chế
độ hoạt động chống giả mạo tín hiệu (Anti-Spoofing - AS) đã được sử dụng từ 31
tháng 1 năm 1993. Mã P1 được viết lại dưới dạng mật mã chuyển thành mã Y và chỉ
sử dụng được khi người dùng có khóa mở mật mã, chỉ còn mã C/A và mã P2 được
sử dụng rộng rãi.
Bên cạnh mã PRN, tín hiệu còn được điều chế bởi bản tin định vị chứa thông
tin về trạng thái vệ tinh, độ lệch đồng hồ vệ tinh, và lịch thiên văn vệ tinh được điều
biến trên cả hai sóng mang.
Hình 2.14 Tín hiệu GPS (http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps.html)
Về nguyên tắc, GPS là một hệ thống đo khoảng cách một chiều. Tín hiệu
được phát ra bởi một vệ tinh và thu được bởi một máy thu phù hợp. Thực chất, quan
sát GPS là đo thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh tới máy thu. Do sự thiếu đồng bộ
của đồng hồ máy thu, người ta không thể suy ra một cách trực tiếp khoảng cách từ
phép đo, do đó khoảng cách đo được gọi là giả khoảng cách.
Trong nghiên cứu GPS, phép đo giả khoảng cách là phép đo rất được quan
tâm, nếu sử dụng mã C/A (giả tần số 1,023 MHz) độ chính xác khoảng 30m. Còn
nếu sử dụng mã P (giả tần số 10,23 MHz) độ chính xác đạt tới 10m, một lưu ý rằng,
47
độ rộng xung càng nhỏ cho độ chính xác càng cao (hình 2.15).
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
Hình 2.15, Thời gian truyền tín hiệu giữa vệ tinh và máy thu GPS.
Với phép đo pha, độ chính xác có thể đạt tới 2 mm trên cả L1 hoặc L2 [48],
nhưng có một khó khăn gặp phải là không biết được độ lệch pha ban đầu (hình
2.16).
Hình 2.16, Phép đo pha trong nghiên cứu GPS.
2.2.3 Khả năng quan sát của GPS
Các kiểu quan sát của các máy thu GPS tùy thuộc vào khả năng kỹ thuật của
các loại máy thu khác nhau. Các kiểu máy thu tần số đơn chỉ có thể thu được trên
tín hiệu L1, trong khi đó những máy thu hai tần số có thể thu được cả hai tín hiệu L1
và L2. Nhưng trong bất kỳ trường hợp nào các quan sát GPS đều thu được ba thông
tin được gọi là: giả khoảng cách, pha sóng mang và độ dịch tần số Doppler.
2.2.3.1 Giả khoảng cách (code)
Tín hiệu mã C/A, mã P hoặc mã hóa Y được phát ra bởi vệ tinh k tại thời
(2.11)
k là giả khoảng cách (quan sát mã hóa) được biểu thị bằng đơn vị độ dài;
điểm tk và được thu bởi máy thu i tại thời điểm ti được xác định như sau:
trong đó Pi
48
c là vận tốc ánh sáng trong chân không; ti là thời gian tới (quan sát) của tín hiệu, đo
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
bởi đồng hồ máy thu i; tk là thời gian phát tín hiệu, đo được trong hệ quy chiếu thời
gian của vệ tinh k; là thời gian truyền tín hiệu không kể sai số của đồng
k, khoảng cách
hồ vệ tinh và của máy thu.
k có thể liên quan tới khoảng nghiêng ρi
Giả khoảng cách Pi
hình học giữa máy thu i tại thời điểm ti-ti và vệ tinh k tại thời điểm tk-tk, và sự trễ
gây bởi tầng khí quyển của Trái Đất. Vì vậy giả khoảng cách trong phương trình
k
k
(2.11) được viết lại như sau:
k = ρi
k + c(∆ti − ∆tk ) + ∆ρi
,trop + ∆ρi
,ion + c(bk + bi ) + ε (2.12)
Pi
k là khoảng cách thực từ vệ tinh thứ k đến máy thu thứ i; ∆ti, ∆tk là các độ
trong đó, ρi
lệch của đồng hồ máy thu và đồng hồ vệ tinh so với thời gian của hệ thống GPS;
i,trop là độ trễ của tín hiệu do tầng đối lưu (hoặc tầng khí quyển trung hòa); ∆ρk
i,ion
∆ρk
là độ trễ của tín hiệu do tầng điện ly; bk, bi là các độ trễ do phần cứng của máy thu
và của vệ tinh được biểu thị bằng đơn vị thời gian; c là vận tốc ánh sáng trong chân
không; ε là sai số ngẫu nhiên, trong đó bao gồm cả sai số do hiệu ứng nhiều đường
truyền của tín hiệu.
2.2.3.2 Quan sát pha mang (Carrier phase)
Quan sát pha mang là phép đo pha của tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu, viết
k + ε (2.13)
lại phương trình quan sát (2.12) tương ứng cho quan sát pha mang ta có:
k = ρi
k + c(∆ti − ∆tk ) + ∆ρk
i,trop − ∆ρk
i,ion + λBi
Li
k là khoảng
i là quan sát pha mang, được biểu thị bằng đơn vị độ dài; ρi
trong đó Lk
k là ký hiệu độ lệch không đổi, được biểu thị bằng
cách thực từ vệ tinh thứ k đến máy thu thứ i; λ là bước sóng tương ứng, c là vận tốc
ánh sáng trong chân không; Bi
i. Nói
vòng quay, về nguyên tắc chứa giá trị không xác định pha mang ban đầu Nk
i chứa λ(Nk
i + δNk
i) + c(bk + bi) , trong đó, Nk
i là số nguyên và
một cách chặt chẽ, λBk
i ký hiệu cho sự ảnh hưởng gây bởi “pha kết thúc”. Tuy nhiên, người ta không
δNk
i khỏi bk và bi và vì vậy phải thay thế bằng λBk
i trong đó Bk
i bây giờ là
thể tách Nk
i phải
một số thực. Trong trường hợp tổng quát, một tham số độ lệch chưa biết Bk
được xác định cho mỗi lần vệ tinh đi qua, cho mỗi máy thu và mỗi tần số. So sánh
các phương trình (2.12) và (2.13), người ta thấy rằng độ trễ nhóm và sự sớm pha
i,ion có độ lớn bằng nhau nhưng ngược dấu.
49
gây bởi sự khúc xạ điện ly ∆ρk
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
2.2.3.3 Quan sát Doppler
Tần số Doppler là hệ số thay đổi khi quan sát pha mang, nó phản ánh quan
hệ vận tốc giữa máy thu và vệ tinh GPS. Thông tin này có thể sử dụng khi tính vi
sai vận tốc. Phương trình biểu diễn tương tự như phương trình quan sát pha mang
nhưng không bao hàm hệ số chứa tham số không xác định ban đầu là:
i = ρk
i + c(∆ti − ∆tk ) + ∆ρk
i,trop − ∆ρk
i,ion + ε (2.14)
φk
i là hệ số pha của pha mang, được biểu thị bằng đơn vị độ dài. Các tham
trong đó, φk
số còn lại tương tự như trong phương trình (2.13).
Các phương trình (2.12), (2.13) và (2.14), biểu diễn các phương trình quan
sát GPS cơ bản, chúng cho thấy khả năng ứng dụng “đa ngành” của GPS:
i chứa đựng thông tin “hình học” cho phép xác định vị
+ Khoảng nghiêng ρk
trí các máy thu, các quỹ đạo vệ tinh, các độ lệch và các biến đổi tâm pha ăng-ten.
+ Các số hạng ∆tk và ∆ti chứa đựng thông tin liên quan tới đồng hồ máy thu
và đồng hồ vệ tinh, cho phép chuyển đổi thời gian và tần số sang khoảng cách có
tính liên lục địa.
i,trop và ∆ρk
i,ion chứa đựng thông tin về tầng đối lưu và tầng
+ Các số hạng ∆ρk
điện ly.
Trong phần sau của luận án, chúng tôi cũng chỉ tập trung vào khai thác số
i,ion, chứa thông tin về tầng điện ly, là một trong số ứng dụng quan trọng
hạng ∆ρk
của công nghệ GPS trong nghiên cứu tầng điện ly của Trái Đất.
2.2.4 Các nguồn lỗi của tín hiệu GPS
Ngoài nguyên nhân chủ quan do chính phủ Mỹ sử dụng mã P, để phục vụ
mục đích quân sự, còn có những nguyên nhân khác ảnh hưởng tới tín hiệu GPS. Các
nguồn gây ra sai số trên tín hiệu có thể phân thành 3 nhóm: lỗi liên quan đến vệ
tinh, lỗi gây ra do máy thu, và lỗi liên quan đến môi trường truyền tín hiệu. Lỗi liên
quan đến vệ tinh bao gồm sai số do đồng hồ vệ tinh và sai số do quỹ đạo vệ tinh.
Lỗi liên quan đến máy thu bao gồm sai số do độ lệch tâm pha Ăng-ten, sai số đồng
hồ máy thu, nhiễu. Lỗi liên quan đến đường truyền bao gồm độ trễ gây bởi tầng đối
50
lưu và tầng điện ly, hiệu ứng đa đường truyền, nhiễu. Tổng hợp các nguồn lỗi này
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
và mức độ ảnh hưởng tương ứng được chỉ ra trong bảng 2.3.
Bảng 2.3 Mô hình sai số chuẩn cho mã C/A [70]
Nguồn sai số Sai số (m)
1, Vệ tinh:
- Độ lệch đồng hồ vệ tinh 2,1
- Sai số quỹ đạo vệ tinh 2,1
2, Máy thu:
- Độ lệch tâm pha Ăng-ten, 0,5
nhiễu…
3, Môi trường truyền:
- Hiệu ứng đa đường truyền 1,4
- Khúc xạ gây bởi tầng đối lưu 0,7
- Khúc xạ gây bởi tầng điện ly 4,0
Độ lệch đồng hồ vệ tinh: Đồng hồ nguyên tử gắn trên vệ tinh thường bị chi
phối bởi nhiễu và gây ra các sai số trễ. Các tín hiệu truyền về thường chứa đựng
thông tin hiệu chỉnh cho các sai số này và đánh giá mức độ chính xác của đồng hồ
vệ tinh. Tuy nhiên các giá trị này lại được dự báo dựa trên những quan sát trước đó
và có thể không cho ta biết được trạng thái hiện tại của đồng hồ vệ tinh như thế nào.
Sai số quỹ đạo vệ tinh: Cũng được biết như lỗi thiên văn, do vệ tinh thông
báo vị trí không chính xác.
Sai số do máy thu: sự chính xác của tín hiệu thu nhận cũng phụ thuộc vào
loại máy thu, môi trường đặt máy, độ chính xác đồng hồ, phần mềm sử dụng, hay
độ lệch tâm pha ăng-ten: Tâm pha của ăng-ten là điểm mà tại đó tín hiệu radio được
đo và thông thường không đồng nhất với tâm của ăng-ten về phương diện hình học.
Độ lệch phụ thuộc vào góc nhìn vệ tinh, góc phương vị, và cường độ tín hiệu vệ
tinh, và khác nhau đối với tần số f1 và f2.
Hiệu ứng đa đường truyền: Trong GPS, hiện tượng đa đường truyền xuất
hiện khi tín hiệu phát từ vệ tinh bị va đập vào các tòa nhà, bờ tường hay các dạng
51
địa hình khác trước khi đến ăng-ten thu (hình 2.17).
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
Hình 2.17, Hiệu ứng đa đường truyền trong quan sát GPS (https://www.google.com.vn/search?q=multipath+gps).
Các tín hiệu này mất nhiều thời gian đến ăng-ten thu hơn là được truyền theo
đường thẳng. Kết quả là nhiều bản sao của một tín hiệu xuất hiện tại ăng-ten thu.
Tín hiệu thực được ghi lại sẽ là tổng của nhiều bản sao đó. Không có một mô hình
chuẩn trong hiệu ứng đa đường truyền, sai số do hiện tượng này ở mỗi máy thu là
khác nhau, có tính đặc thù riêng do yếu tố địa hình ảnh hưởng. Tuy nhiên ảnh
hưởng của hiệu ứng này có thể được ước lượng bằng cách tổ hợp các phép đo giả
khoảng cách và pha mang trên hai tín hiệu L1, L2. Nguyên lý này dựa trên thực tế là
sai số do đồng hồ, do tầng đối lưu và các một số hiệu ứng khác ảnh hưởng đến mã
và pha mang có tổng giống nhau. Điều này không còn đúng đối với sự phản xạ trên
tầng điện ly và hiệu ứng đa đương truyền là độc lập tần số.
Sai số gây bởi tầng đối lưu: Tín hiệu GPS không truyền với vận tốc ánh sáng
trong chân không khi truyền qua vùng này. Sự sai lệch vận tốc truyền sóng radio
thay đổi theo nhiệt độ, áp suất và độ ẩm trong tầng đối lưu. Cả quan sát giả khoảng
cách code và quan sát giả khoảng cách pha đều có độ trễ giống nhau khi đi qua
vùng này.
Sai số gây bởi tầng điện ly : Do có sự tồn tại các điện tử tự do trong tầng
điện ly, gây ra sự trễ nhóm và sự sớm pha tín hiệu vệ tinh GPS khi truyền qua. Mức
52
độ ảnh hưởng phụ thuộc vào số lượng điện tử tổng cộng dọc theo đường tia hay phụ
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
thuộc vào nghịch đảo bình phương tần số sóng. Đây có thể được coi là nguồn gây
nhiễu đối với các ứng dụng xác định vị trí chính xác nhưng lại là thông tin quan
trọng trong nghiên cứu đặc trưng của tầng điện ly.
Tiếp sau đây, nghiên cứu sinh chỉ tập trung vào thảo luận chi tiết về ảnh
hưởng của tầng điện ly lên tín hiệu GPS khi truyền từ vệ tinh tới các máy thu trên
mặt đất.
2.2.5 Ảnh hưởng của tầng điện ly lên tín hiệu GPS
Tầng điện ly có thể được coi là nguồn gây ra sai số đáng kể nhất lên độ chính
xác trong phép định vị dẫn đường. Sai số khoảng cách gây bởi tầng điện ly có thể
thay đổi từ một vài mét cho đến vài chục mét tại thiên đỉnh. Tầng điện ly là một môi
trường tán xạ sóng radio, chỉ số khúc xạ là một hàm của tần số sóng, và hai tần số
GPS sử dụng cũng bị tác động trực tiếp bởi tầng điện ly. Không giống như tầng đối
lưu, mật độ điện tử trong tầng điện ly có thể thay đổi rất nhanh về giá trị tuyệt đối.
Mặc dù sai số về khoảng cách gây ra bởi tầng đối lưu thường không thay đổi trong
khoảng ±10%, kể cả trong khoảng thời gian dài, trong khi đó sai số gây bởi tầng
điện ly thay đổi thường ít nhất một bậc biên độ trong tiến trình ngày đêm. Các ảnh
hưởng chính của tầng điện ly lên tín hiệu GPS có thể kể đến như: Sự trễ nhóm hay
sai số khoảng cách tuyệt đối, sự sớm pha hay sai số khoảng cách tương đối, sự trôi
dạt Doppler hay sai số về khoảng cách liên quan đến dịch chuyển, và nhấp nháy tín
hiệu. Tham số của tầng điện ly gây ra hầu hết các ảnh hưởng lên tín hiệu GPS là
tổng số các điện tử trong tầng điện ly, thường gọi là nồng độ điện tử tổng cộng
(TEC). Chi tiết về biến đổi của TEC khu vực Việt Nam sẽ được trình bày trong
chương 3 của luận án.
Cơ sở phân tích các ảnh hưởng trên có liên quan đến chỉ số khúc xạ của tầng
điện ly. Chỉ số này đã được nêu trong mục 2.1.3 của luận án, việc tìm hiểu về chỉ số
khúc xạ có thể cho chúng ta suy ra được các ảnh hưởng lên tín hiệu GPS khi truyền
qua tầng điện ly.
2.2.5.1 Sự trễ nhóm – sai số khoảng cách tuyệt đối
53
Sự trễ nhóm tín hiệu gây ra bởi tầng điện ly khi truyền qua nó sẽ phát sinh
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
sai số về khoảng cách khi đo, nó có thể được biểu diễn theo đơn vị khoảng cách
hoặc theo đơn vị thời gian trễ tùy theo nhu cầu của người sử dụng. Sự trễ nhóm liên
quan đến chỉ số khúc xạ trong môi trường điện ly do có sự xuất hiện các điện tử tự
do, được tính theo công thức sau:
(2.15)
hay (2.16)
trong đó Δt, Δr là độ trễ nhóm tính theo đơn vị thời gian và khoảng cách, c là vận
tốc ánh sáng trong chân không, n là chỉ số khúc trong tầng điện ly tính theo công
thức (2.9). Vì chúng ta chỉ xem xét quá trình truyền sóng radio tại tần số GPS, nên
các số hạng X, YT, YL và Z trong phương trình (2.9) nhỏ hơn 1 rất nhiều. Do đó chỉ
số khúc xạ của tầng điện ly tại tần số GPS có thể biểu diễn như sau [48, 70, 79]:
(2.17)
phân tích các số hạng trong phương trình (2.17) ta thấy rằng với các số hạng bậc
cao như : (XY/2)cos ~ (1/f3) ; (X2/8) ~ (1/f8) , với f là tần số GPS sẽ rất nhỏ, nên
có thể bỏ qua. Do vậy, chỉ số khúc xạ của tầng điện ly tại tần số GPS có thể biểu
diễn một cách đơn giản như sau:
(2.18)
trong đó , Ne là mật độ điện tử tính bằng e/m3, và độ trễ nhóm gây
bởi tầng điện ly được tính như sau:
, (giây) (2.19)
Đại lượng là TEC, nồng độ điện tử tổng cộng dọc theo đường tia sóng từ
máy thu đến vệ tinh.
Đối với máy thu hai tần số f1 và f2 thì sự sai khác độ trễ nhóm gây ra bởi hai
tần số được biểu diễn như sau:
54
(2.20)
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
hay (2.21)
trong đó Δt1 là độ trễ thời gian gây bởi tầng điện ly tại tín hiệu L1. Đại lượng
[ ] được gọi là yếu tố tỷ lệ điện ly. Đối với hai tần số GPS thì yếu tố
này là 1,546. Nếu hai tần số GPS được chọn quá gần nhau thì hiệu độ trễ về thời
gian gây bởi tầng điện ly giữa hai tần số sẽ rất nhỏ, do vậy sẽ bị lẫn vào mức nhiễu
của hệ thống máy thu. Khi sự phân tách của tần số trên tín hiệu L1 và L2 rộng hơn
thì khả năng đánh giá sai số khoảng cách gây bởi tầng điện ly sẽ chính xác hơn
nhưng đòi hỏi phải có hai ăng-ten phát và thu riêng biệt. Vì vậy việc lựa chọn hai
tần số GPS để thu được yếu tố tỷ lệ điện ly là 1,546 là một sự nghiên cứu để xắp đặt
giữa thiết kế phần cứng của hệ thống và yêu cầu về thông tin độ trễ thời gian do
tầng điện ly. Mặc dù độ trễ Δt1 bằng 1,546 lần hiệu độ trễ của cả hai tần số có liên
quan đến nhiễu, nhưng thời gian trễ thu được từ hiệu giả khoảng cách có thể được
lấy trung bình trong một khoảng thời gian nào đó, do vậy nó vẫn có thể đo được với
độ chính xác đạt tới nano giây. Hạn chế trong phép đo hiệu giả khoảng cách tuyệt
đối chủ yếu gây bởi yếu tố nhiều đường và sự thiếu thông tin khi máy thu chỉ thu
nhận tín hiệu từ một vệ tinh GPS.
2.2.5.2 Sự sớm pha – sai số khoảng cách tương đối
Khi tín hiệu radio truyền qua tầng điện ly, pha mang của tần số sóng truyền
đi sẽ sớm hơn (nhanh hơn) so với vận tốc của nó trong chân không. Sự sớm pha liên
quan đến chỉ số khúc xạ trong môi trường điện ly do có sự xuất hiện các điện tử tự
do, được tính theo công thức sau [70]:
, vòng hay bước sóng (2.22)
Và được viết lại như sau:
, vòng (2.23)
Chú ý rằng mặc dù pha được truyền đi với vận tốc nhanh hơn vận tốc ánh sáng,
nhưng nó không chứa dựng thông tin, do đó sự truyền tin cũng sẽ không xuất hiện
55
nhanh hơn vận tốc của ánh sáng.
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
Trong trường hợp máy thu hai tần số, tín hiệu L1 và L2 được phát đi liên tục
và hai tần số này cùng được rút ra từ một dao động chung 10,23 MHz. Độ lệch hiệu
pha giữa hai tần số có thể đo được và liên quan đến TEC theo công thức sau:
, vòng (2.24 )
trong đó m = f1/f2. Hiệu phép đo pha cung cấp một phép đo rất chính xác về những
biến đổi TEC tương đối trong suốt đường truyền tín hiệu của vệ tinh, nhưng chúng
ta không thể biết được chính xác số vòng pha ban đầu, do đó các giá trị TEC tuyệt
đối thường thu được từ các phép đo hiệu độ trễ nhóm hay còn gọi là hiệu giả
khoảng cách. Phương pháp tính giá trị TEC sẽ được trình bày chi tiết trong chương
3 của luận án.
Một số chuyển đổi hữu ích trong phép đo GPS liên quan đến nồng độ điện tử
tổng cộng tầng điện ly được chỉ ra trong bảng 2.4.
Bảng 2.4 Mối quan hệ giữa các tham số đo GPS và TEC tầng điện ly [70]
L2-L1, hiệu độ trễ nhóm
3600 tương đương với 151,098 ns độ trễ đo tại tín hiệu L1, hoặc tương đương với
97,75 ns hiệu độ trễ nhóm
3600 = 278,83 x 1016 (el/m2) ; 10 = 0,7745 x 1016 (el/m2)
1 ns của hiệu độ trễ nhóm
= 2,852 x 1016 (el/m2)
= 1,546 ns của độ trễ tại L1
= 0,464 m sai số về khoảng cách tại L1
1 ns độ trễ tại tín hiệu L1
= 1,8476 x 1016 (el/m2)
= 0,3 m sai số về khoảng cách tại L1
1 vòng hay 1 bước sóng = 19,09 cm của độ sớm pha tại L1
= 1,173 x 1016 (el/m2)
1 m của sai số khoảng cách
= 6,15 x 1016 (el/m2) đo tại L1
56
= 3,73 x 1016 (el/m2) đo tại L2
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
1 TECu [1 x 1016 (el/m2)]
= 0,351 ns của hiệu độ trễ nhóm
= 0,542 ns của độ trễ nhóm tại L1
= 0,163 m của sai số khoảng cách tại L1
= 0,853 vòng của độ sớm pha tại L1
L2-L1, Hiệu độ sớm pha tại L2
10 = 6,456 x 1013 (el/m2)
0,1 rad = 3,699 x 1014 (el/m2)
3600 = 2,324 x 1016 (el/m2)
2.2.5.3 Sự trôi dạt Dopler-sai số khoảng cách do dịch chuyển điện ly
Do phân bố điện tử trong tầng điện ly không đồng nhất về không gian và có
sự biến đổi theo thời gian, nên đã gây ra sự trôi dạt Dopler khi tín hiệu GPS truyền
qua. Sự trôi dạt tần số Dopler gây bởi tầng điện ly thường rất nhỏ so với yếu tố trôi
dạt Dopler hình học giữa máy thu và vệ tinh, và có thể được tính theo công thức sau
[70]:
(2.25 )
Đối với các vệ tinh bay trên quỹ đạo cao như vệ tinh GPS, chuyển động của
vệ tinh khi quan sát từ Trái Đất là chậm, nên sự biến đổi ngày đêm của TEC thường
lớn hơn biến đổi về yếu tố hình học của vệ tinh. Giới hạn trên của tốc độ thay đổi
TEC đối với một trạm bất kỳ được tính là ≈ 0,1x1016 (el/m2)/s. Giá trị này được gán
thêm cho sự trôi dạt tần số là 0,085 Hz tại L1, tương đương với sai số khoảng cách
do dịch chuyển là 1,6 cm/s [70].
Sự trôi dạt Dopler điện ly được cho là do sự thay đổi theo thời gian của TEC.
Sai số khoảng cách do dịch chuyển phụ thuộc vào tốc độ thay đổi ngày đêm của số
lượng điện tử trong tầng điện ly, phụ thuộc vào cấu trúc của các mảng nhiễu loạn và
phụ thuộc vào chuyển động của vật thể bay trong môi trường truyền tín hiệu vệ tinh.
2.2.5.4 Nhấp nháy tín hiệu
Khi tín hiệu vệ tinh GPS truyền qua một vùng nhiễu loạn mật độ điện tử qui
mô nhỏ trong tầng điện ly có thể chịu một sự dao động nhanh về biên độ và pha, 57
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
hiện tượng này được gọi là nhấp nháy điện ly (Ionospheric Scintillation). Các nhiễu
loạn gây ra các dao động thăng giáng tỷ lệ nhỏ trong chỉ số khúc xạ và tiếp đến là
sự tán xạ (scattering) của mặt đầu sóng, phát sinh các dao động pha dọc theo mặt
pha của tín hiệu như được minh họa trên hình 2.18.
Hình 2.18, Nhấp nháy của tín hiệu vệ tinh khi truyền qua môi trường điện ly
nhiễu loạn về mật độ điện tử.
Các nghiên cứu trước đây về quá trình truyền sóng radio trong môi trường
nhiễu loạn ngẫu nhiên và các phân tích phổ nhấp nháy [50, 72, 94], cho thấy nhấp
nháy pha xuất hiện tại tần số nhỏ hơn tần số Fresnel (( , trong đó v là
vận tốc tương đối giữa dịch chuyển theo phương ngang của tia sóng và plasma, DF
là kích thước vùng Fresnel) bị gây ra bởi các nhiễu loạn có kích thước lớn hơn
nhiều kích thước vùng Fresnel. Trong điều kiện như vậy, tín hiệu sóng radio được
xem như yếu tố quang hình học, và dao động pha gây bởi sự thay đổi đường truyền
quang học của sóng radio. Mặt khác đối với các nhiễu loạn có qui mô nhỏ hơn vùng
Fresnel, hiệu ứng nhiễu xạ và tán xạ của sóng radio có thể gây ra nhấp nháy biên độ
và nhấp nháy pha tại tần số lớn hơn tần số Fresnel. Trong trường hợp là tín hiệu vệ
58
tinh GPS, qui mô vùng Fresnel của máy thu GPS hai tần số thay đổi từ 145 đến 310
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
m ( , với λ là bước sóng radio, z độ cao lớp nhiễu loạn) đối với các nhiễu
loạn ở độ cao từ 110 đến 400 km (vùng E và F tầng điện ly).
Theo một khía cạnh nào đó, nhấp nháy điện ly sẽ làm giảm độ chính xác
trong phép định vị GPS. Dọc theo mỗi đường truyền vệ tinh-máy thu, sai số này
được đưa vào các phép đo giả khoảng cách và pha mang. Biên độ nhấp nháy mạnh
có thể gây ra sự sụt giảm công suất của tín hiệu xuống dưới ngưỡng máy thu và do
đó gây ra sự mất tín hiệu trong thời gian quan sát. Pha nhấp nháy mạnh có thể gây
ra sự trôi dạt Doppler trong tần số của tín hiệu thu nhận và đôi khi có thể gây ra sự
mất pha tín hiệu của máy thu. Khi nhấp nháy trên đường truyền đủ mạnh thì đường
truyền không liên tục và không có giá trị cho việc sử dụng trong lời giải định vị.
Việc mất đi mỗi một đường truyền dẫn sẽ làm tăng giá trị DOP (dilution of
precision) do đó sẽ ảnh hưởng lên độ chính xác trong phép định vị và khi có ít hơn 4
đường truyền được duy trì tại bất kỳ thời điểm nào sẽ gây ra sự mất tạm thời dịch
vụ cung cấp thông tin định vị. Khoảng thời gian bị tạm ngừng (outages) phụ thuộc
vào khoảng thời gian và mức độ dữ dội của nhấp nháy, phụ thuộc vào yếu tố hình
học của vệ tinh và thời gian phục hồi của thiết bị.
Độ lớn của nhấp nháy phụ thuộc vào đặc trưng gradient của vùng dị thường
mật độ, nếu vùng dị thường có gradient mật độ lớn sẽ gây ra nhấp nháy biên độ
mạnh và ngược lại vùng có gradient mật độ nhỏ sẽ gây ra nhấp nháy biên độ yếu.
Theo kết quả thống kê đã chỉ ra rằng, trạng thái bất đồng nhất điện tử trong môi
trường điện ly thường gây ra hiện tượng nhấp nháy và chủ yếu xuất hiện trong lớp F
của tầng điện ly tại độ cao trong khoảng từ 200 đến 1000km, tập trung nhiều trong
khoảng độ cao từ 250 đến 400km. Các nhiễu loạn xuất hiện trong lớp E như
Sporadic-E và lớp E vùng cực quang cũng có thể gây ra nhấp nháy nhưng ảnh
hưởng của chúng lên các tín hiệu GPS dải L rất nhỏ. Các nghiên cứu trước đây đã
chỉ ra rằng sự xuất hiện nhấp nháy điện ly phụ thuộc vào vĩ độ, chủ yếu xuất hiện
trong vùng xích đạo và vùng vĩ độ cao và phụ thuộc vào mức độ hoạt động của Mặt
Trời, thường mạnh hơn vào giai đoạn Mặt Trời hoạt động mạnh như được chỉ ra
59
trên hình 2.19 [28, 70, 73, 94].
Chương 2. Tổng quan về tầng điện ly và hệ thống định vị toàn cầu
Hình 2.19, Sự suy giảm tín hiệu trên dải tần L trong giai đoạn Mặt Trời hoạt động
mạnh (trái) và yếu (phải) (Parkinson, B. W., 1996 [70]).
Công nghệ GPS phát triển đã cung cấp một cách đơn giản và hữu hiệu để
nghiên cứu các biến đổi về không gian và thời gian của tầng điện ly như: nồng độ
điện tử tổng cộng, nhiễu loạn điện ly, nhấp nháy điện ly. Ứng dụng công nghệ GPS
để nghiên cứu tầng điện ly ở Việt Nam sẽ được đề cập trong các chương tiếp theo
60
của luận án.
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
CHƯƠNG 3. NỒNG ĐỘ ĐIỆN TỬ TỔNG CỘNG TẦNG ĐIỆN LY VÀ QUY
LUẬT BIẾN ĐỔI THEO THỜI GIAN Ở KHU VỰC VIỆT NAM
Trong hơn hai thập kỷ qua, hệ thống định vị toàn cầu (GPS) đã đóng một vai
trò quan trọng trong các ngành khoa học về Trái đất. Cùng với sự phát triển liên tục
và sự đa dạng của các ứng dụng từ công nghệ GPS, các nhà nghiên cứu điện ly trên
thế giới đã nhận thấy tiềm năng của mạng lưới theo dõi GPS để rút ra thông tin về
tầng điện ly của Trái Đất. Mỗi vệ tinh GPS truyền thông tin được định vị trên hai
tần số: f1 (1,57542GHz) và f2 (1,22760GHz), bằng cách phân tích sự khác nhau giữa
các phép đo giả khoảng cách và sự khác nhau giữa các phép đo pha của hai tần số sẽ
cho phép rút ra thông tin về nồng độ điện tử tổng cộng của tầng điện ly từ số liệu
GPS hai tần số. Chương này sẽ giới thiệu phương pháp tính giá trị nồng độ điện tử
tổng cộng tầng điện ly từ số liệu GPS và ứng dụng phương pháp để tính và nghiên
cứu cho tầng điện ly khu vực Việt Nam.
3.1 Số liệu và phương pháp nghiên cứu
3.1.1 Số liệu
Ba máy thu GPS được đặt ở Việt Nam từ tháng 4 năm 2005 theo hợp tác với
Pháp tại các địa điểm và toạ độ địa lý và vĩ độ từ niên đại 2010 được chỉ ra trong
bảng 3.1.
Bảng 3.1, Vị trí các trạm thu GPS ở Việt Nam
Tên trạm Tọa độ địa lý Vĩ độ từ (N)
(niên đại 2010) Vĩ độ (N) Kinh độ (E)
Hà Nội 21o02’50’’ 105o54’59’’ 14,37o
Huế 16o27’33’’ 107o35’33’’ 9,45o
Tp Hồ Chí Minh 10o50’54’’ 106o33’35’’ 3,34o
Đây là các máy thu tín hiệu GPS hai tần số loại GSV4004 (GPS Silicon
Valley’s GPS Ionospheric Scintillation and TEC Monitor system - GISTM) của
hãng NovAtel. Mục đích chính của GSV4004 là thu thập số liệu về TEC và nhấp
nháy điện ly đối với tất cả các vệ tinh nhìn thấy. Hình 3.1 là ảnh của hệ thống máy
61
thu GSV4004 tại Việt Nam. Mỗi máy thu GSV4004 gồm ba bộ phận chính: anten
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam thu tín hiệu GPS, bộ thu và chuyển đổi số liệu, máy tính cá nhân để lưu và hiển thị
số liệu.
Hình 3.1, Hình ảnh bộ máy thu GSV4004 ở Việt Nam.
Tại mỗi thời điểm quan sát, máy có thể thu nhận tối đa tới 11 tín hiệu vệ tinh
GPS mã C/A và tự động xử lý cung cấp tệp số liệu đầu ra có định dạng nhị phân.
Phần mềm đi kèm PARSEISMR [97] cho phép chuyển tệp số liệu đầu ra sang dạng
ASCII cho từng vệ tinh quan sát, cung cấp các thông số liên quan đến TEC và nhấp
nháy như được chỉ ra trong bảng 3.2.
STT
Tham số
Đơn vị đo
Tuần GPS
1
N/A
Thời gian quan sát trong tuần (TOW)
2
Giây (s)
Vệ tinh PRN
3
N/A
Tình trạng máy thu
4
N/A
Góc phương vị (Azimuth)
5
Độ
Góc nhìn vệ tinh (Elevation)
6
Độ
7
dB-Hz
Tỷ số tín hiệu/nhiễu C/N0
8
Không thứ nguyên
Biên độ nhấp nháy tổng (S4T)
9
Không thứ nguyên
Hiệu chỉnh biên độ nhấp nháy tổng (S4No )
10
Pha nhấp nháy (Sigma pha) 1s
Radian
11
Pha nhấp nháy (Sigma pha) 3s
Radian
62
Bảng 3.2: Các thông số thu nhận trực tiếp từ máy thu GSV4004
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
12
Pha nhấp nháy (Sigma pha) 10s
Radian
13
Pha nhấp nháy (Sigma pha) 30s
Radian
14
Pha nhấp nháy (Sigma pha) 60s
Radian
15 Trung bình của độ lệch Code/Carrier
Mét
16 Độ lệch chuẩn của độ lệch Code/Carrier
Mét
17 TEC tại thời gian TOW-45
TECu
TECu
18 TEC tại TOW-60 tới TOW-45
19 TEC tại thời gian TOW-30
TECu
TECu
20 TEC tại TOW-45 tới TOW-30
21 TEC tại thời gian TOW-15
TECu
TECu
22 TEC tại TOW-30 tới TOW-15
23 TEC tại thời gian TOW
TECu
TECu
24 TEC tại TOW-15 tới TOW
25 Thời gian kết nối tín hiệu L1
Giây
26 Tình trạng kênh truyền
N/A
27 Thời gian kết nối tín hiệu L2
Giây
dB-Hz
28 Tỷ số tín hiệu nhiễu trên L2
Tham số TEC: tại mỗi thời điểm phần mềm tự động tính toán và cho ra giá
trị nồng độ điện tử tổng cộng theo đơn vị TECu (1TECu = 1016 e/m2) từ độ trễ gây
bởi tầng điện ly giữa hai tần số f1 và f2 theo công thức [97] :
TEC = [9,483(Pf2-Pf1-∆C/A-P,PRN)+TECCAL] (3.1)
trong đó: Pf1, Pf2 là các giả khoảng cách trên hai tần số f1 và f2 tính bằng mét (m),
là độ trễ đầu vào của vệ tinh giữa chuyển đổi mã C/A và mã P tính bằng
m, và TECCAL là độ trễ bên trong máy thu và phần bù độ lệch hiệu chỉnh đầu vào.
Các giá trị TEC được tự động tính trong khoảng thời gian 15 giây một giá trị.
Tham số TEC: giá trị biến thiên TEC theo thời gian cũng được tính dựa trên
phép đo pha tại hai tần số f1 và f2. Đối với một phép đo độ trễ điện ly trên tần số f1,
TEC = 1,1723.PRL1,carrier, TECu (3.2)
trong đó PRL1,carrier là hiệu pha trên hai tần số :
63
thì giá trị biến thiên TEC được tính theo công thức:
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
PRL1,carrier = 1,54573 . (ADRL1 - ADRL2), vòng
hay TEC = 1,812 . (ADRL1 - ADRL2), TECu (3.3)
với ADRL1 , ADRL2 là hiệu pha trên tần số f1, f2 tại hai thời điểm đo. Các phép đo biến
thiên TEC cũng được tính trong khoảng thời gian 15 giây một giá trị.
Tham số Pha nhấp nháy: Máy thu tập hợp 50 phép đo pha thô mỗi giây. Các
đo pha thô trước hết được được lọc bằng bộ tần cao Butterworth bậc 6, sau đó đối
với mỗi phút, thống kê các phần dư (của 3000 phép đo pha đã được lọc) ở tất cả
các phút được tính toán trên các chu kỳ : 1 giây, 3 giây, 10 giây, 30 giây và 60 giây.
pha 1s, 3s, 10s, 30s, 60s).
Do đó trong khoảng thời gian 60 giây, 5 giá trị pha nhấp nháy được lưu giữ (Sigma
Biên độ nhấp nháy: Các đo đạc biên độ thô cũng được lọc, hoặc bằng bộ lọc
tần thấp hoặc bằng cách lấy trung bình trong khoảng thời gian 60 giây. Sau đó biên
độ nhấp nháy tổng (Total S4) bao gồm cả nhấp nháy do nhiễu môi trường (và hiệu
ứng đa đường) gây ra, được tính trong khoảng thời gian 60 giây như các tham số
pha. Máy thu cũng tính giá trị hiệu chỉnh biên độ nhấp nháy tổng, là hiệu ứng nhiễu
môi trường, dựa trên việc lấy trung bình các giá trị thô của tỷ số tín hiệu/nhiễu
(C/N0) ở tần số 1Hz trong khoảng thời gian 60 giây.
Độ lệch Code/Carrier: máy thu cũng thu thập độ lệch Code/Carrier (độ lệch
giữa code và giả khoảng cách pha mang) thô mỗi giây. Sau đó giá trị trung bình và
độ lệch chuẩn của độ lệch Code/Carrier được tính cho tất cả các phút. Các giá trị
này đặc trưng cho mức độ hoạt động của tín hiệu đa đường truyền, do đó nó có thể
được dùng để phân biệt giữa S4 do tín hiệu đa đường gây ra và S4 do nhấp nháy điện
ly.
Thời gian kết nối tín hiệu L1: tham số này cho biết thông tin về khoảng thời
gian máy thu kết nối với tín hiệu vệ tinh trên tần số f1.
Thời gian kết nối tín hiệu L2: tham số này cho biết thông tin về khoảng thời
gian máy thu kết nối với tín hiệu vệ tinh trên tần số f2. Đây là yếu tố cho biết tính
chất hợp lệ của phép đo TEC.
Với các máy thu GSV4004 còn có phần mềm Convert4, cho phép chuyển
64
đổi tệp số liệu đầu ra sang tệp dạng ASCII, BINARY hay RINEX, cung cấp các
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam thông tin về: giả khoảng cách, các phép đo pha, tần số Doppler, cường độ tín hiệu,
thời gian GPS, vị trí máy thu và vệ tinh... được sử dụng cho các mục đích nghiên
cứu khác nhau tùy thuộc vào người sử dụng.
3.1.2 Phương pháp nghiên cứu
Thực tế từ số liệu đầu ra của máy thu dạng GSV4004 đã cung cấp cho người
dùng thông tin về giá trị TEC đo được theo thời gian. Nhưng đối với máy thu tín
hiệu GPS thông thường sẽ cung cấp các thông tin về giả khoảng cách, các phép đo
pha, tần số Doppler, cường độ tín hiệu, thời gian GPS, vị trí máy thu và vệ tinh...
Do đó để ứng dụng trong nghiên cứu điện ly, người dùng phải lập chương trình tính
để thu được các giá trị TEC không chỉ theo thời gian mà còn phải biểu thị các giá trị
này theo vị trí tương ứng tại điểm cắt tầng điện ly. Việc sử dụng trực tiếp các giá trị
TEC thu được từ phần mềm của máy GSV4004 để nghiên cứu sẽ cho các kết quả
kém chính xác như đã được chỉ ra bởi các tác giả trước đây [10, 58]. Do vậy để
phục vụ cho mục đích nghiên cứu của luận án thì phương pháp tính TEC phải được
tìm hiểu và xây dựng. Trong phần này sẽ giới thiệu một phương pháp rút ra thông
tin nồng độ điện tử tổng cộng từ máy thu GPS hai tần số.
3.1.2.1 Rút ra thông tin nồng độ điện tử tổng cộng từ máy thu GPS hai tần
số
Tầng điện ly là một môi trường tán xạ đối với các sóng radio, với chỉ số khúc
xạ là một hàm của tần số sóng. Đối với tín hiệu GPS, tầng điện ly sẽ gây ra sự trễ
nhóm và sớm pha tín hiệu khi sóng điện từ truyền từ vệ tinh tới các máy thu trên
mặt đất, mức độ ảnh hưởng tỷ lệ thuận với nồng độ điện tử tổng cộng dọc theo
đường truyền. Độ trễ tín hiệu đối với các sóng điện từ có tần số lớn hơn hoặc bằng
100MHz gây bởi tầng điện ly được xác định theo công thức [70]:
(3.4)
trong đó:
Δρion : độ trễ gây bởi tầng điện ly,
65
’, là khoảng cách hình học và khoảng cách thực giữa máy thu và vệ tinh,
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
n là chỉ số khúc xạ của tầng điện ly, đã được định nghĩa trong phương trình
(2.9).
Như đã đề cập ở phần trên, do chúng ta chỉ xét đến quá trình truyền sóng
radio tại tần số GPS nên chỉ số khúc xạ của tầng điện ly được tính như sau:
với (3.5)
Thay phương trình (3.5) vào phương trình (3.4) chúng ta nhận được:
(3.6)
trong đó f là tần số sóng radio, là nồng độ điện tử tổng cộng trong
tầng điện ly dọc theo đường tia sóng.
Trái với chỉ số khúc xạ trong tầng đối lưu có ntrop >1 và không phụ thuộc tần
số đối với sóng ngắn, chỉ số khúc xạ trong tầng điện ly, nion < 1 và phụ thuộc vào
tần số. Sử dụng phương trình (3.2) và (3.3) đối với một máy thu GPS hai tần số (f1
và f2), ta thu được các phương trình quan sát đối với phép đo pha và giả khoảng
cách trên hai tần số như sau:
(3.7a)
(3.7b)
(3.7c)
(3.7d)
Lấy phương trình (3.7b) trừ đi phương trình (3.7a), phương trình (3.7d) trừ đi
phương trình (3.7c) và kết hợp với phương trình (3.6) ta nhận được:
(3.8a)
(3.8b) và
Trong đó:
66
chỉ số i, k biểu thị cho cặp máy thu i và vệ tinh k,
P1, P2 là phép đo giả khoảng cách trên tần số f1 và f2, mét
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam L1, L2 là phép đo pha trên tần số f1 và f2, mét
là độ trễ vệ tinh và độ trễ máy thu tương ứng, được tính
theo đơn vị thời gian (giây),
là tham số độ lệch pha ban đầu.
Phương trình (3.8a) cho phép tính STEC từ các phép đo giả khoảng cách,
còn phương trình (3.8b) là tính STEC từ các phép đo pha. Chúng ta thấy rằng để
xác định STEC theo phép đo pha thì phải xác định được tham số độ lệch pha ban
i, nếu sử dụng các phép đo hiệu giả khoảng cách thì ta phải xác định được các
đầu Bk
độ trễ thiết bị gây bởi phần cứng máy thu và vệ tinh (bi và bk). Vì vậy, người ta
không thể suy ra một cách trực tiếp giá trị STEC tuyệt đối từ số liệu GPS một thời
kỳ. Để tách STEC ra khỏi các tham số độ lệch thiết bị hoặc các thông số pha ban
đầu chưa biết, người ta phải xử lý số liệu trong khoảng thời gian dài hơn.
Nếu chỉ sử dụng phép đo hiệu giả khoảng cách sẽ cho độ chính xác vài dm
tới 1m, vì các phép đo này là rõ ràng nhưng còn chứa độ trễ nhóm gây bởi thiết bị
(máy thu + vệ tinh). Nếu sử dụng phép đo hiệu pha (3.8b) thường cho độ chính xác
tốt hơn, chỉ khoảng mm nhưng còn chứa tham số độ lệch pha ban đầu chưa biết [32,
79]. Bản thân vấn đề về lời giải các tham số độ lệch pha ban đầu là một lĩnh vực
nghiên cứu tương đối rộng, thường dựa vào các giả thiết có tính chất thống kê. Để
xác định được chính xác các thông số này thường rất phức tạp và khó khăn. Vì vậy
phương trình (3.8a) sử dụng các phép đo giả khoảng cách thường được sử dụng để
tính giá trị tuyệt đối STEC [32, 52, 62, 74, 79].
Ngoài hai phương pháp trên, còn một phương pháp nữa cũng được dùng để
tính TEC đó là sử dụng kết hợp cả phép đo hiệu pha và phép đo hiệu giả khoảng
cách có thể tham khảo thêm trong [58, 61].
3.1.2.2 Mô hình lớp đơn và hàm vẽ
Số liệu GPS chỉ cung cấp các phép đo TEC nghiêng dọc theo đường đi của
tia sóng truyền từ vệ tinh tới máy thu. Do đó cần phải có một phép chuyển đổi
STEC về TEC thẳng đứng (TECV) tại điểm cắt dưới tầng điện ly. Để thực hiện
67
được phép chuyển đổi này thì tầng điện ly được cho là một lớp mỏng bao quanh
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam Trái Đất và tâm của nó trùng với tâm của Trái Đất và được mô phỏng bởi mô hình
lớp đơn (hình 3.2). Mô hình lớp đơn có chiều cao H thường được lấy là 350, 400
hoặc 450 km so với mặt đất, tương ứng xấp xỉ với độ cao của cực đại mật độ điện tử
trong tầng điện ly.
Hình 3.2, Mô hình lớp đơn tầng điện ly [79], z là góc thiên đỉnh của vệ tinh tại vị trí
máy thu và z’ là khoảng cách thiên đỉnh của vệ tinh tại điểm cắt tầng điện ly tính
bằng độ, R 6371 km là bán kính Trái Đất và H là độ cao lớp đơn.
Hàm vẽ tầng điện ly tại độ cao H của mô hình lớp đơn được xác định là
nghịch đảo cosin góc thiên đỉnh tại điểm cắt dưới tầng điện ly như sau:
với (3.9)
trong đó là góc nhìn vệ tinh tại vị trí máy thu. Như vậy TECV hoặc để cho ngắn
gọn là TEC tương ứng được xác định từ STEC bằng công thức sau:
(3.10)
Nồng độ điện tử tổng cộng thẳng đứng TEC đã tính thường được biểu diễn theo một
hàm của vĩ độ và thời gian địa phương tại vị trí điểm cắt tầng điện ly. Trong các
phần còn lại của luận án ký hiệu TEC được hiểu là TEC thẳng đứng, chúng ta chỉ
68
phân biệt STEC trong những trường hợp cần thiết.
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam 3.1.2.3 Mô hình TEC toàn cầu GIMs
Sản phẩm nghiên cứu tầng điện ly từ hệ thống các máy thu GPS trên toàn cầu
hiện nay là mô hình TEC toàn cầu GIMs. Mô hình TEC toàn cầu được tính toán
hàng ngày dùng tài liệu của khoảng 150 trạm máy thu GPS của IGS (International
GPS Service) và của một số cơ quan khác trên toàn cầu. Các bản đồ phân bố TEC,
độ trễ gây bởi phần cứng của vệ tinh (Satellite bias) và máy thu (Receiver bias)
được thông báo hàng ngày trong mô hình TEC toàn cầu và có thể tải xuống từ
website: http://www.aiub.unibe.ch/download/code/.
Hình 3.3, Ví dụ về bản đồ điện ly toàn cầu và vị trí các trạm thu GPS hiện nay
(http://iono.jpl.nasa.gov/).
Các giá trị TEC thẳng đứng được mô hình hóa trong hệ quy chiếu chuẩn Địa
từ-Mặt Trời dùng biểu diễn điều hòa cầu đến bậc và hạng 13. Các hàm tuyến tính
từng đoạn được dùng để biểu diễn trong miền thời gian với bước thời gian là 2 giờ.
Các độ trễ thiết bị đối với tất cả các vệ tinh và các trạm thu được đánh giá là các
hằng số cho từng ngày. Mô hình cho dưới dạng bản đồ tính với lưới tọa độ vuông,
khoảng cách mắt lưới được chia là 2,5o x 2,5o. Việc tính toán TEC tại một trạm có
69
tọa độ nhất định được nội suy từ các giá trị TEC ở các mắt lưới xung quanh mà vị
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam trí trạm nằm trong đó. Hình 3.4 là ví dụ về các giá trị TEC tại Hà Nội, Huế và Tp
Hồ Chí Minh vào tháng 01/2010 tính từ mô hình toàn cầu.
Hình 3.4 Giá trị TEC tính từ mô hình toàn cầu tại Hà Nội, Huế và Tp Hồ Chí Minh
70
vào tháng 01/2010
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam 3.1.2.4 Xác định độ trễ phần cứng máy thu và vệ tinh
Như đã trình bầy ở trên, việc sử dụng các phép đo hiệu giả khoảng cách để
tính STEC là rõ ràng nhưng còn chứa độ trễ nhóm gây bởi thiết bị (máy thu + vệ
tinh). Đối với hệ thống máy thu GPS nằm trong mạng lưới toàn cầu thì độ trễ thiết
bị này đã được tính toán hàng ngày và sẵn có để dùng trong sản phẩm bản đồ TEC
toàn cầu. Đối với các máy thu GPS không có trong mạng lưới trạm thì tham số độ
trễ này không có sẵn và đòi hỏi người dùng phải tính để đưa vào phương trình tính
STEC (3.8a).
Trong hầu hết các trường hợp, các độ trễ thiết bị phải được tính đến, nếu bỏ
qua độ trễ này sẽ gây ra một sai số đáng kể trong phép tính STEC (ví dụ nếu sai số
hiệu độ trễ là 1ns sẽ tương đương với một lượng là 2.853 TECu). Cũng có một vài
phương pháp tính độ trễ máy thu được công bố bởi các tác giả khác nhau khi ứng
dụng để xử lý cho các trạm thu trong vùng nghiên cứu, và cho một số trường hợp cụ
thể [47, 52, 61, 74, 75]. Ý tưởng của các phương pháp chủ yếu là so sánh và hiệu
chỉnh giữa giá trị TEC quan sát và TEC mô hình. Đối với các máy thu ở Việt Nam,
Lê Huy Minh và nnk [10, 11] đã xây dựng phương pháp tính độ lệch máy thu bằng
cách tính độ lệch bình phương trung bình giữa TEC quan sát trong trường hợp chưa
hiệu chỉnh độ lệch máy thu và TEC thu được từ mô hình toàn cầu trong khoảng thời
gian đêm từ 01h đến 05h sáng địa phương tại cùng một vị trí quan sát. Theo phương
pháp này, giá trị độ trễ của vệ tinh được lấy từ mô hình toàn cầu còn giá trị độ trễ
máy thu được tính và hiệu chỉnh hàng ngày. Hạn chế của phương pháp này là ảnh
hưởng có tính chất địa phương trong ngày của tầng điện ly sẽ tác động trực tiếp đến
giá trị độ trễ máy thu tính được mà thực chất lại không phải do phần cứng của máy
thu gây ra. Mặt khác, ý tưởng của phương pháp là lựa chọn khoảng thời gian ít biến
đổi nhất của tầng điện ly trong ngày là từ 01h đến 5h sáng địa phương để so sánh.
Như vậy, khó khăn gặp phải vào những ngày số liệu bị mất trong khoảng thời gian
trên thì không thể tính và hiệu chỉnh độ trễ thiết bị. Năm 2008 với sự giúp đỡ của
TS Rolland Fleury, chúng tôi đã xây dựng bộ chương trình tính TEC theo phương
pháp của Komjathy et al. [52] khi sử dụng bản đồ TEC toàn cầu để đánh giá độ trễ
71
của máy thu bất kỳ. Để tính độ trễ thiết bị, chúng tôi tiến hành tính độ lệch giữa giá
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam trị TEC tính toán theo công thức (3.8a) và (3.10) trong trường hợp chưa hiệu chỉnh
độ trễ thiết bị cho tất cả các vệ tinh nhìn thấy có góc nhìn lớn
hơn hoặc bằng 200 và giá trị TEC tính được từ mô hình toàn cầu tại cùng một vị trí
trạm ở thời điểm quan sát. Do giá trị TEC suy ra từ mô hình toàn cầu với khoảng
thời gian 2 giờ một giá trị, vì vậy các giá trị TEC mô hình tương ứng với khoảng
thời gian quan sát được nội suy để so sánh với các giá trị TEC tính toán được và
như vậy ở từng thời điểm quan sát t trong ngày chúng ta sẽ thu được một giá trị
. Sau đó giá trị độ trễ cho một ngày được lấy là median của tất cả các giá
trị ở các thời điểm quan sát trong ngày.
Hình 3.5, Độ trễ thiết bị (vệ tinh+máy thu) trong tháng 10/2010 tại Hà Nội, Huế và
72
TP. Hồ Chí Minh.
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam Hình 3.5 biểu diễn kết quả tính độ trễ thiết bị trong tháng 10/2010 cho từng
cặp vệ tinh-máy thu đặt tại Hà Nội, Huế và TP. Hồ Chí Minh với trục tung biểu thị
giá trị độ trễ thiết bị (vệ tinh + máy thu) và trục hoành biểu thị vệ tinh tương ứng
quan sát tại mỗi trạm. Giá trị độ lệch được tính cho tất cả các cặp máy thu - vệ tinh
(mỗi trạm thu sẽ có 32 cặp giá trị tương ứng với 32 vệ tinh) và cho tất cả các phút
trong ngày quan sát. Các cặp giá trị độ lệch cho ngày sẽ là median độ lệch của tất cả
các phút. Để hạn chế các tác động có tính chất địa phương của tầng điện ly lên kết
quả tính độ trễ, chúng tôi sẽ không lấy trực tiếp các giá trị median ngày để hiệu
chỉnh mà chúng tôi tính median cho khoảng thời gian nhiều ngày mà ở đây là 1
tháng. Các cặp giá trị độ trễ (vệ tinh+máy thu) median tháng được tính mỗi tháng và
sử dụng để đưa vào phương trình tính TEC tuyệt đối tương ứng với mỗi cặp (vệ
tinh+máy thu) cho từng ngày trong tháng. Từ hình 3.5 ta nhận thấy rằng tại mỗi
trạm thu, các giá trị độ trễ thay đổi tùy thuộc vào từng vệ tinh và điều này cũng dễ
hiểu bởi mỗi vệ tinh đều có chứa một độ trễ phần cứng nhất định và khác nhau tùy
thuộc vào kỹ thuật chế tạo, trạng thái vệ tinh hay môi trường vệ tinh đang bay.
Chiều hướng dao động của độ trễ theo từng vệ tinh là như nhau ở cả ba trạm, nhưng
khoảng giá trị độ trễ thiết bị gây ra tại trạm Hà Nội dao động trong khoảng -70
TECu đến -20 TECu, tại trạm Huế giá trị này dao động trong khoảng từ 5 TECu đến
60 TECu và tại trạm đặt ở TP. Hồ Chí Minh là từ 5 TECu đến 50 TECu tùy theo
từng vệ tinh quan sát. Tất cả các cặp giá trị độ trễ thiết bị này được tính cho từng
tháng quan sát số liệu và sẽ được dùng để đưa vào phương trình tính giá trị TEC
tuyệt đối cho mỗi cặp vệ tinh và máy thu tương ứng tại thời điểm quan sát.
Để kiểm tra phương pháp tính, chúng tôi tiến hành so sánh các giá trị TEC
tính được bằng phương pháp đã nêu sau khi đã sử dụng các giá trị độ trễ thiết bị tính
toán và các giá trị TEC rút ra từ mô hình toàn cầu tại vị trí của 3 trạm GPS ở Việt
Nam trong một ngày quan sát số liệu, kết quả được chỉ ra trên hình 3.6. Ta nhận
thấy rằng đường cong giá trị TEC thu được có xu hướng phù hợp với đường TEC
tính từ mô hình toàn cầu, nhưng cũng có nhiều điểm phản ánh xu thế khác, đặc biệt
vào thời gian ngày, khi hiệu ứng vòi phun của tầng điện ly vùng vĩ độ thấp phát
73
triển thì có sự sai lệch về xu hướng giữa giá trị TEC mô hình và giá trị TEC đo đạc
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam thực tế. Điều này có thể là do đặc trưng địa phương phức tạp của tầng điện ly vùng
xích đạo mà mô hình toàn cầu không thể mô tả hết. Ouattara et al., [69] đã so sánh
giữa số liệu mô hình và số liệu quan sát tại trạm vùng xích đạo Koudougou ở Bắc
Mỹ, cũng cho thấy có sự sai lệch đáng kể giữa giá trị TEC tính từ mô hình và TEC
quan sát.
Hình 3.6, Giá trị TEC đã hiệu chỉnh độ trễ thiết bị của tất cả các vệ tinh nhìn thấy
74
(chấm đen), giá trị TEC trung bình cho từng thời điểm quan sát (đường liền nét) và
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam TEC từ mô hình toàn cầu (đường liền nét nhẵn) trong ngày 02/01/2010 tại Hà Nội,
Huế và Tp Hồ Chí Minh.
Phương pháp tính độ trễ thiết bị này đã được Lê Huy Minh et al. [64] giới
thiệu và áp dụng nghiên cứu cho vùng dị thường điện ly xích đạo Đông Nam Á, kết
quả được đăng trên tạp chí Advances in Space Research và nhận được nhiều sự
quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới.
3.1.2.5 Chương trình tính toán nồng độ điện tử tổng cộng từ số liệu GPS
Từ các phương pháp tính toán đã nêu, một chương trình tính toán TEC đã được
xây dựng. Ngoài việc tính các giá trị TEC theo phương pháp đã nêu cho mỗi đường
vệ tinh, chúng tôi còn phải tính tọa độ (kinh độ, vĩ độ) cho mỗi giá trị TEC tại điểm
cắt tầng điện ly để phục vụ cho việc xây dựng bản đồ phân bố TEC khu vực Việt
Nam. Trong trường hợp nghiên cứu này, tọa độ điểm cắt tầng điện ly được lấy ở độ
cao 400km theo mô hình lớp đơn đã nêu phần trên. Toàn bộ chương trình tính được
viết bằng ngôn ngữ Matlab gồm khoảng 1000 dòng lệnh được chia thành hai bước
chính tương ứng với 2 chương trình lớn. Các bước thực hiện chương trình được chỉ
ra như trong sơ đồ khối trên hình 3.7.
Chương trình lớn được đặt tên ‘Bias_tot.m’, là một chương trình chính gồm
16 chương trình con và được chia làm 2 bước:
Bước thứ nhất step 1, có nhiệm vụ tính toán các giá trị TEC cho trường hợp
chưa hiệu chỉnh độ trễ thiết bị (bi+bj=0) cho các cặp vệ tinh-máy thu và cho cả
tháng số liệu, với các tệp số liệu đầu vào là: tệp số liệu quan sát dưới dạng RINEX,
tệp số liệu niên giám yuma cung cấp thông tin vệ tinh, tệp codg cung cấp số liệu mô
hình TEC toàn cầu và độ trễ thiết bị (tuy nhiên độ trễ thiết bị trong tệp này sẽ không
được chúng tôi sử dụng). Các kết quả tính được ghi ra tệp đầu ra tương ứng cho tất
cả các ngày quan sát trong tháng với các thông số như: thời gian (s), tên vệ tinh, vĩ
độ điểm cắt tầng điện ly (độ), kinh độ điểm cắt tầng điện ly (độ), TEC nghiêng
(TECu) và góc nhìn vệ tinh (độ). Trong step 1 có chứa 10 chương trình con có chức
năng xử lý khác nhau:
1, Sgps: chương trình chuyển đổi ngày, tháng, năm quan sát sang tuần, ngày
75
GPS.
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
2, Quant, Bissec: chương trình đổi ngày, tháng, năm quan sát sang ngày GPS
và tính cho các trường hợp năm nhận hay không nhuận.
3, Lec_alm: chương trình này cung cấp các thông tin liên quan đến tình trạng
vệ tinh từ tệp yuma như: số vệ tinh đang hoạt động, góc nghiêng của quỹ đạo so với
mặt phẳng xích đạo của vệ tinh tại thời điểm quan sát, độ trễ đồng hồ vệ tinh…
4, Parorb: chương trình cung cấp thông tin về các tham số quỹ đạo liên quan
đến mỗi vệ tinh với các thông số đầu vào thu được từ chương trình lec_alm.
5, Entete: chương trình đọc các thông số đầu vào từ tệp số liệu quan sát
RINEX như: toạ độ trạm trong hệ toạ độ (X,Y,Z), khoảng thời gian quan sát, số
lượng các đại lượng quan sát được, và các giá trị tương ứng.
6, Sp3: chương trình tính chuyển tọa độ trạm thu từ hệ toạ độ (X,Y,Z) sang
hệ toạ độ cầu (,,h) theo radian và mét.
7, Icord: chương trình cung cấp vị trí vệ tinh và toạ độ điểm cắt tầng điện ly.
Với các thông số đầu vào là: vĩ độ, kinh độ, độ cao trạm thu và thời gian quan sát.
Thông số lối ra là: tọa độ điểm cắt tầng điện ly, góc nhìn vệ tinh và góc phương vị
của vệ tinh.
8, Isupiono: chương trình tính tọa độ điểm cắt tầng điện ly, với thông số đầu
vào là: kinh độ và vĩ độ trạm quan sát, góc nhìn và góc azimuth của vệ tinh.
9, Iposit: chương trình tính vị trí vệ tinh, với thông số đầu vào là vị trí trạm
quan sát và đầu ra là: độ cao, kinh độ, vĩ độ của vệ tinh, khoảng cách từ trạm thu tới
vệ tinh, góc nhìn vệ tinh và góc phương vị azimuth.
10, Lec_obs_1: chương trình xử lý tệp số liệu quan sát và tính các giá trị
TEC nghiêng theo công thức đã nêu với độ trễ thiết bị chưa hiệu chỉnh.
Bước thứ hai step 2, có nhiệm vụ tính toán các độ lệch giữa giá trị TEC tính
được trong bước 1 và giá trị TEC của mô hình, sau đó tính các giá trị median ngày
và tháng để thu được độ trễ thiết bị cho các cặp (vệ tinh-máy thu) tương ứng và ghi
ra tệp đầu ra thứ hai chứa thông tin về độ trễ thiết bị. Trong step 2 có chứa 6 chương
trình con có chức năng xử lý khác nhau:
1, Sgps: chương trình chuyển đổi ngày, tháng, năm quan sát sang tuần, ngày
76
GPS.
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
2, Quant, Bissec: chương trình đổi ngày, tháng, năm quan sát sang ngày GPS
và tính cho các trường hợp năm nhận hay không nhuận.
3, Lect_ionex: chương trình rút ra bản đồ TEC khu vực từ mô hình toàn cầu
cho trạm quan sát.
4, TEC_ionex: chương trình tính các giá trị TEC mô hình tương ứng với kinh
độ, vĩ độ trạm quan sát, nội suy chuỗi số liệu cho tất cả các giờ trong ngày.
5, Spline, Splint: là các hàm nội suy.
6, Biais_res: chương trình tính median độ trễ thiết bị cho các ngày khác nhau
và cho từng vệ tinh.
Hình 3.7, Sơ đồ khối chương trình tính toán TEC.
Sau khi kết thúc chương trình bias_tot.m sẽ chạy chương trình có tên
verify.m, với các tệp số liệu đầu vào là tệp kết quả đầu ra ở chương trình bias_tot.m.
77
Chương trình này có nhiệm vụ tính giá trị TEC thẳng đứng tuyệt đối khi đã có
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam thông tin về tổng độ lệch do phần cứng máy thu và phần cứng vệ tinh và vẽ giá trị
TEC thẳng đứng tuyệt đối theo chuỗi thời gian để kiểm tra.
Kết quả tính giá trị TEC áp dụng bộ chương trình này được biểu diễn trên
hình 3.8 với các giá trị TEC tính được trong tháng 10/2010 cho trạm ở Hà Nội. Ta
thấy rằng biên độ dao động của TEC từ ngày này sang ngày khác là tương đối khác
nhau, nhưng đều có một cực đại vào thời gian ban ngày và một cực tiểu vào thời
gian ban đêm địa phương. Ngoài ra trong một số ngày có xuất hiện giá trị TEC âm
hoặc dương nằm ngoài xu hướng biến thiên chung trong khoảng thời gian quan sát;
các giá trị này có thể gây bởi hiện tượng đa đường truyền tín hiệu, nhiễu đường
truyền… và cần phải loại bỏ trước khi đưa vào nghiên cứu.
Hình 3.8, Biến thiên TEC hàng ngày trong tháng 10/2010 tại Hà Nội.
Trong trường hợp ở đây, các giá trị TEC sau khi tính toán theo chương trình, chúng
tôi sử dụng thêm bước lọc lấy các giá trị theo góc nhìn vệ tinh lớn hơn 200 để hạn
chế ảnh hưởng kể trên. Giới hạn góc nhìn này có thể làm giảm số lượng vệ tinh
78
quan sát nhưng cho phép chúng ta loại bỏ được đáng kể những ảnh hưởng không
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam phải do bởi tầng điện ly. Tập hợp các giá trị TEC đã được lọc như vậy là cơ sở cho
các nghiên cứu sau này về TEC.
3.2 Biến thiên theo thời gian ngày đêm của TEC khu vực Việt Nam
Áp dụng chương trình tính toán TEC đã nêu chúng tôi tiến hành tính TEC
cho số liệu GPS liên tục của 3 trạm Hà Nội, Huế và Tp Hồ Chí Minh với khoảng
cách giữa hai thời điểm quan sát là 30 giây. Để chỉ ra biến thiên theo thời gian ngày
đêm của TEC, các giá trị TEC tính được tại mỗi thời điểm quan sát sẽ được lấy
trung bình cho tất cả các vệ tinh nhìn thấy. Từ hình 3.9 đến hình 3.13 minh họa biến
thiên ngày đêm trung bình tháng trong năm từ 2006 đến 2010 tại các trạm Hà Nội,
Huế và Tp Hồ Chí Minh, với trục tung biểu thị giá trị trung bình của TEC theo đơn
vị TECu (1TECu = 1016 e/m2) trong tháng tại thời điểm quan sát và trục hoành biểu
thị thời gian được tính theo giờ quốc tế (giờ địa phương sẽ được cộng thêm 7). Kết
quả quan sát cho thấy đặc trưng biến thiên ngày đêm chung của TEC là đạt một cực
đại vào ban ngày (06-09UT, tức là 13-16LT) và một cực tiểu vào ban đêm địa
phương (khoảng 21-22UT, tức là 04-05LT). Biên độ dao động ngày đêm trung bình
tháng của TEC thay đổi trong khoảng từ cực tiểu ban đêm cỡ 5TECu đến cực đại
ban ngày cỡ 50TECu tùy thuộc vào từng tháng trong năm và vào mức độ hoạt động
mặt trời. Dựa vào phép chuyển đổi trong bảng 2.4, với biên độ dao động ngày đêm
của TEC kể trên sẽ gây ra độ trễ khoảng cách từ 1m đến 8m trên tín hiệu L1. Sau
79
15hUT (22hLT) TEC ít biến đổi và duy trì giá trị thấp trong suốt thời gian ban đêm.
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
Hình 3.9 Biến thiên ngày đêm trung bình tháng của TEC trong năm 2006
tại các trạm Hà Nội, Huế và Tp Hồ Chí Minh
80
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
Hình 3.10 Biến thiên ngày đêm trung bình tháng của TEC trong năm 2007 tại các
81
trạm Hà Nội, Huế và Tp Hồ Chí Minh
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
Hình 3.11 Biến thiên ngày đêm trung bình tháng của TEC trong năm 2008 tại các
82
trạm Hà Nội, Huế và Tp Hồ Chí Minh
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
Hình 3.12 Biến thiên ngày đêm trung bình tháng của TEC trong năm 2009 tại các
83
trạm Hà Nội, Huế và Tp Hồ Chí Minh
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
Hình 3.13 Biến thiên ngày đêm trung bình tháng của TEC trong năm 2010 tại các
trạm Hà Nội, Huế và Tp Hồ Chí Minh
Việc TEC đạt cực đại vào ban ngày và cực tiểu vào ban đêm hoàn toàn dễ
84
hiểu, như đã trình bầy trong chương 2 của luận án, tầng điện ly được hình thành và
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam tồn tại dưới tác dụng của bức xạ mặt trời và phụ thuộc chủ yếu vào quá trình quang
ion hóa. Vào ban ngày quá trình này diễn ra mạnh mẽ với tốc độ sinh ion và điện tử
lớn làm cho nồng độ điện tử trong tầng điện ly tăng lên và đạt giá trị cực đại. Chúng
ta biết rằng vào giữa trưa địa phương (12hLT) vị trí Mặt Trời ở vị trí quan sát nằm ở
thiên đỉnh (=0), tốc độ sinh ion và điện tử đạt cực đại, tuy nhiên cực đại của TEC
hầu như không xảy ra đúng giữa trưa địa phương mà đạt được vào khoảng đầu giờ
chiều, điều này cho thấy ngoài quá trình quang ion hóa của bức xạ mặt trời, TEC
còn phụ thuộc vào các quá trình động học khác như: gió trong tầng điện ly, trường
điện, trường từ Trái Đất,... ảnh hưởng của các yếu tố này đang dần được làm sáng tỏ
trong các nghiên cứu gần đây. Vào thời điểm sau khi Mặt Trời lặn, nồng độ điện tử
sẽ giảm dần do không còn xẩy ra quá trình quang ion hóa mà chiếm ưu thế là quá
trình va chạm và tái hợp, tuy nhiên nồng độ điện tử vẫn được duy trì trong suốt các
giờ ban đêm do gió khí quyển trung hòa trong mặt phẳng kinh tuyến hướng về phía
xích đạo, nâng plasma dọc theo đường sức từ lên các độ cao lớn hơn tại đó hệ số
mất mát điện tử đủ nhỏ để duy trì sự tồn tại nồng độ điện tử suốt đêm.
So sánh với đặc trưng biến thiên ngày đêm của tần số tới hạn của các lớp
điện ly đã công bố bởi các tác giả trước đây [4, 8], ta nhận thấy rằng đặc trưng biến
thiên theo thời gian ngày đêm của TEC hoàn toàn giống với đặc trưng biến thiên
ngày đêm của tần số tới hạn lớp F2 (f0F2) tầng điện ly tại trạm Phú Thụy - Hà Nội là
có một cực đại vào khoảng 14 giờ địa phương. Nhưng khác hơn khi so sánh với kết
quả quan sát được tại trạm phía Nam (Tp. Hồ Chí Minh) khi biến thiên ngày đêm
của tần số tới hạn lớp F2 (f0F2) tại đây đạt giá trị thấp hơn và đạt hai đỉnh vào
khoảng 9 giờ và 17 giờ địa phương như chỉ ra trên hình 3.14, trong khi đó thì xu
hướng hai đỉnh không thể hiện một cách rõ ràng trên đặc trưng biến thiên của TEC
tại Tp. Hồ Chí Minh trong hầu hết các tháng trong năm, nhưng ở Tp Hồ Chí Minh
độ rộng của khoảng cực đại ban ngày của TEC hoàn toàn tương ứng với độ rộng
85
của vùng cực đại ban ngày ở foF2.
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
Hình 3.14 a) Biến thiên tần số f0F2 tại Phú Thụy [8]; b) Biến thiên tần số f0F2 tại
Thành phố Hồ Chí Minh [4]
3.3 Biến thiên theo mùa và sự phụ thuộc vào mức độ hoạt động mặt trời
Để tìm hiểu đặc tính mùa của TEC, chúng tôi tiến hành vẽ các giá trị TEC
trung bình tháng ngày đêm theo dạng đường đẳng trị cho từng năm số liệu quan sát,
kết quả được chỉ ra trên hình 3.15, hình 3.16 và hình 3.17 tương ứng cho trạm ở Hà
Nội, Huế và Tp. Hồ Chí Minh trong thời gian năm 2009 và 2010. Với trục tung biểu
thị các tháng trong năm và trục hoành biểu thị thời gian trong ngày, các đường đẳng
trị với bước chia là 5 TECu biểu thị các giá trị TEC tương ứng theo thang màu từ 0
86
tới 50 TECu.
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
Hình 3.15, Biến thiên theo mùa trong năm 2009 và 2010 tại Hà Nội, khoảng cách
giữa các đường đẳng trị 5 TECu.
Hình 3.16, Biến thiên theo mùa trong năm 2009 và 2010 tại Huế, khoảng cách giữa
87
các đường đẳng trị 5 TECu.
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
Hình 3.17, Biến thiên theo mùa trong năm 2009 và 2010 tại TP. Hồ Chí Minh,
khoảng cách giữa các đường đẳng trị 5 TECu.
Dễ dàng nhận thấy rằng TEC thể hiện một xu thế biến thiên theo mùa trong
năm rất rõ, đạt hai cực đại vào thời kỳ phân điểm hàng năm: xuân phân (tháng 3-4)
và thu phân (tháng 9-10) và cực tiểu vào những tháng mùa đông và mùa hè. Ngoài
ra biên độ TEC còn phụ thuộc vào vị trí trạm quan sát khi so sánh trong cùng thời
điểm quan sát, ta nhận thấy giá trị TEC đo được tại trạm Hà Nội thường lớn nhất,
tiếp đến là trạm Huế và nhỏ nhất quan sát được tại Tp Hồ Chí Minh, đặc trưng này
sẽ được thể hiện rõ hơn khi biểu diễn theo vĩ độ sẽ được trình bày chi tiết trong
phần sau. Các đặc trưng biến thiên của nồng độ điện tử tổng cộng theo thời gian và
theo mùa quan sát cho khu vực Việt Nam tương đồng với các kết quả nghiên cứu
cho vùng Ấn Độ của Rama Rao et al., [74] như đã được đề cập trong chương 1 của
luận án.
Để giải thích hiện tượng mùa của TEC quan sát ở trên ta sẽ tìm hiểu cơ chế
vật lý liên quan đến hiện tượng này như sau: theo lý thuyết, cường độ bức xạ của
Mặt Trời chiếu lên Trái Đất cao nhất vào mùa hè, và khi đó tốc độ ion hóa do bức
xạ cũng là cao nhất hay nói cách khác là tốc độ sinh ion trong tầng điện ly vào mùa
hè là lớn nhất trong năm. Do đó, theo lý thuyết này thì giá trị TEC sẽ đạt cực đại
vào mùa hè. Trong khi đó, quan sát thực tế lại cho thấy chiều hướng biến thiên mùa 88
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam của TEC có thể được xem là đối ngược với sự tăng lên của tốc độ ion hóa. Kết quả
quan sát như vậy do liên quan đến sự cân bằng giữa quá trình sinh và mất ion trong
tầng điện ly. Như đã trình bầy trong chương 2 của luận án, hợp phần khí trung hòa
+ theo các phương
chính trong nhiệt quyển là O, N2 và O2. Như vậy các ion chính được tạo ra bởi sự
quang ion hóa và tương tác trong nhiệt quyển là O+, NO+ và O2
trình phản ứng quang hóa. Người ta thấy rằng trong vùng F của tầng điện ly, tốc độ
sinh ion tỷ lệ thuận với mật độ oxy nguyên tử (O) và sự tái hợp làm mất ion gia tăng
chủ yếu theo sự tăng của mật độ Nitơ phân tử (N2). Ondoh et al. [66] đã dùng mô
hình điện ly toàn cầu MSIS-86 nghiên cứu sự biến thiên theo mùa trong năm của
các hợp phần khí (hình 3.18) trong tầng điện ly.
Hình 3.18, Sự biến đổi theo thời gian của mật độ các hợp phần khí lúc 12h00 LT tại
độ cao 200km, trong năm 1989 theo mô hình điện ly MSIS-86 (Ondoh et al.,,
2001).
Kết quả quan sát từ mô hình cho thấy mật độ oxy nguyên tử giảm rất mạnh
vào mùa hè và tăng vào thời kỳ phân điểm, hợp phần N2 tăng vào mùa hè và chiếm
ưu thế so với oxy nguyên tử. Như vậy vào mùa hè tốc độ sinh plasma giảm kết hợp
với tốc độ tái hợp tăng lên đáng kể, kết quả là vào mùa hè mật độ điện tử trong tầng
điện ly giảm và vào tháng phân điểm tốc độ sinh ion tăng dẫn đến mật độ điện tử
tăng lên và đạt cực đại. Kiểu biến thiên mùa của TEC như vậy cũng tương tự biến
89
thiên mùa của tần số tới hạn lớp F2 tầng điện ly (foF2) thu được từ thăm dò thẳng
đứng tầng điện ly quan sát được tại trạm điện ly Phú Thụy, Hà Nội [8].
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
Ngoài đặc trưng biến thiên theo mùa ở trên, TEC còn phụ thuộc vào mức độ
hoạt động của Mặt Trời, kết quả này đã được đề cập đến trong các công bố trước
đây bởi các tác giả trên thế giới khi nghiên cứu cho tầng điện ly vùng xích đạo [30,
32, 36, 74]. Để xem xét mối liên hệ này chúng tôi đã tính giá trị cực đại TEC trong
tháng của từng năm cho toàn bộ chuỗi số liệu từ 2006 đến 2010, kết quả được chỉ ra
trên hình 3.19.
Hình 3.19, Biến thiên biên độ cực đại TEC tại a) Hà Nội, b) Huế, c) TP. Hồ Chí
90
Minh và d) Số vết đen mặt trời giai đoạn từ 2006 đến 2010.
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
Các hình a, b và c biểu thị biên độ TEC cực đại trong tháng của các trạm Hà
Nội, Huế và TP. Hồ Chí Minh, hình d biểu thị số vết đen mặt trời trung bình tháng
trong giai đoạn nghiên cứu. Ta nhận thấy rằng biên độ cực đại của TEC cũng thể
hiện biến thiên mùa và biến thiên theo mức độ hoạt động mặt trời, so sánh chuỗi số
liệu từ 2006 đến 2010 tại mỗi trạm ta nhận thấy biên độ TEC giảm dần khi hoạt
động của mặt trời giảm và biên độ đạt giá trị thấp nhất vào năm 2008 và 2009 (khi
hoạt động mặt trời là cực tiểu), và đến năm 2010 lại tăng dần lên. Chúng ta dễ dàng
nhận thấy với chuỗi số liệu quan sát, trong pha đi xuống của hoạt động mặt trời
(2006 đến 2008), cực đại xuân phân lớn hơn cực đại thu phân, trong pha đi lên của
hoạt động mặt trời (2009 đến 1010) thì ngược lại, cực đại thu phân lại lớn hơn cực
đại xuân phân. Như vậy, giá trị của hai cực đại trong thời kỳ phân điểm cũng thay
đổi theo mức độ hoạt động của mặt mrời. Đặc trưng biến thiên theo mùa và theo
pha hoạt động của mặt trời cũng được tìm thấy trong biến thiên của tần số f0F2 tại
Phú Thụy [8, 49].
3.4 Đặc trưng phân bố theo thời gian và vĩ độ
Để có cái nhìn tổng thể về TEC trên toàn lãnh thổ Việt Nam, chúng ta cần
xây dựng các bản đồ phân bố TEC cho khu vực này. Hình 3.20 là vết của các vệ
tinh ở độ cao 400km nhìn thấy được bởi các máy thu ở Hà Nội, Huế và Tp Hồ Chí
Minh trong thời gian 1 ngày (29/05/2008). Các vết vệ tinh vẽ lên được hiển thị với
các góc nhìn vệ tinh khác nhau; lớp trong cùng >500, lớp thứ hai ,
lớp thứ ba , lớp thứ tư và lớp ngoài cùng . Hình
3.20a biểu diễn phân bố theo kinh độ và vĩ độ, ta thấy rằng với các lớp góc nhìn vệ
tinh khác nhau sẽ chỉ ra vùng điện ly tương ứng quan sát được tại mỗi trạm. Với
giới hạn góc nhìn vệ tinh >200 được sử dụng trong luận án này thì từ số liệu quan
sát ở ba trạm thu, chúng ta có thể nghiên cứu được vùng điện ly trong khoảng vĩ độ
địa lý từ 30 đến 270 và kinh độ từ 1000 đến 1130. Hình 3.20b biểu diễn phân bố theo
vĩ độ và thời gian chỉ ra vết của các vệ tinh nhìn thấy ở 3 trạm trong 1 ngày. Tại mỗi
thời điểm quan sát mỗi trạm chỉ có thể nhìn thấy nhiều nhất khoảng 11 vệ tinh, do
vậy chúng ta không thể thành lập được bản đồ TEC theo kinh độ và vĩ độ có độ tin
cậy cao tại từng thời điểm quan sát chỉ từ số liệu của 3 trạm thu. Tuy nhiên chúng ta 91
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam có thể thấy rằng trong phân bố thời gian – vĩ độ của các vết vệ tinh nhìn thấy (hình
3.20b) tương đối đồng đều trong khoảng vĩ độ 3o-27o và trong cả khoảng thời gian
24 giờ trong ngày, do vậy chúng ta hoàn toàn có thể xây dựng được bản đồ TEC
ngày đêm trong dải vĩ độ đã nêu hoặc hẹp hơn nếu muốn có bản đồ với độ tin cậy
cao.
a) b)
Hình 3.20, Vết của các vệ tinh với a) theo kinh độ và vĩ độ và b) theo vĩ độ và thời
gian trên độ cao 400 km của tầng điện ly nhìn thấy bởi các máy thu tại Hà Nội, Huế
và Tp. Hồ Chí Minh ngày 29/05/2008.
Do phân bố theo thời gian và vĩ độ của các điểm số liệu TEC không đều, nên
chúng tôi dùng phương pháp trung bình trượt theo cửa sổ để tạo nên lưới số liệu gần
vuông trước khi thực hiện việc lưới hóa bằng các phần mềm đồ họa, sau đó xây
dựng bản đồ theo lưới số liệu đã được lưới hóa vuông. Trên cơ sở số liệu GPS liên
tục của 3 trạm Hà Nội, Huế và Tp HCM, các bản đồ TEC được xây dựng cho từng
ngày trong khoảng thời gian quan tâm. Sau đó để nghiên cứu các quy luật biến đổi
chu kỳ dài, bản đồ TEC trung bình tháng được xây dựng.
Các hình 3.21 - 3.25 biểu thị bản đồ TEC theo thời gian và vĩ độ trung bình
tháng trong khoảng thời gian 2006-2010, đơn vị là TECu, xích đạo từ nằm ở khoảng
92
vĩ độ 8oN theo IGRF2005. Với số liệu của 3 trạm thu GPS ở Việt Nam chúng ta
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam hoàn toàn có thể nghiên cứu được đỉnh dị thường phía Bắc bán cầu trong dải kinh
tuyến nước ta.
Hình 3.21, Bản đồ theo thời gian của TEC trung bình tháng trong năm 2006.
93
Khoảng cách giữa các đường đẳng trị là 2 TECu.
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
Hình 3.22, Bản đồ theo thời gian của TEC trung bình tháng trong năm 2007.
94
Khoảng cách giữa các đường đẳng trị là 2 TECu.
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
Hình 3.23, Bản đồ theo thời gian của TEC trung bình tháng trong năm 2008.
95
Khoảng cách giữa các đường đẳng trị là 2 TECu.
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
Hình 3.24, Bản đồ theo thời gian của TEC trung bình tháng trong năm 2009.
96
Khoảng cách giữa các đường đẳng trị là 2 TECu.
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
Hình 3.25, Bản đồ theo thời gian của TEC trung bình tháng trong năm 2010.
97
Khoảng cách giữa các đường đẳng trị là 2 TECu.
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
Chúng ta có thể thấy TEC trung bình có một cực đại rõ rệt ở khoảng vĩ độ
18o-20o trong khoảng thời gian từ 5hUT đến 9hUT (12-16hLT). Bản đồ TEC chỉ ra
rằng vùng phía Bắc nước ta nằm ở vùng đỉnh dị thường điện ly xích đạo, và vùng
phía Nam ở vùng đáy của dị thường. Vào ban đêm từ 22hLT đến khoảng 6hLT
ngày hôm sau, tầng điện ly gần như đồng nhất với giá trị TEC trung bình nhỏ hơn
khoảng 10 TECu. Cơ chế hình thành dị thường điện ly xích đạo đã được trình bầy
chi tiết trong Chương II của luận án. Biến động của hình thái cấu trúc dị thường
điện ly xích đạo phụ thuộc vào nhiều yếu tố : hoạt tính mặt trời, trường từ Trái Đất,
gió trung hòa trong tầng điện ly..., do vậy nghiên cứu sự biến động của hình thái cấu
trúc của các bản đồ TEC sẽ cho chúng ta hiểu biết về mối quan hệ giữa cấu trúc dị
thường điện ly xích đạo vào các yếu tố đã nêu. Các đặc trưng phân bố theo vĩ độ
của TEC trong vùng đỉnh dị thường khu vực Việt Nam như đã trình bầy ở trên
tương đồng với kết quả nghiên cứu đã công bố trước đây cho vùng kinh tuyến Ấn
Độ (Rama Rao et al., [74] ; Bhuyan et al., [30]). Hình 3.26 là kết quả biểu diễn biến
thiên các thông số đỉnh dị thường như biên độ cực đại TEC, vị trí đỉnh dị thường,
thời gian đạt đỉnh và số vết đen mặt trời trong giai đoạn từ 2006 đến 2010. Biên độ
cực đại của TEC ở đỉnh cũng biến đổi rõ rệt theo mùa và theo số vết đen mặt trời
(hình 3.26a và hình 3.26b). Biên độ đỉnh TEC cực đại vào thời kỳ phân điểm, cực
tiểu vào mùa hè và mùa đông. Từ năm 2006 đến khoảng tháng 3/2009 số vết đen
mặt trời trung bình giảm dần (Mặt Trời ở pha hoạt động đi xuống), sau đó số vết
đen mặt trời bắt đầu tăng dần (Mặt Trời ở pha hoạt động đi lên). Trong pha đi
xuống, biên độ đỉnh TEC ở xuân phân cao hơn ở thu phân, trong pha đi lên thì biên
độ đỉnh TEC ở thu phân cao hơn ở xuân phân. Như vậy biến thiên theo thời gian
trong năm của biên độ đỉnh dị thường TEC tương tự như biến thiên theo mùa của
TEC ở từng trạm, do phụ thuộc vào thành phần khí và sự cân bằng giữa quá trình
sinh và mất ion trong tầng điện ly. Hình 3.26c cho thấy vị trí vĩ độ đỉnh dị thường
trung bình tháng dao động trong khoảng từ 170 đến 210 và vị trí này cũng phụ thuộc
vào mùa, ở xa xích đạo hơn vào những tháng phân điểm và tiến gần xích đạo nhất
vào những tháng mùa đông trong năm, tuy nhiên biểu hiện quy luật mùa về vĩ độ
98
đỉnh kém rõ ràng hơn so với quy luật mùa ở biên độ đỉnh TEC. Vị trí đỉnh dị thường
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam không thể hiện sự phụ thuộc vào mức độ hoạt động Mặt Trời trong giai đoạn nghiên
cứu.
Hình 3.26, a) Số vết đen Mặt trời trung bình tháng; b) Biên độ đỉnh dị thường TEC
ngày đêm trung bình tháng ; c) vĩ độ đỉnh dị thường và d) thời gian đạt cực đại, số
99
liệu giai đoạn 2006-2010
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam Hình 3.26d trình bày một đặc trưng khác của đỉnh dị thường điện ly xích đạo là thời
gian xuất hiện cực đại, chúng ta có thể thấy rằng về mùa Đông thời gian xuất hiện
cực đại sớm hơn cả, tiếp đến là những tháng phân điểm và vào mùa hè dường như
thời gian xuất hiện muộn hơn. Để giải thích cho các hiện tượng quan sát thấy ở trên,
chúng ta sẽ xem xét mô hình phát sinh tổng thể là sự kết hợp của lý thuyết gió trung
hòa chuyển qua xích đạo, vị trí điểm gần Mặt Trời và gió thổi từ vùng cực về phía
xích đạo vào thời kỳ điểm chí như được chỉ ra trên hình 3.27 [83]. Theo mô hình,
điểm O ở giữa chỉ vị trí xích đạo từ, điểm O bên cạnh phía phải chỉ vị trí của xích
đạo địa lý và đường chí tuyến chỉ vị trí điểm gần Mặt Trời. Mũi tên ở giữa và mũi
tên bên cạnh chỉ hướng của gió trung hòa thổi qua xích đạo và gió thổi từ vùng cực
về phía xích đạo một cách tương ứng, và các đường vòng cung biểu thị hiệu ứng vòi
phun trong tầng điện ly.
Hình 3.27, Mô hình tổ hợp lý thuyết gió trung hòa chuyển qua xích đạo, vị trí điểm
100
gần Mặt Trời và gió thổi từ vùng cực về phía xích đạo vào thời kỳ điểm chí với a)
Hạ chí nằm ở bán cầu Bắc và b) Hạ chí nằm ở bán cầu Nam (Tsai et al., [83])
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam
Hình 3.27 chỉ ra hai trường hợp là khi bán cầu phía Bắc vào mùa hè (a) và
khi bán cầu Bắc vào mùa Đông (b). Lý thuyết gió trung hòa thổi qua xích đạo như
sau: gió trung hòa thổi từ bán cầu mùa Hè sang bán cầu mùa Đông sẽ vận chuyển
các ion ở bán cầu mùa hè sang bán cầu mùa đông, do đó làm cản trở sự phát triển
của vùng dị thường ở bán cầu mùa Hè và làm gia tăng đỉnh dị thường ở bán cầu
mùa Đông. Mặt khác theo lý thuyết gió thổi từ vùng cực về phía xích đạo ở bán cầu
mùa Đông sẽ duy trì mật độ điện tử cho đỉnh dị thường ở bán cầu mùa Đông và đẩy
đỉnh dị thường dịch về phía xích đạo. Đây là nguyên nhân tại sao ta quan sát thấy vị
trí đỉnh dị thường nằm gần xích đạo hơn vào mùa đông như đã chỉ ra ở hình 3.26c.
Nhìn vào hình 3.27 ta cũng nhận thấy rằng tại bán cầu Bắc điểm vị trí điểm gần Mặt
Trời vào mùa Hè gần xích đạo từ và vào mùa đông lại xa xích đạo từ hơn. Walker et
al. [90] đã thống kê biến thiên theo mùa của TEC ở cả hai vùng đỉnh dị thường cũng
đã tìm ra đỉnh dị thường về mùa đông thường đạt được sớm hơn và muộn hơn về
mùa hè. Họ cho rằng khi điểm gần Mặt Trời nằm ở vĩ độ trung bình không gần với
xích đạo từ (mùa đông ở bán cầu Bắc hình 3.27b) thì khi đó chủ yếu quá trình
quang ion hóa mặt trời và quá trình vận chuyển plasma xích đạo tầng điện ly chiếm
ưu thế và thời điểm đạt cực đại sẽ vào khoảng giữa trưa địa phương (12h LT). Mặt
khác khi vị trí điểm gần Mặt Trời gần với xích đạo từ (mùa hè ở bán cầu Bắc hình
3.27a) sẽ làm suy giảm đáng kể giá trị TEC trong vùng do làm tăng quá trình
khuyếch tán dẫn đến tăng quá trình tái hợp các ion và electron. Quá trình này chiếm
ưu thế so với quá trình quang ion hóa mặt trời và quá trình vận chuyển plasma xích
đạo tầng điện ly trong vùng này, và thời điểm đạt cực đại sẽ muộn hơn so với mùa
Đông. Đây là nguyên nhân tại sao vào mùa Đông thời gian đạt cực đại thường sớm
hơn và vào mùa hè thì muộn hơn như đã quan sát thấy trên hình 3.26d. Tuy nhiên,
giải thích trên mang tính chất định tính, cần xây dựng các mô hình vật lý và tính
toán định lượng dựa trên các số liệu đo đạc trong khu vực.
Có thể tóm tắt một số kết quả nghiên cứu đã trình bày trong chương như sau:
- Tiến trình ngày đêm của nồng độ điện tử tổng cộng ở 3 trạm khu vực Việt
101
Nam thay đổi liên tục theo thời gian trong ngày, đạt cực đại vào khoảng 14-15 giờ
Chương 3. Nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly và quy luật biến đổi theo thời gian ở khu vực Việt Nam chiều và cực tiểu vào khoảng 5 giờ sáng địa phương với biên độ dao động trung
bình tháng trong khoảng từ 5TECu đến 50TECu.
- Biên độ ngày đêm TEC thể hiện biến thiên mùa rõ rệt, đạt hai cực đại vào
thời kỳ phân điểm hàng năm: xuân phân (tháng 3-4) và thu phân (tháng 9-10) và
cực tiểu vào những tháng mùa đông và mùa hè.
- Giá trị nồng độ điện tử biến đổi theo hoạt động của mặt trời, trong pha hoạt
động mặt trời đi xuống cực đại xuân phân cao hơn cực đại thu phân, trong pha hoạt
động mặt trời đi lên thì ngược lại cực đại xuân phân thấp hơn cực đại thu phân.
- Vị trí vĩ độ đỉnh dị thường khu vực Việt Nam dao động trong khoảng từ 170
đến 200 vĩ độ địa lý và vị trí này cũng phụ thuộc vào mùa trong năm, ở xa xích đạo
hơn vào những tháng phân điểm và tiến gần xích đạo nhất vào những tháng mùa
đông. Biên độ của đỉnh dị thường gia tăng theo hoạt động mặt trời nhưng vị trí đỉnh
102
dị thường dường như không thể hiện sự phụ thuộc vào mức độ hoạt động mặt trời.
103
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS CHƯƠNG 4. ĐẶC TRƯNG XUẤT HIỆN NHẤP NHÁY ĐIỆN LY KHU VỰC
VIỆT NAM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ LÊN TÍN HIỆU VỆ TINH GPS
Khi tín hiệu vệ tinh GPS truyền qua một vùng nhiễu loạn mật độ điện tử
trong tầng điện ly có thể chịu một sự dao động nhanh về biên độ và pha của tín
hiệu, hiện tượng này được gọi là nhấp nháy điện ly. Nhấp nháy thường gây ra sự
suy giảm tín hiệu thu nhận, và đôi khi gây ra hiện tượng mất tín hiệu, trượt vòng
pha… Công nghệ GPS phát triển đã cung cấp một cách đơn giản và hữu hiệu để
nghiên cứu các biến đổi về không gian và thời gian của nhiễu loạn điện ly gây ra
nhấp nháy trên tín hiệu radio. Trong chương này, chúng tôi sẽ giới thiệu một số đặc
trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam, sử dụng dao động pha tín hiệu
GPS chỉ ra hoạt động nhiễu loạn điện ly trong khu vực và ảnh hưởng của nó lên tín
hiệu vệ tinh GPS.
4.1 Thiết bị và phương pháp nghiên cứu
4.1.1 Thiết bị
Thiết bị theo dõi nhấp nháy điện ly (ISM – Ionospheric Scintillation
Monitor) hiện nay chủ yếu là máy thu GPS một tần số hoặc hai tần số được chế tạo
đặc biệt để thăm dò các mức nhấp nháy điện ly trong thời gian thực. Thiết bị ISM
có vòng lặp tự hiệu chỉnh dải rộng để duy trì trạng thái hoạt động lâu hơn trong
khoảng thời gian có xuất hiện nhấp nháy điện ly mạnh và có tốc độ chuẩn là 50 Hz
để tính giá trị biên độ nhấp nháy S4 và pha nhấp nháy Ф. Mục đích chính của máy
ISM là thu thập các thông số nhấp nháy điện ly (S4 và Ф) đối với tất cả các vệ tinh
GPS nhìn thấy và được lưu trữ dưới dạng tệp nhị phân trong ổ cứng máy thu để tiến
hành xử lý. Phần mềm điều khiển của ISM có thể được lập để thu thập số liệu nhị
phân và cung cấp số liệu đầu ra ở tất cả các thời điểm quan sát. Ba máy thu GPS ở
Việt Nam là loại máy thu hai tần số GSV4004 được chế tạo theo nguyên lý chuẩn
để thu thập số liệu về TEC và nhấp nháy điện ly (GISTM – GPS Ionospheric
Scintillation & TEC Monitor) đối với tất cả các vệ tinh nhìn thấy. Do đó các thông
tin về nhấp nháy được cung cấp từ số liệu đầu ra của phần mềm.
103
4.1.2 Phương pháp nghiên cứu
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS
Có nhiều cách để đánh giá cường độ nhấp nháy điện ly, nhưng đại lượng
thường được dùng nhất là chỉ số biên độ nhấp nháy điện ly (S4) và chỉ số pha nhấp
nháy điện ly (Ф). Đã có một số công trình trình nghiên cứu chỉ ra tính rủi ro khi
dùng chỉ số nhấp nháy pha để nghiên cứu nhấp nháy [27, 43] do chỉ số này bị tác
động nhiều bởi các yếu tố đa đường truyền, nhiễu pha máy thu, trượt vòng dưới
điều kiện nhấp nháy, độ trải rộng pha do trôi dạt Doppler…Bởi vậy, chỉ số nhấp
nháy biên độ thường được các tác giả sử dụng nghiên cứu hơn là chỉ số nhấp nháy
pha. Do vậy trong khuôn khổ luận án, chúng tôi lựa chọn tham số biên độ nhấp
nháy để nghiên cứu đặc trưng xuất hiện nhấp nháy cho khu vực Việt Nam.
Phương pháp tính biên độ nhấp nháy cũng đã được đề cập bởi các tác giả
trên thế giới [41, 42, 93, 94, 95], được rút ra từ cường độ của tín hiệu thu nhận từ vệ
tinh. Chỉ số nhấp nháy biên độ thường được tính trong khoảng thời gian 60 giây và
đo đạc tại dải tần số L được xác định theo công thức sau [41]:
(4.1)
trong đó S4T là biên độ nhấp nháy tổng, I là cường độ tín hiệu vệ tinh và là giá
trị cường độ trung bình trong khoảng thời gian 60 giây.
Biên độ nhấp nháy xác định được trong phương trình (4.1) còn bao hàm cả
giá trị gây bởi nhiễu môi trường xung quanh cần phải được loại bỏ. Nhiễu trong
phương trình (4.1) có thể loại bỏ bằng cách đánh giá tỷ số tín hiệu/nhiễu (C/N0)
trung bình trong khoảng thời gian 60 giây. Nếu tỷ số tín hiệu/nhiễu đã biết thì yếu
tố nhấp nháy cho là gây bởi nhiễu được xác định như sau [41]:
(4.2)
trong đó C/No là tỷ số tín hiệu/nhiễu trung bình trong khoảng thời gian 60 giây và
S4No là biên độ nhấp nháy do nhiễu xung quanh gây ra.
Lấy giá trị biên độ nhấp nháy tổng trong phương trình (4.1) trừ đi biên độ
nhấp nháy do nhiễu trong phương trình (4.2) ta sẽ thu được biên độ nhấp nháy được
104
cho là gây bởi tầng điện ly như sau:
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS
(4.3)
Biên độ nhấp nháy S4 là một đại lượng không thứ nguyên và cũng được đánh giá
trong khoảng thời gian 60 giây. Người ta thường phân chỉ số này thành 3 mức đó là
mạnh, trung bình và yếu. Nhấp nháy mạnh được xem là xuất hiện khi chỉ số S4 ≥ 0,6
và liên quan đến sự tán xạ mạnh của tín hiệu khi truyền qua tầng điện ly. Dưới mức
này thì được cho là nhấp nháy trung bình và yếu. Về lý thuyết với mức nhấp nháy
có biên độ S4 < 0,3 thì gần như không có ảnh hưởng đáng kể lên tín hiệu vệ tinh
GPS.
Cũng cần phải nói thêm rằng ngoài yếu tố gây bởi nhiễu ảnh hưởng đến giá
trị biên độ nhấp nháy còn có các yếu tố khác ảnh hưởng đến giá trị biên độ này như:
ảnh hưởng của tầng khí quyển, tán xạ của hơi nước và đặc biệt là hiệu ứng đa
đường truyền. Các yếu tố ảnh hưởng này thường gia tăng tại các góc nhìn vệ tinh
bé, vì vậy chúng tôi giới hạn góc nhìn lớn hơn 200 trong chương trình tính cho tất cả
các vệ tinh nhìn thấy. Giới hạn góc nhìn này có thể làm giảm số lượng vệ tinh quan
sát nhưng cho phép chúng ta loại bỏ được đáng kể những ảnh hưởng không phải do
bởi tầng điện ly. Trong thực tế giới hạn góc nhìn này không thể loại bỏ hết được
yếu tố đa đường truyền mà yếu tố đa đường truyền lại đóng vai trò đáng kể trong
giá trị biên độ nhấp nháy tính được. Bản thân vấn đề đa đường truyền đã là một vấn
đề nghiên cứu phức tạp, phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố môi trường nơi đặt máy thu.
Do vậy, khi nghiên cứu nhấp nháy điện ly bằng các máy thu loại GSV4004 người ta
phải sử dụng thêm một giới hạn lọc các giá trị S4 gây bởi tín hiệu đa đường truyền
được xác định như sau [97]:
min = 0,652. S4 – 0,125 (4.4)
trong đó S4 là biên độ nhấp nháy tính được từ công thức (4.3), min là giới hạn phân
tách giữa nhấp nháy điện ly và nhấp nháy gây bởi tín hiệu đa đường truyền. Giới
hạn lọc này được minh hoạ trên hình 4.1.
Tham số độ lệch chuẩn của độ lệch code/carrier (ccd ) đặc trưng cho mức độ
105
xuất hiện tín hiệu đa đường truyền cũng được máy thu GSV4004 thu thập. Các giá
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS trị S4 thu được ứng với tín hiệu có
min được cho là biên độ nhấp nháy điện ly
còn ngược lại là bị gây bởi các tín hiệu đa đường truyền cần được loại bỏ. Như ở
hình 4.1, những giá trị S4 nằm phía dưới đường giới hạn thì được cho là biên độ
nhấp nháy, những giá trị nằm phía trên đường này sẽ do tín hiệu đa đường truyền
gây ra và bị loại bỏ trong chương trình tính. Việc sử dụng phép lọc này sẽ loại bỏ tất
cả các giá trị nhấp nháy yếu có biên độ S4 < 0,2, do đó đối với các nhấp nháy yếu
gây bởi tầng điện ly cũng bị loại bỏ theo giới hạn này. Xét về khía cạnh truyền sóng
radio thì việc bỏ qua các nhấp nháy điện ly biên độ yếu sẽ không ảnh hưởng đến kết
quả nghiên cứu do các nhấp nháy điện ly yếu có biên độ nhỏ hơn 0,2 thường không
có ảnh hưởng đáng kể nào lên việc truyền tín hiệu vệ tinh GPS.
a) b)
Hình 4.1, Giới hạn lọc biên độ nhấp nháy tương ứng với hai trường hợp tại trạm
Huế: a) Môi trường không có nhấp nháy và b) Môi trường có nhấp nháy
4.2 Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy theo thời gian trong ngày
Áp dụng phương pháp nghiên cứu nhấp nháy ở trên, chúng tôi tiến hành tính
toán và nghiên cứu thống kê sự xuất hiện nhấp điện ly khu vực Việt Nam. Hình 4.2
là kết quả thống kê sự xuất hiện nhấp nháy theo thời gian ngày đêm trên tất cả các
đường vệ tinh nhìn thấy với góc nhìn lớn hơn 20o trong giai đoạn từ năm 2006 đến
2010 ở cả ba trạm Hà Nội, Huế và Tp Hồ Chí Minh. Kết quả cho thấy nhấp nháy
chủ yếu xuất hiện vào khoảng thời gian ban đêm (từ 20h đêm đến 2h sáng ngày
hôm sau), tập trung nhiều vào khoảng thời gian trước nửa đêm và rất ít khi xuất
106
hiện vào thời gian ngày.
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS
Hình 4.2, Đặc trưng xuất hiện theo thời gian trong ngày của nhấp nháy trong giai
đoạn 2006 – 2010 trên cả ba trạm Hà Nội, Huế và Tp Hồ Chí Minh.
Để lý giải cho hiện tượng quan sát thấy ở trên, chúng ta sẽ tìm hiểu về quá
trình vật lý phát sinh nhấp nháy điện ly trong vùng xích đạo như sau: Vào thời gian
sau khi Mặt Trời lặn, mật độ plasma và động học điện trường trong vùng E giảm,
đồng thời đỉnh dị thường điện ly mất dần, trong khi đó tại thời gian này động học
điện trường bắt đầu phát triển trong vùng F. Dưới tác dụng của thành phần điện
trường hướng đông tăng lên bất thường trước khi đảo chiều đổi sang hướng tây
(PRE), lớp F khu vực xích đạo từ được nâng lên độ cao lớn hơn nơi có mật độ
plasma thấp và sự va chạm plasma hiếm xảy ra. Vùng gradient nồng độ điện tử
dương tính của đáy lớp F tăng lên nhanh chóng làm cho vùng điện ly trở nên mất ổn
định và hỗn loạn dẫn tới sự tăng trưởng bọng plasma. Trạng thái này gọi là trạng
thái bất ổn định Rayleigh-Taylor và là nguyên nhân phát sinh các dị thường mật độ
trong tầng điện ly vùng xích đạo. Sự phát triển không tuyến tính của các bất ổn định
này dẫn đến sự hình thành các vùng suy giảm điện ly lớn, hiện tượng này thường
quan sát thấy trong vùng điện ly xích đạo và gọi là bọng plasma (plasma bubble)
[23, 34, 73]. Bằng các kỹ thuật khác nhau người ta quan trắc thấy kích thước nhiễu
loạn có thể từ hàng chục centimét tới hàng trăm kilômét. Các gradient trên các gờ
107
suy giảm mật độ phát sinh các nhiễu loạn tỷ lệ nhỏ, đây chính là nguyên nhân gây
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS ra các nhấp nháy biên độ trên tín hiệu vệ tinh truyền trong vùng xích đạo vào thời
gian ban đêm và ghi nhận được trên máy thu GPS như được chỉ ra ở trên.
4.3 Đặc trưng xuất hiện theo mùa và theo mức độ hoạt động mặt trời
Để tìm hiểu đặc trưng xuất hiện theo mùa của nhấp nháy điện ly, chúng tôi
tiến hành thống kê sự xuất hiện nhấp nháy cho chuỗi số liệu từ 2006 đến 2011. Kết
quả được biểu thị dạng cột, phân theo tháng trong năm và chia theo độ lớn của biên
độ nhấp nháy với bước chia 0,1 như được chỉ ra trên hình 4.3.
Kết quả quan sát cho thấy trong mỗi năm sự xuất hiện của nhấp nháy thể
hiện biến thiên theo mùa rõ rệt: nhấp nháy xuất hiện chủ yếu vào thời kỳ phân điểm
(tháng 3-4 và tháng 9-10) trong năm và rất ít khi xuất hiện vào các tháng mùa hè và
mùa đông. Đặc trưng xuất hiện theo mùa của nhấp nháy điện ly tại Việt Nam cũng
phù hợp với kết quả quan sát đã được công bố trước đây khi nghiên cứu cho các
trạm khác trong khu vực [16, 34, 73]. Đặc trưng xuất hiện theo mùa của nhấp nháy
điện ly cũng gần như đặc trưng biến thiên theo mùa của nồng độ điện tử tổng cộng
như đã được chỉ ra trong chương 3 của luận án.
Tần suất xuất hiện nhấp nháy điện ly rất khác nhau ở mỗi năm, thể hiện sự
phụ thuộc mạnh vào mức độ hoạt động của Mặt Trời, nhấp nháy xuất hiện nhiều
hơn khi Mặt Trời hoạt động mạnh như được chỉ ra trên hình 4.4. Vào năm 2007,
2008 và 2009 là thời điểm Mặt Trời hoạt động cực tiểu nên nhấp nháy xuất hiện rất
ít và chủ yếu là nhấp nháy biên độ yếu, hầu như không có xuất hiện nhấp nháy
mạnh (S4 > 0,6). Vào năm 2006 và 2010 Mặt Trời hoạt động tăng hơn, số liệu thống
kê cũng cho thấy nhấp nháy xuất hiện nhiều hơn năm 2007, 2008 và 2009. Đến năm
2011, là pha đi lên của hoạt động Mặt Trời, nhấp nháy xuất hiện nhiều hơn hẳn
những năm trước đó cả về tần suất lẫn độ lớn trên cả ba trạm thu ở Việt Nam. Đặc
trưng này là phù hợp với các kết quả đã công bố trước đây bởi các tác giả trên thế
giới về sự phụ thuộc vào hoạt động Mặt Trời của nhấp nháy khi nghiên cứu cho các
trạm khác nhau ở khu vực xích đạo: Basu et al., [23] nghiên cứu cho vùng Châu
Mỹ; Rama Rao et al., [73] nghiên cứu cho vùng Ấn Độ; Cervera et al., [34] nghiên
108
cứu cho vùng Đông Nam Á.
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS
Hình 4.3, Thống kê sự xuất hiện nhấp nháy theo từng tháng trong năm và theo độ lớn tại
Hà Nội (trái), Huế (giữa) và Tp Hồ Chí Minh (phải) trong giai đoạn 2006-2011
109
a)
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS
b)
Hình 4.4, Số vết đen mặt trời và sự xuất hiện nhấp nháy theo hai mức độ lớn tại Hà
Nội, Huế và TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2006-2011.
Để tìm hiểu mối liên hệ của sự xuất hiện nhấp nháy điện ly với mức độ hoạt
động từ, chúng tôi xem xét trong hai trường hợp là trận bão từ ngày 11/10/2010 và
110
ngày 24-25/10/2011. Mỗi trường hợp, chúng tôi đều sử dụng số liệu 5 ngày quan sát
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS liên tục trước và sau ngày xẩy ra bão từ. Trên mỗi hình đều biểu diễn đường cong
biến thiên của thành phần nằm ngang H của trường địa từ quan sát được tại Phú
Thụy, chỉ số Dst và kết quả thống kê sự xuất hiện nhấp nháy theo mỗi khoảng thời
gian là 3 giờ trên cả khu vực Việt Nam. Chỉ số Dst được tải về từ trang web của
trung tâm số liệu quốc tế WDC-2, tại địa chỉ: http://swdcwww.kugi.kyoto-u.ac.jp,
chuỗi số liệu có khoảng cách giữa hai giá trị là 1 giờ được chúng tôi nội suy thành
chuỗi số liệu theo từng phút để tiện so sánh.
Hình 4.5, Biến thiên của thành phần nằm ngang H của trường địa từ tại Phú Thụy,
chỉ số Dst và kết qủa thống kê sự xuất hiện nhấp nháy khu vực Việt Nam trong trận
bão từ ngày 11/10/2010 với các mũi tên chỉ thời điểm bắt đầu của pha đầu, pha
chính và pha hồi phục của bão.
Đối với trận bão từ ngày 11/10/2010 (hình 4.5), đây không phải là trận bão từ
mạnh, chỉ số Dst suy giảm cực đại chỉ đạt khoảng -80 nT. Từ thành phần nằm
ngang H và chỉ số Dst chúng ta có thể thấy biểu hiện rõ rệt các pha của trận bão
này: bão từ bắt đầu bất ngờ vào khoảng 4hUT ngày 11/10 khi thành phần trường từ
nằm ngang H tăng lên đột ngột, kế tiếp là pha chính của bão kéo dài trong thời gian 111
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS từ 7 đến 18h00 UT khi thành phần H và chỉ số Dst bắt đầu suy giảm và đạt đến giá
trị cực tiểu, tiếp đến là pha hồi phục kéo dài trong những ngày tiếp theo, ngày 14/10
giá trị Dst trở về mức ngày 10/10 nên có thể coi như là cơn bão đã kết thúc, và các
ngày 10/10 và 14/10 có thể coi là ngày tương đối yên tĩnh từ. Từ kết quả thống kê
sự xuất hiện nhấp nháy trong những ngày này cho thấy: vào ngày xẩy ra bão từ có
sự gia tăng hoạt động nhấp nháy (11/10) ở pha chính của bão, và tiếp tục xuất hiện
với tần xuất yếu hơn trong pha hồi phục (12/10) so với các ngày còn lại.
Để làm rõ hơn phản ứng của tầng điện ly trong thời gian bão từ, chúng tôi sử
dụng thêm số liệu của 3 trạm thu GPS trong khu vực (KUNM (25°01’44’’,
102°47’49’’); NTUS (1°20’45’’, 103°40’48’’); BAKO (-6°29’28’’, 106°50’56’’))
để biểu diễn sự biến đổi của TEC ở hai đỉnh dị thường điện ly trong thời gian trận
bão từ này, kết quả được chỉ ra trên hình 4.6.
Hình 4.6, Biến đổi của TEC theo vĩ độ và theo thời gian từ ngày 10 đến 14/10/2010.
Khoảng cách giữa các đường đẳng trị là 5 TECu.
Hình 4.6 biểu diễn bản đồ phân bố TEC theo vĩ độ và thời gian trong ngày
của 2 đỉnh dị thường điện ly xích đạo từ ngày 10 đến ngày 14/10/2010. Kết quả
quan sát cho thấy có sự thay đổi rõ rệt về vị trí và giá trị của đỉnh dị thường trong
thời gian bão từ: vào ngày xẩy ra bão từ (11/10), giá trị của TEC gia tăng và hai
đỉnh dị thường dịch chuyển ra xa xích đạo hơn so với ngày trước đó (10/10), ngày
tiếp theo (12/10) nằm trong pha hồi phục của bão, giá trị TEC của đỉnh dị thường bị
suy giảm một chút và co lại về gần xích đạo hơn, các ngày tiếp theo (13/10, 14/10)
112
đỉnh dị thường gia tăng và dần trở lại trạng thái ban đầu. Vấn đề về ảnh hưởng của
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS bão từ tới vùng dị thường điện ly xích đạo có thể tham khảo trong bài báo của Lê
Huy Minh và nnk, [11]. Do năm 2010 là năm Mặt Trời vẫn còn hoạt động yếu (số
vết đen trung bình trong tháng 10 chỉ đạt giá trị 20), phân bố TEC cũng cho thấy,
giá trị TEC trong thời gian này là thấp, cực đại của đỉnh dị thường trong những
ngày này chỉ đạt tới 55 đến 60 TECU và duy trì trong khoảng thời gian từ 6 đến
8hUT, vậy nên hoạt động nhấp nháy điện ly thời gian này rất ít do có mối liên hệ tỷ
lệ thuận giữa mật độ điện tử và sự xuất hiện nhấp nháy điện ly [16, 65], các ngày
trước bão từ (10/10) và sau bão (13/10 và 14/10) hầu như không quan sát thấy có sự
xuất hiện nhấp nháy.
Hình 4.7, Biến thiên của thành phần nằm ngang H của trường địa từ tại Phú Thụy,
chỉ số Dst và kết qủa thống kê sự xuất hiện nhấp nháy khu vực Việt Nam trong trận
bão từ ngày 24-25/10/2011 với các mũi tên chỉ thời điểm bắt đầu của pha đầu, pha
chính và pha hồi phục của bão.
Đối với trận bão từ bắt đầu bất ngờ ngày 24-25/10/2011 (hình 4.7), ta có thể
thấy rằng đây là một trận bão từ mạnh, chỉ số Dst suy giảm đến -140 nT. Bão từ bắt
đầu bất ngờ vào khoảng 18hUT ngày 24/10 (01hLT sáng ngày 25/10) và pha chính 113
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS của bão kéo dài khoảng 4 tiếng khi giá trị thành phần H đạt cực tiểu vào 1hUT
(08hLT) ngày 25/10, tiếp đến là pha hồi phục kéo dài trong những ngày tiếp theo
sau của bão (ngày 25, 26 và 27/10). Ngược với kết quả thống kê sự xuất hiện nhấp
nháy trong trận bão từ trước (11/10/2010), kết quả trong trường hợp này cho thấy
nhấp nháy xuất hiện hầu hết các ngày với cường độ khác nhau, ngoại trừ ngày bị
ảnh hưởng trực tiếp của bão từ (pha chính và hồi phục – ngày 25/10/2011) lại không
quan sát thấy nhấp nháy xuất hiện. Hình 4.8 là bản đồ phân bố TEC theo vĩ độ và
thời gian trong ngày của 2 đỉnh dị thường điện ly xích đạo từ ngày 23 đến
27/10/2011.
Hình 4.8, Biến đổi của TEC theo vĩ độ và theo thời gian từ ngày 23 đến 27/10/2011.
Khoảng cách giữa các đường đẳng trị là 5 TECu.
Khác với phân bố TEC trong hình 4.7, biên độ đỉnh dị thường trong những
ngày này khá lớn, giá trị đỉnh dị thường đạt tới 90 đến 100 TECu và mở rộng cả về
thời gian và vĩ độ. Trong hầu hết các ngày, đỉnh dị thường mở rộng và duy trì giá trị
TEC cao ngay cả khoảng thời gian vài giờ sau khi Mặt Trời lặn (12 đến 16hUT)
đỉnh dị thường vẫn tồn tại với giá trị TEC cao. Riêng ngày bão từ (25/10), do bị tác
động của bão từ, sự phát triển của đỉnh dị thường khác hơn so với các ngày còn lại,
đỉnh dị thường dịch chuyển một chút về phía xích đạo và thu hẹp về thời gian,
không có sự tồn tại rõ rệt của đỉnh dị thường vào những giờ sau khi Mặt Trời lặn
như các ngày khác. Năm 2011 là năm Mặt Trời hoạt động mạnh lên, số vết đen
trung bình tháng 10 đạt giá trị là 96, cao hơn nhiều thời điểm 10/2010, giá trị TEC
114
trong tầng điện ly tại đây cũng gia tăng mạnh, do đó hoạt động nhấp nháy sẽ thường
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS xuyên xuất hiện, đấy là lý do ta quan sát thấy nhấp nháy xuất hiện ở hầu hết những
ngày này.
Để giải thích cho sự gia tăng nhấp nháy trong ngày bão từ 11/10/2010 và sự
suy giảm nhấp nháy trong ngày bão 25/10/2011 so với các ngày trước và sau bão từ,
chúng ta hãy tìm hiểu cơ chế phát sinh hiện tượng này như sau: Có hai nguồn điện
trường có thể ảnh hưởng tới hiệu ứng vòi phun xích đạo trong thời gian bão từ đó là
sự thâm nhập trực tiếp của điện trường có nguồn gốc từ quyển xuống tầng điện ly
và sự hình thành dynamo nhiễu loạn điện ly sau khi vùng cực bị đốt nóng trong thời
gian bão từ [82]. Trong pha chính của bão, trường từ giữa các hành tinh là hướng về
phía Nam, tương tác của trường từ giữa các hành tinh hướng nam và gió mặt trời
làm xuất hiện điện trường bình minh sang phía hoàng hôn tác dụng trực tiếp vào
tầng điện ly vùng cực (hình 4.9).
Hình 4.9, Sự thâm nhập của điện trường có nguồn gốc từ quyển xuống tầng điện ly.
Điện trường này thâm nhập trực tiếp xuống tầng điện ly xích đạo vào ban ngày dẫn
đến sự tăng hiệu ứng vòi phun plasma xích đạo. Plasma được nâng lên sau đó
khuếch tán dọc theo đường sức từ trường làm gia tăng nồng độ điện tử tổng cộng ở
115
các vùng vĩ độ cao hơn ở cả hai phía xích đạo và vùng đỉnh dị thường trong pha
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS chính cũng bị dãn ra như được quan sát thấy trong biến đổi TEC ngày 11/10/2010
so với các ngày bình thường. Sự gia tăng hiệu ứng vòi phun trong ngày này sẽ làm
tăng quá trình động học trong vùng F xích đạo ở điều kiện bình thường vào giai
đoạn sau khi Mặt Trời lặn [17, 82]. Sự gia tăng điện trường hướng đông làm dịch
chuyển thẳng đứng của plassma điện ly gia tăng và nhấp nháy cũng gia tăng
trong pha chính của bão ngày 11/10/2010. Trong thời gian bão từ, sự đốt nóng của
vùng cực làm xuất hiện gió nhiệt quyển thổi về phía xích đạo hình thành dynamo
nhiễu loạn điện ly tạo nên hai xoáy dòng như chỉ ra trên hình 2.11 [31]. Xoáy dòng
nhiễu loạn và điện trường liên quan ở vùng vĩ độ thấp có hướng ngược với hướng
của dòng Sq bình thường, kết quả là cường độ điện trường tổng hợp sẽ bị giảm đi,
kéo theo sự suy giảm của hiệu ứng vòi phun xích đạo, do đó đỉnh dị thường trong
ngày này thường suy giảm và dịch chuyển về gần xích đạo hơn như được quan sát
thấy trong phân bố TEC ngày 12/10/2010 và ngày 25/10/2011. Do sự suy giảm của
hiệu ứng vòi phun gây bởi sự suy giảm phát triển điện trường hướng đông gần với
thời điểm Mặt Trời lặn, điều đó ngăn cản sự hình thành các mảng nhiễu loạn do đó
nhấp nháy trong ngày 12/10/2010 bị suy giảm đi so với ngày 11/10/2010 hoặc bị
ngăn cản hoàn toàn như trong ngày 25/10/2011.
Đã có một số nghiên cứu thống kê về ảnh hưởng của bão từ lên khả năng
xuất hiện nhấp nháy vùng xích đạo và vùng vĩ độ thấp [17, 54, 57, 82, 93]. Theo
Abdu, [17], khi pha chính của bão từ xuất hiện vào thời gian ban ngày thì hiệu ứng
dynamo nhiễu loạn điện ly sẽ làm suy giảm sự phát triển điện trường hướng đông
gần với thời điểm Mặt Trời lặn và do đó ngăn cản sự phát triển của bọng plasma và
làm suy giảm nhấp nháy. Hay Tiwari et al., [82] đã chỉ ra các pha khác nhau của
bão từ sẽ ảnh hưởng lên sự phát sinh và phát triển nhiễu loạn điện ly khác nhau và
tác giả đã phân ra ba loại bão từ trong mối liên hệ giữa bão từ và hoạt động nhấp
nháy trong vùng xích đạo. Và trong hai trường hợp bão từ đề cập ở đây cũng cho
thấy phần nào tác động của bão từ lên hoạt động của nhấp nháy điện ly tại vùng
xích đạo Việt Nam. Bão từ có thể làm gia tăng hoạt động nhấp nháy hay làm suy
116
giảm hoạt động nhấp nháy phụ thuộc vào sự thâm nhập của điện trường và sự tác
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS động của hiệu ứng dynamo nhiễu loạn điện ly sẽ làm gia tăng hay suy giảm điện
trường hướng đông vào giai đoạn sau khi Mặt Trời lặn.
4.4 Đặc trưng xuất hiện theo không gian
Để nghiên cứu phân bố theo không gian chúng tôi tiến hành tính toán và biểu
diễn biên độ nhấp nháy xuất hiện theo đường vệ tinh cho cả khu vực Việt Nam
trong từng năm từ số liệu ba trạm thu GPS có được. Để làm được việc này, các giá
trị S4 trên mỗi đường vệ tinh phải được tính ra tọa độ (kinh độ, vĩ độ) tương ứng
trên độ cao được lấy là 400 km của mô hình lớp đơn. Kết quả được chỉ ra trên hình
4.10, hình 4.11, hình 4.12, hình 4.13, hình 4.14 và hình 4.15 tương ứng với năm
2006, 2007, 2008, 2009, 2010 và 2011.
Hình 4.10, Phân bố thống kê nhấp nháy xuất hiện theo không gian khu vực Việt
117
Nam và lân cận năm 2006.
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS
Hình 4.11, Phân bố thống kê nhấp nháy xuất hiện theo không gian khu vực Việt
Nam và lân cận năm 2007.
Hình 4.12, Phân bố thống kê nhấp nháy xuất hiện theo không gian khu vực Việt
118
Nam và lân cận năm 2008.
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS
Hình 4.13, Phân bố thống kê nhấp nháy xuất hiện theo không gian khu vực Việt
Nam và lân cận năm 2009.
Hình 4.14, Phân bố thống kê nhấp nháy xuất hiện theo không gian khu vực Việt
119
Nam và lân cận năm 2010.
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS
Hình 4.15, Phân bố thống kê nhấp nháy xuất hiện theo không gian khu vực Việt
Nam và lân cận năm 2011.
Từ hình 4.10 đến hình 4.15 biểu diễn phân bố không gian của sự xuất hiện
nhấp nháy điện ly cho từng năm số liệu trong khu vực Việt Nam và lân cận. Các
đường vệ tinh được vẽ tại điểm cắt tầng điện ly và với mức độ nhấp nháy được phân
định theo thang mầu bên phải hình vẽ. Các chấm tròn đen biểu thị vị trí trạm quan
sát. Nhìn vào phân bố không gian này ta nhận thấy rằng với số liệu thu được từ 3
trạm thu GPS hiện có, ta có thể nghiên cứu được một vùng từ 30 -> 270 vỹ độ địa lý
và từ 980 -> 1150 kinh độ. Nhấp nháy xuất hiện rải rác trên khắp lãnh thổ Việt Nam,
xuất hiện rất ít vào năm Mặt Trời hoạt động cực tiểu 2007, 2008 và 2009, xuất hiện
gia tăng mạnh vào năm Mặt Trời hoạt động mạnh 2011.
Hình 4.16 là phân bố thông kê sự xuất hiện nhấp nháy theo vĩ độ cho toàn bộ
số liệu 2006-2011 cho thấy rằng sự xuất hiện của nhấp nháy biến đổi rõ rệt theo vĩ
độ, xuất hiện ít nhất ở xích đạo từ (vĩ độ 8oN) và tập trung nhiều tại khoảng vĩ độ từ
14o-21oN. Ở chương trước hình 3.26c cho chúng ta rằng vị trí vĩ độ đỉnh dị thường
điện ly xích đạo trung bình tháng dao động trong khoảng 17o-21oN, điều này cho
thấy vùng đỉnh dị thường điện ly xích đạo là vùng nhấp nháy xuất hiện nhiều. Nhấp
120
nháy biên độ mạnh (S4 ≥ 0,6) xuất hiện ít và trải dài trong khoảng vỹ độ từ 140 đến
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS 250, đây cũng thuộc vùng đỉnh dị thường điện ly xích đạo và thường quan sát thấy
từ trạm Hà Nội và trạm Huế. Như đã trình bầy ở trên vào giai đoạn sau khi Mặt Trời
lặn, sự suy giảm của đỉnh dị thường sẽ gây ra các nhiễu loạn, thăng giáng mạnh của
phân bố điện tử trong vùng này hơn là vùng điện ly ở xa đỉnh dị thường (TP. Hồ
Chí Minh). Kết quả quan sát ở đây cũng phù hợp với các kết quả quan sát đã công
bố trước đây trên thế giới: Valladares et al., [86, 87] nghiên cứu cho vùng kinh
tuyến Nam Mỹ; Rama Rao et al., [73] nghiên cứu cho vùng Ấn Độ.
Hình 4.16, Thống kê xuất hiện nhấp nháy theo vĩ độ từ 2006-2011 trên cả ba trạm
quan sát.
4.5 Sử dụng dao động pha GPS nghiên cứu sự xuất hiện nhiễu loạn điện
ly khu vực Việt Nam
Trước đây để nghiên cứu nhiễu loạn điện ly người ta phải dựa trên các phép
đo từ một trạm hay một nhóm trạm sử dụng các thiết bị rada, vệ tinh hay tên lửa dựa
trên đặc trưng phát sáng của khí. Ngày nay khi hệ thống vệ tinh GPS hoạt động liên
tục với các máy thu tín hiệu GPS hai tần số thì việc thăm dò nghiên cứu nghiễu loạn
điện ly trở nên thuận tiện và dễ dàng hơn dựa trên các dao động pha của tín hiệu
GPS.
Khi tín hiệu GPS truyền qua vùng nhiễu loạn mật độ điện tử trong tầng điện
ly sẽ bị thay đổi nhanh về biên độ và pha của tín hiệu. Các nhiễu loạn gây ra các dao
121
động thăng giáng tỷ lệ nhỏ trong chỉ số khúc xạ và tiếp đến là sự tán xạ (scattering)
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS của mặt sóng, phát sinh các dao động pha dọc theo mặt pha của tín hiệu. Do đó các
dao động pha được quan sát thấy dọc theo đường truyền tín hiệu vệ tinh GPS sẽ
tương ứng với các dao động về TEC trong tầng điện ly. Phương pháp nghiên cứu
nhiễu loạn sử dụng dao động pha GPS đã được đề cập bởi các tác giả trên thế giới
[15, 24, 38, 72, 84, 91].
Dao động của TEC theo thời gian (ΔTEC) được định nghĩa là sự thay đổi TEC giữa
hai lần quan sát và được tính như sau:
(4.5)
i (tj) là dao động TEC tại thời điểm tj của vệ tinh k và máy thu i, và
trong đó ΔTECk
i (tj), TECk
i (tj-1) là giá trị TEC tính từ phép
được tính theo đơn vị TECu/phút; TECk
đo hiệu pha tại thời điểm tj và tj-1 và được tính từ hiệu của phép đo pha trên hai tần
số theo công thức (3.8b) của chương trước:
(3.8b)
L1, L2 là phép đo pha trên tần số f1 và f2, đơn vị là mét ,
là tham số độ lệch pha ban đầu.
Thay các giá trị tần số GPS với f1=1575,42 MHz và f2 = 1227,60 MHz vào
phương trình (3.8b) và kết hợp phương trình (4.5), dao động TEC rút ra từ quan sát
dao động pha được viết lại như sau [80]:
(4.6)
i là phép đo hiệu pha trên hai tần số f1 và f2, tính bằng vòng quay. Các giá trị
Với Фk
dao động TEC chính là tốc độ thay đổi TEC và thường được gán cho một chỉ số có
tên là ROT (Rate Of TEC), chỉ số này đặc trưng cho mức độ dao động hiệu pha
GPS và đặc trưng cho gradient điện ly tại thời điểm quan sát. Chỉ số ROT có đơn vị
là TECu/phút và được tính cho mỗi khoảng thời gian là 30 giây.
Pi et al. [72] đã chỉ ra rằng tại các vĩ độ cao, ở đó vận tốc trôi dạt plasma là
122
cỡ 1km/giây và khi giá trị ROT được tính trong khoảng thời gian là 30 giây thì ROT
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS được gán cho các nhiễu loạn có kích thước lớn hơn 30 km. Đối với vùng vĩ độ trung
bình và thấp, các giá trị dao động ROT thường gây ra bởi các nhiễu loạn có kích
thước nhỏ hơn rất nhiều (vài trăm mét đến 2,5 km) phụ thuộc vào vận tốc trôi dạt
plasma trong khu vực này. Để đồng nhất và xác định được cả các nhiễu loạn có kích
thước nhỏ, bằng rất nhiều thực nghiệm, Pi đã xác định được một chỉ số của tốc độ
thay đổi TEC có tên là ROTI dựa trên độ lệch chuẩn của ROT dùng để nghiên cứu
sự xuất hiện nhiễu loạn điện ly như sau:
(4.7)
trong đó là giá trị trung bình của ROT.
Khoảng thời gian lựa chọn để tính chỉ số ROTI sẽ phản ánh quy mô của hiện
tượng, và nó thường được lấy là 5 phút để sử dụng trong các nghiên cứu sự xuất
hiện bọng plasma và các nhiễu loạn vùng vĩ độ cao [26, 38, 72].
Hình 4.17, Phân bố nhiễu loạn điện ly toàn cầu sử dụng chỉ số ROTI từ các
123
dao động pha GPS trong trận bão từ 10/1/1997 (Pi et al, 1997).
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS
Hiện nay, chỉ số ROTI được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu phân bố
nhiễu loạn điện ly có tính chất khu vực và toàn cầu [38, 72, 84], hay chỉ ra mối liên
hệ giữa chỉ số ROTI và biên độ nhấp nháy nhằm tiến tới xây dựng mô hình dự báo
nhấp nháy điện ly từ các dao động pha tín hiệu GPS [24, 26, 38, 91]. Hình 4.17 là ví
vụ về sử dụng chỉ số ROTI chỉ ra hoạt động nhiễu loạn điện ly toàn cầu trong trận
bão từ 10/1/1997 của Pi et al. [72].
Ba máy thu tín hiệu vệ tinh GPS ở Việt Nam là loại máy thu hai tần số
GSV4004 như đã nêu trong phần trước. Với loại máy này, các giá trị dao động TEC
(ΔTEC) tính từ hiệu pha cũng được tự động tính tại mỗi thời điểm quan sát. Do đó
chúng tôi sẽ sử dụng luôn các giá trị dao động ROT cung cấp bởi số liệu đầu ra của
máy thu để phục vụ nghiên cứu. Tính chỉ số dao động pha ROTI theo công thức
(4.7) và sử dụng chỉ số này, chúng tôi nghiên cứu sự xuất hiện nhiễu loạn điện ly
khu vực Việt Nam từ số liệu ba trạm thu tín hiệu vệ tinh GPS cho hai trường hợp
bão từ đã đề cập ở trên. Hình 4.18 là sơ đồ phân bố dao động pha chỉ ra hoạt động
nhiễu loạn điện ly khu vực Việt Nam và lân cận theo vĩ độ và thời gian trong các
ngày từ 10/10 đến 14/10/2010. Đây là 5 ngày số liệu của trận bão từ ngày
11/10/2010 như đã đề cập ở trên. Đối với ngày trước bão (10/10) và hai ngày sau
bão (13/10,14/10) có từ trường tương đối yên tĩnh, kết quả bản đồ phân bố dao động
pha trong ngày cho thấy gần như không có sự hoạt động của nhiễu loạn trong ngày
này. Ngày xẩy ra bão từ (11/10), có sự xuất hiện gia tăng mạnh của nhiễu loạn so
với ngày trước đó (10/10). Nhiễu loạn tập trung vào khoảng thời gian sau khi Mặt
Trời lặn (18h đến 23h LT) và trong khoảng vĩ độ địa lý từ 140 đến 260. Nhiễu loạn
điện ly xuất hiện trong ngày này với cường độ và độ lớn không mạnh, đa số chỉ số
ROTI < 1 và rất ít trường hợp xuất hiện ROTI > 1, nhưng đã gây ra nhấp nháy trên
khu vực Việt Nam và lân cận (hình 4.5). Sang đến ngày tiếp theo (12/10), từ bản đồ
dao động pha ROTI cho thấy nhiễu loạn cũng xuất hiện trong ngày này nhưng với
tần xuất yếu. Nhiễu loạn xuất hiện tập trung trong khoảng thời gian từ 19h đến
21hLT với cường độ yếu (ROTI < 1) và tập trung trong khoảng vĩ độ hẹp (210 đến
124
240). Mặc dù có xuất hiện nhiễu loạn trong ngày này nhưng với tần xuất và cường
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS độ yếu nên cũng chỉ gây ra một số trường hợp nhấp nháy trên tín hiệu vệ tinh (hình
4.5).
Hình 4.18, Phân bố dao động pha ROTI
( - ROTI < 1; - ROTI ≥1) chỉ ra
sự xuất hiện nhiễu loạn điện ly khu vực
Việt Nam trong 5 ngày 10, 11, 12, 13 và
125
14/10/2010
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS
Hình 4.19, Phân bố dao động pha ROTI
( - ROTI < 1; - ROTI ≥1) chỉ ra sự
xuất hiện nhiễu loạn điện ly khu vực Việt
Nam trong 5 ngày 23, 24, 25, 26 và
27/10/2011
Hai ngày sau bão (13/10, 14/10), khi từ trường trở về trạng thái yên tĩnh, bản
đồ dao động pha cho thấy hầu như không có sự xuất hiện nhiễu loạn trong những
ngày này và cũng không quan sát thấy nhấp nháy xuất hiện (hình 4.5). So sánh hoạt
động nhiễu loạn trong năm ngày trên, ta thấy rõ ràng có sự gia tăng nhiễu loạn trong 126
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS ngày bão từ (11/10) so với các ngày còn lại và nguyên nhân là do sự thâm nhập của
điện trường vùng vĩ độ cao làm gia tăng và nhiễu loạn điện trường trong vùng xích
đạo gây ra sự phát triển không bình thường của bọng plasmas như đã được đề cập ở
phần trước.
Tương tự, Hình 4.19 là sơ đồ phân bố nhiễu loạn điện ly khu vực Việt Nam
và lân cận theo vĩ độ và thời gian trong năm ngày của trận bão từ 24-25/10/2011
tính từ dao động pha GPS. Đối với ngày trước bão từ (23/10), đây cũng được coi là
ngày tương đối yên tĩnh từ. Bản đồ phân bố dao động pha ROTI cho thấy ngày
23/10 cũng xuất hiện nhiễu loạn với tần xuất và cường độ không mạnh trong
khoảng thời gian từ 13hUT đến 17hUT, tập trung trong khoảng vĩ độ địa lý từ 150
đến 260. Sang đến ngày tiếp theo (24/10), sơ đồ phân bố dao động pha ROTI cho
thấy sự gia tăng xuất hiện nhiễu loạn điện ly so với ngày trước đó (23/10). Nhiễu
loạn cũng xuất hiện tập trung trong khoảng thời gian ngay sau khi Mặt Trời lặn
(19hLT đến 24hLT), các giờ khác trong ngày gần như không thấy xuất hiện nhiễu
loạn. Vùng hoạt động của nhiễu loạn điện ly tập trung trong khoảng vĩ độ địa lý từ
160 đến 270 (vùng đỉnh dị thường điện ly xích đạo). Trái ngược với ngày trước đó
(24/10), phân bố dao động pha trong ngày 25/10 không cho thấy sự xuất hiện của
nhiễu loạn điện ly ngay cả giai đoạn sau khi Mặt Trời lặn. Hiện tượng này được cho
là gây ra bởi bão từ và đã được giải thích trong phần mối liên hệ của sự xuất hiện
nhấp nháy điện ly với mức độ hoạt động từ mục 4.3. Hai ngày tiếp theo cũng chỉ ra
sự xuất hiện nhiễu loạn trong khoảng thời gian sau khi Mặt Trời lặn và tập trung
trong khoảng vĩ độ địa lý từ 160 đến 270.
Từ các kết quả quan sát ở trên cho thấy nhiễu loạn điện ly gây ra dao động
pha tín hiệu GPS khu vực Việt Nam chủ yếu xuất hiện vào thời điểm ngay sau khi
Mặt Trời lặn (19 đến 24hLT - khoảng thời gian trước nửa đêm) và tập trung dưới
vùng đỉnh dị thường điện ly xích đạo. Bão từ đã làm gia tăng cường độ xuất hiện
nhiễu loạn (ngày 11/10/2010) hoặc làm suy giảm sự phát triển nhiễu loạn (ngày
25/10/2011) so với các ngày trước và sau bão. Các kết quả quan sát phù hợp với kết
quả đã công bố trước đây của các tác giả khác trên thế giới khi nghiên cứu ảnh
127
hưởng của bão từ trong vùng điện ly xích đạo [17, 54, 57, 82, 93].
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS
4.6 Ảnh hưởng của nhấp nháy điện ly lên quá trình truyền tín hiệu GPS
khu vực Việt Nam
Ở khía cạnh nào đó, nhấp nháy điện ly sẽ làm giảm độ chính xác trong phép
định vị GPS. Biên độ nhấp nháy tác động trực tiếp lên tỷ số tín hiệu/nhiễu (C/N0)
của tín hiệu máy thu GPS gây ra các mức nhiễu trên phép đo pha và khoảng cách,
làm giảm sự chính xác của các phép đo này. Biên độ nhấp nháy mạnh đôi khi có thể
gây ra sự sụt giảm công suất của tín hiệu xuống dưới ngưỡng máy thu và do đó gây
ra sự mất tín hiệu trong thời gian quan sát. Pha nhấp nháy mạnh có thể gây ra sự trôi
dạt Doppler trong tần số của tín hiệu thu nhận và đôi khi có thể gây ra sự mất pha
tín hiệu của máy thu và do đó làm giảm chất lượng của hệ thống dẫn đường vệ tinh
[28, 42, 73]. Mức bình thường của tỷ số C/N0 đối với tín hiệu của tần số L1 là
45dB-Hz, và hiện tượng mất tín hiệu xẩy ra khi tỷ số này giảm xuống dưới 25 dB-
Hz, phụ thuộc vào vòng lặp tự hiệu chỉnh của từng loại máy thu. Khi có ít hơn 4
đường truyền được duy trì tại bất kỳ thời điểm nào sẽ gây ra sự mất tạm thời dịch
vụ cung cấp thông tin định vị [20, 28, 34, 42, 73].
Hình 4.20, Mô hình về ảnh hưởng của nhấp nháy điện ly lên tín hiệu vệ tinh GPS
[http://www.gpsworld.com/gnss-systemsignal-processinginnovation-ionospheric-
128
scintillations-12809/]
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS
Đối với các máy thu GPS hai tần số, các phép đo giả khoảng cách và pha trên
tần số f1 và f2 sẽ được dùng để tính nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly, độ chính
xác của đồng hồ và lịch thiên văn trong suốt đường truyền. Khi bị mất tín hiệu từ
một trong hai tần số sẽ không tính được các giá trị này. Hình 4.21 là một ví dụ về
nhấp nháy gây ra mất tín hiệu trên tần số f2 của vệ tinh thứ 23 trong ngày 5/4/2011
quan sát được tại Hà Nội. Với hình a) là biên độ nhấp nháy trên đường vệ tinh PRN
23 và hình b) là giá trị TEC tương ứng của vệ tinh.
Hình 4.21, Nhấp nháy gây mất tín hiệu trên tần số f2 của vệ tinh thứ 23 trong ngày
5/4/2011 tại Hà Nội.
Chúng ta có thể thấy rằng mặc dù khoảng thời gian từ 12hUT (19hLT) đến
15h45UT (22h45LT) là khoảng thời gian quan sát thấy liên tục vệ tinh PRN 23,
nhưng vào những thời điểm nhấp nháy biên độ mạnh xuất hiện S4 > 0,5 (13h45UT
đến 14h05UT và 14h50UTđến 15h15UT) gây ra hiện tượng mất tín hiệu liên tục
trên tần số f2 và được thể hiện trên đường biến thiên TEC tương ứng của vệ tinh này
(vẫn quan sát được vệ tinh nhưng giá trị TEC không đo được liên tục trong hai
khoảng thời gian có nhấp nháy biện độ mạnh xuất hiện)
Do công suất tín hiệu của tần số f2 GPS nhỏ hơn đáng kể so với công suất tín
hiệu của tần số f1 (~6 dB), và các máy thu GPS hai tần số với mục đích dân sự chỉ
được sử dụng giá trị code đã bị mã hóa đối với tín hiệu f2 làm cho giá trị của tỷ số
129
C/N0 thấp, do đó nhấp nháy điện ly thường tác động nhiều lên tín hiệu f2 GPS hơn là
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS tín hiệu f1. Do đó, trường hợp xẩy ra mất tín hiệu trên máy thu với tín hiệu f2 thường
xuyên hơn tín hiệu f1. Để làm rõ hơn sự ảnh hưởng của nhấp nháy điện ly lên khả
năng mất tín hiệu trên tần số f2, chúng tôi tính và so sánh cho hai trường hợp: ngày
có xuất hiện nhấp nháy và ngày không có nhấp nháy hoặc nhấp nháy yếu (S4 < 0,2)
xuất hiện.
Hình 4.22, Thống kê nhấp nháy theo hai mức độ lớn trong tháng 10/2011 tại Hà
130
Nội, Huế và Tp. Hồ Chí Minh
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS
Hình 4.22 là kết quả thống kê sự xuất hiện nhấp nháy trong ngày theo hai
mức độ lớn: nhấp nháy biên độ mạnh ( ) và nhấp nháy trung bình yếu
(S4<0,6) cho từng trạm quan sát trong tháng 10/2011. Để thực hiện việc này, mỗi
trạm chúng tôi chọn ra 3 ngày tiêu biểu trong tháng 10/2011 có nhấp nháy mạnh
nhất và 3 ngày tiêu biểu không có nhấp nháy hoặc nhấp nháy yếu (S4 < 0,2) xuất
hiện. Trường hợp ngày có nhấp nháy xuất hiện với tần xuất và cường độ mạnh nhất
trong tháng được lựa chọn đối với trạm Hà Nội là ngày 13/10, 17/10 và ngày 24/10,
đối với trạm Huế là ngày 18/10, 24/10 và 27/10, đối với trạm ở Tp. Hồ Chí Minh là
ngày 17/10, 18/10 và 19/10 như được chỉ ra trên hình 4.22. Trường hợp cho ngày
không có nhấp nháy đối với trạm Hà Nội là 4/10, 25/10 và ngày 30/10, đối với trạm
Huế là 11/10, 25/10 và 30/10, tương tự đối với trạm ở Tp. Hồ Chí Minh đó là ngày
4/10, 25/10 và 30/10.
Chúng tôi tiến hành thống kê và tính phần trăm gây mất tín hiệu trên tần số f2
cho hai trường hợp trên, trong khoảng thời gian đêm có sự tập trung nhấp nháy xuất
hiện (19hLT đến 24LT) với tất cả các đường vệ tinh có góc nhìn >200, kết quả được
chỉ ra trong bảng 4.1
Bảng 4.1, Khả năng mất tín hiệu trên tần số f2
% mất tín hiệu trên f2 % mất tín hiệu trên f2
Tên trạm đối với ngày không có đối với ngày có nhấp nháy
nhấp nháy
Hà Nội 7,6 14,6
Huế 3,6 12,1
TP. Hồ Chí Minh 3,4 4,1
Kết quả thống kê cho thấy ngay cả khi trong điều kiện không có nhấp nháy
xuất hiện hoặc nhấp nháy yếu thì khả năng mất tín hiệu trên tần số f2 vẫn hiện hữu
và chiếm một tỷ lệ phần trăm nào đó. Trong trường hợp xem xét ở đây đối với trạm
Hà Nội khả năng mất tín hiệu chiếm 7,6%, đối với trạm Huế khả năng mất này là
3,6% và đối với trạm ở Tp. Hồ Chí Minh là 3,4% trên tổng số tín hiệu thu nhận
trong khoảng thời gian từ 19hLT đến 24hLT của 3 ngày yên tĩnh xem xét tương
ứng. Khả năng mất tín hiệu gia tăng mạnh trong những ngày có nhấp nháy xuất 131
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS hiện, đối với trạm Hà Nội khả năng mất tín hiệu lên đến 14,6%, đối với trạm Huế là
12,1% và đối với trạm ở Tp. Hồ Chí Minh là 4,1 % trên tổng số tín hiệu thu nhận
trong khoảng thời gian từ 19hLT đến 24hLT của 3 ngày nhấp nháy mạnh nhất trong
tháng tương ứng cho từng trạm.
Khi nhấp nháy trên đường truyền đủ mạnh thì đường truyền trở lên không
liên tục và không có giá trị cho việc sử dụng trong lời giải định vị. Nếu số lượng vệ
tinh quan sát được vẫn duy trì lớn hơn 4 thì đối với một máy thu GPS chuẩn vẫn có
thể cung cấp thông tin định vị dẫn đường. Tuy nhiên, số lượng vệ tinh quan sát và
vị trí của nó lại ảnh hưởng đến mức độ chính xác trong phép định vị, và đại lượng
DOP (Dilution of Precision) hay còn được gọi là GDOP (Geometric Dilution of
Precision), thường được dùng để định lượng hóa độ chính xác của phép định vị.
Yếu tố DOP liên quan trực tiếp đến phân bố hình học của chùm vệ tinh nhìn thấy
như chỉ ra trên hình 4.23; việc mất đi mỗi một đường truyền dẫn sẽ làm tăng giá trị
DOP và do đó sẽ ảnh hưởng lên độ chính xác trong phép định vị. DOP được sử
dụng để suy ra sai số định vị từ sai số khoảng cách sử dụng tương đương. Đối với
những máy thu chuyên dụng thường có kèm phần mềm để thông báo các giá trị
DOP và cảnh báo cho người dùng khi thực hiện những phép đo không đảm bảo về
độ chính xác, còn đối với các máy thu GPS thông thường thì không có chức năng
này. Việc đánh giá mức độ của giá trị DOP quyết định đến độ tin cậy trong phép
định vị được chỉ ra trong bảng 4.2 [29, 33].
132
Hình 4.23, DOP và chùm vệ tinh nhìn thấy [GISM technical manual, IEEA, 2007].
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS
Bảng 4.2, đánh giá trị số GDOP trung bình
GDOP Mức đánh giá Mô tả
1-2 Tuyệt vời Đây là mức độ tin cậy cao, các phép định vị được coi
là chính xác, đủ để đáp ứng các yêu cầu có tính chất
nhạy cảm.
2-5 Tốt Đáp ứng ở cấp độ tối thiểu cho các mục đích thương
mại, các phép định vị có thể được dùng cho mục đích
dẫn đường có đủ độ tin cậy.
5-10 Trung bình Phép định vị có thể được sử dụng để tính toán, nhưng
chất lượng không được đảm bảo và vẫn có thể được
hiệu chỉnh để sử dụng.
10-20 Kém Đại diện cho một mức độ tin cậy thấp. Phép định vị
nên được loại bỏ hoặc chỉ nên sử dụng để đưa ra một
ước tính thô về vị trí.
> 20 Rất kém Ở cấp độ này, phép định vị không chính xác và cần
được loại bỏ.
Hiện nay, phần mềm Trimble’s Planning Software cho phép người dùng có
thể tính giá trị GDOP này. Hình 4.24 là kết quả tính giá trị GDOP và số vệ tinh nhìn
thấy trong thời gian từ 12hUT đến 20hUT ngày 24/10/2011 tại 3 trạm thu GPS ở
Việt Nam. Ta thấy rằng giá trị GDOP tăng mạnh theo sự suy giảm của số lượng vệ
tinh nhìn thấy. Tại trạm ở Hà Nội trong ngày 24/10/2011, giá trị GDOP có thể đạt
tới 15 vào khoảng thời gian từ 15h30 đến 16hUT khi số vệ tinh quan sát thấy giảm
còn 5 vệ tinh. Tại trạm Huế và TP. Hồ Chí Minh, giá trị GDOP cao nhất cũng chỉ
đạt giá trị 7 ngay cả khi số lượng vệ tinh quan sát chỉ đạt con số 5 vệ tinh. Theo
thang đánh giá về giá trị GDOP, tại Hà Nội có 2 khoảng thời gian là từ 13h10 đến
13h30UT và từ 15h15 đến 16hUT có giá trị GDOP kém (>10), do đó thông tin định
vị tại đây nên được loại bỏ hoặc chỉ nên sử dụng để đưa ra một ước tính thô về vị
133
trí.
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS
Hình 4.24, Số vệ tinh nhìn thấy và giá trị GDOP ngày 24/10/2011 tại a) Hà Nội, b)
Huế và c) TP. Hồ Chí Minh.
Trong trường hợp môi trường có xuất hiện nhấp nháy điện ly, và nếu tín hiệu
truyền từ một vệ tinh GPS không bị mất thì cũng có thể làm thay đổi mức độ chính
xác trong phép định vị. Do tín hiệu bị dao động trong môi trường nhấp nháy sẽ gây
ra một độ trễ về thời gian khi tới máy thu, và thời gian này lại được dùng để tính
khoảng cách của vệ tinh, do đó sẽ gây ra một lượng sai số trên khoảng cách tính
được. Conker et. al, [40] đã xây dựng mô hình đánh giá ảnh hưởng của nhấp nháy
điện ly lên phép định vị đối với mã L1-C/A có độ dài chip khoảng 293m như sau
[29, 40]:
(4.8)
trong đó: Bn là nhiễu dải rộng có giá trị là 0,1 Hz; d là khoảng trống tương đương
trong C/A chip và có giá trị tiêu biểu trong khoảng 0,1 đến 1; η là tổng thời gian
trước thăm dò, lấy giá trị là 0,02 giây đối với các máy thu GPS; c/n0 = 100.1C/N0, tỷ
số tín hiệu và nhiễu; στ là sai số khoảng cách; và S4 là chỉ số biên độ nhấp nháy.
Cũng cần phải lưu ý rằng mô hình này chỉ áp dụng tính được với biên độ nhấp nháy
134
< 0,704. Đối với trường hợp S4>0,705 được cho là nằm trong ngưỡng gây ra mất tín
Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó lên tín hiệu vệ tinh GPS hiệu vệ tinh hoặc sẽ gây ra sai số khoảng cách vô cùng lớn, do đó cần được loại ra
trước khi đưa vào tính toán.
Áp dụng mô hình trên, chúng tôi tính sai số khoảng cách gây bởi nhấp nháy điện ly
trong ngày 24/10/2011 cho trường hợp d = 0,1, kết quả được chỉ ra trên hình 4.25.
Với các giá trị sai số khoảng cách tương ứng với mức biên độ nhấp nháy trung bình
đo được theo thời gian tại mỗi trạm thu.
Hình 4.25 , Biên độ nhấp nháy trung bình và sai số khoảng cách tương ứng (d= 0,1)
tại a) Hà Nội, b) Huế và c) Tp. Hồ Chí Minh ngày 24/10/2011.
Hình 4.25 cho thấy rằng mức sai số khoảng cách trung bình trong ngày đạt
khoảng 4,5m và gia tăng mạnh khi chỉ số biên độ nhấp nháy > 0,4. Trạm ở Tp. Hồ
Chí Minh, nhấp nháy xuất hiện trong ngày này yếu (< 0,4) và không gây ảnh hưởng
đáng kể nào lên sai số khoảng cách. Đối với trạm Huế, nhấp nháy xuất hiện mạnh
nhất với biên độ đạt được 0,4 số khoảng cách từ 8 đến 11m tại đây. Đối với trạm Hà Nội, nhấp nháy xuất hiện mạnh hơn trạm Huế ( S4) trong khoảng thời gian từ 13h đến 15hUT, gây ra sai số khoảng cách tăng lên từ hàng chục mét đến vài chục mét. Một số kết quả chính thu được khi nghiên cứu nhấp nháy điện ly khu vực 135 Việt Nam có thể tóm tắt như sau: Chương 4. Đặc trưng xuất hiện nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam và ảnh hưởng của nó
lên tín hiệu vệ tinh GPS -Thống kê về sự xuất hiện nhấp nháy điện ly ở khu vực Việt Nam cho thấy nhấp nháy xuất hiện khá thường xuyên, trong ngày nhấp nháy chủ yếu xuất hiện vào thời gian ban đêm trong khoảng 20-24 LT và rất ít khi xuất hiện vào thời gian ngày. - Trong mỗi năm, tần suất xuất hiện nhấp nháy điện ly biến đổi theo mùa, chủ yếu xuất hiện vào thời kỳ phân điểm. Ở khu vực Việt Nam, nhấp nháy xuất hiện xuất hiện tập trung trong vùng đỉnh dị thường điện ly xích đạo, từ vĩ độ 140 đến vĩ độ 250 với cực đại ở khoảng vĩ độ 16o. - Tần suất xuất hiện nhấp nháy biến đổi theo hoạt tính mặt trời, vào những năm Mặt Trời hoạt động mạnh nhấp nháy xuất hiện nhiều hơn, gia tăng cả về tần suất và độ lớn, so với năm Mặt Trời hoạt động yếu. - Mức độ ảnh hưởng của tầng điện ly lên tín hiệu vệ tinh GPS gia tăng vào những tháng phân điểm hàng năm và vào giai đoạn Mặt Trời hoạt động mạnh; vùng phía Bắc nằm dưới đỉnh dị thường có sự tập trung hoạt động nhấp nháy tín hiệu 136 GPS bị tác động mạnh hơn vùng phía Nam lãnh thổ nước ta. Kết luận và Kiến nghị KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trên cơ sở tổng hợp toàn bộ các kết quả nghiên cứu về nồng độ điện tử tổng cộng trong tầng điện ly và ảnh hưởng của tầng điện ly lên quá trình truyền tín hiệu vệ tinh GPS khu vực Việt Nam sử dụng số liệu từ ba máy thu tín hiệu GPS liên tục ở Hà Nội, Huế và TP Hồ Chí Minh đã tiến hành trong luận án cho phép rút ra một số kết luận như sau: 1. Phương pháp xác định độ trễ thiết bị trình bầy trong luận án đã khắc phục được hạn chế trong cách tính độ trễ trước đây, giúp cho việc tính toán được thực hiện nhanh chóng và cho kết quả phù hợp. 2. Ở khu vực Việt Nam, tiến trình ngày đêm của nồng độ điện tử tổng cộng thay đổi liên tục theo thời gian trong ngày, đạt cực đại vào khoảng 14-15 giờ chiều và cực tiểu vào khoảng 5 giờ sáng địa phương với biên độ dao động trung bình tháng trong khoảng từ 5TECu đến 50TECu tương ứng với độ trễ khoảng cách gây ra trên tín hiệu L1 từ 1m đến 8m tùy thuộc vào từng tháng trong năm và vào mức độ hoạt động mặt trời. Biên độ ngày đêm TEC thể hiện biến thiên mùa rõ rệt, đạt hai cực đại vào thời kỳ phân điểm hàng năm: xuân phân (tháng 3-4) và thu phân (tháng 9-10) và cực tiểu vào những tháng mùa đông và mùa hè. Giá trị nồng độ điện tử biến đổi theo hoạt động của mặt trời, trong pha hoạt động mặt trời đi xuống cực đại xuân phân cao hơn cực đại thu phân, trong pha hoạt động mặt trời đi lên thì ngược lại cực đại xuân phân thấp hơn cực đại thu phân. 3. Các bản đồ phân bố TEC theo thời gian và vĩ độ thu được từ số liệu các trạm GPS liên tục tại Hà Nội, Huế và TP Hồ Chí Minh chỉ ra rằng Việt Nam nằm trong vùng dị thường điện ly xích đạo khu vực Đông Nam Á. Vị trí vĩ độ đỉnh dị thường dao động trong khoảng từ 170 đến 200 vĩ độ địa lý và vị trí này cũng phụ thuộc vào mùa trong năm, ở xa xích đạo hơn vào những tháng phân điểm và tiến gần xích đạo nhất vào những tháng mùa đông. Biên độ của đỉnh dị thường gia tăng theo hoạt động mặt trời nhưng vị trí đỉnh dị thường dường như không thể hiện sự phụ thuộc vào mức độ hoạt động mặt trời. 4. Ở khu vực Việt Nam, nhấp nháy điện ly xuất hiện khá thường xuyên, chủ 137 yếu vào thời gian ban đêm trong khoảng 20-24 LT và rất ít khi xuất hiện vào thời Kết luận và Kiến nghị gian ngày. Tần suất xuất hiện nhấp nháy biến đổi theo hoạt tính mặt trời, vào những năm Mặt Trời hoạt động mạnh nhấp nháy xuất hiện nhiều hơn, gia tăng cả về tần suất và độ lớn, so với năm Mặt Trời hoạt động yếu. Trong mỗi năm, tần suất xuất hiện nhấp nháy điện ly biến đổi theo mùa, chủ yếu xuất hiện vào thời kỳ phân điểm. Nhấp nháy xuất hiện tập trung trong vùng đỉnh dị thường điện ly xích đạo từ vĩ độ 140 đến vĩ độ 250 với cực đại ở khoảng vĩ độ 16o. 5. Sử dụng dao động pha tín hiệu GPS hai tần số nghiên cứu hoạt động nhiễu loạn điện ly khu vực Việt Nam cho hai trận bão từ ngày 11/10/2010 và ngày 24- 25/10/2011. Các nhiễu loạn chủ yếu xuất hiện vào thời điểm ngay sau khi Mặt Trời lặn (19h đến 24h LT) và tập trung ở vùng đỉnh dị thường điện ly xích đạo. Kết quả nghiên cứu cho thấy bão từ có thể làm gia tăng cường độ xuất hiện nhiễu loạn và gây ra hoạt động nhấp nháy (ngày 11/10/2010) hoặc ngăn cản sự phát triển nhiễu loạn và do đó làm giảm hoạt động nhấp nháy (ngày 25/10/2011) so với các ngày trước và sau bão phụ thuộc vào thời điểm xuất hiện của bão trong ngày. 6. Mức độ ảnh hưởng của tầng điện ly lên tín hiệu vệ tinh GPS gia tăng vào những tháng phân điểm hàng năm và vào giai đoạn Mặt Trời hoạt động mạnh, vùng phía Bắc nước ta sẽ bị tác động nhiều hơn vùng phía Nam. Kết quả đánh giá ban đầu về ảnh hưởng của nhấp nháy điện ly lên tín hiệu vệ tinh khu vực Việt Nam trong một số ngày của tháng 10/2011 cho thấy nhấp nháy làm gia tăng khả năng mất tín hiệu trên tần số f2, có thể gây ra sai số khoảng cách từ hàng chục mét đến hơn hai chục mét ở trạm Hà Nội, ở khu vực Huế tới cỡ vài mét, trong khi ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh sai số này hầu như không đáng kể. Việc lắp đặt ba trạm thu GPS trải đều ở ba miền Bắc-Trung-Nam là một thuận lợi trong nghiên cứu tầng điện ly cho toàn khu vực Việt Nam. Kết quả quan sát về biến thiên nồng độ điện tử và đặc trưng xuất hiện nhấp nháy khu vực Việt Nam. Các kết quả thu được trong luận án sẽ là đóng góp nhất định trong mục tiêu xây dựng dự báo điện ly, nhấp nháy điện ly khu vực Việt Nam nói riêng và khu vực 138 Đông Nam Á nói chung trong tương lai. Kết luận và Kiến nghị Hướng phát triển trong thời gian tới: Từ những kết quả nghiên cứu trong luận án, tác giả kiến nghị tiếp tục triển khai các vấn đề sau: - Tiếp tục hoàn thiện thêm phương pháp tính để cho ra các giá trị TEC có độ chính xác cao, tiến tới xây dựng các bản đồ TEC địa phương theo kinh và vĩ độ ở từng thời điểm quan sát để ứng dụng trong phép hiệu chỉnh chính xác tín hiệu vệ tinh truyền trong vùng này khi có mạng lưới máy thu tín hiệu vệ tinh GPS liên tục dày đặc hơn trên lãnh thổ Việt Nam. Mở rộng việc tính toán TEC sử dụng thông tin từ các hệ thống định vị toàn cầu khác như GLONASS, GALILEO tăng cường thông tin trong việc xây dựng các bản đồ TEC. - Phát triển hướng nghiên cứu về nhiễu loạn điện ly, nhấp nháy điện ly phục vụ cho mục đích nghiên cứu vật lý điện ly và mục đích ứng dụng truyền sóng ở Việt Nam. Để có được kết quả chi tiết cần phải mở rộng thêm với các trạm thu tín hiệu GPS khác đặt ở Việt Nam và lân cận; kết hợp với các số liệu thăm dò thẳng đứng tầng điện ly và số liệu khác phát triển các nghiên cứu địa từ điện ly trong mối quan hệ Mặt Trời-Trái Đất, phục vụ nghiên cứu thời tiết không gian vũ trụ, một hướng 139 nghiên cứu ngày càng được quan tâm trong kỷ nguyên vũ trụ hiện nay. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 1. Trần Thị Lan, Lê Huy Minh, R. Fleury, P. Lassudrie Duchesne, A. Bourdillon: “Bước đầu nghiên cứu nồng độ điện tử tổng cộng và nhấp nháy điện ly sử dụng số liệu các trạm thu GPS liên tục ở Việt Nam”, Tạp chí Các Khoa học về Trái đất, T. 31(3) , 212-223, 9/2009. 2. Trần Thị Lan, Lê Huy Minh: “Biến thiên theo thời gian của nồng độ điện tử tổng cộng và nhấp nháy điện ly theo số liệu GPS liên tục ở Việt Nam”, Tạp chí Các Khoa học về Trái đất, T. 33(4), 681-689, 12/2011. 3. Trần Thị Lan, Lê Huy Minh, R. Fleury, P. Lassudrie Duchesne, A. Bourdillon: Một số biến thiên của nồng độ điện tử tổng cộng và nhấp nháy điện ly theo số liệu GPS liên tục, Tuyển tập báo cáo hội nghị khoa học Quốc tế: Vật lý địa cầu – Hợp tác và phát triển bền vững, 108-119, 2012 4. Trần Thị Lan, Đào Thế Cường: “Một số đặc trưng xuất hiện Spread F xích đạo tại Phú Thụy trong hơn một chu kỳ hoạt động Mặt trời”, Tạp chí Các Khoa học về Trái đất, T. 35(3) , 258-264, 2013. 5. M. Le Huy, C. Amory-Mazaudier, R. Fleury, A. Bourdillon, P. Lassudrie- Duchesne, L. Tran Thi, T. Nguyen Chien and T. Nguyen Ha, P. Vila : Time variations of the total electron content in the Southeast Asian equatorial ionization anomaly for the period 2006-2011, Advances in Space Research, 140 http://dx.doi.org/10.1016/j.asr.2013.08.03, 54, 355-368, 2014. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 6. Nguyễn Thanh Dung: “Nghiên cứu đặc trưng tầng điện ly ở Việt Nam theo số liệu ghi được tại trạm Bạc Liêu và Phú Thụy”, luận văn thạc sỹ, 2009. 7. Hoàng Thái Lan, “Cấu trúc các lớp điện ly tại khu vực phía Nam trong giai đoạn Mặt trời hoạt động mạnh”, Tạp chí Các Khoa học về Trái Đất, 2003 pp. 222-228. 8. Hoàng Thái Lan, Nguyễn Thu Trang: “Một số đặc điểm của spread F xích đạo quan trắc tại Việt Nam”, Tạp chí Các Khoa học về Trái Đất, 2009, 31 (4), pp. 368-373. 9. Hoàng Thái Lan,: “Tầng điện ly xích đạo từ ở Việt Nam và dự báo thời tiết vũ trụ”, Sách chuyên khảo ứng dụng và phát triển công nghệ cao, 2013. 10. Trần Thị Lan: “Quan sát điện ly và sự biến đổi của tầng điện ly tại Phú Thụy từ 1962 đến nay”, luận văn thạc sỹ, 2004. 11. Trần Thị Lan, Lê Huy Minh, R. Fleury, P. Lassudrie Duchesne, A. Bourdillon: “Bước đầu nghiên cứu nồng độ điện tử tổng cộng và nhấp nháy điện ly sử dụng số liệu các trạm thu GPS liên tục ở Việt Nam”, Tạp chí Các Khoa học về Trái đất, 2009, T. 31(3) , 212-223. 12. Trần Thị Lan, Lê Huy Minh: “Biến thiên theo thời gian của nồng độ điện tử tổng cộng và nhấp nháy điện ly theo số liệu GPS liên tục ở Việt Nam”, Tạp chí Các Khoa học về Trái đất, 2011, T. 33(4), 681-689. 13. Lê Huy Minh và Phạm Văn Trì: “Biến thiên theo thời gian của lớp E và lớp F điện ly quan sát được tại đài điện ly Phú Thụy, Việt Nam”, Tạp chí các khoa học về Trái đất, 2001, 23(1), 56-69. 14. Lê Huy Minh, Lan T. T., Hồng P. T. T.,: “Bão từ và bão điện ly ngày 6- 7/04/2000 và ngày 31/03/2001 quan sát được tại Phú Thụy”, Tạp chí các khoa học về Trái đất, 2004, 26(2), 122-135. 15. Lê Huy Minh, A. Bourdillon, R. Fleury, P. Lasudrie-Duchensne, Nguyễn 141 Chiến Thắng, Trần Thị Lan, Trần Ngọc Nam, Hoàng Thái Lan, “Xác định hàm lượng điện tử tổng cộng tầng điện ly ở Việt Nam qua số liệu các trạm thu tín hiệu vệ tinh GPS”, Tạp chí Địa Chất, 2006, Vol. 296, N2, 54-62. 16. Lê Huy Minh, Nguyễn Chiến Thắng, Trần Thị Lan, R. Fleury, P. Lasudrie- Duchensne, A. Bourdillon, C. Amory-Mazaudier, Trần Ngọc Nam, Hoàng Thái Lan, “Ảnh hưởng của bão từ tới nồng độ điện tử tổng cộng vùng dị thường điện ly xích đạo Đông Nam Á quan sát được từ số liệu GPS”, Tạp chí các khoa học về Trái đất, 2007, Vol. 29, N2, 104-112. 17. Nguyễn Chiến Thắng: “Hệ thống định vị toàn cầu và ứng dụng trong nghiên cứu nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly”, luận văn thạc sỹ, 2007. 18. Phạm Văn Trì, Tiến T. H., Hưng P. M., Mai N. B., và Quỳnh C. K.,: “Một số đặc điểm hình thái điện ly trên đài điện ly Hà Nội”, Thành tựu nghiên cứu vật lý địa cầu, 1997, 355-378. Tiếng Anh 19. J. Aarons: “Global morphology of ionospheric scintillations”, Proc. IEEE, 1982, 70, 360-378. 20. J. Aarons, M. Mendillo and R. Yantosca: “GPS phase fluctuation in the equatorial region during sunspot minimum”, Radio Science, 1997, Vol. 32, N.4, pp 1535-1550. 21. P. Abadi, S. Saito, and W. Srigutomo: “Low-latitude scintillation occurrences around the equatorial anomaly crest over Indonesia”, Annales Geophys., 2014, 32, 7-17. 22. M. A. Abdu: “Major phenomena of the equatorial ionosphere-thermosphere system under disturbed conditions”, Journal of Atmos. And Solar-Terrestrial Phys., 1997, Vol. 59, 1505-1519. 23. D. N. Anderson, Reinisch B., Valladare C., Chau J., Veliz O.,: “Forecasting the occurrence of ionospheric scintillation activity in the equatorial ionospheric on a day-to-day basis ”, Journal of Atmos. And Solar-Terrestrial 142 Phys., 2004, Vol. 66, 1567-1572. 24. C. Amory-Mazaudier, Le Huy Minh, Y. Cohen, V.Doumbia, A. Bourdillon, R. Fleury, B. Fontaine, C. Ha Duyen, A. Kobea, P. Laroche, P. Lassudrie Duchesne, H. Le Viet, T. Le Truong, H.Luu Viet, M. Menvielle, Nguyen Chien Thang, A. Nguyen Xuan, F. Ouattara, M. Petitdidier, H. Pham Thi, T. Pham Xuan, N. Philippon, Tran Thi Lan, H. Vu Thien, and P. Vila: “Sun- Earth System Interaction studies over Vietnam : an international cooperative project”, Annales Geophys., 2006, 24, 3313-3327. 25. W. W. Andrzeij, L. Alfonsi, and M. Materassi,: “Ionospheric Irregularities, Scintillation and its effect on systems”, Acta Geophysica Polonica, 2004, V. 52, N.2. 26. S. Banola, Pathan B. M., Rao D. R. K., and Chandra H.: “Spectral characteristics of scintillation producing ionospheric irregularities in the Indian region”, Earth Planets Space, 2005, 57, 47-59. 27. S. Basu, S. Basu, J. Aarons, J.P. McClure, and M.D. Cousins: “On the coexistence of kilometer- and meter-scale irregularities in the nighttime equatorial F region”, Journal of Geophysical Research, 1978, 83 (A9), pp. 4219 - 4226. 28. S. Basu, E. Kudeki, S. Basu, C. E. Valladares and E. J. Weber: “Scintillation, plasma drifts, and neutral winds in the equatorial ionosphere after sunset”, Journal of Geophysical Research, 1996, Vol. 101, N.A12, 26795-26809. 29. S. Basu, Groves K.M., Quinn J.M. and Doherty P.,: “A comparision of TEC fluctuations and scintillations at Ascension Island”, Journal of Atmos. And Solar-Terrestrial Phys., 1999, Vol. 61, 1219-1226. 30. S. Basu, Groves K.M., Basu S., and Sultan P. J.: “Specification and forecasting of scintillation in communication/navigation links: current status and future plans”, Journal of Atmos. And Solar-Terrestrial Phys., 2002, Vol. 64, 1745-1754. 31. L. T. Beach and M. P. Kintner: “Simultaneous Global Positioning System 143 observations of equatorial scintillations and total electron content fluctuation”, Journal of Geophysical Research, 1999, Vol. 104, N.A10, 22553-22565. 32. L. T. Beach: “Perils of the GPS phase scintillation index (σФ)”, Radio Science, 2006, Vol. 41, RS5S31, doi:10.1029/2005RS003356. 33. Y. Beniguel, and Adam JP.: “Ionosphere Scintillation and their Effect on the Positioning Errors”, IEEA, proccesding, 2007, France. 34. Y. Beniguel,: “GISM – Global Ionospheric Scintillation Model”, IEEA, GISM technical Manual, 9/2011. 35. P. K. Bhuyan, Rashmi Rekha Borah: “TEC derived from GPS network in India and comparison with the IRI”, Advances in Space Research, 2006, 39, 830-840. Res., 1980, 85, 1669-1686. 36. M. Blanc and Richmond: “The ionospheric disturbance dynamo”, J. Geophys. 37. A. M. Breed and Goodwin G.L.,: Total electron content measurements in the southern hemisphere using GPS satellites,1991 to 1995, Radio Science, 1998, Vol.33 (N.6), 1705-1726. 38. S. C. Carrano, K. M. Groves and J. M. Griffin: “Empirical Characterization and Modeling of GPS Positioning Errors Due to Ionospheric Scintillation”, Ionospheric Effects Symposim, Alexandria, VA, 5/2005. 39. M. A. Cervera and R. M. Thomas: “Latitudinal and temporal variation of equatorial ionospheric irregularities determined from GPS scintillation observations”, Ann.Geophys., 2006, N.24, 3329-3341. 40. H. Chandra, Vats H. O., Sethia G., Deshpande M. R., Rastogi R. G., Sastri J. H. and Murthy B. S.,: “Ionospheric scintillatons associated with features of equatorial ionosphere”, Ann.Geophys., 1979, N.35, 145-151. 41. V. Chauhan, Singh O. P., and Singh B.,: “Diurnal and seasonal variation of GPS-TEC during a low solar activity period as observed at a low latitude station Agra”, Indian Journal of radio & Space Physics, 2011, V. 40, pp 26- 144 36. 42. W. S. Chen, Lee C. C., Liu J. Y., Chu F. D., and Reinisch B. W.,: “Digisonde spread F and GPS phase fluctuations in the equatorial ionosphere during solar maximum”, Journal of Geophysical Research, 2006, Vol. 111, A12305. 43. F. D. Chu, C. C. Lee, W. S. Chen and J. Y. Liu,: “A study of long-term climatology of ionospheric irregularities by using GPS phase fluctuation at the Brazilian longitudes”, Advances in Space Research, 2007, doi:10.1016/j.asr.2007.05.003. 44. R. Cohen, and K.L. Bowles: “On the nature of equatorial spread F”, Journal of Geophysical Research, 1961, 66 (4), pp. 1081 – 1106. 45. R. S. Conker, El-Arini M. B., C. J. Hegarty, T. Hsiao : “Modeling the Effects of Ionospheric Scintillation on GPS/SBAS Availability”, Radio Science, 2/2003. 46. V. Dierendonck, A. John Klobuchar, Quyen Hua: “Ionospheric Scintillation monitoring using commercial single frequency C/A code receivers”, Proceedings of ION GPS-93, Sep. 1993. 47. S. Dubey, R. Wahi, A.K. Gwal: “Ionospheric effect on GPS positioning”, Advances in Space Research, 2006, N.38, 2478-2484. 48. B. Forte and Radicella S. M.,:‘Problems in data treatment for ionospheric scintillation measurements’, Radio Science, 2002, Vol. 37, N. 6. 49. B. Forte and Radicella S. M.,:‘Comparison of ionospheric scintillation models with experimental data for satellite navigation applications’, Ann. Geophys, 2005, Vol. 48, N3. 50. L. Guozhu, Baigi Ning, and Hong Yuan,: “Analysis of ionospheric scintillation spectra and TEC in the Chinese low latitude region”, Earth planets space, 2007, 59, 279-285. 51. J. K. Hargreaves: “ The solar-terrestrial environment”, Cambridge, Book, 145 1992. 52. M. Hernandez – Pajares, Juan J.M. and Sanz J.,: “High resolution TEC monitoring method using permanent ground GPS receivers”, Geophysical reseach letters, 7/1997, Vol. 24(13), 1643-1646. 53. B. Hofmann-Wellenhof , H. Lichtenegger, and J. Collins: “GPS Theory and Practice”, Springer, Book, 1992. 54. Pham Thi Thu Hong, C. Amory-Mazaudier and M. Le Huy: “Time variations of the Ionosphere at the Northern tropical creast of ionization at Phuthuy, Vietnam”, Ann. Geophys, 2011, N29, 197-207. 55. P. M. Kintner, Ledvina B. M., and Paula E. R.: “GPS and ionospheric scintillations”, Space weather, 2007, Vol.5, S09003, doi:10.1029/2007W000260. 56. D. L. Knepp: “Effects of ionospheric scintillation on Transit satellite meansurement of total electron content”, Radio Science, 2004, Vol. 39. 57. A. Komjathy, Sparks L., Wilson B. D. and Mannucci A.J.,: “Automated daily processing of more than 1000 ground-based GPS receivers for studying intense ionospheric storms”, Radio Science, 2005, vol. 40. 58. A. Krankowski, Irk I. Shagimuratov: “Impact of TEC fluctuations in the antarctic Ionosphere on GPS positioning”, Artificial Satellites, 2006, V.41(1). 59. S. Kumar, Gwal, A. K.,: “VHF Ionospheric scintillation near the equatorial anomaly crest: solar and magnetic activity effects”, Journal of Atmos. And Solar-Terrestrial Phys., 2000, Vol. 62, 157-167. 60. Hoang Thai Lan, MacDougall, J. W.: “Equatorial ionospheric response to the major geomagnetic storms in 2003 year observed in South Vietnam”, Journal of Geology, 2008, Series B (31 - 32), pp.101-109. 61. Hoang Thai Lan, Abdu, M.A., MacDougall, J. W., Batista, I. S.: “Longitudinal differences in the equatorial spread F characteristics between Vietnam and Brazil”, Advances in Space Research, 2010, 45, pp. 351-360. 62. D. V. Lekshmi, N. Balan, S. Tulasi Ram, and J. Y. Liu: “Statistics of 146 geomagnetic storm and ionospheric storms at low and mid latitudes in two solar cycles”, Journal of Geophysical research, 2011, V.116, A11328, doi:10.1029/2011JA017042. 63. J. Y. Liu, Tsai H. F., and Jung T. K.: “Total electron content obtained by using the global positioning system”, TAO, 1996, Vol. 7(1), 107-117. 64. J. Y. Liu, Tsai H. F., Wu C. C., Tseng C. L., Tsai L. C., Liou K., and Chao J. K.: “The effect of geomagnetic storm on ionospheric total electron content at the equatorial anomaly region”, Advances in Space Research, 1999, Vol. 24(11), 1491-1494. 65. J. Liu, Zhao B., and Liu L.: “Time delay and duration of ionospheric total electron content responses to geomagnetic disturbances”, Ann. Geophys, 2010, N28, 795-805. 66. G. Ma and T. Maruyama: “Derivation of TEC and Estimation of Instrumental Biases from Geonet in Japan”, Ann. Geophys., 2003, 21, 2083- 2093. 67. A. J. Mannucci, Wilson, B. D., Yuan, D. N., Ho, C. M., Lindwister, U. J., Runge, T. F.: “A global mapping technique for GPS derived ionospheric total electron content meansurements” Radio Sci., 1998, 33, 565-582. 68. Le Huy Minh and Amory-Mazaudier C.: “Magnetic signature of the ionospheric disturbance dynamo at equatorial latitudes: “Ddyn””, Journal of Geophysical Research, 2005, Vol. 10, 10301-10314. 69. Le Huy Minh, C. Amory-Mazaudier, R. Fleury, A. Bourdillon, P. Lassudrie- Duchesne, L. Tran Thi, T. Nguyen Chien and T. Nguyen Ha, P. Vila : Time variations of the total electron content in the Southeast Asian equatorial ionization anomaly for the period 2006-2011, Advances in Space Research, 2014, 54, 355-368. 70. T. Ogawa, Miyoshi Y., Otshuka Y., Nakamura T., and Shiokawa K.,: “Equatorial GPS ionospheric scintillation over Kototabang, Indonesia and their relation to atmospheric waves form below”, Earth planets space, 2009, 147 61, 397-410. 71. T. Ondoh and K. Marubashi: “ Science of Space Environment”, IOS Press, 2001. 72. R. Orús, M. Hernasdez-Pajares, Juan J. M., Sanz J., Garcisa-Fernandez. “Performance of different TEC model to provide GPS ionospheric corrections”, Journal of Atmospheric and Solar, 2002, 2055-2062. 73. Y. Otsuka, T. Ogawa, Saito A., Tsugawa T., Fukao S., and Miyazaki S.: “A new technique for mapping of total electron content using GPS network in Japan”, Earth planets space, 2002, 54, 63-70. 74. F. Ouattara, C. Zoundi and R. Fleury,: “Comparison between CODG TEC and GPS based TEC observation at Koudougou in Burkina Faso”, Indian Journal of radio & Space Physics, 12/2012, V. 41, pp 617-623. 75. B. W. Parkinson, James J.Spilker Jr.: “Global Positioning System: Theory and Applications”, Volume I, Book, USA, 1996. 76. B. W. Parkinson, James J.Spilker Jr.,: “Global Positioning System: Theory and Applications”, Volume II, Book, USA , 1996. 77. X. Pi, A. J. Mannucci, Lindqwister U. J., and Ho. C. M.: “Monitoring of global ionospheric irregularities using the worldwide GPS network”, Geophysical Research letters, 1997, Vol.24, N. 18, 2283-2286. 78. Rama Rao, P. V. S., Gopi Krishna, S., Niranjan, and Prasad, D. S. V. V. D.: “Study of spatial and temporal characteristics of L-band scintillation over the Indian low latitude region and their possible effects on GPS navigation”, Ann. Geophys., 2006a, 24, 1567-1580. 79. Rama Rao, P. V. S., Gopi Krishna, S., Niranjan, and Prasad, D. S. V. V. D.: “Temporal and spatial variations in TEC using simultaneous measurements from the Indian GPS network of receivers during the low solar activity period of 2004-2005”, Ann. Geophys., 2006b, 24, 3279-3292. 80. W. Rideout, and Anthea Coster: Automated GPS processing for global total electron content data, GPS Solut., 2006, Doi 10.1007. 81. H. Rishbeth and Owen K. Garriott: “Introduction to Ionospheric Physics”, 148 Academic Press, Book, 1969. 82. S. Saito, Maruyama T., Ishii M., Kubota M., Ma G., Chen Y., Li J., Duyen C. H., Truong T. L.,: “Observation of small to large scale ionospheric irregularities associated with plasma bubbles with a transequatorial HF propagation experiment and spaced GPS receivers”, Journal of Geophysical research, 2008, V.113, A12313. 83. E. Sardon, Rius A., and Zarraaoa N.: “Estimation of the transmitter and receiver differential biases and the ionospheric total electron content from Global Positioning System observations”, Radio Science, 1994, vol. 29, 577- 586. 84. S. Schaer: "Mapping and Predicting the Earth's Ionosphere using the Global Positioning System", Ph. D. thesis, 1999. 85. S. H. Skone: “The impact of magnetic storm on GPS receiver performance” , J. of Geodesy, 2001, 75, 457-468. 86. R. M. Thomas, M. A. Cervera, Eftaxiadis K., Manurung S. L., Saroso S., Effendi, Ramli A. G., Hassan W. S., Rahman H., Dalimin M. N., Groves K. M., and Wang Y.,: “A regional GPS receiver network for monitoring equatorial scintillation and total electron content”, Radio Science, 2001, vol. 36, 1545-1557. 87. S. Tiwari, S. Sarkar, Vishwakarma A., and Gwal A. K.,: “Effect of Magnetic activity on scintillation at Equatorial Region during Low Solar Activity”, Advances in Physics Theories and Applications, 2013, vol. 19. 88. H. F. Tsai , J.Y. Liu, W. H. Tsai and C. H. Liu,: “Seasonal variations of the ionospheric total electron content in Asian equatorial anomaly regions”, Journal of Geophysical Research , 12/2001, vol 106, 30.363-30.369. 89. T. Tsugawa, A. Saito, Y. Otsuka, M. Nishioka, T. Maruyama , H. Kato, T. Nagatsuma, and K. T. Murata,: “Ionospheric disturbances detected by GPS total electron content observation after the 2011 off the Pacific coast of 149 Tohoku Earthquake”, Earth Planets Space, 2011, 63, 875–879. 90. R. T. Tsunoda: “On equatorial spread F: Establishing a seeding hypothesis”, Journal of Geophysical research, 2010, V.115, A12303, doi:10.1029/2010JA015564. 91. C. E. Valladares, J. Villalobos, Sheehan R., and Hagan M.P.: “Latitudinal extension of low laititude scintillations measured with a network of GPS receivers”, Ann. Geophys., 2004a, 22, 3155-3175. 92. C. E. Valladares, and R. Sheehan: “A Latitudinal network of GPS receivers dedicated to studies of equatorial spread F”, Radio Sci., 2004b, 39, RS1S23. 93. J. A. Vladimer, M. C. Lee, Doherty P. H., Anderson D. N., and Decker D. T.: “Comparisons of TOPEX and Global Positioning System total electron content measurements at equatorial anomaly latitudes”, Radio Sci., 1997, 32, 2209-2220. 94. G. D. Vyas: “Study of low latitude ionospheric irregularities”, Ph. D. thesis, 1979. 95. G. O. Walker, J. H. K. Ma and E. Golton: “The equatorial ionospheric anomaly in electron content from solar minimum to solar maximum for South East Asia”, Ann. Geophys., 1994, N.12. 96. R. Warnant and Eric Pottiaux,: “The increase of the ionospheric activity as meansured by GPS”, Earth Planets space, 2000, Vol. 52, 1055-1060. 97. B. D. Wilson, A. J. Mannucci, C. D. Edwards, and T. Roth: “Global ionospheric maps using a global network of GPS receiver”, International Beacom Satellite Symposium, Cambridge, 1992. 98. J. S. Xu, J. Zhu, L. Li, ‘Effects of a major storm on GPS amplitude scintillations and phase fluctuations at Wuhan in China’, Advances in Space Research, 2007, N.39, 1318-1324. 99. K. C. Yell and Chao-Han Liu: “Radio wave scintillation in the ionosphere”, Proceedings of the IEEE, 1992, 70 (4). 100. A. F. M. Zain, H. Y. Hwa, M. Abdullah, Rhazali Z.A., Abdullah S. and Marsimin M.F.,: “First Ionospheric Experimental campaign and 150 Observation at Fraser’s Hill, Malaysia: Total Electron Content (TEC) and Scintillation Meansurements”, 2005, Asian-Pacific Conference on applied electromagnetics proceedings. 101. B. Zhao, W. Wan, and L. Liu: “Responses of equatorial anomaly to the October-November 2003 superstorms”, Ann. Geophys., 2005, 23, 693- 706. 102. GSV GPS Silicon Valley, 2005: GSV4004/GSV4004A – GPS Ionospheric Scintillation & TEC Monitor, USER’S MANUAL. 103. http://en.wikipedia.org/wiki/Dilution_of_precision_(GPS). 104. http://www.aiub.unibe.ch/ 105. http://wdc.nict.go.jp/IONO/contents/E011_TECmap.html 106. http://www.ips.gov.au/Satellite/2/1 151 107. http://www.ips.gov.au
