Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực hà nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:29

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông "Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực hà nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không" được nghiên cứu với mục tiêu: Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực hà nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ ĐIỀU KIỆN TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TẦNG ĐỐI LƯU KHU VỰC HÀ NỘI SỬ DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP CẮT LỚP VÔ TUYẾN VÀ BÓNG THÁM KHÔNG NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 9.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN ÁN HÀ NỘI - 2023
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải Tập thể hướng dẫn khoa học: Hướng dẫn 1: Hướng dẫn 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Giao thông Vận tải. Vào hồi ….. giờ ,….. ngày ….. tháng ….. năm 2023 Có thể tìm thấy luận án tại: Trung tâm thông tin thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải, Thư viện Quốc gia
LỜI MỞ ĐẦU Lý do lựa chọn luận án Nghiên cứu ở [1] cho thấy chỉ số khúc xạ là yếu tố quan trọng dự đoán hoạt động của tuyến thông tin vô tuyến, cấu trúc chiết suất của tầng đối lưu là nguyên nhân gây ra trễ đường truyền và nhiều cơ chế phức tạp như hiệu ứng đa đường, hấp thụ, tán xạ tín hiệu vô tuyến v.v. Các kết quả tổng hợp cho thấy chỉ số khúc xạ có tính quy luật theo mùa, thay đổi theo ngày và đêm, theo vùng miền [84] [107]. Hiệu quả của các hệ thống dẫn đường, ra-đa và thông tin liên lạc phần lớn phụ thuộc vào điều kiện truyền của sóng vô tuyến giữa phía phát và phía thu và được xác định bởi trạng thái khúc xạ khí quyển, đó là sự phân bố trong không gian của độ khúc xạ. Do đó, việc nghiên cứu về độ khúc xạ, tạo ra mô hình thống kê có vai trò quan trọng để dự đoán phạm vi của các hệ thống vô tuyến cho các mục đích khác nhau. Việc có được quy luật chính xác về chỉ số khúc xạ góp phần hiệu chỉnh số liệu của vệ tinh đo độ cao. Ngoài ra còn có các ứng dụng khác sử dụng chỉ số khúc xạ khí quyển như ở các hệ thống ra-đa dưới chân trời; bài toán xác định vị trí quỹ đạo của vệ tinh từ trạm mặt đất; các bài toán trong vật lý khí quyển, khí hậu như chuyển động hỗn loạn trong khí quyển, vật lý vi mô khí quyển, nghiên cứu cán cân bức xạ v.v. Lợi dụng hiện tượng khúc xạ khí quyển tầng đối lưu có thể được sử dụng để truyền sóng đi xa phía dưới đường chân trời, ứng dụng trong các hệ thống ra-đa tầm soát vượt đường chân trời. Nghiên cứu về hiện tượng như siêu khúc xạ có thể ứng dụng để truyền sóng đi được rất xa. Truyền sóng tán xạ tầng đối lưu là khi gặp phải môi trường có sự không đồng nhất về chiết suất và có sự thay đổi gần bằng độ dài của bước sóng cũng được nghiên cứu ứng dụng trong thông tin quân sự. Như vậy, bài toán đánh giá ảnh hưởng tầng đối lưu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Trong nội dung của luận án, hướng nghiên cứu ước lượng chỉ số khúc xạ để xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển tầng đối lưu khu vực Hà Nội được thực hiện. Xác định được chính xác chỉ số khúc xạ của bầu khí quyển đối với truyền sóng vô tuyến nhất là đối với khu vực có bốn mùa thay đổi, như Hà Nội, sẽ giúp tối ưu hiệu suất của các hệ thống vô tuyến cho các hoạt động liên lạc, định vị, dẫn đường trong các lĩnh vực hàng không, công nghiệp, quốc phòng và an ninh. Mục tiêu của luận án Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không. Mục tiêu cụ thể: Tính toán và phân tích được sự thay đổi chỉ số khúc xạ vô tuyến qua số liệu cắt lớp vô tuyến cho khu vực Hà Nội. Tính toán, phân tích và so sánh sự thay đổi chỉ số khúc xạ vô tuyến với số liệu thu thập từ bóng thám không. Đánh giá khả năng áp dụng mô hình toàn cầu về chỉ số khúc xạ vô tuyến theo khuyến nghị ITU-R P.453 cho khu vực Hà Nội thông qua việc phân tích đối sánh với số liệu tính toán từ các phương pháp trên, từ đó đưa ra các khuyến cáo cụ thể về sử dụng chỉ số khúc xạ. Các đóng góp chính của luận án Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án hướng đến là đề xuất các giải pháp sử dụng số liệu thực nghiệm để ước lượng chỉ số khúc xạ trong khí quyển đối lưu. Các đóng góp chính của luận án bao gồm: - Đề xuất giải pháp ước lượng chỉ số khúc xạ vô tuyến tầng đối lưu sử dụng số liệu thực nghiệm từ phương pháp cắt lớp vô tuyến. - Đề xuất giải pháp ước lượng chỉ số khúc xạ vô tuyến tầng đối lưu sử dụng số liệu thực nghiệm từ phương pháp bóng thám không. 1
Các đóng góp này được thể hiện ở các bài báo khoa học nằm trong danh mục các công trình đã công bố [J1, J2, J3]. Kết quả đạt được có độ tin cậy, phù hợp với điều kiện công nghệ nước ta hiện nay. Nội dung nghiên cứu ở đây có thể áp dụng để lập ra bản đồ truyền sóng. Hiệu quả kinh tế xã hội Việc nghiên cứu sử dụng các nguồn số liệu khí tượng sẵn có để xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển tầng đối lưu khu vực Hà Nội cho kết quả nhanh, với chi phí hợp lý là thành công của luận án. Kết quả nghiên cứu ở đây có thể được sử dụng ở các mô hình đang chạy tại Viện Vật lý Địa cầu như là một trong số các nguồn dữ liệu đầu vào giúp cải thiện kết quả tính toán trên mô hình dự báo. Bố cục của luận án Luận án gồm 03 chương. Chương 1 là những nghiên cứu tổng quan ảnh hưởng của khí quyển đến truyền sóng vô tuyến. Chương 2 đề xuất giải pháp xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến. Giải pháp xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển sử dụng số liệu bóng thám không được đề xuất ở Chương 3. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA KHÍ QUYỂN ĐẾN TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN 1.1. Truyền sóng vô tuyến trong khí quyển Bầu khí quyển có cấu trúc phân lớp thường được chia thành các khu vực riêng biệt: tầng đối lưu, tầng bình lưu và tầng điện li. Truyền sóng trong khí quyển đối lưu được phân loại thành sóng đất và sóng trời. Phổ tần vô tuyến được chia thành các phân đoạn khác nhau dựa vào tính chất vật lý, đặc điểm lan truyền hình thành lên các băng tần (sóng) khác nhau. Mỗi băng sóng được ứng dụng cho các hệ thống thông tin cụ thể. Nói chung, sóng vô tuyến có bước sóng càng ngắn thì sẽ có xu hướng truyền thẳng nhiều hơn, kích thước an-ten nhỏ hơn và cự ly truyền sóng sẽ ngắn hơn nguyên nhân là do hấp thụ phân tử của tầng đối lưu tăng theo tần số [89], suy hao trong quá trình truyền sóng cũng nhiều hơn [66]. 1.2. Phân tích các phương pháp xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến Chỉ số khúc xạ vô tuyến có thể được xác định bằng phương pháp đo trực tiếp hoặc gián tiếp [16] [60]. Phương pháp trực tiếp bằng việc sử dụng với dụng cụ đo nhạy với vận tốc truyền sóng gọi là máy đo khúc xạ kế tần số vô tuyến hay khúc xạ kế vô tuyến; phương gián tiếp, được đề cập đến trong nội dung nghiên cứu của luận án, liên quan đến phép đo nhiệt độ, áp suất và độ ẩm và chuyển đổi thành chỉ số khúc xạ. Sự phát triển của công nghệ đã dẫn đến sự ra đời của các thế hệ máy đo khúc xạ kế theo phương pháp gián tiếp như chỉ số khúc xạ được tính thông qua hàm lượng khí CO 2 [108], hay đề xuất đo độ dịch chuyển chính xác dựa trên phép đo giao thoa laser của vật liệu etalon [110]. Phương pháp đo trực tiếp không dễ thực hiện trong thực tế do nguyên lý đo phức tạp và khối lượng lớn của thiết bị đo, bù lại thì có độ chính xác tốt hơn. Do việc thiếu sử dụng phổ biến các máy đo khúc xạ dẫn tới phải sử dụng các loại dữ liệu thời tiết để xác định chỉ số khúc xạ theo phương pháp gián tiếp. Máy đo khúc xạ kế tần số vô tuyến có độ chính xác cao hơn so với độ chính xác mà cảm biến khí tượng đạt được. Các máy đo khúc xạ trọng lượng nhẹ (light-weight) được phát triển cho các phép đo bằng bóng thám không hoặc các thiết bị bay tuy không chính xác bằng các khúc xạ kế vô tuyến nhưng cũng chính xác hơn so với phương pháp đo gián tiếp. 1.2.1. Phương pháp xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến Chỉ số khúc xạ vô tuyến n được định nghĩa là tỉ số giữa tốc độ truyền sóng điện từ trong chân 2
không (hay không gian tự do) c0 với tốc độ truyền sóng trong môi trường vật chất c được định nghĩa bằng công thức: 𝑛= (1.1) Chỉ số khúc xạ vô tuyến n có thể được xác định từ độ khúc xạ N theo công thức: 𝑛 = 1 + 𝑁. 10 (1.2) Độ khúc xạ vô tuyến N có thể được tính thông qua các thông số môi trường là nhiệt đô, độ ẩm và áp suất như sau [16] [73] [77]: 𝑁 = 77,6 − 5,6 + 3,75. 10 (N-units) (1.3) Trong đó: P áp suất khí quyển tổng cộng (hPa), e áp suất hơi (hPa), T nhiệt độ tuyệt đối (oK). Mặt cắt chuẩn hay cấu hình chuẩn (reference profile) có thể được sử dụng để tính toán giá trị của độ khúc xạ Ns ở bề mặt trái đất theo N0 như sau [73] [77]: 𝑁 = 𝑁 . exp(−ℎ ⁄ℎ ) (N-units) (1.4) Ở đây: N0 giá trị trung bình của độ khúc xạ khí quyển so với mực nước biển (độ khúc xạ tham chiếu), h0 độ cao tham chiếu, hs (km) là độ cao so với mực nước biển. N0 và h0 có thể được xác định bằng phương pháp thống kê trong các điều kiện khí hậu khác nhau, thông thường trong tính toán lấy N0 = 315 N-units, h0 = 7,35 km. Sự khác biệt giá trị độ khúc xạ vô tuyến xác định được hay tính toán được bằng công thức (1.3) và giá trị từ mô hình ITU-R P.453 thể hiện độ lệch tuyệt đối so với giá trị mô hình được xác định như sau: ∆𝑁 = 𝑁 − 𝑁 (N-units) (1.5) Trong đó: 𝑁 (N-units) là độ khúc xạ tính được ở độ cao h (km) qua các thông số khí quyển là nhiệt độ, áp suất và độ ẩm theo công thức (1.3), 𝑁 (N-units) là độ khúc xạ tính theo công thức hàm số mũ từ mô hình của ITU-R P.453, công thức (1.4). Độ lệch tương đối giữa giá trị tính toán được theo công thức (1.3) và giá trị từ mô hình được thể hiện như ở công thức: ∆ 𝑅 = 100 ∙ (%) (1.6) Với ∆𝑁 (N-units) là độ lệch tuyệt đối so với giá trị mô hình tính theo công thức (1.5), 𝑁 (N- units) là độ khúc xạ tính theo công thức hàm số mũ từ mô hình, công thức (1.4). Xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến theo định nghĩa, công thức (1.1), gọi là phương pháp đo trực tiếp. Chỉ số khúc xạ vô tuyến có thể được đo trực tiếp với dụng cụ đo nhạy với vận tốc truyền sóng gọi là khúc xạ kế tần số vô tuyến. Xác định chỉ số khúc xạ theo công thức (1.3) gọi là phương pháp đo gián tiếp thông qua nhiệt độ, áp suất và độ ẩm. Xác định chỉ số khúc xạ theo khuyến nghị của ITU-R P.453 gọi là phương pháp sử dụng mô hình, công thức (1.4). 1.2.2. Phương pháp đo gián tiếp chỉ số khúc xạ vô tuyến Đo chỉ số khúc xạ bề mặt có thể dùng dữ liệu từ các quan trắc bề mặt về nhiệt độ, áp suất và độ ẩm là các phép đo tiêu chuẩn của các dịch vụ thời tiết (weather service) trên khắp thế giới hoặc từ các hệ thống ghi nhận dữ liệu tự động. Đo độ dốc chỉ số khúc xạ đối với khí quyển tầm thấp có thể sử dụng tháp đo, tháp có thể cao đến 300 m, bằng cách sử dụng nhiều cảm biến dọc theo tháp. Đo chỉ số khúc xạ tầm cao sử dụng khinh khí cầu trên đó có gắn các máy thăm dò vô tuyến. 3
1.2.3. Phương pháp đo trực tiếp chỉ số khúc xạ vô tuyến Các khúc xạ kế tần số vô tuyến hoạt động theo nguyên lý cộng hưởng khoang mở hoặc một tụ điện sử dụng khí quyển làm chất điện môi thường gọi là khúc xạ kế vi sóng (Microwave Refractometer) gồm có khúc xạ kế Crain [26] [27], khúc xạ kế Birnbaum [20], khúc xạ kế Vetter [92], v.v. Các khúc xạ kế trọng lượng nhẹ (khoảng 6 pound, khoảng 2,7 kg), độ chính xác không bằng máy đo khúc xạ kế vi sóng nhưng có ưu điểm là nhẹ. Một trong số đó là khúc xạ kế Deam, hay khúc xạ kế Hay, v.v. Các khúc xạ kế trọng lượng nhẹ đều có thể gắn vào bóng thám không hoặc các thiết bị bay không người lái (UAV) để quan trắc khí quyển. 1.3. Ảnh hưởng của khí quyển đối lưu đến truyền sóng vô tuyến 1.3.1. Các tham số khí quyển trên đường truyền sóng vô tuyến Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, xác định chỉ số khúc xạ n trên đường truyền sử dụng phương pháp gián tiếp nêu trong khuyến nghị của ITU-R [73] [76] [77], phiên bản hiện thời được áp dụng P.453-14 (8/2019) [73]. Hệ số bán kính trái đất hiệu dụng k (hay k-factor) là tỉ số giữa bán kính tương đương hay bán kính hiệu dụng Re với bán kính thực của trái đất a, với k = Re/a, Lấy bán thực của trái đất 𝑎 ≈ 6370 km thì hệ số k được tính xấp xỉ theo công thức [50] [81]: 𝑘≈ = 1+ (1.8) Với G = dN/dh là biến thiên độ khúc xạ vô tuyến theo phương thẳng đứng (gradient) hay độ dốc khúc xạ vô tuyến. Như vậy, chỉ số khúc xạ vô tuyến n (hay độ khúc xạ N) là tham số cơ bản của khí quyển tầng đối lưu, cần phải có. Thông qua đó sẽ xác định được các tham số khác là k, G là cơ sở để xác định điều kiện truyền sóng. 1.3.2. Ảnh hưởng của các tham số khí quyển đến truyền sóng Hệ số k chỉ ra trạng thái của khí quyển ảnh hưởng đến quỹ đạo của tia sóng, được sử dụng để phân loại các dạng khúc xạ khác nhau [13] [46]. Đó là khúc xạ phụ, khúc xạ tiêu chuẩn, siêu khúc xạ và khúc xạ ống dẫn. Hệ số k liên quan đến trạng thái khí quyển và là một tham số phụ thuộc vào chu kỳ hàng ngày và theo mùa và vào điều kiện khí quyển hiện tại. Khuyến nghị của ITU-R chỉ ra hệ số k thông thường nằm trong khoảng 4/3 > k > 0,42 [2]. Trong phạm vi 0,4 < k < 4/3, dựa vào hệ số k, có thể biết được điều kiện truyền sóng với thời tiết và địa hình như thế nào [31] [88]. Truyền sóng vô tuyến trong khí quyển tầng đối lưu, ngoài việc quỹ đạo tia sóng bị thay đổi do hiện tượng khúc xạ, còn có một yếu tố khác ảnh hưởng đến đường truyền đó là trễ đối lưu. Phương pháp xác định độ trễ thiên đỉnh (theo hướng thẳng đứng) tầng đối lưu của tín hiệu vệ tinh định vị ZTD (Zenith Tropospheric Delay) được tính theo công thức [69]: 𝑍𝑇𝐷 = 10 ∫ 𝑁(ℎ)𝑑ℎ = 10 ∑ 𝑁 ∆𝑠 (m) (1.9) Với: 𝑁 (N-units) là độ khúc xạ ở mức thứ i, ∆𝑠 là khoảng cách (m) giữa mức thứ i và i+1. Thông qua ZTD có thể xác định được độ trễ theo các hướng xiên (slant) khác nhau bằng việc sử dụng hàm ánh xạ (mapping function), đó là hàm phụ thuộc cả vào góc nâng và góc phương vị [99]. 1.4. Tình hình nghiên cứu liên quan đến nội dung luận án 1.4.1. Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước 4
Để đánh giá ảnh hưởng của khí quyển tầng đối lưu đến truyền sóng vô tuyến, cần thực hiện các phương pháp ước lượng chỉ số khúc xạ khí quyển. Nghiên cứu về chỉ số khúc xạ đã có từ lâu, tiêu biểu là các công trình ở [16] [60]. Các nghiên cứu liên quan bằng phương pháp thực nghiệm để xác định độ khúc xạ vô tuyến theo phương pháp gián tiếp có ở [29] [46] [58] [103]. Gần đây có: Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số khí tượng và hệ số bán kính trái đất hiệu hiệu dụng [105]; Nghiên cứu ước tính độ dốc khúc xạ vô tuyến từ các thông số môi trường cơ bản đo được là nhiệt độ, áp suất và độ ẩm tương đối [104]; Nghiên cứu sự thay đổi của các thông số khí tượng vào độ khúc xạ bề mặt [102]; Nghiên cứu về chỉ số khúc xạ vô tuyến dựa trên dữ liệu đo lường trong 41 năm (1980 đến 2020) từ cơ sở dữ liệu MERRA-2, để tính toán chỉ số khúc xạ được dựa trên khuyến nghị của ITU-R. Nghiên cứu cũng đưa ra sự so sánh các biến thể khác nhau của mạng nơ-ron hồi quy để dự đoán chỉ số khúc xạ vô tuyến [101]; Nghiên cứu sự thay đổi theo vĩ độ và theo mùa của độ khúc xạ vô tuyến bề mặt [85]. Phương pháp sử dụng số liệu bóng thám không được sử dụng để xác định phạm vi thay đổi của chỉ số khúc xạ và hệ số bán kính trái đất hiệu dụng [3], nghiên cứu về điều kiện khúc xạ ống dẫn [61], nghiên cứu về điều kiện truyền sóng dị thường ảnh hưởng đến ra-đa thời tiết [18] v.v. Phương pháp đề xuất sử dụng trong luận án này sử dụng số liệu sóng vô tuyến thăm dò hay còn gọi là cắt lớp vô tuyến [54] [55] [56], đây là một phương pháp đo viễn thám. Cơ sở vật lý của phương pháp này là mối quan hệ giữa sự thay đổi của thông số tín hiệu (cường độ và tần số) vào giá trị chỉ số khúc xạ. Đo khúc xạ theo phương pháp này đã được nghiên cứu từ nhiều năm nay [54] [55]. Kết quả đo theo mùa về chỉ số khúc xạ và độ dốc (gradient) theo tín hiệu đài truyền hình, so sánh với bóng thám không cho thấy tính hiệu quả của thiết bị và công nghệ sử dụng (Hình 1.1). Hình 1.1. Kết quả đo đạc từ thiết bị (đường liền) và so sánh với bóng thám không (đường với ô trắng). Phương pháp cắt lớp khác với phương pháp sử dụng ra-đa đắt tiền (sử dụng chế độ tích cực phát sóng để nghiên cứu khí quyển) [12] [14]. Đặc trưng của phương pháp là sử dụng sóng vô tuyến từ các nguồn sẵn có (các đài truyền hình chẳng hạn) để nghiên cứu trạng thái của khí quyển và từ đó dự báo điều kiện truyền sóng cũng như các hiện tượng thời tiết nguy hiểm. Ngoài sử dụng sóng vô tuyến sẵn có trên mặt đất, phương pháp cắt lớp vô tuyến còn được áp dụng với sóng vô tuyến của các vệ tinh như GPS, NOAA, v.v. Các đo đạc sử dụng tín hiệu vệ tinh cho phép xác định tổng lượng hơi nước trong tầng đối lưu khí quyển, nghiên cứu mật độ điện tử tầng điện li [45]. Thiết bị thu sóng GPS có thể được đặt trên các vệ tinh tầm thấp của trái đất (LEO), thiết bị bay (máy bay, UAV), bóng thám không hoặc ở trạm mặt đất. 5
Mô hình toàn cầu về chỉ số khúc xạ là một mô hình dựa trên các số liệu thống kê, đã có từ lâu, áp dụng được cho mọi vị trí trên bề mặt trái đất ở các độ cao khác nhau. Cho nên việc đánh giá khả năng áp dụng mô hình toàn cẩu của ITU-R cho khu vực nhiệt đới, nơi có các mùa trong năm thay đổi rõ rệt như ở nước ta là cần thiết. Cùng với đó, do hiệu suất của các tuyến thông tin vô tuyến phụ thuộc nhiều vào cấu trúc không gian của chỉ số khúc xạ tầng đối lưu, nhất là đối với các hệ thống ra-đa, hệ thống định vị, theo dõi mục tiêu, điều khiển dẫn dường, v.v. Việc nghiên cứu lựa chọn giải pháp công nghệ phù hợp để ước lượng chỉ số khúc xạ vô tuyến và đánh giá được khả năng áp dụng của mô hình toàn cầu cho khu vực này rất đáng được quan tâm. 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Vấn đề truyền sóng trong khí quyển có các giáo trình như [10] [11] [28] [65]. Trong các tài liệu này có trình bày cơ sở lý thuyết về hiện tượng khúc xạ trong tầng đối lưu. Các nghiên cứu trong nước liên quan đến vấn đề truyền sóng trong tầng đối lưu còn ít và hạn chế. Các tác giả trong nước tập trung chủ yếu vào khai thác các nguồn số liệu đã có của máy thu GPS đặt trên mặt đất hoặc trên vệ tinh tầm thấp để nghiên cứu hơi nước trong khí quyển, đánh giá mật độ điện tử tổng cộng tầng điện li [5] [62] [63]. Nghiên cứu sử dụng các nguồn bức xạ vô tuyến điện sẵn có để xác định tham số khí quyển phục vụ dự báo một số hiện tượng thời tiết [9]. Hay nghiên cứu sử dụng số liệu COSMIC/FORMOSAT-3 để đánh giá các chỉ số đối lưu trong khí quyển [8], nghiên cứu về điều kiện truyền sóng tầng đối lưu theo hướng này là chưa có. Ngoài ra cũng có một số nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng thông tin vệ tinh quốc tế Việt Nam [91] hay nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hệ số suy giảm của môi trường truyền sóng thông tin di động dải tần 900 MHz [23]. Bước đầu nghiên cứu mô phỏng suy hao tín hiệu vô tuyến do mưa, từ đó đưa ra một số nhận xét phục vụ cho việc thiết kế các tuyến truyền dẫn vi ba mặt đất tầm nhìn thẳng (LOS) phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam [68]. Thuật toán ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến [71] cải tiến một số thuật toán để nâng cao độ phân giải, tính chính xác trong ước lượng các tham số của tín hiệu nhằm nâng cao dung lượng và chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến. Viễn thám bầu khí quyển và bề mặt bên dưới sử dụng bức xạ của hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu là nội dung nghiên cứu ở [7], đã giải quyết vấn đề chẩn đoán bầu khí quyển bằng cách sử dụng bức xạ của các vệ tinh dẫn đường toàn cầu. Mô hình của hàm ánh xạ có tính đến hình cầu của tầng đối lưu và cho phép mô tả chính xác hơn các giá trị thực của độ trễ tầng đối lưu được đề xuất. Hay ở công trình [4], ước tính vận tốc nâng và hệ số phản xạ của lớp phản xạ ngược dựa trên kết quả đo đạc mức tín hiệu VHF ở gần vùng che khuất hình học trong khu vực vĩ độ trung bình và dữ liệu bóng thám không thu được. Bài báo [6], trình bày khả năng sử dụng các nguồn bức xạ nhân tạo, chẳng hạn như tín hiệu truyền hình (TV) và vệ tinh để đánh giá các thông số khí quyển. Phương pháp ước tính khúc xạ tầng đối lưu bằng hệ số suy giảm của tín hiệu TV trên đường truyền chân trời được đề xuất là nghiên cứu khá gần với nội dung của luận án. Nhìn chung, các nghiên cứu chuyên sâu về việc ước lượng chỉ số khúc xạ n để xác lập trạng thái của khí quyển và các tham số khí quyển trên đường truyền sóng vô tuyến ở trong nước là chưa có. Hướng nghiên cứu sử dụng phương pháp cắt lớp vô tuyến và phương pháp gián tiếp xác định chỉ số khúc xạ thông qua các thông số khí quyển là nhiệt độ, độ ẩm và áp suất để xác định điều kiện truyền sóng trong khí quyển tầng đối lưu cần được lưu ý thực hiện. 1.5. Kết luận Chương 1 Trong Chương 1 trình bày khái quát ảnh hưởng của khí quyển đối lưu đến lan truyền sóng vô tuyến và các ứng dụng các dải băng tần trong thực tế. Nội dung tiếp theo đã đi sâu phân tích chỉ số 6
khúc xạ vô tuyến, các phương pháp xác định chỉ số khúc xạ. Phương pháp cắt lớp vô tuyến dùng vệ tinh là phương pháp tương đối mới và cho phép xác định ở nhiều địa điểm kể cả trên biển đem lại nhiều lợi thế cho việc xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến. Luận án đặt ra mục tiêu đánh giá được quy luật biến đổi của điều kiện truyền sóng tầng đối lưu qua việc phân tích đặc điểm chỉ số khúc xạ theo thời gian dựa trên số liệu bóng thám không và cắt lớp vô tuyến tại khu vực Hà Nội, phân tích so sánh với mô hình chỉ số khúc xạ nêu ở khuyến nghị ITU-R P.453. Đây là các nội dung được thực hiện ở Chương 2 và Chương 3 của luận án. CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TRONG KHÍ QUYỂN SỬ DỤNG SỐ LIỆU CẮT LỚP VÔ TUYẾN Chương này sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến (số liệu profile ẩm, ở level2) của vệ tinh COSMIC-1 các năm 2014-2016 để xác định độ khúc xạ vô tuyến và điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội. 2.1. Phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh Nguyên lý của phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh định vị dựa vào hiện tượng khúc xạ trong khí quyển, xảy ra khi tín hiệu GPS/GNSS đi qua bầu khí quyển trái đất và được thu bởi vệ tinh quỹ đạo trái đất thấp ở bên dưới đường chân trời [47] [52] [92]. Hiện nay nhiều vệ tinh ở quỹ đạo trái đất thấp được phóng lên để thu thập dữ liệu cắt lớp. 2.1.1. Nội dung của phương pháp cắt lớp vô tuyến Phương pháp cắt lớp vô tuyến là phương pháp dựa vào việc vệ tinh khí tượng ở quỹ đạo trái đất thấp (LEO) theo dõi tín hiệu phát ra từ vệ tinh định vị GPS ở hai băng tần L1 và L2 khi nó bị che lấp bởi trái đất ở phía dưới đường chân trời (OTH). Hình 2.1. Quá trình tạo ra các lát cắt theo chiều dọc do sự di chuyển tương đối giữa vệ tinh GPS và vệ tinh khí tượng LEO. Sóng vô tuyến phát ra di chuyển qua bầu khí quyển tới máy thu bị trễ và bị uốn cong do gia tốc trọng trường. Trong suốt khoảng thời gian bị che lấp, vệ tinh khí tượng thu được tín hiệu ở các độ cao tối thiểu khác nhau, quét qua bề mặt của trái đất. Tạo ra các lát cắt theo chiều dọc của khí quyển (Hình 2.1). Dữ liệu có được từ sự che khuất là một lớp dữ liệu đặc trưng (profile) theo chiều dọc bao gồm chỉ số khúc xạ, nhiệt độ, áp suất, hơi nước, độ cao và mật độ điện tích ở tầng điện li. 2.1.2. Ưu và nhược điểm của phương pháp cắt lớp vô tuyến Phương pháp cắt lớp vô tuyến (RO) có nhiều ưu điểm đó là vùng phủ rộng, độ chính xác cao, 7
luôn khả dụng và trong mọi điều kiện thời tiết. Ở độ cao thấp thì độ chính xác giảm do có thêm nhiều tham số ảnh hưởng liên quan đến bề mặt. Độ phân giải theo phương thẳng đứng ở tầng đối có thể tới 0,1 km ở gần bề mặt trái đất. Một đặc điểm nữa đó là dữ liệu RO độc lập với các nhiệm vụ không gian và các vệ tinh khác nhau, dữ liệu từ các sứ mệnh không gian khác nhau luôn có độ hội tụ cao. Nhờ điểm này, dữ liệu RO bổ sung tốt cho nhau. Dù vậy, phương pháp cắt lớp vô tuyến cũng có hạn chế đó là không thích hợp ở tầng thấp của khí quyển khi mà một lượng đáng kể hơi nước có mặt, có thể gây ra hiện tượng đa đường trong khí quyển, ảnh hưởng của các tham số địa hình cũng đều tác động đến kết quả phương pháp cắt lớp vô tuyến [82]. 2.2. Xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến. 2.2.1. Giải pháp thực hiện COSMIC/FORMOSAT-3 là hệ thống bao gồm các vệ tinh quan trắc khí tượng, tầng điện li và khí hậu (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate-1) hay còn gọi là COSMIC-1, là chương trình không gian hợp tác giữa Đài Loan (Trung Quốc) và Mỹ triển khai năm 4/2006 với việc đưa 6 quả vệ tinh lên quỹ đạo trái đất thấp ở độ cao 700-800 km. Ở các vệ tinh này lắp các thiết bị thu tín hiệu GPS. Trên cơ sở xử lý tín hiệu GPS thu được, các thông số trong khí quyển tầng đối lưu của trái đất sẽ tính toán được. Dữ liệu cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh cho phép xác định được cấu trúc không gian của chỉ số khúc xạ nên sẽ được nghiên cứu áp dụng để xác định điều kiện truyền sóng trong khí quyển. Các bước để xác định điều kiện truyền sóng sử dụng dữ liệu cắt lớp vô tuyến như mô tả ở Hình 2.2. Hình 2.2. Các bước xác định điều kiện truyền sóng sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến. Nguồn dữ liệu được lấy từ CDAAC - Trung tâm lưu trữ và phân tích dữ liệu COSMIC [24]. Số liệu profile ẩm sử dụng trong nội dung nghiên cứu này là của vệ tinh COSMIC/FORMOSAT-3 do CDAAC phân phối, yêu cầu phải đăng ký. Việc thu thập dữ liệu được thực hiện như ở Phụ lục 3, mục 3.2.1. 2.2.2. Kết quả đạt được và phân tích đánh giá Độ khúc xạ vô tuyến có giá trị nhỏ ở độ cao lớn và ngược lại có giá trị lớn ở các độ cao thấp. Ở độ cao gần 40 km, phạm vi giá trị độ khúc xạ vô tuyến là 0,89÷1,32 N-units, ở độ cao thấp 0,1 km giá trị này trong phạm vi là 330÷368 N-units. Chênh lệch giá trị lớn nhất độ khúc xạ vô tuyến ở các năm 2014-2016 không quá 11 N-units, nếu tính cả các năm 2017-2019 thì giá trị này lên tới 38 N- 8
units. Giá trị thấp nhất độ khúc xạ vô tuyến ở các năm là nhỏ, không có sự thay đổi nhiều, xung quanh mức 1 N-units. Kết quả tính toán phụ thuộc của độ khúc xạ vô tuyến trung bình theo độ cao như ở Hình 2.3, 2.4, 2.5. Đường nét liền thể hiện số liệu vệ tinh, đường nét đứt là giá trị tính theo mô hình chuẩn của ITU-R P.453, công thức (1.4). Đường cong thể hiện sự phụ thuộc độ khúc xạ vô tuyến vào độ cao trong các năm khá tương đồng, giá trị không có sự thay đổi nhiều, gần giống và ở nhiều vị trí có giá trị lớn hơn giá trị tính theo mô hình, giá trị độ khúc xạ vô tuyến có xu hướng giảm theo độ cao. Ở độ cao dưới 20 km, số liệu vệ tinh lớn hơn so với số liệu từ mô hình và tăng lên ở các độ cao thấp. Ở độ cao từ 20-40 km số liệu vệ tinh gần giống với số liệu từ mô hình. Sự khác biệt giá trị độ khúc xạ vô tuyến tính toán được và giá trị mô hình ITU-R như ở công thức (1.5) thể hiện độ lệch tuyệt đối so với giá trị chuẩn . Độ lệch tuyệt đối giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến trung bình từ phương pháp cắt lớp vô tuyến và giá trị theo mô hình ITU-R P.453, tính theo công thức (1.4), cho kết quả như ở Hình 2.6, 2.7, 2.8. Cho thấy, độ lệch tuyệt đối thay đổi theo độ cao, có giá trị lớn ở độ cao bé và có giá trị bé ở độ cao lớn. Ở độ cao lớn hơn 20 km sự khác biệt giá trị độ khúc xạ ở mức ±0 N-units tức là giá trị độ khúc xạ vô tuyến tính toán được gần giống so với giá trị ở mô hình tham chiếu chuẩn của ITU-R. Ở độ cao từ 5-20 km giá trị khác biệt ở mức dưới 20 N-units, độ khúc xạ tính toán được luôn lớn hơn độ khúc xạ từ mô hình. Ở độ cao dưới 5 km, nhìn chung thì độ chênh lệch tăng lên khi độ cao giảm. Độ lệch tuyệt đối (chênh lệch) giữa giá trị theo mô hình và giá trị xác định lên tới 70 N-units ở năm 2014, 60 N-units ở năm 2015, 50 N-units ở năm 2016. Nguyên nhân độ lệch tuyệt đối tăng ở các độ cao thấp, gần bề mặt trái đất, là do việc ước lượng theo mô hình ITU-R P.453 không tính được biến đổi của các yếu tố môi trường ở các độ cao thấp, đó là do quá trình công nghiệp hóa, đô thị hóa phát triển nhanh cùng với sự xuất hiện của nhiều tòa nhà cao tầng, sự gia tăng không ngừng của các phương tiện giao thông, sự có mặt nhiều hơn của các sol khí làm cho cấu trúc tầng thấp của khí quyển đối lưu có nhiều thay đổi dẫn đến sự khác biệt giá trị ước lượng và tăng nhanh ở các độ cao thấp. Tính toán độ lệch tương đối, theo công thức (1.6), giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến theo phương pháp cắt lớp vô tuyến và giá trị từ mô hình cho kết quả như ở Hình 2.9, 2.10, 2.11. Ở độ cao 2,5 – 7,5 km độ lệch tương đối có giá trị dương thay đổi ở xung quanh mức 10%; ở độ cao 12,5 – 17,5 km độ lệch tương đối có giá trị dương lớn nhất ở mức gần 30%; ở độ cao lớn hơn 17,5 km độ lệch tương đối giảm dần về mức 0% ở độ cao 20 km và tiếp tục giảm xuống mức -40% ở độ cao gần 40 km. Giá trị độ khúc xạ vô tuyến tính toán được theo phương pháp cắt lớp vô tuyến thay đổi từ mức lớn hơn (ở độ cao dưới 20 km) đến mức nhỏ hơn (ở độ cao lớn hơn 20 km) so với giá trị từ mô hình, nhưng độ lớn của độ lệch tương đối (xét về giá trị tuyệt đối) ở các độ cao thấp nhất và cao nhất đều ở mức cao khoảng 30 – 40%, nghĩa là đều có chênh lệch khá lớn. Ở xung quanh độ cao 20 km, độ lệch tương đối ở mức 0% thể hiện việc tính toán theo phương pháp cắt lớp vô tuyến và phương pháp mô hình là tương tự nhau. Điều này được giải thích là vì độ cao này nằm ở ranh giới phía dưới của tầng bình lưu và trên tầng đối lưu, khu vực này vốn khá ổn định, cho nên việc tính toán theo phương pháp cắt lớp vô tuyến và giá trị từ mô hình là tương đối giống nhau. Độ cao này nằm ở ranh giới phía trên của tầng bình lưu về phía tầng điện li, nơi có các dòng không khí chuyển động theo bề ngang mạnh cho nên sẽ ít ổn định hơn phía dưới của tầng bình lưu. Xác định biến thiên độ khúc xạ vô tuyến trung bình theo độ cao (độ dốc khúc xạ vô tuyến) cho kết quả như ở Hình 2.12, 2.13, 2.14. Độ dốc khúc xạ vô tuyến G không tăng/giảm thuần túy theo độ cao. Dù vậy, xét trong toàn dải thì đường cong độ dốc khúc xạ có xu hướng đi lên khi độ cao tăng. Nhưng độ lớn của độ dốc khúc xạ (giá trị tuyệt đối) có xu hướng giảm khi độ cao tăng. Ở độ cao dưới 2,5 km, biến thiên chỉ số khúc xạ theo độ cao thay đổi quanh giá trị -40 N-unit/km. Ở độ cao từ 5 – 7,5 km và 35 – 40 km, có sự thay đổi bất thường độ dốc khúc xạ trong năm 2015. Năm 2016, cũng 9
có sự thay đổi bất thường độ dốc khúc xạ ở độ cao từ 2,5 – 5 km. Ở độ cao từ 10-35 km, giá trị độ dốc khúc xạ khá ổn định, do đó không ảnh hưởng nhiều đến hướng truyền của tia sóng. Hình 2.3. Độ khúc xạ vô tuyến Hình 2.6. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc năm 2014. xạ vô tuyến năm 2014 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453. Hình 2.4. Độ khúc xạ vô tuyến Hình 2.7. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc năm 2015. xạ vô tuyến năm 2015 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453 Hình 2.5. Độ khúc xạ vô tuyến Hình 2.8. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc năm 2016. xạ vô tuyến năm 2016 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453 10
Hình 2.9. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc Hình 2.12. Độ dốc khúc xạ vô tuyến xạ vô tuyến năm 2014 với giá trị theo mô năm 2014. hình ITU-R P.453. Hình 2.10. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc Hình 2.13. Độ dốc khúc xạ vô tuyến xạ vô tuyến năm 2015 với giá trị theo mô năm 2015. hình ITU-R P.453. Hình 2.11. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc Hình 2.14. Độ dốc khúc xạ vô tuyến xạ vô tuyến năm 2016 với giá trị theo mô năm 2016. hình ITU-R P.453. 11
Hình 2.15. Hệ số k năm 2014. Hình 2.16. Hệ số k năm 2015. Hình 2.17. Hệ số k năm 2016. Hệ số bán kính trái đất hiệu dụng k (hay k-factor) trung bình để xác định hướng lan truyền của tia sóng trong khí quyển như ở Hình 2.15, 2.16, 2.17. Nhận thấy, hệ số k thay đổi giá trị phụ thuộc vào độ cao. Tuy vậy, xét một cách tổng thể thì hệ số k có xu hướng giảm khi độ cao tăng. Hệ số k luôn có giá trị dương, cho nên không xảy ra hiện tượng khúc xạ ống dẫn trong quá trình truyền sóng. Ở độ cao dưới 2,5 km, những vị trí khi có giá trị k > 4/3 sẽ xảy ra hiện tượng siêu khúc xạ khí quyển, khi đó tia sóng có hướng về trái đất và phản xạ ở bề mặt trái đất. Sở dĩ có hiện tượng siêu khúc xạ trong quá trình truyền sóng là do khu vực Hà Nội mang đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa, chia thành các mùa (xuân, hạ, thu, đông), hàng năm có nhiều cơn bão, mưa giông mà hiện tượng siêu khúc xạ lại thường liên quan đến bức xạ về đêm (tạo ra không khí ẩm và lạnh ở bề mặt), trước mỗi một cơn giông, bão [70] cho nên có hiện tượng siêu khúc xạ trong quá trình truyền sóng. Năm 2014 và 2016, trong phạm vi trên 10 km hệ số k ít thay đổi trong khoảng 1,2 > k > 1,0 tia sóng có bề lõm xuống dưới, hướng lan truyền tương đối ổn định, truyền sóng trong điều kiện lý tưởng. Kết quả này cũng giống như năm 2015 trong phạm vi từ 10-35 km. Dữ liệu cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh COSMIC-1 là loại dữ liệu tính toán tại hiện trường, mục đích chính của nội dung nghiên cứu này là tìm ra quy luật độ khúc xạ vô tuyến và đánh giá độ chính xác của mô hình chỉ số khúc xạ ITU-R P.453 bằng cách so sánh với phép đo cắt lớp tại chỗ. 2.3. Kết luận Chương 2 12
Chương này trình bày về phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh và giải pháp nghiên cứu sử dụng số liệu cắt lớp của vệ tinh COSMIC-1 để ước lượng độ khúc xạ vô tuyến và xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển tầng đối lưu khu vực Hà Nội. Giải pháp có ưu điểm là sử dụng được nguồn số liệu cắt lớp sẵn có trong thời gian dài, tin cậy, miễn phí, với một chi phí hợp lý. Phù hợp với điều kiện kinh tế, công nghệ ở trong nước. Giải pháp cho kết quả nhanh, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Nội dung nghiên cứu ở đây đã chỉ ra được đặc điểm lan truyền sóng vô tuyến trong khí quyển tầng đối lưu khu vực Hà Nội thông qua việc xác định độ khúc xạ vô tuyến, kết quả đạt được đem đối sánh với dữ liệu từ mô hình ITU-R. Tuy nhiên cần có sự đối sánh với các phương pháp khác để kiểm chứng các kết quả trên. Kết quả của chương này thể hiện trong công bố ở Tạp chí [J1]. CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TRONG KHÍ QUYỂN SỬ DỤNG SỐ LIỆU BÓNG THÁM KHÔNG Chương này sử dụng số liệu COSMIC-1 như đã đề cập ở Chương 2, cùng với số liệu bóng thám không để xác định gián tiếp độ khúc xạ vô tuyến và điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội. Đối sánh kết quả của phép đo được thực hiện ở phần nội dung sử dụng kết hợp hai loại dữ liệu trên. 3.1. Phương pháp bóng thám không Bóng thám không là một loại bóng bay được dùng để mang theo thiết bị đo các yếu tố khí tượng theo độ cao như áp suất khí quyển, nhiệt độ, độ ẩm và gió (hướng và tốc độ). Các kết quả đo sẽ được gửi trở lại thiết bị theo dõi trên mặt đất cứ sau một đến hai giây bằng sóng vô tuyến. Thời điểm thả bóng thám không trong ngày, số lượng các tham số quan trắc khí quyển và chia sẻ dữ liệu được tuân theo quy định của Tổ chức khí tượng Thế giới (WMO). Nước ta có 5 điểm thả bóng thám không. Tại Hà Nội, bóng thám không được thả hai lần trong ngày vào các thời điểm 00Z (+7GMT) và 12Z (+19GMT) từ địa điểm Đài khí tượng cao không (Láng Thượng, Đống Đa, Hà Nội). Sử dụng số liệu bóng thám không cho phép xác đinh được cấu trúc không gian của độ khúc xạ vô tuyến và điều kiện truyền sóng cho nên sẽ được sử dụng trong nội dung nghiên cứu ở đây. 3.2. Xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội sử dụng số liệu bóng thám không 3.2.1. Giải pháp thực hiện Các bước để xác định điều kiện truyền sóng sử dụng dữ liệu bóng thám không ở Hình 3.1. Hình 3.1. Các bước xác định điều kiện truyền sóng sử dụng số liệu bóng thám không. 13
Nguồn dữ liệu sơ cấp của bóng thám không cho khu vực Hà Nội có thể được lấy từ Tổng cục Khí tượng Thủy văn - Bộ Tài nguyên và Môi trường. Trong nội dung nghiên cứu của luận án, số liệu được lấy từ trang Web của đại học Wyoming [90], đây là nơi cung cấp số liệu của hầu hết các điểm thả bóng ở khắp nơi trên thế giới. Chi tiết về dữ liệu trong file CSV có ở Phụ lục 5. 3.2.2. Kết quả đạt được và phân tích đánh giá Trong nội dung nghiên cứu ở đây sử dụng số liệu của các năm 2016-2018 do có đầy đủ dữ liệu nhất. Tính toán độ khúc xạ vô tuyến cho 5 năm gần nhất tính đến thời điểm công bố bài báo [J2], năm 2021, cho thấy, độ khúc xạ vô tuyến có giá trị nhỏ ở độ cao lớn và ngược lại có giá trị lớn ở các độ cao thấp. Ở độ cao gần 20 km, giá trị độ khúc xạ nằm trong dải 38-41 N-units, ở độ cao thấp 0,1 km giá trị này trong phạm vi 365-370 N-units. Chênh lệch giá trị trung bình cao nhất độ khúc xạ vô tuyến giữa các năm không quá 4 N-units, trong khi đó chênh lệch giá trị trung bình thấp nhất độ khúc xạ vô tuyến ở mức chưa đến 3 N-units. Kết quả tính toán phân bố độ khúc xạ vô tuyến theo các tháng trong các năm 2016, 2017, 2018 như ở Hình 3.2, 3.3, 3.4. Thể hiện phân bố độ khúc xạ theo các tháng trong năm, độ cao tối đa thường ở mức 17 km, riêng tháng 1/2018 độ cao tối đa của bóng thám không ở mức gần 20 km. Các đường cong thể hiện giá trị độ khúc xạ đều giảm theo độ cao. Biến thiên độ khúc xạ vô tuyến trung bình theo độ cao như ở Hình 3.5, 3.6, 3.7 với đường nét liền (bên trên) là kết quả đo bóng thám không, đường nét đứt (bên dưới) là giá trị theo mô hình chuẩn của ITU-R, công thức (1.4). Thể hiện độ khúc xạ vô tuyến của từng năm, với đường nét liền thể hiện độ khúc xạ tính toán được, đường nét đứt là giá trị tính theo mô hình của ITU. Nhận thấy, độ khúc xạ vô tuyến của các năm khá tương đồng, độ khúc xạ vô tuyến giảm theo độ cao và lớn hơn độ khúc xạ tính theo mô hình. Khi độ cao tăng giá trị độ khúc xạ tính toán được tiến gần đến giá trị độ khúc xạ theo mô hình. Năm 2018, ở độ cao gần 20 km, độ khúc xạ tính toán được và giá trị theo mô hình gần giống nhau. Sự khác biệt giá trị độ khúc xạ vô tuyến tính toán được và giá trị mô hình ITU-R như ở công thức (1.5) thể hiện độ lệch tuyệt đối so với giá trị chuẩn. Độ lệch giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến trung bình sử dụng phương pháp bóng thám không với giá trị theo mô hình ITU-R P.453, tính theo công thức (1.4), cho kết quả như ở Hình 3.8, 3.9, 3.10. Thể hiện sự sai khác giữa độ khúc xạ tính toán được so với giá trị mô hình từ ITU-R P.453. Kết quả cho thấy rằng sự sai khác luôn có giá trị dương do giá trị theo mô hình ít hơn giá trị tính toán được, sự sai khác không đều ở các độ cao khác nhau, độ khúc xạ vô tuyến gần giống với giá trị trong mô hình chuẩn ở các độ cao lớn thể hiện ở giá trị sai khác ít, ở độ cao nhỏ sự khác biệt tăng nhanh. Ở độ cao trên 5 km, sự khác biệt giữa giá trị tính toán được và giá trị từ mô hình ở mức dưới 20 N-units, ở độ cao tới 20 km sự khác biệt này chỉ ở mức dưới 10 N-units. Trong phạm vi khí quyển tầm thấp (100 m) giá trị độ khúc xạ vô tuyến đo được lớn hơn ở mô hình chuẩn khoảng 60 N-units. Riêng năm 2018 hầu như không có khác biệt giữa độ khúc xạ tính toán được và giá trị mô hình ở độ cao gần 20 km, tức là sự khác biệt ở mức 0 N-units. Kết luận quan trọng rút ra ở đây đó là ở độ cao thấp, giá trị từ mô hình ITU-R có sự khác biệt khá nhiều so với giá trị tính toán được, do đó cần thiết phải sử dụng số liệu hiện trường (in-situ), như số liệu bóng thám không chẳng hạn để ước lượng chỉ số khúc xạ vô tuyến. Tính toán độ lệch tương đối, công thức (1.6), giữa giá trị độ khúc xạ vô tuyến theo phương pháp bóng thám không và giá trị từ mô hình ITU-R P.453 cho kết quả như ở Hình 3.11, 3.12, 3.13. Dạng biến thiên giá trị độ lệch tương đối giữa các năm không hoàn toàn giống nhau, cụ thể, dạng biến thiên năm 2016 và 2017 giống nhau và khác so với dạng biến thiên năm 2018. 14
Hình 3.2. Phân bố độ khúc xạ vô tuyến năm 2016. Hình 3.3. Phân bố độ khúc xạ vô tuyến năm 2017. Hình 3.4. Phân bố độ khúc xạ vô tuyến năm 2018. 15
Hình 3.5. Độ khúc xạ vô tuyến Hình 3.8. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc năm 2016. xạ vô tuyến năm 2016 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453. Hình 3.6. Độ khúc xạ vô tuyến Hình 3.9. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc năm 2017. xạ vô tuyến năm 2017 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453. Hình 3.7. Độ khúc xạ vô tuyến năm 2018. Hình 3.10. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2018 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453. Phạm vi thay đổi giá trị độ khúc xạ vô tuyến giữa giá trị nhỏ nhất và giá trị lớn nhất trong các tháng như ở Hình 3.14, 3.15, 3.16. Thể hiện phạm vi độ khúc xạ vô tuyến của từng tháng trong năm. 16
Kết quả cho thấy, giá trị nhỏ nhất của độ khúc xạ ở các tháng ít có sự thay đổi ở mức 40 N-units, riêng năm 2018 các tháng 1 và tháng 5 có sự thay đổi giá trị nhỏ nhất của độ khúc xạ ở mức thấp hơn so với các tháng khác, kết quả là độ khúc xạ vô tuyến nhỏ nhất của năm 2018 cũng thấp hơn so với các năm khác. Giá trị độ khúc xạ lớn nhất giữa các tháng có sự thay đổi nhiều. Kết quả cũng cho thấy mùa hè thu với nền nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ trung bình của năm là các tháng 4-10, giá trị lớn nhất của độ khúc xạ vô tuyến tăng đạt đỉnh vào tháng 7-9. Mùa đông xuân, có nền nhiệt độ thấp hơn, là các tháng khác trong năm cho kết quả độ khúc xạ vô tuyến có xu hướng giảm. Tính toán biến thiên độ khúc xạ vô tuyến trung bình theo độ cao (độ dốc khúc xạ vô tuyến) cho kết quả như ở Hình 3.17, 3.18, 3.19. Cho thấy, không giống như độ khúc xạ vô tuyến, biến thiên độ khúc xạ vô tuyến không tăng/giảm thuần túy theo độ cao. Nhưng độ lớn của độ dốc (giá trị tuyệt đối) có xu hướng giảm khi độ cao tăng. Ở độ cao thấp độ khúc xạ vô tuyến thay đổi với biên độ nhiều hơn các thay đổi ở độ cao lớn. Ở độ cao dưới 3,75 km, G thay đổi nhiều quanh giá trị -40 N-units/km. Độ cao trên 3,75 km biên độ thay đổi ít hơn. Trong phạm vi từ 10-16 km, G ít thay đổi làm cho hướng truyền lan sóng vô tuyến khá ổn định. Trong phạm vi dưới 10 km, độ khúc xạ vô tuyến thay đổi nhiều theo độ cao do vậy ảnh hưởng nhiều đến quỹ đạo của tia sóng. Năm 2018, G có sự thay đổi bất thường ở độ cao 16 km -17.5 km. Hệ số bán kính trái đất hiệu dụng k (hay k-factor) trung bình dùng để xác định hướng lan truyền của tia sóng trong khí quyển, kết quả tính toán như ở Hình 3.20, 3.21, 3.22. Cho thấy hệ số bán kính trái đất hiệu dụng k thay đổi phụ thuộc vào độ cao. Dù vậy xét một cách tổng thể thì hệ số k có xu hướng giảm theo độ cao. Hệ số k luôn có giá trị dương, tức là truyền sóng trong điều kiện khúc xạ phụ hoặc trong miền siêu khúc xạ và không xảy ra hiện tượng khúc xạ ống dẫn tương ứng với trường hợp -∞ < k < 0. Nguyên nhân là do khu vực Hà Nội mang đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa hàng năm xuất hiện nhiều cơn bão nhiệt đới, mà hiện tượng siêu khúc xạ thường xảy ra trước mỗi một cơn bão [70] cho nên có hiện tượng siêu khúc xạ trong quá trình truyền sóng. Năm 2016-2017, trong phạm vi từ 10-17.5 km, hệ số k nằm trong dải 1.2 > k > 1.0 tức là truyền sóng lý tưởng, tương ứng với điều kiện thời tiết không có lớp bề mặt cùng với sương mù, địa hình khô, miền núi, không sương mù, tia sóng có bề lõm hướng xuống dưới. Năm 2018, ở độ cao 16 km-17.5 km có một số thời điểm hệ số k < 1 khi đó tia sóng có bề lõm hướng lên trên trong khi ở phần lớn các độ cao khác có k > 1 tia sóng đều có bề lõm hướng xuống dưới, ở độ cao 10-16 km và 17.5 km-20 km hệ số k nằm trong dải 1.2 > k > 1.0 là điều kiện truyền sóng lý tưởng tia sóng có bề lõm hướng xuống dưới tuy vậy truyền sóng ở độ cao 10-16 km ổn định hơn ở độ cao 17.5 km-20 km do có G ít thay đổi hơn. Nguyên nhân là do phân bố độ khúc xạ vô tuyến năm 2018 khác so với các năm 2016 và 2017 đó là tháng 1/2018 độ cao tối đa của bóng thám không ở mức gần 20 km trong khi độ cao tối đa trong tháng các năm 2016-2018 thường ở mức 17 km. Trong phạm vi dưới 17 km thì dạng biến thiên giá trị độ lệch tương đối ở các năm 2016-2018 về cơ bản là như nhau. Khu vực Hà Nội nằm ở miền nhiệt đới gió mùa, độ cao tầng đối lưu là 16-18 km, cho nên nếu tính riêng ở tầng đối lưu thì dạng biến thiên giá trị độ lệch tương đối trong các năm 2016-2018 là cơ bản giống nhau. Ở độ cao thấp, độ lệch tương đối cớ giá trị dương ở mức dưới 20%; ở xung quanh độ cao 5 km độ lệch tương đối có giá trị dương nhỏ nhất quanh mức 10%; ở xung quanh độ cao 15 km độ lệch tương đối có giá trị dương lớn nhất ở quanh mức 25%; ở độ cao lớn hơn 15 km độ lệch tương đối giảm dần về mức 0% ở độ cao gần 20 km. Như vậy trong phạm vi tầng đối lưu khu vực Hà Nội, độ lệch tương đối đều có giá trị dương, tức là giá trị độ khúc xạ tính toán bằng phương pháp bóng thám không luôn lớn hợn giá trị mô hình, và có độ lệch tương đối lớn nhất ở mức 25% và nhỏ nhất ở mức 10%, ở độ cao dưới 5 km độ lệch tương đối giảm theo độ cao, độ cao từ 5-15 km độ lệch tăng theo độ cao, độ cao từ 15-17 km độ lệch lại có xu hướng giảm theo độ cao. 17
Hình 3.11. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc Hình 3.14. Phạm vi giá trị độ khúc xạ vô xạ vô tuyến năm 2016 với giá trị theo mô tuyến năm 2016. hình ITU-R P.453. Hình 3.12. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc Hình 3.15. Phạm vi giá trị độ khúc xạ vô xạ vô tuyến năm 2017 với giá trị theo mô tuyến năm 2017. hình ITU-R P.453. Hình 3.13. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc Hình 3.16. Phạm vi giá trị độ khúc xạ vô xạ vô tuyến năm 2018 với giá trị theo mô tuyến năm 2018. hình ITU-R P.453. 18