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 SĨNG
VƠ TUYẾN TẦNG ĐỐI LƯU KHU VỰC HÀ NỘI
SỬ DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP CẮT LỚP VƠ TUYẾN
VÀ BĨNG THÁM KHƠNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội - 2023


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
---------------------------------------

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ ĐIỀU KIỆN TRUYỀN SĨNG
VƠ TUYẾN TẦNG ĐỐI LƯU KHU VỰC HÀ NỘI
SỬ DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP CẮT LỚP VƠ TUYẾN
VÀ BĨNG THÁM KHƠNG
Ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số ngành: 9.52.02.08

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Người hướng dẫn khoa học:
Hướng dẫn 1: TS. Trần
HoàiT r u n g
Hướng dẫn 2: TS. Phạm Xuân Thành

LỜI CAM ĐOAN
Luậnán“Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu
khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vơ tuyến và bóng thám
khơng”được thựchiệndướisựhướngdẫncủaTS.TrầnHồiTrungvàTS.PhạmXn Thành.
Tơi

xincamđoanđâylàcơngtrình

giả.Cáckếtquảnghiêncứuvàcáckếtluận

nghiêncứucủabản

trong

chéptừbấtkỳmộtnguồnnàovàdướibất

thân

luậnánnàylàtrung

kỳhìnhthức

thực,khơngsao

nào.Việcthamkhảo

cácnguồntàiliệuđãđược thựchiệntríchdẫnvàghinguồntàiliệuthamkhảođúngquyđịnh.
Tác giả

Phạm Chí Cơng

1

tác


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Trần Hoài Trung –
Giảng viên Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Giao thông Vận tải và TS.
Phạm Xuân Thành – Phòng Vật lý Khí quyển, Viện Vật lý Địa Cầu đã hướng
dẫn, giúp đỡ rất nhiều để tơi có điều kiện thực hiện những ý tưởng của mình,
chuẩn bị những kiến thức cơ bảnchoviệc thực hiện luậnán.
Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS.
Nguyễn Xuân Anh – Viện trưởng, Viện Vật lý Địa Cầu, người đã tận tình chỉ
bảo từ những ngày đầu tiên khi tôi nhận quyết định công nhận nghiên cứu sinh
trúng tuyển. Trong quá trình làm luận án, TS. Nguyễn Xuân Anh luôn giúp đỡ
và sẵn sàng thảo luận về các kết quả nghiên cứu đạt được, kịp thời động viên tơi
vượt qua những khó khăn trong cả qng thời gian dài đãqua.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới các Thầy, Cô ở khoa Điện - Điện tử
Trường Đại học Giao thông – Vận tải đã giúp đỡ rất nhiều khi học tập tại
Trường; Các Anh, Chị ở Phòng Vật lý Khí quyển - Viện Vật lý Địa cầu đã hỗtrợ
trong quá trình tìm hiểu và thu thập dữ liệu phục vụ nội dung nghiên cứu của luận
án; Đồng nghiệp tại Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa luôn chia sẻ
kinh nghiệm và tạo điều kiện giúp tôi hồn thành luậnán.
Cuối cùng, tơi xin gửi lịng biết ơn tới gia đình, bạn bè thân thiết đã ln
bên tơi để động viên, hỗ trợ trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Trân trọng./.
Tác giả

Phạm Chí Cơng


MỤC LỤC
LỜICAM ĐOAN.................................................................................................i
LỜICẢMƠN.......................................................................................................ii
DANHMỤCCÁC KÝ HIỆU ĐƯỢCS Ử DỤNG..............................................vi
DANHMỤCCÁC THUẬT NGỮV I Ế T TẮT................................................viii
DANHMỤCCÁCHÌNHVẼ................................................................................x
DANHMỤCCÁCBẢNGBIỂU........................................................................xv
LỜIMỞĐẦU........................................................................................................1
Lý do lựa chọnluậnán...........................................................................................1
Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu củal u ậ n án.......................................5
Phương phápnghiêncứu........................................................................................6
Các đóng góp chính củaluậnán.............................................................................7
Hiệu quả kinh tếxãhội...........................................................................................8
Bố cục củaluậnán..................................................................................................8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA KHÍ QUYỂN ĐẾN
TRUYỀN SĨNGVƠTUYẾN...........................................................................11
1.1. Truyền sóng vơ tuyến trongk h í quyển.......................................................11
1.2. Phân tích các phương pháp xác định chỉ số khúc xạv ô tuyến....................15
1.2.1. Phương pháp xác định chỉ số khúc xạv ô tuyến.......................................16
1.2.2. Phương pháp đo gián tiếp chỉ số khúc xạv ô tuyến.................................21
1.2.3. Phương pháp đo trực tiếp chỉ số khúc xạv ơ tuyến..................................24
1.3. Ảnh hưởng của khí quyển đối lưu đến truyền sóngv ơ tuyến.....................25
1.3.1. Các tham số khí quyển trên đường truyền sóngv ơ tuyến........................25
1.3.2. Ảnh hưởng của các tham số khí quyển đếnt r u y ề n sóng.......................31
1.4. Tình hình nghiên cứu liên quan đến nội dungl u ậ n án...............................39
1.4.1. Tình hình nghiên cứu ởngồinước........................................................39

1.4.2. Tình hình nghiên cứutrongnước...........................................................43
1.5. Kết luậnChương1......................................................................................45


CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TRUYỀN SÓNG VƠ
TUYẾN TRONG KHÍ QUYỂN SỬ DỤNG SỐ LIỆU CẮT LỚP VƠ
TUYẾN............................................................................................................... 47
2.1. Phương pháp cắt lớp vơ tuyến sử dụngv ệ tinh.............................................48
2.1.1. Nội dung của phương pháp cắt lớpv ô tuyến..............................................49
2.1.2. Ưu và nhược điểm của phương pháp cắt lớpv ô tuyến...............................55
2.2. Xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội
sử dụng số liệu cắt lớpvô tuyến...........................................................................56
2.2.1. Giải phápthựchiện....................................................................................56
2.2.2. Kết quả đạt được và phân tíchđ á n h giá.....................................................61
2.3. Kết luậnChương2........................................................................................69
CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TRUYỀN SĨNG VƠ
TUYẾN TRONG KHÍ QUYỂNSỬDỤNG SỐ LIỆU BĨNG THÁM KHƠNG
............................................................................................................................ 70
3.1. Phương pháp bóngthámkhơng....................................................................70
3.2. Xác định điều kiện truyền sóng vơ tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội
sử dụng số liệu bóngth á m không........................................................................72
3.2.1. Giải phápthựchiện....................................................................................72
3.2.2. Kết quả đạt được và phân tíchđ á n h giá.....................................................75
3.3. Xác định điều kiện truyền sóng vơ tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội
sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến và số liệu bóngt h á m k h ơ n g ......................84
3.3.1. Giải phápthựchiện....................................................................................84
3.3.2. Kết quả đạt được và phân tíchđ á n h giá.....................................................85
3.4. Kết luậnChương3........................................................................................96
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨUT I Ế P THEO...............................98
DANHMỤCCÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃC Ơ N G BỐ...............101

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CĨ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬNÁN.........................................................................................................102


TÀI LIỆUTHAMKHẢO................................................................................103
PHỤLỤC..........................................................................................................115
Phụ lục 1. Phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụngv ệ tinh.................................115
Phụ lục 2. Cấu trúc dữ liệu phục vụ nội dung nghiên cứu củal u ậ n án.............122
Phụ lục 3. Xây dựng phần mềm thu thập dữ liệu phục vụ nghiên cứu xác định
điều kiện truyền sóngvơtuyến...........................................................................126
Phụ lục 4. Dữ liệu cắt lớp vô tuyến sử dụngv ệ tinh...........................................136
Phụ lục 5. Dữ liệu bóngthámkhơng..................................................................162


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG
STT

Ký hiệu

Mô tả

1

𝜌

Mật độ điện tích tồn phần

2

1/a

Độ cong của trái đất

3

1/𝜌

Độ cong của tia sóng

4

a

Bán kính trái đất

5

ai

Hệ số ảnh hưởng của nhiệt độ

6

as

Đường kính hạt

7

bi

Hệ số ảnh hưởng của áp suất hơi nước

8

ci

Hệ số ảnh hưởng của áp suất

9

dM/dh

Biến thiên mô-đun theo phương thẳng đứng

10

dn/dh

Biến thiên chỉ số khúc xạ theo phương thẳng đứng

11

dN/dh

Biến thiên độ khúc xạ theo phương thẳng đứng

12

e

Áp suất hơi nước

13

es

Áp suất hơi bão hòa

14

G

Độ dốc khúc xạ vô tuyến

15

g

Gia tốc trọng trường

16

h

Độ cao trên bề mặt trái đất

17

h0

Độ cao tham chiếu

18

k, k-factor

Hệ số bán kính trái đất hiệu dụng

19

ke

Giá trị củak, vượt quá 99,99% thời gian

20

M

Mô-đun khúc xạ hay độ khúc xạ vô tuyến thay thế

21

md, m

Khối lượng phân tử trung bình của khí khơ/ẩm

t

STT

Ký hiệu

Mô tả

22

n

Chỉ số khúc xạ vô tuyến hay chỉ số khúc xạ khí quyển

23

N

Độ khúc xạ vơ tuyến hay độ khúc xạ khí quyển

24

N0

Độ khúc xạ tham chiếu

25

ne

Mật độ điện tích

26

Nh

Độ khúc xạ tính theo phương pháp gián tiếp ở độ caoh

27

Ns

Độ khúc xạ tính theo mơ hình ITU-R P.453 ở độ caohs

28

P

Áp suất khí quyển tồn phần

29

Re

Bán kính trái đất tương đương

30

RH

Độ ẩm tương đối (%)

31

Ru

Hằng số chất khí

32

s1

Tín hiệu ở băng tần L1

33

s2

Tín hiệu ở băng tần L2

34

T

Nhiệt độ tuyệt đối (oK)

35

Wi, w

Tổng lượng hơi nước/đá

36

α

Góc uốn cong trung tâm

37

α1

Góc uốn cong của tín hiệu ở băng tần L1

38

α2

Góc uốn cong của tín hiệu ở băng tần L2

39

λs

Bước sóng kích thích

40

ρd,m

Mật độ khí khơ/ẩm

41

𝜌

Bán kính cong của tia sóng

42

𝜌

Góc tới của tia sóng so với phương nằm ngang


DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
STT

Chữ viết tắt

Tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

1

BeyDou

BeiDou Navigation
Satellite System

Hệ thống vệ tinhdẫnđường

Bắc Đẩu(TrungQuốc)

2

CDAAC

COSMIC Data Analysis
and Archive Center

Trung tâm lưu trữ và phân
tích dữ liệu COSMIC

3

CDL

Common Data Language

Ngôn ngữ dữ liệu chung

4

COSMIC

Constellation Observing
System for Meteorology,
Ionosphere, and Climate

Hệ thống quan sát chịm
sao cho khí tượng, tầng

điện ly và khí hậu

5

CSI

Channel State Information

Thơng tin trạng thái kênh

6

CSV

Comma Separated Values

Giá trị được phân
táchbằng dấuphẩy

7

DOA

Direction Of Arrival

Hướng sóng tới

8

GALILEO

Galileo Navigation
Satellite System

Hệ thống vệ tinh
dẫnđường Galileo
(ChâuÂu)

9

GLONASS

Globalnaya
Navigatsionnaya
Sputnikovaya Sistema

Hệ thống vệ tinh dẫn
đường toàn cầu (Liên bang
Nga)

10

GMT

Greenwich Mean Time

Giờ chuẩn Greenwich

11

GNSS

Global Navigation Satellite
System

Hệ thống vệ tinh dẫn
đường toàn cầu

12

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị tồn cầu
(Hoa Kỳ)

13

ICAO

International Civil Aviation Tổ chức Hàng khơng Dân
Organization
dụng Quốc tế

14

ITU

International

Telecommunication Union

Liên minh Viễn thông
Quốc tế


STT

Chữ viết tắt

Tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

15

ITU-R

ITU Radiocommunication
Sector

Bộ phận Thông tin
vôtuyến của ITU

16

LEO

Low Earth Orbit

Quỹ đạo trái đất thấp

17

LOS

Line Of Sight

Tầm nhìn thẳng

18

NASA

National Aeronautics and
Space Administration

Cơ quan Hàng khơng và
Vũ trụ Quốc gia (Hoa Kỳ)

19

netCDF

Network Common Data
Format

Định dạng dữ liệu chung
mạng

20

NOAA

National Oceanic and
Atmospheric
Administration

Cục quản lý Khí quyển và
Đại dương Quốc gia (Hoa
Kỳ)

21

OTH

Over-The-Horizon

Vượt qua đường chân trời

22

PD

Path Delay

Trễ đường truyền

23

RO

Radio Occultation

Cắt lớp vơ tuyến

24

TEC

Total Electron Content

Lượng điện tích tổng cộng

25

UHF

Ultra high frequency

Tần số cực cao

26

VHF

Very high frequency

Tần số rất cao

27

wetPrf

Wet Profile

Mặt cắt ẩm

28

WMO

World Meteorological
Organization

Tổ chức khí tượng thế giới

29

ZTD

Zenith Tropospheric Delay

Trễ thiên đỉnh tầng đối lưu


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mơi trường truyền dẫn vơ tuyến trongk h í quyển................................11
Hình 1.2. Thành phần khơng khí khơ ở mặt đất (% theot h ể tích).......................12
Hình 1.3. Tán xạ đàn hồi trên các hạt có kích thước khác nhau với bước sóng

kíchthích.................................................................................................................... 13
Hình 1.4. Mức độ chính xác được mong đợi trong phép đo chỉ sốk h ú c xạ.......22
Hình 1.5. Sự phụ thuộc củakv à o G......................................................................28
Hình 1.6. Điều kiện truyền sóng thơng thường với độ dốc khúcx ạ âm...............30
Hình 1.7. Điều kiện truyền sóng bất thường với độ dốc khúcx ạ dương..............30
Hình 1.8. Điều kiện truyền sóng bất thường với độ dốc khúcx ạ âm...................30
Hình 1.9. Phân bố xác suất của độ dốc khúc xạ vơt u y ế n [89]...........................31
Hình 1.10. Quỹ đạo tia sóng ở mơ hình trái đất thực và tia sóng bị uốnc o n g

34

Hình 1.11. Quỹ đạo tia sóng ở mơ hình trái đất tương đương và tia sóng đi thẳng.34
Hình 1.12. Quỹ đạo tia sóng trong các điều kiện khí quyển khác nhau ở mơ hình
tráiđấtthực.................................................................................................................35
Hình 1.13. Quỹ đạo tia sóng trong các điều kiện khí quyển khác nhau ở mơ hình
tráiđấtphẳng..............................................................................................................35
Hình 1.14. Quan hệ giữa hệ sốkevà độ dài tuyến truyền sóng (nguồn khuyến nghị
ITU-R.P.530[74]).....................................................................................................37
Hình 1.15. Kết quả đo đạc từ thiết bị (đường liền) và so sánh với bóng thám khơng
(đường vớiơtrắng).....................................................................................................42
Hình 2.1. Phổ cơng suất của tín hiệu GPS. Phía bên trái là khoảng thời gian đối với
từng loại vệtinh[40]..................................................................................................49
Hình 2.2. Phương pháp cắt lớp vô tuyến. (1) trạng thái bắt đầu bị che khuất khi
đường truyền vô tuyến giữa GPS và LEO đi vào tầng cao của khí quyển. (2) tia sóng
nằm sâu trong khí quyển, nó bị uốn cong do gia tốct r ọ n g trường..........................50


Hình 2.3. Quá trình tạo ra các lát cắt theo chiều dọc do sự di chuyển tương đối giữa
vệ tinh GPS và vệ tinh khít ượ ng LEO......................................................................50
Hình 2.4. Các bước xác định tham sốk h í quyển..................................................52

Hình 2.5. Các góc và các tham số được sử dụng ở kỹ thuật cắt lớpv ơ tuyến.....52
Hình 2.6. Các bước xác định điều kiện truyền sóng sử dụng số liệu cắt lớp vơ tuyến
.................................................................................................................................. 56
Hình 2.7. Các trường dữ liệu cắt lớp trong filep r o f i l e ẩm................................58
Hình 2.8. Độ khúc xạ vơ tuyếnn ă m 2014............................................................63
Hình 2.11. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2014 với giá trị theo
mơ hìnhITU-R P.453..............................................................................................63
Hình 2.9. Độ khúc xạ vơ tuyếnn ă m 2015............................................................63
Hình 2.12. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2015 với giá trị theo
mơ hìnhITU-R P.453..............................................................................................63
Hình 2.10. Độ khúc xạ vơ tuyếnn ă m 2016..........................................................63
Hình 2.13. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2016 với giá trị theo
mơ hìnhITU-R P.453..............................................................................................63
Hình 2.14. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2014 với giá trị theo
mơ hìnhITU-R P.453..............................................................................................65
Hình 2.15. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2015 với giá trị theo
mơ hìnhITU-R P.453..............................................................................................65
Hình 2.16. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2016 với giá trị theo
mơ hìnhITU-R P.453..............................................................................................65
Hình 2.17. Độ dốc khúc xạ vơ tuyếnn ă m 2014...................................................67
Hình 2.20. Hệ sốknăm2014................................................................................67
Hình 2.18. Độ dốc khúc xạ vơ tuyếnn ă m 2015...................................................67
Hình 2.21. Hệ sốknăm2015................................................................................67
Hình 2.19. Độ dốc khúc xạ vơ tuyếnn ă m 2016...................................................67
Hình 2.22. Hệ sốknăm2016................................................................................67


Hình 3.1. Bóng thám khơng mang thiết bị đo các thơng sốk h í quyển................71
Hình 3.2. Các bước xác định điều kiện truyền sóng sử dụng số liệu bóng thám khơng
.................................................................................................................................. 72

Hình 3.3. Dữ liệu quan trắc tại trạm khí tượng Hà Nội, ngày 30/08/2021, thời điểm
00Z (+7 GMT) tức7hsáng.........................................................................................74
Hình 3.4. Phân bố độ khúc xạ vô tuyếnn ă m 2016...............................................76
Hình 3.7. Độ khúc xạ vơ tuyếnn ă m 2016............................................................76
Hình 3.5. Phân bố độ khúc xạ vô tuyếnn ă m 2017...............................................76
Hình 3.8. Độ khúc xạ vơ tuyếnn ă m 2017............................................................76
Hình 3.6. Phân bố độ khúc xạ vô tuyếnn ă m 2018...............................................76
Hình 3.9. Độ khúc xạ vơ tuyếnn ă m 2018............................................................76
Hình 3.10. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vơ tuyến năm 2016 với giá trị theo
mơ hìnhITU-R P.453..............................................................................................79
Hình 3.13. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vơ tuyến năm 2016 với giá trị theo
mơ hìnhITU-R P.453..............................................................................................79
Hình 3.11. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vơ tuyến năm 2017 với giá trị theo
mơ hìnhITU-R P.453..............................................................................................79
Hình 3.14. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vơ tuyến năm 2017 với giá trị theo
mơ hìnhITU-R P.453..............................................................................................79
Hình 3.12. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vơ tuyến năm 2018 với giá trị theo
mơ hìnhITU-R P.453..............................................................................................79
Hình 3.15. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vơ tuyến năm 2018 với giá trị theo
mơ hìnhITU-R P.453..............................................................................................79
Hình 3.16. Phạm vi giá trị độ khúc xạ vô tuyếnn ă m 2016..................................80
Hình 3.17. Phạm vi giá trị độ khúc xạ vơ tuyếnn ă m 2017..................................80
Hình 3.18. Phạm vi giá trị độ khúc xạ vơ tuyếnn ă m 2018..................................80
Hình 3.19. Độ dốc khúc xạ vơ tuyếnn ă m 2016...................................................82
Hình 3.22. Hệ sốknăm2016................................................................................82


Hình 3.20. Độ dốc khúc xạ vơ tuyếnn ă m 2017...................................................82
Hình 3.23. Hệ sốknăm2017................................................................................82
Hình 3.21. Độ dốc khúc xạ vơ tuyếnn ă m 2018...................................................82

Hình 3.24. Hệ sốknăm2018................................................................................82
Hình 3.25. Các bước xác định điều kiện truyền sóng sử dụng số liệu cắt lớp vơ tuyến
và số liệu bóngthámkhơng.......................................................................................84
Hình 3.26. Độ khúc xạ vơ tuyến (bóngt h á m khơng)..........................................85
Hình 3.27. Độ khúc xạ vơtuyế n (COSMIC-1)...................................................85
Hình 3.28. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vơ tuyến (bóng thám khơng) với giá
trị theo mơ hìnhITU-RP.453....................................................................................86
Hình 3.29. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến (COSMIC-1) với giá trị theo
mơ hìnhITU-R P.453..............................................................................................86
Hình 3.30. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vơ tuyến (bóng thám khơng) với giá
trị theo mơ hìnhITU-RP.453....................................................................................87
Hình 3.31. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến (COSMIC-1) với giá trị
theo mơ hìnhITU-RP.453........................................................................................87
Hình 3.32. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ tính được bằng phương pháp bóng
thám khơng và phương pháp cắt lớpv ơ tuyến............................................................88
Hình 3.33. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ tính được bằng phương pháp bóng
thám khơng và phương pháp cắt lớpv ơ tuyến............................................................88
Hình 3.34. Độ dốc khúc xạ vơ tuyến (bóngt h á m khơng)...................................90
Hình 3.35. Độ dốc khúc xạ vơt u y ế n (COSMIC-1)............................................90
Hình 3.36. Hệ sốk(bóngt h á m khơng)..................................................................90
Hình 3.37. Hệ sốk(COSMIC-1)..........................................................................90
Hình 3.38. Độ trễ thiên đỉnh sử dụng số liệu bóngt h á m khơng..........................91
Hình 3.39. Quy trình ứng dụng số liệu cắt lớp vô tuyến và số liệu bóng thám khơng
để ước lượng chỉ số khúc xạ của khí quyểnđ ố i lưu..................................................94


HìnhP1.1. Cácgócvà cácthamsốđượcsửdụngở kỹthuậ tcắtlớpvơtuyến.
...........................................................................................................................1 1 7
Hình P2.1. Ví dụ về dữ liệu netCDF. Bên trái là nhiệt độ, bên phải là áp suất phân bố
trong một khu vựccụthể..........................................................................................122

Hình P2.2. Ví dụ về dữ liệu ba chiều (bên trái), dữ liệu thay đổi theo thời gian và dữ
liệu bốn chiều (bên phải), dữ liệu thay đổi theođ ộ cao............................................123
Hình P2.3. Ví dụ về dữ liệu củaf il e CDL..........................................................123
Hình P2.4. Cấu trúc của mộtfileCSV...............................................................124
Hình P3.1. Mơ hình phát triểnphầnmềm..........................................................127
Hình P3.2. Cấu trúc (CDL) của mộtp r o f i l e ẩm...............................................130
Hình P3.3. Dữ liệu quan trắc tại trạm khí tượng Hà Nội, ngày 30/08/2021, thời điểm
0h (+7 GMT) tức7hsáng.........................................................................................133
Hình P4.1. Cách xem dữ liệu trongf i l e netCDF...............................................136


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh các phương pháp xác định chỉ số khúc xạv ô tuyến...............20
Bảng 1.2. Các hằng số củak h í quyển..................................................................21
Bảng 1.3. Giá trịGvàk.........................................................................................28
Bảng 1.4. Giá trịkvàG.........................................................................................28
Bảng 1.5. Phân loại các dạng khúc xạk h í quyển.................................................33
Bảng 1.6. Điều kiện truyền sóng với các hệ sốkk h á c nhau................................38
Bảng 2.1. Dữ liệu đặc trưng của một số nhiệm vụk h ô n g g i a n ....................51
Bảng 2.2. Thu thập số liệu cắt lớpv ô tuyến.........................................................61
Bảng 2.3. Thu thập số liệu cắt lớp khu vựcH à N ộ i .........................................61
Bảng 2.4. Phạm vi độ khúc xạ vơ tuyến trungb ì n h (COSMIC-1).....................62
Bảng 3.1. Thu thập số liệuth á m không...............................................................73
Bảng 3.2. Phạm vi độ khúc xạ vơ tuyến trung bình (bóngt h á m không)............75
Bảng 3.3. So sánh các giải pháp ước lượng chỉ số khúc xạv ô tuyến...................93


LỜI MỞ ĐẦU
Lý do lựa chọn luận án
Khí quyển trái đất ảnh hưởng nhiều đến truyền sóng vơ tuyến, các ảnh

hưởng này rất khác nhau tùy theo tính chất phân vùng của khí quyển. Ảnh
hưởng nhiều nhất của khí quyển đó là hiện tượng khúc xạ và phản xạ. Khúc xạ
có thể xảy ra ở tầng đối lưu và tầng điện li. Khúc xạ tầng đối lưu xảy ra do tính
khơng đồng nhất của tầng đối lưu, chỉ số khúc xạ khí quyển (hay chiết
suất)nthường giảm theo độ cao là nguyên nhân làm thay đổi quỹ đạo của tia sóng.
Thậm chí tia sóng cịn có thể bị uốn cong trở về mặt đất và phản xạ trên mặt đất
(siêu khúc xạ). Trong khi đó hiện tượng khúc xạ tầng điện li xảy ra do sở hữu
nhiều điện từ tự do và các thành tố ion tạo ra bởi quá trình ion hóa khí quyển. Sự
thay đổi của mật độ điện tíchnelà nguyên nhân gây ra hiện tượng khúc xạ. Phản
xạ ở tầng điện li cũng có thể xảy ra với góc tới và tần số thích hợp (dưới 40
MHz). Bầu khí quyển đối lưu cịn gây ra suy giảm tín hiệu vơ tuyến dosựhấp thụ
của các phân tử khơng khí, phân tử nước và lượng mưa(mưa).
Theo định luật Snell, sóng vơ tuyến đi qua tầng đối lưu khí quyển bị bẻ
cong do sự thay đổi chỉ số khúc xạ (chiết suất)ntrong mơi trường truyền sóng. Lý
thuyết về hướng nghiên cứu này được phát triển từ lâu, tiêu biểu là các cơng trình
[16] [87] [100]. Hệ số bán kính trái đất hiệu dụngk(còn gọi làk-factor) cho biết
trạng thái khúc xạ của khí quyển ảnh hưởng đến hướng truyền của tia sóng. Do
vậy hệ sốklà tham số chính để dự đốn điều kiện truyền sóng trong khí quyển.
Bởi vì hệ sốkphụ thuộc chủ yếu vào biến thiên chỉ số khúc xạ theo
phươngthẳngđứngmàkhôngphụthuộcvàogiátrịtuyệtđốicủachỉsốkhúcxạ
[3] [29], kết quả là sự thay đổi chỉ số khúc xạntheo độ cao làm cho tia sóng bị
uốn cong khi truyền qua các lớp khác nhau trong khí quyển.
Hiệu suất của tuyến thông tin phần lớn phụ thuộc vào môi trường truyền
dẫn giữa phía phát và phía thu. Khơng giống như truyền dẫn hữu tuyến thì kênh
1


truyền là cố định và có thể dự đốn được, cịn truyền sóng vơ truyến trong khí
quyển thì lại khác do phụ thuộc vào các đặc tính vật lý của khí quyển là áp suất,
nhiệt độ, độ ẩm và các hạt lơ lửng [57]. Sự tồn vẹn của thơng tin nhận được ở

máy thu phụ thuộc vào mức độ biến dạng của tín hiệu trong mơi trường, do
nhiễu trong q trình truyền tín hiệu vơ tuyến bởi sự thay đổi của thời tiết cũng
như các yếu tố môi trường [59]. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng mức độ hoặc
cách thức biến đổi của chỉ số khúc xạ theo độ cao có ảnh hưởng rõ rệt đến sóng
vơ tuyến ở dải tần VHF, UHF và sóng vi ba [3]. Các kết quả tổng hợp cho thấy
sự thay đổi khúc xạ ảnh hướng đáng kể đến cường độ tín hiệu thu được ở tần số
UHF, chỉ số khúc xạ có tính quy luật theo mùa, thay đổi theo ngày và đêm, theo
vùng miền [84]. Theo dõi sự thay đổi theo mùa và theo ngày (ẩm ướt) cho thấy
có tương quan với sự thay đổi cường độ tín hiệu VHF và UHF. Điều kiện truyền
sóng xấu được thấy vào buổi chiều, khi có mức tín hiệu thấp nhận được tại phía
thu đặc biệt từ các trạm ở xa, khả năng xảy ra nhiễu giữa các trạm và các trạm ở
xa truyền cùng tần số sẽ bị giảm đi rất nhiều liên quan đến độ khúc xạ thấp nhất
ghi nhận trong khoảng thời gian này [107]. Nghiên cứu ở [1] cho thấy chỉ số
khúc xạ là yếu tố quan trọng dự đoán hoạt động của tuyến thông tin vô tuyến,
cấu trúc chiết suất của tầng đối lưu là nguyên nhân gây ra nhiều cơ chế phức tạp
như hiệu ứng đa đường, hấp thụ, tán xạ tín hiệu vơ tuyến v.v. làm ảnh hưởng
đến độ chính xác của việc theo dõi các nguồn tín hiệu sóng vơ tuyến (chẳng hạn
từ các ngơi sao) bằng kính viễn vọng vơ tuyến, hệ thống ra-đa, theo dõi vệ tinh
(như vệ tinh GPS), phạm vi dẫn đường máy bay, tên lửa, v.v. Hiểu được tác
động của khí quyển sẽ giúp cải thiện chất lượng, nâng cao hiệu suất tuyến thông
tin vô tuyến và giảm thiểu được ảnh hưởngtrên.
Do giá trị của chỉ số khúc xạnlà số rất gần và lớn hơn một đơn vị chỉ số
khúc xạ (n-units), cho nên trong thực tế chỉ số khúc xạ thường hay được sử dụng
thông qua độ khúc xạ (chỉ số chiết suất)N. Độ khúc xạNlà tham số cơ bản của khí
quyển, có giá trị thay đổi theo thời gian, theo độ cao và phụ thuộc vào nhiệt


độ, độ ẩm và áp suất [73]. Đã có nhiều phương pháp khác nhau được phát triển
để tính tốn các thơng số cơ bản của khí quyển là nhiệt độ, áp suất và độ ẩm
theo chỉ số chiết suất và ngược lại [45] [48]. Biến đổi chậm của chỉ số khúc xạ

liên quan đến các q trình có quy mơ vừa và trong ngày, biến đổi nhanh do ảnh
hưởng của chuyển động hỗn loạn (turbulent motion) trong khíquyển.
Sóng vơ tuyến truyền trong khí quyển tầng đối lưu, xác định biến đổi pha
và góc sóng tới là các bài tốn cần giải quyết khi thiết kế hệ thống thiết bị thu và
nghiên cứu sóng lan truyền. Hiệu quả của các hệ thống dẫn đường, ra-đa và
thông tin liên lạc phần lớn phụ thuộc vào điều kiện lan truyền của sóng vơ tuyến
được xác định bởi trạng thái khúc xạ khí quyển. Đó là sự phân bố theo khơng
gian của độ khúc xạN. Do đó, việc nghiên cứu sự phân bố theo mùa, hàng ngày
và theo độ cao củaN, tạo ra mô hình thống kê là có vai trị quan trọng để dự đốn
phạm vi của các hệ thống vơ tuyến cho các mục đích khác nhau cũng như đánh
giá độ chính xác của việc đo tọa độ củahệthống vệ tinh dẫn đường tồn cầu
(GNSS). Đây là bài tốn được nghiên cứu trong suốt thời gian qua, những kết
quả chính được tổng kết và đưa vào trong các khuyến nghị của ITU về chỉ số
khúc xạ [77], ảnh hưởng của khúc xạ tầng đối lưu đối với sự lan truyền sóng vơ
tuyến [78] v.v. hay rộng hơn là tổng hợp các khuyến nghị về truyền sóng (P
Series) [44]. Các vấn đề cơ bản về truyền sóng được nêu trong nhiều tài liệu,
chẳng hạn như ở[74].
Sai số xác định vị trí của các hệ thống định vị vệ tinh như GPS,
GLONASS bị ảnh hưởng mạnh bởi tầng điện li và tầng đối lưu khí quyển [45].
Điểm mấu chốt để giải quyết vấn đề liên quan đến định vị và chẩn đốn chính
xác bầu khí quyển sử dụng hệ thống định vị tồn cầu là nghiên cứu ảnh hưởng
của các quá trình xảy ra ở tầng đối lưu và tầng điện li đối với sự lan truyền của
sóng vơ tuyến cũng như phát triển các mơ hình những hiện tượng này và dựa
trênchúnglàcácphươngphápsửalỗi.Khúcxạtầngđốilưuvàtầngđiệnlidẫn