đề tài nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn của việc sử dụng công nghệ gps để theo dõi trạng thái của tầng điện ly và tầng đối lưu.

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ
Đường Hoàng Quốc Việt - Quận Cầu Giấy - Hà Nội
***







BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT



ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
CỦA VIỆC SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỂ THEO DÕI
TRẠNG THÁI CỦA TẦNG ĐIỆN LY VÀ TẦNG ĐỐI LƯU
Số đăng ký:





CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TS. DƯƠNG CHÍ CÔNG

7991



Hà Nội - 2010

BTNMT
VKHĐĐBĐ


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ
Đường Hoàng Quốc Việt - Quận Cầu Giấy - Hà Nội
***








BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
CỦA VIỆC SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỂ THEO DÕI
TRẠNG THÁI CỦA TẦNG ĐIỆN LY VÀ TẦNG ĐỐI LƯU
Số đăng ký:





CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TS. DƯƠNG CHÍ CÔNG












Hà Nội - 2010

BTNMT
VKHĐĐBĐ


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ
Đường Hoàng Quốc Việt - Quận Cầu Giấy - Hà Nội
***




BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA
VIỆC SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỂ THEO DÕI TRẠNG
THÁI CỦA TẦNG ĐIỆN LY VÀ TẦNG ĐỐI LƯU
Số đăng ký:


Hà Nội, ngày tháng năm 2010

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI






TS. Dương Chí Công
Hà Nội, ngày tháng năm 2010
CƠ QUAN CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI
VIỆN TRƯỞNG
VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ

Hà Nội, ngày tháng năm 2010
HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ CHÍNH THỨC
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG









Hà Nội, ngày tháng năm 2010
CƠ QUAN QUẢN LÝ ĐỀ TÀI
TL. BỘ TRƯỞNG
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
VỤ TRƯỞNG VỤ KHOA HỌC-CÔNG NGHỆ

TS. Nguyễn Đắc Đồng


Hà Nội - 2010
BTNMT
VKHĐĐBĐ

vi

MỤC LỤC

trang
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT viii
DANH MỤC HÌNH VẼ x
DANH MỤC BẢNG xi
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÁC
ĐỊNH MẬT ĐỘ ĐIỆN TỬ TỔNG CỘNG (TEC)
VÀ LƯỢNG HƠI NƯỚC TÍCH TỤ (PWV)
TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 5
1.1 Khái quát về tầng điện ly và tầng đối lưu 5
1.2 Công tác nghiên cứu xác định TEC và PWV trên
thế giớ
i 8
1.3 Công tác nghiên cứu xác định TEC và PWV ở
Việt Nam 13
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TEC, PWV TỪ SỐ
LIỆU ĐO TRỰC TIẾP VÀ VIỄN THÁM 16
2.1 Các phương pháp xác định trực tiếp TEC,
PWV 16

2.1.1
Xác định TEC từ nguồn số liệu đo trực tiếp 16
2.1.2 Xác định PWV từ nguồn số liệu bón
g
thám khôn
g

vô tuyến 18
2.2
Phương pháp xác định PWV bằng viễn thám 22
2.2.1
Xác định PWV từ sensơ sóng gần hồng ngoại 23
2.2.2 Xác định PWV từ sensơ sóng hồng ngoại bằng
công nghệ split-window 26
2.2.3 Xác định PWV từ sensơ sóng hồng ngoại bằng
phương pháp hồi quy vật lý 27
2.2.4
Xác định PWV từ sensơ sóng micro wave 28
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TEC, PWV TỪ SỐ
LIỆ
U GPS 30

vii
3.1
Phương pháp và thuật toán xác định TEC 30
3.1.1
Nguyên lý xác định TEC tầng điện ly 30
3.1.2
Mô hình lớp đơn tầng điện ly theo Klobuchar 33
3.1.3 Các trị đo GPS và phương pháp kết hợp chúng để

xác định TEC 37
3.1.4
Thuật toán xác định TEC 41
3.2 Phương pháp và thuật toán xác định PWV 45
3.2.1
Ảnh hưởng của tầng đối lưu đối với trị đo GPS 45
3.2.2
Lượng hơi nướ
c tích tụ PWV tầng đối lưu 53
3.2.3
Phương pháp và thuật toán xác định PWV 54
CHƯƠNG 4 THỬ NGHIỆM XÁC ĐỊNH TEC, PWV TỪ SỐ
LIỆU VIỄN THÁM VÀ SỐ LIỆU ĐO GPS
LÃNH THỔ VIỆT NAM 61
4.1 Đề xuất sử dụng các phần mềm GUST, GAMIT/
GLOBK và BERNESE để xác định VTEC và
PWV 61
4.2 Số liệu đo GPS các điểm lưới Châu Á - Thái Bình
Dương tại Việt Nam 68
4.3 Kết qu
ả xác định PWV từ ảnh viễn thám MODIS
lãnh thổ Việt Nam 70
4.4 Kết quả xác định TEC, PWV từ số liệu đo GPS
lãnh thổ Việt Nam 74
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO 84
PHỤ LỤC MỘT SỐ TỆP KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH VTEC, TZD,
PWV 89

1
MỞ ĐẦU
Hơn hai chục năm trở lại đây sự ra đời và ứng dụng nhanh chóng của Hệ
thống Định vị Toàn cầu GPS đã tạo nên những tiến bộ và thay đổi cơ bản không chỉ
trong công tác đo đạc trắc địa, mà cả trong nghiên cứu các tham số khí quyển nữa.
Tín hiệu từ vệ tinh GPS (chủ yếu là các sóng điện từ có tần số f
1
= 1575,42 MHz và
f
2
= 1227,60 MHz) được truyền qua khí quyển tới các máy thu. Do đặc tính của
sóng cực ngắn và chỉ số chiết quang của tầng điện ly (từ độ cao 70 đến 1000 km) và
của tầng đối lưu (từ mặt đất lên tới độ cao 20 km) nên xảy ra độ trễ của các tín hiệu
GPS ở 2 tầng khí quyển này. Chúng là các hàm số của mật độ điện tử tổng cộng
TEC (Total Electron Content) và của lượng hơ
i nước tích tụ PWV (Precipitable
Water Vapor) tương ứng. Để có được tọa độ chính xác của điểm đo cần hiệu chỉnh
trị đo GPS theo các độ trễ nói trên và ngược lại nếu đã có tọa độ chính xác của điểm
đo thì ta hoàn toàn có thể xác định được các độ trễ nói trên. Tức là từ các số liệu đo
GPS tại các điểm đo đã biết tọa độ và bằng quy trình tính toán thích h
ợp ta có thể
xác định được độ trễ tầng điện ly và đối lưu và từ đó tính các tham số TEC và PWV
phục vụ theo dõi trạng thái tầng điện ly và tầng đối lưu khu vực nghiên cứu.
Từ đầu những năm 90 ở Việt Nam đã triển khai ứng dụng rộng rãi công nghệ
GPS trong đo đạc trắc địa, định vị dẫn đường, Hiện nay việc mở rộ
ng khả năng sử
dụng các dữ liệu GPS vào các lĩnh vực khác như nghiên cứu các tầng khí quyển,
nghiên cứu khí tượng, là rất cần thiết và cấp bách. Nó rất có ý nghĩa về mặt khoa
học kỹ thuật như khai thác triệt để hơn số liệu đo GPS, mở ra các ứng dụng mới của
công nghệ GPS, hỗ trợ cho các nghiên cứu về khí quyển, khí tượng ở nước ta. Việc

xác đị
nh độ ẩm không khí, lượng hơi nước tích tụ, thường được thực hiện bằng
máy thám không vô tuyến, máy đo bức xạ kế hơi nước, Những thiết bị này thường
hoạt động không ổn định trong những điều kiện thời tiết đặc biệt như mưa rào, hoặc
sương mù, Nếu việc xác định các tham số khí quyển như TEC, PWV, được thực
hiện từ d
ữ liệu đo GPS thì sẽ khắc phục được nhược điểm này vì máy thu GPS là
những thiết bị chắc gọn, chịu được mọi thời tiết, và chỉ yêu cầu tối thiểu về mặt bảo
quản vận hành. Hơn nữa chúng có giá thành thấp hơn các thiết bị chuyên dụng nêu
trên nên việc triển khai ứng dụng công nghệ GPS trong nghiên cứu xác định các
tham số khí quyển sẽ có ý nghĩa lớn về
mặt kinh tế: tiết kiệm không cần phải đầu tư
mua nhiều các thiết bị chuyên dụng nữa. Về mặt xã hội việc triển khai ứng dụng

2
công nghệ GPS này cũng sẽ là sự trợ giúp quan trọng trong công tác dự báo, giảm
nhẹ thiên tai, tăng cường an ninh quốc phòng trên lãnh thổ nước ta hiện nay.
Trên cơ sở đó chúng tôi đã đề xuất đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp
Bộ: "Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn của việc sử dụng công nghệ GPS
để theo dõi trạng thái của tầng điện ly và tầng đối lưu" th
ời gian 2007 - 2008.
Thực hiện đề tài này sẽ bước đầu góp phần xây dựng phương pháp và quy trình xác
định TEC, PWV từ các dữ liệu đo GPS trong điều kiện cụ thể của Việt Nam và xây
dựng bản đồ TEC, PWV cho toàn lãnh thổ đất nước.
Đề tài có các mục tiêu chính như sau:
- Xác định ý nghĩa của việc sử dụng công nghệ GPS để theo dõi trạng thái của tầng
điện ly và tầng đối lưu đối vớ
i nghiên cứu khí quyển, công tác dự báo thời tiết và an
ninh quốc phòng.
- Nghiên cứu phương pháp xác định TEC tầng điện ly và PWV tầng đối lưu từ kết

quả xử lý dữ liệu đo GPS độ chính xác cao.
- Thực nghiệm xác định các tham số TEC và PWV tại một thời điểm cụ thể trên một
số điểm GPS độ chính xác cao ở Việt Nam.
Để đạt được các mục tiêu trên đề tài đã thực hiện các nhiệm vụ sau:
- Phân tích ảnh hưởng của các lớp khí quyển đối với tín hiệu GPS.
- Nghiên cứu phương pháp xác định TEC và PWV từ các số liệu đo trực tiếp, ảnh
viễn thám.
- Nghiên cứu phương pháp xác định TEC và PWV từ kết quả xử lý dữ liệu đo GPS
độ chính xác cao.
- Thiết lập thuật toán, qui trình xác định TEC và PWV từ các dữ liệu đo GPS.
- Xác định TEC và PWV cho một số điểm GPS độ
chính xác cao ở Việt Nam.
- Thiết lập bản đồ TEC và PWV cho khu vực nghiên cứu.
- Viết báo cáo tổng kết đề tài.
Các sản phẩm chủ yếu của đề tài là:

3
- Báo cáo chuyên đề về tình hình ứng dụng các phương pháp, mô hình xác định
TEC, PWV trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay.
- Các chương trình lựa chọn VTEC (Vertical TEC: TEC phương thẳng đứng), xác
định PWV, vẽ đồ thị và bản đồ VTEC và PWV.
- Quy trình thành lập bản đồ VTEC, PWV theo các điểm lưới GPS Châu Á - Thái
Bình Dương ở Việt Nam.
Các thành viên chính tham gia thực hiện đề tài và viết báo cáo tổng kết:
- TS. Dương Chí Công, Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ (chủ biên chươ
ng 1, sử
dụng các phần mềm GAMIT/GLOBK, BERNESE 4.2, phần 4.2, tham gia viết phần
4.4, tổng hợp và hoàn thiện báo cáo tổng kết),
- PGS. TSKH. Hà Minh Hòa, Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ (tham gia viết phần
3.1.1),

- TS. Nguyễn Ngọc Lâu, Trường Đại học Bách khoa TP HCM (chủ biên chương 3,
sử dụng phần mềm GUST và tham gia viết phần 4.4),
- PGS. TS. Vũ Thanh Ca, Viện Nghiên cứu quản lý Biển và Hải đảo, Tổng c
ục Biển
và Hải đảo Việt Nam, Bộ Tài nguyên và Môi trường (chủ biên các phần 2.1.2, 2.2,
4.3).
Nội dung báo cáo tổng kết đề tài bao gồm phần Mở đầu, 4 chương, Kết luận
và Kiến nghị, Tài liệu tham khảo được trình bày trong 88 trang, có 25 hình vẽ, 9
bảng, tham khảo 45 văn liệu trong nước và quốc tế, một số trang web, cùng 55 trang
phụ lục kèm theo:
CHƯƠNG 1 đánh giá tổng quan các kết quả thu được trong nghiên cứu xác
đị
nh TEC và PWV từ các dữ liệu đo GPS trên thế giới và trong nước.
CHƯƠNG 2 giới thiệu một số phương pháp xác định TEC và PWV từ số
liệu đo trực tiếp và số liệu viễn thám.
CHƯƠNG 3 trình bày phương pháp và một số thuật toán xác định TEC và
PWV từ dữ liệu đo GPS.
CHƯƠNG 4 giới thiệu các phần mềm xử lý số liệu GPS độ chính xác cao
GUST 1.3 (Việt Nam), GAMIT/GLOBK 10.3 (MIT) và BERNESE 4.2 (Thụ
y Sĩ)

4
và mô tả một số kết quả thử nghiệm xác định VTEC và PWV từ dữ liệu đo GPS
lưới Châu Á - Thái Bình Dương và từ ảnh vệ tinh MODIS lãnh thổ Việt Nam.
Phần KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ khẳng định việc nghiên cứu xác định
TEC và PWV từ các dữ liệu đo GPS là hoàn toàn phù hợp với thực tiễn nước ta hiện
nay, đánh giá các kết quả đạt được: nghiên cứu xây dựng thuật toán, c
ập nhật các
chương trình máy tính, thử nghiệm tính toán VTEC, PWV trên một số điểm đo GPS
tại Việt Nam, đưa ra quy trình thiết lập các đồ thị, bản đồ đường đồng mức biến

thiên VTEC, PWV với độ chính xác tương đối phù hợp với các kết quả nghiên cứu
hiện nay trên thế giới. Một số nội dung các công việc cần tiến hành trong thời gian
tới cũng được đề xuất trong hướng nghiên c
ứu khí quyển bằng công nghệ GPS.
Chúng tôi chân thành cám ơn Ông Phan Ngọc Mai (Cục Đo đạc và Bản đồ
Việt Nam) đã cung cấp số liệu đo GPS lưới Châu Á - Thái Bình Dương tại Việt
Nam trong các năm 2006 và 2007.
Chúng tôi xin chân thành cám ơn Ban lãnh đạo và các đồng nghiệp tại Viện
Khoa học Đo đạc và Bản đồ, Vụ Khoa học-Công nghệ (Bộ Tài nguyên và Môi
trường) đã tạo điều kiện và giúp đỡ nhiệt tình trong quá trình hoàn thành báo cáo
tổng kết này.
Do còn hạn chế về trình độ chuyên môn và tài liệu thu thập được nên báo cáo
không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Chúng tôi rất mong nhận được sự quan
tâm đóng góp ý kiến của các nhà chuyên môn, các cơ sở nghiên cứu và sản xuất để
có thể chỉnh sửa, hoàn thiện báo cáo được tốt hơn.

5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MẬT
ĐỘ ĐIỆN TỬ TỔNG CỘNG (TEC) VÀ LƯỢNG HƠI NƯỚC
TÍCH TỤ (PWV) TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.1 Khái quát về tầng điện ly và tầng đối lưu
Cấu trúc khí quyển Trái đất có thể được phân chia tùy theo các đặc tính hóa
lý khác nhau (Hình 1.1).
Dựa vào đặc tính truyền sóng điện từ khí quyển Trái đất có thể được chia
thành tầng điện ly và tầng
đối lưu:
- Tầng đối lưu là lớp khí quyển ở thấp có độ cao từ bề mặt Trái đất lên đến khoảng
40 km. Lượng hơi nước và nhiệt độ là những yếu tố ảnh hưởng chính đến sóng điện

từ.
- Tầng điện ly là lớp khí quyển ở phía trên từ độ cao khoảng 70 cho tới 1000 km.
Sóng điện từ truyền qua tầng điện ly bị
ảnh hưởng chủ yếu bởi các phần tử tích điện
ở đây.
Trong những thời kỳ Mặt Trời hoạt động mạnh, đặc biệt là khi có sự bùng nổ
thì các tia Rơnghen và các dòng electron và proton đến Trái Đất được tăng cường.
Khi các dòng này va chạm vào khí quyển Trái Đất, không khí ở tầng điện ly bị ion
hóa mạnh hơn dẫn đến mật độ các hạt mang điện được tăng lên r
ất nhiều lần. Điều
này dẫn đến tần số các sóng vô tuyến thỏa mãn điều kiện phản xạ ở tầng điện ly bị
nâng cao. Các tín hiệu truyền của các vệ tinh không còn thỏa mãn các điều kiện
phản xạ nữa và do đó việc thu nhận tín hiệu không còn diễn ra bình thường nữa, có
khi bị mất hẳn. Do đó việc nghiên cứu ảnh hưởng của tầ
ng điện ly đến tín hiệu
truyền radio là rất cần thiết.





6
Độ cao [km] Nhiệt độ Ion hóa Từ trường Truyền sóng
100 000
10 000 Tầng nhiệt Tầng proton Quyển manhêtô
1 000 Tầng điện ly Tầng điện ly
Tầng trung lưu
100 Tầng bình lưu Tầng trung tính Quyển đinamô
10 Tầng đối lưu Tầng đối lưu

Hình 1.1. Cấu trúc khí quyển Trái đất theo đặc tính vật lý (Seeber, 2003)

Tầng điện ly là một tầng chứa các điện tích (bao gồm các ion và điện tử tự
do), là do kết quả của việc ion hoá trạng thái của tầng đối lưu bằng các tia cực tím
và tia X do mặt trời bức xạ. Tầng điện ly được phân bố từ độ cao 70 đến 1000 km
so với bề mặt trái đất và tập trung ở độ cao trung bình khoảng 400 km. Không khí ở
tầng này bị ion hóa bở
i các hạt năng lượng cao đến từ Mặt Trời và từ vũ trụ, tạo ra
các hạt điện tử tự do. Tùy theo mật độ của các điện tích TEC mà tầng điện ly có khả
năng cho truyền qua hoặc phản xạ các sóng vô tuyến có tần số khác nhau. Mật độ
các hạt điện tử lớn thì sóng phản xạ có tần số phải càng lớn. Căn cứ vào nồ
ng độ
điện tử TEC tầng điện ly được chia thành các lớp D, E và F:
- Lớp D nằm ở độ cao khoảng từ 60 đến 90 km, vào ban đêm lớp D hầu như biến
mất.
- Tiếp theo là lớp E nằm ở độ cao từ 85 đến 140 km. Ở lớp này nồng độ điện tử tăng
theo độ cao vào ban ngày. Ban đêm nồng độ điện tử lớp này giảm đi rõ rệt.
- Lớp F nằm ở độ cao trên 140 km và thường được chia thành các lớp phụ là F1 (từ
140 đến 200 km) và F2 (từ 200 đến 1000 km).
Hình 1.2 minh họa cụ thể hơn cấu trúc lớp F và nồng độ điện tử trung bình theo
ngày và đêm của tầng điện ly (Davies, 1990).



7

Hình 1.2. Phân bố mật độ điện tử tầng điện ly theo độ cao (Davies, 1990)
Tín hiệu sóng vô tuyến cũng bị khúc xạ (gây lệch hướng và trễ tín hiệu
truyền) khi truyền qua tầng đối lưu. Nguyên nhân chính sóng vô tuyến bị khúc xạ ở
tầng đối lưu là hơi nước. Tầng đối lưu phân bố từ mặt đất lên tới độ cao khoảng 40

km, 90% trọng lượng khí quyển ở dưới độ cao 16 km, và khoảng 99% ở dưới độ
cao 30 km.
Hơi nước trong khí quyển là một trong nh
ững khí nhà kính quan trọng gây
nên quá trình nóng lên toàn cầu. Nó cho phép bức xạ sóng ngắn từ mặt trời truyền
qua nhưng lại ngăn không cho bức xạ sóng dài từ mặt đất truyền ra khỏi bầu khí
quyển, làm nhiệt độ của bầu khí quyển tăng lên. Hiện tượng này được gọi là hiệu
ứng nhà kính. Nhiệt độ khí quyển tăng làm tăng khả năng chứa đựng lượng hơi
nước của khối khí, do đ
ó làm tăng hiệu ứng nhà kính.
Hầu hết hơi nước trong khí quyển có nguồn gốc từ bề mặt trái đất, nơi xảy ra
sự bốc hơi nước từ đại dương và lục địa, và sự bốc hơi từ thực vật vào trong khí
quyển. Hơi nước trong khí quyển có thể vận chuyển theo cả phương ngang và
phương thẳng đứng hoặc ngưng kết thành nước lỏng ho
ặc thành các hạt băng trong
các đám mây. Sự vận chuyển hơi nước là một nhân tố quan trọng trong việc xác
định khí hậu toàn cầu. Sự chuyển động của hơi nước trong khí quyển thể hiện sự
vận chuyển năng lượng dưới dạng ẩn nhiệt. Trong quá trình ngưng kết, ẩn nhiệt
được giải phóng và chuyển thành hiển nhiệt, do đó trở thành nguồn nhiệt khí quyển.
Sự
đốt nóng ngưng kết này là nguồn năng lượng chính cho các hệ thống tuần hoàn

8
thời tiết và khí hậu. Do vậy, việc xác định lượng hơi nước có trong khí quyển là hết
sức quan trọng và cần thiết.
Đối với sóng điện từ rađiô thì tầng đối lưu không phải là môi trường tán sắc.
Hệ số chiết quang sóng rađiô độc lập với tần số, nó phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất
không khí và áp suất hơi nước.
Lượng hơi nước tích t
ụ PWV đóng một vai trò quan trọng trong các quá trình

động lực học khí quyển. Nhiệt lượng và sự phân bố của hơi nước cho biết tính ổn
định theo độ cao của khí quyển, cấu trúc và sự tiến triển của các hệ thống bão khí
quyển.

1.2 Công tác nghiên cứu xác định TEC và PWV trên thế giới
Một số mô hình tầng điện ly có thể được phân thành các mô hình thực
nghiệm và mô hình lý thuyết. Mô hình tầng điện ly thực nghiệm
được xác định dựa
trên số lượng lớn các dữ liệu điện ly thu thập trong thời gian dài biểu thị các hoạt
động của Mặt Trời, các thay đổi theo mùa, theo tọa độ địa lý, Mô hình tầng điện
ly lý thuyết được xây dựng trên cơ sở các tính chất địa vật lý, các tính chất hóa lý
của tầng điện ly.
Mô hình điện ly thực nghiệm sử dụng Tầng điện ly chuẩ
n Quốc tế (IRI:
International Reference Ionosphere) và mô hình điện ly tham số lý thuyết (PIM:
Parameterized Ionospheric Model) là các mô hình điện ly được nhiều tổ chức sử
dụng trong nghiên cứu cấu trúc tầng điện ly. Mô hình IRI là một dự án quốc tế được
tài trợ bởi Chương trình Nghiên cứu Không gian COSPAR (COmmittee on SPAce
Research) và Hợp tác Quốc tế về Khoa học Vô tuyến URSI (International Union of
Radio Science). Mô hình IRI xác định giá trị trung bình tháng của mật độ, nhiệt độ
điện tử, thành phần và nhiệt
độ ion,… trong khoảng độ cao từ 50km tới 2000km.
Các kỹ thuật thăm dò tầng điện ly từ mặt đất có thể kể đến như máy thăm dò
điện ly bằng sóng radio (Ionosonde), máy thu radar phản hồi rời rạc (Incoherent
Backscatter Radar), máy thu radar phản hồi nghiêng (Oblique Backscatter Radar),
được sử dụng chủ yếu trong các trạm nghiên cứu vật lý khí quyển tổng hợp.

9
Các phương pháp khảo sát nghiên cứu tầng điện ly với sự trợ giúp của các hệ
thống vệ tinh khác nhau như Hệ thống Định vị Toàn cầu GPS, GLONASS, Transit,

TOPEX/Poseidon, DORIS, cũng đã được triển khai từ lâu trên thế giới. Từ cách
đây hơn 40 năm, dựa vào các trượt Doppler trên hai tần số của vệ tinh Transit (Hải
quân Mỹ) người ta đã có thể xác định được sự biến đổi của mật
độ điện tử tổng
cộng tầng điện ly TEC (là tổng lượng điện tử chứa trong hình trụ tròn xoay có
thiết diện là 1 m
2
và có trục là đường truyền tín hiệu từ vệ tinh tới điểm đặt máy
thu và giới hạn bởi ranh giới tầng điện ly) sau khi vệ tinh bay qua.
Ngày nay với sự phát triển và mở rộng nhanh chóng của Hệ thống Định vị
Toàn cầu GPS giá trị TEC toàn cầu và của từng khu vực đã được dự báo và xác
định gần với thời gian thực. Đây là nội dung chính của đề tài sẽ được trình bày chi
tiết ở các chương sau. Trong phần này chỉ điểm qua nét chính một số kết quả ứng
dụng trên thế giới và trong nước. Giá trị TEC phương thiên đỉnh (tổng lượng điện tử
trong hình trụ đứng có thiết diện là 1 m
2
tại điểm đo - giới hạn bởi ranh giới tầng
điện ly) tại các trạm đo GPS được xác định theo tổ hợp tuyến tính trị đo P4, L4, sau
đó các mô hình 2 chiều của tầng điện ly được xác định tùy theo độ lớn của khu vực
nghiên cứu: mô hình trạm đo, địa phương, khu vực, hoặc toàn cầu.
Hiện nay, trên thế giới có nhiều phương pháp để xác định lượ
ng hơi nước có
trong khí quyển. Một số phương pháp xác định lượng hơi nước có thể được kể đến
như sau:
- Quan trắc bề mặt: Các quan trắc khí tượng bề mặt với dụng cụ đo độ ẩm như ẩm
kế, nhiệt kế ướt. Quan trắc này cho số liệu ẩm (số liệu về lượng hơi nước) toàn cầu
với độ chính xác cao và có thể
cung cấp chuỗi số liệu dài. Tuy nhiên, phương pháp
này chỉ cung cấp số liệu bề mặt trái đất và sự phân bố theo không gian của số liệu
này là không đều, phụ thuộc vào vị trí đặt trạm quan trắc.

- Bóng thám không vô tuyến: Các quan trắc được thực hiện nhờ các sensơ gắn trên
bóng thám không. Các sensơ đo độ ẩm bao gồm các sensơ điện dung, tóc con
người, Phương pháp này được sử dụng từ những n
ăm thập niên 30 của thế kỷ XX
nên có thể cho chuỗi số liệu dài. Trên toàn thế giới có khoảng 800 trạm quan trắc
thám không vô tuyến với khoảng 1 đến 4 lần trong ngày. Số liệu nhận được từ
phương pháp này có độ phân giải thẳng đứng rất tốt. Tuy nhiên, chất lượng của số

10
liệu chỉ giới hạn đến độ cao đỉnh tầng đối lưu, ở tầng bình lưu số liệu thu được rất
thưa thớt và chất lượng không đảm bảo. Ngoài ra,chất lượng quan trắc sẽ không tốt
nếu điều kiện thời tiết quá khô hoặc quá ẩm. Các máy móc đo có thể bị mất đi nên
phương pháp này là khá tốn kém. Các máy móc đo đạc và phương thức thực hi
ện đo
là khác nhau đối với mỗi quốc gia nên việc nội suy các số liệu này gặp rất nhiều khó
khăn. Mặc dù bóng thám không có thể cung cấp mặt cắt của hơi nước nhưng sự
phân bố số liệu theo phương ngang là quá thưa thớt và thời gian quan trắc là quá dài
để quan trắc sự thay đổi nhanh của hơi nước theo không gian và thời gian
- Vệ tinh: Các quan trắc được thực hiện bằng các sensơ hồng ngoạ
i (TOVS) hay các
sensơ vi sóng (microwave) (SMMR, SSM/I, AMSU-B). Các sensơ sóng hồng ngoại
cung cấp thông tin về tổng cột hơi nước và mặt cắt hơi nước ở một số mực thẳng
đứng bao phủ không gian rộng nhưng thưa thớt theo phương thẳng đứng, còn các
sensơ sóng microwave cung cấp thông tin tổng cột hơi nước bao phủ vùng đại
dương rộng lớn. Những quan trắc từ vệ tinh không thể cung cấp số liệu hơ
i nước
trong tất cả các điều kiện thời tiết và trên tất cả các mực.
- Máy bay: Phương pháp này thực hiện bằng các gắn các sensơ đo độ ẩm vào máy
bay. Các đo đạc ở trên máy bay có thể được thực hiện ở hầu hết các vị trí và ở bất
cứ thời điểm nào. Tuy nhiên, chi phí cho phương pháp này khá đắt tiền và diện tích

bao phủ nhỏ hẹp.
- Phương pháp viễn thám từ m
ặt đất: Các trạm radar mặt đất cung cấp số liệu ngày
của hơi nước với độ chính xác cao và độ phân giải thẳng đứng tốt. Tuy nhiên,
phương pháp này rất đắt tiền và bị hạn chế bởi chỉ có thể đo đạc vào ban ngày và bị
ảnh hưởng bởi mây.
Việc kết hợp những phương pháp đo vệ tinh viễn thám và phương pháp đo
trực tiếp cung cấp chuỗi số
liệu hơi nước với độ phân giải theo phương thẳng đứng
và độ bao phủ không gian tốt hơn. Việc kết hợp những số liệu quan trắc và các mô
hình khí quyển cũng được sử dụng cho những vùng không có hoặc chưa có đủ số
liệu quan trắc.
- Hệ thống định vị toàn cầu GPS: Các tín hiệu nhận được từ hệ thống định vị toàn
cầu đã cho phép xác đị
nh được lượng hơi nước có trong khí quyển và có thể cung
cấp số liệu dài hạn của tổng cột hơi nước.

11
Khi xử lý các dữ liệu đo GPS độ chính xác cao giá trị TEC và PWV thường
được xác định theo các bước sau trong trường hợp các điểm lưới chưa có tọa độ
chính xác:
1) Xử lý dữ liệu đo GPS của lưới khu vực nghiên cứu để tính toán tọa độ các điểm
lưới theo Khung quy chiếu Quả đất ITRF với độ chính xác cao nhất (sử dụng quỹ
đạo vệ tinh chính xác của Tổ chức Dịch vụ các H
ệ thống Vệ tinh Định vị Toàn cầu
Quốc tế: International Global Navigation Satellite Systems Service, gọi tắt là IGS).
2) Xử lý lại dữ liệu đo GPS với tọa độ các điểm lưới được cố định. TEC và các độ
trễ tầng đối lưu phương thiên đỉnh được xác định tuân theo qui luật xác suất Gauss-
Markov bậc nhất hoặc bước ngẫu nhiên. Sau đó dựa vào các số đo khí tượng mặt
đất hoặc của một mô hình khí quyển thích hợp để tính PWV. PWV là đại lượng tỷ

lệ thuận với độ trễ tầng đối lưu phương thiên đỉnh.
Thiết lập mô hình và xác định PWV và TEC tại các điểm đo GPS là xuất
phát từ nhu cầu nâng cao độ chính xác xác định vị trí điểm đo và đã được đưa vào
các phần mềm xử lý số liệu đo GPS độ chính xác cao. Các phần mềm này ngày
càng hoàn ch
ỉnh và các kết quả xác định PWV và TEC cũng đạt được độ chính xác
cao hơn. Các phần mềm xử lý dữ liệu GPS độ chính xác cao như BERNESE
(Hugentobler et al., 2001) và GAMIT/GLOBK (Herring et al., 2009a) được ứng
dụng để tính toán xác định giá trị TEC, PWV phạm vi khu vực và toàn cầu. Phần
mềm BERNESE (kể từ phiên bản 4.2) có thêm tính năng xác định các mô hình 2
chiều tầng điện ly. Phần mềm GAMIT từ phiên bản 10.3 được trang bị thêm tiện ích
tính PWV từ mô hình khí quyển toàn cầu và từ s
ố liệu khí tượng mặt đất.
Một ứng dụng quan trọng của mô hình TEC khu vực hoặc địa phương là có
thể xác định các số hiệu chỉnh độ trễ tầng điện ly để nâng cao độ chính xác các trị
đo cho các máy thu 1 tần số trong định vị động (Luntama and Kauristie, 2007).
Tổ chức IGS ngoài việc cung cấp dữ liệu đo GPS, quỹ đạo vệ tinh chính xác,
sai số đồng hồ vệ tinh, còn cung cấp nhanh giá trị
độ trễ tầng đối lưu phương thiên
đỉnh (với độ chính xác 4-6 mm), TEC (với độ chính xác 2-9 TECU, 1 TECU = 10
16

điện tử/m
2
) tại các trạm đo thường trực của mạng lưới IGS toàn cầu (Bảng 1.1).
Trung tâm xử lý số liệu CODE (Center for Orbit Determination in Europe, Viện
Thiên văn, Đại học Berne, Thụy sĩ) sử dụng phần mềm Bernese hàng ngày cung cấp

12
độ trễ tầng đối lưu phương thiên đỉnh (với độ chính xác 1-2 mm) và TEC (với độ

chính xác ~0,7-1,0 TECU) cho hơn 100 điểm đo trên toàn cầu. Cũng với phần mềm
này Hiệp hội các Trường Đại học nghiên cứu Khí quyển UCAR (The University
Corporation for Atmospheric Research) thường xuyên cung cấp bản đồ PWV (độ
chính xác vài cm) và TEC (độ chính xác vài TECU) theo thời gian thực cho toàn
nước Mỹ. Số liệu đợt đo GPS/STORM (5/1993) trên 6 điểm tại các bang Oklahoma,
Kansas và Colorado (Hoa Kỳ) đã được x
ử lý bằng tổ hợp phần mềm
GAMIT/GLOBK kết hợp cùng các số liệu đo nhiệt độ áp suất bề mặt để xác định
lượng hơi nước tích tụ PWV tầng đối lưu (với độ chính xác 1-2 mm) tại các điểm đo
(Teunissen and Kleusberg, 1998).
Bảng 1.1. Lịch cấp các tham số khí quyển của tổ chức IGS
Tham số
khí quyển
Độ chính
xác
Thời điểm
cấp
Số lần cập
nhật
Khoảng
thời gian
tính và lưới
ô vuông
Nơi lưu trữ
Độ trễ đối
lưu thiên
đỉnh cuối
cùng
4 mm Sau 4 tuần 1 lần/1 tuần 2 giờ
CDDIS (MaryLand-

Hoa Kỳ)
IGN (Pháp)
KASI (Hàn Quốc)
SOPAC (California-
Hoa kỳ)
Độ trễ đối
lưu thiên
đỉnh cực
nhanh
6 mm Sau 2-3 giờ 1 lần/3 giờ 1 giờ
CDDIS (MaryLand-
Hoa Kỳ)
KASI (Hàn Quốc)
Lưới ô
vuông TEC
điện ly cuối
cùng
2-8 TECU
Sau khoảng
11 ngày
1 lần/1 tuần
2 giờ,
5 độ kinh x
2.5 độ vĩ
CDDIS (MaryLand-
Hoa Kỳ)
IGN (Pháp)
KASI (Hàn Quốc)
Lưới ô
vuông TEC

điện ly
nhanh
2-9 TECU
Sau gần 24
giờ
1 lần/1 ngày
2 giờ,
5 độ kinh x
2.5 độ vĩ
CDDIS (MaryLand-
Hoa Kỳ)
IGN (Pháp)
KASI (Hàn Quốc)

Đánh giá chung về phương pháp xác định TEC và PWV từ các dữ liệu đo
GPS ta thấy rằng các kết quả thu được với độ chính xác cao ở quy mô khu vực và
toàn cầu như đã nêu chỉ có thể đạt được với các điều kiện sau:
1. Tồn tại mạng lưới các điểm đo GPS thường xuyên với các điểm đo phân bố
tương đối đều trên khu vực nghiên cứu.

13
2. Số liệu đo GPS phải được truyền về một trung tâm tính toán theo từng giờ để có
thể xác định PWV và TEC gần thời gian thực.
3. Trung tâm tính toán thực hiện tự động quá trình xử lý dữ liệu GPS gồm: nhận
quỹ đạo vệ tinh dự báo cực nhanh (Ultra-Rapid Predicted Half Orbit) từ tổ chức
IGS, nhận số liệu đo GPS từ các điểm đo, tiền xử lý dữ liệu GPS, xác định độ trễ

toàn phần tầng đối lưu phương thiên đỉnh, tính PWV, chọn mô hình tầng điện ly
thích hợp (theo quy mô mạng lưới đo GPS), và lập bản đồ hiện trạng PWV và TEC.

1.3 Công tác nghiên cứu xác định TEC và PWV ở Việt Nam
Trong Dự án hợp tác SEALION (South-East Asia Low-Latitude Ionospheric
Network) giữa Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông Quốc gia Nhật Bản
(NICT: National Institute of Information and Communications Technology) và Viện
Khoa học và Công nghệ Việt Nam từ năm 2006 đã cài đặt và đưa vào sử dụng một
số
thiết bị thăm dò và đo độ nhấp nháy tầng điện ly tại các trạm quan trắc vật lý khí
quyển ở Việt Nam.
Ở nước ta vấn đề lý thuyết xác định TEC bằng công nghệ GPS đã được trình
bày trong Hà Minh Hòa và nnk., (2005).
Việc thực nghiệm xác định tham số TEC từ dữ liệu đo GPS trong khuôn khổ
hợp tác "Nghiên cứu vật lý địa cầu trong hệ thống Mặt Trời-Trái Đất" giữa Vi
ện
Vật lý Địa cầu (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và một số cơ quan khoa
học của Cộng hòa Pháp đã được triển khai từ năm 2005 trở lại đây. Kết quả nghiên
cứu bước đầu cho thấy sự biến thiên của TEC theo ngày đêm, theo mùa rất rõ rệt tại
vị trí 3 trạm đo ở Hà Nội, Huế và Thành phố Hồ Chí Minh (Lê Huy Minh và nnk,
2006). Số lượng 3 trạm đo với s
ự phân bố thưa như vậy không thể phục vụ cho việc
xác định TEC và theo dõi trạng thái tầng điện ly trên phạm vi cả nước được.
Nguyễn Ngọc Lâu và Hồ Nguyễn Hoàng Vũ (2007) ở Đại học Bách Khoa
Thành phố Hồ Chí Minh đã có những nghiên cứu đầu tiên về tác động của độ trễ
điện ly vào việc sử dụng các máy thu 1 tần số. Nguyễn Ngọc Lâu và nnk (2007)
cũng đã khả
o sát độ trễ điện ly từ trị đo pha GPS tại một số trạm đo ở thành phố Hồ
Chí Minh (Hình 1.3).

14

Hình 1.3. Độ trễ điện ly phương thẳng đứng của các vệ tinh vào ngày 7-4-2007 tại TP
HCM (Nguyễn Ngọc Lâu và nnk, 2007).

Công tác xác định PWV ở nước ta bằng các trạm radar, vô tuyến thám
không, ảnh vệ tinh MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer),
phần lớn được triển khai phục vụ cho công tác dự báo khí tượng thủy văn (Trung
tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia):
- Có 6 trạm ra đa thời tiết gồm 8 ra đa phục vụ phát hiện, theo dõi bão và các hiện
tượng thời tiết nguy hiểm khác, trong đó có 03 ra đa thời tiết TRS-2730 do Pháp chế
tạo đặt tại Phù Liễn (Hải Phòng), Vinh (Ngh
ệ An) và Việt Trì (Phú Thọ), 03 ra đa
thời tiết DOPPLER do Hoa Kỳ chế tạo đặt tại Tam Kỳ (Quảng Nam), Nha Trang
(Khánh Hoà) và Nhà Bè (Tp. Hồ Chí Minh), 02 ra đa thời tiết MRL-5 do Liên Xô
(cũ) chế tạo, đặt tại Phủ Liễn (Hải Phòng) và Vinh (Nghệ An).
- 5 trạm vô tuyến thám không đang hoạt động được đặt tại Hà Nội, Đà Nẵng, Tp.
Hồ Chí Minh, Vinh và Điện Biên. Theo quy hoạch mạng lưới quan trắc Thủ tướng
Chính phủ đ
ã phê duyệt, từ nay đến 2010 sẽ có thêm 3 trạm đặt tại đảo Bạch Long
Vĩ, Nha Trang và Cà Mau.
Độ trễ điện ly phương thẳng đứng (m)
Giờ địa phương (h)

15
Các yếu tố quan trắc trên cao gồm: khí áp, nhiệt độ, độ ẩm, hướng và tốc độ
gió từ mặt đất lên đến độ cao 30 km.Với bán kính đo phủ 250-300km trên đất liền
và 300-500km trên biển của mỗi một trạm, hệ thống 8 trạm vô tuyến thám không
trong tương lai sẽ đáp ứng các yêu cầu cơ bản đảm bảo cung cấp các số liệu khí
tượng trên không lãnh thổ và lãnh hải Việt Nam.
- Dương V
ăn Khảm và Chu Minh Thu (2007) đã tính được độ ẩm tương đối của
không khí dựa trên PWV xác định từ các kênh phổ vùng sóng gần hồng ngoại của
sensơ MODIS đặt trên các vệ tinh quỹ đạo cực Terra và Aqua của Cơ quan Hàng
không Vũ trụ Hoa kỳ NASA (National Aeronautics and Space Administration).
Viện Nghiên cứu Địa chính trước đây (nay là Viện Khoa học Đo đạc và Bản
đồ) đã kết hợp với Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh s
ử dụng
phần mềm xử lý số liệu GPS độ chính xác cao GUST 1.3 (Nguyễn Ngọc Lâu, 2005)
cũng đã bước đầu thử nghiệm đánh giá lượng hơi nước tích tụ PWV trên một số
điểm đo lưới GPS địa động lực Lai Châu - Điện Biên (Hà Minh Hòa và Nguyễn
Ngọc Lâu, 2005). Kết quả thử nghiệm tính toán xác định PWV tại điểm DON1 đạt
độ chính xác cao (vài mm). Điều này khẳng định khả n
ăng ứng dụng công nghệ
GPS trong việc xác định PWV tại Việt Nam.
Có thể thấy rằng việc ứng dụng công nghệ GPS trong nghiên cứu xác định
mật độ điện tử tổng cộng TEC, lượng hơi nước tích tụ PWV ở nước ta cũng vừa
mới được triển khai cách đây không lâu, ở quy mô nhỏ và thưa, chưa đáp ứng được
nhu cầu xác định TEC, PWV trên phạm vi cả nước. Vì th
ế trong phần tiếp theo sẽ
trình bày nội dung một số các phương pháp đo trực tiếp, phương pháp sử dụng các
công cụ viễn thám, đặc biệt nhấn mạnh tới phương pháp và thuật toán xử lý số liệu
GPS để xác định tổng lượng điện tử TEC tầng điện ly và lượng hơi nước tích tụ
PWV tầng đối lưu. Trên cơ sở đó sẽ đề xuấ

t quy trình ứng dụng xử lý số liệu đo
GPS để xác định TEC, PWV trên các điểm đo GPS độ chính xác cao ở Việt Nam
nhằm trợ giúp cho công tác nghiên cứu khí quyển, dự báo thời tiết, giảm nhẹ thiên
tai, tăng cường an ninh quốc phòng trên lãnh thổ nước ta hiện nay.


16

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TEC, PWV TỪ SỐ LIỆU ĐO
TRỰC TIẾP VÀ VIỄN THÁM

2.1 Các phương pháp xác định trực tiếp TEC, PWV
2.1.1 Xác định TEC từ nguồn số liệu đo trực tiếp
Để xác định các tham số tầng điện ly (mà TEC chỉ là một trong các tham số
đó) người ta nghiên cứu sự biến đổi của các sóng điện từ khi truyền qua tầng điện
ly. Ảnh hưởng của tầng điện ly đến sự truyền sóng sẽ là các số liệu đặc trưng cho
tầng điện ly. Các số liệu này được sử dụng để xây dựng một số mô hình điện ly thực
nghiệm phổ biến trên thế giới như IRI, CIT,

Mô hình tầng điện ly chuẩn quốc tế IRI (International Reference Ionosphere)

Như đã giới thiệu ở phần 1.2 mô hình IRI là kết quả của một dự án quốc tế
được tài trợ bởi Chương trình Nghiên cứu Không gian COSPAR (COmmittee on
SPAce Research) và Hợp tác Quốc tế về Khoa học Vô tuyến URSI (International
Union of Radio Science). Trong khuôn khổ dự án này các nhà khoa học đã tạo ra
một mô hình chuẩn từ các số liệu thực nghiệm cho tầng điện ly. Mô hình IRI xác
định giá trị mật độ, nhiệt độ điệ
n tử, thành phần và nhiệt độ ion, TEC,… trong
khoảng độ cao từ 50km tới 2000km. Nguồn số liệu đo tầng điện ly có được từ mạng
lưới các trạm thăm dò điện ly trên thế giới, máy thu rada, các vệ tinh và tên lửa

thăm dò,…
Mô hình IRI đã phát triển và liên tục được cải tiến (IRI-90, IRI-95, IRI-2000,
IRI-2007) nhằm mô tả sự thay đổi của mật độ điện tử theo độ cao với từng đ
iều kiện
địa vật lý một cách tốt nhất có thể, nhờ sử dụng nguồn số liệu quan trắc hạn dài.
Hình 2.1 cho thấy sự phù hợp tương đối tốt giữa kết quả xác định VTEC
(TEC phương thẳng đứng) từ mô hình IRI và từ GPS: có tồn tại độ lệch khoảng vài
TECU (1 TECU = 10
16
electron/m
2
) giữa các giá trị VTEC xác định từ số liệu GPS
và từ mô hình IRI-90 tại một số điểm ở Úc.

17


Hình 2.1. VTEC (giá trị TEC phương thẳng đứng) theo đơn vị TECU (10
16
electron/m
2
)
xác định từ số liệu GPS (đường đậm) và từ mô hình IRI-90 (đường đứt đoạn)
tại một số điểm ở Úc ().
T
ạ
i Darwin
,
n
g

à
y
21/4/2009
T
ạ
i Towsville
,
n
g
à
y
21/4/2009
T
ạ
i Alice S
p
rin
g
,
n
g
à
y
21/4/2009 T
ạ
i Ceduna
,
n
g
à

y
21/4/2009
T
ạ
i Hoba
r
t
,
n
g
à
y
21/4/2009 T
ạ
i đảoMac
q
ua
r
ie
,
n
g
à
y
21/4/2009
: GPS

: IRI
Giờ quốc tế UT (h)
Giờ quốc tế UT (h)

Giờ quốc tế UT (h)
Giờ quốc tế UT (h)
Giờ quốc tế UT (h)
Giờ quốc tế UT (h)

18
Mô hình tầng điện ly theo độ cao có trợ giúp của máy tính điện tử CIT
(Computer-aided Ionosphere Tomography)
Mật độ điện tử của tầng điện ly, được tính bằng tích phân đường của hàm
mật độ điện tử tổng cộng trên một quãng đường lan truyền của một sóng điện từ
trong tầng điện ly, không truyền tải bất kỳ một thông tin nào về cấu trúc bên trong
của tầng này. Trong những năm gần đây, người ta đã phát triển phương pháp CIT
để
nghiên cứu sự phân bố mật độ điện tử theo chiều cao của tầng điện ly các vùng vĩ
độ thấp và trung bình. Một số các thuật toán của phương pháp CIT đã được đề xuất
nhưng vẫn còn có những hạn chế riêng. Thuật toán khai triển đơn trị tổng quát
GSVD (Generalized Singular Value Decomposition) (tính ma trận đảo tổng quát
theo Tikhonov) đã được sử dụng để xác định giá trị các phân bố của TEC theo
đường truyền sóng điện từ qua tầng điện ly. Kết quả cấu trúc tầng điện ly thu được
trùng khớp tốt với mô hình điện ly chuẩn IRI và các số liệu đo trực tiếp của TEC
(Bhuyan et al., 2002).

Như đã trình bày ở trên từ các số liệu đo trực tiếp có thể xác định được tương
đối chính xác cấu trúc và các tham số đặc trưng của tầng điện ly th
ể hiện qua các
mô hình thực nghiệm. Mô hình điện ly chuẩn IRI với nhiều phiên bản được cập nhật
theo từng quãng thời gian IRI-90, -95, -2001, -2007 là mô hình phù hợp với nghiên
cứu vật lý khí quyển quy mô toàn cầu. Mô hình tầng điện ly theo độ cao có sự trợ
giúp của máy tính điện tử CIT là mô hình thích hợp cho từng khu vực và từng địa
phương. Một mô hình điện ly thực nghiệm là mô hình Klobuchar xác định từ lịch vệ

tinh phát tín GPS sẽ
được trình bày chi tiết ở CHƯƠNG 3. Mô hình này xác định
được khoảng 50% độ trễ điện ly đối với các trị đo khoảng cách từ vệ tinh tới máy
thu GPS.

2.1.2 Xác định PWV từ nguồn số liệu bóng thám không vô tuyến
Trong số các phương pháp xác định trực tiếp lượng hơi nước có trong khí
quyển đã được kể đến ở phần 1.2 sau đây sẽ trình bày chi tiết phương pháp sử dụng
bóng thám không vô tuyế
n.

19
Các thiết bị thám không được đưa vào khí quyển thông qua bóng thám không
khí tượng. Thiết bị thám không bao gồm các đầu cảm ứng có thể đo được áp suất
khí quyển, nhiệt độ và độ ẩm. Trong quá trình di chuyển từ thấp lên mực khí quyển
cao hơn, các đầu đo thu nhận thông tin và gửi về trạm tiếp nhận. Độ cao tối đa mà
các bóng thám không có thể đạt tới là khoảng 30km. Hệ thống điểu khiển
được sử
dụng để định vị vị trí của bóng thám không trong suốt thời gian bay. Tốc độ và
hướng gió được xác định thông qua thông tin về vị trí của thiết bị do các thiết bị mặt
đất quan trắc. Thiết bị thám không còn có thể phản hồi lại tín hiệu nhận được từ hệ
thống điều khiển tới các thiết bị mặt đất.
Các thiết bị thám không được chụ
p minh họa trong Hình 2.2, 2.3:



Hình 2.2 Bóng thám không Hình 2.3 Thiết bị thám không

Hình 2.4 Pin chưa lắp Hình 2.5 Pin sau khi đã lắp


20
Các thiết bị chứa trong thiết bị thám không bao gồm: pin (Hình 2.4, 2.5), các
đầu đo nhiệt độ, độ ẩm (Hình 2.6) và áp suất (Hình 2.7, 2.8).
Trước mỗi lần chuẩn bị thả bóng, thiết bị thám không được cung cấp một
nguồn điện ắc quy nước khoảng 18 vol, ắc quy này phải được ngâm dung dịch 3
phút trước khi kết nối với các thiết bị.



Hình 2.6 Đầu đo nhiệt,ẩm Hình 2.7 Bản mạch Hình 2.8 Thiết bị đo áp suất

Các thiết bị mặt đất dùng cho thu nhận tín hiệu và xử lý (Hình 2.9, 2.10):



Hình 2.9 Ăngten nhận thu tín hiệu Hình 2.10 Hệ thống thiết bị mặt đất xử lý
tín hiệu

Lượng hơi nước tích tụ (PWV) được định nghĩa là cột nước lỏng ngưng kết
từ tất cả lượng hơi nước có trong cột khí quyển thẳng đứng từ mặt đất đến đỉnh
khí quyển.