Luận án Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI --------------------------------------- PHẠM CHÍ CÔNG NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ ĐIỀU KIỆN TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TẦNG ĐỐI LƯU KHU VỰC HÀ NỘI SỬ DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP CẮT LỚP VÔ TUYẾN VÀ BÓNG THÁM KHÔNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI --------------------------------------- PHẠM CHÍ CÔNG NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ ĐIỀU KIỆN TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TẦNG ĐỐI LƯU KHU VỰC HÀ NỘI SỬ DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP CẮT LỚP VÔ TUYẾN VÀ BÓNG THÁM KHÔNG Ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số ngành: 9.52.02.08 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Người hướng dẫn khoa học: Hướng dẫn 1: TS. Trần Hoài Trung Hướng dẫn 2: TS. Phạm Xuân Thành Hà Nội - 2023 i LỜI CAM ĐOAN Luận án “Nghiên cứu, đánh giá điều kiện truyền sóng vô tuyến tầng đối lưu khu vực Hà Nội sử dụng các phương pháp cắt lớp vô tuyến và bóng thám không” được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Hoài Trung và TS. Phạm Xuân Thành. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả Phạm Chí Công ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Trần Hoài Trung – Giảng viên Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Giao thông Vận tải và TS. Phạm Xuân Thành – Phòng Vật lý Khí quyển, Viện Vật lý Địa Cầu đã hướng dẫn, giúp đỡ rất nhiều để tôi có điều kiện thực hiện những ý tưởng của mình, chuẩn bị những kiến thức cơ bản cho việc thực hiện luận án. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS. Nguyễn Xuân Anh – Viện trưởng, Viện Vật lý Địa Cầu, người đã tận tình chỉ bảo từ những ngày đầu tiên khi tôi nhận quyết định công nhận nghiên cứu sinh trúng tuyển. Trong quá trình làm luận án, TS. Nguyễn Xuân Anh luôn giúp đỡ và sẵn sàng thảo luận về các kết quả nghiên cứu đạt được, kịp thời động viên tôi vượt qua những khó khăn trong cả quãng thời gian dài đã qua. Tôi xin chân thành cảm ơn tới các Thầy, Cô ở khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông – Vận tải đã giúp đỡ rất nhiều khi học tập tại Trường; Các Anh, Chị ở Phòng Vật lý Khí quyển - Viện Vật lý Địa cầu đã hỗ trợ trong quá trình tìm hiểu và thu thập dữ liệu phục vụ nội dung nghiên cứu của luận án; Đồng nghiệp tại Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa luôn chia sẻ kinh nghiệm và tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành luận án. Cuối cùng, tôi xin gửi lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè thân thiết đã luôn bên tôi để động viên, hỗ trợ trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Trân trọng./. Tác giả Phạm Chí Công iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG ........................................... vi DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .............................................. viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................. x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................... xv LỜI MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 1 Lý do lựa chọn luận án .......................................................................................... 1 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ...................................... 5 Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 6 Các đóng góp chính của luận án ........................................................................... 7 Hiệu quả kinh tế xã hội ......................................................................................... 8 Bố cục của luận án ................................................................................................ 8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA KHÍ QUYỂN ĐẾN TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN .......................................................................... 11 1.1. Truyền sóng vô tuyến trong khí quyển ...................................................... 11 1.2. Phân tích các phương pháp xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến .................. 15 1.2.1. Phương pháp xác định chỉ số khúc xạ vô tuyến ..................................... 16 1.2.2. Phương pháp đo gián tiếp chỉ số khúc xạ vô tuyến ................................ 21 1.2.3. Phương pháp đo trực tiếp chỉ số khúc xạ vô tuyến ................................ 24 1.3. Ảnh hưởng của khí quyển đối lưu đến truyền sóng vô tuyến .................... 25 1.3.1. Các tham số khí quyển trên đường truyền sóng vô tuyến ...................... 25 1.3.2. Ảnh hưởng của các tham số khí quyển đến truyền sóng ........................ 31 1.4. Tình hình nghiên cứu liên quan đến nội dung luận án .............................. 39 1.4.1. Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước ........................................................ 39 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................... 43 1.5. Kết luận Chương 1 ..................................................................................... 45 iv CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TRONG KHÍ QUYỂN SỬ DỤNG SỐ LIỆU CẮT LỚP VÔ TUYẾN ............................................................................................................... 47 2.1. Phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh ............................................ 48 2.1.1. Nội dung của phương pháp cắt lớp vô tuyến ............................................ 49 2.1.2. Ưu và nhược điểm của phương pháp cắt lớp vô tuyến ............................. 55 2.2. Xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến. ......................................................................... 56 2.2.1. Giải pháp thực hiện ................................................................................... 56 2.2.2. Kết quả đạt được và phân tích đánh giá .................................................... 61 2.3. Kết luận Chương 2 ....................................................................................... 69 CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TRONG KHÍ QUYỂN SỬ DỤNG SỐ LIỆU BÓNG THÁM KHÔNG .............................................................................................................. 70 3.1. Phương pháp bóng thám không ................................................................... 70 3.2. Xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội sử dụng số liệu bóng thám không ....................................................................... 72 3.2.1. Giải pháp thực hiện ................................................................................... 72 3.2.2. Kết quả đạt được và phân tích đánh giá .................................................... 75 3.3. Xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến trong khí quyển khu vực Hà Nội sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến và số liệu bóng thám không ............................ 84 3.3.1. Giải pháp thực hiện ................................................................................... 84 3.3.2. Kết quả đạt được và phân tích đánh giá .................................................... 85 3.4. Kết luận Chương 3 ....................................................................................... 96 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .............................. 98 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ............. 101 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ......................................................................................................... 102 v TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 103 PHỤ LỤC ......................................................................................................... 115 Phụ lục 1. Phương pháp cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh ................................ 115 Phụ lục 2. Cấu trúc dữ liệu phục vụ nội dung nghiên cứu của luận án ............. 122 Phụ lục 3. Xây dựng phần mềm thu thập dữ liệu phục vụ nghiên cứu xác định điều kiện truyền sóng vô tuyến ......................................................................... 126 Phụ lục 4. Dữ liệu cắt lớp vô tuyến sử dụng vệ tinh ......................................... 136 Phụ lục 5. Dữ liệu bóng thám không ................................................................. 162 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG STT Ký hiệu Mô tả 1 𝜌௧ Mật độ điện tích toàn phần 2 1/a Độ cong của trái đất 3 1/𝜌 Độ cong của tia sóng 4 a Bán kính trái đất 5 ai Hệ số ảnh hưởng của nhiệt độ 6 as Đường kính hạt 7 bi Hệ số ảnh hưởng của áp suất hơi nước 8 ci Hệ số ảnh hưởng của áp suất 9 dM/dh Biến thiên mô-đun theo phương thẳng đứng 10 dn/dh Biến thiên chỉ số khúc xạ theo phương thẳng đứng 11 dN/dh Biến thiên độ khúc xạ theo phương thẳng đứng 12 e Áp suất hơi nước 13 es Áp suất hơi bão hòa 14 G Độ dốc khúc xạ vô tuyến 15 g Gia tốc trọng trường 16 h Độ cao trên bề mặt trái đất 17 h0 Độ cao tham chiếu 18 k, k-factor Hệ số bán kính trái đất hiệu dụng 19 ke Giá trị của k, vượt quá 99,99% thời gian 20 M Mô-đun khúc xạ hay độ khúc xạ vô tuyến thay thế 21 md, m Khối lượng phân tử trung bình của khí khô/ẩm vii STT Ký hiệu Mô tả 22 n Chỉ số khúc xạ vô tuyến hay chỉ số khúc xạ khí quyển 23 N Độ khúc xạ vô tuyến hay độ khúc xạ khí quyển 24 N0 Độ khúc xạ tham chiếu 25 ne Mật độ điện tích 26 Nh Độ khúc xạ tính theo phương pháp gián tiếp ở độ cao h 27 Ns Độ khúc xạ tính theo mô hình ITU-R P.453 ở độ cao hs 28 P Áp suất khí quyển toàn phần 29 Re Bán kính trái đất tương đương 30 RH Độ ẩm tương đối (%) 31 Ru Hằng số chất khí 32 s1 Tín hiệu ở băng tần L1 33 s2 Tín hiệu ở băng tần L2 34 T Nhiệt độ tuyệt đối (oK) 35 Wi, w Tổng lượng hơi nước/đá 36 α Góc uốn cong trung tâm 37 α1 Góc uốn cong của tín hiệu ở băng tần L1 38 α2 Góc uốn cong của tín hiệu ở băng tần L2 39 λs Bước sóng kích thích 40 ρd,m Mật độ khí khô/ẩm 41 𝜌 Bán kính cong của tia sóng 42 𝜑 Góc tới của tia sóng so với phương nằm ngang viii 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 tinh dẫn đường Bắc Đẩu (Trung Quốc) 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 chòm sao cho khí tượng, tầng điện ly và khí hậu 5 CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh 6 CSV Comma Separated Values Giá trị được phân tách bằng dấu phẩy 7 DOA Direction Of Arrival Hướng sóng tới 8 GALILEO Galileo Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh dẫn đường Galileo (Châu Âu) 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 toàn cầu (Hoa Kỳ) 13 ICAO International Civil Aviation Organization Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế 14 ITU International Telecommunication Union Liên minh Viễn thông Quốc tế ix STT Chữ viết tắt Tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 15 ITU-R ITU Radiocommunication Sector Bộ phận Thông tin vô tuyến của ITU 16 LEO Low Earth Orbit Quỹ đạo trái đất thấp 17 LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng 18 NASA National Aeronautics and Space Administration Cơ quan Hàng không 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 vô tuyến 24 TEC Total Electron Content Lượng điện tích tổng cộng 25 UHF Ultra high frequency Tần số cực cao 26 VHF Very high frequency Tần số rất cao 27 wetPrf Wet Profile Mặt cắt ẩm 28 WMO World Meteorological Organization Tổ chức khí tượng thế giới 29 ZTD Zenith Tropospheric Delay Trễ thiên đỉnh tầng đối lưu x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Môi trường truyền dẫn vô tuyến trong khí quyển. .............................. 11 Hình 1.2. Thành phần không khí khô ở mặt đất (% theo thể tích). ..................... 12 Hình 1.3. Tán xạ đàn hồi trên các hạt có kích thước khác nhau với bước sóng kích thích. ............................................................................................................ 13 Hình 1.4. Mức độ chính xác được mong đợi trong phép đo chỉ số khúc xạ. ...... 22 Hình 1.5. Sự phụ thuộc của k vào G. .................................................................. 28 Hình 1.6. Điều kiện truyền sóng thông thường với độ dốc khúc xạ âm. ............ 30 Hình 1.7. Điều kiện truyền sóng bất thường với độ dốc khúc xạ dương. ........... 30 Hình 1.8. Điều kiện truyền sóng bất thường với độ dốc khúc xạ âm. ................ 30 Hình 1.9. Phân bố xác suất của độ dốc khúc xạ vô tuyến [89]. .......................... 31 Hình 1.10. Quỹ đạo tia sóng ở mô hình trái đất thực và tia sóng bị uốn cong. .. 34 Hình 1.11. Quỹ đạo tia sóng ở mô hình trái đất tương đương và tia sóng đi thẳng. ................................................................................................................... 34 Hình 1.12. Quỹ đạo tia sóng trong các điều kiện khí quyển khác nhau ở mô hình trái đất thực. ......................................................................................................... 35 Hình 1.13. Quỹ đạo tia sóng trong các điều kiện khí quyển khác nhau ở mô hình trái đất phẳng. ...................................................................................................... 35 Hình 1.14. Quan hệ giữa hệ số ke và độ dài tuyến truyền sóng (nguồn khuyến nghị ITU-R. P.530 [74]). ..................................................................................... 37 Hình 1.15. Kết quả đo đạc từ thiết bị (đường liền) và so sánh với bóng thám không (đường với ô trắng). ................................................................................. 42 Hình 2.1. Phổ công suất của tín hiệu GPS. Phía bên trái là khoảng thời gian đối với từng loại vệ tinh [40]. .................................................................................... 49 Hình 2.2. Phương pháp cắt lớp vô tuyến. (1) trạng thái bắt đầu bị che khuất khi đường truyền vô tuyến giữa GPS và LEO đi vào tầng cao của khí quyển. (2) tia sóng nằm sâu trong khí quyển, nó bị uốn cong do gia tốc trọng trường. ........... 50 xi Hình 2.3. Quá trình tạo ra các lát cắt theo chiều dọc do sự di chuyển tương đối giữa vệ tinh GPS và vệ tinh khí tượng LEO. ...................................................... 50 Hình 2.4. Các bước xác định tham số khí quyển. ............................................... 52 Hình 2.5. Các góc và các tham số được sử dụng ở kỹ thuật cắt lớp vô tuyến. .. 52 Hình 2.6. Các bước xác định điều kiện truyền sóng sử dụng số liệu cắt lớp vô tuyến. ................................................................................................................... 56 Hình 2.7. Các trường dữ liệu cắt lớp trong file profile ẩm. ................................ 58 Hình 2.8. Độ khúc xạ vô tuyến năm 2014. ........................................................ 63 Hình 2.11. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2014 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453. ................................................................................. 63 Hình 2.9. Độ khúc xạ vô tuyến năm 2015. ........................................................ 63 Hình 2.12. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2015 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453 .................................................................................. 63 Hình 2.10. Độ khúc xạ vô tuyến năm 2016. ...................................................... 63 Hình 2.13. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2016 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453 .................................................................................. 63 Hình 2.14. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2014 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453. ................................................................................. 65 Hình 2.15. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2015 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453. ................................................................................. 65 Hình 2.16. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2016 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453. ................................................................................. 65 Hình 2.17. Độ dốc khúc xạ vô tuyến năm 2014. ................................................. 67 Hình 2.20. Hệ số k năm 2014. ............................................................................. 67 Hình 2.18. Độ dốc khúc xạ vô tuyến năm 2015. ................................................. 67 Hình 2.21. Hệ số k năm 2015. ............................................................................. 67 Hình 2.19. Độ dốc khúc xạ vô tuyến năm 2016. ................................................ 67 Hình 2.22. Hệ số k năm 2016. ............................................................................. 67 xii Hình 3.1. Bóng thám không mang thiết bị đo các thông số khí quyển. .............. 71 Hình 3.2. Các bước xác định điều kiện truyền sóng sử dụng số liệu bóng thám không. .................................................................................................................. 72 Hình 3.3. Dữ liệu quan trắc tại trạm khí tượng Hà Nội, ngày 30/08/2021, thời điểm 00Z (+7 GMT) tức 7h sáng ........................................................................ 74 Hình 3.4. Phân bố độ khúc xạ vô tuyến năm 2016. ............................................ 76 Hình 3.7. Độ khúc xạ vô tuyến năm 2016. ........................................................ 76 Hình 3.5. Phân bố độ khúc xạ vô tuyến năm 2017. ............................................ 76 Hình 3.8. Độ khúc xạ vô tuyến năm 2017. ........................................................ 76 Hình 3.6. Phân bố độ khúc xạ vô tuyến năm 2018. ............................................ 76 Hình 3.9. Độ khúc xạ vô tuyến năm 2018. ......................................................... 76 Hình 3.10. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2016 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453. ................................................................................. 79 Hình 3.13. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2016 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453. ................................................................................. 79 Hình 3.11. Độ lệch tuyệt đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2017 với giá trị theo mô hình ITU-R P.453. ................................................................................. 79 Hình 3.14. Độ lệch tương đối giá trị độ khúc xạ vô tuyến năm 2017 với giá trị theo mô hình ITU-R P.4