TÝn hiÖu GPS bÞ nh hëng c bëi m«i trêng vµ thiÕt bÞ

XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG ĐIỆN TỬ TỔNG CỘNG
TẦNG ĐIỆN LY Ở VIỆT NAM QUA SỐ LIỆU
CÁC TRẠM THU TÍN HIỆU VỆ TINH GPS

LÊ HUY MINH¹, A. BOURDILLON², P. LASUDRIE DUCHESNE³, R. FLEURY³,
NGUYỄN CHIẾN THẮNG¹, TRẦN THỊ LAN¹, NGÔ VĂN QUÂN¹, LÊ TRƯỜNG THANH¹,
HOÀNG THÁI LAN⁴, TRẦN NGỌC NAM⁵

¹Viện Vật lý địa cầu, ²Trường Đại học Tổng hợp Rennes,
³Trường Viễn thông quốc gia Brest,
⁴Phân viện Vật lý thành phố Hồ Chí Minh,
⁵Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế

Tóm tắt: Bài báo giới thiệu phương pháp xác định hàm lượng điện tử tổng cộng tầng điện ly (TEC) từ số liệu của các trạm thu tín hiệu vệ tinh GPS đặt tại Hà Nội, Huế và Hóc Môn (Tp Hồ Chí Minh). Phương pháp sử dụng các giá trị giả khoảng cách thu được ở 2 tần số f₁ = 1575,42 MHz và f₂= 1227,60 MHz của các máy thu GSV4004, các hiệu chỉnh do các thiết bị đặt trên các vệ tinh được công bố trong các tệp số liệu mô hình TEC toàn cầu, và các giá trị hiệu chỉnh do máy thu tính toán được bằng cách so sánh các giá trị TEC tính được trong khoảng thời gian giữa đêm (23-01 h; giờ địa phương - LT - Local time) và các giá trị TEC thu được từ mô hình toàn cầu ở vị trí các máy thu và cùng thời điểm. Kết quả phân tích số liệu đồng thời ở 3 trạm ngày 15/01/2006 cho thấy rằng biến thiên ngày đêm của TEC đạt cực đại vào khoảng 13 h LT và cực tiểu vào khoảng 05-06 h LT, phù hợp với tiến trình ngày đêm của TEC thu được từ mô hình toàn cầu. Biến thiên ngày đêm của TEC theo vĩ độ cho thấy rằng miền Bắc nước ta nằm ở khu vực đỉnh dị thường xích đạo của lớp F điện ly, biên độ biến thiên ngày đêm của TEC lớn hơn hẳn các vùng vĩ độ khác, do đó ảnh hưởng của tầng điện ly tới việc xác định tọa độ bằng GPS sẽ rất quan trọng, cần phải được chú ý tới để nâng cao độ chính xác các phép đo trắc địa hiện đại bằng các máy thu GPS một tần số bỏ qua ảnh hưởng của tầng điện ly hoặc đưa vào hiệu chỉnh điện ly bằng một mô hình nhất định. Một số hướng nghiên cứu mới về TEC từ số liệu GPS khu vực Đông Nam Á được đặt ra.

I. MỞ ĐẦU

Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS) hiện nay gồm 29 vệ tinh bay ở độ cao khoảng 20.200 km trong 6 mặt phẳng quỹ đạo với độ nghiêng của các mặt phẳng quỹ đạo là 55°. Mỗi vệ tinh phát ra các thông tin với mục đích định vị trên hai sóng mang liên kết L₁ và L₂ trong dải L. Hai tần số mang f₁ và f₂ được suy từ tần số cơ bản f_o= 10,23 MHz (f₁= 154f_o= 1575,42 MHz; f₂= 120f_o= 1227,60 MHz). Hai mã tín hiệu được sử dụng: mã C/A được điều biến ở sóng mang f₁ với tốc độ chip là 1,023 Mbps, tương ứng bằng một phần mười tần số cơ bản f_o; mã P (chính xác) được điều biến trên cả hai sóng mang f₁ và f₂ với tốc độ chip là 10,23 Mbps. Các tín hiệu thu được ở các trạm thu dưới mặt đất phụ thuộc nhiều yếu tố: khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh, tầng điện ly, tầng đối lưu, độ lệch của đồng hồ máy thu và đồng hồ trên các vệ tinh, các độ lệch do thiết bị trên vệ tinh và máy thu... Do bản chất tán xạ sóng điện từ của tầng điện ly, hiệu ứng điện ly có thể được đánh giá bằng tổ hợp tuyến tính các phép đo giả khoảng cách và các phép đo pha mang một cách đồng thời ở hai tần số nêu trên. Nghĩa là nhờ các tín hiệu thu được của các máy thu GPS hai tần số có thể đưa tới khả năng tính toán được hàm lượng điện tử tổng cộng tầng điện ly (Total Electron Content - TEC), một thông số quan trọng trong nhiều vấn đề nghiên cứu liên quan tới tầng điện ly như các hiện tượng liên quan tới từ trường Trái đất [4-6, 9, 11, 13], mối quan hệ giữa các biến động trong tầng điện ly và các hiện tượng trong vỏ Trái đất (động đất) [2, 10, 12, 14, 15], hiện tượng nhật thực [8]... Trong khuôn khổ hợp tác khoa học giữa Viện Vật lý địa cầu (với sự cộng tác của Trường Đại học Khoa học Huế và Phân viện Vật lý thành phố Hồ Chí Minh) và Trường Đại học tổng hợp Rennes 1, Trường Viễn thông quốc gia Brest (Cộng hòa Pháp), 3 trạm thu tín hiệu vệ tinh GPS được đặt tại Hà Nội (21°02’50” B, 105°47’59” Đ - từ 26/03/2005), Huế (16°27’33” B, 107°35’33” Đ - từ 13/01/2006) và Hóc Môn (10°50’54” B, 106°33’35” Đ - từ 25/04/2005). Việc sử dụng công nghệ GPS theo hướng nghiên cứu tầng điện ly là một lĩnh vực hoàn toàn mới ở Việt Nam. Trong bài báo này chúng tôi giới thiệu quy trình xử lý và xác định TEC từ số liệu GPS, minh họa kết quả bước đầu xác định TEC khu vực Việt Nam và các vùng kế cận từ số liệu 3 trạm thu GPS đã nêu.

II. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG ĐIỆN TỬ TỔNG CỘNG TẦNG ĐIỆN LY TỪ SỐ LIỆU GPS

Tín hiệu phát ra từ các vệ tinh GPS truyền tới các trạm thu đặt dưới mặt đất bị ảnh hưởng cả bởi môi trường không gian và các thiết bị. Vì vậy, quãng đường mà tín hiệu điện từ truyền từ vệ tinh thứ i tới máy thu thứ j sẽ không đúng bằng khoảng cách thực giữa vệ tinh và máy thu, và khoảng cách tín hiệu điện từ đi được như vậy được gọi là giả khoảng cách (pseudo-range). Gọi và là giả khoảng cách giữa vệ tinh i và máy thu j đối với các tần số f₁ và f₂, chúng ta có [7]:

Vì một vệ tinh đi từ chân trời tới thiên đỉnh, nên TEC thu được được gọi là TEC nghiêng. Tuy nhiên, các nhà khoa học thấy rằng hữu hiệu hơn là điều chỉnh về mặt toán học TEC thu được tại điểm dưới tầng điện ly được coi như là TEC thẳng đứng (TECV). Chúng ta có thể thu được mối liên hệ giữa TEC nghiêng thu được ở trên với TEC thẳng đứng bằng mô hình lớp đơn điện ly như sau. Trên Hình 1, gọi s là vị trí của một vệ tinh GPS, r là vị trí máy thu, R_e là bán kính Trái đất, h_ion là độ cao của tầng điện ly lớp đơn (thường lấy h_ion= 400 km), ip là điểm cắt của đường thẳng sr và lớp điện ly, z là góc thiên đỉnh của vệ tinh ở vị trí máy thu (phần phụ của góc ngẩng a của vệ tinh ở vị trí máy thu), z’ là góc thiên đỉnh của vệ tinh ở điểm cắt lớp điện ly ip, mối liên hệ giữa TEC nghiêng và TECV được biểu diễn bởi công thức:

TECV = TEC*cosz’ (4)

trong đó z’ được xác định từ công thức:

(5)

Để cho tiện, sau này khi chúng ta nói tới TEC là ngụ ý nói về TEC thẳng đứng, trừ khi cần thiết phân biệt rõ TEC nghiêng và TEC thẳng đứng sẽ nói cụ thể hơn.

III. THIẾT BỊ VÀ SỐ LIỆU QUAN SÁT

Các máy thu GPS đặt ở ba trạm của nước ta là loại máy thu hiệu Silicon Valley kiểu GSV4004, loại máy thu GPS được sản xuất với mục đích theo dõi nhấp nháy điện ly và hàm lượng điện tử tổng cộng tầng điện ly. Máy thu loại này có thể theo dõi tín hiệu của 11 vệ tinh GPS ở tần số f₁ và ở tần số f₂, đo biên độ và pha, độ phân kỳ code/sóng mang đối với mỗi vệ tinh ở tần số f₁. Kênh thứ 12 được dùng để theo dõi vệ tinh SBAS (satellite-based augmentation system) và đo phông nhiễu. Một phần mềm đi kèm cho phép chuyển đổi tệp số liệu đầu ra của máy thu GSV4004 sang tệp số liệu RINEX (với các thông số C₁, P₂  giả khoảng cách ; L₁, L₂ - pha ; D₁, D₂  tần số Doppler ; S₁, S₂  cường độ tín hiệu; thời gian GPS...), do vậy có thể tiến hành lập các chương trình xử lý số liệu theo kinh nghiệm chủ quan của người phân tích. Trong tổ hợp phần mềm đi kèm máy thu GSV4004 có phần mềm parseismr.exe cho phép biến đổi tệp số liệu quan sát sang tệp số liệu dưới dạng mã ASCII gồm các thông tin về vệ tinh, các giá trị TEC tức thời và trung bình trong khoảng thời gian 15, 30 và 45 giây... nhưng việc sử dụng trực tiếp các kết quả TEC tính từ phần mềm này cho những kết quả rất hạn chế mà ta sẽ thấy dưới đây.

Tại mỗi thời điểm một máy thu có thể quan sát được số lượng vệ tinh GPS nhất định phụ thuộc vào vị trí địa lý của máy thu. Hình 2 là ví dụ về số vệ tinh nhìn thấy được tại các thời điểm trong ngày 15/01/2006 ở 3 trạm Hà Nội, Huế và Hóc Môn. Chúng ta có thể thấy rằng tại mỗi thời điểm số vệ tinh quan sát được ở các trạm khác nhau có thể là khác nhau, số vệ tinh ít nhất quan sát được là 6 trong những khoảng thời gian ngắn trong ngày, phần lớn thời gian còn lại đều thu được tín hiệu của 7 đến 11 vệ tinh. Vết của các vệ tinh này trên tầng điện ly ở độ cao 400 km vào ngày 15/01/2006 được minh họa trên Hình 3. Chúng ta có thể thấy rằng với 3 trạm thu GPS đặt tại Hà Nội, Huế và Hóc Môn, có thể quan sát được sự biến đổi ngày đêm của TEC trên toàn lãnh thổ và lãnh hải Việt Nam.

IV. XỬ LÝ VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU

Hình 4 trình bày số liệu TEC thu được ở 3 trạm Hà Nội, Huế và Hóc Môn, 3 hình ở trên là TEC thu được từ phần mềm parseismr.exe đã được chuyển về TEC thẳng đứng theo công thức (4), 3 hình bên dưới là TEC tính được theo công thức (3) cũng được chuyển về TEC thẳng đứng, đơn vị TEC là TECU bằng 10¹⁶ electron/m². Rõ ràng số liệu TEC thu được từ phần mềm đi kèm với máy GSV4004 có độ phân tán lớn hơn nhiều TEC tính được theo các công thức (3) và (4), do vậy chúng tôi không sử dụng kết quả tính TEC từ phần mềm đi kèm máy trong các phân tích tiếp theo. Như đã nêu, tín hiệu truyền từ các vệ tinh GPS tới các máy thu bị ảnh hưởng bởi nhiều hiện tượng khác nhau, ví dụ hiệu ứng nhiều đường (multipath) do tia sóng có thể bị phản xạ nhiều lần trong tầng điện ly trước khi đi tới máy thu, hiện tượng nhảy pha... khi đó việc tính toán TEC theo (3) sẽ không còn đúng. Trên Hình 4, chúng ta cũng quan sát thấy rất rõ một số điểm TEC tính được lệch hẳn so với xu thế chung, các điểm này thường ứng với góc ngẩng của vệ tinh nhỏ (hiện tượng nhiều đường có thể dễ xảy ra), do vậy chúng tôi sẽ loại trừ các giá trị TEC tính toán được với góc ngẩng vệ tinh trong các phân tích tiếp theo.

Từ Hình 5 chúng ta thấy rõ các giá trị TEC lệch xa so với xu thế chung ở Hình 4 đã không còn. Xu thế biến thiên của TEC trung bình tính được từ số liệu 3 trạm GPS ở nước ta khá phù hợp với xu thế biến thiên của TEC tính từ mô hình toàn cầu. Những sai lệch của TEC trung bình tính được từ số liệu quan sát với TEC từ mô hình toàn cầu phản ánh những biến đổi TEC có tính khu vực mà mô hình toàn cầu không thể phản ánh được. Tiến trình ngày đêm của TEC trung bình trong ngày 15/01/2006 tại 3 trạm ở nước ta có nét chung là đều đạt cực đại vào khoảng 06 h UT (13 h LT) và cực tiểu vào khoảng 22-23 h UT (05-06 h LT), biên độ ngày đêm ở Hà Nội lớn hơn rõ rệt so với ở Hóc Môn; vào những giờ ban ngày (00h-13hUT) sự biến đổi của TEC theo thời gian ở khu vực Hà Nội cũng lớn hơn hẳn so với ở Hóc Môn. Biến thiên ngày đêm theo vĩ độ của TEC từ số liệu thu được của ba trạm Hà Nội, Huế và Hóc Môn được trình bày trên Hình 6. Đường nét gạch trên Hình 6 ở khoảng vĩ độ 8°N là vị trí của xích đạo từ niên đại 2005,0. Từ Hình 6 chúng ta thấy rằng có vùng cực đại rõ rệt của TEC vào khoảng 13 h LT ở khoảng vĩ độ 17° đến 22°B, khu vực được biết là đỉnh ở bán cầu Bắc của dị thường lớp F điện ly xích đạo do hiệu ứng vòi phun [18]. Như thế, rõ ràng là kết quả TEC thu được từ ba trạm GPS của nước ta sẽ tạo nên một cơ sở dữ liệu quan trọng cho các nghiên cứu động lực học tầng điện ly xích đạo ở khu vực kinh tuyến 105°Đ, nơi có cường độ dòng điện xích đạo mạnh nhất so với các vùng kinh tuyến khác trên phạm vi toàn cầu [1].

Việc xây dựng các bản đồ TEC khu vực Việt Nam và các vùng kế cận tại một thời điểm nhất định không thể thực hiện được với số liệu chỉ của 3 trạm GPS ở nước ta, như đã thấy ở Hình 2, tại mỗi thời điểm mỗi máy thu chỉ có thể quan sát được tín hiệu của nhiều nhất là 11 vệ tinh, trên vùng khá rộng bao trùm cả khu vực Đông Nam Á (Hình 3). Điều này chỉ có thể thực hiện được nếu có thêm số liệu GPS ở các nước trong khu vực như: Trung Quốc, Philippin, Thái Lan, Malaysia, Inđonesia... cũng như kết hợp sử dụng số liệu TEC tính được từ việc xác định khoảng cách từ các vệ tinh, kiểu như TOPEX/Poseidon, Jason-1... tới mặt nước của các đại dương. Đây cũng là một vấn đề nghiên cứu cần đặt ra trong tương lai.

V. KẾT LUẬN

Bài báo giới thiệu một quy trình xử lý số liệu GPS để thu được hàm lượng điện tử tổng cộng tầng điện ly và minh họa kết quả với ngày 15/01/2006, 2 ngày sau khi đặt trạm thu tín hiệu vệ tinh GPS tại Trường Đại học Khoa học Huế. Kết quả tính toán TEC cho phép rút ra một số nhận định sau:

Tiến trình ngày đêm của TEC quan sát được từ các trạm thu GPS Hà Nội, Huế và Hóc Môn phù hợp với tiến trình ngày đêm của TEC thu được từ mô hình toàn cầu khẳng định độ tin cậy của các số liệu thu được cũng như quy trình xử lý tính toán TEC.

Biến thiên của TEC quan sát được cho thấy rằng vào ban ngày TEC biến đổi mạnh hơn nhiều so với ban đêm. Phía Bắc nước ta nằm ở vùng đỉnh cực đại của dị thường mật độ điện tử lớp F điện ly xích đạo do hiệu ứng vòi phun, do đó ảnh hưởng của tầng điện ly tới kết quả xác định toạ độ bằng GPS đóng vai trò rất quan trọng. Với các phép đo tọa độ dùng GPS một tần số, ở khu vực nước ta ảnh hưởng của tầng điện ly sẽ cực tiểu nếu tiến hành các phép đo vào ban đêm từ 22 tới khoảng 6 h (giờ địa phương).

Hình thái cấu trúc biến thiên ngày đêm theo vĩ độ của TEC ở nước ra cho thấy các số liệu TEC thu được từ số liệu GPS cùng với các số liệu địa từ, thăm dò thẳng đứng tầng điện ly ở Việt Nam sẽ góp phần thúc đẩy các nghiên cứu động lực học điện ly xích đạo ở khu vực Đông Nam Á và thế giới.

Công nghệ GPS là một công nghệ hiện đại được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau. Biến đổi của TEC còn có thể liên quan tới nhiều hiện tượng vật lý khác không liên quan tới hoạt động của Mặt trời [17] cần được tìm hiểu. Việc đặt ba trạm thu tín hiệu vệ tinh GPS liên tục ở Hà Nội, Huế và Hóc Môn là một đóng góp quan trọng trong việc đẩy mạnh các nghiên cứu vật lý địa cầu ở nước ta và tạo cơ hội cho việc phát triển hợp tác nghiên cứu khoa học vật lý địa cầu khu vực Đông Nam Á và thế giới.

Lời cám ơn: Các tác giả bày tỏ lòng cám ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Khoa học Huế đã tạo mọi điều kiện cho việc đặt trạm thu GPS trong cơ sở của Trường. Bài báo được hoàn thành với sự trợ giúp kinh phí của Hội đồng Khoa học Tự nhiên.

VĂN LIỆU

1. Doumouya V. and Y. Cohen, 2004. Improving and testing the empirical equatorial electrojet model with CHAMP satellite data. Annales Geophysicae, 22 : 3323-3333.

2. Fujiwara H. et al., 2004. Atmospheric anomalies observed during earthquake occurences. Geophys. Res. Lett., 31, L17110, doi : 10.1029/2004GL019865.

3. Huang C. R. et al., 1999. A study of tomographically reconstructed ionospheric images during a solar eclipse, J. Geophys. Res., 104/A1 : 79-94.

4. Lee C. C. and J. Y. Liu, 2002. The propagation of traveling atmospheric disturbances observed during the April 6-7, 2000 ionospheric storm, Geophys. Res. Lett., 29/5, 10.1029/2001GL013516.

5. Lin C.H. et al., 2005. Large-scale variations of the low-latitude ionosphere during the October - November 2003 seperstorm: Observational results. J. Geophys. Res., 110, A09S28, doi:10.1029/2004JA010900.

6. Lin C. H. et al., 2005. Large-scale variations of the low-latitude ionosphere during the October-November 2003 superstorm: Observational results. J. Geophys. Res., 110, A09S28, doi:10.1029/2004 JA010900.

7. Liu J. Y., H. F. Tsai and T. K. Jung, 1996. Total electron content obtained by using the global positioning system. TAO, 7/ 1 : 07-117.

8. Liu J. Y., H. F. Tsai, L. C. Tsai and M. Q. Chen, 1999. Ionospheric total electron content observed during the 24 October 1995 solar eclipse. Adv. Space Res., 24/1 : 1495-1498.

9. Liu J. Y. et al., 1999. The effect of geomagnetic storm on ionospheric total electron content at the equatorial anomaly region. Adv. Space Res., 24/11 : 1491-1494.

10. Liu J. Y. et al., 2001. Variations of ionospheric total electron content during the Chi-Chi earthquake. Geophys. Res. Lett., 28/7 : 2383-1386.

11. Liu L. et al., 2002. Low latitude ionospheric effects near longitude 120°E during the great geomagnetic storm of July 2000. Science in China, 45 : 148-155.

12. Liu J. Y. et al., 2002. A study on the TEC pertubations prior to the Rei-Li, Chi-Chi and Chia-Yi Earthquakes. Seismo Electromagnetic : Lithosphere-Ionosphere Coupling, Eds. M. Hayakawa and O. A. Molchanov : 297-301.

13. Liu J. Y., C. H. Lin, H. F. Tsai and Y. A. Liu, 2003. Ionospheric solar flare effects monitored by the ground-based GPS receivers - Theory and observations. J. Geophys. Res. Space Physics.

14. Liu J. Y., Y. I. Chen, H. K. Jhuang and Y. H. Lin, 2004. Ionospheric foF2 and TEC anomalous days associated with M³5.0 earthquakes in Taiwan during 1997-1999. TAO, 15/3 : 371-383.

15. Liu J. Y. et al., 2004. Pre-earthquake ionospheric anomalies registered by continuous GPS TEC measurements. Annales Geophysicae, 22 : 1585-1593.

16. Ma G. and T. Maruyama, 2002. Derivation of TEC and estimation of instrumental biais from GEONET in Japan. J. Communications Res. Lab., 49 : 121-133.

17. Pulinets S. A. and J. Y. Liu, 2004. Ionospheric variability unrelated to solar and geomagnetic activity. Adv. Space Res., 34 : 1926-1933.

18. Rishbeth H., 2000. The equatorial F-layer: Progress and puzzles. Ann. Geophys., 18 : 730-739.