Bài viết trình bày kết quả xây dựng phần mềm tính toán tần số làm việc tối ưu cho đường truyền sóng điện ly của máy vô tuyến điện sóng ngắn. Phần mềm được xây dựng cho phép tính đến ảnh hưởng của sự không đồng nhất của tầng điện ly theo phương truyền sóng đến giá trị tần số làm việc tối ưu, và tính được giá trị tần số làm việc tối ưu tương ứng với từng giờ trong ngày.
Trang 1Nghiên Cứu Xây Dựng Phần Mềm Tính Toán Tần Số Làm Việc Tối Ưu Cho Đường Truyền Sóng Điện Ly Của Máy Vô Tuyến Điện Sóng
Ngắn
Nguyễn Minh Giảng1, Vũ Hải Dương2, Dương Xuân Đạt2, Nguyễn Huy Hoàng1, Kiều Khắc Phương1
1Khoa Vô tuyến điện tử, Học Viện Kỹ thuật Quân sự
2Lữ đoàn Thông tin 134, Binh chủng Thông tin liên lạc
Email: nmgiang44@gmail.com
Abstract— Trong bài báo chúng tôi trình bày kết quả xây
dựng phần mềm tính toán tần số làm việc tối ưu cho
đường truyền sóng điện ly của máy vô tuyến điện sóng
ngắn Phần mềm được xây dựng cho phép tính đến ảnh
hưởng của sự không đồng nhất của tầng điện ly theo
phương truyền sóng đến giá trị tần số làm việc tối ưu, và
tính được giá trị tần số làm việc tối ưu tương ứng với
từng giờ trong ngày Kết quả thực nghiệm cho thấy Phần
mềm cho kết quả tính toán có độ chính xác cao và có
thời gian tính toán nhanh, từ đó giúp rút ngắn thời gian
xác định tần số làm việc cho máy vô tuyến điện sóng
ngắn so với phương pháp dò tần số tự động
Keywords- Tần số áp dụng cực đại, tần số làm việc tối
ưu, sóng ngắn, tầng điện ly, máy vô tuyến điện sóng ngắn
I GIỚI THIỆU Ngày nay các thiết bị liên lạc vô tuyến điện sóng
ngắn đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo liên
lạc cho Quân đội, liên lạc cho tàu thuyền trên biển và
những nơi có địa hình phức tạp, khó tiếp cận Quá
trình tính toán để xây dựng đường truyền liên lạc sóng
ngắn đòi hỏi phải xác định được sự biến đổi trong
ngày của Tần số áp dụng cực đại (Maximum Usable
Frequency – ký hiệu là MUF) cho đường truyền đó
Tần số áp dụng cực đại của một đường truyền là tần số
lớn nhất mà sóng vô tuyến có thể truyền từ điểm phát
đến điểm thu cho trước tại một thời điểm xác định
thông qua phản xạ ở tầng điện ly và với các điều kiện
cho trước của máy phát và máy thu ( như công suất
phát, dạng anten, độ nhạy, ) Việc tính toán giá trị
tần số áp dụng cực đại có ý nghĩa rất quan trọng, bởi
vì nếu ta chọn tần số làm việc lớn hơn giá trị tần số áp
dụng cực đại tại thời điểm tiến hành liên lạc thì có thể
sẽ không thu được tín hiệu do sóng vô tuyến khi đó sẽ
đi xuyên qua tầng điện ly thay vì phản xạ ở tầng điện
ly và quay trở về mặt đất
Từ việc tính toán được tần số áp dụng cực đại, ta
nhân thêm hệ số thực nghiệm 0.85 ta sẽ thu được tần
làm việc tối ưu (ký hiệu OWF – Optimum Working
Frequency) cho đường truyền sóng điện ly Nghĩa là ta
có mối liên hệ :
OWF 0.85 MUF, (1) Hiện nay, việc xác định giá trị tần số làm việc tối
ưu thường dựa theo kinh nghiệm của người sử dụng
Ví dụ, từ kinh nghiệm thực tiễn, người ta chia băng tần sóng ngắn từ 3 đến 30 Mhz ra làm các băng tần con sử dụng cho ban ngày, ban đêm và thời gian giao thoa giữa ngày và đêm Nhược điểm của phương pháp này
là có độ chính xác không cao, đặc biệt là trong những điều kiện biến động mạnh của thời tiết hoặc khi phải thực hiện liên lạc đến một địa điểm mới mà người sử dụng chưa từng thực hiện thì việc xác định tần số làm việc tối ưu là vấn đề gặp nhiều khó khăn
Trong số các phương pháp tiên tiến dùng để tính toán tần số làm việc tối ưu như [1],[2] phổ biến hơn cả
là phương pháp được Hiệp hội Viễn thông quốc tế (viết tắt là ITU –Interational Telecommunication Union) khuyến nghị [2] Phương pháp này sử dụng
mô hình toán học và mô hình bán thực nghiệm của tầng điện ly kết hợp với số liệu đo của các đài điện ly
để tính toán tần số làm việc tối ưu Phương pháp này
có ưu điểm là đơn giản, tuy nhiên nó có nhược điểm là
bỏ qua ảnh hưởng của sự không đồng nhất của tầng điện ly theo phương truyền sóng đến đặc tính truyền lan của sóng vô tuyến Sự không đồng nhất của tầng điện ly làm cho điểm phản xạ của tia sóng ở tầng điện
ly bị lệch khỏi điểm chính giữa của đường truyền và
từ đó làm ảnh hưởng tới kết quả tính OWF Do vậy, phương pháp này cho sai số vẫn còn khá lớn
Vì những lý do kể trên, việc nghiên cứu phương pháp, thuật toán và xây dựng một chương trình phần mềm cho phép tính toán nhanh và có độchính xác cao giá trị tần số làm việc tối ưu trong 24 giờ trong ngày cho đường truyền sóng điện ly của máy vô tuyến điện sóng ngắn ( VTĐsn) là bài toán cấp thiết
Phần còn lại của bài báo được trình bày như sau: Trong phần II, chúng tôi trình bày cơ sở của phương phương pháp tính tần số làm việc tối ưu cho đường truyền phản xạ ở tầng điện ly, trong đó có tính đến ảnh
Trang 2hưởng của sự không đồng nhất của tầng điện ly đến
đặc tính truyền lan của sóng vô tuyến Trong phần III
sẽ trình bày kết quả xây dựng “Phần mềm tính toán tần
số làm việc tối ưu cho máy VTĐsn ” trên cơ sở
phương pháp được trình bày ở phần II và ví dụ áp
dụng Phần mềm trong việc tính toán sự biến đổi của
tần số làm việc tối ưu theo thời gian trong ngày và
theo mùa trong năm Trong phần IV chúng tôi trình
bày kết quả thử nghiệm Phần mềm cho đường truyền
thực tế Phần V là các khái quát các kết quả thu được
của bài báo
II PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TẦN SỐ LÀM
VIỆC TỐI ƯU CHO ĐƯỜNG TRUYỀN PHẢN XẠ
Ở TẦNG ĐIỆN LY
A Mô hình tính toán các tham số của tầng
điện ly
Hiện nay có một số mô hình bán thực nghiệm của
tầng điện ly như [3], [4] cho phép tính toán các tham số
của tầng điện ly khi biết tham số đầu vào là: tọa độ địa
lý của điểm cần tính, thời gian, ngày, hệ số Wolf (W)
đặc trưng cho mức độ hoạt động của mặt trời Các mô
hình bán thực nghiệm dựa trên các kết quả đo của hệ
thống các đài điện ly trên thế giới trong nhiều năm
Dựa trên các số liệu đo được, người ta xây dựng các
hàm xấp xỉ cho phép ta xác định được các tham số của
tầng điện ly tại mỗi vị trí và thời gian bất kỳ Các mô
hình của tầng điện ly khác nhau bởi số lượng, dạng của
các hàm xấp xỉ và các hệ số xấp xỉ mà nó sử dụng
Trong nghiên cứu của mình tác giả sử dụng mô hình
[3] do nó đảm bảo đồng thời 2 yếu tố: Cho kết quả tính
toán các tham số của tầng điện ly với sai số cho phép
và đã được kiểm nghiệm bởi các nghiên cứu trước đó
như [5], đồng thời cho thời gian tính toán nhanh, cho
phép thực hiện tính toán với thời gian thực
Từ việc lựa chọn mô hình tầng điện ly, ta sẽ xác
định được các tham số của tầng điện ly tại vị trí điểm
phát và điểm thu, đó là: Tần số tới hạn và độ cao của
các lớp phản xạ E, F, hệ số M(300)F2 của lớp F2 Hệ
số M(300)F2 được định nghĩa như sau:
) ( MUFF
F f F
M
3000 2
2 2
Trong đó f0F2 là tần số tới hạn của lớp F2 của
tầng điện ly
Sau khi tính toán được các tham số của tầng điện
ly, ta sẽ sử dụng các kết quả này để tính giá trị tần số
làm việc tối ưu cho đường truyền sóng điện ly tương
ứng cho mỗi giờ trong ngày
B Phương pháp tính toán tần số làm việc tối ưu
khi xét đến tính không đồng nhất của tầng điện
ly
Trong điều kiện tầng điện ly đồng nhất, ta có thể
coi lớp phản xạ của tầng điện ly như là 1 mặt phản xạ
gương Khi đó điểm phản xạ sẽ là điểm C, có hình
chiếu xuống mặt đất là điểm chính giữa của đường
truyền Khi đó, theo định lý Secant [6] và (1), ta có biểu thức tính tần số làm việc tối ưu như sau:
2 2
85
D
Trong đó OWF(D) – là tần số làm việc tối ưu cho đường truyền có độ dài D (km); f 0F2- tần số tới hạn của lớp phản xạ F2 của tầng điện ly tại điểm chính giữa của đường truyền; - góc tia sóng đi vào tầng điện ly
Hình 1 Điểm phản xạ của sóng vô tuyến bị lệch khỏi điểm chính giữa của đường truyền khi xét đến sự không
đồng nhất của tầng điện ly Trong điều kiện tầng điện ly không đồng nhất, nguyên nhân là do mật độ electron của tầng điện ly tại điểm đầu và điểm cuối của đường truyền chênh lệch nhau thì ta phải coi lớp phản xạ của tầng điện ly như 1 mặt nghiêng với góc nghiêng là (hình 1) Khi đó điểm phản xạ của tia sóng sẽ dịch chuyển tới điểm T
Ta ký hiệu góc dịch chuyển từ điểm C đến điểm T là
T
COT Khi đó ta tính được góc lệch T theo biểu thức :
1
2 1
0 0
2 0
cos A
cos A A tan
Trong đó
E
R
h
A0 1 0 , 0- độ cao của lớp phản xạ tại điểm chính giữa của đường truyền, RE - bán kính của trái đất
Tiếp theo, ta tính được giá trị góc xâm nhập của tia sóng vào tầng điện ly như sau:
T
T
cos cos A
cos sin tan
Thay (4) vào (2) ta sẽ xác định được giá trị OWF(D) Thông qua việc tính đến sự dịch chuyển của điểm phản xạ của tia sóng trong điều kiện tầng điện ly không đồng nhất cho phép nâng cao được độ chính xác
Trang 3trong tính toán tần số làm việc tối ưu của đường truyền
sóng điện ly [7]
II XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN TẦN
SỐ LÀM VIỆC TỐI ƯU
Trên cơ sở phương pháp được trình bày ở phần
trước ta xây dựng được Phần mềm tính toán tần số làm
việc tối ưu cho máy vô tuyến điện sóng ngắn Giao
diện của Phần mềm gồm 2 phần (hình 2): phần nhập
dữ liệu đầu vào và phần hiển thị kết quả Kết quả tính
toán có thể được hiển thị dưới dạng đồ thị thể hiện sự
phụ thuộc của tần số làm việc tối ưu vào từng giờ
trong ngày hoặc dưới dạng bảng số liệu
Hinh 2 Giao diện của “Phần mềm tính toán tân số làm
việc tối ưu cho máy VTĐsn”
Sau đây ta sẽ trình bày 1 ví dụ áp dụng Phần mềm
để nghiên cứu sự biến đổi của tần số làm việc tối ưu
cho máy vô tuyến điện sóng ngắn theo thời gian trong
ngày và theo mùa trong năm Ta sẽ tính tần số làm
việc tối ưu cho đường truyền từ Kỳ Anh, Hà tĩnh đến
Phủ Lý, Hà Nam trong 4 mùa khác nhau trong năm
2020 Dữ liệu đầu vào được cho ở bảng bên dưới
Tọa độ điểm phát Kinh độ: 106.258 Vĩ độ: 18.128
Tọa độ điểm thu Kinh độ: 105.936 Vĩ độ: 20.528
Hệ số W vào mùa Xuân
Hệ số W vào mùa Hè
Hệ số W vào mùa Thu
Hệ số W vào mùa Đông
Kết quả tính toán được thể hiện ở hình 3 Từ các
đồ thị trên hình 3 ta thấy giá trị OWF biến đổi theo
thời gian trong ngày và có sự khác biệt giữa các mùa
trong năm Trong đó mùa Thu tần số làm việc tăng
nhiều nhất, sau đó là mùa Xuân Căn cứ vào sự biến
đổi này, ta sẽ đưa ra được phương án sử dụng tần số cho phù hợp
Hình 3 Sự biến đổi theo mùa của tần số làm việc tối ưu cho đường truyền sóng điện ly đối với đường truyền từ Hà
Tĩnh đến Hà Nam ( năm 2020) Mức độ chính xác của kết quả tính toán bằng Phần mềm sẽ được kiểm tra bằng thực nghiệm ở phần tiếp theo
IV THỬ NGHIỆM PHẦN MỀM TÍNH TOÁN TẦN SỐ LÀM VIỆC TỐI ƯU CHO MÁY VÔ
TUYẾN ĐIỆN SÓNG NGẮN
Để đánh giá độ chính xác cùa Phần mềm tính toán,
ta tiến hành thử nghiệm trên đường truyền thực tế: Từ
Kỳ Anh, Hà Tĩnh đến Sơn Tây, Hà Nội Tần số liên lạc cho mỗi giờ được xác định bằng cách nhập dữ liệu đầu vào: tọa độ máy thu, máy phát, thời gian liên lạc, ngày, tháng và hệ số W đặc trưng cho mức độ hoạt động của mặt trời vào “ Phần mềm tính toán tần số làm việc tối ưu cho máy vô tuyến điện sóng ngắn” Thời gian liên lạc được thực hiện tại các giờ khác nhau trong ngày và tiến hành trong 02 ngày từ 16 đến 17/09/2020 Mỗi giờ thực hiện liên lạc thoại trong 30 phút Các tham số của máy thu phát như sau:
Tọa độ điểm phát Vĩ độ: 18.128
Kinh độ: 106.258 Tọa độ điểm thu
Vĩ độ: 21.167 Kinh độ: 105.380 Máy Vô tuyến điện VRU-611
Loại ăng-ten sử dụng Anten 2 cực căng ngang
Chế độ điều chế Điều biên băng tần trên
(USB) Chất lượng đường truyền được đánh giá theo thang điểm 5 Cụ thể như sau:
+ Điểm 1: Tín hiệu nghe rất nhỏ, không rõ nội dung, nhiễu và tạp âm lớn
+ Điểm 2: Tín hiệu nghe lúc to, lúc nhỏ, nền nhiễu nhiều
+ Điểm 3: Tín hiệu nghe rõ nội dung, có lúc nhiễu nhưng vẫn làm việc được
+ Điểm 4: Tín hiệu nghe rõ, tạp âm, nhiễu nhỏ
Trang 4+ Điểm 5: Tín hiệu nghe to, rõ, tạp âm và nhiễu rất
nhỏ
Sơ đồ đấu nối để kiểm tra chất lượng đường truyền
được thể hiện ở hình 4
Hình 4 Kết nối thiết bị để thử nghiệm
Kết quả thử nghiệm được thể hiện ở các bảng cho
bên dưới
BẢNG I KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM PHẦN MỀM
Giờ trong
việc (MHz)
Điểm
10h30 đến 11h 7.3457 5
11h đến 11h30 7.4918 5
12h đến 12h 30 7.8891 5
14h 30 đến 15h 8.7140 5
16h đến 16h30 9.5830 4
17h đến 17h30 9.7674 1
19h đến 19h30 9.0995 4
21h đến 21h30 7.1116 2
Để đánh giá độ chính xác của Phần mềm, ta tính
xác suất phần mềm tính toán chính xác, ký hiệu là X
Ta xác định X theo biểu thức:
100
M
N
Trong đó N là tổng số giờ mà đường truyền liên
lạc được, M là tổng số giờ thực hiện thử nghiệm trên
đường truyền đó
Điểm số chất lượng đường truyền từ 3 điểm trở
lên là đường truyền liên lạc được, 5 điểm là chất lượng
tốt Dưới 3 điểm là không thể thực hiện liên lạc Phân
tích bảng số liệu 1 ta có các nhận xét sau:
Với đường truyền từ Kỳ Anh đến Sơn Tây, ta đạt
được xác suất tính toán đúng tần số làm việc khi sử dụng Phần mềm là 78 %, chất lượng liên lạc đều đạt từ
4 và 5 điểm Trong đó, vào các phiên liên lạc ban ngày chất lượng đều đạt tốt Ban đêm, chất lượng liên lạc kém hơn so với ban ngày Điều này có thể được giải thích bởi lý do như sau: ban đêm năng lượng của sóng vô tuyến bị tầng điện ly hấp thụ mạnh hơn so với ban ngày, nhất là trong điều kiện thời tiết mưa gió, sương mù Ta lưu ý rằng vào đêm các ngày 16, 17 tháng 9 năm 2020 có mưa trên diện rộng từ điểm đầu đường truyền là Hà Tĩnh, Thanh Hóa đến điểm cuối của đường truyền là Sơn Tây do ảnh hưởng của cơn bão số 5 Do vậy tín hiệu truyền tới điểm thu ở một vài thời điểm bị suy hao nhiều nên không vượt qua được mức ngưỡng cần thiết để có thể nghe rõ
Phần mềm đưa ra kết quả tính toán trong khoảng thời gian từ 10 đến 17 giây Trong khi đó, nếu dùng phương pháp dò tần số thủ công hoặc dùng chế độ dò
tự động của máy vô tuyến điện thì có thể mất từ 2 đến
5 phút Như vậy Phần mềm cho phép rút ngắn đáng kể thời gian xác định giá trị tần số làm việc tối ưu cho đường truyền sóng điện ly của máy vô tuyến điện sóng ngắn
V KẾT LUẬN Trong bài báo, chúng tôi đã trình bày kết quả xây dựng Phần mềm tính toán tần số làm việc tối ưu cho đường truyền sóng điện ly của máy VTĐsn Kết quả thử nghiệm cho thấy Phần mềm có xác suất tính toán đúng tần số làm việc tối ưu đạt 78% Phần mềm giúp rút ngắn đáng kể thời gian xác định tần số làm việc tối
ưu cho đường truyền sóng điện ly của máy vô tuyến điện sóng ngắn, điều này có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực thông tin liên lạc Quân sự
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] F T Koide, “A computer method of HF ionospheric propagation prediction and analysis,” IEEE Trans Antennas Propag [online], vol 11, no 5, pp 540-558, 1963 DOI: 10.1109/TAP.1963.1138079
[2] "ITU-R methods of basic MUF, operational MUF and ray-path prediction," International Telecommunication Union, 2008, ITU-R, Recommendation P.l240-1
[3] A simple HF propagation method for MUF and field strength: Document CCIR 6/288 - CCIR XVI-th Plenary Assembly, Dubrovnik, 1986, 34 p
[4] D Bilitza, International Reference Ionosphere 2000 // Radio Science 2001 V 36 N 2 P 261–275
[5] Агарышев А.И., Агарышев В.А Прогнозирование характеристик дальнего распространения радиоволн в неоднородной ионосфере: монография - Иркутск: Иркутский филиал МГТУ ГА, 2018 - 303 с
[6] K.Davies, Ionospheric radio propagation London, United Kingdom: The Institution of Engineering and Technology,
1990
[7] Nguyen Minh Giang, Trinh Huy Hoang “Calculating Characteristics of HF Radio WavesTaking into Account Ionospheric Inhomogeneities”, 2019 International Conference
on Advanced Technologies for Communications (ATC), pp 113-116, Ha Noi, VietNam, Oct 2019