Phương pháp xác định giới hạn vùng biển A2 GMDSS TS Trần Xuân Việt Bài viết phân tích đặc điểm truyền sóng vùng biển A2 Trên sở phân tích công cụ tính toán theo Khuyến nghị ITU-R PI.372-6 ITU-R P.368-7, phần mềm NOISEDAT, GRWAVE, đề xuất phương pháp xác định giới hạn vùng biển A2 tính toán vùng phủ sóng cho số đài duyên hải MF Việt Nam ĐẶT VẤN ĐỀ GMDSS (Global Maritime Distress and Safety System), Hệ thống thông tin an toàn cứu nạn hàng hải toàn cầu Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO) đề xướng phát triển, với tham gia quốc gia thành viên hợp tác tổ chức quốc tế khác như: Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU), Tổ chức Thông tin Di động quốc tế (INMARSAT), Hệ thống vệ tinh trợ giúp tìm kiếm cứu nạn (COSPAS- SARSAT) Các chức thông tin GMDSS phân làm ba nhóm lớn: - Thông tin phục vụ mục đích tìm kiếm cứu nạn biển - Thông tin phục vụ mục đích an toàn hàng hải - Thông tin phục vụ mục đích thương mại, khai thác quản lý đội tàu GMDSS đảm bảo thông tin hàng hải toàn cầu với phân chia thành vùng hoạt động tàu biển sau: - Vùng biển A1 vùng biển phủ sóng đài bờ VHF - thoại, có trực canh báo động liên tục phương thức DSC (Digital Selective Calling) Thông tin thoại dải tần VHF truyền lan theo phương thức truyền thẳng, nên cự ly thông tin thường nằm khoảng 20-30 hải lý - Vùng biển A2 vùng biển nằm A1, phủ sóng dải bờ MF- thoại, có trực canh báo động liên tục phương thức DSC Thông tin thoại dải tần MF truyền lan theo phương thức sóng đất, nên cự ly thông tin nằm khoảng 100-150 hải lý - Vùng biển A3 vùng biển, nằm vùng A1 A2, phủ sóng vệ tinh địa tĩnh hệ thống INMARSAT Vùng phủ sóng vệ tinh thông tin địa tĩnh khoảng từ 70 vĩ độ Bắc đến 70 vĩ độ Nam - Vùng biển A4 vùng biển nằm vùng A1, A2 A3 Đó vùng biển gần hai cực trái đất Việt Nam nước thành viên IMO, với 3000 km chiều dài bờ biển, nằm vùng vĩ tuyến thấp (từ 10o Bắc đến 23o Bắc), vùng thông tin qua vệ tinh địa tĩnh INMARSAT có độ tin cậy cao Vị trí địa lý yếu tố kinh tế kỹ thuật ảnh hưởng lớn đến quy hoạch tổng thể hệ thống thông tin hàng hải Việt Nam Một giải pháp quy hoạch tổng thể hệ thống thông tin hàng hải Việt Nam Hệ thống GMDSS [4] thiết lập vùng biển A2, đảm bảo thông tin mặt đất dải sóng MF phương thức quan trọng thông tin hàng hải Việt Nam ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG TRONG VÙNG BIỂN A2 Vùng biển A2 vùng biển nằm vùng phủ sóng đài MF thoại có trực canh liên tục DSC Các phương thức thông tin an toàn cứu nạn hàng hải sử dụng vùng biển A2 gồm: - Phương thức thoại đơn biên (SSB) tần số 2182 kHz, - Phương thức DSC tần số 2187,5 kHz - Phương thức NBDP tần số 2174,5 kHz Thủ tục khai thác thông tin mặt đất hệ thống GMDSS quy định sau: thông tin an toàn cứu nạn loan báo phương thức DSC, sau sử dụng phương thức thoại, phương thức NBDP (Narrow band Direct Printing) để trao đổi thông tin Các phương thức DSC NBDP phương thức thông tin số, dải tần MF, HF có tốc độ truyền tin chậm (100bps), dải thông hẹp (dưới 500 Hz), lại sử dụng phương thức kiểm soát lỗi (ARQ FEC), nên thiết bị thu thường có độ nhạy cao, ảnh hưởng tạp âm vô tuyến nhỏ, cự ly thông tin lớn so với phương thức thoại Vì vậy, cự ly thông tin vùng biển A2 định cự ly thông tin phương thức thoại, với công suất phát điều kiện truyền sóng biển Thông tin vùng biển A2 thông tin nhiều chiều, tàu-bờ, bờ-tàu tàu-tàu Thông thường, thông tin theo chiều bờ-tàu có cự ly lớn máy phát đài bờ cho phép thiết kế với công suất phát lớn hơn, mặt khác điều kiện mặt đài bờ cho phép sử dụng anten kích thước phù hợp với điều kiện xạ tối ưu Do đó, cự ly thông tin theo chiều tàu-bờ (nhỏ hơn) định cự ly thông tin hai chiều vùng biển A2 Thường sóng trung truyền lan hai phương thức: sóng đất sóng trời, nhiên sóng đất xem phương thức chủ yếu ổn định Điều kiện truyền sóng trung thay đổi theo thời gian ngày tính chất điện mặt đất đường truyền Sự giao thoa sóng đất sóng trời làm biến đổi cường độ trường điểm thu Đó tượng pha đinh Để làm giảm ảnh hưởng pha đinh đến thăng giá cường độ trường điểm thu, người ta dùng anten có hướng tính cao mặt phẳng đứng, nghĩa anten xạ lượng tập trung mạnh theo hướng mặt đất Với hướng tính anten vậy, thành phần sóng trời giảm, thành phần sóng đất tăng cường, miền pha đinh giao thoa sóng trời sóng đất lùi xa đài phát mức độ thăng giáng tín hiệu thu giảm Đối với anten đơn cực đặt thẳng đứng mặt đất, tỷ số độ dài anten bước sóng tối ưu để hạn chế tượng pha đinh 0,53 Ở dải MHz điều kiện khó đạt anten phát lắp đặt tàu biển Vì vậy, cần phải tính tới yếu tố ảnh hưởng tượng pha đinh điều kiện truyền sóng theo chiều thông tin từ tàu tới bờ Trên sở đó, Nghị A801 (19) ngày 23/11/1995 IMO đưa quy định thiết lập vùng biển A2 sau: - Cự ly thông tin dải sóng 2MHz bị giới hạn công suất xạ điều kiện truyền sóng tạp âm khí quyển, yếu tố thay đổi theo vị trí địa lý thời gian ngày - Về lý thuyết, cự ly thông tin tính toán với điều kiện truyền lan sóng đất mặt biển, theo Khuyến nghị ITU-R P.368-7 (Ground-Wave Propagation Curves for Frequency between 10 kHz and 30 MHz) - Mức tín hiệu nhỏ điểm thu phải đảm bảo lấn áp tạp âm tính toán theo Khuyến nghị ITU-R PI.372-6 (Radio Noise) - Vùng biển A2 vùng biển nằm vòng tròn bán kính B (hải lý) có tâm vị trí đặt anten thu đài bờ vùng biển A1 Bán kính B xác định cho đài bờ với điều kiện sau: - Phương thức thông tin: thoại đơn biên (J3E) - Công suất phát đài tàu: 60W - Hiệu suất anten đài tàu: 25% - Phương thức truyền sóng: sóng đất - Tần số: 2182 kHz - Dải thông: 3kHz - Độ dự trữ pha đinh: 3dB - Tỷ số S/N (RF): 9dB (voice) Cự ly thông tin vùng biển A2 phải thẩm định thực tế việc đo cường độ trường PHÂN TÍCH CÁC CÔNG CỤ TÍNH TOÁN a Khuyến nghị ITU-R.PI.372 - phần mềm NOISEDAT Khuyến nghị ITU-R PI.372-6 phiên ITU đưa năm 1994 Nội dung Khuyến nghị trình bày đặc tính loại tạp âm giá trị ước tính tạp âm điều kiện khác nhau, như: dải tần, băng thông, vị trí địa lý, thời gian Phân loại tạp âm Tạp âm tín hiệu không mong muốn không cần thiết hệ thống thông tin, yếu tố hạn chế hiệu thông tin Có nhiều nguồn tạp âm, tạp âm nội hệ thống thông tin, nguồn tạp âm bên kể đến là: - Tạp âm khí quyển: xạ từ nguồn sáng, tầng khí - Tạp âm vũ trụ: xạ từ thiên thể vũ trụ - Tạp âm nhân tạo: xạ từ thiết bị điện, điện tử, đường truyền điện Ở chưa kể đến loại nhiễu vô tuyến kênh xuyên kênh hệ thống thông tin vô tuyến liên kênh, liên vùng Đối với chấn tử nửa sóng không gian tự do, cường độ trường tạp âm tính theo: En=Fa+20logf + ∆ - 99 [dB (µV/m)] (1) Trong đó, Fa hệ số tạp âm (dB); f(MHz) tần số trung tâm tín hiệu; ∆ dải thông tín hiệu (dB/Hz) Như vậy, từ giá trị ước tính hệ số tạp âm Fa (dB), xác định giá trị tương ứng En Ước tính giá trị Fa Các nội dung Khuyến nghị ITU-R PI 372-6 trình bày phương pháp ước tính giá trị Fa từ số liệu thực nghiệm đo đạc nhiều vùng địa lý khác giới với thời gian năm Các giá trị cho dạng đồ phân bố theo mùa theo thời gian ngày Phần mềm NOISEDAT Các đặc tính tạp âm vô tuyến sở liệu (CSDL) toàn Khuyến nghị ITU- R PI 372.- tính toán tự động hoá phần mềm NOISEDAT Phần mềm NOISEDAT, phiên 2.0, tải từ địa chỉ: http/www itu.itnt/brgs/sg3/databank Phần mềm NOISEDAT trình ứng dụng để tính giá trị tạp âm vô tuyến khí quyển, tạp âm nhân tạo, tạp âm vũ trụ giá trị tạp âm tổng cộng phù hợp với đặc tính sở liệu Khuyến nghị ITU-R PI.372-6 NOISEDAT viết ngôn ngữ FORTRAN, sau dịch thành trình ứng dụng, chương trình chạy hệ điều hành DOS, với dung lượng chương trình chưa đến 300 KB Gói phần mềm NOISEDAT có 15 tệp - tệp chương trình: NOIS1, EXE, NOIS2, NOIBW.EXE - tệp chương trình nguồn: NOIS1 FOR, NOIS2.FOR, NOISBW.FOR - tệp CSDL tham số phụ mùa: VD COF1, VDCOF2, VDCOF3, VDCOF4 - Tệp NOISEDAT.DOC hướng dẫn sử dụng phầm mềm Khi chạy chương trình, phần mềm tự sinh thêm tệp ghi số liệu đầu là: NOIS.LST NOISBW OUT Có thể ghi toàn tệp tệp lựa chọn cho ứng dụng cụ thể vào thư mục có tên NOISEDAT, chạy hệ điều hành MSDOS Các tệp chương trình NOIS1.EXE NOIS2.EXE dùng để tính giá trị tạp âm khí quyển, tạp âm nhân tạo tạp âm vũ trụ theo Khuyến nghị ITU-R PI.372-6 Sự khác tệp tên tệp xuất liệu Tệp chương trình NOISBW.EXE cung cấp toàn tham số liên quan đên tạp âm khí quyển, bao gồm Vd σ Vd Dữ liệu ghi vào tệp NOISBW.OUT Khi chạy chương trình hệ điều hành MS DOS, thư mục NOISEDAT, gõ NOIS1, NOIS2 NOISBWW (tuỳ chọn ứng dụng) Chương trình yêu cầu đưa tham số vào theo bước kết tính toán đưa tệp đầu tương ứng b Khuyến nghị ITU-RP.368-7 phần mềm GRWAVE Khuyến nghị ITU-R P.368-7 phiên ITU đưa năm 1992, với tiêu đề: Đồ thị truyền lan sóng đất dải tần từ 10kHz đến 30 MHz (Ground-Wave Propation Curves for Frequencies between 10 kHz and 30 MHz) Nội dung Khuyến nghị đưa đồ thị biểu diễn quan hệ cường độ trường tín hiệu khoảng cách, phương thức truyền lan sóng đất với tần số khác dải sóng dài, trung, ngắn, với tính chất điện chất đất khác Khuyến nghị có phần - Phần 1: Đồ thị tính toán truyền lan sóng đất miền đất đồng - Phần 2: Đồ thị tính toán truyền lan sóng đất qua miền đất không đồng - Phần 3: Là lời ghi rằng: công cụ tính toán để thiết lập đồ thị phần mềm phần mền GRWAVE Phần mềm GRWAVE Phần mềm GRWAVE trình ứng dụng để tính toán cường độ trường sóng đất dải tần từ 10 kHz đến 30 MHz GRWAVE, tải từ địa chỉ: htttp//ww.itu.int/brgs/sg3/databanks Phần mềm GRWAVE viết ngôn ngữ Fortran, sau dịch thành trình ứng dụng, chương trình chạy hệ điều hành DOS, dung lượng chương trình khoảng 300KB Gói phần mềm Grwave có tệp: - Chương trình chính: Grwave.exe - Chương trình nguồn: Grwave.For - Hướng dẫn sử dụng: Grwusr.man - Cách sử dụng chương trình Grwave trình bày Grwusr.man PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN VÙNG BIỂN A2 CỦA MỘT ĐÀI DUYÊN HẢI MF Từ việc phân tích công cụ tính toán trên, toán tính cự ly phủ sóng vùng biển A2 đài bờ MF, phát biểu sau: Từ vị trí đặt anten thu đài bờ MF xác định, tính bán kính B (hải lý) vòng tròn giới hạn biên vùng biển A2 tương ứng, với điều kiện cụ thể là: - Tần số: 2182MHz; dải thông ∆: 3000Hz hay ∂ = 10 lg∆ = 34,77 dB (Hz) - Phương thức: sóng đất; phân cực sóng: Thẳng đứng; loại anten: đơn cực, thẳng đứng - Tính chất điện chất đất: mặt biển, độ mặn trung bình, σ = (S/m), ε' = 70 - Công suất phát: 60w, hiệu suất anten phát: 25% - Tỷ số S/N (RF): dB; độ dự trữ pha đinh: 3dB a, Sử dụng phần mềm Grwave, xác định bán kính B: Bán kính B hàm phụ thuộc nhiều tham số: B = f(σ, ε', f, Es') Trong đó: - Các tham số σ, ε', f xác định - Es' - Cường độ trường yêu cầu tương đương Grwave tính cường độ trường theo khoảng cách với công suất xạ đài phát 1kw, Es’ cường độ trường khoảng cách B tới đài phát Trong đó, công suất xạ đài phát là: 60W x 25% = 0,015 kW, cường độ trường khoảng cách B đạt Es, nhỏ Es' Quan hệ Es Es' xác định sau: Es = Es ' P(kW ) Hay tính theo dB: Es = Es' + 10 lg P(kw) = Es' + 10lg 0,015 = Es' - 18,24 Tức là: Es' = Es + 18,24 (dB) (2) Như vậy, để xác định Es’ cần xác định Es b, Es cường độ trường cực tiểu điểm cách đài phát tàu khoảng cách B Giá trị phải đủ lấn áp tạp âm điểm thu, với tỷ số S/N (RF) 9dB, tính tới yếu tố pha đinh, cần phải có độ dự trữ 3dB, xác định Es từ En: Es = En + + = En + 12 (dB) (3) Trong đó, En giá trị cường độ trường tạp âm cực đại (theo thời gian) điểm thu, điểm đặt anten thu đài bờ: En = max {Ent}; Ent giá trị thống kê cường độ trường tạp âm ứng với thời gian năm điểm thu, tính theo: (4) Ent = Fa + 20 lgf (MHz) + ∂ - 95,5(dB) Thay giá trị: f = 2,182 MHz ∂ = 10 lg∆ = 10lg 3000 = 34,77dB, ta được: Ent = Fa - 53,95 (dB) Các giá trị Fa tương ứng tính toán sở phần mềm Noisedat, với tham số vị trí đài bờ c Thuật toán tính bán kính phủ sóng vùng biển A2 đài bờ Từ phân tích trên, thuật toán tính bán kính phủ sóng vùng biển A2 đài bờ theo bước sau: Bước 1: Sử dụng phần mềm Noisedat tính hệ số Fa ứng với vị trí đặt anten thu đài bờ, ứng với tất khối thời gian ngày mùa năm Mỗi giá trị Fa xác định giá trị Ent tương ứng Giá trị cực đại giá trị Ent gán cho En, từ xác định Es Es' (theo công thức 4) Bước 2: Sử dụng phầm mềm Grwave tính toán khoảng cách B tương ứng với giá trị Es' với tham số: - Tần số: 2,182MHz - Tính thô: gán dmin = 100km, dmax = 400km, dstep = 10km - Tính chi tiết: Gán dmin dmax lệch 10km xung quanh giá trị gần tương ứng với Es' bước tính thô, với dstep = 1km Đọc giá trị d gần tương ứng với giá trị Es', với sai số tính bước 1km Đó giá trị B cần tính Lưu đồ thuật toán trình bày Hình Bắt đầu Nhập vị trí Đài bờ En : Giá trị tạp âm vô tuyến cực đại Tính En Es : Cường độ trường yêu cầu Tính Es Sử dụng phần mềm Noisedat Áp dụng tiêu chuẩn A801 Sử dụng phần mềm Grwave B : Bán kính vùng biển A2 Tính bán kinh B Kết thúc Hình KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÙNG PHỦ SÓNG CỦA MỘT SỐ ĐÀI BỜ MF CỦA VIỆT NAM Bán kính phủ sóng đài bờ MF tính toán theo phương pháp đề xuất phần Kết tính toán số đài MF Việt Nam đưa bảng Bảng 1: Bán kính vùng phủ sóng vùng biển A2 số đài bờ MF Việt Nam Vĩ độ Kinh độ Giá trị Giá trị Đài MF Bắc Đông B (km) B (hải lý) Hải Phòng 20044 106044 250 135 Đà Nẵng 16 05 108013 199 107 Nha Trang 12015 109012 180 97 Vũng Tàu 10019 107004 188 101 KẾT LUẬN Việc tính toán phủ sóng vùng biển A2 dựa sở tiêu chuẩn hướng dẫn IMO theo Nghị A.704 cung cấp dịch vụ viễn thông hệ thống GMDSS cách tính toán theo Khuyến nghị ITU-R P.368-7 tạp âm vô tuyến (phần mềm Noisedat) khuyến nghị ITU-R PI.372-6 tính toán truyền lan sóng đất (phần mềm Grwave) Phương pháp tính toán phủ sóng vùng biển A2 sử dụng dựa CSDL phân bố tạp âm vô tuyến toàn cầu ITU đo đạc thực nghiệm số vị trí địa lý dự báo số liệu cho vị trí khác Do đó, kết tính toán coi thiết kế sơ bộ, kết đo lường thực nghiệm cường độ trường có tính ứng dụng thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật anten, NXB KHKT, Hà Nội 1998 [2] Phan Anh, Trường điện từ & truyền sóng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2000 [3] Trần Đắc Sửu (chủ biên), Trần Xuân Việt, , Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước, KHCN 10-03, Hải Phòng, 1999 [4] Trần Xuân Việt, Nghiên cứu thiết lập hệ thống thông tin hàng hải Việt Nam hệ thống GMDSS, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, Học viện KTQS, 2000 [5] Grwave software, Version 4.0, 1990,/http://www.itu.int/brgs/sg3/databanks [6] Noisedat software, Version 2.0, 1993.1990, /http://www.itu.int/brgs/sg3/databanks [7] GMDSS handbook./IMO, London, 1995 [8] Resulation A.704 (17), “Provision of Radio Services for GMDSS)/ IMO”, November 1991 [9] Recommendation P.368-7, Ground-Wave Propagation Curves for Frequencies between 10kHz and 30 MH/ITU Radiocommunication, Bereau, 1992 [10] Recommendation PI.372-6, Radio Noise/ ITU, Radiocommunication Bureau, 1994  ... cường độ trường có tính ứng dụng thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật anten, NXB KHKT, Hà Nội 1998 [2] Phan Anh, Trường điện từ & truyền sóng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội,... [6] Noisedat software, Version 2.0, 1993.1990, /http://www.itu.int/brgs/sg3/databanks [7] GMDSS handbook./IMO, London, 1995 [8] Resulation A.704 (17), “Provision of Radio Services for GMDSS)/