Bão điện từ (hay Bão mặt trời) là gì? Ảnh hưởng gì đến quá trình thu tín hiệu GNSS?

Trong kỷ nguyên định vị vệ tinh, GNSS đã trở thành hạ tầng không thể thiếu cho trắc địa, giao thông, hàng hải và hàng không. Tuy nhiên, các hiện tượng không gian như bão điện từ (bão Mặt Trời) có thể gây nhiễu nghiêm trọng tín hiệu GNSS, làm suy giảm độ chính xác hoặc gián đoạn định vị. Vậy bão điện từ là gì và ảnh hưởng cụ thể ra sao đến GNSS?

Bão điện từ (hay Bão mặt trời) là gì?

Bão điện từ, còn gọi là bão Mặt Trời (Solar Storm hay Geomagnetic Storm), là hiện tượng nhiễu loạn mạnh của từ trường Trái Đất do các hoạt động năng lượng cao phát sinh từ Mặt Trời. Hiện tượng này xảy ra khi Mặt Trời giải phóng một lượng lớn hạt mang điện và bức xạ điện từ, tác động đến từ quyển (Magnetosphere) và gián tiếp gây biến động mạnh trong tầng điện ly (Ionosphere) của Trái Đất thông qua tương tác plasma – từ trường.

Minh họa Bão điện từ (bão mặt trời).

Nguồn gốc chính của bão điện từ bao gồm bùng phát Mặt Trời (Solar Flare) và phóng khối lượng vành nhật hoa – CME (Coronal Mass Ejection). Khi các dòng Plasma và hạt tích điện di chuyển trong không gian và va chạm với từ trường Trái Đất, chúng làm biến đổi làm biến đổi mạnh mật độ electron và phân bố TEC trong tầng điện ly, gây ra hiện tượng nhiễu loạn từ trường trên quy mô toàn cầu.

Về bản chất, bão điện từ không phải là “cơn bão” theo nghĩa thời tiết thông thường, mà là một quá trình tương tác điện từ phức tạp giữa Mặt Trời và Trái Đất. Các biến động này có thể kéo dài từ vài giờ đến vài ngày, với cường độ khác nhau, được đánh giá thông qua các chỉ số như Kp, Dst. Khi bão điện từ đạt cường độ mạnh, nó có thể ảnh hưởng đáng kể đến hệ thống thông tin vô tuyến, lưới điện và đặc biệt là quá trình truyền và thu tín hiệu vệ tinh GNSS.

Ảnh hưởng của bão mặt trời đến quá trình thu tín hiệu GNSS như thế nào?

Bão mặt trời gây tác động trực tiếp và gián tiếp đến quá trình truyền và xử lý tín hiệu GNSS, thông qua sự nhiễu loạn mạnh của tầng điện ly – lớp khí quyển đóng vai trò quan trọng đối với sóng vô tuyến tần số L (L-band) mà các hệ thống GNSS như GPS, GLONASS, Galileo hay BeiDou sử dụng. Cụ thể các ảnh hưởng của bão mặt trời như sau:

– Nhiễu loạn tầng điện ly và sai số trễ tín hiệu:

Trong điều kiện bình thường, tầng điện ly gây ra độ trễ tầng điện ly có thể được mô hình hóa và hiệu chỉnh bằng các mô hình tầng điện ly hoặc tín hiệu hai tần số.

Tuy nhiên, khi xảy ra bão mặt trời, mật độ Electron trong tầng điện ly biến động mạnh cả về không gian và thời gian, làm cho độ trễ tín hiệu GNSS trở nên khó dự đoán và không đồng nhất. Kết quả là sai số định vị tăng đột biến, đặc biệt đối với các máy thu GNSS một tần số.

Máy thu GNSS một tần số dễ gây sai số khi xảy ra bão mặt trời.

– Hiện tượng nhiễu làm suy giảm chất lượng tín hiệu:

Bão mặt trời có thể gây ra hiện tượng nhiễu tầng điện ly (Ionospheric Scintillation), tức là sự dao động nhanh về biên độ và pha của tín hiệu GNSS. Nhiễu thường xảy ra mạnh ở khu vực xích đạo và vùng cực, làm giảm Signal-to-Noise Ratio (SNR – Tỷ số tín hiệu trên nhiễu), gây mất khóa tín hiệu (loss of lock) giữa vệ tinh và máy thu.

Đối với các ứng dụng đo chính xác cao như RTK, nhiễu tầng điện ly có thể dẫn đến gián đoạn nghiệm thu hoặc mất khả năng định vị thời gian thực.

– Gia tăng sai số định vị và độ ổn định nghiệm đo:

Trong các đợt bão mặt trời mạnh, sai số định vị GNSS có thể tăng từ mức centimet lên decimet hoặc mét, đặc biệt với máy thu một tần số hoặc trong điều kiện nhiễu tầng điện ly mạnh. Điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao như khảo sát trắc địa, xây dựng hạ tầng, dẫn đường hàng không, hàng hải và điều khiển máy bay không người lái (UAV).

– Ảnh hưởng đến hệ thống tăng cường và dẫn đường vệ tinh:

Các hệ thống GNSS tăng cường như SBAS, GBAS cũng chịu tác động từ bão mặt trời do phụ thuộc vào mô hình tầng điện ly và dữ liệu vệ tinh. Khi tầng điện ly biến động mạnh, độ tin cậy của các thông số hiệu chỉnh giảm, làm suy yếu khả năng đảm bảo tính liên tục và độ toàn vẹn của hệ thống dẫn đường, đặc biệt trong lĩnh vực hàng không dân dụng.

– Nguy cơ gián đoạn cục bộ hoặc suy giảm dịch vụ GNSS trong thời gian ngắn:

Ở những đợt bão mặt trời cực mạnh, một số khu vực có thể ghi nhận hiện tượng GNSS outage – gián đoạn dịch vụ định vị trong thời gian ngắn. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến các thiết bị dân dụng mà còn tác động đến các hệ thống hạ tầng phụ thuộc GNSS như đồng bộ thời gian viễn thông, lưới điện thông minh và hệ thống điều khiển tự động.

Giải pháp nào giúp giảm thiểu ảnh hưởng của bão mặt trời lên quá trình thu tín hiệu GNSS?

Mặc dù bão mặt trời là hiện tượng tự nhiên không thể kiểm soát, nhưng trong thực tế đo đạc và định vị vệ tinh GNSS, có thể giảm thiểu đáng kể tác động tiêu cực thông qua việc lựa chọn thiết bị, cấu hình hệ thống và quy trình vận hành phù hợp:

– Ưu tiên phương pháp đo hậu xử lý (PPK):

Trong điều kiện tầng điện ly bị nhiễu mạnh, phương pháp hậu xử lý (PPK)thường cho kết quả ổn định hơn RTK (thời gian thực) trong điều kiện nhiễu, do cho phép xử lý và loại bỏ dữ liệu kém chất lượng. Hậu xử lý cho phép loại bỏ các khoảng thời gian tín hiệu kém chất lượng, phát hiện và hiệu chỉnh hiện tượng trượt chu kỳ, từ đó nâng cao độ chính xác và đảm bảo yêu cầu nghiệm thu số liệu.

– Sử dụng thiết bị GNSS đa tần, đa hệ vệ tinh:

Các máy thu định vị vệ tinh hai tần hoặc đa tần có khả năng loại bỏ phần lớn độ trễ tầng điện ly (Ionospheric Delay) thông qua kết hợp quan sát giữa các tần số khác nhau. Bên cạnh đó, việc thu đồng thời nhiều hệ vệ tinh như GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou giúp tăng số vệ tinh quan sát, giảm nguy cơ mất nghiệm khi tín hiệu từ một số vệ tinh bị suy giảm trong điều kiện bão mặt trời.

Ưu tiên sử dụng các thiết bị định vị vệ tinh GNSS công nghệ mới, được trang bị thuật toán để hạn chế, cải thiện hiệu suất gián đoạn gây ra bởi tầng điện ly.

“Trimble cho ra mắt công nghệ Trimble IonoGuard, một công nghệ thế hệ tiếp nối được thiết kế tích hợp trên các thiết bị định vị sử dụng công nghệ Trimble Propoint GNSS để hạn chế, cải thiện hiệu suất gián đoạn gây ra bởi tầng điện ly trong việc thu thập dữ liệu định vị và điều hướng tín hiệu vệ tinh, tác động đến hiệu suất định vị RTK của máy thu.”

Công nghệ Trimble IonoGuard giúp giảm thiểu ảnh hưởng của tầng điện ly đối với tín hiệu GNSS.

– Chủ động theo dõi cảnh báo thời tiết không gian:

Các chỉ số đánh giá mức độ hoạt động của bão điện từ như chỉ số nhiễu từ (Kp), tổng hàm lượng electron (TEC) cần được theo dõi trước và trong quá trình đo. Khi các chỉ số này tăng cao, nên chủ động điều chỉnh kế hoạch thi công, tránh đo vào thời điểm tầng điện ly biến động mạnh để hạn chế sai số.

– Tối ưu điều kiện thu tín hiệu tại hiện trường:

Lựa chọn vị trí đặt máy thu GNSS thông thoáng, hạn chế che khuất góp phần giảm ảnh hưởng của nhiễu đa đường và cải thiện chất lượng tín hiệu, nâng cao độ ổn định của dữ liệu GNSS thu được.

Vị trí đặt máy đo thông thoáng giúp giảm ảnh hưởng của nhiễu tầng điện ly và nhiễu đa đường lên tín hiệu GNSS.

Bão mặt trời là yếu tố tự nhiên không thể kiểm soát nhưng có ảnh hưởng rõ rệt đến quá trình thu tín hiệu GNSS, đặc biệt với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Việc hiểu rõ bản chất, cơ chế tác động và áp dụng các giải pháp kỹ thuật phù hợp sẽ giúp giảm thiểu rủi ro, đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu GNSS.

Liên hệ ngay EKTECH qua HOTLINE 0983 206 789 để được tư vấn chi tiết về các thiết bị định vị vệ tinh GNSS mới nhất hãng Trimble, phù hợp cho nhu cầu công việc đo đạc, khảo sát của bạn!

>>> Xem thêm: Hướng dẫn xử lý tín hiệu GNSS trong môi trường chịu nhiễu và cản trở vật lý (Multipath)