Отчет о результатах натурных измерений. Исследование возможности применения спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS для дистанционного зондирования лесных покровов. Результаты натурных измерений

Приложение 4.2.3.1

Отчет о результатах натурных измерений:

Исследование возможности применения спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS для дистанционного зондирования лесных покровов. Результаты натурных измерений.

Введение

В настоящее время навигационные спутники Земли применяются не только для определения координат на местности, но и для исследования ионосферы и получения информации о содержании водяного пара в атмосфере. Предлагается расширить область их применения в задачах дистанционного зондирования Земли и использовать навигационные спутники для экологического мониторинга лесов.

Источниками зондирующего электромагнитного излучения радиодиапазона могут быть передатчики навигационных спутников Земли. Сигналы спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS, прошедшие через полог леса, предлагается использовать для определения биометрических характеристик лесного полога.

Компоненты микроволнового поля, многократно рассеянные лесным пологом, могут быть измерены с помощью приемников сигналов ГЛОНАСС/GPS одновременно с определением координат места. Для целей зондирования необходимо установить связь этих компонентов с биометрическими параметрами полога леса. По сравнению с радарными дистанционным зондированием Земли из космоса, предлагаемый способ обладает дополнительными возможностями и имеет потенциал для дальнейшего развития, так как здесь используются общедоступные спутниковые источники микроволнового излучения и сравнительно простые и дешевые приемные устройства.

Гамма приемоиндикаторов ГЛОНАСС/GPS типа МРК разработана в Красноярском государственном техническом университете, серийно выпускается промышленностью и нашла применение при решении различных навигационных задач. В отличие от приемоиндикаторов иностранных фирм, приборы МРК содержат встроенные микрокомпьютеры, которые осуществляют основную обработку принимаемой информации. Это позволяет путем простого перепрограммирования изменять функции, выполняемые приемоиндикаторами. Участники проекта имеют в своем распоряжении приемоиндикаторы МРК и обладают опытом применения их для решения различных задач. Предлагаемый подход является новым и не имеет аналогов.

1. Объект исследования и цель работы

В данной работе лесной полог рассматривается как слоистая случайно-неоднородная среда. Применяя теорию многократного рассеяния, можно ввести усредненные электрофизические параметры лесного полога в виде эффективной комплексной диэлектрической проницаемости. Оценки показывают, что для сомкнутого хвойного древостоя эффективная диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость имеют значения порядка ε =1.03 и σ = 7·10-4 (Ом·м)–1. При распространении радиоволн из-за рефракции в лесном пологе изменяется средняя траектория луча, а наличие проводимости среды и рассеяния приводит к затуханию электромагнитного излучения, прошедшего лесной полог.

Целью исследования являлось определить возможность приема сравнительно слабых сигналов глобальных навигационных спутниковых систем в сомкнутом хвойном древостое и провести оценку влияния лесного полога на затухание флуктуационную природу микроволнового излучения, принимаемого в толще лесного полога. Объектом исследования является микроволновое излучение ГНСС, рассеянное лесным покровом

2. Метод исследования и аппаратура

Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) ГЛОНАСС и GPS первоначально предназначались для определения местоположения, скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и других видов потребителей. В настоящее время ГНСС широко используются в различных сферах деятельности – радиосвязь, радионавигация, системы управления движением транспорта, экологический мониторинг, исследование параметров Земли и др.

Навигационная аппаратура потребителей (НАП) состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов спутников и вычисления собственных координат, скорости и времени. С помощью НАП систем ГЛОНАСС и GPS выполняются беззапросные измерения псевдодальности и радиальной псевдоскорости до спутников, а также ведется прием и обработка навигационных сообщений, содержащихся в составе сигналов навигационных космических аппаратов (НКА). Сигнал НКА ГНСС может быть представлен в следующем виде

,

где - амплитуда сигнала; - несущая частота; - полная фаза сигнала несущей частоты. Несущая частота сигнала является известной. Навигационная информация заключена в полной фазе сигнала несущей частоты

,

где - доплеровский сдвиг частоты сигнала несущей; – двоичные символы служебной информации; - дальномерный код, модулирующий фазу сигнала; - задержка сигнала; - начальная фаза сигнала несущей частоты, в общем случае неинформативный параметр.

НКА систем ГЛОНАСС и GPS излучают сигнал в двух частотных поддиапазонах L1 и L2. Одночастотная НАП гражданского назначения, в том числе НАП разработанная в КГТУ, работает по сигналам ГЛОНАСС и GPS на частоте поддиапазона L1. В системе ГЛОНАСС, где используется частотное разделение сигналов различных НКА, несущие частоты сигналов представляют собой литерные частоты , и формируются по правилу: МГц, для поддиапазона L1, где - номер литеры НКА ГЛОНАСС. Несущая частота для всех НКА GPS одинакова МГц для поддиапазона L1.

В ГНСС амплитуда сигнала не является информационным параметром. Значение амплитуды можно использовать как вспомогательный параметр при оценке «качества» принимаемого сигнала. Зависимость амплитуды от времени обусловлена изменением условий наблюдения НКА в процессе работы НАП.

Энергетический потенциал радиолинии НКА-НАП (отношение сигнал/шум в полосе 1 Гц) дБГц. Уменьшение отношения сигнал/шум по отдельным НКА меньше 35 дБГц – достаточно распространенное явление, обусловленное воздействием внешних помех и дополнительным затуханием сигнала при распространении радиоволн. В серийной НАП систем ГЛОНАСС и GPS, разработанной в КГТУ, в настоящее время имеется возможность регистрировать отношение сигнал/шум , а также угол места и азимут одновременно по нескольким НКА. При отсутствии внешних помех это отношение качественно характеризует влияние среды распространения на сигналы НКА. В дальнейшем предполагается регистрировать непосредственно амплитуды сигналов, что позволит получать количественные характеристики поглощения сигналов.

3. Полученные результаты

В рамках этапа 2002 г. Проекта И0106/1202 были проведены экспериментальные исследования по изучению влияния леса на амплитуду сигналов НКА ГЛОНАСС и GPS. Измерения выполнялись в июле-августе 2002 г. Для проведения измерений был выбран два однородных участка леса: 1) искусственные посадки лиственницы 30-летнего возраста; 2) зрелый 100-летний чистый сосновый бор. Средняя высота деревьев на лиственничном участке составляла около 16 м, а толщина слоя полога крон - приблизительно 5 м при плотности посадки 0,5 м-2 и среднем диаметре деревьев 13 см.

Для осуществления экспериментов применялись два комплекта НАП систем ГЛОНАСС и GPS. В состав каждого комплекта аппаратуры входили следующие устройства:

· приемно-вычислительный блок;

· антенна, принимающая сигналы ГЛОНАСС и GPS;

· переносной компьютер для записи и обработки результатов измерений.

В ходе экспериментов, с дискретностью 1 секунда, осуществлялась запись отношения отношения сигнал/шум , а также радионавигационных параметров, навигационного сообщения и альманаха систем ГЛОНАСС и GPS. С помощью программного обеспечения, разработанного в КГТУ, вычислялись угол места и азимут соответствующих НКА, по сигналам которых работала НАП. Измерения проводились в лиственничном лесу. Принимались сигналы ГНСС внутри лесного полога и вне его. Сигнал, принятый за пределами леса, использовался в качестве сигнала сравнения. Для этого один комплект НАП размещался на отрытой площадке, примерно в 100 метрах от леса, c углами закрытия около 20°. На рис. 1 и 2 приведены результаты наблюдения НКА GPS в лиственничном и сосновом лесу. Как видно из рисунков, прием сигналов в обоих случаях был устойчивым, однако для некоторых других записей сигнала имели место непродолжительные потери сигнала. На рис. 1и 2 показаны как функции времени азимут, угол места и отношение в лесу (нижняя кривая) и за его пределами (верхняя кривая). Последовательное прохождение радиолуча через случайно случайно расположенные в пространстве кроны деревьев вызывает флуктуации отношения для сигнала, принимаемого в лесу. Отношение пропорционально амплитуде сигнала НКА. Сравнивая значение в лесу и за его пределами, можно оценить затухание сигналов ГНСС в толще лесного полога. Кроме статистическая обработка выборки позволяет дать оценки для таких параметров как среднее значение, относительное среднеквадратическое отклонение (СКО), положение наиболее значимого первого максимума и ширины спектра мощности флуктуаций принимаемого сигнала. Значения полученных оценок систематизированы в Таблице I. Как видно из этой таблицы параметры сигнала существенно зависят от типа лесного полога, что подтверждает возможность определения биометрических и лесотаксационных характеристик леса из данных по затуханию и статистическим свойствам флуктуаций сигналов ГНСС, принятых внутри лесного полога.

Заключение

Первые эксперименты показали принципиальную возможность приема сигнала ГНСС в толще бореального леса, продемонстрировали существенное влияние лесного покрова на принимаемый сигнал. Они позволили оценить затухание сигнала в лесном пологе и частотные характеристики флуктуаций принимаемого сигнала. Эти данные в дальнейшем будут использованы для построения экспериментальной модели рассеяния сигналов спутниковых навигационных систем на лесных покровах.

Рисунки

Рис. 1. Азимут, угол места и отношение сигнал/шум для лиственничного леса (НКА GPS № 25)

Рис.2. Азимут, угол места и отношение сигнал/шум для 100-летнего соснового леса

(НКА GPS № 20).

Таблица 1

Параметры принимаемого сигнала	Относительное затухание (дБ) по среднему значению мощности	Относи тельное СКО	Ширина частотного спектра мощности на уровне 0.5 максим значения (Гц)	Положение 1-го максимума спектра мощности (Гц)
Тип леса
Лиственничные посадки	-1,6	0,07	0.0025	<0,001
100-летний сосновый бор	-6,8	0,2	0.015	0.014