CC BY
19
УДК 537.86
АМПЛИТУДНЫЕ ВАРИАЦИИ ПРЯМЫХ СИГНАЛОВ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВ В МОНИТОРИНГЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
М. А. Белоусов1, Д. С. Макаров1, В. С. Тонких1, Д. В. Харламов1' 2 Научный руководитель - А. В. Сорокин1
1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
2Красноярский научный центр СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50 E-mail: [email protected]
Представлены экспериментальные данные о вариациях пространственно-временных и амплитудных характеристик прямых сигналов навигационных спутников ГЛОНАСС и GPS для задач мониторинга земной поверхности.
Ключевые слова: сигналы ГЛОНАСС и GPS, пространственно-временные и амплитудные характеристики, мониторинг земной поверхности.
AMPLITUDE VARIATIONS DIRECT SIGNALS OF NAVIGATION SATELLITES IN MONITORING OF THE EARTH'S SURFACE
M. А. Belousov1, D. S. Makarov1, V. S. Tonkih1, D. V. Kharlamov1'2 Scientific Supervisor - A. V. Sorokin1
1Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2Krasnoyarsk Scientific Center SB RAS 50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation E-mail: [email protected]
Experimental data about variations of spatio-temporal and amplitude characteristics for direct signals of navigation GLONASS and GPS satellites in problems for monitoring of a terrestrial surface are presented.
Keywords: signals of GLONASS and GPS, existential and amplitude characteristics, monitoring of a terrestrial surface.
Сигналы навигационных спутников ГЛОНАСС и GPS активно используются в мониторинге земных покровов, поверхности океана и околоземного пространства [1-4]. Исследования в данном направлении определяют реальную перспективу создания эффективных методик и аппаратуры для непрерывного мониторинга растительных покровов, влажности и рельефа почвы, толщины снега и льда. Сигналы навигационных спутников высокоорганизованны и позволяют в непрерывном режиме, наряду с координатными измерениями, восстанавливать диэлектрические параметры сред, с которыми взаимодействую в процессе распространения. Многолучевость, которая снижает точность координатных измерений, позволяет по изменению характеристик отраженного или рассеянного средами сигнала восстанавливать значимые для практики свойства этих сред. Фактически системы навигационных спутников позволяют реализовать глобальный радиометр на рабочих частотах действующих группировок GPS, ГЛОНАСС, BEIDOU, GALILEO.
В данной работе представлены результаты измерений пространственно-временных и амплитудных характеристик прямых сигналов спутников ГЛОНАСС и GPS.
Регистрация сигналов осуществлялась радиоприемным комплексом МРК-32 с антенной право круговой поляризации в период с 30.12.2015 г. по 14.01.2016 г. Антенна была размещена крыше 12-этажного здания с минимальным влиянием помех многолучевости. Ось диаграммы направленно-
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1
сти ориентирована вертикально вверх, что обеспечивало прием сигналов в диапазоне углов возвышения спутников над горизонтом 9,2°-90°. Географические координаты точки расположения антенн оставались постоянными: С.Ш. 56°,992 Д. 92°2,965. Высота расположения антенны над уровнем моря 285 м, длительность сеансов регистрации составила 15 суток. Получены данные по сигналам всех рабочих спутников группировок ГЛОНАСС и GPS.
Информация о вариации характеристик прямых сигналов ГНСС на трассе излучатель-приемник в свободном пространстве в зависимости от времени, угла места и азимута необходима для обработки первичных данных о рассеянных и отраженных сигналах земной поверхностью. Изменения состояния поляризации и амплитуды сигналов ГНСС, возникающих при взаимодействии с поверхностью и объемом сред и учет вариаций характеристик прямых сигналов позволяют корректно восстанавливать эффективные значения ряда значимых для мониторинга величин. Это показателя поглощения и погонного ослабления сигналов в лесном пологе, коэффициенты отражения земных поверхностей для определения толщины и рельефа снежных и ледовых покровов, влажность почвы и травянистой растительности.
Аппаратура МРК разработана для координатных измерений приемника на поверхности Земли и в околоземном пространстве. Регистрируется значения отношения сигнал/шум, пропорциональные амплитуде радиосигнала на приемной антенне. Программный продукт аппаратуры приемника обеспечивает запись 19 параметров принимаемого сигнала. Значимы для радиометрии следующие: номер кадра, номер спутника, количество секунд от начальной точки отсчета, дата, время суток, азимут, угол возвышения над горизонтом, амплитуда (отношение сигнал/шум). Частота отсчетов данных - 1 Гц.
Периоды обращения спутников ГЛОНАСС и GPS составляют 11 ч 16 мин и 11 ч 57 мин соответственно. Поэтому на шкале времени в зависимости амплитуды от времени будут «окна» присутствия спутника в зоне «видимости» антенны. На рисунке представлены фрагменты обзорного распределения амплитуды сигнала от времени в период «окон» для спутников ГЛОНАСС и GPS.
GLONASS1
| GPS 1
11:10:09 12:15:09 13:20:09 14:25:09 15:30:09
Time
Е <
400 -| 350 300 250 200150 10050-
0:40:02 1:43:22 2:46:42 3:50:02 Time
б
4:53:22
Зависимость амплитуды от времени для спутников ГЛОНАСС № 1 за период 11:10:09-15:50:00 08.01.16 г. и GPS № 1 за период 00:40:02-05:09:31 08.01.16 г.
а
В результате анализа массива данных длительной регистрации для каждого спутника сигналов выявлены функции коррекции для калибровки зондирующего пучка с учетом пространственно-временной ориентации трассы излучатель-приемник и оптимальные интервалы времени радиометрических измерений.
В таблице представлены примеры общих данных о пространственно-временных характеристиках прямых сигналов для получения калибровочных зависимостей.
Данные о вариациях пространственно-временных и амплитудных характеристик прямых сигналов навигационных спутников ГЛОНАСС и GPS за длительный период позволяют начать формирование базы данных характеристик прямых сигналов. Обработка первичной информации формата BIN путем формирования файлов формата csv дает численное представление функций калибровки зондирующего пучка для каждого спутника группировок ГЛОНАСС и GPS.
Общие данные регистрации сигналов спутников ГЛОНАСС №1 и GPS № 1
№ Параметры ГЛОНАСС GPS
1 Номер спутника 1 1
2 Номера кадров 68368-85159 30561-46730
3 Количество секунд от 1980 г. 1136268609-1136285400 1136230802-1136246971
4 Дата 08.01.2016 08.01.2016
5 Время 11:10:09-15:50:00 00:40:02-05:09:31
6 Азимут, угл. градусы -0.002-99.997 51.845-149.330
7 Угол места угл. градусы 18.883-79.793 9.999-52.603
8 Амплитуда, сигнал/шум 136-419 56-353
Библиографические ссылки
1. Martin-Neira M. A Passive Reflectometry and Interferometry System (PARIS): Application to ocean altimetry // ESA Journal, 1993. Vol. 17. P. 331-355.
2. Martin-Neira M. // GNSS-R future evolution. Abstract. Proc. IGARSS. Milan, Italy, Jul. 26-31, 2015. FR 1.G2.1.
3. Jin S., Cardellach E., Xie F. GNSS Remote Sensing - Springer Dordrecht Heidelberg, New York, London.2014.286 p.
4. Метод измерения ослабления микроволнового излучения в лесном пологе с использованием сигналов ГЛОНАСС и GPS / В. Л. Миронов, А. В. Сорокин, М. И. Михайлов и др. // Вестник СибГАУ. 2013. Т. 51. № 5. С. 123-126.
© Белоусов М. А., Макаров Д. С., Тонких В. С., Харламов Д. В., 2016
