CC BY
78
УДК [528.225:629.783]:528.42
ОБЗОР МЕТОДОВ ГНСС-РЕФЛЕКТОМЕТРИИ
ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ВЫСОТ МОРСКОЙ
ТОПОГРАФИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ В РОССИИ И ЗА РУБЕЖОМ
Николай Сергеевич Косарев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры космической и физической геодезии, тел. (913)706-91-95, e-mail: kosarevnsk@yandex.ru
Константин Михайлович Антонович
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, доцент, профессор-консультант кафедры космической и физической геодезии, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru
Роман Анатольевич Колмыков
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант, e-mail: roman.kolmikov42@mail.ru
Дмитрий Юрьевич Черных
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, студент, тел. (913)937-73-32, e-mail: dmitry_chernykh@icloud.com
В статье рассматриваются методы определения высоты морской топографической поверхности (МТП) с помощью спутниковых ГНСС-приемников, принимающих прямые и отраженные от морской поверхности электромагнитные сигналы по методу ГНСС-рефлектометрии (ГНСС-Р). Дается краткий анализ методов ГНСС-рефлектометрии, конфигурации используемых спутниковых приемников и антенн. Описан опыт применения метода ГНСС-Р в России и за рубежом.
Результаты выполненных за рубежом экспериментов продемонстрировали, что применение интерферометрического варианта метода ГНСС-рефлектометрии, основанного на методе «отношение "сигнал-шум"», позволяет определять высоту морской топографической поверхности с погрешностью до 1,53 см, однако для этого требуется тщательный учет электромагнитного смещения сигнала. Применение метода ГНСС-рефлектометрии с «фазовой задержкой» позволяет определять высоту морской топографической поверхности с погрешностью до 1-2 см.
Основной наблюдаемый параметр в интерферометрическом методе ГНСС-Р - взаимная когеренция, или кросс-корреляция двух раздельных сигналов ГНСС, созданных когерентно одним передатчиком и собранных одним инструментом, т. е. ГНСС-Р приемником. ГНСС-Р приемник для измерений когеренции отраженных и прямых лучей называется интерферо-метрическим, или бескодовым. Если модель кода передаваемого сигнала известна, то прямой сигнал мог быть заменен его известным функциональным представлением.
В России методы ГНСС-Р для определения морской топографической поверхности исследованы недостаточно. Имеющееся количество экспериментальных данных о проведенных в России работах не позволяет с достоверной точностью делать конкретные выводы о применимости метода ГНСС-Р для определения высот морской топографической поверхности.
Ключевые слова: ГНСС-рефлектометрия, мареограф, морская топографическая поверхность, метод «отношение "сигнал-шум"», метод «фазовая задержка».
Введение
Наблюдения за колебаниями уровня Мирового океана играют важную роль в океанологии, климатологии, гидрографии, геофизике, гляциологии и ряде других смежных наук о Земле для оценки и прогноза экзогенных и эндогенных процессов [1-3]. К таким процессам, в частности, относится поднятие уровня Мирового океана вследствие таяния ледников и вулканической деятельности, тропические циклоны, штормы и цунами. Основной вклад в изменение уровня Мирового океана вносят тепловое расширение и обмен воды между океаном и другими водными ресурсами, такими, как ледники и речной сток. Местные изменения уровня Мирового океана вызваны некоторыми океанографическими факторами, такими, как циркуляция океана, атмосферное давление и геофизические факторы [4-7].
Поэтому для понимания процессов, приводящих к изменению уровня Мирового океана, а также с целью прогнозирования и минимизации последствий, вызванных этими изменениями, во всем мире ведутся систематические наблюдения за морской топографической поверхностью (МТП) на разветвленной сети морских уровенных постов и станций [8].
В настоящее время для определения МТП, в основном, используются два метода. Первый метод основан на применении различных видов мареографов на постоянных и временных морских уровенных постах и станциях.
На постоянных пунктах наблюдений устанавливают поплавковые самописцы уровня моря, а в прибрежной зоне - гидростатические мареографы. На временных пунктах наблюдений используют автономные гидростатические мареографы. Применение различных видов мареографов для наблюдений за морской топографической поверхностью не позволяет полностью отказаться от другого вида измерительной информации о МТП, так как мареографы фиксируют не только колебания уровня Мирового океана, но и вертикальное движение земной коры. Влияние вертикального движения на морскую топографическую поверхность достаточно сложно оценить и обычно для этого требуются специальные геодезические и геофизические исследования, которые, как правило, не проводятся. Таким образом, наблюдения традиционных мареографов могут привнести значительные погрешности в глобальные оценки уровня Мирового океана [6, 7].
Вторым методом определения морской топографической поверхности является метод спутниковой альтиметрии, который заключается в измерении высоты по нормали радиовысотомером, установленным на низкоорбитальном спутнике, над исследуемой поверхностью. Более подробную информацию о методе спутниковой альтиметрии можно найти в работах [9-12].
Метод спутниковой альтиметрии является наиболее универсальным методом определения морской топографической поверхности. Однако в прибрежных районах производительность метода падает из-за того, что отраженный сигнал, который принимает низкоорбитальный спутник, трудно обрабатывать
и корректно интерпретировать вследствие близости береговой линии, поднятия морского дна, изменения уровня моря, обусловленного приливами и влиянием атмосферы, что в итоге приводит к резкому уменьшению точности наблюдений [6, 7]. Для устранения этих погрешностей разработаны специальные алгоритмы обработки, например, Осеап-1,2 [13, 14].
Новым перспективным методом определения МТП является метод ГНСС-рефлектометрии, который можно интерпретировать как метод спутниковой отражательной альтиметрии [15, 16].
Целью данной статьи является анализ методов ГНСС-рефлектометрии, которые в настоящее время применяются для определения морской топографической поверхности.
Концепция метода ГНСС-рефлектометрии. Концепция использования отраженного ГНСС-сигнала для измерения морской топографической поверхности впервые была предложена в работе [17]. Суть метода ГНСС-рефлектометрии (ГНСС-Р) заключается в анализе сигналов ГНСС, отраженных от поверхности Земли, причем в отличие от обычной спутниковой альтиметрии ГНСС-рефлектометр работает в так называемой бистатической конфигурации, когда передатчик, установленный на спутнике, и ГНСС-приемник разнесены на достаточно большое расстояние.
Метод ГНСС-Р может быть реализован в трех конфигурациях: космической, воздушной и наземной.
Космический тип метода ГНСС-рефлектометрии. Первый космический ГНСС-Р спутник ТесИБетоБаМ (ТББ-1) был запущен 8 июля 2014 г. с космодрома Байконур (рис. 1).
Теоретическая часть
Рис. 1. Общий вид спутника ТесИБетоБаМ (ТББ-1)
В таблице приведены основные технические характеристики спутника TDS-1.
Технические характеристики спутника TDS-1
Заказчик Правительство Великобритании (Британский совет стратегических технологий)
Создатель Английская компания «Surrey Satellite Technology Ltd»
Платформа SSTL-150
Орбита Солнечно-синхронная круговая орбита с высотой 820 км, наклонением 98,8 градусов
Размеры 77 см х 50 см х 90 см
Масса 150 кг
Срок жизни 2-2,5 года
Связь Аппаратура S- и Х-диапазона, скорость до 400 Мбит/с
Одной из основных задач спутника TDS-1 являлся мониторинг морской топографической поверхности. На основании собранных данных спутника TDS-1 коллективом автором [18] была выполнена первая оценка по определению МТП. Результаты оценки показали, что среднее квадратическое отклонение морской топографической поверхности, полученной по данным спутника TDS-1, от модели океанического геоида DTU10 составляет 8,1 м для южной Атлантики и 7,4 м для северотихоокеанского региона [7, 18].
В декабре 2016 г. была запущена глобальная навигационная спутниковая система Cyclone. Система позволяет быстро обновлять и предоставлять информацию о морской топографической поверхности. Информация о МТП формируется в течении нескольких минут [19]. Разрабатываются и другие космические миссии, такие, как PARIS, GEROS и CAT.
Воздушный тип метода ГНСС-рефлектометрии. В работе [20] было выполнено исследование возможности получения морской топографической поверхности с помощью фазовых ГНСС-измерений, полученных приемником, размещенным на самолете «HALO». В исследовании, получившем название «GEOHALO», применялся метод ГНСС-рефлектометрии. На борту самолета было установлено три ГНСС-приемника: один во фронтальной части самолета и два на левом крыле. ГНСС-антенна одного из бортовых приемников имела левую круговую поляризацию, а другая - правую. Это было сделано для увеличения вероятности обнаружения отраженного сигнала [20].
По результатам эксперимента установлено, что:
- с использованием метода ГНСС-Р морская топографическая поверхность может быть получена с сантиметровой точностью. При получении МТП с сантиметровой точностью необходимо иметь адекватную модель распространения ГНСС-сигнала и исключить из измерений фазовую неоднозначность;
- оптимальными условиями фазового поиска в методе ГНСС-Р являются высоты между 10° и 30°.
Наземный тип метода ГНСС-рефлектометрии. Наземная ГНСС-Р альтиметрия может осуществляться в двух конфигурациях: с помощью одной ГНСС-антенны либо с помощью двух ГНСС-антенн. Обычно используется конфигурация с двумя ГНСС-антеннами. В этой конфигурации одна из ГНСС-антенн, имеющая правую круговую поляризацию, направляется в зенит и служит для приема прямого транслируемого ГНСС-сигнала. Другая ГНСС-антенна направляется в надир и служит для приема отраженного сигнала, который после отражения приобретает в основном левую круговую поляризацию, поэтому такая антенна также имеет левую круговую поляризацию. Обе антенны находятся в одной вертикальной плоскости и разнесены на определенное расстояние й. Угол наклона отраженного сигнала равен высоте прямого сигнала [21]. Схема ГНСС-рефлектометрии с использованием двух антенн изображена на рис. 2.
И
Прямой сигнал ГНСС , '''
Антенна с правой круговой поляризацией
Антенна с левой круговой поляризацией Отраженный сигнал,
ГНСС
е е
Морская поверхность
Рис. 2. Схема ГНСС-рефлектометрии с использованием двух антенн
Соотношение энергии с правой круговой и левой круговой поляризацией зависит от диэлектрической проницаемости, проводимости отражающей поверхности и угла возвышения спутника. Для морской воды компонент левой круговой поляризации доминирует в отраженном сигнале для угла выше угла Брюстера, т. е. больше 8°, тогда как компонент правой круговой поляризации быстро уменьшается. При использовании двух спутниковых антенн можно оценить МТП путем сравнения прямых и отраженных сигналов. Предполагая, что фазовые центры двух антенн смещены на величину й, задержка пути отраженного сигнала относительно прямого сигнала может быть определена на основе
простого геометрического соотношения. Тогда высота И над поверхностью воды определяется по формуле
где Ау - вычисленная разность высот для базовой линии между двумя антеннами; d - расстояние между фазовыми центрами двух антенн [21]. Этот метод также известен как метод «фазовой задержки». Конфигурация с применением одной антенны с правой круговой поляризацией впервые была предложена в работе [21], она основана на теории многолучевого распространения отраженного сигнала [7, 22]. Схема ГНСС-рефлекто-метрии с использованием одной ГНСС-антенны изображена на рис. 3.
Рис. 3. Схема ГНСС-рефлектометрии с использованием одной антенны
В соответствии с концепцией многолучевого распространения длина дополнительного пути (А р ) может быть записана как функция, зависящая от высоты отражателя (И) и угла падения (0):
(1)
Ар = А^ • с = 2 • И • Бт 0,
где Дt - временная задержка; с - скорость света.
2 -л
Умножив обе части уравнения на величину-, получим
X
2 -л-At -c 4 -л-h -sin 6
, (3)
где Дф - фазовая задержка.
Фазовая задержка между прямым и отраженным сигналами связана с изменением угла падения:
dАф 4 -л- h - cos 6d6
- — (4)
dt Xdt
d6
где — - это изменение скорости угла падения. dt
Заменив в уравнении (4) x = sin 0, получим
dАф_ dАф-dt _ dАф-dt _ 4-л-h dx dx - dt cos 6- d6- dt X
(5)
Эта интерференционная картина дает возможность получить высоту h отражателя между антенной и отражающей поверхностью [7]:
г ^ f
h(6)
Данный метод также известен как метод «отношение "сигнал-шум"», или когерентный, или интерферометрический. В нем применяются интерферомет-рические или бескодовые приемники геодезического качества. В качестве измеренных параметров служат взаимная когеренция, или кросс-корреляция двух раздельных сигналов ГНСС, созданных когерентно одним передатчиком и собранных одним инструментом, т. е. ГНСС-Р приемником.
Зарубежный опыт использования метода ГНСС-Р
В работе [7] было выполнено исследование метода «отношение "сигнал-шум"» для определения МТП по данным станций Calcasieu Pass и Shell Beach, расположенных в Мексиканском заливе. Станции представляют собой стационарные океанографические платформы (СОП) высотой 12 и 15 м, соответственно. На рис. 4 показан общий вид этих станций.
Calcasieu Pass [23] Shell Beach [24]
Рис. 4. Станции определения МТП Calcasieu Pass и Shell Beach, расположенные на берегу Мексиканского залива
Стационарные океанографические платформы Calcasieu Pass и Shell Beach оборудованы ГНСС-аппаратурой, традиционными поплавковыми мареографами и анемометрами для измерения скорости ветра.
Суть проведенного эксперимента на этих двух станциях заключалась в следующем: по методу ГНСС-Р определялась высота морской топографической поверхности, которая затем сравнивалась с показаниями традиционных поплавковых мареографов. Для уменьшения «шума» в данных мареографов, вызванных сильными порывами ветра и высокими волнам, использовались показания анемометров. В эксперименте использовались только GPS-сигналы на частоте L1 [7, 25].
В ходе предварительного теоретического исследования было выявлено, что самые большие ошибки в определение высоты МТП по методу «отношение "сигнал-шум"» вносит электромагнитное смещение сигнала, отраженного по большей части от ложбин морской волны, а не от ее гребней. В результате происходит существенный недоучет высоты МТП. Для исключения данной погрешности из результатов определения высоты морской топографической поверхности применяются теоретические методы расчета электромагнитного смещения сигнала с использованием линейных и нелинейных моделей МТП, а также эмпирические, с использованием реальных данных [7].
На первом этапе эксперимента вычислялись углы возвышения спутников. Затем назначались заранее определенные азимутальные и «фасадные» маски для приема только отраженных сигналов от морской поверхности. Далее из результатов измерений удалялся общий тренд, который нес в себе не только отраженные, но и прямые сигналы. На следующем этапе оценивалась доминирующая частота многолучевого распространения во временном ряду данных. Наивысшая спектральная мощность в окне поиска соответствовала высоте отражателя. Вычисленная высота отражателей преобразовывалась в высоту МТП, а метки времени для каждой высоты МТП рассчитывались по среднему времени соответствующей спутниковой дуги [7]. Средняя квадратическая ошибка определения высоты МТП, полученная методом ГНСС-Р, по результатам сравнения с данными мареографов на станции Calcasieu Pass составила 7,27 см, а на станции Shell Beach - 7,33 см.
Для улучшения результатов определения высоты МТП, полученной по методу ГНСС-Р, были применены теоретические и эмпирические модели электромагнитного смещения сигнала. В результате чего средняя квадратическая ошибка определения высоты МТП на станции Calcasieu Pass уменьшилась с 7,27 см до 4,77 см при применении теоретической модели электромагнитного смещения сигнала и до 3,42 см при применении эмпирической модели электромагнитного смещения сигнала. На станции Shell Beach были получены аналогичные результаты: с 7,33 см до 4,84 см - при применении теоретической модели электромагнитного смещения сигнала и до 3,36 см - при применении эмпирической модели электромагнитного смещения сигнала.
Из этого можно сделать следующий вывод: применение теоретических и эмпирических моделей электромагнитного смещения сигнала значительно улучшает точность определения высоты морской топографической поверхности, полученной по методу «отношение "сигнал-шум"». Однако эмпирическая модель является наиболее точной [7].
Отечественный опыт использования метода ГНСС-Р
В работе [26] рассматриваются результаты применения метода ГНСС-рефлектометрии для оценки уровня Черного моря. Работы проводились на стационарной океанографической платформе Черноморского гидрофизического полигона Российской академии наук (РАН) в районе поселка Кацивели, в период 13-17 августа 2017 г. Общий вид платформы изображен на рис. 5.
Целью работы было исследование влияния характеристик ветрового волнения и геометрии размещения и ориентации приемных антенн на данные уровня моря по методу ГНСС-Р. В эксперименте использовался многоантенный приемник JAVAD DELTA-Q и две антенны JAVAD GrAnt-G3T, размещенные в двух точках СОП. При этом фазовые центры антенн были расположены на разной высоте над поверхностью моря и имели различную ориентацию в пространстве. Первая антенна располагалась на высоте около 4 м от морской по-
верхности и была направлена «в зенит»; антенна принимала сигналы GPS и ГЛОНАСС. Вторая антенна была расположена на высоте около 10 м над поверхностью моря, была направлена «в зенит» и принимала только сигналы GPS. Обе антенны имели правую круговую поляризацию. Обработка результатов строилась на эффекте «многолучевого распространения сигнала» с использованием метода «отношение "сигнал-шум"» [26].
Рис. 5. СОП Черноморского гидрофизического полигона РАН в районе поселка Кацивели [27]
В ходе проведенного эксперимента было выяснено, что на результаты измерения уровня моря по методу ГНСС-Р существенное влияние оказывает характер волнения, вплоть до невозможности определения МТП по методу ГНСС-Р в условиях сильного волнения. Для антенны, расположенной на высоте около 10 м и направленной «в зенит» «... пороговые значения амплитуды и частоты ветровых волн, при которых перестает выделяться основная гармоника в спектре вариаций SNR S1 для спутников GPS, составляют порядка 0,2 Гц и 1,5 м соответственно» [26]. Однако нельзя достоверно судить об итоговых результатах ввиду недостаточной продолжительности эксперимента.
Заключение
Метод ГНСС-рефлектометрии является одним из самых перспективных методов для измерения высоты МТП и скорости приводного ветра.
Метод ГНСС-Р может быть реализован в трех конфигурациях: космической, воздушной и наземной. Космический тип метода ГНСС-рефлектометрии
позволяет определять высоту МТП с погрешностью около 4,4 м [V, 18]. Воздушный тип ГНСС-рефлектометрии по методу «фазовой задержки» способен определять уровень моря с сантиметровой точностью. При получении МТП с сантиметровой точностью необходимо иметь адекватную модель распространения ГНСС-сигнала и исключить из измерений фазовую неоднозначность [20]. Наземная ГНСС-рефлектометрия осуществляется с использованием либо одной антенны по методу «отношение "сигнал-шум"», с опорой на теорию многолучевого распространения сигнала, либо с помощью двух антенн, разнесенных на заданное расстояние, по методу «фазовая задержка». Применение метода «отношение "сигнал-шум"» позволяет определять высоту МТП с погрешностью до 1,53 см, однако для этого требуется учет электромагнитного смещения сигнала. Метод «фазовая задержка» позволяет определять МТП с точностью до 1-2 см [28]. Сравнение методов показало, что метод «фазовая задержка» превосходит в точности метод «отношение "сигнал-шум"» в условиях малой шероховатости поверхности моря, а метод «отношение "сигнал-шум"» работает лучше метода «фазовая задержка» в условиях значительного волнения моря.
В России метод ГНСС-Р для определения МТП исследован недостаточно. Имеющееся количество экспериментальных данных не позволяет с высокой достоверностью делать конкретные выводы.
Большой интерес представляет собой адаптация метода ГНСС-рефлек-тометрии для определения уровня воды внутренних водоемов и водотоков. Цель будущих исследований - усовершенствование зарубежных наработок в области ГНСС-рефлектометрии применительно к условиям внутренних водоемов и водотоков для получения уровня воды и других гидрологических характеристик.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Исследование современных глобальных моделей гравитационного поля Земли : монография / В. Ф. Канушин и др. - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. - 2V0 с.
2. Hydrographic Surveying [Элетронный ресурс]. - Режим доступа : https://c.ymcdn. com/sites/www.njspls.org/resource/resmgr/imported/Hydrographic_Surveying_PDH%20Farrell-1.pdf.
3. Hydrography / C. D. de Jong, G. Lachapelle, S. Skone et al. - 2nd ed. - VSSD, 2006. -
364 p.
4. Кузьмин В. И., Косарев Н. С., Антонович К. М. Физика Земли. Строение атмосферы и гидросферы Земли : учеб. пособие. - Новосибирск : СГУГиТ, 201V. - 26V с.
5. IHO Standards for Hydrographic Surveys, Special Publication S-44. - 5th edition. -Monaco : International Hydrographic Bureau, 2008. - 36 p.
6. Observations: oceanic climate change and sea level / N. L. Bindoff, J. Willebrand, V. Artale et al. // Climate Change 200V: The Physical Science Basis: Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. -Cambridge, UK : Cambridge University Press. - P. 385-432.
V. Sun J. Ground-Based GNSS-Reflectometry Sea Level and Lake Ice Thickness Measurements [Электронный ресурс]. - Режим доступа : https://gradsch.osu.edu/ calendar/events/gnss-reflectometry-based-sea-level-and-lake-ice-thickness-measurements.
8. Manual on Sea Level Measurement and Interpretation [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://unesdoc.unesco.org/images/0014/001477/147773e.pdf.
9. Rees W. G. Physical Principles of Remote Sensing. - 2nd ed. - Cambridge Univ. Press, 2001. - 372 p.
10. Remote Sensing Using Microwaves / Eds. J. Askne. - Goteborg. Sweden : Chalmers Univ. Technology. Dep. Radio and Space Science, 2003. - 253 p.
11. Satellite Altimetry and Earth Sciences. A Handbook of Techniques and Applications / Fu L. L., Cazenave A. (Eds.). - Academic Press, 2001. - 463 p.
12. Комплексный спутниковый мониторинг морей России / О. Ю. Лаврова, А. Г. Костяной, С. А. Лебедев и др. - М. : ИКИ РАН, 2011. - 472 с.
13. Спутниковая альтиметрия внутренних водоемов / Ю. И. Троицкая, С. А. Лебедев, А. Г. Костяной и др. // Водные ресурсы. - 2012. - Т. 39, № 2. - C. 169-185.
14. ADAS Volume 4: CMA Altimeter Level 2 Processing / P. Dumont, P. Sicard, J. Stum et al. - Issue: 3, 2001. - 418 p.
15. Rius A., Cardellach E. Reflectometry : Springer Handbook of Global Navigation Satellite Systems. / P. J. G.Teunissen, O. Montenbruck (Eds.). - Cham, Switzerland : Springer International Publishing AG, 2017. - P. 1164-1186.
16. Lofgren J. S., Haas R. Sea level measurements using multi-frequency GPS and GLONASS observations // EURASIP Journal on Advances in Signal Processing. - 2014. - Vol. 50. -P. 1-13.
17. Martin-Neira M. A passive reflectometry and interferometry system (PARIS): Application to ocean altimetry // ESA journal. - 1993. - Vol. 17, No 4. - P. 331-355.
18. First spaceborne observation of sea surface height using GPS-Reflectometry / M. P. Clarizia, C. Ruf, P. Cipollini et al. // Geophysical Research Letters. - 2016. - Vol. 43, No. 2. -P. 767-774.
19. Analysis and modeling of tropical convection observed by CYGNSS [Электронный ресурс] / T. J. Lang, X. Li, B. Roberts, et al. - Режим доступа : https://www.essoar.org/doi/ pdf/10.1002/.
20. Sea Surface Topography retrieved from GNSS reflectometry phase data of the GEOHALO flight mission / M. Semmling, J. Beckheinrich, J. Wicker! et al. // Geophysical Research Letters. - 2014. - Vol. 41, Issue 3. - P. 954-960.
21. Larson K. M., Lofgren J. S., Haas R. Coastal sea level measurements using a single geodetic GPS receiver // Advances in Space Research. - 2013. - Vol. 51. - Issue 8. - P. 1301-1310.
22. The accidental tide gauge: a GPS reflection case study from Kachemak Bay, Alaska / K. M. Larson, R. D. Ray, F. G. Nievinski et al // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. -
2013. - Vol. 10, No. 5. - P. 1200-1204.
23. Lofgren J. S., Haas R., Scherneck H. G. Sea level time series and ocean tide analysis from multipath signals at five GPS sites in different parts of the world // Journal of Geodynamics. -
2014. - Vol. 80. - P. 66-80.
24. Calcasieu Pass [Электронный ресурс]. - Режим доступа : https://tidesandcurrents. noaa.gov/stationhome.html?id=8768094.
25. Shell Beach [Электронный ресурс]. - Режим доступа : https://tidesandcurrents. noaa.gov/stationhome.html?id=8761305.
26. GNSS-рефлектометрия уровня Черного моря в экспериментах на стационарной океанографической платформе [Электронный ресурс] / А. М. Падохин, Г. А. Курбатов, М. О. Назаренко и др. - Режим доступа : https://istina.msu.ru/download/.../1fOpNH: o8CDJXo OtvcukbcEsfbQIMk1kuY/.
27. СОП Черноморского гидрофизического полигона РАН в районе поселка Кацивели [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://mhi-ras.ru/news/news_201511031443.html.
28. Hobiger T., Haas R., Lofgren J. S. GLONASS-R: GNSS reflectometry with a Frequency Division Multiple Access-based satellite navigation system // Radio Science. - 2014. - Vol. 49. -P.271-282.
Получено 01.06.2018
© Н. С. Косарев, К. М. Антонович, Р. А. Колмыков, Д. Ю. Черных, 2018
REVIEW OF GNSS-REFLECTOMETRY METHODS FOR MARINE TOPOGRAPIC SURFACE HEIGHT SCATTEROMETRY DETERMINATION IN RUSSIA AND ABROAD
Nikolay S. Kosarev
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D, Associate Professor, Department of Space and Physical Geodesy, phone: (913)706-91-95, e-mail: kosarevnsk@yandex.ru
Konstantin M. Antonovich
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, D. Sc., Associate Professor, Professor-Consultant, Department of Space and Physical Geodesy, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru
Roman A. Kolmikov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Graduate, e-mail: roman.kolmikov42@mail.ru
Dmitriy Yu. Chernykh
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Student, phone: (913)937-73-32, e-mail: dmitry_chernykh@icloud.com
The paper considers methods of height determination on marine topographic surface (STS) by means of GNSS receivers that receive direct and reflected electromagnetic signals from the STS using the GNSS reflectometry (GNSS-R). It gives a brief analysis of GNSS-R methods, configuration of receivers and antennae, used in Russia and abroad, and describes the experience of GNSS-R method application in Russia and abroad.
The results of abroad experiments demonstrated that the use of the interferometric version of the GNSS-R method based on the «signal-to-noise ratio» allows to determine STS height with an error of up to 1,53 cm, however for this accurate detection of the electromagnetic signal displacement is required. Application of GNSS-R «phase delay» method allows determining the STS height with error of 1-2 cm.
The main observable parameter in the interferometric GNSS-R method using signal-to-noise ratio is the mutual coherence, or cross-correlation of two separate GNSS signals created coherently by a single GNSS transmitter and collected by a single instrument i.e. a GNSS-R receiver. A GNSS-R receiver based on the measurement of the coherence of the reflected and direct beams is named interferometric or codeless. If a model of the code of the transmitted signal is known, then the direct signal could be substituted by its known functional representation.
The methods of GNSS-R in Russia for determination of height STS are not sufficiently investigated. The available amount of experimental data on the works carried out in Russia does not allow us to make specific conclusions about the applicability of the GNSS-P method to determine the heights of the marine topographic surface with reliable accuracy.
Key words: GNSS-reflectometry, mareograph, marine topographic surface, signal-to-noise ratio method, phase delay method.
REFERENCES
1. Kanushin, V. F., Karpik, A. P., Ganagina, I. G., Goldobin, D. N., Kosareva, A. M., & Kosarev, N. S. (2015). Issledovanie sovremennych global nych modelei gravitatsionnogo polya Zemli [Research global modern Earth s gravitation models]. Novosibirsk: SSUGT Publ., 270 p. [in Russian].
2. Hydrographic Survey. (n. d.). Retrieved from https://c.ymcdn.com/sites/ www.njspls.org/resource/resmgr/imported/Hydrographic_Surveying_PDH%20Farrell-1.pdf.
3. Jong, C. D. de, Lachapelle, G., Skone, S. & Elema, I. A. (2006). Hydrography (2nd ed). VSSD, 364 p.
4. Kuzmin, V. I., Kosarev, N. S., & Antonovich, K. M. (2017). Fizika Zemli. Stroenie atmosfery i gidrosfery [Physics Earth. Construction of atmosphere and gidrosphere]. Novosibirsk, SSUGT Publ., 267 p. [in Russian].
5. IHO. (2008). IHO Standards for Hydrographic Surveys, Special Publication S-44, 5th edition. Monaco: International Hydrographic Bureau, 36 p.
6. Bindoff, N. L., Willebrand, J., Artale, V., Cazenave, A., Gregory, J., Gulev, S., Hanawa, K., Quere, C. Le, Levitus, S., Nojiri, Y., Shum, C. K., Talley, L. D., & Unnikrishnan, A. (2007). Observations: oceanic climate change and sea level. The Physical Science Basis: Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (pp. 385-432). Cambridge, UK: Cambridge University Press.
7. Ground-Based GNSS-Reflectometry Sea Level and Lake Ice Thickness Measurements. (n. d.). Retrieved from https://gradsch.osu.edu/ calendar/events/gnss-reflectometry-based-sea-level-and-lake-ice-thickness-measurements.
8. Manual on Sea Level Measurement and Interpretation. (n. d.). Retrieved from http://unesdoc.unesco.org/images/0014/001477/147773e.pdf.
9. Rees, W. G. (2001). Physical Principles of Remote Sensing (2nd ed.). Cambridge Univ. Press, 372 p.
10. Askne J. (Ed.). (2003). Remote Sensing Using Microwaves. Goteborg. Sweden: Chalmers Univ. Technology. Dep. Radio and Space Science, 253 p.
11. Fu, L.-L., & Cazenave, A. (Eds.). (2001). Satellite Altimetry and Earth Sciences. A Handbook of Techniques and Applications. Academic Press, 463 p.
12. Lavrova, O. Yu., Kostianoy, A. G., Lebedev, S. A., Mityagina, M. I., Ginzburg, A. I., & Sheremet, N. A. (2011). Kompleksnyi sputnikovyi monitoring morei Rossii [Complex satellite monitoring of the Russian seas]. Moscow: Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, 472 p. [in Russian].
13. Troitskaya, Y. I., Rybushkina, G. V., Soustova, I. A., Balandina, G. N., Lebedev, S. A., Kostyanoi, A. G., Panyutin, A. A., & Filina, L. V. (2012). Satellite altimetry of inland water bodies. Vodnye resursy [Water Resources], 39(2), 184-199 [in Russian].
14. Dumont, P., Sicard, P., Stum, J., & Zanife, O. Z. (2001). ADAS Volume 4: CMA Altimeter Level 2 Processing. Issue: 3, 418 p.
15. Rius, A., & Cardellach, E. (2017). Reflectometry. Springer Handbook of Global Navigation Satellite Systems (pp. 1164-1186). Cham, Switzerland: Springer International Publishing AG.
16. Lofgren, J. S., & Haas, R. (2014). Sea level measurements using multi-frequency GPS and GLONASS observations. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, 50, 1-13.
17. Martin-Neira, M. (1993). A passive reflectometry and interferometry system (PARIS): Application to ocean altimetry. ESA journal, 17(4), 331-355.
18. Clarizia, M. P., Ruf, C., Cipollini, P., & Zuffada, C. (2016). First spaceborne observation of sea surface height using GPS-Reflectometry. Geophysical Research, 43(2), 767-774.
Вестник CTyTuT, Tom 23, № 3, 2018
19. Analysis and modeling of tropical convection observed by CYGNSS. (n. d.). Retrieved from https://www.essoar.org/doi/pdf/10.1002/.
20. Semmling, M., Beckheinrich, J., Wickert, J., Beyerle, G., Schön, S., Fabra, F., Pflug, H., He, K., Schwabe, J., & Scheinert, M. (2014). Sea Surface Topography retrieved from GNSS reflectometry phase data of the GEOHALO flight mission. Geophysical Research Letters, 41(3), 954-960.
21. Larson, K. M., Löfgren, J. S., & Haas, R. (2013). Coastal sea level measurements using a single geodetic GPS receiver. Advances in Space Research, 51(8), 1301-1310.
22. Larson, K. M., Ray, R. D., Nievinski, F. G., & Freymueller, J. T. (2013). The accidental tide gauge: a GPS reflection case study from Kachemak Bay, Alaska. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 10(5), 1200-1204.
23. Löfgren, J. S., Haas, R., & Scherneck, H.G. (2014). Sea level time series and ocean tide analysis from multipath signals at five GPS sites in different parts of the world. Journal of Geody-namics, 80, 66-80.
24. Calcasieu Pass. (n. d.). Retrieved from https://tidesandcurrents.noaa.gov/stationhome. html?id=8768094.
25. Shell Beach. (n. d.). Retrieved from https://tidesandcurrents.noaa.gov/stationhome. html?id=8761305.
26. Padokhin, A. M., Kurbatov, G. A., Nazarenko, M. O., & Smolov, V. Ye. (n. d.). The Black sea level by GNSS-reflectometry experiments on stationary oceanographic platform Retrieved from https://istina.msu.ru/download/.../1fOpNH:o8CDJXoOtvcukbcEsfbQIMk1kuY/ [in Russian].
27. The stationary oceanographic platform in Black sea hydrophysical range of RAS near the village of Katsiveli. (n. d.). Retrieved from http://mhi-ras.ru/news/news_201511031443.html [in Russian].
28 Hobiger, T., Haas, R. & Löfgren, J. S. (2014). GLONASS-R: GNSS reflectometry with a Frequency Division Multiple Access-based satellite navigation system. Radio Science, 49, 271-282.
Received 01.06.2018
© N. S. Kosarev, K. M. Antonovich, R. A. Kolmikov, D. Yu. Chernykh, 2018
