CC BY
23Решетневскуе чтения. 2017
УДК 537.86
РАССЕЯНИЕ СИГНАЛОВ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВ НА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЯХ ЛЕСА
А. В. Сорокин1' 2, В. Г. Подопригора2, 3, Д. С. Макаров2
1 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр», Институт физики имени Л. В. Киренского Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50 3Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 E-mail: [email protected]
Получены значения погонных коэффициентов ослабления сигналов навигационных спутников в лесном массиве с координатной привязкой. Экспериментальные данные интерпретируются на основе представления леса как слоистой диэлектрической неоднородной среды. Выявлены особенности рассеяния сигналов правокруговой поляризации в слоях крон и стволов.
Ключевые слова: сигналы навигационных спутников, рассеяние и поглощение, коэффициенты ослабления, лесной массив, диэлектрическая неоднородность, слоистая среда.
SCATTERING OF NAVIGATION SATELLITE SIGNALS IN THE FOREST
SPACIAL HETEROGENEITY
A. V. Sorokin1,2, V. G. Podoprigora2,3, D. S. Makarov2
1Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
2Federal Research Center KSC SB RAS, Kirensky Institute of Physics 50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation
3Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation E-mail: [email protected]
The paper presents obtained values of linear attenuation coefficients of the signals of navigation satellites in the forest with a gridded. Experimental data are interpreted on the basis of the submission of the forest as a layered dielectric inhomogeneous medium. The research identifies features of the scattering signals of right polarization in the layers of the crowns and trunks.
Keywords: navigation satellite signals, scattering and absorption, the attenuation coefficients, forest, dielectric heterogeneity, layered environment.
Лесные массивы являются случайно неоднородными средами с неоднородностями различной формы, размеров и пространственной ориентации [1]. Экспериментальных данные о зависимости диэлектрической проницаемости древесины разных видов леса от влажности и температуры для радиочастот в диапазоне 20-1011 Гц представлены в монографии [2]. Лесной массив как двухкомпонентная сплошная диэлектрическая среда, включающая элементы дерева и воздух, может рассматриваться как смешанный диэлектрик. Это позволяет создать адекватную модель взаимодействия сигналов навигационных спутников с лесом, учитывающую видовые и сезонные особенности электрофизических характеристик лесных массивов.
Эффективная диэлектрическая проницаемость леса позволяет применить пространственно-дифференцированный подход к описанию процессов рассеяния и поглощения радиоволн. В общем случае тензор диэлектрической проницаемости еу связан с электрофизическими параметрами объемных элементов массива леса.
Средняя напряженность электрического поля Е радиоволны, покрывающей некоторый объем леса, связана с напряженностью Е1 локального поля объемных элементов леса тензором коэффициентов внутреннего поля а: Е1 = аЕ. Этот тензор выражается через тензор структурного фактора, учитывающего неоднородность и анизотропию окружения [3].
Пространственное распределение деревьев, их диаметры стволов, высота и формы крон позволяют учесть влияние неоднородностей леса на распространение радиоволн в лесном массиве с учетом многократного рассеяния и затухания [4].
Регистрация характеристик сигналов аппаратов ГЛОНАСС и GPS под пологом леса проводились на опытной площадке из граничащих друг с другом участков соснового и березового леса, разделенные просекой шириной 19 м. Азимут направления просеки составляет 150о. Средние значения биометрических характеристик леса представлены в таблице.
Использование %дсмическиу.средств, технологий и геоинформационных.систем для мониторинга и моделирования природной среды
Биометрические характеристики леса
Виды леса Диаметр ствола, м Высота дерева, м Высота кроны, м Расстояния между деревьями, м Плотность деревьев, м-2
Сосна 0,31 23 7 9,9 0,05
Береза 0,32 21 8 8,2 0,06
Пространственно-временная зависимость амплитуды сигнала в березовом лесу
Использовалась серийная аппаратура МРК32, которая регистрировала координаты расположения антенны, амплитуду сигнала, усредненную за 1 секунду в один кадр, дату, время, азимут и угол возвышения спутника над горизонтом. Антенный модуль, принимающий сигнал правокруговой поляризации, размещалась на высоте 0,6 м в точке с координатами 55о,996 с. ш. и 92о,771 в. д. Ось диаграммы направленности антенны устанавливалась вертикально вверх. Антенна находилось на просеке на расстоянии 2,5 м от границы соснового леса. Расположение антенны обеспечивало регистрацию сигналов ГЛО-НАСС и GPS, прошедших через оба массива леса и свободное пространство над просекой в интервале углов азимута 0-360о и углов возвышения 10—90о. На рисунке представлен пример записи амплитуды сигнала аппарата ГЛОНАСС 15.
Сеансы регистрации проведены 30.06.2017 и 16.08.2017 в дневное время в периоды 12 ч. 25 м. - 14 ч. 54 м. и 12 ч. 05 м. - 14 ч. 40 м соответственно. Сигналы аппарата ГЛОНАСС 15 регистрировались в интервалах азимута 330°-250° и угла возвышения 30°-50°-30°.
Калибровка зондирующих сигналов навигационных спутников проводилась с использованием базы калибровочных данных прямых сигналов [5]. Трассы зондирующих сигналов в лучевом приближении проходят участки лесных массивов с разной плотностью деревьев. На участке свободного пространства в лесном массиве сигнал слабо взаимодействует с окружением. Это позволяет осуществить корректный учет временных вариаций прямого сигнала в конкретном сеансе регистрации.
Полученные экспериментальные значения погонного коэффициента затухания (от 0,14 до 0,23 дБ/м) пространственно локализованы в зондируемом лесном массиве.
Библиографические ссылки
1. Попов В. И. Распространение радиоволн в лесах. М. : Горячая линия-Телеком, 2015. 392 с.
2. Torgovnikov G. I. Dielectric Properties of Wood and Wood Based Materials. Berlin, Springer-Verlag. 1993. 194 p.
3. Ботвич А. Н., Подопригора В. Г., Шабанов В. Ф. Комбинационное рассеяние света в молекулярных кристаллах. Новосибирск : Наука, 1989. 220 с.
4. Экспериментальное определение электрофизических параметров лесного покрова с использованием сигналов глобальных навигационных систем ГЛОНАСС и GPS / В. Б. Кашкин, В. И. Кокорин, В. Л. Миронов и др. // Радиотехника и электроника. 2006. Т. 51, № 7. C. 825-830.
5. Фомин С. В., Сорокин А. В., Харламов Д. В. Калибровка сигналов ГЛОНАСС и GPS в мониторинге земных покровов с использованием базы данных характеристик прямых сигналов вблизи поверхности Земли // Региональные проблемы дистанционного зондирования Земли : материалы IV Междунар. науч. конф. (12-15 сентября 2017, г. Красноярск) / науч. ред. Е. А. Ваганов ; отв. ред. Г. М. Цибульский ; Сиб. федер. ун-т. Красноярск, 2017. С. 175-177.
References
1. Popov V. I. Rasprostranenie radiovoln v leash. M. : Goryachaya liniya-Telecom, 2015. 392 р.
2. Torgovnikov G. I. Dielectric Properties of Wood and Wood Based Materials. Berlin, Springer-Verlag. 1993. 194 p.
3. Botvich A. N., Podoprigora V. G., Shabanov V. F. Kombinacionnoe rasseyanie sveta v moleculyarnyh crystalah. Novsibirsk : Nauka, 1989. 220 s.
4. Kashkin V. B., Kokorin V. I., Mironov V. L., Sizasov S. V. [Eksperimentalnoe opredelenie electrofizicheskih parametrov lesnogo pokrova s ispolzovaniem signalov globalnyh navigatsionnyh sistem GLONASS i GPS] // Radiotehnika i Electronika. 2006. T. 51, № 7. Р. 825-830. (In Russ)
5. Fomin S. V., Sorokin A. V., Harlamov D. V. [Kalibrovka signalov GLONASS i GPS v monitoringe zemnih pokrovov s ispolzovaniem bazi dannih harakteristi pryamih signalov vblizi poverhnosti Zemli] // Мaterialy IV Mezhdunar. nauch. konf. Krasnoyarsk, 2017. P. 175177. (In Russ.)
© Сорокин А. В., Подопригора В. Г., Макаров Д. С., 2017
