CC BY
21
УДК 537.86
ВОССТАНОВЛЕНИЕ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМНЫХ ПОКРОВОВ
НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИГНАЛОВ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВ
Д. С. Макаров1, 2, М. А. Белоусов1, 2, В. С. Тонких1, 2, Д. В. Харламов1, 2 Научный руководитель - А. В. Сорокин
1Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2Федеральный исследовательский центр КНЦ СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50 E-mail: [email protected]
Представлен метод восстановления локального рельефа поверхности земных покровов с использованием интерференционной рефлектометрии сигналов ГНСС. Рассмотрены варианты моделей расчета интерферограмм для снежно-ледовых и почвенных покровов. Сделана оценка точности картирования рельефа.
Ключевые слова: сигналы ГЛОНАСС и GPS, рефлектометрия, земные покровы, восстановление рельефа.
RECOVERY OF THE EARTHQUAKE SURFACE RELIEF ON THE BASIS OF INTERFERENCE DIMENSIONS USING SIGNALS OF NAVIGATION SATELLITES
M. А. Belousov1, 2, D. S. Makarov1, 2, V. S. Tonkih1, 2, D. V. Kharlamov1, 2 Scientific Supervisor - A. V. Sorokin
1Reshetnev Siberian State Aerospace University
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2Krasnoyarsk Sciences Center SB RAS 50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation E-mail: [email protected]
A method for reconstructing the local topography of the earth's surface using the interference reflectometry of GNSS signals is presented. Variants of models of interferogram calculation for snow-ice and soil cover are considered. The estimation of accuracy of mapping of a relief is made.
Keywords: Signals of GLONASS and GPS, reflectometry, earth cover restoration of relief.
В настоящее время развивается метод дистанционного измерения физических характеристик покровов земли с использованием сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Сигналы ГНСС в круглосуточном режиме покрывают поверхность всей Земли, и не зависят от погодных условий. Метод измерения основан на регистрации приемником сигналов ГНСС интерференционной картины, возникающей в результате суперпозиции поля прямой волны, распространяющейся от спутника ГНСС к приёмной антенне, расположенной на высоте нескольких метров над поверхностью почвы, с полем отраженной волны от поверхности почвы. Характер интерференционной картины, зависит от электро-, геофизических характеристик земной поверхности и высоты регистрируемого прибора. В результате эти параметры могут быть восстановлены из измеренной приемником ГНСС интерференционной картины с использованием теоретической модели, описывающей интерференцию амплитуд сигналов в приемнике ГНСС [1-3].
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1
В данной работе проводиться анализ моделей и приведены результаты экспериментов, принятых с помощью аппаратуры МРК-32Р, оснащенной антенной с правой круговой поляризацией, для замера параметров интерференционной картины.
Рис. 1. Схема формирования интерференционного сигнала на приемной антенне: к - высота антенны; 6 - угол падения электромагнитной волны, приходящей от спутника ГНСС; ф - азимутальный угол спутника ГНСС
Как видно на рис. 1, изменение высоты антенны (к) приводит к увеличению пройденного отраженного сигнала от земной поверхности и увеличение разности фаз А между прямым и отраженным сигналом. Амплитуда на графике (рис. 2) зависит от разности хода между прямыми и отраженными сигналами (1) и коэффициента отражения г. Аналитическое выражение в зависимости от высоты расположения антенны над поверхностью (к) в приближении идеальной (не шероховатой, без волнения, ряби) отражающей поверхности для постоянного азимута (а = 0) и произвольных углов возвышения 9 (10 < 9 < 90) расположения навигационных аппаратов представлено формулой (1). Уравнение показывает, что А зависит от длины волны, угла падения и от высоты приемника (рис. 1).
Е.
■Е0еТ
1 + ге
4 пк sin 6
(1)
На рис. 2, а, б смоделированы ситуации двух типов поверхности (лед и вода), которые находятся относительно антенны на разных высотах, в первом случае 0,5 м и 1 м соответственно.
0,00 10,00 20.« 50,00 ло.оо 50,00 «МЮ
УГОЛ ПВДЕНИП
а
б
Рис. 2. График зависимости мощности принимаемого сигнала от угла возвышения. Модели поверхности лёд (прерывистый график) и вода (непрерывный график) с высотой антенны:
а - 0,5 м; б - 1 м
Регистрация сигналов осуществлялась радиоприемным комплексом МРК-32 с антенной право круговой поляризации в даты 25.03.1017 и 02.04.2017. Ось диаграммы направленности ориентирована параллельно земной поверхности, что обеспечивало прием сигналов в диапазоне углов возвышения спутников над горизонтом 9,2-90°. Высота расположения антенны над уровнем моря в первом случае - 285 м во втором - 164 м. Длительность сеансов регистрации составила не более 5 часов. Получены данные по сигналам для 1 участка 16 и 19, а для 2 участка 16 и 17 рабочих спутников группировок ГЛОНАСС и GPS соответственно.
а
б
Рис. 3. Зависимость амплитуды от угла возвышения для спутника GPS № 26 за период 25.03.1017 участок 1 (а) и спутника GPS № 16 за период 02.04.2017 участок 2 (б)
Первый участок (участок 1) - это территория возле корпуса института физики имени Ки-ренского, имеющий координаты: 55°59'27.9"N 92°45'43.8"E. Участок со средним перепадом высот 0,8 м. Высота антенны над почвой - 2,07 м. Поверхность покрыта снегом со средним значением диэлектрическая проницаемости - 2,2. Второй участок (участок 2) - пруд Северо-Западного района г. Красноярска имеющий координаты - 56°03'49.1"N 92°43'37.5"E. Антенна располагалась на поверхности льда, на высоте - 3,9 м. Участок покрыт льдом со средней толщиной - 0,62 м. Средняя диэлектрическая проницаемость участка - 3,4.
Восстановления рельефа относительно места расположения антенны возможно из характеристик интерференционных картин. Модуляция амплитуды и частоты интерференционных максимумов однозначно связаны с относительной высотой расположением антенны над местом отражения сигнала от поверхности.
Библиографические ссылки
1. Jin S., Cardellach E., Xie F. GNSS Remote Sensing - Springer Dordrecht Heidelberg, New York, London. 2014. 286 p.
2. 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.
3. Диагностика влажности почвы с использованием поляризационных рефлектограмм сигналов ГЛОНАСС и GPS / В. Л. Миронов, А. В. Сорокин, М. И. Михайлов и др. // Вестник СибГАУ. 2013. Т. 51, № 5. С. 107-109.
© Макаров Д. С., Белоусов М. А., Тонких В. С., Харламов Д. В., 2017
