Метод измерения ослабления микроволнового излучения в лесном пологе с использованием сигналов ГЛОНАСС и GPS

Как известно, глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) GPS и ГЛОНАСС, первоначально спроектированные для использования в военных целях, в последние полтора десятилетия начали широко использоваться в гражданской и научной областях. Насущная общественная потребность в высокоточном позиционировании привела к мощному развитию индустрии навигационного оборудования, его удешевлению, миниатюризации и повсеместной доступности. Все это в комплексе кардинально изменило методы и возможности навигации, геодезии, геофизики и прочих смежных наук. В то же время имеющаяся возможность постоянно и повсеместно регистрировать радиоизлучение навигационных спутников позволяет развить целый ряд методов дистанционного зондирования Земли и околоземного пространства.

Впервые использовать сигналы ГНСС для альтиметрии океана предложил М. Мартин-Нейра в 1993 г. [1]. Затем аналогичные методики ГНСС-рефлектомерии были развиты несколькими группами в США и Европе для определения состояния водной поверхности, влажности почвы, толщины снежного покрова и т. п. [2–4].

В тоже время работы, связанные с использованием сигналов GPS и ГЛОНАСС для зондирования лесных покровов практически отсутствуют, что, по-видимому, объясняется сложностью объекта исследования. В лаборатории дистанционного зондирования Института физики им. Киренского СО РАН предложено использовать сигналы ГНСС для изучения лесных покровов. Преимуществами данного метода исследования является сравнительная простота регистрирующей аппаратуры, ее мобильность и автономность, а также воз- можность зондирования лесного покрова одновременно по всем направлениям от приемника излучения.

Схема эксперимента показана на рис. 1. Радиоизлучение спутника ГНСС проходит через лесной полог средней высотой H f и принимается антенной, расположенной на высоте h a , сигнал которой принимается автономным регистрирующим комплексом (АРК).

Антенный модуль обеспечивает прием сигналов с правой круговой поляризацией в верхней полусфере, начиная от угла места 10 ° , и имеет в своем составе малошумящий усилитель с коэффициентом усиления 30 дБ. АРК состоит из комплекта, в который входит шестнадцатиканальный приемный модуль МРК-32, ноутбук и система автономного электропитания. Записи сигналов навигационных космических аппаратов (НКА) в бинарном формате преобразуются в csv-формат и затем обрабатываются в камеральном режиме в программных средах MS Excel и OriginPro.

Были проведены три сеанса измерений сигналов НКА под пологом разновозрастного леса в окрестностях стационара «Погорелка» (Красноярский край) на трех площадках: 1 – лиственничный, посадки; 2 – сосновый, посадки и 3 – сосновый, природный. Одновременно производились замеры и оценки геометрических и массовых характеристик древостоя, результаты которых представлены в табл. 1. Кроме этого, были проведен сеанс измерений на безлесной территории (в качестве калибровочного).

Типичный вид зависимости логарифма амплитуды сигнала всех опознанных НКА от величины, обратно пропорциональной синусу угла места показан на рис. 2.

H f

Рис. 1. Схема эксперимента

Таблица 1

Биометрические параметры древостоя

Площадка, №	Средние значения геометрических и массовых характеристик леса
	Высота, м	Диаметр, м	Плотность, шт/м	Расстояние между деревьми, м	Удельная плотность древесины в слое древостоя
					Объемная, м 3 (др)/м 3	Массовая, кг 3 /м 3
1 - Лиственница	13,4	0,067	0,377	1,6	0,00177	0,001 06
2 - Сосна	16,3	0,117	0,181	2,3	0,002 58	0,001 29
3 – Сосна природная	19,1	0,181	0,067	3,9	0,002 30	0,001 15

Лиственничный лес

1/sin(yron места)

Рис. 2. Амплитуды сигналов НКА по всем азимутам

Значения ослабления сигнала НКА различных типов лесного полога

Таблица 2

Тип лесного полога	Высота полога над антенной ( H f – h a ), м	Мнимая часть ПП k • 10 4	Затухание, дБ/м	Средний радиус стволов, м	Плотность древостоя, шт/м 2	Объемная плотность древесины м 3 /м 3 ∙ 10 3
Лиственница	9,4	4,39	0,291	0,067	0,377	1,77
Сосна (посадки)	12,3	1,96	0,131	0,117	0,181	2,58
Сосна (природный)	15,2	1,90	0,127	0,181	0,067	2,30

Для обработки полученных результатов и оценки ослабления сигнала в лесном пологе были сделаны следующие предположения: 1) слой, ослабляющий радиоизлучение, принимается однородным и имеющим определенное линейное ослабление; 2) произведение величины сигналов НКА над лесным пологом на значение диаграммы направленности приемной антенны в диапазоне углов места 10 ° -40 ° аппроксимируется величиной, пропорциональной 1/sin φ. В соответствии с этим, принятое значение величины сигнала можно найти по формуле

E (φ) = A·F· exp( – α 0 / sinφ – 2π k ( H f – h a ) / (λ · sinφ)), где A – величина сигнала над лесным пологом; F – нормированное значение диаграммы направленности приемной антенны при угле места φ; H f – высота лесного полога; h a – высота приемной антенны; λ – длина радиоволны; k – мнимая часть показателя преломления; α₀ – величина, определяющая ослабление сигнала при уменьшении угла места над безлесной территорией.

В соответствии с формулой (1), логарифм величины сигнала линейно зависит от значения 1/sin φ. Параметры линии тренда определяются по методу наименьших квадратов, соответственно, можно определить ослабление сигналов НКА всеми типами лесных пологов. Результаты оценок приведены в табл. 2.

Как видно из табл. 2, значения затухания под лесным пологом в общем соответствуют значениям, полученным ранее в этих типах лесных массивов другими методами [5; 6]. В молодом и старом сосновых лесах величина ослабления коррелирует с объемной плотностью древесины притом, что диаметры стволов, плотности древостоя и высоты лесного полога существенно различаются. Различия в ослаблении под пологами соснового и лиственничного леса, могут объясняться различием в пространственной структуре древостоя и кроны, различиями в плотности и влажности древесины сосны и лиственницы, а также наличием значительного рассеяния компонентами древостоя, имеющими размеры, близкие к длине волны падающего излучения.

В данной работе продемонстрирован новый метод изучения характеристик лесного полога с использованием сигналов глобальных навигационных спутниковых систем и стандартных приемников навигационных сигналов. Полученные значения ослабления радиоволн L-диапазона лесными пологами разных типов в общем, соответствуют известным данным. Такое, можно сказать, нестандартное использование сигналов ГНСС в сочетании с различными типами приемных антенн, в различных сезонных условиях может представить собой новое перспективное направление в области дистанционного зондирования земных покровов.