Восстановление диэлектрической проницаемости почв при использовании сигналов навигационных спутников ГЛОНАСС и GPS

Первая попытка учесть влияние температуры на КДП влажных почв заключалась в учете зависимости диэлектрической проницаемости воды от температуры:

^(Г) = 78,54 [1 - 4,579  10-3(7 - 25) + + 1,19  10-5(7 - 25)2 - 2,8  10^(7 - 25)3],

где Т - температура в градусах Цельсия.

Нами разработана одночастотная температурно-зависимая диэлектрическая модель влажных почв. Модель создана для частоты 1,4 ГГц, которая широко используется в дистанционном зондировании. Прототипом этой модели является ранее созданная В. Л. Мироновым и С. В. Фоминым спектроскопическая диэлектрическая модель, которая позволяет рассчитывать диэлектрическую проницаемость влажной почвы в зависимости от частоты электромагнитного поля, влажности, температуры и типа почвы [4]. Эта модель позволяет восстанавливать влажность почвы из измерений яркостной температуры земли с точностью 2...6 %. Однако она довольно громоздка и не всегда удобна в использовании. Исключение частотной зависимости позволило создать простую диэлектрическую модель влажной почвы, которая с такой же точностью, как и ее прототип, дает возможность рассчитывать комплексную диэлектрическую проницаемость на частоте 1,4 ГГц, как функцию влажности,

температуры и содержания глинистой фракции в почве [5]. В настоящее время эта модель применяется как штатная в алгоритме восстановления влажности суши с помощью европейского космического аппарата SMOS.

Библиографические ссылки

1. Passive microwave observation of diurnal soil moisture at 1.4 and 2.65 GHz / T. J. Jackson, P. E. O'Neill, W. P. Kustas et al. // Proc. IGARSS. 1995. Vol. 1. P. 492-494.

2. Fischman M. A., England A. W. Sensitivity of a 1.4 GHz direct-sampling digital radiometer // IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. 1999. Vol.37, № 5/1. P. 2172-2180.

3. Curtis J. O., Weiss, C. A. Jr., Everett J. B. Effect of Soil Composition on Dielectric Properties : technical Report EL-95-34. Dec. 1995.

4. Mironov V. L., Fomin S. V. Temperature and Mineralogy Dependable Model for Microwave Dielectric Spectra of Moist Soils // PIERS Online. 2009. Vol. 5, № 5. P. 411-415.

5. Temperature and Texture Dependent Dielectric Model of Moist Soils at the SMOS Frequency / V. L. Mironov, Y. Kerr, J.-P. Wigneron et al. // Proc. IGARSS. 2012. P. 1127-1129.

L. G. Kosolapova

Kirensky Institute of Physics of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Russia, Krasnoyarsk

TEMPERATURE DEPENDENCES OF MOIST SOILS DIELECTRIC PERMITTIVITY.

EXPEREMENTS AND MODELING

The dielectric constant of soils depends on the frequency of the electromagnetic field, moisture, temperature and type of soil. Temperature affects the dielectric constant of unfrozen soil less, so the studies, both experimental and theoretical, on this subject are much less. An overview of modern views on the effect of temperature on the dielectric constant of wet soil and a simple dielectric model of soil, taking into account the temperature dependence are provided.

© KocojianoBa r., 2012

УДК 537.86

М. И. Михайлов, С. В. Фомин, А. В. Сорокин, К. В. Музалевский

Институт физики имени Л. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, Красноярск

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОЧВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СИГНАЛОВ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВ ГЛОНАСС И GPS

Представлены особенности временной зависимости интерференционных сигналов правоциркулярной и вертикальной поляризации от навигационных спутников ГЛОНАСС и GPS для безлесных участков почвы. Обсуждаются экспериментальные данные по восстановлению влажности.

Известно, что при работе спутниковых систем глобальной навигации одним из основных факторов погрешности позиционирования является эффект многолучевого распространения, проявляющийся в виде интерференции прямого и отраженного от почвы или сооружений сигналов спутников ГНСС. В то же

время интерференционный сигнал несет информацию о характеристиках почвенного слоя. На основе этого явления в работах [1-4] был предложен и развит метод дистанционного зондирования земной поверхности с целью определения влажности почвы. В данной работе представлены результаты измерений интерфе-

Решетневскце чтения

ренционных рефлектометрических сигналов в различных условиях эксперимента и описан расчетный алгоритм, связывающий амплитуду принятого сигнала с характеристиками почвенного слоя.

В качестве приемника использовался комплекс МРК-32 (URL: http://www.mnicglonass.ru/summary.php?id=96) отечественного производства в сочетании с двумя типами приемных антенн. Первый тип - стандартная patch-антенна с горизонтально направленной осью и принимающая сигнал с правоциркулярной поляризацией. Второй тип - дипольная антенна, расположенная вертикально и принимающая сигнал с вертикальной поляризацией. Фазовые центры антенн располагались на высотах 2,6...3,0 м над уровнем почвы. Типичные интерферограммы сигналов, отраженных от почвенного слоя с patch-антенной и дипольной антенной, и теоретически рассчитанные значения амплитуды принятого сигнала в соответствии с алгоритмом, описанным ниже, см. на рис. 1, 2.

Рис. 1. Амплитуда сигнала с правоциркулярной поляризацией

для последующей обработки. На втором этапе осуществлялся модельный расчет амплитуды принятого сигнала как функции соответствующих углов места ф по формуле:

1

Ег = A  F |l + S2 • Я? + 2 • S  R  cosф|2,

где A - нормировочный множитель; F - функция диаграммы направленности соответствующей приемной антенны, S - параметр шероховатости почвенного слоя; Яг - коэффициенты отражения либо для право-циркулярной, либо для вертикальной поляризации; Ф = 5г + (4nh/X)-sin ф - набег фазы за счет разности хода лучей; h - высота приемника; X - длина волны; ф - угол места спутника.

Взаимосвязь между диэлектрической проницаемостью и влажностью почвенного слоя рассчитывалась по температурно- и минералогически зависимой диэлектрической модели почвы [5]. Методом нелинейного регрессионного анализа проводилась минимизация целевой функции путем варьирования значений искомых параметров (в том числе влажности и шероховатости) расчетной модели.

Сравнительный анализ результатов показал, что использование правоциркулярной поляризации малопригодно для восстановления влажности почвы, поскольку существует слабая и неоднозначная зависимость соответствующего коэффициента отражения от диэлектрической проницаемости почвенного слоя. С другой стороны, использование антенны, принимающей вертикальную поляризацию, позволяет зарегистрировать существенно иной вид интерференционной картины. В этом случае амплитуда модуляции в области псевдобрюстеровского угла имеет минимум, который, в свою очередь, однозначно связан с диэлектрической проницаемостью и соответственно с влажностью почвенного слоя.

Elevation angle {deg)

Рис. 2. Амплитуда сигнала с вертикальной поляризацией

Восстановление влажности проведено по следующему алгоритму. Экспериментальные данные, зарегистрированные МРК-32, на первом этапе очищались от аппаратных сбоев и приводились к виду, удобному

Библиографические ссылки

1. Martin-Niera M. A Passive Reflectometry and Interferometry System // ESA J. 1993. Vol.17. P. 331-355.

2. Soil Moisture Retrieval Using GNSS-R Techniques: Experimental Results Over a Bare Soil Field / N. Rodriguez-Alvarez [et al.] // IEEE Trans. on Geoscie. and Remote Sensing. 2009. Vol. 47, № 11. P. 3616-3624.

3. GPS-Mulipath and its Relation to Near-Surface Soil Moisture Content / K. M. Larson [et al.] // IEEE J. of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2010. Vol. 3, № 4. Part 2. P. 91-99.

4. A Physical Model of GPS Multipath Caused by Land Reflections: Toward Bare Soil Moisture Retrievals / V. U. Zavorotny [et al.] // IEEE J. of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2010. Vol. 3, № 4. Part 2. P. 100-111.

5. Mironov V. L., Fomin S. V. Temperature and Mineralogy Dependable Model for Microwave Dielectric Spectra of Moist Soils // PIERS Proc. Moscow, 2009. P. 411-415.

M. I. Mikhaylov, S. V. Fomin, A. V. Sorokin, K. V. Muzalevsky Kirensky Institute of Physics of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Russia, Krasnoyarsk

DETERMINATION DIELECTRIC PERMITTIVITY OF THE SOIL USING OF THE NAVIGATION SATELLITES GLONASS AND GPS SIGNALS

This paper presents of the time dependence of the interference signals RHCP and vertical polarization of the navigation satellites GLONASS and GPS for non-forest soil. Experimental data to restore moisture was discussed.

© Михайлов М. И., Фомин С. В., Сорокин А. В., Музалевский К. В., 2012

УДК 621.398

Т. А. Мусабаев, М. М. Молдабеков, Д. И. Еремин, В. В. Торчик Институт космической техники и технологии, Республика Казахстан, Алматы

СИСТЕМА МОНИТОРИНГА КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫХ ГРУЗОВ НА БАЗЕ МОБИЛЬНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

Рассматриваются вопросы организации мониторинга перемещения грузов, способных причинить вред окружающей среде, жизни и здоровью людей. Приводится оценка существующих на данный момент решений. Выдвигается предложение об использовании низкоорбитальных спутниковых систем для передачи данных о состоянии объектов мониторинга.

Доставка грузов является неотъемлемой частью жизнеобеспечения любой страны. Процесс перевозки осуществляется преимущественно автомобильным и железнодорожным транспортом.

На успех процесса перевозки грузов влияет множество факторов, связанных с погодными условиями, состоянием дорог, несоблюдением режима движения.

Совокупность всех факторов может стать причиной автомобильной или железнодорожной аварии. Перевозимый груз зачастую по своей природе представляет опасность, что в совокупности с негативными условиями перевозки может привести к техногенной катастрофе, последствия которой трудно и зачастую невозможно предсказать при отсутствии своевременного информирования.

На сегодняшний день разработано множество систем, позволяющих осуществлять мониторинг процесса перевозки опасных грузов.

Системы, решающие данный класс задач, принято называть М2М-системами (МасЫпе4о-МасЫпе, МасЫпе4о-МоЫ1е). Большинство из них используют для передачи данных об объекте сети сотовой связи, что не дает стопроцентной зоны покрытия сигналом всего маршрута перевозки груза.

Идея создания системы мониторинга критически важных грузов включает в себя уже отработанные правила и принципы М2М-систем и некоторые функциональные дополнения.

В отличие от М2М-систем коммерческого характера, которые разворачиваются непосредственно у компании, внедрившей данную систему, описываемая система мониторинга должна быть централизованной. Данная мера повышает безопасность процесса перевозки грузов за счет того, что обеспечива-

ется интеграция с информационными системами специальных экстренных служб реагирования, МЧС (Министерста по чрезвычайным ситуациям), ситуационных центров.

Система состоит из двух подсистем: комплекса мониторинга и диспетчерского пункта.

Комплекс мониторинга - мобильная часть системы, включающая в себя терминалы двух типов: терминал сбора информации с датчиков и терминал передачи данных в диспетчерский пункт. Терминалы устанавливаются непосредственно на объектах мониторинга.

Терминалы передачи данных позволяют подключать к себе множество датчиков, предоставляющих показания измерения физических величин, например, датчик удара, датчик открытия корпуса - для контроля целостности грузового контейнера, датчик температуры - для контроля условий транспортирования, датчик радиации и т. д.

Диспетчерский пункт является ядром системы, выполняющим функции обработки и накопления данных, получаемых с терминалов, оповещения о возникновении чрезвычайной ситуации, мониторинга движения объектов, предоставления доступа к информации уполномоченным лицам.

С использованием новейших современных решений для организации спутниковой передачи данных на базе спутниковых группировок Globalstar, Orbcomm и Iridium, достигается практически стопроцентная зона покрытия связью территории Республики Казахстан и за ее пределами. Применение гибридного метода организации связи с использованием не только спутниковых группировок, но и каналов связи GSM-операторов позволяет повысить экономическую