Слоистые рефракционные модели леса и льда в мониторинге сигналами навигационных спутников диапазона L1.

Глобальные Навигационные Спутниковые Системы (ГНСС) наряду с координатами измерениями, представляет особый интерес для мониторинга земных покровов. Импульсные сигналы диапазона L1 (несущая частота диапазона L1 ~ 1,5 – 1,6 ГГц, длина волны ~19 см), на основе процессов взаимодействия со средами земных покровов позволяют восстанавливать значимые характеристики ионосферы, атмосферы, почвы, растительных и водных и ледовых покровов [1]. Эффективно используется метод ГНСС -рефлектометрии, основанный на регистрации амплитудно-временных зависимостей (АВЗ) интерференционного поля, возникающего в результате суперпозиции когерентных полей прямого и отраженного поверхностью границ раздела земных покровов. Характеристики АВЗ интерференционного поля регистрируются приемной антенной, расположенной нал зондируемой поверхностью. Эффективная диэлектрическая проницаемость сред, рельеф границ раздела, расстояние от антенны до поверхности и угловые координаты навигационных спутников в совокупности определяют параметры АВЗ.
Особую сложность представляет разработка рефракционных моделей полупрозрачных слоистых сред. Наличие двух и более границ раздела вносят вклад в мощность сигнал при отражении на границах слоев и в процессе распространения в среде слоя. Модели эффективной комплексной диэлектрической проницаемости слоистых сред льда и леса подобны и рассматриваются как двухкомпонентные смешанные диэлектрики.
Лесной массив состоит из элементов деревьев разных размеров, поверхности почвы и воздуха в объеме, занимаемом древостоем. Характерные размеры разномасштабных элементов деревьев в сравнении с длиной волны зондирующего сигнала больше и сравнимы (стволы, ветви) и значительно меньше (хвоя, листья). В целом лес представляет собой статистически неоднородную двухслойную среду, состоящую из изотропного слоя крон и анизотропного слоя стволов с тремя горизонтальными границами раздела. Слой стволов имеет максимальную анизотропию, кроны с частично упорядоченными ветвями имеют практически изотропную эффективную диэлектрическую проницаемость [2]. Очередность границ между слоями в вертикальном направлении следующая; воздух–верх слоя крон, низ слоя крон-верх слоя стволов, низ слоя стволов - поверхность почвы.
Лед в период увеличения толщины и стационарном зимнем состоянии имеет кристаллическую структуру до начала прогрева выше 0○C. В весенний период в структуре льда постепенно появляются капсулы воды. Лед в этот период становится двухкомпонентным смешанным диэлектриком из кристаллического льда и жидкой воды. Вода существенно повышает эффективную диэлектрическую проницаемость льда в процессе весеннего прогрева. В вертикальном направлении очередность границ ледового покрова в период ледостава и стационарного зимнего состояния, без снежного покрова, следующая: воздух-поверхность кристаллического льда, нижняя поверхность льда-вода. В весенний период прогрева на верхней и нижней границах раздела формируются растущие слои «влажного» льда, с градиентом доли воды в структуре кристаллического «сухого» льда. Лед превращается в динамичную трехслойную структуру c 4-мя границами раздела. В отличие от леса, для сигналов ГНСС, лед, является однородной сплошной средой. Характерные размеры включений воды в структуре льда значительно меньше по отношению к длине волны зондирующего сигнала.
Общий подход к использованию ГНСС-рефлектометрии в мониторинге природных слоистых сред обеспечивает разработку метода и создания аппаратно-программного комплекса для получения практически значимых данных о состояниях леса и льда. В перспективе имеется возможность создания мобильных специализированных устройств, подобных приемникам сигналов ГНСС